JP2002166549A - 流体放出方法 - Google Patents
流体放出方法Info
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- JP2002166549A JP2002166549A JP2001299272A JP2001299272A JP2002166549A JP 2002166549 A JP2002166549 A JP 2002166549A JP 2001299272 A JP2001299272 A JP 2001299272A JP 2001299272 A JP2001299272 A JP 2001299272A JP 2002166549 A JP2002166549 A JP 2002166549A
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- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
- B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
- B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
- B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
- B41J2/01—Ink jet
- B41J2/135—Nozzles
- B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
- B41J2/14314—Structure of ink jet print heads with electrostatically actuated membrane
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
- Reciprocating Pumps (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【課題】 静電流体放出器内の流体放出用の静電ポテン
シャルを増大させる。 【解決手段】 本発明の流体放出器は、密閉型二連ダイ
アフラム構造２１０，２１２、とそれに平行に対向する
電極構造２２０，２２２、および放出する流体を収容す
る構造を含む。比較的非圧縮性の流体を収容するダイア
フラム・チャンバ２１４は、ダイアフラムの後方に配置
され、ダイアフラムにより密閉される。少なくとも一つ
のノズル孔２４２は、ダイアフラムの一つの上の放出器
の前面板２４０に形成される。第一ダイアフラム２１０
の変形により、圧力は第二ダイアフラム２１２に送られ
る。送られた圧力と、密閉型ダイアフラム・チャンバ２
１４内に収容されている比較的非圧縮性の流体は、第二
ダイアフラム２１２を反対方向に変形させ、ノズル孔２
４２を介して流体を強制的に放出する。
シャルを増大させる。 【解決手段】 本発明の流体放出器は、密閉型二連ダイ
アフラム構造２１０，２１２、とそれに平行に対向する
電極構造２２０，２２２、および放出する流体を収容す
る構造を含む。比較的非圧縮性の流体を収容するダイア
フラム・チャンバ２１４は、ダイアフラムの後方に配置
され、ダイアフラムにより密閉される。少なくとも一つ
のノズル孔２４２は、ダイアフラムの一つの上の放出器
の前面板２４０に形成される。第一ダイアフラム２１０
の変形により、圧力は第二ダイアフラム２１２に送られ
る。送られた圧力と、密閉型ダイアフラム・チャンバ２
１４内に収容されている比較的非圧縮性の流体は、第二
ダイアフラム２１２を反対方向に変形させ、ノズル孔２
４２を介して流体を強制的に放出する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、流体放出器およ
び流体放出方法に基づく、マイクロマシンまたはマイク
ロ電子機械システムに関する。
び流体放出方法に基づく、マイクロマシンまたはマイク
ロ電子機械システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】流体放出器は、インクジェット記録また
は印刷用に開発されている。インクジェット記録装置
は、記録時の極めて静かな動作、高速印刷、インク選択
の高い自由度、および低コストの普通紙を使用可能とい
った多くの利点を提供する。記録する必要があるときだ
けインクを出力する、いわゆる「ドロップオンデマン
ド」駆動方法は現在では平凡な方法となっている。ドロ
ップオンデマンド駆動方法では、記録に用いられないイ
ンクを回収する必要がない。
は印刷用に開発されている。インクジェット記録装置
は、記録時の極めて静かな動作、高速印刷、インク選択
の高い自由度、および低コストの普通紙を使用可能とい
った多くの利点を提供する。記録する必要があるときだ
けインクを出力する、いわゆる「ドロップオンデマン
ド」駆動方法は現在では平凡な方法となっている。ドロ
ップオンデマンド駆動方法では、記録に用いられないイ
ンクを回収する必要がない。
【０００３】インクジェット印刷用の流体放出器には一
つ以上のノズルがあり、小さなインクの液滴を形成およ
び制御し高解像度を実現して、色分解能を向上させなが
らよりシャープな文字を印刷できる。特に、ドロップオ
ンデマンド・インクジェット印刷ヘッドは一般に高解像
度プリンタ用に用いられる。
つ以上のノズルがあり、小さなインクの液滴を形成およ
び制御し高解像度を実現して、色分解能を向上させなが
らよりシャープな文字を印刷できる。特に、ドロップオ
ンデマンド・インクジェット印刷ヘッドは一般に高解像
度プリンタ用に用いられる。
【０００４】ドロップオンデマンド技術は一般に、いく
つかの種類のパルス発生器を用いて液滴を形成し放出す
る。例えば、ある種類の印刷ヘッドでは、電圧を印加し
たときに変形する圧電壁にインクノズルを備えたチャン
バを取り付けることができる。その変形の結果、流体は
液滴としてノズルの開口部から強制的に放出される。次
に、その液滴は対応する印刷面に直接衝突する。駆動部
として圧電デバイス等を用いる方法は、ＪＰ Ｂ−１９
９０−５１７３４に記載されている。
つかの種類のパルス発生器を用いて液滴を形成し放出す
る。例えば、ある種類の印刷ヘッドでは、電圧を印加し
たときに変形する圧電壁にインクノズルを備えたチャン
バを取り付けることができる。その変形の結果、流体は
液滴としてノズルの開口部から強制的に放出される。次
に、その液滴は対応する印刷面に直接衝突する。駆動部
として圧電デバイス等を用いる方法は、ＪＰ Ｂ−１９
９０−５１７３４に記載されている。
【０００５】別の種類の印刷ヘッドは、ヒートパルスに
よって形成した気泡を用いて、流体をノズルから強制的
に放出する。その液滴は、気泡が壊れたときにインク供
給部から分離する。気泡を生成するためにインクを加熱
することで生じた圧力を用いる方法が、ＪＰ Ｂ−１９
８６−５９９１１に記載されている。
よって形成した気泡を用いて、流体をノズルから強制的
に放出する。その液滴は、気泡が壊れたときにインク供
給部から分離する。気泡を生成するためにインクを加熱
することで生じた圧力を用いる方法が、ＪＰ Ｂ−１９
８６−５９９１１に記載されている。
【０００６】さらに別の種類のドロップオンデマンド印
刷ヘッドは、静電アクチュエータを組み込んでいる。こ
の種の印刷ヘッドは、静電力を利用してインクを放出す
る。このような静電印刷ヘッドの例は、クロール（Ｋｒ
ｏｌｌ）等の米国特許第４，５２０，３７５号と、日本
特許出願公開番号２８９３５１／９０に開示されてい
る。米国特許第４，５２０，３７５号に開示されている
インクジェットのヘッドは、インク放出チャンバの一部
を構成するダイアフラムを有する静電アクチュエータを
用い、ベース板は、そのダイアフラムと対向するインク
放出チャンバの外側に配置されている。そのインクジェ
ットのヘッドは、ダイアフラムとベース板の間に時間的
に変化する電圧を印加することによって、インク放出チ
ャンバのノズル通路を介してインクの液滴を放出する。
従って、そのダイアフラムとベース板はキャパシタとし
て機能し、ダイアフラムを機械的な動きに設定し、流体
をダイアフラムの動きに応じて放出する。一方、日本特
許出願公開番号２８９３５１／９０に記載されているイ
ンクジェットのヘッドは、ダイアフラム上に固定した静
電アクチュエータに電圧を印加することによって、その
ダイアフラムを変形させる。この結果、インク放出チャ
ンバ内にインクを吸い込む。電圧を取り除くと、ダイア
フラムはその変形前の状態に戻りインク放出チャンバか
らインクを放出する。
刷ヘッドは、静電アクチュエータを組み込んでいる。こ
の種の印刷ヘッドは、静電力を利用してインクを放出す
る。このような静電印刷ヘッドの例は、クロール（Ｋｒ
ｏｌｌ）等の米国特許第４，５２０，３７５号と、日本
特許出願公開番号２８９３５１／９０に開示されてい
る。米国特許第４，５２０，３７５号に開示されている
インクジェットのヘッドは、インク放出チャンバの一部
を構成するダイアフラムを有する静電アクチュエータを
用い、ベース板は、そのダイアフラムと対向するインク
放出チャンバの外側に配置されている。そのインクジェ
ットのヘッドは、ダイアフラムとベース板の間に時間的
に変化する電圧を印加することによって、インク放出チ
ャンバのノズル通路を介してインクの液滴を放出する。
従って、そのダイアフラムとベース板はキャパシタとし
て機能し、ダイアフラムを機械的な動きに設定し、流体
をダイアフラムの動きに応じて放出する。一方、日本特
許出願公開番号２８９３５１／９０に記載されているイ
ンクジェットのヘッドは、ダイアフラム上に固定した静
電アクチュエータに電圧を印加することによって、その
ダイアフラムを変形させる。この結果、インク放出チャ
ンバ内にインクを吸い込む。電圧を取り除くと、ダイア
フラムはその変形前の状態に戻りインク放出チャンバか
らインクを放出する。
【０００７】液滴放出器は、印刷だけでなく、半導体や
平板表示装置産業におけるフォトレジスト等の液体の塗
布、薬品や生体サンプルの配送、化学反応用の複数の化
学物質の配送、ＤＮＡ塩基配列の処理、相互作用の研究
や分析用の薬品や生体物質の配送、マイクロマシン内の
固定または着脱型ガスケットとして使用可能なプラスチ
ックの、薄く細い層の成膜にも用いることができる。
平板表示装置産業におけるフォトレジスト等の液体の塗
布、薬品や生体サンプルの配送、化学反応用の複数の化
学物質の配送、ＤＮＡ塩基配列の処理、相互作用の研究
や分析用の薬品や生体物質の配送、マイクロマシン内の
固定または着脱型ガスケットとして使用可能なプラスチ
ックの、薄く細い層の成膜にも用いることができる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題及び課題が解決するため
の手段】この発明のシステムと方法は、静電流体放出器
内の流体放出用の静電ポテンシャルを増大させる。
の手段】この発明のシステムと方法は、静電流体放出器
内の流体放出用の静電ポテンシャルを増大させる。
【０００９】この発明のシステムと方法は別個に、静電
流体放出器により大きな流体放出速度を実現する。
流体放出器により大きな流体放出速度を実現する。
【００１０】この発明のシステムと方法は別個に、流体
放出の双方向モードを実現する。
放出の双方向モードを実現する。
【００１１】この発明のシステムと方法は別個に、非圧
縮性流体の密閉型チャンバ内に補償作用を実現する。
縮性流体の密閉型チャンバ内に補償作用を実現する。
【００１２】この発明のシステムと方法は別個に、流体
放出器からの流体の放出用の能動的に駆動した放出サイ
クルを実現する。
放出器からの流体の放出用の能動的に駆動した放出サイ
クルを実現する。
【００１３】この発明のシステムと方法は別個に、流体
放出器にサイクルの間、流体に加える力を増大させる。
放出器にサイクルの間、流体に加える力を増大させる。
【００１４】この発明のシステムと方法は別個に、より
高い周波数性能を実現する。
高い周波数性能を実現する。
【００１５】この発明のシステムと方法は別個に、高性
能の誘電体を利用する。
能の誘電体を利用する。
【００１６】この発明のシステムと方法の様々な典型的
実施例によると、密閉型二連ダイアフラムを用いて、流
体放出器から流体を放出する。
実施例によると、密閉型二連ダイアフラムを用いて、流
体放出器から流体を放出する。
【００１７】この発明のシステムと方法の様々な典型的
実施例によると、密閉型二連ダイアフラム構造を用い
て、双方向モードで流体放出器を動かす。この発明のシ
ステムと方法の他の様々な典型的実施例によると、二連
電極構造を用いて流体放出器から流体の放出を実現す
る。この発明のシステムと方法のさらに別の様々な典型
的実施例によると、二連ノズル構造を用いて流体放出器
から流体の放出を実現する。
実施例によると、密閉型二連ダイアフラム構造を用い
て、双方向モードで流体放出器を動かす。この発明のシ
ステムと方法の他の様々な典型的実施例によると、二連
電極構造を用いて流体放出器から流体の放出を実現す
る。この発明のシステムと方法のさらに別の様々な典型
的実施例によると、二連ノズル構造を用いて流体放出器
から流体の放出を実現する。
【００１８】この発明のシステムと方法の様々な典型的
実施例によると、流体放出器は、放出する流体用の収容
構造、密閉型二連ダイアフラムおよび二連電極を有す
る。この発明のシステムと方法の他の様々な典型的実施
例では、誘電性流体を二連ダイアフラムの背後に密閉す
る。この発明のシステムと方法の他の様々な典型的実施
例では、その誘電性流体は高性能誘電性流体であっても
よい。
実施例によると、流体放出器は、放出する流体用の収容
構造、密閉型二連ダイアフラムおよび二連電極を有す
る。この発明のシステムと方法の他の様々な典型的実施
例では、誘電性流体を二連ダイアフラムの背後に密閉す
る。この発明のシステムと方法の他の様々な典型的実施
例では、その誘電性流体は高性能誘電性流体であっても
よい。
【００１９】この発明のこれらのおよび他の特徴と利点
は、この発明による様々な典型的実施例についての以降
の詳細な説明に記載され、またはそれから明らかにな
る。
は、この発明による様々な典型的実施例についての以降
の詳細な説明に記載され、またはそれから明らかにな
る。
【００２０】
【発明の実施の形態】この発明のシステムと方法による
双方向流体放出器は、静電引力の原理に基づいて動作す
る。その流体放出器の基本的な形状は、密閉型二連ダイ
アフラム構造、その密閉型二連ダイアフラムに平行に対
向する電極構造、および放出する流体を収容する構造を
含む。比較的非圧縮性の流体を収容するダイアフラム・
チャンバは、ダイアフラムの後方に配置しダイアフラム
により密閉される。ダイアフラムの一つは、放出器の前
面板に形成したノズル孔に対向して配置される。二連電
極構造が好ましいが、選択自由である。駆動信号は、そ
の電極構造の少なくとも一つの電極に印加し、少なくと
も一つの電極と第一ダイアフラムの間に静電界を生成す
る。その第一ダイアフラムは、生成された静電界の静電
力によって少なくとも一つの電極に向かって引っぱられ
て変形する。変形時には、圧力は密閉型ダイアフラムの
第二ダイアフラムに送られる。送られた圧力と、密閉型
ダイアフラム・チャンバ内に収容されている高性能誘電
性流体等の比較的非圧縮性の流体は、第二ダイアフラム
を反対方向に変形させ、ノズル孔を介して流体を強制的
に放出する。液滴が放出された後、ダイアフラムは、変
形したダイアフラムの通常の弾性復元動作、または力を
加えることによって逆方向に動かされる。
双方向流体放出器は、静電引力の原理に基づいて動作す
る。その流体放出器の基本的な形状は、密閉型二連ダイ
アフラム構造、その密閉型二連ダイアフラムに平行に対
向する電極構造、および放出する流体を収容する構造を
含む。比較的非圧縮性の流体を収容するダイアフラム・
チャンバは、ダイアフラムの後方に配置しダイアフラム
により密閉される。ダイアフラムの一つは、放出器の前
面板に形成したノズル孔に対向して配置される。二連電
極構造が好ましいが、選択自由である。駆動信号は、そ
の電極構造の少なくとも一つの電極に印加し、少なくと
も一つの電極と第一ダイアフラムの間に静電界を生成す
る。その第一ダイアフラムは、生成された静電界の静電
力によって少なくとも一つの電極に向かって引っぱられ
て変形する。変形時には、圧力は密閉型ダイアフラムの
第二ダイアフラムに送られる。送られた圧力と、密閉型
ダイアフラム・チャンバ内に収容されている高性能誘電
性流体等の比較的非圧縮性の流体は、第二ダイアフラム
を反対方向に変形させ、ノズル孔を介して流体を強制的
に放出する。液滴が放出された後、ダイアフラムは、変
形したダイアフラムの通常の弾性復元動作、または力を
加えることによって逆方向に動かされる。
【００２１】この発明のシステムと方法では、二連ノズ
ル双方向流体放出器も考えられる。その密閉型二連ダイ
アフラム構造は、密閉型ダイアフラムと平行に対向する
二連電極構造、および放出する流体を収容する構造に加
えて、二連ノズル設計と組になっている。これらの典型
的実施例では、静電力は第一電極と第一ダイアフラムの
間に生成され、第一ダイアフラムを変形させる。変形時
には、圧力は第二ダイアフラムに送られる。送られた圧
力と、密閉型ダイアフラム・チャンバ内に収容されてい
る高性能誘電性流体等の比較的非圧縮性の流体は、第二
ダイアフラムを反対方向に変形させ、ノズル孔を介して
流体を強制的に放出する。液滴が放出された後、ダイア
フラムは、変形したダイアフラムの通常の弾性復元動
作、または力を加えることによって逆方向に動かされ
る。例えば、静電界の弛緩を制御することで、第一ダイ
アフラムをその未変形の位置に低速で戻すと、流体は対
応するノズル孔を介して放出されない。力を加えること
などで、第一ダイアフラムをその未変形の位置に高速で
戻すと、流体は対応するノズル孔を介して放出される。
両方のノズル孔を用いて、そのサイクルの交互のストロ
ークの両方で放出できるので、より高い周波数の動作が
可能になる。
ル双方向流体放出器も考えられる。その密閉型二連ダイ
アフラム構造は、密閉型ダイアフラムと平行に対向する
二連電極構造、および放出する流体を収容する構造に加
えて、二連ノズル設計と組になっている。これらの典型
的実施例では、静電力は第一電極と第一ダイアフラムの
間に生成され、第一ダイアフラムを変形させる。変形時
には、圧力は第二ダイアフラムに送られる。送られた圧
力と、密閉型ダイアフラム・チャンバ内に収容されてい
る高性能誘電性流体等の比較的非圧縮性の流体は、第二
ダイアフラムを反対方向に変形させ、ノズル孔を介して
流体を強制的に放出する。液滴が放出された後、ダイア
フラムは、変形したダイアフラムの通常の弾性復元動
作、または力を加えることによって逆方向に動かされ
る。例えば、静電界の弛緩を制御することで、第一ダイ
アフラムをその未変形の位置に低速で戻すと、流体は対
応するノズル孔を介して放出されない。力を加えること
などで、第一ダイアフラムをその未変形の位置に高速で
戻すと、流体は対応するノズル孔を介して放出される。
両方のノズル孔を用いて、そのサイクルの交互のストロ
ークの両方で放出できるので、より高い周波数の動作が
可能になる。
【００２２】この発明の双方向流体放出器は、シリコン
ベース面のマイクロマシンの共通の製造技術に基づい
て、モノリシックバッチ製造によって容易に製造され、
非常に低コストの製造、高信頼性および「オンデマン
ド」液滴サイズ調節の可能性がある。しかし、この発明
のシステムと方法の以降の説明では、シリコンベースの
表面マイクロマシンに特定した形態に言及しているが、
実際には、この発明の双方向流体放出器用の他の材料や
製造技術も可能である。さらに、この発明のシステムと
方法は、このような放出器のどんな機械的構成（例えば
「ルーフシュータ」や「エッジシュータ」など）におい
ても、放出器のどんな大きさのアレイにおいても利用で
きる。
ベース面のマイクロマシンの共通の製造技術に基づい
て、モノリシックバッチ製造によって容易に製造され、
非常に低コストの製造、高信頼性および「オンデマン
ド」液滴サイズ調節の可能性がある。しかし、この発明
のシステムと方法の以降の説明では、シリコンベースの
表面マイクロマシンに特定した形態に言及しているが、
実際には、この発明の双方向流体放出器用の他の材料や
製造技術も可能である。さらに、この発明のシステムと
方法は、このような放出器のどんな機械的構成（例えば
「ルーフシュータ」や「エッジシュータ」など）におい
ても、放出器のどんな大きさのアレイにおいても利用で
きる。
【００２３】図１〜３は、「ルーフシュータ」構成の単
一の放出器の概略図を示している。図１に示したよう
に、放出器１００はベース板１１０、電極１２０、ダイ
アフラム１３０およびノズル孔１４２を備えた前面板１
４０を有する。ダイアフラム・チャンバ１３２は、ダイ
アフラム１３０によって放出する流体から密閉されてい
る。この例では、ダイアフラム・チャンバ１３２内には
空気を有する。
一の放出器の概略図を示している。図１に示したよう
に、放出器１００はベース板１１０、電極１２０、ダイ
アフラム１３０およびノズル孔１４２を備えた前面板１
４０を有する。ダイアフラム・チャンバ１３２は、ダイ
アフラム１３０によって放出する流体から密閉されてい
る。この例では、ダイアフラム・チャンバ１３２内には
空気を有する。
【００２４】図３は、未変形状態のダイアフラム１３０
で初期状態の動作を示している。図１に示したように、
電界が電極１２０とダイアフラム１３０の間の空隙に生
成されると、ダイアフラム１３０が変形状態に変形す
る。ダイアフラム１３０が変形すると、流体が変形した
ダイアフラム１３０によって生成された空間に液ためか
ら引っぱられる。この液だめは、放出器１００の周辺の
いずれかの部分に配置できる。
で初期状態の動作を示している。図１に示したように、
電界が電極１２０とダイアフラム１３０の間の空隙に生
成されると、ダイアフラム１３０が変形状態に変形す
る。ダイアフラム１３０が変形すると、流体が変形した
ダイアフラム１３０によって生成された空間に液ためか
ら引っぱられる。この液だめは、放出器１００の周辺の
いずれかの部分に配置できる。
【００２５】ダイアフラム１３０に均一な静電力が印加
されるとすると、その関係は（式１）のように近似でき
る。
されるとすると、その関係は（式１）のように近似でき
る。
【数１】 ここで、κは流体の誘電率とも呼ばれる非誘電率、ε0
は自由空間（つまり真空）の誘電率、Ａは電極の断面
積、Ｅは静電界の強度である。これを式変形すると、加
えられる圧力は（式２）となる。
は自由空間（つまり真空）の誘電率、Ａは電極の断面
積、Ｅは静電界の強度である。これを式変形すると、加
えられる圧力は（式２）となる。
【数２】 直径「ｄ」（半径「ｒ」）の円形のダイアフラムの場
合、そのダイアフラムの中心に生じる最大の変形は、ほ
ぼ（式３）となる。
合、そのダイアフラムの中心に生じる最大の変形は、ほ
ぼ（式３）となる。
【数３】 ここで、
【数４】 Ｅはヤング率、ｔはダイアフラムの厚さ、ｕはポアッソ
ン比である。
ン比である。
【００２６】実際には、ダイアフラム１３０が変形する
と、ダイアフラム１３０の中心は、ダイアフラム１３０
の周辺が受けるものとは異なる静電界、つまり力を受け
る。しかし、これらの関係は、基本的な方法を説明する
ために役立つ。
と、ダイアフラム１３０の中心は、ダイアフラム１３０
の周辺が受けるものとは異なる静電界、つまり力を受け
る。しかし、これらの関係は、基本的な方法を説明する
ために役立つ。
【００２７】流体が放出されると静電界が除去され、ダ
イアフラム１３０の弾性復元力によって、ダイアフラム
１３０は図３に示したその未変形状態に戻る。図２は、
図１と３に各々示した変形状態と未変形状態の間の中間
非静止状態を示している。この弾性復元力は流体に送ら
れ、流体の一部を液だめに強制的に戻し、図３に示すよ
うに、流体の一部をノズル孔１４２から放出する。この
動作は、「縁反り」スプリングにやや似ている。ダイア
フラム１３０によって動かされる流体の量に対する、液
滴として放出する流体の割り合いは、放出器１００の所
定の設計パラメータによって制御できる。このようなパ
ラメータには、ダイアフラム１３０の大きさ、加える
力、ダイアフラム１３０と前面板１４０の間の距離、お
よび例えば放出器１００にバルブを組み込む等の、流れ
の制御に役立つ他の固有の機能が含まれる。図４は、所
定の面積と所定の電界強度に対して、流体に加える力と
ダイアフラム１３０の変形の間のおおよその定性的関係
を示している。
イアフラム１３０の弾性復元力によって、ダイアフラム
１３０は図３に示したその未変形状態に戻る。図２は、
図１と３に各々示した変形状態と未変形状態の間の中間
非静止状態を示している。この弾性復元力は流体に送ら
れ、流体の一部を液だめに強制的に戻し、図３に示すよ
うに、流体の一部をノズル孔１４２から放出する。この
動作は、「縁反り」スプリングにやや似ている。ダイア
フラム１３０によって動かされる流体の量に対する、液
滴として放出する流体の割り合いは、放出器１００の所
定の設計パラメータによって制御できる。このようなパ
ラメータには、ダイアフラム１３０の大きさ、加える
力、ダイアフラム１３０と前面板１４０の間の距離、お
よび例えば放出器１００にバルブを組み込む等の、流れ
の制御に役立つ他の固有の機能が含まれる。図４は、所
定の面積と所定の電界強度に対して、流体に加える力と
ダイアフラム１３０の変形の間のおおよその定性的関係
を示している。
【００２８】ダイアフラム１３０の変形を制御する方程
式からわかるように、放出中に流体に加わる有効な力を
制限する主要なパラメータは、ダイアフラム・チャンバ
１３２内の圧縮性流体の誘電率である。この場合、空気
はほぼ１の誘電率を有する。動作誘電体として空気を用
いることは製造を簡単にするが、そうすることは実現可
能な液滴の大きさと速度を制限し、インクジェットヘッ
ドの場合は印刷品質に影響し、放出器１００の全体の性
能に影響する。
式からわかるように、放出中に流体に加わる有効な力を
制限する主要なパラメータは、ダイアフラム・チャンバ
１３２内の圧縮性流体の誘電率である。この場合、空気
はほぼ１の誘電率を有する。動作誘電体として空気を用
いることは製造を簡単にするが、そうすることは実現可
能な液滴の大きさと速度を制限し、インクジェットヘッ
ドの場合は印刷品質に影響し、放出器１００の全体の性
能に影響する。
【００２９】この発明のシステムと方法の様々な典型的
実施例は、このような欠点を克服する。図５〜７に示し
たこの発明による双方向流体放出器の第一の典型的実施
例において、流体放出器２００は、第一ダイアフラム２
１０、第二ダイアフラム２１２、および第一および第二
区分２１６、２１８を含むダイアフラム・チャンバ２１
４を備えた密閉型二連ダイアフラム構成を有する。ダイ
アフラム・チャンバ２１４は、非圧縮性流体２１５を収
容している。ダイアフラム・チャンバ２１４は、ダイア
フラム２１０、２１２の両方の変形に支持点を提供する
一つ以上の支柱２０２を有することができる。
実施例は、このような欠点を克服する。図５〜７に示し
たこの発明による双方向流体放出器の第一の典型的実施
例において、流体放出器２００は、第一ダイアフラム２
１０、第二ダイアフラム２１２、および第一および第二
区分２１６、２１８を含むダイアフラム・チャンバ２１
４を備えた密閉型二連ダイアフラム構成を有する。ダイ
アフラム・チャンバ２１４は、非圧縮性流体２１５を収
容している。ダイアフラム・チャンバ２１４は、ダイア
フラム２１０、２１２の両方の変形に支持点を提供する
一つ以上の支柱２０２を有することができる。
【００３０】様々な典型的実施例において、放出器２０
０は、第一電極２２０と第二電極２２２を含む二連電極
構成を有することもできる。各電極２２０、２２２は、
ダイアフラム２１０、２１２の対応する一つと平行に対
向している。
０は、第一電極２２０と第二電極２２２を含む二連電極
構成を有することもできる。各電極２２０、２２２は、
ダイアフラム２１０、２１２の対応する一つと平行に対
向している。
【００３１】放出する流体２３０は、放出器２００に供
給される。放出器２００は、流体２３０を放出するノズ
ル孔２４２を備えた前面板２４０を有する。
給される。放出器２００は、流体２３０を放出するノズ
ル孔２４２を備えた前面板２４０を有する。
【００３２】放出器２００は、図５〜７に示したような
双方向モードで、静電引力の原理に基づいて動作する。
図５は初期状態を示し、図６、７は放出する液滴を示し
ている。駆動信号は第二電極２２２に印加し、第二電極
２２２と第二ダイアフラム２１２の間に静電界を生成す
る。図６に示したように、静電引力によって、第二ダイ
アフラム２１２は第二電極２２２に向かって変形し変形
状態になる。変形時には、圧力はダイアフラム・チャン
バ２１４の第二区分２１８から、第一区分２１６と第一
ダイアフラム２１０に送られる。ダイアフラム・チャン
バ２１４内に収容されている比較的非圧縮性の流体２１
５によって、送られた圧力は第一ダイアフラム２１０を
反対方向に変形させ、ノズル孔２４２を介して液滴を放
出する力を提供する。液滴が放出された後、変形したダ
イアフラム２１０、２１２の弾性復元動作や力を加える
ことによって逆方向に動く。
双方向モードで、静電引力の原理に基づいて動作する。
図５は初期状態を示し、図６、７は放出する液滴を示し
ている。駆動信号は第二電極２２２に印加し、第二電極
２２２と第二ダイアフラム２１２の間に静電界を生成す
る。図６に示したように、静電引力によって、第二ダイ
アフラム２１２は第二電極２２２に向かって変形し変形
状態になる。変形時には、圧力はダイアフラム・チャン
バ２１４の第二区分２１８から、第一区分２１６と第一
ダイアフラム２１０に送られる。ダイアフラム・チャン
バ２１４内に収容されている比較的非圧縮性の流体２１
５によって、送られた圧力は第一ダイアフラム２１０を
反対方向に変形させ、ノズル孔２４２を介して液滴を放
出する力を提供する。液滴が放出された後、変形したダ
イアフラム２１０、２１２の弾性復元動作や力を加える
ことによって逆方向に動く。
【００３３】例えば、駆動信号を第一電極２２０に送
り、第一電極２２０と第一ダイアフラム２１０の間に電
界を生成することができる。従って、第一ダイアフラム
２１０は事実上双方向に駆動できる。第二電極を備える
ことで流体２３０の補充を手助けし、最大動作周波数を
増大させる。液滴が放出された後、第二電極２２２への
静電界は除去し、第一電極２２０と第一ダイアフラム２
１０の間に静電界を生成して、補充サイクルを能動的に
強化する。
り、第一電極２２０と第一ダイアフラム２１０の間に電
界を生成することができる。従って、第一ダイアフラム
２１０は事実上双方向に駆動できる。第二電極を備える
ことで流体２３０の補充を手助けし、最大動作周波数を
増大させる。液滴が放出された後、第二電極２２２への
静電界は除去し、第一電極２２０と第一ダイアフラム２
１０の間に静電界を生成して、補充サイクルを能動的に
強化する。
【００３４】図８は、能動的に強化した放出サイクルを
有することによって生成した、放出する流体２３０に加
わる力を定性的に示している。そのサイクルの間に力を
有意に増大させることで、図１〜３に示した典型的実施
例に対して、図４と図８を比較することでわかるよう
に、図５〜７に示した双方向流体放出器の典型的実施例
を実現する。
有することによって生成した、放出する流体２３０に加
わる力を定性的に示している。そのサイクルの間に力を
有意に増大させることで、図１〜３に示した典型的実施
例に対して、図４と図８を比較することでわかるよう
に、図５〜７に示した双方向流体放出器の典型的実施例
を実現する。
【００３５】図１〜３に示した放出器１００について既
に説明したように、ダイアフラム２１０、２１２によっ
て動かされる流体の量に対する、液滴として放出する流
体２３０の割り合いは、放出器２００の所定の設計パラ
メータによって制御できる。このパラメータには、ダイ
アフラム２１０、２１２の大きさ、加える力、ダイアフ
ラム２１０、２１２と前面板２４０の間の距離、および
例えば放出器２００にバルブを組み込む等の、流れの制
御に役立つ他の固有の機能が含まれる。設計パラメータ
として用いることができる別の変数は、第一および第二
ダイアフラム２１０、２１２の相対的な大きさである。
に説明したように、ダイアフラム２１０、２１２によっ
て動かされる流体の量に対する、液滴として放出する流
体２３０の割り合いは、放出器２００の所定の設計パラ
メータによって制御できる。このパラメータには、ダイ
アフラム２１０、２１２の大きさ、加える力、ダイアフ
ラム２１０、２１２と前面板２４０の間の距離、および
例えば放出器２００にバルブを組み込む等の、流れの制
御に役立つ他の固有の機能が含まれる。設計パラメータ
として用いることができる別の変数は、第一および第二
ダイアフラム２１０、２１２の相対的な大きさである。
【００３６】既に開示して説明した一方向デバイスでは
空気を用いるが、この発明による双方向流体放出器の様
々な典型的実施例では、高性能非圧縮性誘電流体を用い
て、有意に大きな力を流体に加えることができる。例え
ば、蒸留水は約７８の誘電率κを有する。これは、誘電
性流体として空気を用いる方法に比べて、放出する流体
に加える「スプリング」力を約７８倍にできるダイアフ
ラム構造を設計できることを意味する。蒸留水はさら
に、約１０-6Ｓ／ｍの非常に低い導電率を有し、エネル
ギ使用量を低減できる。Ｓ−流体、Ｔ−流体、オイル、
有機溶液等の他の誘電性流体を用いることもできる。Ｓ
−流体とＴ−流体は、例えば、染料ベースの水性イン
ク、マイクロエマルジョンインク、液晶インク、ホット
メルトインク、リポソームインク、顔料インクなど、様
々なインクと同じく、顔料や染料を含まない組成を有す
るテスト流体である。
空気を用いるが、この発明による双方向流体放出器の様
々な典型的実施例では、高性能非圧縮性誘電流体を用い
て、有意に大きな力を流体に加えることができる。例え
ば、蒸留水は約７８の誘電率κを有する。これは、誘電
性流体として空気を用いる方法に比べて、放出する流体
に加える「スプリング」力を約７８倍にできるダイアフ
ラム構造を設計できることを意味する。蒸留水はさら
に、約１０-6Ｓ／ｍの非常に低い導電率を有し、エネル
ギ使用量を低減できる。Ｓ−流体、Ｔ−流体、オイル、
有機溶液等の他の誘電性流体を用いることもできる。Ｓ
−流体とＴ−流体は、例えば、染料ベースの水性イン
ク、マイクロエマルジョンインク、液晶インク、ホット
メルトインク、リポソームインク、顔料インクなど、様
々なインクと同じく、顔料や染料を含まない組成を有す
るテスト流体である。
【００３７】図９〜１４は、流体放出器３００の第二の
典型的実施例を示しており、流体放出器３００の異なる
動作段階を説明する。放出器３００は、第一および第二
ノズル孔３４２、３４４を有する。
典型的実施例を示しており、流体放出器３００の異なる
動作段階を説明する。放出器３００は、第一および第二
ノズル孔３４２、３４４を有する。
【００３８】流体放出器３００は、第一ダイアフラム３
１０、第二ダイアフラム３１２、および第一および第二
区分３１６、３１８を含むダイアフラム・チャンバ３１
４を備えた密閉型二連ダイアフラム構成を有する。ダイ
アフラム・チャンバ３１４は、非圧縮性流体３１５を収
容している。ダイアフラム・チャンバ３１４は、ダイア
フラム３１０、３１２の両方の変形に支持点を提供する
一つ以上の支柱３０２を有することができる。
１０、第二ダイアフラム３１２、および第一および第二
区分３１６、３１８を含むダイアフラム・チャンバ３１
４を備えた密閉型二連ダイアフラム構成を有する。ダイ
アフラム・チャンバ３１４は、非圧縮性流体３１５を収
容している。ダイアフラム・チャンバ３１４は、ダイア
フラム３１０、３１２の両方の変形に支持点を提供する
一つ以上の支柱３０２を有することができる。
【００３９】様々な典型的実施例において、放出器３０
０は、第一電極３２０と第二電極３２２を含む二連電極
構成を有することもできる。各電極３２０、３２２は、
ダイアフラム３１０、３１２の対応する一つと平行に対
向している。
０は、第一電極３２０と第二電極３２２を含む二連電極
構成を有することもできる。各電極３２０、３２２は、
ダイアフラム３１０、３１２の対応する一つと平行に対
向している。
【００４０】放出する流体３３０は、放出器３００に供
給される。放出器３００は、流体３３０を放出する第一
および第二ノズル孔３４２、３４４を備えた前面板３４
０を有する。
給される。放出器３００は、流体３３０を放出する第一
および第二ノズル孔３４２、３４４を備えた前面板３４
０を有する。
【００４１】放出器３００は、図９〜１４に示したよう
な双方向モードで、静電引力の原理に基づいて動作す
る。図９は初期状態を示し、図１０、１１は放出する液
滴を示している。図１２〜１４は、第二ノズル孔３４４
を介して液滴を放出する戻り状態を示している。
な双方向モードで、静電引力の原理に基づいて動作す
る。図９は初期状態を示し、図１０、１１は放出する液
滴を示している。図１２〜１４は、第二ノズル孔３４４
を介して液滴を放出する戻り状態を示している。
【００４２】動作中、駆動信号は第二電極３２２に印加
し、第二電極３２２と第二ダイアフラム３１２の間に静
電界を生成する。静電引力によって、第二ダイアフラム
３１２は第二電極３２２に向かって変形し変形状態にな
る。変形時には、圧力はダイアフラム・チャンバ３１４
の第二区分３１８から、第一区分３１６と第一ダイアフ
ラム３１０に送られる。ダイアフラム・チャンバ３１４
内に収容されている比較的非圧縮性の流体によって、送
られた圧力は第一ダイアフラム３１０を反対方向に変形
させ、ノズル孔３４２を介して液滴を放出する力を提供
する。液滴が放出された後、ダイアフラム３１０、３１
２は、変形したダイアフラム３１０、３１２の弾性復元
動作や力を加えることによって逆方向に動く。この結
果、第二ノズル孔３４４から液滴が放出される。印加し
た静電界を次第に低減することで、第一ダイアフラム３
１０をその未変形の位置に低速で戻すと、第二ノズル孔
３４４からは液滴は放出されない。このような構成は、
単一ノズル構成より高い周波数性能を提供する。
し、第二電極３２２と第二ダイアフラム３１２の間に静
電界を生成する。静電引力によって、第二ダイアフラム
３１２は第二電極３２２に向かって変形し変形状態にな
る。変形時には、圧力はダイアフラム・チャンバ３１４
の第二区分３１８から、第一区分３１６と第一ダイアフ
ラム３１０に送られる。ダイアフラム・チャンバ３１４
内に収容されている比較的非圧縮性の流体によって、送
られた圧力は第一ダイアフラム３１０を反対方向に変形
させ、ノズル孔３４２を介して液滴を放出する力を提供
する。液滴が放出された後、ダイアフラム３１０、３１
２は、変形したダイアフラム３１０、３１２の弾性復元
動作や力を加えることによって逆方向に動く。この結
果、第二ノズル孔３４４から液滴が放出される。印加し
た静電界を次第に低減することで、第一ダイアフラム３
１０をその未変形の位置に低速で戻すと、第二ノズル孔
３４４からは液滴は放出されない。このような構成は、
単一ノズル構成より高い周波数性能を提供する。
【００４３】必要であれば、駆動信号を変調して、誘電
性流体の絶縁破壊許容度を増大させることができる。こ
の方法の本質は、ダイアフラムの「縁反り」動作全体で
実質的に一定の静電界を用いることである。臨界絶縁破
壊寸法が変化すると絶縁破壊強度も変化する流体の場
合、入力駆動信号を適切に調整して、最大可能電界強度
を得ることができる。より詳細には、誘電性流体内で発
生する電気的絶縁破壊または他の電気化学的反応を最小
にするために、駆動信号を調整して、所定の特性を有す
ることができる。例えば、システムを適切な高周波数で
駆動できる。またあるいはさらに、所望の周波数の両極
性パルス列を用いることができる。
性流体の絶縁破壊許容度を増大させることができる。こ
の方法の本質は、ダイアフラムの「縁反り」動作全体で
実質的に一定の静電界を用いることである。臨界絶縁破
壊寸法が変化すると絶縁破壊強度も変化する流体の場
合、入力駆動信号を適切に調整して、最大可能電界強度
を得ることができる。より詳細には、誘電性流体内で発
生する電気的絶縁破壊または他の電気化学的反応を最小
にするために、駆動信号を調整して、所定の特性を有す
ることができる。例えば、システムを適切な高周波数で
駆動できる。またあるいはさらに、所望の周波数の両極
性パルス列を用いることができる。
【図１】 密閉型ダイアフラムを用いる単一の流体放出
器の、ダイアフラムが歪んだ状態での典型的実施例の断
面図である。
器の、ダイアフラムが歪んだ状態での典型的実施例の断
面図である。
【図２】 図１の単一の流体放出器の、ダイアフラムが
流体の液滴を放出している状態での断面図である。
流体の液滴を放出している状態での断面図である。
【図３】 図１の単一の流体放出器の、ダイアフラムが
弛緩している状態での断面図である。
弛緩している状態での断面図である。
【図４】 図１〜３に示した単一の流体放出器の力対距
離の関係を示すグラフである。
離の関係を示すグラフである。
【図５】 この発明による双方向流体放出器の、異なる
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
【図６】 この発明による双方向流体放出器の、異なる
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
【図７】 この発明による双方向流体放出器の、異なる
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
状態における第一の典型的実施例の断面図である。
【図８】 図５〜７に示した双方向流体放出器の典型的
実施例の力対距離の関係を示すグラフである。
実施例の力対距離の関係を示すグラフである。
【図９】 この発明による双方向流体放出器の、前方半
サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の断
面図である。
サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の断
面図である。
【図１０】 この発明による双方向流体放出器の、前方
半サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の
断面図である。
半サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の
断面図である。
【図１１】 この発明による双方向流体放出器の、前方
半サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の
断面図である。
半サイクルの異なる状態における第二の典型的実施例の
断面図である。
【図１２】 図９〜１１に示した双方向流体放出器の、
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
【図１３】 図９〜１１に示した双方向流体放出器の、
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
【図１４】 図９〜１１に示した双方向流体放出器の、
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
後方半サイクルの異なる状態における典型的実施例の断
面図である。
１００，２００，３００ 放出器、１１０ ベース板、
１２０，２２０，２２２，３２０，３２２ 電極、１３
０，２１０，２１２，３１０，３１２ ダイアフラム、
１４０，２４０，３４０ 前面板、１４２，２４２，３
４２，３４４ノズル孔。
１２０，２２０，２２２，３２０，３２２ 電極、１３
０，２１０，２１２，３１０，３１２ ダイアフラム、
１４０，２４０，３４０ 前面板、１４２，２４２，３
４２，３４４ノズル孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ポール ガランボス アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 アル ブクアーク モンテ ビスタ ブールバー ド 3506 (72)発明者 フランク ジェイ ピーター アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 アル ブクアーク フリーダム ウェイ ノース イースト 9212 (72)発明者 ケビン ザバディル アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 バー ニリロ エル ヴァレ セラーノ 419 (72)発明者 リチャード シー ギブラー アメリカ合衆国 ニューメキシコ州 アル ブクアーク メリウェザー アベニュー 9208 (72)発明者 ジョセフ クロウリー ジュニア アメリカ合衆国 カリフォルニア州 モー ガン ヒル ジャクソン オークス ドラ イブ 16525 Ｆターム(参考） 2C057 AF01 AF51 AF99 BA04 BA15
Claims (1)
- 【請求項１】 流体放出器から流体を放出する方法であ
って、 流体放出器の二連ダイアフラム構成の第一ダイアフラム
を第一の方向に動かす第一静電力を生成し、 その第一ダイアフラムの第一方向への動きに応じて、第
一方向とは反対の第二方向に第二ダイアフラムを動かす
ことで、その流体放出器から流体を放出する方法。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US09/718,476 US6409311B1 (en) | 2000-11-24 | 2000-11-24 | Bi-directional fluid ejection systems and methods |
| US09/718,476 | 2000-11-24 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2002166549A true JP2002166549A (ja) | 2002-06-11 |
| JP4739620B2 JP4739620B2 (ja) | 2011-08-03 |
Family
ID=24886212
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001299272A Expired - Fee Related JP4739620B2 (ja) | 2000-11-24 | 2001-09-28 | 流体放出器 |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US6409311B1 (ja) |
| EP (1) | EP1208982B1 (ja) |
| JP (1) | JP4739620B2 (ja) |
| DE (1) | DE60132746T2 (ja) |
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