JP2011502822A - 液滴***装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、液滴***装置に関し、液滴***装置は、底板（４）を有し、印刷液（３）を含むチャンバ（２）と、印刷液を加圧するポンプと、チャンバ内に設けられ、中心軸を有し、印刷液を噴出する流出路（５）と、流出路から噴出した流体を***するアクチュエータ（７）とを備える。アクチュエータは、流出路の周りに設けられ、流出路の中心軸を中心として対称な圧力パルスを与えるように構成されている。これにより、より微細な液滴を高周波で提供することができる。

Description

本発明は、当該分野においてドロップオンデマンド方式またはコンティニュアス印刷方式として知られた液滴***装置であって、種々のモードにおいてプリントノズルから液滴を噴出するように構成されたものに関する。ここで、「印刷」という用語は、通常、微細な液滴の生成を意味するものであり、とくに、像の生成に限定されるものではない。

これについて、連続ジェット印刷技術とは、所定の液滴生成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、所定の液滴生成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ＷＯ２００４／０１１１５４に開示されている。この公報には、流体を含む材料から液滴を生成するコンティニュアス型ジェットプリンタが開示されている。このプリンタで、流体を印刷できる。流出路から流体が流出する間、圧力調整機構は流出開口に隣接する流体に乱れを与える。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。アクチュエータとして振動底板が設けられる。しかし、底板の寸法により、高周波を実現するのが難しい。

１つの態様として、本発明は、より微細な液滴を高周波で生成し、現状のシステムの限界を克服する***装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様によると、液滴***装置は、底板を有し、加圧された印刷液を含むチャンバと、チャンバ内に設けられ、中心軸を有し、印刷液を噴出する少なくとも１つの流出路と、流出路から噴出した流体を液滴に離散するアクチュエータとを備え、アクチュエータは、流出路の中心軸に対して対称に設けられ、前記流体ジェットに流出路の中心軸に対して対称な圧力パルスを与える。

本発明の他の態様によると、印刷処理のために液滴を噴出する方法は、印刷液を含み、底板、印刷液を加圧するポンプ、およびチャンバ内において中心軸を有する流出路を備えるチャンバを提供し、流出路の近傍において印刷液に圧力パルスをかけ、流出路から噴出する流体を液滴に離散し、流出路の中心軸に対して軸方向または径方向に対称な底板の運動により、圧力パルスが与えられる。

これにより、***装置の固有振動数（eigenfrequency）が向上し、作業周波数の増加および液滴の微細化が実現できる。液滴の周波数は５〜２０ｋＨｚ、液滴は５０ミクロンよりも小さくすることができるが、これには限定されない。

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の粘性流体を印刷することもできる。とくに、予め設定した圧力は、０．５から６００ｂａｒの間の圧力としてもよい。
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液滴生成装置の第１の実施の形態を概略的に示す。 図２は、本発明に用いられる液滴生成装置の第２の実施の形態を概略的に示す。 図３は、本発明に用いられる液滴生成装置の第３の実施の形態を概略的に示す。 図４は、本発明に用いられる液滴生成装置の第４の実施の形態を概略的に示す。 図５は、流出路が収縮する様子を詳細に示す。 図６は、本発明に用いられる液滴生成装置の第５の実施の形態を概略的に示す。 図７は、複数の流出路について、流出路に機械的に取り付けられたアクチュエータによる発明概念を説明する図である。 図８は、複数の流出路について、流出路に機械的に取り付けられたアクチュエータによる発明概念を説明する図である。

以下では、部分Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれアクチュエータの動作位置および動作方向を示す。

図１は、本発明による液滴離散装置の第１の実施の形態の概略図を示す。具体的には、プリンタヘッドとも呼ばれる液滴***装置１０は、底板４を有するチャンバ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は流出路５を備え、この流出路５を通って、加圧された流体ジェット６０が液滴６の形状に分離される。流出路は中心軸を定義し、アクチュエータ７は流出路の周りに、実質的に流出路５の中心軸に対称に形成される。アクチュエータは、底板４に設けられた円盤状の圧電もしくは磁歪部材であることが望ましい。アクチュエータ７の作動により、流出路軸５について対称な圧力パルスが形成される。これにより、正確に対称となる液滴６が生成され、より微細な単分散液滴を得ることができる。図１の実施の形態では、流出路５は作動素子７の中心に配置されており、作動部材によって流出路５の壁が形成される。

本実施例では、流出開口５は、底板４に設けられたアクチュエータ７に含まれている。プレート４内の流出開口５の直径は、本実施例では５０μｍである。流出開口５の横方向の寸法は、５〜２５０μｍの間とすることができる。圧力制御範囲の大きさとしては、平均圧力が０．５〜６００ｂａｒｓ（≡０．５〜６００ｘ１０^５Ｐａ）程度の大きさとなる例が挙げられる。プリンタヘッド１０には、チャンバ内の高圧に耐えられるようにノズル板４を支持する支持板（不図示）をさらに設けてもよい。図１に示す実施の形態において、概略的に部分Ｃで示す圧電アクチュエータ７は、プッシュモードで作動し、この作動により電界に沿った軸方向の変形が生じる。従って、底板４に対して同一面内で変形が起こる。

図２は、図１に示した液滴***装置１０の別の実施の形態２０を示している。以下では簡単のため、図１と同様の図面において同様のまたは一致する部分についての詳細な説明は行わない。図１において、作動素子７は主に流出路５を圧縮させたが、図２に示す実施の形態２０は、流出路５に対して中心となる作動素子７０を備え、作動素子７０は、底板４に対して同一面内から外れる方向に変形されるせん断モード（shear mode）で作動する。図２のＣに、アクチュエータ７０の平面方向に対して横方向(lateral)となる動作方向が示されている。このせん断モード動作は、圧電素子のせん断変形を発生させる電界によって実現される。圧電部材７０を作動し、流出路中心軸５に対して移動させることにより、流体ジェット６０から液滴６が形成される。適切な寸法決めを行うことにより、アクチュエータの大きさを最小限とすることができ、これにより、液滴サイズを５０ミクロンよりも十分小さくすることができる。作動素子７０は、圧電部材であることが望ましいが、別のタイプの移動体、例えば磁歪部材やコイルを介した電磁動作も適用可能である。

図３に示す実施の形態において、アクチュエータ７００はサンドイッチ状のピエゾデバイスとして設けられ、アクチュエータ７００のサンドイッチ層７０１と７０２の変形特性の違いにより、流出路５の軸方向に沿った曲げ動作が発生する。これにより、サンドイッチアクチュエータ７００によって中心軸に沿った対称運動が発生し、曲げ変形が起きる。図２に示す実施例のように、部分Ｃの動作方向は平面アクチュエータ７００に対して横方向(lateral)に示されている。

図１，２，３においてアクチュエータは底板４に一体化されていたが、図４に示す別の構成では、流出路５に対して対称となるアクチュエータが設けられている。本実施の形態では、流出路は、アンギュラーピエゾ部材７１に取り付けられた金属箔４０に設けられている。部分Ａ、Ｂ、Ｃは、それぞれ、アクチュエータ７１の動作位置および動作方向を示している。本実施の形態では、動作方向は中央底板４に対して横方向（lateral）である。本実施の形態は、次のような構成を有する。すなわち、底板４が開口４１を備え、作動ピエゾレイヤー７１は、当該底板開口４１上およびその周囲に設けられ、薄い金属箔に流出開口５が設けられ、これにより、作動レイヤー７１の上にノズル板４０を重ねて形成している。作動時において作動レイヤー７１は、ノズル板４０を横方向（lateral）に移動させ、流体ジェット６０に対して軸方向の対照的な圧力パルスを与える。

図５に別の実施の形態１４を示す。図５において、流出路５の壁はノズル板４０から形成され、磁歪または圧電部材７が底板４’の壁の周りに配置されている。アクチュエータ７は、底板４上に取り付けたり、底板４に部分的に埋め込んだり、底板４に完全に一体化してもよい。図５の部分Ｂに示すように、せん断曲げモードにおいてピエゾアクチュエータ７を作動させることにより、流出路に対して軸方向に、および／または流出路中心軸に対して径方向に動作させてもよい。

上述したように、液滴６の生成方法は、例えば液滴を基板に到達させるために、印刷液体３を含むチャンバを提供し、チャンバは、底板４と、チャンバに設けられ中心軸を有する流出路５とを備える。この方法は、さらに、流出路５の近傍において液体３に圧力パルスを与え、流出路５から噴出する流体を液滴６に分離する。本発明の一態様によると、流出路中心軸に対して軸方向または径方向に対称な底板の運動によって圧力パルスが生成される。図１〜５に示す構成の代替として、またはそれに加えて、図６に液滴***装置１５の第５の実施の形態を示す。この構成において、圧電部材７はせん断モード動作において向きを変えるように構成され、これによって流出路５が軸方向に移動する。さらに、図６に示すように、流出路５と同心に配置された集中部材９が設けられている。集中部材は、例えば、スタティックピン（static pin）によって構成される。底部９１は、通常は流出路５付近に配置されることが望ましく、圧力が５０ｂａｒ以上の範囲の場合、例えば、流出路を通って１〜５００ミクロンの範囲の距離とする。一般的に、この距離は流出路直径の約１０％に関連させることができる。これよりも圧力が低い場合、集中部材を少し遠くに配置することができ、一般的に、流出路に対して１００〜１５００ミクロンの距離とすることができる。図１〜６に示す実施の形態では、流出路は、通常、直径が５〜２５０ミクロン、長さが約０．０１〜３ミリメートルである。

例えば、流路直径が約８０ミクロンの場合、ピン直径を３ミリメートル程度、例えば２〜３．５ミリメートルの間の直径とすることができる。ニュートン流体を使用したモデルでは、円筒ノズル内の圧力ｐについて以下のように計算できる。

ここで、μは粘性であり、例えば３〜３００ｍＰａｓの範囲である。ｖ_{ｐｉｅｚｏ}は算出されたノズルアクチュエータ速度、ｐ_ｐｕｍｐはポンプ圧力であり、０．５〜６００ｂａｒの範囲である。ｒ_{ｐｉｅｚｏ}は集中部材の直径、ｈ_ｇａｐはギャップ距離であり、例えば１〜５００ミクロンの範囲である。ｑ_{ｎｏｚｚｌｅ}は算出されたノズルを通る流量の変化である。圧力と集中部材直径を積算することにより、集中部材とノズルとの間にかかる相対的な力が直径（この例では、標準として直径３．３ｍｍを用いた）に強く依存していることがわかる。

従って、直径が制限され、流出路と同心に配置され、流出路から離間された底部を有する集中部材を、流出路の近傍に圧力パルスを集中させるために設けることにより、ノズルアクチュエータにかかる力を軽減しながら、より効果的な液滴***を行うことができる。

スタティックピンからなる集中部材が作動的に配置される距離の範囲は、流体の粘性に依存させてもよい。高粘性の流体から液滴を生成する場合、端部から流出開口までの距離は、比較的小さいことが望ましい。最大５Ｂａｒｓ（≡５・１０^５Ｐａ）の圧力で作動するシステムの場合、この距離は、例えば、０．５ｍｍ程度とする。より高い圧力の場合、この距離を一層小さくすることが望ましい。例えば３００〜９００・１０^３Ｐａ．ｓのとくに高い粘性の粘性流体を印刷する特殊用途の場合、流出路直径に応じて、間隔距離を１５〜３０μｍとすることができる。スタティックピンは、ノズルに対して比較的小さな、例えば１〜５ｍｍ^２の集中面積をもつことが望ましい。

上記から明らかなように、図６の実施の形態において説明した集中部材９は、流出路５の軸方向の運動が誘起される、図２，３，４，５の実施の形態にも適用できる。流出路が収縮する図１の実施の形態においても、集中部材９を用いることができる。さらに、上記から明らかなように、図１〜６の動作原理をそれぞれ組み合わせることもできる。例えば、収縮動作を、ピエゾアクチュエータ７の軸方向の運動、または曲げ動作と組み合わせてもよい。また、上記から明らかなように、アクチュエータはピエゾアクチュエータには限定されず、例えば磁歪アクチュエータ等の他のアクチュエータを含んでもよい。

最後に、図７および図８の実施の形態は、複数の流出路５について流出路に機械的に接続されたアクチュエータによって、左右対称の圧力パルスを発生する発明概念を説明するものである。具体的には、図７は、図５の実施の形態における面外の伸長動作について概略的に示す斜視図である。ここで、ノズル板５には複数の流出路が設けられており、これらは底板４に機械的に接続された圧電アクチュエータ７のせん断方向の運動によって作動される。せん断曲げ動作により、ノズル板４０が流出路５に対して軸方向に移動する。

同様に、図７の実施の形態は、図３を参照して説明した実施の形態における同一面外の伸長動作を示している。この実施の形態では、複数の流出路５を有するアクチュエータ７において曲げ運動が発生する。アクチュエータを曲げることによって、流出路が軸方向に振動する。このように、本発明概念は、複数の流出路にも適用可能である。

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−２０〜１３００℃の温度範囲、より望ましくは１０〜５００℃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 (17)

1. 底板を有し、加圧された印刷液を含むチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられ、中心軸を有し、前記印刷液を噴出する少なくとも１つの流出路と、
   前記流出路に機械的に接続され、前記流出路から噴出した流体ジェットを液滴に***するアクチュエータとを備え、
   前記アクチュエータは、前記流出路の中心軸に対して対称に設けられ、前記流体ジェットに前記流出路の中心軸に対して対称な圧力パルスを与えることを特徴とする液滴***装置。
2. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記アクチュエータは、前記底板に設けられていることを特徴とする液滴***装置。
3. 請求項２に記載の液滴***装置において、
   前記流出路は、前記アクチュエータ内に配置されることを特徴とする液滴***装置。
4. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記アクチュエータ部材は、環状であり、前記流出路と同心に前記流出路の周りに配置され、当該部材は、チャンバ壁および前記底板の両側に取り付けられることを特徴とする液滴***装置。
5. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記アクチュエータは、圧電素子または磁歪素子であることを特徴とする液滴***装置。
6. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記アクチュエータは、前記流出路を軸方向に動作させることを特徴とする液滴***装置。
7. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記アクチュエータは、前記流体路を収縮させるように構成されていることを特徴とする液滴***装置。
8. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記底板は、前記流出路に対して軸方向に曲げ、もしくはせん断力を受けるよう構成された伸長部を備えることを特徴とする液滴***装置。
9. 請求項１に記載の液滴***装置において、
   前記流出路から離間した底部を有し、前記流出路の近傍において圧力パルスを集中させる集中部材が、前記流出路と同心に設けられていることを特徴とする液滴***装置。
10. 請求項９に記載の液滴***装置において、
    前記集中部材は、前記流出路からの距離が１〜５００ミクロン離間した底部を有するスタティックピンを備えることを特徴とする液滴***装置。
11. 請求項１に記載の液滴***装置において、
    前記流出路の直径は、５〜２５０ミクロンの範囲であることを特徴とする液滴***装置。
12. 請求項１に記載の液滴***装置において、
    前記流出路の長さは、０．０１〜３ミリメートルの範囲であることを特徴とする液滴***装置。
13. 液滴を噴出する方法であって、
    印刷液を含み、底板、前記印刷液を加圧するポンプ、およびチャンバ内において中心軸を有する流出路を備える前記チャンバを提供し、
    前記流出路の近傍において前記印刷液に圧力パルスをかけ、前記流出路から噴出する流体を液滴に離散し、
    前記流出路の中心軸に対して軸方向または径方向に対称な底板の運動により、前記圧力パルスが与えられることを特徴とする方法。
14. 請求項１３に記載の方法において、
    前記底板の運動は、前記流出路の収縮によって生じることを特徴とする方法。
15. 請求項１３に記載の方法において、
    前記流出路の運動は、前記流出路軸に沿った軸方向の振動により生じることを特徴とする方法。
16. 請求項１３に記載の方法において、
    前記運動は、前記底板に設けられた圧電もしくは磁歪作動素子によって発生することを特徴とする方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    前記作動素子は、前記流出路中心軸の周りに対称に配置されることを特徴とする方法。

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