JP5714613B2 - プリントヘッドの噴出性能を監視する方法 - Google Patents

Description

本発明は導電性流体を噴出するための方法およびシステムに関し、特に、この方法およびシステムの噴出性能を監視するための方法およびシステムに関する。

溶融金属等、導電性流体の液滴を噴出するための印刷装置は知られている。このような印刷装置では、それにより液滴が印刷装置のノズルを通って排出されるローレンツ力が、溶融金属内で発生する。

このような装置は、溶融金属または溶融半導体等、高温の流体の液滴を噴出するために使用され得る。

溶融金属の直接印刷は、例えば電子回路を印刷するために用いられ得る。このような用途では、そうでなければ、例えば液滴の欠損による電子的な接続の断絶に起因して、電子回路が機能することができないので、全ての液滴が実際に正確に印刷されることが重要である。したがって、全ての液滴が実際に生成されたことを少なくとも監視することが望まれる。

監視は、印刷された点を画像化するスキャニングユニットを用いることによって実行され得る。しかし、このような監視システムは、どのような欠損したまたは誤った点を修正することにも不十分であり得る。したがって、印刷システムのノズルが適切に機能しているかどうかを連続的に監視することができるシステムを有することが望ましい。

特許文献１はノズルが適切に動作しているかどうかを監視するための方法を記載する。印刷装置が記載され、この印刷装置は、インク液滴をノズルから噴出するように適合され、電気機械変換器を備える少なくとも１つのノズルと、変換器を作動させるためのパルス発生器を備える駆動回路と、作動に応じて変換器によって生成される電気的な信号を測定するための測定回路と、測定回路が閉じられた場合に駆動回路が開くような方法で回路を遮断する手段を有する。電気機械変換器の例は圧電素子である。このような素子は、電圧が印加されると形が変化する。これは、インクの液滴の噴出をもたらす。液滴が噴出された後、ノズル内には残留圧力がある。この圧力のために、圧電素子は電気信号を発生し、この電気信号は電流または電圧として測定され得る。電気信号はノズルの状態に依存する。例えば、ノズル内に気泡がある場合、（時間の関数としての残留圧力の）減衰は完全に満杯のノズルの場合と異なる。プロセスにおいて、圧電素子は、電気信号が測定され得るように、作動の終了後、測定回路に切り替えられる。参照信号、すなわち、正常と定義されたノズルの変換器によって生成される信号との比較によって、次にノズルが良好な状態にあるかどうかまたは、印刷品質に影響し得る問題があるかどうかを決定することが可能である。逸脱が発見された場合、例えばインクで洗い流す等、修復動作が実行され得る。要するに、既知の方法を使用することで、ノズルの適切な動作を連続的にチェックするとともに問題が生じた場合に修復することが可能である。このように、恒久的に良好な印刷品質が達成され得る。

しかし、ノズルの状態を監視するこの方法を実行するためには、圧電素子が必須である。圧電素子は、高温等、特定の条件下において適切に動作するとともに機能することができない。結果として、溶融金属を噴出するように適合された印刷装置等、高温で流体を噴出するように適合された印刷装置では、圧電素子を使用することができない。したがって、引用文献で提案された解決方法は、この技術分野での使用に適していない。

欧州特許第１０１３４５３号

本発明の目的は、導電性流体を噴出することができるシステムの噴出性能を監視するための方法およびシステムを提供することである。

上述の目的は、噴出装置の性能を監視する方法によって達成され、噴出装置は導電性流体の液滴を排出するように構成され、導電性流体の少なくとも一部は磁界内に位置される。この方法は、磁界内に位置する導電性流体の一部に作動電流を提供することを含み、したがって導電性流体内に圧力波を発生させる。この方法はさらに、磁界内に位置する導電性流体の一部の中の残留圧力波によって引き起こされる、結果として生じる電流を検出すること、したがって検出信号を得ること、および、検出信号に基づいて、噴出装置が動作状態にあるかどうかを決定すること、を含む、ことを特徴とする。

導電性流体を印刷するための既知のシステムでは、導電性流体の液滴は、ローレンツ力によってノズルを通って排出される。この力は、導電性流体に動きをもたらす。この動きは、流体の至る所に圧力の差をもたらし、圧力波としても知られる。ローレンツ力は、電流および磁界ベクトルに関係する。ベクトルＦ＝ベクトルＩ×ベクトルＢ。本発明によるシステムでは、液滴を噴出するための適切な力が発生されるように、磁界が提供されるとともに電流が導電性流体内に提供される。流体の液滴が噴出されたとき、上述のように、圧力の差が流体の至る所に発生され、圧力波が作り出される。慣性のために、圧力波は、電流の印加が停止するとすぐに瞬間的に消失せず、やがて徐々に消える。時間の関数としての残留圧力波は、取り分け、流体チャンバの音響挙動に依存する。圧力波は、導電性流体内で動きを生成し、圧力波と同様、この動きはやがて消える。導電性流体内での動きは力を発生させる。したがって、液滴の噴出後、力は流体内に発生される。導電性流体は磁化以内に置かれるので、ベクトルＦ＝ベクトルＩ×ベクトルＢの関係のため、誘導電流（ベクトルＩ）が流体内に発生する。この電流を測定することによって、作動チャンバ内の音響特性が監視され得る。

しかし、磁界の存在下で電流を供給することが液滴の噴出をもたらさない場合でも、依然として流体の音響挙動が監視され得る。上述のように、導電性流体を通じて磁界内に電流を流すことはローレンツ力を発生させる。このローレンツ力はやがて徐々に消える導電性流体内の圧力波をもたらす。時間の関数としての残留圧力波は、取り分け、流体チャンバの音響挙動に依存する。音響挙動は特に、流体チャンバの形状に起因するとともに流体の有無に起因する共鳴を含む。圧力波は導電性流体内の力に対応する。磁界が導電性流体に加えられるので、ベクトルＦ＝ベクトルＩ×ベクトルＢにしたがって、対応する力は、流体を通る電流を誘起する。この電流は適切な手段によって検出され得る。この電流を測定することによって、作動チャンバの音響挙動が監視され得る。

本発明では、作動は流体チャンバからオリフィスを通って流体の液滴を噴出するために流体内に圧力波を発生し得る作動手段によって実行されるとともに誘導電流は作動直後に測定されることができ、作動はノズルが正常に動作している場合に流体の液滴が噴出されるようになる。ノズルの噴出性能が印刷中に監視され得ることが本発明の利点である。追加的な利点は、ノズルの破損または不調が実質的にすぐに検出され得るので、多くの場合、場合によっては如何なる乱れが現れる前にも修復動作が実行され得る。したがって、本発明による方法は印刷装置の信頼性を向上させる。上述のように、印刷装置が電気回路の印刷に適用される場合、如何なる流体の欠落した液滴も印刷結果の機能に有害な影響を与える。

実施形態では、噴出装置が動作状態にあるかどうかの検出信号に基づいて判断される本方法のステップは、検出信号の少なくとも１つの特性を所定の検出信号の特性と比較することを含む。この所定の信号は噴出装置の動作状態に対応する。ローレンツ力が磁界の存在内に作動電流を印加することによって発生された後、導電性流体内の残留圧力波は導電性流体内に電流を誘起する。この電流は適切な検出手段によって監視され得る。作動後に発生された誘導電流は噴出装置の状態に依存する。基準電気信号は、例えば、適切に機能している噴出装置の作動後の誘導電流を監視することによって、作動後に生成される誘導電流に対して予め決定され得る。測定された電気信号の所定の基準電気信号との比較によって、噴出装置が適切に機能しているかどうかが決定され得る。

誘導電流は様々なパラメータに依存する。特に、流体チャンバの音響特性はとりわけ導電性流体内の残留圧力波を決定する。したがって、誘導電流から、流体チャンバ内の音響特性が作動しているチャンバの音響特性に対応するかどうかが決定され得る。ごみまたは他の障害物が存在する場合、音響特性が異なり、それゆえに、流体チャンバが動作状態にないことが決定され得る。例えば、液滴が誤った方向に噴出されるという、または液滴が全く噴出されないという検出信号に基づいて決定され得る。

実施形態では、噴出装置の性能を監視する方法は、導電性流体に電流を供給するために導電性流体と接触する２つの電極を有する噴出装置を有し、２つの電極は、作動電流を供給する間、電流発生ユニットに動作可能に接続されるとともに、２つの電極は、結果として生じた電流を検出する間、電気信号検出ユニットに動作可能に接続される。したがって、この実施形態では、検出ユニットは作動電流を受けず、検出ユニットはしたがって比較的弱い誘導電気信号を正確に検出すること専用にされ得る。

１つの態様では、本発明はさらに導電性流体の液滴を印刷するための印刷装置を提供し、印刷装置は、ある量の導電性流体を保持するための流体チャンバと、導電性流体の液滴をチャンバからノズルを通じて排出するように構成された作動組立体と、を有し、作動組立体は、少なくとも流体チャンバの一部に磁界を発生させる磁界発生ユニットと、磁界が与えられたチャンバの一部内の導電性流体に作動電流を発生させ、したがって、流体チャンバのその一部の導電性流体に圧力波を発生させる電流発生ユニットと、結果として生じる電流を検出するための電気信号検出ユニットであって、この結果として生じる電流は磁界内に置かれた導電性流体の一部内の残留圧力波によって誘起され、したがって、検出信号を得る、電気信号検出ユニットとを有する。本発明による印刷装置はしたがって本発明による方法を実行するように構成される。

印刷装置の実施形態では、電流発生ユニットは２つの電極に動作可能に接続可能であり、２つの電極は、導電性流体に作動電流を供給するために導電性流体に接触し、印刷装置は、２つの電極が作動と同時に電流発生ユニットに動作可能に接続されるように、且つ、２つの電極が作動後に電気信号検出ユニットに動作可能に接続されるように構成される。印刷装置は、駆動回路から測定回路におよびその逆に切り替える切替手段を有する。

作動電流は、誘導電流より大幅に大きくなり得る。電極は作動後に電気信号検出ユニットに動作可能に接続されるので、誘導電流は、微弱な誘導電流を検出するように適合された、敏感な信号検出手段を用いて測定され得る。

本発明のこれらのおよびさらなる特徴および利点は、以下、限定するものではない実施形態を示している添付の図面を参照して説明される。

図１は、導電性流体の液滴を印刷するための印刷装置の斜視図を示す。 図２は、図１に示された印刷装置の一部の断面図を示す。 図３Ａは、ノズルの状態に対応して導電性流体に誘起された可能性がある仮想的な電気信号を示す。 図３Ｂは、ノズルの状態に対応して導電性流体に誘起された可能性がある仮想的な電気信号を示す。 図３Ｃは、ノズルの状態に対応して導電性流体に誘起された可能性がある仮想的な電気信号を示す。 図４は、本発明による方法の使用に適した電気回路を示す図である。

図面において、同じ参照数字は同じ要素を示す。

図１は、比較的高温の流体、特に銅、銀、金および同種のもの等溶融金属の液滴を噴出するための噴出装置１の一部を示す。噴出装置１は、耐熱で好ましくは熱伝導性材料で作られた支持フレーム２を有する。

噴出装置１は、そこを通って流体の液滴が噴射され得る噴出ノズル４を備える。ノズルまたはオリフィス４は、流体チャンバ本体６の壁を通る貫通孔である。流体チャンバ本体６内には、流体チャンバが配置される。流体チャンバは流体を保持するように構成される。

溶融金属の液滴を噴出するために、噴出装置１は２つの永久磁石８ａ、８ｂ（以下、磁石８とも称される）を備える。磁石８は、鉄等の磁界案内材料で作られた２つの磁界集中要素１０ａ、１０ｂ（以下、コンセントレータ１０とも称される）の間に配置される。噴出装置１はさらに、少なくとも各電極１２の先端が流体チャンバ内に存在する溶融金属と直接電気的に接触するように、両方が適切な貫通孔を通って流体チャンバ本体６内に延びる２つの電極１２ａ、１２ｂ（以下、電極１２とも称される）を備える。電極１２は、適切な電極支持部１４によって支持されるとともに、適切な電流が電極１２および電極１２の先端の間に存在する溶融金属を通って生成され得るように、適切な電流発生器（図示せず）にそれぞれ動作可能に接続可能である。磁界内に置かれた流体の一部の残留圧力波によって誘起される、結果として生じる電流が監視され得るように、電極１２は、電気信号検出ユニット（図示せず）にそれぞれ動作可能に接続可能であり得る。これはさらに本出願の以下に説明される。

図２は図１に示された印刷装置の一部の断面図を示す。この断面図は線ｂ−ｂ（図１）に沿って取られている。図２を参照すると、支持フレーム２および磁石８が示される。図示された実施形態では、支持フレーム２は、そこを通って支持フレーム２および磁石８の能動的冷却のために冷却流体が流れ得る冷却チャネル３４を備える。誘導コイル２４が示されている。流体チャンバ本体６は、誘導コイル２４を通って流れる電流が流体チャンバ６内に配置された金属の加熱をもたらすように、誘導コイル２４の中心に配置される。このような加熱により、金属は溶けることができ、したがって流体になる。このような誘導加熱は、電力効率の良い加熱および如何なる加熱要素と流体との間の接触も無いことを確実にし、噴出装置１の要素と流体との間の多くの（起こり得る）相互作用を制限する。それでも、他の実施形態では、流体チャンバ内の金属を加熱するための他の手段が適用され得る。

図３Ａ−３Ｃは、流体チャンバの状態に依存して、流体チャンバ本体内の導電性流体内の圧力波に応じて変換器によって生成され得る幾つかの仮想的な電気信号Ｓ１−Ｓ３を示す。仮想的な電気信号は説明目的のために示されている。噴出装置が適切に作動している場合、結果は図３Ａに示されるような減衰電気信号Ｓ１である。与えられた流体チャンバ形状に対して、固体粒子の存在は、図３Ｂに示すような変化した電気信号Ｓ２をもたらし得る。この変化した電気信号Ｓ２は、より低い周波数、より低い初期振幅および図３Ａに示された減衰信号Ｓ１より強い減衰を有する。最後に、図３Ｃは電極の故障の場合に測定され得るような故障した電気信号Ｓ３の仮想的な例を示す。

測定は、例えば、１つまたは複数のこのようなノズルを備えるプリントヘッドの製造後に個々のノズルの動作をチェックするために用いられ得る。例えば、ノズルの壁のスクラッチ、欠陥のある電極等、エラーが製造中に生じた場合、これらの欠陥は認識可能であり得るとともに可能な場合には修復され得る。

使用中の印刷装置の場合、測定は、生産性の著しい低下無しにノズルの状態をチェックするために用いられ得る。高精度でノズルの異常が検出され得ることは、ノズルの予防保全を、すなわち、噴出装置の故障の如何なる可能性がある前に、実行することを、可能にさえし得る。

図４は、電極１２ａおよび１２ｂ（以下、電極１２とも称される）、駆動回路１６および測定回路１８を含む電気回路の実施形態の概略的な回路図である。電極１２は、導電性流体２５に電流を供給するために導電性流体２５と接触する。駆動回路１６は、電流を発生させるための電流発生ユニット１７を備える。この電流発生ユニット１７はとりわけ導電性流体２５内にローレンツ力を発生させるために用いられる。測定回路１８は、パルスが終了した後にシステム内に誘起された電流を検出するために、センサ手段２１を備える。駆動回路１６および測定回路１８は、電極１２に共通線２２を介して接続される。回路１６、１８は切換スイッチ１９を介して接続可能である。

動作において、パルスが電流発生ユニット１７によって電極１２を渡って印加された後、電極１２は次に上述のように、インクダクト内の導電性流体の残留している動きによって誘起された電流を受ける。パルスの終了後、切換スイッチ１９が測定回路１８を閉じるように切り替えられるとき、誘起された電流は測定回路１８を通って放電される。誘起された電流はセンサ手段２１によって検出される。誘起された電流は、出力端子２０を介してさらなる処理のために信号処理ユニット（図示せず）に送られ得る。

本発明の詳細な実施形態が本出願に記載されているが、記載された実施形態は、様々な形態で具体化され得る本発明の単なる例であることが理解されるべきである。したがって、本出願に記載される特定の構造および機能の詳細は限定するものとして解釈されるべきではなく、単なる特許請求の範囲の基礎としておよび実質的および適切な詳細の構造で本発明を様々に用いるための当業者への教示のための代表的な基礎として解釈されるべきである。特に、別々の従属請求項に提示されるとともに記載される特徴は組み合わせて適用されることができるとともに、このような請求項の任意の組合せがここに開示される。さらに、本出願で用いられた用語および表現は限定することを意図するものではなく、むしろ本発明の理解しやすい記載を提供することを意図するものである。本出願で用いられる、用語「１つ（“ａ”または“ａｎ”）の」は１つまたは１つより多いものを規定する。本出願で用いられる、用語「複数」は２つ以上を規定する。本出願で用いられる、用語「ほかの」は、少なくとも２番目またはそれより多くを規定する。本出願で用いられる、用語含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）および／または有する（ｈａｖｉｎｇ）」は、有する（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）（すなわち、オープンランゲージ）として規定される。本出願で用いられる、用語「結合された」は、接続されたこととして規定されるが、直接であることが必須ではない。

Claims (5)

1. 噴出装置の性能を監視する方法であって、前記噴出装置は導電性流体の液滴を排出するように構成され、前記導電性流体の少なくとも一部が磁界内に位置され、前記方法は：
   ステップ（ａ） 前記導電性流体内に圧力波を発生させるよう前記導電性流体にローレンツ力を発生させるために、前記磁界内に位置する前記導電性流体の一部に作動電流を提供すること；
   ステップ（ｂ） 前記磁界内に位置する前記導電性流体の一部の中の残留圧力波によって引き起こされる、結果として生じる電流を検出すること、したがって、検出信号を得ること；および
   ステップ（ｃ） 前記検出信号に基づいて、前記噴出装置が動作状態にあるかどうかを決定すること、を含む、
   方法。
2. 前記ステップ（ｃ）は、前記検出信号の少なくとも１つの特性を、前記噴出装置の動作状態に対応する所定の検出信号の特性と比較することを含む、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記噴出装置は、前記導電性流体に前記電流を供給するように前記導電性流体と接触する２つの電極を有し、
   前記ステップ（ａ）において、前記２つの電極は、電流発生ユニットに動作可能に接続され、
   前記ステップ（ｂ）において、前記２つの電極は、電気信号検出ユニットに動作可能に接続される、
   請求項１に記載の方法。
4. 導電性流体の液滴を印刷するための印刷装置であって、前記印刷装置は、
   ある量の前記導電性流体を保持するための流体チャンバと；
   前記導電性流体の前記液滴を前記チャンバからノズルを通じて排出するように構成された作動組立体であって、
   ・前記流体チャンバの少なくとも一部に磁界を発生させる磁界発生ユニットと；
   ・前記流体チャンバの一部内の前記導電性流体に圧力波を発生させるよう前記導電性流体にローレンツ力を発生させるために、前記磁界が与えられた前記チャンバの一部内の前記導電性流体に作動電流を発生させる電流発生ユニットと、を有する、
   作動組立体と、
   前記磁界内に置かれた前記導電性流体の一部内の残留圧力波によって引き起こされる結果として生じる電流を検出するための、したがって検出信号を得るための電気信号検出ユニットと、を有する、
   印刷装置。
5. 前記電流発生ユニットは、前記導電性流体に前記作動電流を供給するために前記導電性流体と接触する２つの電極に動作可能に接続可能であり、
   前記印刷装置は、前記２つの電極が作動と同時に前記電流発生ユニットに動作可能に接続されるように、且つ、前記２つの電極が作動後に前記電気信号検出ユニットに動作可能に接続されるように構成される、
   請求項４に記載の印刷装置。
   

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