JP4294812B2 - How to print on a substrate - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に、印刷装置の分野、特に、印刷物質を高速の推進体流中に導入することにより、印刷物質を被印刷体に印刷できる装置の部品に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
インキジェット法は、現在一般的な印刷技術であり、サーマルインキジェット（ＴＩＪ）、圧電インキジェットなど、様々なタイプのインキジェット印刷法がある。この方法は一般に、液状インキの飛沫を、流路の一方の端に設けたオリフィスより射出するものである。例えばＴＩＪプリンタでは、インキを輸送する流路中で気泡を爆発的に発生させることにより飛沫を射出する。気泡は、流路の一方の表面に設けた、抵抗器形のヒータによって発生させる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＴＩＪ及び他のインキジェット装置には、幾つかの欠点が認められる。３００スポット／インチ（ｓｐｉ）のＴＩＪ装置では、インキ飛沫を射出する排出オリフィスは通常、幅約６４μｍ、流路間隔（ピッチ）約８４μｍであり、また６００ｓｐｉの装置では、幅約３５μｍ、ピッチ約４２μｍである。排出オリフィスの大きさは、その装置で用いる液状インキの粘度により制限される。排出オリフィスの幅を小さくするため、液体（例えば水）の量を多くしてインキを希釈し、その粘度を下げることもできるが、インキの液体含有率が高くなると、ウィッキング（毛管現象によるインキのにじみ）や、紙のしわが多くなり、また射出したインキ飛沫の乾燥時間が長くなり、解像度や画質（例えば、最小スポットサイズ、色間の混合、スポットの形）等に悪影響を及ぼす。スポットサイズは排出オリフィス幅に関係し、また解像度はスポットサイズに関係することから、このオリフイス幅の制限によって、ＴＩＪ印刷の解像度は、例えば良くても９００ｓｐｉまでである。
【０００４】
従来のインキジェット技術の別の欠点は、グレースケール印刷が難しいことである。つまり、インキジェット装置では、被印刷体上に印刷されるスポットの大きさを変えることは非常に困難である。小さな点を生じさせるため、より少量のインキを射出しようと推進力（ＴＩＪ装置では加熱）を小さくしたり、あるいは、より多くのインキを射出して大きな点を生じさせようと推進力を大きくすると、射出される飛沫の軌跡が変動してしまう。これは正確なドット配置を困難又は不可能にし、単色グレースケール印刷が不鮮明になるだけでなく、多色グレースケールインキジェット印刷は不可能となる。更に、望ましいグレースケール印刷を得るには、ＴＩＪの場合と同様に、ドットサイズを変えるのではなく、サイズは一定に保ったままその密度を変える。
【０００５】
一般的なインキジェット装置のもう一つの欠点は印刷速度である。スポットの印刷に要する時間の約８０％は、インキジェット流路が毛管現象によりインキで補充されるのを待つことに費やされる。インキをより希釈することにより、ある程度までは早く流すことができるが、前述のウィッキングや被印刷体のしわ、乾燥時間等の問題が生じる。
【０００６】
射出印刷装置によく見られる問題は、流路の目詰まりである。水性インキ着色料を用いるＴＩＪ装置などではこの問題が生じ易く、作動の間、流路を掃除するための非印刷サイクルを定期的に行う。作動中、通常インキは射出されるのを待って射出器中に止まっており、この間に乾燥が始まって目詰まりが生じるためこの操作が必要である。
【０００７】
本発明の背景として関与する他の技術には、静電グリッド、静電射出（いわゆるトーンジェット）、音響インキ印刷、染料昇華などのある種のエーロゾル及び噴霧装置などが含まれる。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前述の欠点及び本件で更に述べる他の欠点を解決した、印刷物質を被印刷体に直接又は間接的に印刷する、新しい装置に用いられる要素に関するものである。特に本発明は、流路を流れる推進体と、流路へ調節しながら導入する（つまり、使用中に変更できる）又は調量供給する印刷物質とを用い、推進体のエネルギーによって印刷物質を被印刷体に到達させる方式の装置に関するものである。推進体は通常、印刷装置が作動状態（つまり、電源が投入されている又は同様な印刷待機状態）にある間、流路に常に流れている乾燥気体である。この装置は本質的に、コロイド状ではない固体又は半固体微細粒子、あるいは液状である印刷物質を被印刷体に射出することにより印刷を行うことから、“弾道エーロゾル印刷”と呼ばれる。流路は、推進体と印刷物質とを、平行に（又は収束させて）被印刷体へ飛ばせるような形をしている。
【０００９】
以下の概略及び詳細な説明において、弾道エーロゾル印刷装置（ｂａｌｌｉｓｔｉｃ ａｅｒｏｓｏｌ ｍａｒｋｉｎｇ ａｐｐａｒａｔｕｓ）とその使用法の一般的な特徴を多く述べるが、本発明は、その請求の範囲から明らかなように、本件に含まれる全ての記述を含むものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
この装置では、推進体ポートより推進体を流路に導入して推進体流を形成する。次に、印刷物質を、一つ以上の印刷物質注入ポートより推進体流に導入する。推進体は高速で流路に入るか、あるいは、推進体を高圧で流路に導入し、流路に高圧の推進体を高速に変換する構造（例えば、デ ラバル（ｄｅ Ｌａｖａｌ）又は同様の収束／発散型ノズル）を設ける。この場合、推進体は流路（収束部）の手前側の端に設けられたポートより導入し、印刷物質は流路の末端付近（発散部又はその下流）に設けられた印刷物質ポートより推進体流に導入する。
【００１１】
複数のポートを用いる場合、各ポートは、異なる色（例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック）や、印刷前処理物質（印刷物質付着剤など）、印刷後処理物質（例えばマット又は光沢コーティング等の被印刷体表面仕上げ剤など）、肉眼では見えない印刷物質（例えば、磁性粒子付着物質、紫外線蛍光物質等）、あるいは被印刷体に塗布できるその他の印刷物質のために用いられる。印刷物質は推進体流より運動エネルギーを与えられ、流路の末端に位置する排出オリフィスから被印刷体に向けて射出される。
【００１２】
実施の形態においてこのような流路を一つ以上備えた構造体を、本件ではプリントヘッドと呼ぶ。流路の排出（又は射出）オリフィスの幅は、通常２５０μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下である。複数の流路を用いる場合、隣合った流路の端から端（又は中心から中心）のピッチ又は間隔も、２５０μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下である。あるいは、流路の間隔を小さくするため、流路をジグザグ配列にする。排出オリフィス及び／又は各流路の一部又は全ては、推進体流の方向（流路の前後軸）から見て、円形、半円形、楕円形、正方形、矩形、三角形などの断面の形をしている。
【００１３】
被印刷体に塗布する物質を、単なる重力送り、流体力学、静電気、又は超音波輸送等の様々な方法のいずれか、又はそれらを組み合わせて、ポートに輸送する。またこの物質を、輸送装置の制御、又は圧力平衡、静電気、音響エネルギー、インキジェット等の独立した装置など、様々な方法によって、ポートから推進体流に調量供給する。
【００１４】
被印刷体に塗布する物質は、トナー又は色の異なる様々なトナーなどの固体又は半固体微粒子、このような印刷物質をキャリヤに懸濁させたもの、このような印刷物質を電荷ダイレクタ（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）、相変化物質等と共にキャリヤに懸濁させたものなどである。望ましい実施の形態では、乾燥した又は液状キャリヤに懸濁した、固体又は半固体の微粒子である印刷物質を用いる。このような印刷物質を、本件では微粒子印刷物質と呼ぶ。この物質と、本件で一般に液状印刷物質と述べられている、液状印刷物質、溶解した印刷物質、霧化した印刷物質、又は同様な微粒子ではない物質とは区別される。しかし、本件の他の部分で述べているように、本発明のある応用例では、このような液状印刷物質を用いることができる。
【００１５】
更に、様々な印刷物質（例えば、水性印刷物質に限定されない）が使用できることから、本発明では様々な被印刷体に印刷することが可能である。例えば、本発明では、ポリマー、プラスチック、金属、ガラス、処理及び仕上げ処理を行った表面などの非多孔性被印刷体上に直接印刷を行うことができる。ウィッキングを小さくし、乾燥時間を無くすることにより、紙、繊維製品、セラミックスなどの多孔性被印刷体への優れた印刷が得られる。更に本発明は、例えば中間転写ローラ又はベルトへの印刷、粘着性支持帯フィルムへの印刷、ニップ転写装置などの、間接的印刷に用いることもできる。
【００１６】
被印刷体上に射出された物質には、例えば定着又は乾燥、オーバーコート、硬化等の射出後処理を行う。定着の場合、射出された物質自体が十分な運動エネルギーを持ち、これにより被印刷体との衝突の際に効果的に融解して被印刷体に融着する。これをより効果的に行うため、被印刷体を加熱してもよい。印刷物質を被印刷体に冷定着させるには、圧力ローラを用いる。また、印刷物質が射出されてから被印刷体に到達するまでの間（飛行中）の相変化（固−液−固）を用いることもできる。最初の相変化を起こす手段として、粒子経路中に加熱したワイヤを置く。あるいは推進体の温度を上げることによっても同様な効果が得られる。ある実施の形態では、レーザーを用いて飛行中の微粒子物質を加熱溶融し、最初の相変化を起こす。溶融及び定着の際には、静電気的な補助手段を用いてもよい。つまり、最終的な所望の位置に溶融、定着させるのに十分な時間、微粒子物質を所望の位置に保持する。また、微粒子の種類によっても、射出後処理は変わる。例えばＵＶ硬化物質は、飛行中又は物質を保持する被印刷体上に置いてから、ＵＶ照射を行って硬化させる。
【００１７】
推進体は連続的に流路中を流れているため、効果的、連続的に流路を清掃して物質の沈着による流路の目詰まりを減らし又は除去する。更に、装置を用いない場合に外界から流路を遮断するため、閉鎖構造を備える。あるいは、プリントヘッドと被印刷体支持体（例えば、プラテン）とを物理的に接触させ、流路を閉鎖する。流路の清掃を効率良く行うよう、印刷装置の作動の開始時と終了時にクリーニングサイクルを組み込む。装置から除去された廃棄物はクリーニング部に排出される。一方、ポートを通って貯蔵部の中に流れ込むよう推進体流を切り替えて、オリフィスの目詰まりをポートから排出することも可能である。
【００１８】
このように、本発明及びその様々な実施の形態は、前述の長所及び後に更に詳しく述べる多くの長所を提供するものである。
【００１９】
図１に、本発明の実施の形態による、弾道エーロゾル印刷装置１０の略図を示す。ここに示すように、装置１０は、推進体１４が供給される一つ以上の射出器１２から成るものである。印刷物質１６は、制御２０の制御下、輸送機構１８によって輸送され、射出器１２に導入される。（任意の要素は点線で示す。）印刷物質は、制御２２の制御下、調量供給手段２１により射出器に調量供給（つまり調節されながら導入）される。射出器１２より射出された印刷物質は、必要に応じて装置１０に備えられた、射出後処理２３で処理される。これらの各要素については、後に更に詳しく述べる。装置１０は、例えばコンピュータネットワーク、パーソナルコンピュータ等に一般的に接続されるタイプのプリンタ、ファクシミリ装置、複写機、標識装置、あるいはその他様々な印刷装置に用いられることは明らかである。
【００２０】
図１に示す実施の形態は、図２の断面図に示すタイプの、弾道エーロゾル印刷装置２４により良く理解されよう。この実施の形態によれば、印刷される物質は、本件で更に述べるタイプの４色のトナー、例えばシアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）、ブラック（Ｋ）であり、これらは混合し又は混合せずに、連続的に、あるいは他の方法で同時に印刷される。図２及びそれに関連する記述では、４色（一度に１色ずつ又はそれらを混合して）を印刷する装置を述べているが、それより少ない又は多い色数、あるいは別の又は追加の物質として、印刷物質粒子を接着するための表面を形成する物質（又は、その他の被印刷体表面前処理）、所望の被印刷体の仕上げ品質（マット、サテン又は光沢仕上げあるいは他の被印刷体表面後処理など）、肉眼では見えない物質（磁性粒子、紫外蛍光粒子等）、若しくは印刷された被印刷体に関連する他の物質などを印刷する装置も、明らかに本件で企図されるものである。
【００２１】
装置２４は本体２６から成り、この中には、印刷される物質を受ける複数のキャビティ２８Ｃ、２８Ｍ、２８Ｙ、２８Ｋ（これらを合わせてキャビティ２８と呼ぶ）が形成されている。本体２６にはまた、推進体キャビティ３０が形成されている。取り付け部品３２は、推進体キャビティ３０と、コンプレッサ、推進体貯蔵部等の推進体源３３とを繋ぐものである。本体２６は、他の層に囲まれた、支持体３６及び流路層３７を含む、プリントヘッド３４に接続している。
【００２２】
図３に、装置２４の一部分の断面図を示す。各キャビティ２８には、断面が円形、楕円形、矩形などの、ポート４２Ｃ、４２Ｍ、４２Ｙ、４２Ｋ（これらを合わせてポート４２と呼ぶ）がそれぞれあり、これらは前記キャビティと、本体２６に隣接する流路４６との間を繋ぐものである。ポート４２の前後軸と、流路４６の前後軸とはほぼ垂直に交わっているように示されているが、本装置の特定の応用例で適しているように、この角度は９０度以外でもよい。
【００２３】
同様に、推進体キャビティ３０にも、前記キャビティと流路４６の間に、円形、楕円形、矩形等の断面であるポート４４があり、推進体はこれを通って移動する。あるいは、推進体を流路４６に導入するため、支持体３６中にポート４４’を、又は流路層３７中にポート４４”を、あるいはその両方をプリントヘッド３４に備えることもできる。後に更に述べるように、印刷物質は、ポート４２を通ってキャビティ２８から排出され、流路４６を流れる推進体流に流入される。印刷物質と推進体は、図２に示すように、プラテン４０に支えられた、例えば紙である被印刷体３８に向かって、矢印Ａの方向に進む。
【００２４】
本件に述べる多くの特徴を備えたプリントヘッドからの推進体印刷物質流パターンは、１０ｍｍの距離までほぼ平行を保ち、最適な印刷距離は１〜数ｍｍ程度であることが実験的に明らかとなった。例えばプリントヘッドからの印刷物質流は、排出オリフィスの幅の少なくとも４倍の距離で、排出オリフィスの幅の２０％以上、望ましくは１０％以上は逸脱しない。しかし、プリントヘッドと被印刷体との適当な間隔は、多くのパラメータにより決まるものであり、それ自体は本発明の一部を成すものではない。
【００２５】
本発明のある実施の形態によれば、プリントヘッド３４は、支持体３６と、その中に流路４６が形成される流路層３７とから成る。絶縁層、被覆層等（図示されていない）の追加の層をプリントヘッド３４の一部に形成することもできる。支持体３６はガラス、セラミック等の適当な素材から成り、その上に（直接又は間接的に）、厚い耐久性のあるフォトレジスト（例えば、液状感光性エポキシ樹脂）及び／又はフィルムを基にした乾燥フォトレジストなどの、比較的厚い物質の層を形成する。この層の中に、エッチング、機械加工、又は他の方法で、後に述べる特徴を持つ流路を形成する。
【００２６】
プリントヘッド３４の横断面図である、図４を参照するならば、ある実施の形態において、手前側から、推進体受け部４７、次に収束部４８、発散部５０、そして印刷物質注入部５２となるよう流路４６を形成する。収束部４８と発散部５０との間の転移点をスロート５３と言い、収束部４８と発散部５０とスロート５３とを合わせてノズルと呼ぶ。このような流路の一般的な形は、デラバル膨張管とも呼ばれる。流路４６の先端には、排出オリフィス５６を設ける。
【００２７】
図３及び図４に示す本発明の実施の形態では、部分４８は図３の面ではなく、図４の面で収束し、同様に、部分５０は図３の面ではなく、図４の面で発散する。通常、これにより排出オリフィス５６の断面の形が決まる。例えば、図５（ａ）に示したオリフィス５６の形は、図３及び図４に示す装置に対応する。しかし、本発明の装置の製造法及び応用例に従い、流路の収束／発散部は図４の面ではなく図３の面であり（図５（ｂ））、又はその両方の面であり（図５（ｃ））、あるいはその他の面又は面の組み合わせであり、若しくは全ての面である（図６（ａ）〜６（ｃ）に例示）よう製造される。
【００２８】
図７に示す他の実施の形態では、流路４６には収束部及び発散部が無く、その軸に沿って断面は一定である。この流路の断面は、本発明の装置の製造法及び応用例に従って、矩形又は正方形（図８（ａ））、楕円形又は円形（図８（ｂ））、あるいはその他の形（図８（ｃ）、８（ｄ）に例示）である。
【００２９】
再度図３を参照するなら、推進体は、流路４６の長軸に対してほぼ直角に、推進体キャビティ３０よりポート４４を通って流路４６へ入る。他の実施の形態では、推進体は、例えば、ポート４４’又はポート４４”より、あるいは示されていない他の方法で、流路４６の長軸に対して平行に（又は他の角度で）流路に入る。推進体は印刷装置が作動状態にある（例えば、“パワー・オン”又は同様な印刷待機状態）間、流路を連続的に流れている。あるいは本発明の特定の応用例では、その指定によって、印刷体が射出されるときにのみ推進体が流路を流れるよう調整される。推進体の調節は、推進体源３３と流路４６との間に設けたバルブ３１により行う。又は例えばコンプレッサのスイッチを入／切し、あるいは推進体を発生する化学反応を選択的に起こし、更にまた本件には示されていない他の手段により、推進体の発生を制御することによって推進体の量を調節する。
【００３０】
印刷物質は、印刷物質注入部５２に設けた一つ以上のポート４２より、調節しながら流路へ注入する。つまり使用の間、推進体流に導入される印刷物質の量は、スポット毎にゼロから最大まで調節される。推進体と印刷物質とは、流路４６の手前側の端から、排出オリフィス５６を設けた先端へ移動する。
【００３１】
プリントヘッド３４は様々な方法で形成される。例えば、図４１（ａ）〜（ｃ）、図４２（ａ）〜（ｃ）を参照とするならば、プリントヘッド３４は次のように製造される。最初に、例えばガラスなどの絶縁性支持体又はケイ素などの半絶縁性支持体、あるいは絶縁層を塗布した任意の支持体である、支持体３６を清浄にし、また別途リソグラフィの準備を行う。一つ以上の金属電極５４を、流路４６の底面となる支持体３６の表面に形成し（例えば、フォトリソグラフィにより）、又は印刷する。これを図４１（ａ）に示す。
【００３２】
次に、支持体のほぼ全面に、通常スピン−オン（ｓｐｉｎ−ｏｎ）法によりフォトレジストを厚く塗布する、あるいは層３１０を貼り合わせる。層３１０は非常に厚く、例えば１００μｍ以上である。これを図４１（ｂ）に示す。次に、リソグラフィ、イオンミリング等の、既知の方法を用いて、層３１０中に流路４６を、望ましくは収束部４８、発散部５０、スロート５３と共に形成する。この時点での構造を図４１（ｃ）の横断面図に示す。
【００３３】
この時、推進体受け部４７の支持体中に、推進体注入口４４’（図３に示す）を加工してもよい。これには、用いられる支持体の素材に応じて、ダイヤモンドドリル、超音波ドリル、又はこの技術で既知の他の方法を用いる。あるいは、層３１０中に推進体注入口４４”（図３に示す）を形成してもよい。しかしここでは、推進体注入口４４は、以下に述べるように、次に被覆される層の中に形成する。
【００３４】
層３１０の上に直接、別の比較的厚いフォトレジスト又は同様な素材の層３１２を形成する。層３１２は、望ましくは１００μｍ以上の厚さであり、望ましくは積層により被覆するが、スピン−オン又は他の方法で被覆してもよい。あるいは、層３１２は、層３１０と接着するガラス又は他の適当な素材でもよい。この時点での構造を図４２（ａ）に示す。
【００３５】
次に、例えばフォトリソグラフィ、イオンミリング等により、層３１２にパターンを描き、ポート４２及び４４を形成する。層３１２はまた、機械加工により、あるいは既知の他の方法によりパターン形成される。この時点での構造を図４２（ｂ）に示す。
【００３６】
別な方法として、例えばフォトリソグラフィ、イオンミリング等により支持体中に直接流路４６を形成する。この場合もまた、上記と同様に層３１２を被覆する。あるいは、プリントヘッドを、アクリル酸樹脂又は同様な、型に取ることができ、及び／又は機械加工のできる素材で作り、その中に流路４６を型取り、又は加工して作成する。この実施の形態では、これに更に、同じ素材である層３１２を適当な手段で他の構造部分に接着する。
【００３７】
更に、層３１０上に層３１２を被覆する前に、層３１２上に、矩形、輪状（記載）又は意図する他の形である、電極３１４及び３１５を予め形成する。この実施の形態では、ポート４２、及び可能ならばポート４４もまた層３１２を被覆する前に形成する。電極３１４は、アルミニウム等の適当な金属であり、スパッタリング、リフト−オフ又は他の手法で形成する。誘電層３１６は、電極３１４を保護し、平らな上側表面３１８とするために被覆する。第２の誘電層（図示されていない）も同様に、電極３１５を保護し、平らな下側表面３１９とするため、層３１２の下に被覆する。この実施の形態の構造を図４２（ｃ）に示す。
【００３８】
図４〜８では一つの流路を持つプリントヘッド３４を示しているが、本発明によるプリントヘッドは、任意の数の流路を持ち、その範囲は、一つ又は数個の流路で幅が数百μｍのものから、数千個の流路でページ幅（例えば、幅８．５インチ（２１．５９ｃｍ）以上）のものまであることが理解されよう。各排出オリフィス５６の幅Ｗは、２５０μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下である。隣接する排出オリフィス５６間のピッチＰ、又は端から端（あるいは中心から中心）の間隔は、図９（ａ）に端面図を示した非ジグザグ配列の場合、２５０μｍ以下、望ましくは１００μｍ以下である。図９（ｂ）に示すような、二次元のジグザグ配列の場合のピッチは更に小さい。例えば、表１に、異なる解像度における、非ジグザグ配列の典型的なピッチと幅を示す。
【００３９】
【表１】

図１０に示すように、幅広いプリントヘッドの流路配列には、各流路４６に通じるポート４２を持つ、連続キャビティ２８から印刷物質が供給される。同様に、連続推進体キャビティ３０からポート４４を通って各流路４６に推進体が供給される。図１１（ａ）に示すように、ポート４２はキャビティ中の個々の開口部であり、又は図１１（ｂ）に示すように、全ての配列にわたる連続的な開口部４３（図では開口部４３Ｃを示す）により形成される。
【００４０】
流路４６の配列では、流路を通る推進体速度が全く同一又はほぼ同じとなるよう、各流路は同じ大きさと断面形をしている。あるいは、特定の一つ以上の流路４６の大きさ及び／又は断面形を異なるものにして（又は選択的にコーティング等を塗布するなどの手段により）、推進体速度の異なる流路とすることもできる。これは、印刷物質類と他の被印刷体処理剤とを共に用いる際に、非常に質量の違う異なった印刷物質を用いようとする場合、異なる印刷効果を得ようとする場合に有利であり、また別な方法で、本発明の特定の応用例において適当であることが明らかとなろう。
【００４１】
図１２（ａ）及び図１２（ｂ）に示される実施の形態によれば、装置２４は、クリップ、クラスプ、留め金、又は既知の他の保持手段（図示されていない）などの可能な手段で装置２４に取り付ける、取り外し交換可能な本体６０を含むものである。図１２（ａ）に示される実施の形態では、本体６０はプリントヘッド３４及び装置２４の他の部分から取り外せる。図１２（ｂ）に示される実施の形態では、本体６０とプリントヘッド３４とは、装置２４のマウント部６４から取り外し交換できるユニットを成す。図１２（ａ）及び図１２（ｂ）の実施の形態のいずれも、電極及び本体６０中にある又は本体６０と結合している他の装置を制御するため、本体６０と装置２４の間では電気的接触が保たれている。
【００４２】
いずれの場合も、本体６０は、印刷物質と推進体とを入れた使い捨てのカートリッジである。あるいは、印刷物質及び／又は推進体キャビティ２８、３０は補充可能である。例えば、開口部２９Ｃ、２９Ｍ、２９Ｙ、２９Ｋ（これらを合わせて開口部２９と呼ぶ）は、印刷物質を各キャビティに導入するためのものである。また、キャビティ３０には、固体状二酸化炭素（ＣＯ₂）、圧縮ガスカートリッジ（これもまた二酸化炭素など）、化学反応物等の推進体源６２があり、これは本体６０に恒久的、又は取り外し交換でき、あるいは補充可能なものである。別な方法として、キャビティ３０に、加圧推進体を発生するための小型コンプレッサ又は同様な手段（図示されていない）を備える。あるいは、推進体源は、本体６０と別々に、独立して、取り外し及び交換可能なものである。更に、本体６０にキャビティ２８とその関連部品しか搭載されていない場合は、装置２４に、コンプレッサ、化学反応容器等の推進体発生手段を備える。
【００４３】
本発明による、印刷物質で被印刷体に印刷を行うプロセス７０を、段階的に図１３に示した。ステップ７２では、推進体が流路に供給される。次にステップ７４で、印刷物質が流路に調量供給される。複数の印刷物質を被印刷体に射出する流路では、ステップ７６で印刷物質を流路中において混合し、被印刷体へ印刷物質混合物を射出する。この方法では、色の見当合わせの必要のない、単一流路カラー印刷が得られる。別の単一流路カラー印刷では、プリントヘッド３４と被印刷体３８の間で一定の見当合わせを保ちながら、複数の印刷物質を連続的に導入する。全ての印刷で複数の印刷物質を用いるとは限らないため、このステップは任意であり、点線矢印７８で示される。ステップ８０では、印刷物質を流路末端の排出オリフィスより、被印刷体に到達するのに十分なエネルギーで被印刷体に向って射出する。矢印８３が示すように、以上のプロセスは、プリントヘッドの再見当合わせと共に繰り返す。印刷物質の定着、乾燥等の適当な射出後処理はステップ８２で行うが、これも点線矢印８４で示すように任意である。これらのステップについては、各々更に詳細に述べる。
前述のように、推進体の役割は、印刷物質が少なくとも被印刷体に衝突するのに十分な運動エネルギーを印刷物質に与えることである。推進体は、プリントヘッド、カートリッジ、又は印刷装置２４の他の要素と接続した又は独立した、コンプレッサ、補充可能な又は不可能な貯蔵器、物質の相変化（例えば、固体状から気体状ＣＯ₂）、化学反応等により供給される。いずれの場合も、推進体は、乾燥し、汚染物質を含まず、まず第一に印刷物質による被印刷体の印刷を阻害せず、また流路の目詰まりを生じない又は誘発しないものでなければならない。このため、推進体源と流路の間に、適当な乾燥機及び／又はフィルタ（図示されていない）を設ける。
【００４４】
ある実施の形態では、よく知られた型のコンプレッサで推進体を供給する。このコンプレッサは、スイッチを入れるとすぐに安定した圧力の推進体を供給するものが理想的であるが、作動圧力及び速度である推進体だけが流路４６に流入するよう、コンプレッサと流路の間にバルブを用いると良い。
【００４５】
これらの実施の形態では、流路を外部コンプレッサ又は同様な外部の推進体源と接続しているが、装置２４自体で推進体を発生する必要がある。更に、小型のデスクトップ型の装置では、小さな推進体源を用いなければならない。一つの方法は、一般的に入手できる、交換可能なＣＯ₂カートリッジを装置に用いることである。しかし、このようなカートリッジは推進体の量が比較的少なく、度々交換しなければならない。また、より大きな加圧推進体容器を用いることもできるが、装置の大きさ（例えば、小型のデスクトップ型プリンタ）により推進体容器の大きさは制限される。このことから、自給式で物理的に小さい推進体発生ユニットを用いることが望ましい。この実施の形態では、推進体と印刷物質とを混合した、交換可能なカートリッジを用いることもできる。
【００４６】
他の実施の形態では、反応により推進体を供給する。この実施の形態の目的は、例えば推進体キャビティ３０中に入るような、小型の推進体源の提供である。液状又は固体状の化学物質又は化合物は、様々な自発的及び非自発的反応を起こして気体を発生し、またこの反応容器は固体又は液体を用いるため比較的小さい。最も簡単には、反応物をその沸点以上に加熱し、気相の物質を発生させる。密閉系で反応又は変化を起こすと圧力変化が生じる。そこで、閉鎖系で一種類の反応が起こる場合には、
【数１】

このとき、Ｒは反応物、Ｐ１及びＰ２は圧力であり、Ｐ２はＰ１より非常に大きい。この反応を起こすため、推進体キャビティ３０（又は他の反応物を含む容器）中に加熱要素８７（図３に示すフィラメントなど）を備える。
【００４７】
これを変形し、非自発的な複数反応物系を加熱活性化する場合を示すと、
【数２】

このとき、Ｒ₁ 〜Ｒ．．．は反応物であり、Ｐ２はまたＰ１より非常に大きい。
【００４８】
しかし、加熱した推進体による印刷物質への影響（例えば、流路中での融解は流路の目詰まりを引き起こし易い）を避けるため、加熱の必要のない（また過度に発熱することのない）、次のような反応を用いることがより望ましい。
【００４９】
【数３】

これは、室温における相変化（例えば、固体状から気体状ＣＯ₂）などである。あるいは次のような反応である。
【００５０】
【数４】

このような反応は、この技術において多く知られ、気体状推進体の発生に用いられる。
【００５１】
装置を入／切するための手段と同様に、望むときに反応を開始／終結できるよう、通常、反応を制御する。あるいは、推進体流を調整するためのバルブを経て流路４６と繋がっている、推進体キャビティ中で反応を起こす。通常、この実施の形態においては、推進体を所定の操作圧力に調整するためのバルブも備える必要がある。
【００５２】
設定すべき推進体流速及び圧力は、以下に述べる印刷装置の実施の形態に依る。一般に、適当な推進体の例としては、ＣＯ₂、清浄で乾燥した空気、Ｎ₂、気体状反応生成物等が挙げられる。推進体は、無毒なものが望ましい（ある実施の形態では、装置を特別のチャンバ等に密閉するなどして、より広範囲の推進体を用いることができる）。望ましくは、推進体は室温で気体状であるが、適当な実施の形態では高温の気体を用いることもある。
【００５３】
発生させた又は供給した推進体は、いずれも流路４６に入り、流路を前後軸方向に移動して排出オリフィス５６から排出される。流路４６は、排出オリフィス５６から排出される推進体流が被印刷体に向かって進むよう指向している。
【００５４】
本発明のある実施の形態では、被印刷体の印刷に、固体状、微粒子印刷物質を用いる。印刷物質粒子の大きさは、０．５〜１０．０μｍ、望ましくは１〜５μｍの範囲であるが、この範囲を超える大きさも、特定の応用例（例えば、粒子が移動するポート及び流路がより大きい又は小さい）において用いられる。
【００５５】
固体状、微粒子印刷物質の使用にはいくつかの利点がある。まず、例えば液状インキと比べて流路の目詰まりが少ない。次に、被印刷体上での印刷物質（又はそのキャリヤ）のウィッキング及びにじみ、また印刷物質／被印刷体相互作用が小さい、又は無い。第３に、液状印刷物質に見られる、排出オリフィスでの表面張力に起因するスポット位置の問題を回避する。第４に、表面張力による気泡の付着によって生じる流路の閉塞を回避する。第５に、次の印刷（例えばピクセル）のための流路の汚染を起こす危険なく、複数の印刷物質（例えば、複数の着色トナー）を、単一流路複数物質（例えば多色）印刷のための流路へ導入する際に混合することができる。これにより見当合せにかかる経費（装置、時間、関連する印刷部品等）を無くすことができる。第６に、デューティサイクルの流路の補充にかかる部分（ＴＩＪではデューティサイクルの８０％まで）を無くすことができる。第７に、液状印刷物質の場合には、乾燥時間が必要なため処理速度に制限があったが、これが不要となる。
【００５６】
乾燥微粒子印刷物質には多くの長所があるが、液状印刷物質、又は液状と乾燥印刷物質とを組み合わせて用いることが有利な応用例もある。このような例では、単に固体状印刷物質の代わりに液状印刷物質を用いる、又は例えば調量装置の変更など、この技術に精通した者には自明の、あるいは本件に述べる適当な操作及び装置の変更を行って本発明を用いる。
【００５７】
本発明のある応用例では、被印刷体表面に印刷前処理を行うことが望ましい。例えば、微粒子印刷物質が所望のスポット配置に定着するのを助けるため、微粒子印刷物質を保持するよう調製した接着層で被印刷体表面を予め被覆すると良い。このような物質の例としては、ホモポリマー、ランダム共重合体、又はブロック共重合体などの、透明及び／又は無色の重合物が挙げられ、これらは、低沸点の溶媒に溶解したポリマー溶液として被印刷体に塗布する。被印刷体に塗布する接着層の厚さは、１〜１０μｍ、望ましくは約５〜１０μｍである。このような物質の例としては、直鎖又は分枝のポリエステル樹脂、ポリ（スチレン性）ホモポリマー、ポリ（アクリル酸エステル）及びポリ（メタクリル酸エステル）ホモポリマー及びそれらの混合物、あるいはスチレン性モノマーとアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル又はブタジエンモノマー及びそれらの混合物とのランダム共重合体、ポリビニルアセタール、ポリビニルアルコール、ビニルアルコール−ビニルアセタール共重合体、ポリカーボネート及びそれらの混合物等が挙げられる。これらの表面前処理物質は、プリントヘッドの前縁に設けられた、本件に述べられている型の流路より射出し、これにより、単一流路で前処理物質と印刷物質の両方を射出する。あるいは、被印刷体の全面に前処理物質を塗布し、次に別途本件に述べられている印刷を行う。更に、ある応用例では、更に述べられているように、飛行中に印刷物質と前処理物質とを混合して、両者を同時に印刷することが望ましい。
【００５８】
同様に、本発明のある応用例では、被印刷体表面に印刷後処理を行うことが望ましい。例えば、印刷を行った被印刷体の一部又は全てに光沢仕上げを行うことが望ましい。ある例では本件に述べた方法で、別途、被印刷体に文字と図形の両方を含む印刷を行い、文字部分を除いて図形部分だけに選択的に光沢仕上げを行うことが必要とされる。これは、プリントヘッドの後縁の流路から印刷後処理を行うことにより達成され、これにより単一流路で印刷と印刷後処理を行うことができる。あるいは、被印刷体の全面に適当な印刷を行い、次に本発明の印刷装置に通して印刷後処理を行う。更にある応用例では、本件に更に述べるように、飛行中に印刷物質と後処理物質とを混合するなどにより、両者を同時に塗布することが望ましい。所望の表面仕上げを得るための物質の例としては、直鎖又は分枝のポリエステル樹脂、ポリ（スチレン性）ホモポリマー、ポリ（アクリル酸エステル）及びポリ（メタクリル酸エステル）ホモポリマー及びそれらの混合物、あるいはスチレン性モノマーとアクリル酸エステル、メタクリル酸エステル又はブタジエンモノマー及びそれらの混合物とのランダム共重合体、ポリビニルアセタール、ポリビニルアルコール、ビニルアルコール−ビニルアセタール共重合体、ポリカーボネート及びそれらの混合物等が挙げられる。
【００５９】
その他の印刷前及び印刷後処理には、肉眼には見えない印刷物質での印刷の下書き／上書き、文書の修正防止コーティング、例えば特別の解読器による特定波長（例えば、赤外又は紫外範囲）でのみ検出できる、特有波長染料又は顔料を用いる防護暗号化、等が含まれる。また別の印刷前及び印刷後処理には、被印刷体又は表面地質コーティング（例えば、任意に粗い又は滑らかな被印刷体となるようエンボス効果を与える）、被印刷体上で物理的又は化学的反応を起こすような物質（例えば、被印刷体上で混ざると、硬化又は他の方法で印刷物質を被印刷体に定着する反応を起こす２種類の物質）等が含まれる。別途記述がない限り、又はこの技術に精通した者には明らかなように、本件で参照した、印刷物質の輸送、調量供給、貯蔵などのための装置及び方法は、印刷前及び印刷後処理物質（及び一般に、他の非印刷物質）にも同様に用いることができる。
【００６０】
先に述べたように、印刷物質は、固体微粒子物質又は液体のいずれでもよい。しかし、この組み合わせには幾つかの選択肢がある。例えば、固体粒子の単なる集合は別として、気体状キャリヤ（つまりエーロゾル）又は液状キャリヤに懸濁した固体状印刷物質である。他の例には、多相物質が含まれる。図３４を参照にするならば、この物質は、ある固体状印刷物質粒子２８６を液状キャリヤ媒体２８８の不連続な凝集中に懸濁したものである。粒子とそれを取り囲むキャリヤの混合物は、キャリヤ媒体のプール２９０中にある。キャリヤ媒体は無色の誘電体で、印刷物質に流動性を与える。固体状印刷物質粒子２８６は１〜２μｍ程度の大きさで、実効電荷を持つ。更に次に述べる方法により、荷電印刷物質粒子２８６は、ポート２９４付近の適当な電極２９２により生じる電界に引き付けられ、流路２９６に向かう。補助電極２９８は印刷物質粒子２８６の排出を促す。ポート２９４の流路側にメニスカス３００が生じる。粒子２８６／キャリヤ２８８混合物が、メニスカス３００を通して引っぱられると、表面張力により粒子２８６は表面にキャリヤ媒体の薄いフィルムを残しただけで、キャリヤ媒体２８８より引き出される。この薄いフィルムは、殆どの種類の被印刷体に粒子２８６を付着させ、特に射出速度が遅い場合には、射出後処理（例えば定着）前に粒子位置を保つのに有用である。
【００６１】
印刷過程の次のステップは通常、印刷物質を推進体流に調量供給することである。以下では特に印刷物質の調量供給について述べるが、この記述には前述の印刷前及び印刷後処理物質などの他の物質の調量供給も含まれることは明らかであり、以下の参照では記述を明快にするため、印刷物質についてのみ述べる。このように調量供給は、本発明の様々な実施の形態で行われる。
【００６２】
印刷物質の調量供給に関する最初の実施の形態によれば、印刷物質には静電電荷を運ぶ物質が含まれる。例えば、印刷物質には、電荷ダイレクタと共にバインダ中に懸濁した顔料が含まれる。電荷ダイレクタは、例えば、図３に示す、キャビティ２８中のコロナ６６Ｃ、６６Ｍ、６６Ｙ、６６Ｋ（これらを合せてコロナ６６と呼ぶ）で荷電される。別な方法としては、例えばキャビティ３０中（又はポート４４などの他の適当な位置）にあるコロナ４５により、推進体ガスを最初から荷電する。荷電推進体は、流動床８６Ｃ、８６Ｍ、８６Ｙ、８６Ｋ（これらを合せて流動床８６と呼び、これについては更に後に述べる）を形成し、また印刷物質に電荷を与えるという二つの目的で、ポート４２を通ってキャビティ２８に注入される。また他の方法としては、キャビティ２８の外部にある他の手段又は他の装置による摩擦荷電などがある。
【００６３】
再度図３を参照として、流路４６の一方、ポート４２に対向する面にそれぞれ電極５４Ｃ、５４Ｍ、５４Ｙ、５４Ｋ（これらを合せて電極５４と呼ぶ）を形成する。キャビティ２８中（又は、ポート４４に又はその中などの他の場所）に、対応する対電極５５Ｃ、５５Ｍ、５５Ｙ、５５Ｋ（これらを合せて対電極５５と呼ぶ）を形成する。電極５４と対電極５５により電界を生じると、荷電印刷物質は電界に引き寄せられ、キャビティ２８から出てポート４２を通り、流路４６中の推進体流へほぼ直角に排出される。電極の形状と位置、またそれに印加される電荷が電界の強度を決め、また印刷物質を推進体流へ注入する力を決定する。一般に、推進体流の力により印刷物質に与えられる運動量が注入力より大きく、流路４６中の推進体流に一旦入った印刷物質が、推進体流と共に被印刷体に向って排出オリフィス５６より射出されるよう、印刷物質を推進体流に注入する力を調節する。
【００６４】
電極５４及び対電極５５の代わりに又は補助として、各ポート４２に静電ゲートを備える。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）を参照とするなら、このゲートは、ポート４２の直径を内径とする、二つの部分から成る環状又は帯状電極９０（ａ）、９０（ｂ）であり、接触層９１（ａ）及び９１（ｂ）を経て制御可能な切り替えできる電源に接続している。環状電極により発生する電界は、荷電印刷物質を引き寄せ又は反発する。層９１（ａ）及び９１（ｂ）は、フォトリソグラフィ、機械加工又は他の方法でパターンを形成し、各々の電極９０（ａ）、９０（ｂ）のマトリックスアドレス化を行う。
【００６５】
また別の印刷物質の調量供給法の実施の形態を図１５に示す。この実施の形態は、流路４６中の推進体流の方向とほぼ平行に伸びた、一つ以上の流路部１３６から成る。各流路部１３６は、間にスペーシング層として層１４０を挟んだ、本体２６（又は適当な上の層）と層１３８の間に形成する。各層は、適当な、厚い、エッチングしたフォトレジスト、機械加工したプラスチック又は金属、あるいは本発明の特定の応用例により規定される他の素材である。流路部１３６の長さ（印刷物質の移動する方向に）は１００μｍまで又はそれ以上である。流路部１３６の、本体２６と層１３８の表面に、ほぼ平行に向かい合った板状電極１４２及び１４４をそれぞれ設ける。
【００６６】
このような開口部配列の場合、様々な電極を行又は列のいずれかの線でアドレス化し、マトリックスアドレス化スキームを用いられるようにする。ある実施の形態では、電極が、印刷物質の調量供給のための静電ゲートを形成する。
【００６７】
通常、また特に図１５に示すような平行板状電極の場合には、荷電印刷物質又は非荷電印刷物質を用いる。非荷電印刷物質を用いる場合、印刷物質は、空気及び推進体の両者より相当高い誘電率を持つものである。このような場合、電極対には反対の（＋／−）の電荷を与える。非荷電印刷物質は、本質的に二つの電極がコンデンサを形成する、平行板状電極間の電界により分極する。電極間に生じる電界により、印刷物質は選択的にこの電界中に（つまり、電極間がエネルギー的により有利な位置である）留まる。このようにして印刷物質のポートからの排出を防ぐ。電極に印加しないと、通常、背圧、圧力バースト等により、印刷物質はポートを通って推進体流中へ排出される。印刷物質の沈着を防止するため、電極には交流電流を流す。
【００６８】
荷電印刷物質の場合、“オン”状態では一方の電極が印刷物質を引き付け（他方は反発する）、印刷物質が推進体流に入るのを防ぐ。“オフ”状態では、電極は印刷物質を通過させ、例えば背圧、圧力バースト、又は印刷物質の電荷と反対の極性に印加した電極５４などの第３の電極の作用によって、印刷物質は推進体流に流入する。印刷物質の電荷は、どちらの極性（正又は負）でもよい。
【００６９】
本発明の他の実施の形態では、例えば音響インキ射出器で、液状印刷物質をその源から推進体流へ射出することにより調量供給を行う。図１６に、この実施の形態の略図を示す。図１６の実施の形態１５４では、流路４６は、例えば液状インキなどの液状印刷物質である印刷物質のプール１５６の液面の上にある。実施の形態１５４は、薄層フィルム状ＺｎＯトランスデューサなどの、平面状圧電トランスデューサ１５８を含む。これは水晶、ガラス、シリコン等の音響的に平坦な板などの適当な音響伝導性支持体の背面に被覆した、又は別な方法で結合させたものである。支持体１６０の反対側又は前面の、上又はその中に、フレネルレンズ、球面音響レンズ、又はその他の収束手段１６２の同軸相の形を形成する。トランスデューサ１５８にｒｆ電圧をかけることにより音響ビームを発生し、これをプール１５６の表面に焦点を合わせて飛沫１６４をプールから推進体流へ射出する。グレースケール印刷をするには、飛沫１６４の大きさ（音響ビーム強度の調整により）、短時間に射出される飛沫の数などを調整して、推進体流中に射出される印刷物質の量を調節する。
【００７０】
更に別の実施の形態１６６では、液状印刷物質の推進体流への調量供給に、ＴＩＪ装置１６８などのインキジェット装置を用いる。図１７にこの実施の形態の略図を示す。実施の形態１６６によれば、ＴＩＪ射出器１６８を流路４６に隣接して設置し、射出器１６８からの印刷物質１７０は、流路４６のポート１７２より射出される。ここでもまた印刷物質１７０は、液状インキなどの液状物質であり、キャビティ１７４に貯蔵されている。印刷物質１７０を加熱要素１７６と接触させる。加熱すると加熱要素は泡１７７を生じ、この泡はＴＩＪ装置１６８中の流路１７８から押し出される。泡１７７の動きにより一定量の印刷物質が流路に押し出され（既知の他の方法と同様に）、印刷物質の飛沫１８１の形となって推進体流に入る。本発明の単一弾道エーロゾル印刷流路と共に、複数のこのようなＴＩＪ射出器を用いることにより、印刷速度、グレースケールに優れ、またその他の従来の技術を越えた長所を持つ、印刷装置及び方法が得られる。
【００７１】
液状印刷物質の射出には、他にも様々な可能な実施の形態（加圧射出、機械的バルブ調節など）があるが、前述の実施の形態でもこのような印刷物質を用いることができるのは明らかである。例えば図３に示す装置では、印刷物質の粘度に合せてポート４２の大きさを決め、ポート４２に液体のメニスカスを形成させると、良好に作動する。このメニスカスと、対応する電極５４とは、本質的に平行なコンデンサのプレートを形成する。電極５４に適当な電荷を印加すると、飛沫がメニスカスから流路４６へ押し出される。この方法は、インキ類、被印刷体前処理及び後処理物質等の伝導性（及びある程度までは非伝導性）の液体で、良好に作用する。これは、トーンジェットとして知られる技術と同じで、この技術も本発明の調量供給装置及び方法として用いることができる。
【００７２】
本件に述べる実施の形態を更に効果的に行うため、印刷物質をキャビティ２８から排出して推進体流に注入する、圧力の噴出又は一様な力を用いることが望ましい。この圧力噴出は、図１８に示すように、各キャビティ２８中に設けた、圧電トランスデューサ／振動板６８Ｃ、６８Ｍ、６８Ｙ、６８Ｋ（これらを合せてトランスデューサ／振動板６８と呼ぶ）などの、様々な装置により供給される。トランスデューサ／振動板６８のひとつ以上は、補助調量供給装置と連動し又は独立して、アドレス化手段６９Ｃ、６９Ｍ、６９Ｙ、６９Ｋ（これらを合わせてアドレス化手段６９と呼ぶ）により個々にアドレスすることができる。ゲートで制御した推進体源からの圧力など、様々な他の別の方法も用いることができる。
【００７３】
本発明の、推進体流への印刷物質の調量供給には、また別の手法も用いることができる。例えば、前述のトナージェットと呼ばれる技術を用いる。この技術は、例えば公開特許出願ＷＯ ９７ ２７ ０５８（Ａ１）に述べられており、その内容は本件に援用される。あるいは、ミクロミスト装置を用いてもよい。
【００７４】
本発明による印刷物質の調量供給に関する多くの実施の形態では、可動部分は用いられていない。このため調量供給は、例えば１０ｋＨｚ以上と、非常に高い切り替え速度で行われる。更に機械的可動部分が無いことにより、調量供給装置の信頼性はより高くなる。
【００７５】
用いられる調量供給装置の制御には、多くの簡単なアドレス化スキームを用いることができる。そのスキームの一つを図１９に示す。ここでは、印刷物質を流路４６に調量供給する、調量供給装置２０２Ｃ、２０２Ｍ、２０２Ｙ、２０２Ｋ等（これらを合わせて調量供給装置２０２と呼ぶ）の配列２００の各“行”は、例えば接地している共通線路２０６を経由して相互に結合している。各“列”は、印刷物質の単一流路４６への導入を共に制御する調量供給装置２０２から成る。各列の各調量供給装置は、例えば関連する調量供給装置をマルチプレクサ２１０などの制御機構と接続する配線２０８で、それぞれアドレス化する。例えば５μｍ程度の幅である配線２０８を形成するために十分な広さを持つよう、各“列”の幅は、例えば８４μｍ程度であることに留意すべきである。図２０に示す別の実施の形態では、共通線路２０６の代わりに、調量供給装置２０２の各“行”をそれぞれアドレス化するもの、例えばマルチプレクサ２１２を用いて、調量供給装置を完全にマトリックスアドレス化する。
【００７６】
本発明のある実施の形態の実現には、いくつかの機構が有用でありまた必要である。例えば、再度図３を参照するなら、キャビティ２８から流路４６への印刷物質の流れをスムーズにし、またポート４２の目詰まりを防止する必要がある。この解決法として、少量の推進体をキャビティ２８に逆流させる。そのためには、キャビティ中の圧力が流路より僅かに低くなるよう、流路とキャビティの圧力を釣り合わせなければならない。圧力バランスを行うための配置を図２１に示した。図２１は、ある実施の形態のキャビティ２１４を示したもので、キャビティの一方の壁には、キャビティ２１４中の印刷物質を流路４６に（図示されていない、調量供給装置の制御下）排出するための、流路４６に通じたポート４２がある。キャビティ２１４の一方の壁には、印刷物質が漏れない程度の粗さのフィルタ２２０を備えた開口部がある。フィルタ２２０は、配管２２２を経て、回路構成要素２２６で制御されるバルブ２２４と繋がっている。また回路構成要素２２６は、キャビティ２１４中の圧力センサ２２８、及び流路４６中の、例えばその収束部（図示していない）直前に置かれた圧力センサ２３０にも繋がっている。キャビティ２１４中の圧力を、圧力センサ２２８で測定し、圧力センサ２３０で測定する流路中の圧力と比較する。装置の作動開始時、流路４６の圧力が上昇するまで、バルブ２２４は閉じている。作動圧力が定常状態に達すると、バルブ２２４は制御を受けて開く。回路構成要素２２６は、制御可能な調節バルブ２２４により、キャビティ２１４中の圧力を、流路４６よりわずかに低く保つ。この圧力差で、流路よりキャビティに逆流する推進体量を調節する。
【００７７】
再び図３を参照として、前述のように（又は他の手段により）ポート４２を通ってキャビティ２８に入った推進体は、ポート４２の近くで印刷物質の局所的な混乱を生じる。適度な塑性、充填密度、磁性等であり、適当な大きさと形に成形された粒子である印刷物質を用いた場合、擾乱（つまり、推進体が印刷物質を通り抜けることによる）により粒子間の摩擦及び他の結合力が十分小さくなり、印刷物質は擾乱部分で液体様の性質を持つ。この状態で、印刷物質の流動化した部分８６Ｃ、８６Ｍ、８６Ｙ、８６Ｋ（これらを合せて流動床８６と呼ぶ）が生じる。ここに述べた方法で流動床８６を生じることにより、印刷物質は均一な流れとなり、粘性の少ない液体様の物質を生じ、また逆流する推進体でポート４２を、効果的、連続的にクリーニングする。これによって、正確なスポットサイズ、位置、色等が得られる。
【００７８】
図２２を参照するならば、線２４０は、図２１のポート４２付近の流路４６における圧力を、時間に対してプロットしたものである。線２４２は、図２１のセンサ２３０での圧力（Ｐ₂₃₀）（つまり、流路４６のノズル部直前の圧力）を示す。線２４４は、キャビティ２４１が保たれる、設定圧力（Ｐ_set）を示す。流路中の圧力が定常状態となり、流路４６とキャビティ２１４の間が所望の圧力平衡に達するまでには多少時間がかかるため、目詰まりや印刷物質の漏れなどを防止するには、より早く圧力を平衡させることが望ましい。このため、例えば、図２１に示されるキャビティ２１４中の開口部２３２より、推進体源からの加圧推進体をキャビティに導入する（又は他の方法で、キャビティ２１４を加圧する）。
【００７９】
図２３に、流動床を備えた別な配置２６０を示す。この実施の形態では、電極及び印加装置は、流動床を生じるだけでなく、調量供給にも用いられる。概念的には、この実施の形態は３つの部分に分割でき、これらは相補的に、印刷物質の“バウンド”、“調量供給”、“射出”を行う。ドナーロール、ベルト、ドラム等の印刷物質キャリヤ２６２（これには、従来の磁気ブラシ２８３で印刷物質を供給する）が、本体２６６中に形成されたキャビティ２６４からわずかに離れたところに置かれる。本体２６６の基部には、キャビティ２６４と、流路４６とを繋ぐ、例えば円筒形の開口部であるポート２６８が形成される。本体２６６は、一体構造、又は、例えば半導体層２７２（ケイ素など）と絶縁層２７４（プレキシグラスなど）から成る多層構造である。キャビティ２６４の壁は、必要に応じて、絶縁境界を適度に滑らかにするため、誘電体（テフロンなど）でコーティングする。むろん、このコーティングは、本件に述べる他の実施の形態にも用いることができる。
【００８０】
ポート２６８のキャビティ側には、第１電極２７６を形成する。これは構造内に置かれた連続的な金属層、又はこのようなポート配列の各ポート２６８毎に対応したパターンを形成したものである。ポート２６８の流路側には、第２電極２７８を形成する。これは通常、ポート２６８と同心円の環状である。必要に応じて、キャビティ２６４からの印刷物質の排出を助けるため、流路中に補助電極５４を形成する。
【００８１】
配置２６０中の各点における電圧を適当に選ぶことにより、所望の３つの機能を得ることができる。例えば表２に、可能な電圧の例を示す。
【００８２】
【表２】

配置２６０では、印刷物質２８２は、例えば摩擦帯電又はイオン荷電により荷電され、このためキャリヤ２６２に保持される。キャビティ２６４中のＡＣ電圧のため、荷電トナーはキャリヤと第１電極２７６の間で“バウンド”する。ＤＣバイアスは、キャリヤ２６２と印刷物質輸送ロール２８４の間に保たれる電位差であり、印刷物質溜め２８７から印刷物質を連続的に供給する。粒径と荷電−直径比（Ｑ／ｄ）分布の狭い印刷物質では、バウンドはＡＣ周波数に同期する。最適なＡＣ周波数は、キャリヤ２６２と第１電極２７６間の印刷物質の通過時間により決まる。すなわち、周期Ｔは通過時間τの２倍である。
【００８３】
ゲート調整電圧は、ポート２６８を開（“オン”）及び閉（“オフ”）する。“オン”状態では、電圧の極性は荷電印刷物質の極性と正反対であり、このため印刷物質は第１電極２７６と第２電極２７８間の電界にそれぞれ引き寄せられる。最終的に、補助電極５４により射出電圧に達すると、荷電印刷物質粒子は流路４６に射出され、ここで推進体流により被印刷体へ向けて運ばれる。
【００８４】
印刷物質をポート４２へ、特に、速度、精度及び正確なタイミングに制御して移動させることが必要である。この過程を印刷物質輸送と呼び、様々な手法で行うことができる。
【００８５】
この手法の一つとして、静電輸送波を用いて各々の印刷物質粒子を移動させる。図２４を参照とするなら、この方法では、各ポート４２の近くに設けた、等間隔に置いた電極８８のグリッド１４８に、同期したＤＣ高電圧波をかける。グリッド１４８は、フォトリソグラフィによりキャビティ内部にアルミニウムで形成する、又はキャビティ内に取り付けた、取り外しできるキャリヤ上に形成する。
【００８６】
図２５に、印刷物質を調量供給するため、静電輸送波のための電極８８を、電極１４２（記載されていない）と１４４と共に備えた実施の形態を示す。しかし、様々な他の輸送及び調量供給法の組み合わせも、本発明の範囲に含まれることは理解されよう。
【００８７】
電極８８の表面を保護し、また既知の時定数で迅速に電荷を散逸させて、グリット１４８に沿い印刷物質を移動させるため、電極８８の上に防護層及び緩和層を被覆する。また適当なコーティングは、印刷物質の移動方向の制御を助け、電極間に捕えられる印刷物質を減らし、電極の酸化及び腐食を小さくし、電極間のアーク放電を少なくする。
【００８８】
本件に述べる輸送及び調量供給機能は、単一の装置で行い、また単一ステップに集約されることが明らかである。しかし、本発明による印刷物質の輸送及び／又は調量供給法は、単独に又は共に用いても、従来の技術に見られた多くの課題を解決するものである。例えば、印刷物質はほぼ即時に推進体流に射出することができる。これはインキジェット装置に一般的な、流路の充填に要する待ち時間の問題を解決する。更に、印刷物質が推進体流に入ってから被印刷体上に印刷されるまでの速度は、従来の技術で得られるものより格段に早く、実際、いくつかの実施の形態では連続的に供給できる。
【００８９】
例として、６００ｓｐｉに配置した流路を用いるページ幅（８．５インチ（２１．５９ｃｍ））配列のプリントヘッドを考える。スポットサイズは排出オリフィスの直径の１．５倍であると仮定する（簡単にするため、排出オリフィスの断面は円形であるとする）。このときスポット面積は、オリフィスの２．２５倍となる。また印刷物質は、直径１μｍの固体微粒子トナーで、紙である被印刷体の全面を、単色で、粒子５個分の厚さに覆うとする。これには、推進体中に、２．２５×１０粒子×１μｍ、又は２２．５μｍの長さの印刷物質を供給する必要があることを意味するが、余裕を見て、長さを１５μｍとする。
【００９０】
目詰まりを防ぐため、更に印刷物質の供給速度を、推進体速度よりひと桁以上低いと仮定する。推進体速度が約３００ｍ／秒（ｍ／ｓ）の場合の印刷物質の供給速度を１ｍ／ｓ（ＴＩＪ飛沫の射出速度はほぼ１０ｍ／ｓ）とする。１ｍ／ｓでは、１５μｍの長さの印刷物質の供給に２５μｓかかる。言い換えれば、スポット印刷時間は、約２５μｓ／スポットである。
【００９１】
この配列では、８．５×１１インチ（２１．５９×２７．９４ｃｍ）の紙に完全に印刷を行うのに、１１インチ（２７．９４ｃｍ）×６００ｓｐｉ×２５μｓ／スポット、又は１６５ミリ秒（ｍｓ）かかる。理論的には、これは約３６０ページ／分に相当する。ＴＩＪ装置では、最大約２０ページ／分であることと比較されたい。処理量のこの向上の理由の一つは、印刷物質の連続供給が可能なことである。つまり、ＴＩＪ装置では印刷時間（印刷物質射出時間）が、デューティサイクルのようやく２０％（ＴＩＪデューティサイクルの８０％までが流路にインキを補充するための待ち時間に費やされる）であるのに比べ、この装置ではデューティサイクルにおける印刷時間の割合が１００％に近い。
【００９２】
ある実施の形態では、キャビティ中に流動床を生じるにもかかわらず、印刷物質がキャビティの隅などの停滞部に集まる傾向があり、流動床を減衰させ、印刷物質の流路への射出を妨害する恐れがある。その例を図２６（ａ）に示す。この問題を解決し、また更に印刷物質の輸送を促すため、キャビティ中の塊状となった印刷物質を激しく掻き混ぜる。図２６（ｂ）に、このような撹拌を行うための実施の形態２５０を示す。キャビティ２８の少なくとも一方の壁２５４に圧電物質２５６を形成し、キャビティ２８中に機械的及び圧力撹拌を生じさせる。この撹拌により、キャビティ２８中の印刷物質を動的状態に保ち、停滞部の発生を防ぐ。
【００９３】
フルカラー印刷機など、多数の印刷物質を用いる装置では、２種以上の印刷物質を、被印刷体上に射出する前に流路中で混合する。（以下の記述もまた、印刷前処理及び印刷後処理物質などの他の物質を含むものである。）この場合、各印刷物質はそれぞれ流路に調量供給する。これには各印刷物質の調量供給の独自な制御が必要であり、また必要なアドレス化及び他の調量供給により、処理速度が制限される。例えば図２７に、各流路４６に１色以上の印刷物質を供給する多色印刷装置を示す。流路４６への印刷物質の流れを制御するため、例えば前述の型の調量供給装置１０４を、前述のように行アドレス導線１０６と列アドレス導線１０８により、マトリックス型にアドレス化する。受動的にアドレス化される行アドレス導線１０６の、８インチ（２１．５９ｃｍ）長の組に関連するＲＣ時定数により、これらの配線の達成可能な最小シグナル立ち上がり時間は、数マイクロ秒に制限される。我々はこれを５ｋＨｚで２μｓと想定した。これより、調量供給装置の最小“オン”時間は、約５μｓとなる。ｎビットグレースケール印刷では、各色の全てをカバーするのに、２×５ⁿμｓ／スポットかかる。このため、６００ｓｐｉでのページ全面の印刷には、１１インチ（２７．９４ｃｍ）×６００ｓｐｉ×（２×５ⁿ）μｓ／スポット、又は約３３×２ⁿｍｓを要する。これは、約１８００×２^-nページ／分に相当する。流路当たり５ビットのグレースケール（ｎ＝５）では、この装置は、フルカラーで５６ページ／分まで処理でき、フルカラー（ＣＭＹＫスペクトルを用いる場合）は、単一流路の各スポットに用いられる。例えば２ビット以上のグレースケールで３００ｓｐｉ以上と、比較的高いスポット密度を提供し、スポットの大きさをあまり変えずに様々なレベルのグレースケールを得ることが本発明の主眼であることに留意すべきである。つまり、スポットサイズを、例えば１２０μｍと一定にしたまま、印刷物質の濃度を変化させ、スポット毎に異なるレベルのグレー又は色を得るものである。
【００９４】
より早くアドレス化を行い、これによりより迅速な印刷が可能となる他のアドレス化スキームが知られている。例えば、平行アドレス化スキーム（つまり、行アドレス線を持たない）を用いると、シグナル立ち上がり時間はひと桁小さくなる。最小調量供給装置“オン”時間が１μｓである装置では、フルカラーグレースケール印刷を、約２８０ページ／分行うことができる。
【００９５】
処理量と色深度／グレースケール間には兼ね合いがあるため、これらの特性のいずれか又は両方が最適となるよう装置を設定することができる。表３に、上記の仮定に基づいた、処理量と色深度／グレースケールマトリックス、及び必要な印刷物質供給速度をまとめた。
【００９６】
【表３】

色深度と処理量が、装置により固定されないことは注目に値する。これらの値は、ユーザにより、印刷装置の設定時に調整できる。
【００９７】
また、印刷される色数は、スポットサイズ／密度に対し、ほぼガウス分布に分布することが注目される。図２８に、４色、２ビットグレースケール装置での値を示す。
【００９８】
印刷物質のスポット位置の正確な制御は、推進体速度に影響される。スポットの大きさと形状もこの速度に関わる。一方、用いられる推進体速度は、印刷物質粒子の大きさと質量によってある程度決まる。更に、スポット位置、大きさ及び形状は、全開した推進体がどの程度平行に保たれているか（つまり、排出オリフィスの直径の何倍か）による。図２９に、被印刷体のほぼ真上から見た、推進体／被印刷体相互作用の概念図を示す。流線１１０は、円筒形の推進体流が被印刷体の表面で、印刷物質スポット１１２の円盤から離れる流れの形となることを示している。
【００９９】
通常、印刷物質粒子は、推進体より与えられた慣性力（垂直運動量）によって、被印刷体上に配置される。しかし、その被印刷体上の位置は、図３０に示す、推進体／被印刷体界面に生じる、流体力学的力の横方向へ成分によって、中心から逸らされる。より質量の小さい粒子（推進体速度に関して）は推進体流の中心から、また更にスポット中心から逸らされる。この結果、スポットは、図３０にも示す、ガウス密度分布１１４となる。
【０１００】
図３１を参照として、推進体／被印刷体界面効果（いわゆる被印刷体表面での横方向への牽引）による印刷物質粒子の偏向の最も甚だしい推定例を示す。このとき、幅Ｌ／２の（つまり、図３に示す排出オリフィス５６の幅はＬ／２）推進体流１１８中で、密度ρ_pの粒子１１６が、完全に平らな被印刷体３８に、速度ｖで垂直に向かうとする。被印刷体の表面には、厚さＬの横方向への推進体流１２０があり、またその速度は、被印刷体に衝突した推進体によって、速度ｖであるとする。つまり最も甚だしい場合、推進体速度は被印刷体表面で完全に横方向の流れに変換される。
【０１０１】
横方向への牽引力による印刷物質粒子１１６の横方向への偏位ｘを、異なる粒径Ｄについて計算する。レイノルズ数の方程式より、
【数５】

このとき、ρ_g ＝１．３ｋｇ／ｍ³ 、μ_g ＝１．７×１０^-5ｋｇ−ｓ／ｍ² である。粒径３μｍ、流速ｖ＝３００ｍ／ｓでは、レイノルズ数は７０である。これは牽引定数（ＣＤ）２．８に相当する。牽引力ＦＤは次の式で与えられる。
【０１０２】
【数６】

この横方向への牽引力は、垂直に入射する粒子１１６の軌線を逸らせ、慣性求心力Ｆ_iの式により決まる、曲率Ｒの半径を持つ軌線を描かせる。
【０１０３】
【数７】

Ｒを得るには、
【数８】

得られる偏位ｘは、次の式で与えられる。
【０１０４】
【数９】

又は、もし垂直推進体流の直径Ｌ／２を、配列ピッチの半分とするなら、
【数１０】

様々な条件での、流速ｖ、粒径Ｄ、与えられた配列密度、及び粒子密度１０００ｋｇ／ｍ³ で、得られる偏位ｘを、表４に示す。
【０１０５】
【表４】

以上より、流速３００ｍ／ｓ、印刷物質粒径１μｍ、解像度６００ｓｐｉ、推進体流幅（つまり、排出オリフィスの大きさ）２１μｍでの、最も甚だしい場合のスポットの大きさは次のとおりである。
【０１０６】
【数１１】

スポットサイズの広がりは、推進体流／被印刷体界面での横方向への牽引により生じるものである。これは最も甚だしい場合であることに留意されたい。つまり、（１）停滞部がなく、完全に展開した横断流であり、（２）摩擦損失と被印刷体の位相を無視し、横断流速度は推進体流速度に完全に等しいとし、（３）牽引力は、被印刷体からジェットの直径の２倍の距離まで減衰することなく作用し、それ以上離れると消失するとする。また、レイノルズ数は、特徴的な長さのスケールのため非常に小さく、微小流体流理論によれば、乱流は発生できないことにも注目すべきである。つまり、粒径が小さくなるとＲは増大し、ある点でＲは厚さ２Ｌの横方向への推進体流に近づく。こうなると印刷物質粒子はスポット中心から大きく逸れ、遂には被印刷体に達しない。以上のことから、これは（ここで行った仮定に基づき）１００ｎｍ以下の粒径の印刷物質で起こることが示された。 これは、満足のいくスポットサイズと位置制御を示すだけでなく、仮定された条件下では、推進体流から印刷物質を抽出し、被印刷体上に配置するために、特別な機構を必要としないことを例証するものである。
【０１０７】
しかし、被印刷体表面における推進体流からの印刷物質粒子の抽出を更に高めたい場合（例えば、流速／粒径が小さい等）には、静電気的に増強した粒子抽出法を用いる。被印刷体又はプラテン（用いる場合）を、印刷物質粒子の電荷と反対に荷電し、粒子と被印刷体／プラテン間の引力により、粒子の抽出を増強する。このような実施の形態１７８を図３３に示す。ここでは、実効電荷を受け、保持することのできるプラテン１８０の近くに、本体２６を置く。プラテン１８０上の電荷は、ベルト１８４又は他の手段でプラテン１８０と共に動く、ドナーローラ１８２により、あるいは既知の他の方法（摩擦帯電ブラシ、圧電コーティングなど）により供給される。
【０１０８】
ある例では、ドナーローラ１８２よりプラテン１８０に、正の実効電荷を供給する。印刷物質粒子１８８には、例えば図３に示す、コロナ、又は他の手段で、負の実効電荷を与える。被印刷体（例えば紙）を、印刷物質源とプラテン間のプラテン側に置く。印刷物質１８８とプラテン間の引力により、印刷物質はプラテンに向かって加速され、この引力が十分に強ければ、特に推進体の速度が比較的遅い実施の形態では、横方向への推進体の牽引による印刷物質のスポット中心からのずれに打ち勝つことができる。更にこの引力は、“跳ね返り”と呼ばれる、被印刷体からのバウンドによる印刷物質の飛散、及び、射出後処理（例えば、加熱及び／又は圧力ロール１８６による定着）前の、被印刷体の目的としない部分への付着や被印刷体以外の場所への付着などの問題の解決を助ける。これは特に、後述の運動エネルギー融着を用いることができない場合に有益である。
【０１０９】
一旦被印刷体上に射出された印刷物質は、被印刷体へ接着又は定着しなければならない。本発明による定着法は多くあるが、一つの簡単な方法は、印刷物質粒子の運動エネルギーを用いるものである。これには、印刷物質粒子が、被印刷体との衝突時、衝突の塑性変形による運動エネルギーで粒子が融解するのに十分な速度Ｖ_cでなければならない（被印刷体は無限に固いものと仮定する）。融解 （液又はガラス相への完全な相変化あるいは同様な、一時的な可逆的相変化）の後、粒子は再固化し（又は他の方法で元の相に戻り）、これにより被印刷体に定着する。
【０１１０】
運動エネルギー融着を行うには次の要件が必要である。（１）粒子の運動エネルギーが、粒子の弾性限界を超えるのに十分大きい。（２）運動エネルギーが、粒子がその軟化点を越えて相変化を起こすのに必要な熱より大きい。図３５は、本発明の典型的な実施の形態の、運動エネルギーに対する、印刷物質粒子数のプロット１９０であり、運動エネルギー融着が起こる一般的条件を示したものである。ある一定の運動エネルギー値より下では、粒子は被印刷体に融着するには不十分なエネルギーしか持たず、この値より上では、粒子は融着に十分な運動エネルギーを持つ。このある一定の運動エネルギー値を、運動エネルギー融着しきい値と呼び、図３５では、境界線１９２で示す。本質的に、運動エネルギーが１９４の部分にある粒子では加熱が不十分なため融着せず、１９６の部分のエネルギーを持つ粒子は融着する。融着する印刷物質粒子の割合を上げるには二つの方法がある。まず第１に、運動エネルギー融着のしきい値を下げることである。これは本質的に印刷物質の質に関係するものである。第２に、例えば、推進体速度を上げることにより、運動エネルギー曲線全体をシフトさせる。
【０１１１】
速度ｖ、密度ρ、直径ｄである球状粒子の運動エネルギーＥ_kは、次の式で与えられる。
【０１１２】
【数１２】

直径ｄ、熱容量Ｃ_p、密度ρである球状粒子を、室温Ｔ₀からその軟化点Ｔ_s以上に加熱するのに必要なエネルギーＥ_mは、次の式で与えられる。
【０１１３】
【数１３】

直径ｄ、ヤング率Ｅである粒子を、その弾性限界σ_eを越え、塑性変形領域に至るまで変形させるのに必要なエネルギーＥ_pは、次の式で与えられる。
【０１１４】
【数１４】

塑性変形を起こすための極限速度ｖ_cpは次の式で与えられる。
【０１１５】
【数１５】

つまり、運動エネルギー融着を生じるための極限速度ｖ_cmは、次の式で与えられる。
【０１１６】
【数１６】

Ｃ_p ＝１０００Ｊ／ｋｇＫ、Ｔ_s＝６０℃、Ｔ_o＝２０℃である、熱可塑性物質の場合、運動エネルギー融着を生じるのに必要な極限速度は、２８０ｍ／ｓである。これは、先に行った仮定と一致する。この値が、粒径と密度に依存しないことは注目すべきである。
【０１１７】
推進体流を２８０ｍ／ｓ以上とするには、幾つかの方法がある。一つは、装置の構造によって、比較的高い圧力（例えば、ある例では、数大気圧程度）の推進体を、収束部４８と発散部５０とを持つ流路、例えば図４に示す、いわゆるデ・ラバルノズルの収束部に供給し、推進体圧力を速度に変換するものである。ある例では、推進体は、流路の全ての部分で亜音速（例えば３３１ｍ／ｓ以下）である。他の例では、推進体は、収束部４８で亜音速であり、発散部５０で超音速であり、収束部と発散部との間のスロート５３において音速又はそれに非常に近い速度である。
【０１１８】
図３６は、断面が各辺８４μｍの正方形である、流路４６（約３００スポット／インチに相当）での推進体圧力に対する、排出オリフィス５６での推進体速度ｖを示したものである。これから分かるように、ノズルのある、又は無い流路のいずれでも、中程度の圧力で、２８０ｍ／ｓは容易に達成できる。
【０１１９】
上記では、被印刷体を無限に堅いものと仮定したが、多くの場合にはそうではない。被印刷体の弾性効果は、物質の降伏強さを減じることなく、その見掛けのＥ係数を小さくする（つまり、物質の降伏応力を得るためにより多くのエネルギーが必要であり、塑性変形を行うためにより多くのエネルギーが必要である、またＶ_cpが増大する）。つまり、運動エネルギーが、粒子の溶融に必要なエネルギーより大きいにもかかわらず、衝突が弾性的であると、粒子をバウンドさせ、加熱が不十分となる恐れがある。このように、ある装置では（被印刷体の弾性による）、印刷物質粒子の衝突前速度をより高くし、又は補助溶融装置を用いなければならない。
【０１２０】
補助溶融を必要とする場合（つまり、被印刷体が弾性を持つ、印刷物質粒子の速度が小さい、等）には、多くの手段を用いることができる。例えば、射出ポート５４（図４に示す）の付近に一つ以上の加熱したフィラメント１２２を備える。これにより、印刷物質粒子の溶融に必要な運動エネルギーを減らし、あるいは実際、飛行中の印刷物質粒子の少なくとも一部を溶融する。同様な効果をもたらすため、フィラメント１２２の代わりに、あるいはそれに加えて加熱したフィラメント１２４を被印刷体３８の近く（これも図４に示す）に設置する。
【０１２１】
溶融過程を補助する他の方法は、印刷物質をレーザービームなどの、強力で平行な光のビーム中を通過させるものであり、これにより印刷物質粒子の溶融に必要な運動エネルギーを減らし、あるいは飛行中の粒子の少なくとも一部を溶融するのに十分なエネルギーを粒子に与える。この実施の形態を図３７に示す。これは、印刷物質粒子の流れ１３０が被印刷体３７に向かう途中、レーザー１３４より発したレーザービーム１３２などの強力で平行な光の中を通過するものである。むろん、レーザー１３４以外の光源でも、同様な結果が得られる。
【０１２２】
図３２に示すように、密度ρ、質量ｍ、直径ｄ、熱容量Ｃ_p、軟化点Ｔ_sである粒子が、速度ｖで、幅Ｌ₁、高さＬ₂のレーザービーム中を通過すると仮定する。この粒子の、入熱ΔＱによる温度変化ΔＴは、次の式で与えられる。
【０１２３】
【数１７】

レーザー出力密度ｐは、次のように、レーザー出力Ｐを楕円の面積で割ることにより求められる。
【０１２４】
【数１８】

単位時間当りに粒子に吸収されるエネルギーは、レーザー出力密度×照射される粒子の面積（πｄ²／４）×吸収係数αにより与えられる。
【０１２５】
【数１９】

粒子がビーム中を移動する間に粒子に吸収されるエネルギーは、次の式で与えられる。
【０１２６】
【数２０】

これにより、温度変化は次の式で与えられる。
【０１２７】
【数２１】

粒子の初期温度をＴ₀とした場合、粒子を、そのガラス転移温度以上に加熱するのに必要なレーザー出力は、次の式で与えられる。
【０１２８】
【数２２】

例として、次の値を仮定した。
【０１２９】
【表５】

この例によれば、印刷物質粒子の溶融に必要なレーザー出力は、１．９ワットである。これは、連続ビーム、ファイバーで結合したレーザーダイオード配列などの、市販のレーザー装置の通常の出力範囲である。
【０１３０】
図３８は、様々な粒子速度での、粒径に対する粒子の溶融に必要な光源の出力をプロットしたものであり、例えば、レーザーダイオードによる飛行中溶融が可能な粒径及び速度を示している。飛行中溶融が有利であるのは、嵩のない物質が加熱されることである（嵩のある印刷物質でも被印刷体でもない）。このため、飛行中溶融は様々な印刷物質供給パッケージ（例えば、固定設置及び取り外し可能な印刷物質容器等）に用いることができ、粒子温度が比較的高いにも関わらず、印刷物質のエンタルピーが低い（つまり、熱質量が低い）ため、様々な被印刷体に用いることができる。
【０１３１】
また、本発明の特定の応用例によれば、他の融解過程を補助する方法も用いることができる。例えば、推進体自体を加熱する。推進体の熱が印刷物質粒子を融解させると流路の汚染と目づまりを引き起こすため、結果的には望ましくないが、十分な熱エネルギーを粒子に与えて溶融時間を短くし、衝突融着に要する運動エネルギーを少なくする。被印刷体（又はプラテンなどの被印刷体キャリヤ）は、運動エネルギー融着を補助するために、又は実際に印刷物質粒子を融解するために十分加熱される。あるいは、現在の電子写真装置で用いる定着法と同様に、熱、圧力、又はこの二つを組み合わせ、装置の分離部で定着を行う。印刷物質として、ＵＶ硬化物質を用いる場合、飛行中又は被印刷体上でＵＶ照射を行い、定着又は硬化させる。
【０１３２】
本発明の重要な点は、ピクセル毎に相変化及び定着を行えることであることは明らかである。つまり、従来の技術の多くは、液状インキ又は液状キャリヤ中のトナーなど、嵩のある液相の印刷物質に限られていた。本発明では、非常に解像度に優れた、ピクセル毎に複数印刷物質又は複数の色を用いる単一流路印刷を行うことができる。
【０１３３】
本発明のある実施の形態では、印刷装置が作動している間、推進体は連続的に流路を流れている。これには、装置が被印刷体に印刷できる速度を最大に保つ （一定の待機状態）、流路に蓄積する印刷物質を常に取り除き、また流路への汚染物質（紙の繊維、埃、外界の湿気からの水分等）の侵入を防ぐなど、いくつかの目的がある。
【０１３４】
装置の電源が切られているなどの非作動状態では、推進体は流路中を流れていない。この状態での汚染物質の侵入を防ぐため、図３９に示す、閉鎖構造１４６を、プリントヘッド３４の面、特に排出オリフィス５６と接触させる。閉鎖構造１４６は、ゴム板、又は他の、流路を外界より密閉できる不浸透性の素材である。あるいは、プリントヘッド３４が印刷装置中で可動である場合は、ＴＩＪ及び他の印刷装置中で一般的に用いられるように、印刷装置中の保守部へ移動させる。また、プラテン、ローラ等で支えられているシート状媒体に印刷を行う印刷装置で、更に、プラテン、ローラ等がゴムなどの適当な素材でできている場合には、プリントヘッド３４を、プラテン、ローラ等と接するまで移動して流路を密閉する。あるいは図４０に示すように、プラテン、ローラ等を移動してプリントヘッド３４と接触させる。
【０１３５】
ポート４２と、それに繋がる流路１３６、及び電極１４２、１４４を、前述の流動床を形成する推進体流により清掃する。あるいは、流路と印刷物質キャビティとの間の圧力平衡を調整して、印刷物質が流路に注入されないときに前記のポートなどに推進体を流すことにより清掃を行う。
【０１３６】
別な実施の形態３２０を図４３に示す。実施の形態３２０では、プリントヘッド３２２に推進体流を逆流させることが不可欠である。流動床３２４を、バルブ３２６又は同様な手段の制御下、推進体源３３からの推進体などの適当な気体によって形成する以外は、本件での記述の多くはこの実施の形態にも同様に適用される。エーロゾル部３２８は流動床３２４の上に、流動床３２４と同じく気体又は他の手段で形成する。エーロゾル部３２８からの印刷物質は推進体流へ調量供給される。
【０１３７】
以上のように、本件では、弾道エーロゾル印刷装置及びその部品の様々な実施の形態を開示していることが明らかとなった。これらの実施例には、加圧推進体を供給するための一体化した貯蔵部及びコンプレッサ、補充可能な又は同等の離れたところにある印刷物質貯蔵部、運動エネルギー融着のための高い推進体速度（超音速と同等）を持ち、一種又はそれ以上の幅広く様々な被印刷体に、非常に高い処理量、又は非常に大きい面積に迅速に印刷を行うよう設計された、大規模な装置から、印刷物質と推進体を充填した交換可能なカートリッジを備え、紙に高画質、高速の印刷（カラー又は単色）ができるよう設計された、小規模な装置（例えば、デスクトップ型、ホームオフィス用等）までが包含される。本件に述べられ、言及された実施の形態では、単一印刷物質、単一流路フルカラー印刷物質の印刷、肉眼には見えない物質の印刷、印刷前処理物質、印刷後処理物質等の印刷が可能であり、このとき実質的に全ての印刷物質を、被印刷体上に印刷する前に装置の流路中で混合することができ、あるいは再度見当合わせをすることなく、被印刷体上で混合することができる。しかし、本件の記述は単に例示であって、本発明の範囲やその請求の範囲を制限しようとするものではないことも明らかである。
＜付記＞
（１）印刷装置に用いられる請求項６の方法であって、更に、前記印刷装置が作動状態にある間、前記推進体流を前記流路中に連続的に流す工程を含むことを特徴とする方法。
（２）請求項６の方法であって、更に複数の異なる印刷物質を前記推進体流に制御しながら導入し、前記推進体流のエネルギーにより前記の複数の異なる印刷物質を前記被印刷体に衝突させる工程であって、このとき前記印刷物質の少なくとも一つは微粒子状印刷物質である工程を含むことを特徴とする方法。
（３）請求項６の方法であって、更に前記複数の印刷物質を、前記被印刷体に衝突させる前に、前記流路中で混合する工程を含むことを特徴とする方法。
（４）請求項７の印刷方法であって、前記推進体流は前記印刷物質微粒子に運動エネルギーを与え、
（ａ）前記印刷物質微粒子の前記被印刷体との衝突は前記印刷物質微粒子の弾性限界を超えるものであり、
（ｂ）前記印刷物質微粒子の前記被印刷体との衝突により前記印刷物質微粒子をその軟化点以上に加熱して相変化を起こすことを特徴とする印刷方法。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による、被印刷体に印刷を行う装置の略図である。
【図２】 本発明の実施の形態による、印刷装置の断面図である。
【図３】 本発明の実施の形態による、印刷装置の別の断面図である。
【図４】 図３に示す印刷装置の、ノズルを持つ流路の横断面図である。
【図５】 本発明による数例の流路の縦方向の断面図である。
【図６】 本発明による数例の流路の縦方向の断面図である。
【図７】 本発明による印刷装置の、ノズルを持たない流路の横断面図である。
【図８】 本発明による別な数例の流路の、縦方向の断面図である。
【図９】 本発明による、非ジグザグ配列及び２次元型ジグザグ配列の流路の端面図である。
【図１０】 本発明の実施の形態による装置の、流路配列の平面図である。
【図１１】 本発明による二つの実施の形態におけるポートの、図１０に示す流路配列の一部を示す平面図である。
【図１２】 本発明の異なる二つの実施の形態による、着脱可能な本体を持つ印刷装置を示す断面図である。
【図１３】 本発明による、被印刷物質の印刷に関する工程系統図である。
【図１４】 本発明の実施の形態による、環状電極を用いた印刷物質調量装置の断面図（図１４（ａ））及び平面図（図１４（ｂ））である。
【図１５】 本発明の別の実施の形態による、二つの電極を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。
【図１６】 本発明の更に別の実施の形態による、音響インキ射出器を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。
【図１７】 本発明のまた別の実施の形態による、ＴＩＪ射出器を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。
【図１８】 本発明の更にまた別の実施の形態による、圧電トランスデューサ／振動板を用いた、印刷物質調量装置の断面図である。
【図１９】 マトリックスアドレス化のために結合した、印刷物質調量装置の配列の略図である。
【図２０】 マトリックスアドレス化のために結合した、印刷物質調量装置の配列の別の略図である。
【図２１】 キャビティ中に印刷物質の流動床を発生させる、実施の形態の断面図であ。
【図２２】 実施の形態の、圧力を平衡させたキャビティにおける、時間に対する圧力をプロットしたグラフである。
【図２３】 別の印刷物質供給装置を用いた、本発明の実施の形態を示す断面図である。
【図２４】 本発明の実施の形態による、電極グリッド及び静電進行波を用いた、印刷物質輸送装置の断面図である。
【図２５】 本発明の別の実施の形態による、印刷物質輸送及び調量を共に行う組立品の断面図である。
【図２６】 本発明による、印刷物質の流動床で満たされた実施の形態の断面図である。
【図２７】 本発明の実施の形態による、流路配列とアドレス化回路構成要素の平面図である。
【図２８】 本発明の弾道エーロゾル印刷装置の実施の形態により得た、スポットサイズ（又はスポット密度）当たりの色数の分布を示すグラフである。
【図２９】 被印刷体の真上から見た、被印刷体との界面における、推進体流パターンの一例を示す平面図である。
【図３０】 図２９の推進体流パターンの側面図と、推進体流中における位置の関数としての、印刷物質粒子分布を示すグラフである。
【図３１】 最も極端な場合における、印刷物質のスポット中心から横方向への偏りを算出するためのモデル図である。
【図３２】 補助溶融などの、レーザーによる射出後印刷物質処理に必要なレーザー出力を算出するためのモデル図である。
【図３３】 印刷物質の抽出及び／又は定着前保持を静電気的に補助する、弾道エーロゾル印刷装置の断面図である。
【図３４】 液状キャリヤ媒体中に懸濁した固体印刷物質粒子を用いた、本発明の実施の形態の断面図である。
【図３５】 本発明の実施の形態における、運動エネルギー融着のしきい値を示す、運動エネルギーに対する粒子数をプロットしたグラフである。
【図３６】 本発明による、収束／発散部を持つ又は持たない流路における、推進体圧力に対する排出オリフィスでの推進体速度をプロットしたグラフである。
【図３７】 光補助射出後印刷物質処理を行うために配置した、流路と光ビームを示す断面図である。
【図３８】 光補助射出後印刷物質処理の有効範囲を示す、印刷物質粒径に対する光源の出力をプロットしたグラフである。
【図３９】 本発明の実施の形態による、目詰まり、湿気の影響等を減じる又は防ぐための閉鎖構造を用いた、弾道エーロゾル印刷装置を示す断面図である。
【図４０】 本発明の実施の形態による、プラテンを移動して排出オリフィスと接触させることによる、流路の閉鎖を示す断面図である。
【図４１】 本発明によるプリントヘッドの製造過程を示す断面図である。
【図４２】 本発明によるプリントヘッドの製造過程を示す断面図である。
【図４３】 本発明による、弾道エーロゾル印刷装置の別の実施の形態の、特定部分を示す断面図である。
【符号の説明】
１０ 弾道エーロゾル装置、１２ 射出器、１４ 推進体、１６ 印刷物質、１８ 輸送機構、２０，２２ 制御、２１ 調量、２３ 射出後処理、２４ 弾道エーロゾル装置、２６ 本体、２８ キャビティ、２９ 開口部、３０ 推進体キャビティ、３１ バルブ、３２ 取り付け部品、３３ 推進体源、３４ プリントヘッド、３６ 支持体、３７ 流路層、３８ 被印刷体、４０ プラテン、４２ ポート、４３ 開口部、４４ ポート、４５ コロナ、４６ 流路、４７ 推進体受け部、４８ 収束部、５０ 発散部、５２ 印刷物質注入部、５３スロート、５４ 電極、５５ 対電極、５６ 排出オリフィス、６０ 本体、６２ 推進体源、６４ マウント部、６６ コロナ、６８ トランスデューサ／振動板、６９ アドレス化手段、８６ 流動床、８７ 加熱要素、８８，９０ 電極、９１ 接触層、１０４ 調量供給装置、１０６ 行アドレス導線、１０８列アドレス導線、１１０ 流線、１１２ 印刷物質スポット、１１４ ガウス密度分布、１１６ 粒子、１１８ 推進体流、１２０ 横方向への推進体流、１２２，１２４ 加熱したフィラメント、１３０ 流れ、１３２ レーザービーム、１３４ レーザー、１３６ 流路部、１３８ 層、１４０ スペーシング層、１４２，１４４ 板状電極、１４６ 閉鎖構造、１４８ グリッド、１５４ 実施の形態、１５６ プール、１５８ トランスデューサ、１６０ 支持体、１６２ 収束手段、１６４ 飛沫、１６８ ＴＩＪ射出器、１７０ 印刷物質、１７２ ポート、１７４ キャビティ、１７６ 加熱要素、１７７ 泡、１７８ 流路、１８０ プラテン、１８１ 飛沫、１８２ ドナーローラ、１８４ ベルト、１８６ 加熱及び／又は圧力ロール、１８８ 印刷物質粒子、１９０ プロット、１９２ 境界線、１９４，１９６ 部分、２００ 配列、２０２ 調量供給装置、２０６ 共通線路、２０８ 配線、２１０，２１２ マルチプレクサ、２１４ キャビティ、２２０ フィルタ、２２２ 配管、２２４ バルブ、２２６回路構成要素、２２８，２３０ 圧力センサ、２３２ 開口部、２４０，２４２，２４４ 線、２５０ 実施の形態、２５４ 壁、２５６ 圧電物質、２６０配置、２６２ 印刷物質キャリヤ、２６４ キャビティ、２６６ 本体、２６８ ポート、２７２ 半導体層、２７４ 絶縁層、２７６ 第１電極、２７８ 第２電極、２８２ 印刷物質、２８３ 磁気ブラシ、２８４ 印刷物質輸送ロール、２８６ 固体状印刷物質粒子、２８７ 印刷物質溜め、２８８ 液状キャリヤ媒体、２９０ プール、２９２ 電極、２９４ ポート、２９６ 流路、２９８ 補助電極、３００ メニスカス、３１０，３１２ 層、３１４，３１５ 電極、３２０ 実施の形態、３２２ プリントヘッド、３２４ 流動床、３２６ バルブ、３２８ エーロゾル部。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates generally to the field of printing devices, and in particular, to parts of an apparatus that can print a printing material on a substrate by introducing the printing material into a high velocity propellant stream.
[0002]
[Prior art]
The ink jet method is currently a common printing technique, and there are various types of ink jet printing methods such as thermal ink jet (TIJ) and piezoelectric ink jet. This method generally ejects liquid ink droplets from an orifice provided at one end of a flow path. For example, in a TIJ printer, splashes are ejected by generating bubbles explosively in a flow path for transporting ink. The bubbles are generated by a resistor heater provided on one surface of the flow path.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
Several drawbacks are observed with conventional TIJ and other ink jet devices. In a 300 spot / inch (spi) TIJ apparatus, the discharge orifice for ejecting ink droplets is typically about 64 μm wide and about 84 μm in channel spacing (pitch), and in a 600 spi apparatus about 35 μm wide and about 42 μm pitch. It is. The size of the discharge orifice is limited by the viscosity of the liquid ink used in the apparatus. In order to reduce the width of the discharge orifice, the amount of liquid (for example, water) can be increased to dilute the ink and reduce its viscosity. However, if the liquid content of the ink increases, wicking (ink by capillary action) ) And paper wrinkles are increased, and the drying time of the ejected ink splashes is increased, which adversely affects resolution and image quality (for example, minimum spot size, mixing between colors, and spot shape). Because the spot size is related to the discharge orifice width and the resolution is related to the spot size, the resolution of TIJ printing is, for example, up to 900 spi at the maximum due to the limitation of the orifice width.
[0004]
Another disadvantage of conventional ink jet technology is that gray scale printing is difficult. That is, in an ink jet apparatus, it is very difficult to change the size of a spot printed on a printing medium. In order to produce small dots, if the propulsive force (heating in the TIJ device) is reduced to eject a smaller amount of ink, or the propulsive force is increased to produce larger dots by ejecting more ink. , The trajectory of the ejected splashes will fluctuate. This makes accurate dot placement difficult or impossible, not only making single color grayscale printing smeared, but also making multicolor grayscale ink jet printing impossible. Furthermore, to obtain the desired gray scale print, as in the case of TIJ, instead of changing the dot size, the density is changed while keeping the size constant.
[0005]
Another drawback of typical ink jet devices is printing speed. About 80% of the time required to print the spot is spent waiting for the ink jet channel to be refilled with ink by capillary action. By further diluting the ink, the ink can be flowed to a certain extent, but problems such as wicking, wrinkles of the printing medium, and drying time occur.
[0006]
A common problem with injection printing devices is clogged channels. This problem is likely to occur in TIJ devices that use water-based ink colorants, and periodically perform non-printing cycles to clean the flow path during operation. During operation, the normal ink is waiting to be ejected and stays in the ejector. During this period, drying starts and clogging occurs, which is necessary.
[0007]
Other technologies involved as background to the present invention include certain types of aerosol and spray devices such as electrostatic grids, electrostatic ejection (so-called tone jets), acoustic ink printing, dye sublimation and the like.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The present invention relates to an element for use in a new apparatus for printing a printing material directly or indirectly on a substrate, which solves the above-mentioned drawbacks and other disadvantages further described herein. In particular, the present invention uses a propellant that flows through a flow path and a print substance that is introduced into the flow path while being adjusted (that is, can be changed during use) or supplied in a metered amount. The present invention relates to a device that reaches a printed body. The propellant is typically a dry gas that is always flowing through the flow path while the printing device is in an operational state (ie, powered on or a similar print standby state). This device is called “ballistic aerosol printing” because printing is essentially performed by injecting solid or semi-solid fine particles that are not colloidal or liquid printing material onto the substrate. The flow path is shaped so that the propellant and the printing material can be blown in parallel (or converged) to the printing medium.
[0009]
In the following summary and detailed description, a number of general features of ballistic aerosol printing apparatus and its use will be described, but the invention is intended to be included in the present application as is apparent from the claims. It includes all descriptions.
[0010]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In this apparatus, a propelling body flow is formed by introducing the propelling body into the flow path from the propelling body port. Next, the printing material is introduced into the propellant stream from one or more printing material injection ports. The propellant enters the flow path at high speed, or a structure that introduces the propellant into the flow path at high pressure and converts the high-pressure propellant into the flow path at high speed (for example, de Laval or similar convergence) / Divergent nozzle). In this case, the propellant is introduced from a port provided at the front end of the flow path (converging part), and the printing material is propelled from the printing substance port provided near the end of the flow path (diverging part or downstream thereof). Introduce into the body flow.
[0011]
When multiple ports are used, each port can be a different color (eg cyan, magenta, yellow, black), pre-printing treatment material (printing material adhesive, etc.), post-printing treatment material (eg matte or glossy coating, etc.) It is used for printing material surface finishes, printing materials that are not visible to the naked eye (for example, magnetic particle adhesion materials, ultraviolet fluorescent materials, etc.), or other printing materials that can be applied to the printing material. The printing material is given kinetic energy from the propellant flow, and is ejected from the discharge orifice located at the end of the flow path toward the printing medium.
[0012]
In the present embodiment, a structure including one or more such flow paths is referred to as a print head in the present case. The width of the discharge (or injection) orifice of the flow path is usually 250 μm or less, preferably 100 μm or less. When a plurality of channels are used, the pitch or interval between the ends of adjacent channels (or from the center to the center) is also 250 μm or less, preferably 100 μm or less. Alternatively, the channels are arranged in a zigzag arrangement in order to reduce the interval between the channels. A part or all of the discharge orifice and / or each flow path has a cross-sectional shape such as a circle, a semicircle, an ellipse, a square, a rectangle, and a triangle when viewed from the direction of the propellant flow (the longitudinal axis of the flow path). is doing.
[0013]
The material to be applied to the substrate is transported to the port in any of a variety of ways, such as simple gravity feed, hydrodynamics, static electricity, or ultrasonic transport, or a combination thereof. The substance is also metered into the propellant stream from the port by various methods, such as controlling the transport device, or independent devices such as pressure balance, static electricity, acoustic energy, ink jets, etc.
[0014]
The material to be applied to the substrate to be printed is solid or semi-solid fine particles such as toner or various toners of different colors, a suspension of such a printing material in a carrier, and such a printing material as a charge director. , Suspended in a carrier together with a phase change substance or the like. In a preferred embodiment, a printing material is used that is a solid or semi-solid particulate, dried or suspended in a liquid carrier. Such a printing substance is called a fine particle printing substance in this case. A distinction is made between this material and liquid printing materials, dissolved printing materials, atomized printing materials, or similar non-particulate materials, which are generally referred to herein as liquid printing materials. However, as described elsewhere in this case, such liquid printing materials can be used in certain applications of the present invention.
[0015]
Furthermore, since various printing materials (for example, not limited to aqueous printing materials) can be used, it is possible to print on various printing materials in the present invention. For example, in the present invention, printing can be performed directly on a non-porous substrate such as a polymer, plastic, metal, glass, a treated and finished surface, or the like. By reducing wicking and eliminating drying time, it is possible to obtain excellent printing on porous substrates such as paper, textiles, and ceramics. Furthermore, the present invention can also be used for indirect printing, such as printing on an intermediate transfer roller or belt, printing on an adhesive backing strip film, nip transfer device, and the like.
[0016]
The substance injected onto the printing medium is subjected to post-injection processing such as fixing or drying, overcoating, and curing. In the case of fixing, the ejected substance itself has sufficient kinetic energy, so that it is effectively melted and fused to the printing medium when it collides with the printing medium. In order to perform this more effectively, the substrate to be printed may be heated. A pressure roller is used to cold-fix the printing material on the substrate. It is also possible to use a phase change (solid-liquid-solid) from when the printing material is ejected until it reaches the substrate to be printed (in flight). As a means of causing the initial phase change, a heated wire is placed in the particle path. Alternatively, the same effect can be obtained by raising the temperature of the propulsion body. In one embodiment, a laser is used to heat and melt the particulate material in flight, causing an initial phase change. When melting and fixing, an electrostatic auxiliary means may be used. That is, the particulate material is held at the desired position for a time sufficient to melt and fix at the final desired position. Also, post-injection processing varies depending on the type of fine particles. For example, the UV curable material is cured by being irradiated with UV light after being placed in flight or on a printed material holding the material.
[0017]
Since the propulsion body continuously flows in the flow path, the flow path is effectively and continuously cleaned to reduce or eliminate clogging of the flow path due to deposition of substances. Furthermore, a closed structure is provided to block the flow path from the outside when the apparatus is not used. Or a print head and a to-be-printed body support body (for example, platen) are made to contact physically, and a flow path is closed. In order to efficiently clean the flow path, a cleaning cycle is incorporated at the start and end of the operation of the printing apparatus. The waste removed from the apparatus is discharged to the cleaning unit. On the other hand, it is also possible to switch the propellant flow to flow into the reservoir through the port and to discharge orifice clogging from the port.
[0018]
Thus, the present invention and its various embodiments provide the advantages described above and many more detailed below.
[0019]
FIG. 1 shows a schematic diagram of a ballistic aerosol printing apparatus 10 according to an embodiment of the present invention. As shown here, the device 10 comprises one or more injectors 12 to which a propulsion body 14 is supplied. The printing material 16 is transported by the transport mechanism 18 under the control of the control 20 and introduced into the injector 12. (Any element is indicated by a dotted line.) Under the control of the control 22, the printing substance is metered (that is, introduced while being regulated) by the metering means 21. The printing material ejected from the ejector 12 is processed in post-injection processing 23 provided in the apparatus 10 as necessary. Each of these elements will be described in more detail later. It will be appreciated that the device 10 may be used in printers, facsimile machines, copiers, signage devices, or various other printing devices of the type typically connected to, for example, computer networks, personal computers, and the like.
[0020]
The embodiment shown in FIG. 1 will be better understood with a ballistic aerosol printing device 24 of the type shown in the cross-sectional view of FIG. According to this embodiment, the material to be printed is a four color toner of the type further described in this case, for example cyan (C), magenta (M), yellow (Y), black (K), which are It can be printed continuously or otherwise, with or without mixing. FIG. 2 and the related description describe an apparatus that prints four colors (one color at a time or a mixture thereof), but with fewer or more colors, or as another or additional material , The material that forms the surface for adhering the printing material particles (or other substrate surface pre-treatment), the desired substrate finish quality (matte, satin or glossy finish or after other substrate surface) A device that prints materials (such as processing), materials that are not visible to the naked eye (magnetic particles, ultraviolet fluorescent particles, etc.), or other materials related to the printed substrate, is also clearly contemplated in this case.
[0021]
The device 24 comprises a body 26, in which a plurality of cavities 28C, 28M, 28Y, 28K (collectively referred to as cavities 28) for receiving the material to be printed are formed. A propellant cavity 30 is also formed in the main body 26. The attachment part 32 connects the propulsion body cavity 30 and a propulsion body source 33 such as a compressor and a propulsion body storage section. The main body 26 is connected to a print head 34 including a support 36 and a flow path layer 37 surrounded by other layers.
[0022]
A cross-sectional view of a portion of the device 24 is shown in FIG. Each cavity 28 has a port 42C, 42M, 42Y, 42K (collectively referred to as a port 42) having a circular cross section, an oval shape, a rectangular shape, etc., and these are adjacent to the cavity and the main body 26. It connects the flow path 46. Although the longitudinal axis of the port 42 and the longitudinal axis of the flow path 46 are shown as intersecting substantially perpendicularly, this angle can be other than 90 degrees, as appropriate for the particular application of the device. Good.
[0023]
Similarly, the propellant cavity 30 also has a port 44 with a circular, oval, rectangular, etc. cross section between the cavity and the flow path 46 through which the propellant moves. Alternatively, the print head 34 may be provided with a port 44 ′ in the support 36, a port 44 ″ in the flow path layer 37, or both for introducing the propellant into the flow path 46. As will be described, the printing material is discharged from the cavity 28 through the port 42 and into the propellant stream flowing through the flow path 46. The printing material and propellant support the platen 40 as shown in FIG. Then, it proceeds in the direction of the arrow A toward the printing medium 38 that is, for example, paper.
[0024]
It has been empirically revealed that the propellant printed material flow pattern from a printhead with many features described in this case remains approximately parallel up to a distance of 10 mm, and the optimum printing distance is about 1 to several mm. It was. For example, the print material flow from the print head does not deviate more than 20%, preferably more than 10% of the width of the discharge orifice, at a distance of at least four times the width of the discharge orifice. However, the appropriate distance between the print head and the substrate to be printed is determined by many parameters and as such does not form part of the present invention.
[0025]
According to an embodiment of the present invention, the print head 34 comprises a support 36 and a flow path layer 37 in which a flow path 46 is formed. Additional layers such as insulating layers, cover layers, etc. (not shown) may be formed on part of the print head 34. The support 36 is made of a suitable material, such as glass, ceramic, etc., on which (directly or indirectly) is based on a thick durable photoresist (eg liquid photosensitive epoxy resin) and / or a film. Form a relatively thick layer of material, such as dry photoresist. In this layer, a channel having the characteristics described later is formed by etching, machining, or other methods.
[0026]
Referring to FIG. 4, which is a cross-sectional view of the print head 34, in one embodiment, from the front side, the propellant receiving portion 47, then the converging portion 48, the diverging portion 50, and the printing substance injecting portion 52. The flow path 46 is formed so that A transition point between the converging unit 48 and the diverging unit 50 is referred to as a throat 53, and the converging unit 48, the diverging unit 50, and the throat 53 are collectively referred to as a nozzle. Such a general shape of the flow path is also called a DeLaval expansion pipe. A discharge orifice 56 is provided at the tip of the flow path 46.
[0027]
In the embodiment of the invention shown in FIGS. 3 and 4, the portion 48 converges in the plane of FIG. 4 instead of the plane of FIG. 3, and similarly, the portion 50 is not the plane of FIG. 3 but the plane of FIG. Diverge at. This usually determines the cross-sectional shape of the discharge orifice 56. For example, the shape of the orifice 56 shown in FIG. 5A corresponds to the apparatus shown in FIGS. However, according to the manufacturing method and application example of the apparatus of the present invention, the convergence / divergence portion of the flow path is not the surface of FIG. 4 but the surface of FIG. 3 (FIG. 5B), or both surfaces ( 5 (c)), or other surfaces or combinations of surfaces, or all surfaces (illustrated in FIGS. 6 (a) to 6 (c)).
[0028]
In another embodiment shown in FIG. 7, the flow path 46 does not have a converging part and a diverging part, and its cross section is constant along its axis. The cross-section of this flow path can be rectangular or square (FIG. 8 (a)), elliptical or circular (FIG. 8 (b)), or other shapes (FIG. c) and 8 (d)).
[0029]
Referring again to FIG. 3, the propellant enters the channel 46 from the propellant cavity 30 through the port 44 and approximately perpendicular to the long axis of the channel 46. In other embodiments, the propellant is parallel (or at other angles) to the major axis of the flow path 46, for example, from port 44 'or port 44 "or in other ways not shown. The propellant is continuously flowing through the flow path while the printing device is in an active state (eg, “power on” or similar print standby state), or a particular application of the present invention. According to the designation, the propulsion body is adjusted to flow through the flow path only when the printing body is ejected, and the propulsion body is adjusted by a valve 31 provided between the propulsion body source 33 and the flow path 46. Or, for example, by switching on / off the compressor, or selectively causing a chemical reaction that generates the propellant, and also controlling the generation of the propellant by other means not shown in this case. Adjust the amount of propellant.
[0030]
The printing substance is injected into the flow path through one or more ports 42 provided in the printing substance injection unit 52 while being adjusted. That is, during use, the amount of printing material introduced into the propellant stream is adjusted from zero to maximum for each spot. The propellant and the printing substance move from the front end of the flow path 46 to the tip provided with the discharge orifice 56.
[0031]
The print head 34 can be formed in various ways. For example, with reference to FIGS. 41A to 41C and FIGS. 42A to 42C, the print head 34 is manufactured as follows. First, the support 36, which is an insulating support such as glass or a semi-insulating support such as silicon, or an arbitrary support coated with an insulating layer, is cleaned and separately prepared for lithography. One or more metal electrodes 54 are formed (for example, by photolithography) or printed on the surface of the support 36 serving as the bottom surface of the flow path 46. This is shown in FIG.
[0032]
Next, a photoresist is thickly applied by an ordinary spin-on method or a layer 310 is bonded to almost the entire surface of the support. Layer 310 is very thick, for example 100 μm or more. This is shown in FIG. Next, the flow path 46 is formed in the layer 310 together with the converging part 48, the diverging part 50, and the throat 53 by using a known method such as lithography and ion milling. The structure at this point is shown in the cross-sectional view of FIG.
[0033]
At this time, the propellant inlet 44 ′ (shown in FIG. 3) may be processed in the support of the propellant receiving portion 47. For this, depending on the material of the support used, a diamond drill, an ultrasonic drill or other methods known in the art are used. Alternatively, a propellant inlet 44 ″ (shown in FIG. 3) may be formed in the layer 310. However, here the propellant inlet 44 is located in the next layer to be coated, as described below. To form.
[0034]
Another relatively thick photoresist or similar material layer 312 is formed directly on layer 310. Layer 312 is desirably 100 μm or thicker and is preferably deposited by lamination, but may be coated by spin-on or other methods. Alternatively, layer 312 may be glass or other suitable material that adheres to layer 310. The structure at this point is shown in FIG.
[0035]
Next, a pattern is drawn on the layer 312 to form the ports 42 and 44, for example, by photolithography, ion milling, or the like. Layer 312 is also patterned by machining or other known methods. The structure at this point is shown in FIG.
[0036]
As another method, the flow path 46 is formed directly in the support by, for example, photolithography, ion milling, or the like. Again, layer 312 is coated as described above. Alternatively, the printhead is made of an acrylic resin or similar material that can be taken and / or machined, and the flow passage 46 is made or processed therein. In this embodiment, the layer 312 which is the same material is further bonded to other structural parts by appropriate means.
[0037]
Further, before coating layer 312 on layer 310, electrodes 314 and 315 are pre-formed on layer 312 that are rectangular, ring-shaped (described), or any other shape intended. In this embodiment, port 42 and possibly port 44 are also formed before coating layer 312. Electrode 314 is a suitable metal such as aluminum and is formed by sputtering, lift-off or other techniques. Dielectric layer 316 covers electrode 314 to protect and provide a flat upper surface 318. A second dielectric layer (not shown) is similarly coated under layer 312 to protect electrode 315 and provide a flat lower surface 319. The structure of this embodiment is shown in FIG.
[0038]
4 to 8 show a print head 34 having one flow path, the print head according to the present invention has an arbitrary number of flow paths, the range of which is wide with one or several flow paths. It will be appreciated that can range from a few hundred microns to a page width (eg, a width of 8.5 inches (21.59 cm) or more) with thousands of channels. The width W of each discharge orifice 56 is 250 μm or less, preferably 100 μm or less. The pitch P between adjacent discharge orifices 56, or the end-to-end (or center-to-center) interval is 250 μm or less, preferably 100 μm or less in the non-zigzag arrangement whose end view is shown in FIG. . The pitch in the case of a two-dimensional zigzag arrangement as shown in FIG. For example, Table 1 shows typical pitches and widths of non-zigzag arrays at different resolutions.
[0039]
[Table 1]

As shown in FIG. 10, the print substance is supplied from a continuous cavity 28 with a port 42 leading to each flow path 46 to a wide printhead flow path arrangement. Similarly, a propellant is supplied from the continuous propellant cavity 30 through the port 44 to each flow path 46. As shown in FIG. 11 (a), the ports 42 are individual openings in the cavity, or as shown in FIG. 11 (b), the continuous openings 43 (opening 43C in the figure) across the entire array. Are formed).
[0040]
In the arrangement of the flow paths 46, the flow paths have the same size and cross-sectional shape so that the propellant speeds passing through the flow paths are exactly the same or substantially the same. Alternatively, the size and / or cross-sectional shape of one or more specific flow paths 46 may be different (or by means of selectively applying a coating or the like) so as to have different propulsion unit speeds. You can also. This is advantageous when using different printing materials with very different masses when using printing materials and other printing material treatment agents together, and when trying to obtain different printing effects. It will be apparent that, in other ways, it is suitable for certain applications of the invention.
[0041]
In accordance with the embodiment shown in FIGS. 12 (a) and 12 (b), the device 24 can be a means such as a clip, clasp, clasp, or other known holding means (not shown). And includes a removable and replaceable body 60 that is attached to the device 24. In the embodiment shown in FIG. 12 (a), the body 60 can be removed from the printhead 34 and other parts of the device 24. In the embodiment shown in FIG. 12B, the main body 60 and the print head 34 form a unit that can be removed from the mount portion 64 of the apparatus 24 and replaced. Both of the embodiments of FIGS. 12 (a) and 12 (b) can be used between the body 60 and the device 24 to control the electrodes and other devices in or coupled to the body 60. Electrical contact is maintained.
[0042]
In either case, the main body 60 is a disposable cartridge containing a printing substance and a propellant. Alternatively, the printing material and / or propellant cavities 28, 30 can be refilled. For example, the openings 29C, 29M, 29Y, and 29K (these are collectively referred to as the openings 29) are for introducing a printing substance into each cavity. The cavity 30 has solid carbon dioxide (CO₂), A compressed gas cartridge (also carbon dioxide, etc.), a propellant source 62 such as a chemical reactant, which can be permanently or removable and replaceable or refillable in the body 60. Alternatively, the cavity 30 is equipped with a small compressor or similar means (not shown) for generating a pressurized propellant. Alternatively, the propulsion source can be removed and replaced separately from the body 60 and independently. Further, when only the cavity 28 and its related parts are mounted on the main body 60, the device 24 is provided with propulsion body generating means such as a compressor and a chemical reaction vessel.
[0043]
A process 70 for printing on a substrate with a printing material according to the present invention is shown step by step in FIG. In step 72, the propellant is supplied to the flow path. Next, at step 74, the printing material is metered into the flow path. In the flow path for injecting a plurality of printing substances onto the printing medium, in step 76, the printing substances are mixed in the flow path, and the printing substance mixture is injected onto the printing medium. This method results in single channel color printing without the need for color registration. In another single-channel color printing, a plurality of printing materials are continuously introduced while maintaining a certain registration between the print head 34 and the substrate 38. This step is optional and is indicated by the dotted arrow 78 because not all prints use multiple printed materials. In step 80, the printing substance is ejected from the discharge orifice at the end of the flow path toward the printing medium with sufficient energy to reach the printing medium. As indicated by arrow 83, the above process repeats with printhead re-registration. Appropriate post-injection processing such as fixing and drying of the printed material is performed in step 82, which is also optional as indicated by the dotted arrow 84. Each of these steps is described in further detail.
As described above, the propellant's role is to give the printing material sufficient kinetic energy for the printing material to at least impact the substrate. The propellant may be a compressor, refillable or non-replenishable reservoir, phase change of material (e.g., solid to gaseous CO) connected or independent of the printhead, cartridge, or other elements of the printing device 24.₂), Supplied by chemical reaction or the like. In either case, the propellant must be dry, free of contaminants, and first of all do not inhibit printing of the substrate with the printing material, and should not cause or induce clogging of the flow path. I must. For this purpose, a suitable dryer and / or filter (not shown) is provided between the propellant source and the flow path.
[0044]
In one embodiment, the propellant is supplied by a well-known type of compressor. Ideally, this compressor should provide a stable pressure propellant as soon as it is switched on, but only the propulsion at the operating pressure and speed will flow into the flow path 46 so that the compressor and flow path Use a valve in between.
[0045]
In these embodiments, the flow path is connected to an external compressor or similar external propellant source, but the propellant needs to be generated by the device 24 itself. In addition, small propulsion devices must use a small propulsion source. One method is the commonly available, replaceable CO₂The cartridge is used in the apparatus. However, such cartridges have a relatively small amount of propellant and must be replaced frequently. A larger pressurized propellant vessel can also be used, but the size of the propellant vessel is limited by the size of the device (eg, a small desktop printer). For this reason, it is desirable to use a self-contained and physically small propellant generating unit. In this embodiment, a replaceable cartridge in which the propellant and the printing material are mixed can also be used.
[0046]
In another embodiment, the propellant is supplied by reaction. The purpose of this embodiment is to provide a small propulsion source, for example as it enters the propulsion cavity 30. Liquid or solid chemicals or compounds undergo various spontaneous and involuntary reactions to generate gases, and the reaction vessel is relatively small because it uses solids or liquids. Most simply, the reactant is heated above its boiling point to generate gas phase material. A pressure change occurs when a reaction or change occurs in a closed system. So if one kind of reaction occurs in a closed system,
[Expression 1]

At this time, R is a reactant, P1 and P2 are pressures, and P2 is much larger than P1. To cause this reaction, a heating element 87 (such as the filament shown in FIG. 3) is provided in the propellant cavity 30 (or container containing other reactants).
[0047]
When this is transformed to show heat activation of a non-spontaneous multi-reactant system,
[Expression 2]

At this time, R₁~ R. . . Is a reactant and P2 is also much larger than P1.
[0048]
However, to avoid the influence of the heated propellant on the printed material (for example, melting in the flow path tends to cause clogging of the flow path), heating is not necessary (and it does not generate excessive heat). It is more desirable to use the following reaction.
[0049]
[Equation 3]

This is due to the phase change at room temperature (eg from solid to gaseous CO₂) Etc. Or it is the following reaction.
[0050]
[Expression 4]

Such reactions are well known in the art and are used to generate gaseous propellants.
[0051]
As with the means for turning the device on and off, the reaction is usually controlled so that the reaction can be initiated / terminated when desired. Alternatively, the reaction takes place in the propellant cavity connected to the flow path 46 via a valve for regulating the propellant flow. Usually, in this embodiment, it is also necessary to provide a valve for adjusting the propulsion body to a predetermined operating pressure.
[0052]
The propellant flow velocity and pressure to be set depend on the embodiment of the printing apparatus described below. In general, examples of suitable propellants include CO₂, Clean and dry air, N₂And gaseous reaction products. The propulsion body is preferably non-toxic (in one embodiment, a wider range of propulsion bodies can be used, such as by sealing the device in a special chamber or the like). Desirably, the propellant is gaseous at room temperature, although suitable embodiments may use hot gases.
[0053]
Any propulsion bodies generated or supplied enter the flow path 46, move in the flow path in the front-rear axial direction, and are discharged from the discharge orifice 56. The flow path 46 is oriented so that the propellant flow discharged from the discharge orifice 56 proceeds toward the printing medium.
[0054]
In one embodiment of the present invention, a solid, fine-grain printing material is used for printing a printing medium. The size of the printing substance particles is in the range of 0.5 to 10.0 μm, preferably 1 to 5 μm, but the size exceeding this range is also limited to specific applications (for example, the ports and channels through which the particles move). Larger or smaller).
[0055]
There are several advantages to using solid, particulate print materials. First, there is less clogging of the flow path compared to, for example, liquid ink. Second, the wicking and bleeding of the printing material (or its carrier) on the substrate, and the printing material / substrate interaction is small or absent. Third, it avoids spot position problems due to surface tension at the discharge orifice, as seen in liquid printing materials. Fourth, blockage of the flow path caused by the attachment of bubbles due to surface tension is avoided. Fifth, multiple printing materials (eg, multiple colored toners) can be used for single-channel, multiple-substance (eg, multicolor) printing without risk of causing channel contamination for subsequent printing (eg, pixels). Can be mixed when introduced into the channel. This eliminates the cost of registration (device, time, associated printed parts, etc.). Sixth, it is possible to eliminate a portion (up to 80% of the duty cycle in TIJ) related to replenishment of the duty cycle flow path. Seventh, in the case of a liquid printing material, the drying speed is required, and thus the processing speed is limited, but this is not necessary.
[0056]
There are many advantages of dry particulate printing materials, but there are applications where it is advantageous to use liquid printing materials or a combination of liquid and dry printing materials. In such an example, simply use a liquid printing material instead of a solid printing material, or use the appropriate operations and equipment that are obvious to those skilled in the art, such as changing the metering device or that are described in this case. Modifications are made to use the present invention.
[0057]
In an application example of the present invention, it is desirable to perform pre-printing treatment on the surface of the printing material. For example, in order to help fix the fine particle printing material in a desired spot arrangement, the surface of the printing medium may be coated in advance with an adhesive layer prepared to hold the fine particle printing material. Examples of such materials include transparent and / or colorless polymers, such as homopolymers, random copolymers, or block copolymers, which can be used as polymer solutions dissolved in low boiling solvents. Apply to the substrate. The thickness of the adhesive layer applied to the printing medium is 1 to 10 μm, desirably about 5 to 10 μm. Examples of such materials are linear or branched polyester resins, poly (styrenic) homopolymers, poly (acrylic ester) and poly (methacrylic ester) homopolymers and mixtures thereof, or styrenic monomers. And random copolymers of acrylic acid ester, methacrylic acid ester or butadiene monomer and mixtures thereof, polyvinyl acetal, polyvinyl alcohol, vinyl alcohol-vinyl acetal copolymer, polycarbonate, and mixtures thereof. These surface pretreatment materials are ejected from a flow channel of the type described in this case provided at the leading edge of the print head, thereby ejecting both the pretreatment material and the printing material in a single flow channel. . Alternatively, a pretreatment substance is applied to the entire surface of the printing medium, and then printing described separately in this case is performed. Further, in some applications, as further described, it is desirable to mix printing materials and pretreatment materials in flight and print them simultaneously.
[0058]
Similarly, in some applications of the present invention, it is desirable to perform post-printing processing on the surface of the substrate. For example, it is desirable to perform gloss finish on a part or all of the printed material on which printing has been performed. In a certain example, it is necessary to separately perform printing including both characters and graphics on the printing medium by the method described in this case, and selectively perform gloss finishing only on the graphic portion except the character portion. This is achieved by performing post-print processing from the flow path at the trailing edge of the print head, thereby enabling printing and post-print processing in a single flow path. Alternatively, appropriate printing is performed on the entire surface of the printing medium, and then post-printing processing is performed through the printing apparatus of the present invention. Further, in some applications, it is desirable to apply both simultaneously, such as by mixing the printing material and post-treatment material during flight, as further described herein. Examples of materials for obtaining the desired surface finish include linear or branched polyester resins, poly (styrenic) homopolymers, poly (acrylate esters) and poly (methacrylate esters) homopolymers and mixtures thereof. Or a random copolymer of a styrenic monomer and an acrylic ester, methacrylic ester or butadiene monomer and a mixture thereof, polyvinyl acetal, polyvinyl alcohol, vinyl alcohol-vinyl acetal copolymer, polycarbonate and a mixture thereof. It is done.
[0059]
For other pre-printing and post-printing processes, drafts / overwrites with printed materials that are not visible to the naked eye, document anti-correction coatings, eg at specific wavelengths (eg in the infrared or ultraviolet range) with special decoders Protective encryption using specific wavelength dyes or pigments, etc., which can only be detected. Other pre-printing and post-printing treatments include a substrate or surface geological coating (eg, optionally embossing to provide a rough or smooth substrate), physical or chemical on the substrate. Substances that cause a reaction (for example, two kinds of substances that, when mixed on a printing medium, cause a reaction to cure or otherwise fix the printing substance to the printing medium). Unless otherwise stated, or as will be apparent to those skilled in the art, the equipment and methods for transport, metering, storage, etc. of the printed material referred to in this case are pre-printing and post-printing processes. Substances (and generally other non-printing substances) can be used as well.
[0060]
As previously mentioned, the printing material may be either a solid particulate material or a liquid. However, there are several options for this combination. For example, apart from just a collection of solid particles, a solid printing material suspended in a gaseous carrier (ie, an aerosol) or a liquid carrier. Other examples include multiphase materials. Referring to FIG. 34, this material is a suspension of certain solid printed material particles 286 in discontinuous agglomeration of the liquid carrier medium 288. The mixture of particles and surrounding carrier is in a pool 290 of carrier media. The carrier medium is a colorless dielectric that provides fluidity to the printed material. The solid printing material particles 286 are about 1-2 μm in size and have an effective charge. Further, the charged printing substance particles 286 are attracted to the electric field generated by the appropriate electrode 292 near the port 294 and directed to the flow path 296 by the method described below. The auxiliary electrode 298 facilitates the discharge of the printing material particles 286. A meniscus 300 is generated on the flow path side of the port 294. As the particle 286 / carrier 288 mixture is pulled through the meniscus 300, the surface tension causes the particles 286 to be pulled out of the carrier medium 288, leaving only a thin film of carrier medium on the surface. This thin film is useful for depositing particles 286 on most types of prints, and particularly for maintaining the particle position prior to post-injection processing (eg, fixing), particularly when the injection speed is slow.
[0061]
The next step in the printing process is usually metering the printing material into the propellant stream. In the following, the metered supply of the printed material will be described in particular, but it is clear that this description includes the metered supply of other materials such as the pre-printing and post-printing treated materials described above, and the description below will describe For clarity, only the printed material is described. In this way, metering is performed in various embodiments of the present invention.
[0062]
According to a first embodiment relating to metering of the printing material, the printing material includes a material that carries electrostatic charges. For example, the printing material includes a pigment suspended in a binder with a charge director. The charge director is charged by, for example, coronas 66C, 66M, 66Y, and 66K (collectively referred to as corona 66) in the cavity 28 shown in FIG. Alternatively, the propellant gas is initially charged, for example by corona 45 in cavity 30 (or other suitable location such as port 44). The charge propellant forms a fluidized bed 86C, 86M, 86Y, 86K (collectively referred to as a fluidized bed 86, which will be further described below) and has the purpose of providing a charge to the printing material for the purpose of porting. 42 is injected into cavity 28. Other methods include triboelectric charging by other means or other devices outside the cavity 28.
[0063]
Referring to FIG. 3 again, electrodes 54C, 54M, 54Y, and 54K (these are collectively referred to as electrode 54) are formed on one surface of channel 46 that faces port 42, respectively. Corresponding counter electrodes 55C, 55M, 55Y, 55K (collectively referred to as counter electrodes 55) are formed in the cavity 28 (or elsewhere, such as at or in the port 44). When an electric field is generated by the electrode 54 and the counter electrode 55, the charged print material is attracted to the electric field and exits the cavity 28, passes through the port 42, and is discharged at a substantially right angle to the propellant flow in the flow path 46. The shape and position of the electrode, and the charge applied to it, determine the strength of the electric field and the force that injects the printed material into the propellant stream. Generally, the momentum imparted to the printing material by the force of the propelling body flow is greater than the injection input, and the printing material once entering the propelling body flow in the flow path 46 is directed from the discharge orifice 56 toward the printing body together with the propelling body flow. Adjust the force to inject the printed material into the propellant stream to be ejected.
[0064]
  Each port 42 is provided with an electrostatic gate instead of or as an auxiliary to the electrode 54 and the counter electrode 55. Referring to FIGS. 14 (a) and 14 (b), the gate is a two-part annular or strip electrode 90 (a), 90 (b) with the diameter of the port 42 as the inner diameter. They are connected via a contact layer 91 (a) and 91 (b) to a controllable switchable power source. The electric field generated by the annular electrode attracts or repels the charged printing material. Layers 91 (a) and 91 (b) are patterned by photolithography, machining, or other methods, and the matrix of each electrode 90 (a), 90 (b).ThePerform addressing.
[0065]
FIG. 15 shows another embodiment of the metering supply method of the printing material. This embodiment comprises one or more flow path portions 136 extending substantially parallel to the direction of propellant flow in the flow path 46. Each channel portion 136 is formed between the body 26 (or a suitable upper layer) and the layer 138 with the layer 140 sandwiched between them as a spacing layer. Each layer is a suitable thick, etched photoresist, machined plastic or metal, or other material as defined by the particular application of the invention. The length of the flow path portion 136 (in the direction in which the printing substance moves) is up to 100 μm or more. Plate-like electrodes 142 and 144 facing the substantially parallel surfaces are respectively provided on the surfaces of the main body 26 and the layer 138 of the flow path portion 136.
[0066]
  In such an aperture array, the various electrodes are addressed by either row or column lines,TheAllow to use an addressing scheme. In one embodiment, the electrodes form an electrostatic gate for metering the printed material.
[0067]
Usually, and particularly in the case of parallel plate electrodes as shown in FIG. 15, a charged printing material or an uncharged printing material is used. When using an uncharged printing material, the printing material has a dielectric constant substantially higher than both air and propellant. In such a case, an opposite (+/−) charge is applied to the electrode pair. The uncharged printing material is essentially polarized by the electric field between the parallel plate electrodes, where the two electrodes form a capacitor. The electric field generated between the electrodes selectively causes the printed material to remain in this electric field (ie, the energetically more favorable position between the electrodes). In this way, printing material is prevented from being discharged from the port. Without application to the electrodes, the printed material is typically discharged through the port into the propellant stream due to back pressure, pressure bursts, and the like. An alternating current is passed through the electrode to prevent the deposition of printed material.
[0068]
In the case of a charged printing material, in the “on” state, one electrode attracts the printing material (the other repels) and prevents the printing material from entering the propellant stream. In the “off” state, the electrode passes the printing material and the printing material is propelled by the action of a third electrode, such as an electrode 54 applied to the reverse pressure, pressure burst, or polarity opposite to the charge of the printing material. Flows into the stream. The charge of the printing material can be either polarity (positive or negative).
[0069]
In another embodiment of the invention, metering is performed by injecting the liquid printing material from its source into the propellant stream, for example with an acoustic ink ejector. FIG. 16 shows a schematic diagram of this embodiment. In the embodiment 154 of FIG. 16, the flow path 46 is above the liquid level of a pool 156 of printing material, which is a liquid printing material such as, for example, liquid ink. Embodiment 154 includes a planar piezoelectric transducer 158, such as a thin film ZnO transducer. It is coated or otherwise bonded to the back of a suitable acoustically conductive support such as an acoustically flat plate such as quartz, glass or silicon. Form the coaxial phase of a Fresnel lens, spherical acoustic lens, or other converging means 162 on or in the opposite or front side of the support 160. By applying an rf voltage to the transducer 158, an acoustic beam is generated that focuses on the surface of the pool 156 and ejects droplets 164 from the pool into the propellant stream. In order to perform gray scale printing, the size of the droplets 164 (by adjusting the acoustic beam intensity), the number of droplets ejected in a short time, etc. are adjusted, and the amount of printed material ejected into the propellant flow is adjusted. Adjust.
[0070]
In yet another embodiment 166, an ink jet device such as a TIJ device 168 is used to meter the liquid printing material into the propellant stream. FIG. 17 shows a schematic diagram of this embodiment. According to the embodiment 166, the TIJ injector 168 is installed adjacent to the flow path 46, and the printing substance 170 from the injector 168 is injected from the port 172 of the flow path 46. Again, the printing material 170 is a liquid material such as liquid ink and is stored in the cavity 174. Printing material 170 is brought into contact with heating element 176. Upon heating, the heating element produces a bubble 177 that is pushed out of the flow path 178 in the TIJ device 168. The movement of the bubbles 177 pushes a certain amount of printed material into the flow path (similar to other known methods) and enters the propellant stream in the form of droplets 181 of the printed material. By using a plurality of such TIJ ejectors together with the single ballistic aerosol printing flow path of the present invention, a printing apparatus and method having excellent printing speed, gray scale, and advantages over other conventional techniques Is obtained.
[0071]
There are various other possible embodiments for injection of liquid printing materials (pressure injection, mechanical valve adjustment, etc.), but such printing materials can also be used in the above-described embodiments. Is clear. For example, the apparatus shown in FIG. 3 works well when the size of the port 42 is determined according to the viscosity of the printing material and a liquid meniscus is formed at the port 42. This meniscus and the corresponding electrode 54 form an essentially parallel plate of capacitors. When an appropriate charge is applied to the electrode 54, the splash is pushed out from the meniscus to the flow path 46. This method works well with conductive (and to some extent non-conductive) liquids such as inks, pre-printed and post-treated materials. This is the same as a technique known as a tone jet, and this technique can also be used as the metering supply apparatus and method of the present invention.
[0072]
In order to more effectively perform the embodiments described herein, it is desirable to use a jet of pressure or a uniform force that ejects the printed material from the cavity 28 and injects it into the propellant stream. As shown in FIG. 18, this pressure ejection is caused by a variety of piezoelectric transducer / vibrating plates 68 </ b> C, 68 </ b> M, 68 </ b> Y, 68 </ b> K (collectively referred to as transducer / vibrating plate 68) provided in each cavity 28. Supplied by the device. One or more of the transducer / diaphragm 68 are individually addressed by addressing means 69C, 69M, 69Y, 69K (collectively referred to as addressing means 69) in conjunction with or independently of the auxiliary metering device. be able to. Various other alternatives can also be used, such as pressure from a propellant source controlled by a gate.
[0073]
Another technique can also be used for metering the printed material into the propellant stream of the present invention. For example, the above-described technique called toner jet is used. This technique is described, for example, in published patent application WO 97 27 058 (A1), the contents of which are incorporated herein by reference. Alternatively, a micro mist device may be used.
[0074]
In many embodiments of metering the printed material according to the present invention, no moving parts are used. For this reason, the metering is performed at a very high switching speed of, for example, 10 kHz or more. Furthermore, the reliability of the metering supply device is higher due to the absence of mechanically movable parts.
[0075]
Many simple addressing schemes can be used to control the metering device used. One such scheme is shown in FIG. Here, each “row” of the array 200 of metering supply devices 202C, 202M, 202Y, 202K, etc. (collectively referred to as the metering supply device 202) for metering and supplying the printing substance to the flow path 46, For example, they are coupled to each other via a common line 206 that is grounded. Each “row” consists of a metering supply 202 that together controls the introduction of printing material into a single flow path 46. Each metering supply device in each column is addressed by, for example, a wiring 208 that connects the related metering supply device to a control mechanism such as the multiplexer 210. It should be noted that the width of each “column” is, for example, about 84 μm so that the wiring 208 having a width of, for example, about 5 μm is sufficiently wide. In another embodiment shown in FIG. 20, instead of the common line 206, each “row” of the metering supply device 202 is addressed individually, for example a multiplexer 212, so that the metering supply device is completely matrixed. Address it.
[0076]
Several mechanisms are useful and necessary to implement certain embodiments of the present invention. For example, referring again to FIG. 3, it is necessary to smooth the flow of the printing material from the cavity 28 to the flow path 46 and to prevent the port 42 from being clogged. As a solution to this, a small amount of propellant is caused to flow back into the cavity 28. For this purpose, the pressure in the channel and the cavity must be balanced so that the pressure in the cavity is slightly lower than the channel. An arrangement for performing pressure balance is shown in FIG. FIG. 21 shows an embodiment of a cavity 214 with a printed material in the cavity 214 in one of the walls of the cavity 214 into the flow path 46 (under the control of a metering device, not shown). There is a port 42 leading to the flow path 46 for discharge. One wall of the cavity 214 has an opening with a filter 220 that is rough enough to prevent the printed material from leaking. The filter 220 is connected to a valve 224 controlled by a circuit component 226 via a pipe 222. The circuit component 226 is also connected to a pressure sensor 228 in the cavity 214 and a pressure sensor 230 placed in the flow path 46, for example, just before the converging portion (not shown). The pressure in the cavity 214 is measured by the pressure sensor 228 and compared with the pressure in the flow path measured by the pressure sensor 230. At the start of operation of the device, the valve 224 is closed until the pressure in the flow path 46 increases. When the operating pressure reaches a steady state, the valve 224 opens under control. The circuit component 226 keeps the pressure in the cavity 214 slightly lower than the flow path 46 by means of a controllable regulating valve 224. This pressure difference adjusts the amount of propulsion that flows backward from the flow path into the cavity.
[0077]
Referring again to FIG. 3, a propellant that enters the cavity 28 through the port 42 as described above (or by other means) causes local disruption of the printed material near the port 42. When using printed materials that are particles of moderate plasticity, packing density, magnetism, etc., and shaped to an appropriate size and shape, friction between particles due to disturbance (ie, propellant passing through the printed material) And other binding forces are sufficiently small, the printed material has a liquid-like nature in the disturbed part. In this state, fluidized portions 86C, 86M, 86Y and 86K of the printing material (collectively referred to as fluidized bed 86) are generated. Producing the fluidized bed 86 in the manner described here results in a uniform flow of the printed material, resulting in a less viscous liquid-like material, and the port 42 is effectively and continuously cleaned with a countercurrent propellant. . Thereby, an accurate spot size, position, color and the like can be obtained.
[0078]
Referring to FIG. 22, line 240 is a plot of pressure in flow path 46 near port 42 in FIG. 21 versus time. Line 242 represents the pressure at sensor 230 in FIG.₂₃₀) (That is, the pressure immediately before the nozzle portion of the flow path 46). Line 244 indicates the set pressure (P_set). Since it takes some time for the pressure in the flow path to reach a steady state and a desired pressure equilibrium is reached between the flow path 46 and the cavity 214, it is faster to prevent clogging or leakage of the printed material. It is desirable to balance the pressure. For this reason, for example, a pressurized propulsion body from a propulsion body source is introduced into the cavity through an opening 232 in the cavity 214 shown in FIG. 21 (or the cavity 214 is pressurized by another method).
[0079]
FIG. 23 shows another arrangement 260 with a fluidized bed. In this embodiment, the electrodes and application device not only produce a fluidized bed, but are also used for metering supply. Conceptually, this embodiment can be divided into three parts, which complementarily perform “bound”, “metering” and “injection” of the printing material. A printing material carrier 262, such as a donor roll, belt, drum, etc. (to which printing material is supplied by a conventional magnetic brush 283) is placed slightly away from the cavity 264 formed in the body 266. At the base of the main body 266, a port 268 that is, for example, a cylindrical opening that connects the cavity 264 and the flow path 46 is formed. The main body 266 has a monolithic structure or a multilayer structure composed of, for example, a semiconductor layer 272 (such as silicon) and an insulating layer 274 (such as plexiglass). The walls of the cavity 264 are coated with a dielectric (such as Teflon) as necessary to moderately smooth the insulation boundary. Of course, this coating can also be used in other embodiments described herein.
[0080]
A first electrode 276 is formed on the cavity side of the port 268. This is a continuous metal layer placed in the structure, or a pattern corresponding to each port 268 of such a port array. A second electrode 278 is formed on the flow path side of the port 268. This is typically an annulus that is concentric with the port 268. If necessary, an auxiliary electrode 54 is formed in the flow path to help discharge the printed material from the cavity 264.
[0081]
By properly selecting the voltage at each point in the arrangement 260, the desired three functions can be obtained. For example, Table 2 shows examples of possible voltages.
[0082]
[Table 2]

In the arrangement 260, the printing material 282 is charged, for example by triboelectric or ionic charging, and is thus held on the carrier 262. Due to the AC voltage in the cavity 264, the charged toner “bounds” between the carrier and the first electrode 276. The DC bias is a potential difference maintained between the carrier 262 and the printing material transport roll 284, and continuously supplies printing material from the printing material reservoir 287. For printed materials with a narrow particle size and charge-diameter ratio (Q / d) distribution, the bounce is synchronized to the AC frequency. The optimal AC frequency is determined by the transit time of the printed material between the carrier 262 and the first electrode 276. That is, the period T is twice the transit time τ.
[0083]
The gate adjustment voltage opens ("ON") and closes ("OFF") port 268. In the “on” state, the polarity of the voltage is opposite to the polarity of the charged printing material, so that the printing material is attracted to the electric field between the first electrode 276 and the second electrode 278, respectively. Eventually, when the injection voltage is reached by the auxiliary electrode 54, the charged printing material particles are injected into the flow path 46, where they are carried toward the substrate by the propellant flow.
[0084]
It is necessary to move the printing material to the port 42 in particular with controlled speed, accuracy and precise timing. This process is called printing material transport and can be done in various ways.
[0085]
As one of the techniques, each printing substance particle is moved using an electrostatic transport wave. Referring to FIG. 24, this method applies a synchronized DC high voltage wave to a grid 148 of equally spaced electrodes 88 provided near each port 42. The grid 148 is formed on a removable carrier that is formed of aluminum inside the cavity by photolithography or attached in the cavity.
[0086]
FIG. 25 shows an embodiment in which electrodes 88 for electrostatic transport waves are provided with electrodes 142 (not shown) and 144 for metering the printed material. However, it will be understood that various other transport and metering combinations are within the scope of the present invention.
[0087]
A protective layer and a relaxation layer are coated over the electrode 88 to protect the surface of the electrode 88 and dissipate the charge quickly with a known time constant to move the printed material along the grit 148. Appropriate coatings also help control the direction of travel of the printed material, reduce the printed material trapped between the electrodes, reduce electrode oxidation and corrosion, and reduce arcing between the electrodes.
[0088]
It is clear that the transport and metering functions described here are performed on a single device and are integrated into a single step. However, the printing material transport and / or metering method according to the present invention, whether used alone or together, solves many problems found in the prior art. For example, the printing material can be injected almost immediately into the propellant stream. This solves the problem of waiting time required to fill the flow path, which is common in ink jet devices. Furthermore, the speed from when the printed material enters the propellant stream until it is printed on the substrate is much faster than that obtained with the prior art, and in fact, in some embodiments it is continuously fed. it can.
[0089]
As an example, consider a printhead with a page width (8.5 inches (21.59 cm)) array that uses channels arranged at 600 spi. Assume that the spot size is 1.5 times the diameter of the discharge orifice (for simplicity, the discharge orifice has a circular cross section). At this time, the spot area is 2.25 times the orifice. Further, the printing material is solid fine particle toner having a diameter of 1 μm, and the entire surface of the printing medium, which is paper, is covered with a single color to a thickness of 5 particles. This means that it is necessary to supply 2.25 × 10 particles × 1 μm or 22.5 μm long printing material into the propellant, but with a margin, the length is 15 μm. To do.
[0090]
In order to prevent clogging, it is further assumed that the printing material feed rate is one or more orders of magnitude lower than the propellant speed. When the propelling body speed is about 300 m / sec (m / s), the printing material supply speed is set to 1 m / s (the ejection speed of TIJ droplets is about 10 m / s). At 1 m / s, it takes 25 μs to supply a printing material with a length of 15 μm. In other words, the spot printing time is about 25 μs / spot.
[0091]
In this arrangement, 11 inches (27.94 cm) × 600 spi × 25 μs / spot, or 165 milliseconds (ms) is required to print completely on 8.5 × 11 inches (21.59 × 27.94 cm) of paper. ) It takes. Theoretically, this corresponds to about 360 pages / minute. Compare that with a TIJ device up to about 20 pages / min. One reason for this increase in throughput is that a continuous supply of printing material is possible. That is, in the TIJ apparatus, the printing time (printing material injection time) is 20% at last as in the duty cycle (up to 80% of the TIJ duty cycle is spent in waiting time for replenishing the flow path with ink). In this apparatus, the ratio of the printing time in the duty cycle is close to 100%.
[0092]
In some embodiments, despite the formation of a fluidized bed in the cavity, the printed material tends to collect in stagnant areas such as the corners of the cavity, dampening the fluidized bed and preventing the printed material from being injected into the flow path. There is a fear. An example is shown in FIG. In order to solve this problem and further facilitate the transport of the printing material, the clumped printing material in the cavity is vigorously stirred. FIG. 26 (b) shows an embodiment 250 for performing such agitation. Piezoelectric material 256 is formed on at least one wall 254 of the cavity 28 to cause mechanical and pressure agitation in the cavity 28. This agitation keeps the printed material in the cavity 28 in a dynamic state and prevents the occurrence of stagnation.
[0093]
In an apparatus using a large number of printing substances such as a full-color printing machine, two or more kinds of printing substances are mixed in a flow path before being ejected onto a printing medium. (The following description also includes other substances such as pre-printing and post-printing substances.) In this case, each printing substance is metered into the flow path. This requires unique control of the metering supply of each printing material, and the processing speed is limited by the required addressing and other metering supplies. For example, FIG. 27 shows a multicolor printing apparatus that supplies one or more colors of printing substances to each flow path 46. In order to control the flow of printing material to the flow path 46, for example, the metering supply device 104 of the aforementioned type is addressed in a matrix type by the row address conductors 106 and the column address conductors 108 as described above. The RC time constant associated with the 8 inch (21.59 cm) long set of passively addressed row address conductors 106 limits the minimum signal rise time achievable for these wires to a few microseconds. The We assumed this 2 μs at 5 kHz. Accordingly, the minimum “on” time of the metering supply device is about 5 μs. In n-bit grayscale printing, 2 x 5 to cover all of each colorⁿIt takes μs / spot. Therefore, 11 inch (27.94 cm) × 600 spi × (2 × 5) is used for printing the entire page at 600 spi.ⁿ) Μs / spot, or about 33 × 2ⁿms is required. This is about 1800x2^-nCorresponds to pages / minute. At a gray scale of 5 bits per channel (n = 5), the device can process up to 56 pages / minute in full color, and full color (when using CMYK spectra) is used for each spot in a single channel. Note, for example, that the main focus of the present invention is to provide a relatively high spot density of over 300 spi with a gray scale of 2 bits or more and to obtain various levels of gray scale without changing the spot size much. Should. That is, while the spot size is kept constant at 120 μm, for example, the density of the printing material is changed to obtain different levels of gray or color for each spot.
[0094]
Other addressing schemes are known that address faster and thereby enable faster printing. For example, using a parallel addressing scheme (ie, having no row address lines), the signal rise time is an order of magnitude smaller. With a minimum metering supply device “on” time of 1 μs, full color gray scale printing can be performed at about 280 pages / minute.
[0095]
Since there is a tradeoff between throughput and color depth / grayscale, the device can be set to optimize either or both of these characteristics. Table 3 summarizes the throughput and color depth / grayscale matrix and the required printing material feed rate based on the above assumptions.
[0096]
[Table 3]

It is worth noting that the color depth and throughput are not fixed by the device. These values can be adjusted by the user when setting the printing apparatus.
[0097]
It is also noted that the number of colors to be printed is distributed approximately in a Gaussian distribution with respect to the spot size / density. FIG. 28 shows values in a 4-color, 2-bit gray scale apparatus.
[0098]
The exact control of the spot position of the printed material is affected by the propellant speed. The spot size and shape are also related to this speed. On the other hand, the propellant speed used is determined to some extent by the size and mass of the printing material particles. Furthermore, the spot position, size and shape depend on how parallel the fully open propellant is kept (ie how many times the diameter of the discharge orifice). FIG. 29 shows a conceptual diagram of the propelling body / printed body interaction as seen from almost directly above the printed body. The streamline 110 indicates that the cylindrical propellant flow is in the form of a flow away from the disk of the printed material spot 112 on the surface of the substrate.
[0099]
Usually, the printing material particles are arranged on the substrate by the inertial force (vertical momentum) applied from the propelling body. However, its position on the substrate is deviated from the center by a lateral component of the hydrodynamic force occurring at the propellant / substrate interface, shown in FIG. Smaller mass particles (with respect to propellant velocity) are diverted from the center of the propellant flow and further from the spot center. As a result, the spot becomes a Gaussian density distribution 114 also shown in FIG.
[0100]
Referring to FIG. 31, an example of the most severe estimation of the deflection of the printing material particles due to the propellant / substrate interface effect (so-called lateral pulling on the substrate surface) is shown. At this time, in the propellant flow 118 having a width L / 2 (that is, the width of the discharge orifice 56 shown in FIG. 3 is L / 2), the density ρ_pOf the particles 116 are directed vertically to the completely flat substrate 38 at a velocity v. It is assumed that there is a propellant flow 120 in the lateral direction with a thickness L on the surface of the printing medium, and the speed is v due to the propelling body that has collided with the printing medium. That is, in the most severe case, the propellant speed is completely converted into a lateral flow at the surface of the substrate.
[0101]
The lateral displacement x of the printing substance particles 116 due to the lateral traction is calculated for different particle sizes D. From the Reynolds number equation:
[Equation 5]

At this time, ρ_g= 1.3kg / m^Three, Μ_g= 1.7 × 10^-Fivekg-s / m²It is. The Reynolds number is 70 at a particle size of 3 μm and a flow velocity v = 300 m / s. This corresponds to a traction constant (CD) of 2.8. The tractive force FD is given by the following equation.
[0102]
[Formula 6]

This lateral traction force deviates the trajectory of the vertically incident particle 116, and the inertial centripetal force F_iA trajectory having a radius of curvature R determined by the following equation is drawn.
[0103]
[Expression 7]

To get R,
[Equation 8]

The resulting deviation x is given by:
[0104]
[Equation 9]

Or if the vertical propellant flow diameter L / 2 is half the array pitch,
[Expression 10]

Flow rate v, particle size D, given array density, and particle density 1000 kg / m at various conditions^ThreeTable 4 shows the deviation x obtained.
[0105]
[Table 4]

From the above, the spot size in the most severe case at the flow velocity of 300 m / s, the printing substance particle size of 1 μm, the resolution of 600 spi, and the propellant flow width (that is, the size of the discharge orifice) of 21 μm is as follows.
[0106]
## EQU11 ##

The spread of the spot size is caused by lateral pulling at the propellant flow / printed substrate interface. Note that this is the most severe case. That is, (1) the crossflow is a completely developed cross flow without a stagnation part, (2) the friction loss and the phase of the printing medium are ignored, and the cross flow velocity is completely equal to the propellant flow velocity. ) It is assumed that the traction force acts without being attenuated from the printing medium to a distance twice the diameter of the jet, and disappears when it is further away. It should also be noted that the Reynolds number is very small due to the characteristic length scale, and turbulence cannot be generated according to the microfluidic flow theory. That is, as the particle size decreases, R increases, and at a certain point, R approaches the propulsion body flow in the lateral direction with a thickness of 2L. In this case, the printing substance particles greatly deviate from the center of the spot and finally do not reach the printing medium. From the above, it has been shown (based on the assumptions made here) that this occurs with printing materials with a particle size of 100 nm or less. This not only shows satisfactory spot size and position control, but under the assumed conditions, requires special mechanisms to extract the printing material from the propellant stream and place it on the substrate. It is an illustration of not doing.
[0107]
However, when it is desired to further enhance the extraction of the printing substance particles from the propellant stream on the surface of the substrate to be printed (for example, the flow velocity / particle size is small), an electrostatically enhanced particle extraction method is used. The substrate or platen (if used) is charged opposite to the charge of the printing substance particles, and the attraction between the particles and the substrate / platen enhances the extraction of the particles. Such an embodiment 178 is shown in FIG. Here, the body 26 is placed near a platen 180 that can receive and hold an effective charge. The charge on the platen 180 is supplied by a donor roller 182 that moves with the platen 180 by belt 184 or other means, or by other known methods (friction charging brush, piezoelectric coating, etc.).
[0108]
In one example, positive net charge is supplied to the platen 180 from the donor roller 182. The print substance particles 188 are given a negative net charge, for example by corona or other means as shown in FIG. A substrate (eg, paper) is placed on the platen side between the printing material source and the platen. The attractive force between the printing material 188 and the platen accelerates the printing material toward the platen, and if this attractive force is strong enough, especially in embodiments where the speed of the propellant is relatively slow, the propulsion of the propellant in the lateral direction. Can overcome the deviation of the printed material from the spot center. Furthermore, this attractive force is referred to as “bounce” and the purpose of the substrate prior to splashing of the printing material due to bounce from the substrate and post-injection processing (eg, heating and / or fixing with pressure roll 186). Helps to solve problems such as adhesion to unprinted parts and adhesion to places other than the substrate. This is particularly beneficial when the kinetic energy fusion described below cannot be used.
[0109]
The printing substance once injected on the printing medium must be adhered or fixed to the printing medium. Although there are many fixing methods according to the present invention, one simple method is to use the kinetic energy of the printing material particles. For this purpose, when the printing material particles collide with the substrate, the velocity V is sufficient for the particles to melt with the kinetic energy due to the plastic deformation of the collision._cMust be (assuming the substrate to be printed is infinitely hard). After melting (complete phase change to liquid or glass phase or similar, temporary reversible phase change), the particles resolidify (or otherwise return to the original phase), thereby causing the substrate to be printed To settle.
[0110]
The following requirements are necessary for performing kinetic energy fusion. (1) The kinetic energy of the particles is large enough to exceed the elastic limit of the particles. (2) The kinetic energy is greater than the heat required for the particle to undergo a phase change beyond its softening point. FIG. 35 is a plot 190 of the number of printed material particles versus kinetic energy for a typical embodiment of the present invention, showing the general conditions under which kinetic energy fusion occurs. Below a certain kinetic energy value, the particles have insufficient energy to fuse to the substrate, above which the particles have sufficient kinetic energy for fusion. This certain kinetic energy value is called a kinetic energy fusion threshold value, and is indicated by a boundary line 192 in FIG. In essence, particles with kinetic energy at 194 do not fuse due to insufficient heating and particles with energy at 196 fuse. There are two ways to increase the percentage of printed material particles that fuse. The first is to lower the threshold for kinetic energy fusion. This is essentially related to the quality of the printed material. Second, the entire kinetic energy curve is shifted, for example, by increasing the propellant speed.
[0111]
Kinetic energy E of a spherical particle with velocity v, density ρ, diameter d_kIs given by:
[0112]
[Expression 12]

Diameter d, heat capacity C_p, Spherical particles having a density ρ₀To its softening point T_sEnergy E required for heating above_mIs given by:
[0113]
[Formula 13]

Particles having a diameter d and Young's modulus E are represented by their elastic limit σ_eEnergy E required to be deformed over to the plastic deformation region_pIs given by:
[0114]
[Expression 14]

Ultimate speed v to cause plastic deformation_cpIs given by:
[0115]
[Expression 15]

That is, the ultimate speed v for causing kinetic energy fusion_cmIs given by:
[0116]
[Expression 16]

C_p= 1000J / kgK, T_s= 60 ° C, T_oFor thermoplastics with = 20 ° C., the ultimate speed required to produce kinetic energy fusion is 280 m / s. This is consistent with the assumptions made earlier. It should be noted that this value is independent of particle size and density.
[0117]
There are several ways to increase the propellant flow to 280 m / s or higher. One is a flow path having a converging portion 48 and a diverging portion 50, such as a so-called propulsion body having a relatively high pressure (for example, about several atmospheric pressures in a certain example), for example, as shown in FIG. It is supplied to the converging part of the De Laval nozzle to convert the propellant pressure into speed. In an example, the propulsion body is subsonic (for example, 331 m / s or less) in all parts of the flow path. In another example, the propulsion body is subsonic at the converging unit 48, supersonic at the diverging unit 50, and at or near the speed of sound at the throat 53 between the converging unit and the diverging unit.
[0118]
FIG. 36 shows the propellant velocity v at the discharge orifice 56 versus propellant pressure in the flow path 46 (corresponding to about 300 spots / inch) having a square cross section of 84 μm on each side. As can be seen, 280 m / s can be easily achieved at moderate pressures with or without nozzles.
[0119]
In the above, it is assumed that the substrate to be printed is infinitely hard, but in many cases this is not the case. The elastic effect of the printed material reduces the apparent E coefficient without reducing the yield strength of the material (that is, more energy is required to obtain the yield stress of the material, and plastic deformation occurs). More energy is needed, and V_cpIncrease). In other words, if the kinetic energy is larger than the energy required for melting the particles but the collision is elastic, the particles may bounce and the heating may be insufficient. Thus, in some devices (due to the elasticity of the substrate to be printed), the pre-impact speed of the printing material particles must be increased or an auxiliary melting device must be used.
[0120]
When auxiliary melting is required (that is, the printing medium has elasticity, the speed of printing substance particles is low, etc.), many means can be used. For example, one or more heated filaments 122 are provided near the injection port 54 (shown in FIG. 4). This reduces the kinetic energy required to melt the printing material particles, or indeed melts at least some of the printing material particles in flight. In order to bring about the same effect, a heated filament 124 is installed near the substrate 38 (also shown in FIG. 4) instead of or in addition to the filament 122.
[0121]
Another way of assisting the melting process is to pass the printing material through a beam of intense parallel light, such as a laser beam, thereby reducing the kinetic energy required for melting the printing material particles or flying. Giving the particles sufficient energy to melt at least some of the particles therein. This embodiment is shown in FIG. This is because the flow 130 of the printing substance particles passes through strong parallel light such as a laser beam 132 emitted from the laser 134 on the way to the substrate 37. Of course, similar results can be obtained with a light source other than the laser 134.
[0122]
As shown in FIG. 32, density ρ, mass m, diameter d, heat capacity C_p, Softening point T_sParticles with velocity v and width L₁, Height L₂Is assumed to pass through the laser beam. The temperature change ΔT due to the heat input ΔQ of this particle is given by the following equation.
[0123]
[Expression 17]

The laser power density p is obtained by dividing the laser power P by the area of the ellipse as follows.
[0124]
[Formula 18]

The energy absorbed by the particles per unit time is expressed as laser power density × irradiated particle area (πd²/ 4) × absorption coefficient α.
[0125]
[Equation 19]

The energy absorbed by the particle as it moves through the beam is given by:
[0126]
[Expression 20]

Thereby, the temperature change is given by the following equation.
[0127]
[Expression 21]

The initial temperature of the particle is T₀The laser power required to heat the particles above their glass transition temperature is given by:
[0128]
[Expression 22]

As an example, the following values were assumed:
[0129]
[Table 5]

According to this example, the laser power required to melt the printing material particles is 1.9 watts. This is the normal output range of commercially available laser devices, such as continuous beam, fiber-coupled laser diode arrays.
[0130]
FIG. 38 plots the output of the light source required to melt the particles against the particle size at various particle velocities, for example, the particle size and speed at which in-flight melting with a laser diode is possible. The advantage of melting in flight is that the bulky material is heated (no bulky printing material or substrate). For this reason, in-flight melting can be used in a variety of printed material supply packages (eg, fixed installation and removable printed material containers), and the enthalpy of the printed material is low despite the relatively high particle temperature. (In other words, since the thermal mass is low), it can be used for various printed materials.
[0131]
Also, according to certain applications of the present invention, other methods of assisting the melting process can be used. For example, the propulsion body itself is heated. As the result, the heat of the propellant melts the printing material particles, which causes channel contamination and clogging, which is undesirable as a result, but gives enough heat energy to the particles to shorten the melting time and require impact fusion. Reduce kinetic energy. The substrate (or substrate carrier such as a platen) is heated sufficiently to assist kinetic energy fusion or to actually melt the printing material particles. Alternatively, in the same manner as the fixing method used in the current electrophotographic apparatus, heat, pressure, or a combination of the two is used, and fixing is performed at the separation unit of the apparatus. When a UV curable material is used as the printing material, UV irradiation is performed during flight or on the printing material to fix or cure.
[0132]
It is clear that an important aspect of the present invention is that phase change and fixing can be performed on a pixel-by-pixel basis. That is, much of the prior art has been limited to bulky liquid phase printing materials such as liquid ink or toner in a liquid carrier. In the present invention, it is possible to perform single flow path printing using a plurality of printing materials or a plurality of colors for each pixel, which is very excellent in resolution.
[0133]
In one embodiment of the present invention, the propellant continuously flows through the flow path while the printing device is operating. This can be achieved by maximizing the speed at which the device can print on the substrate (constant standby), constantly removing printed material that accumulates in the flow path, and contaminants in the flow path (paper fibers, dust, external environment). There are several purposes, such as preventing the intrusion of moisture etc. from moisture.
[0134]
In a non-operating state such as when the device is turned off, the propulsion body does not flow through the flow path. In order to prevent the entry of contaminants in this state, the closure structure 146 shown in FIG. 39 is brought into contact with the surface of the print head 34, in particular the discharge orifice 56. The closing structure 146 is a rubber plate or other impermeable material that can seal the flow path from the outside. Alternatively, if the print head 34 is movable in the printing device, it is moved to a maintenance section in the printing device, as commonly used in TIJ and other printing devices. Further, in a printing apparatus that performs printing on a sheet-like medium supported by a platen, a roller, and the like, and when the platen, the roller, etc. are made of an appropriate material such as rubber, the print head 34 is connected to the platen, Move until it comes into contact with a roller or the like to seal the flow path. Alternatively, as shown in FIG. 40, the platen, the roller, etc. are moved to contact the print head 34.
[0135]
The port 42, the flow path 136 connected to the port 42, and the electrodes 142 and 144 are cleaned by the propellant flow forming the fluidized bed described above. Alternatively, the pressure balance between the flow path and the printing substance cavity is adjusted, and cleaning is performed by flowing a propellant through the port or the like when the printing substance is not injected into the flow path.
[0136]
Another embodiment 320 is shown in FIG. In the embodiment 320, it is essential to reverse the propellant flow through the print head 322. Much of the description here applies equally to this embodiment, except that fluidized bed 324 is formed by a suitable gas, such as a propellant from propulsion source 33, under the control of valve 326 or similar means. Is done. The aerosol portion 328 is formed on the fluidized bed 324 by the same gas or other means as the fluidized bed 324. The printing material from the aerosol section 328 is metered into the propellant stream.
[0137]
  As described above, it has been clarified that the present embodiment discloses various embodiments of the ballistic aerosol printing apparatus and its components. These embodiments include an integrated reservoir and compressor for supplying a pressurized propellant, a replenishable or equally remote printed material reservoir, and a high propulsion for kinetic energy fusion. From a large-scale device that has speed (equivalent to supersonic speed) and is designed to quickly print on one or more widely different substrates to very high throughput or very large areas Small devices (eg desktop, home office, etc.) equipped with replaceable cartridges filled with printing material and propellant and designed for high-quality, high-speed printing (color or single color) on paper ) Is included. The embodiments described and referred to in this case allow printing of single printing materials, single-channel full-color printing materials, printing of materials not visible to the naked eye, pre-printing treatment materials, post-printing treatment materials, etc. At this time, substantially all of the printing material can be mixed in the flow path of the device before printing on the substrate, or mixed on the substrate without re-registration. can do. However, it will be apparent that the description herein is merely exemplary and is not intended to limit the scope of the invention or the claims.
<Appendix>
(1) The method according to claim 6, which is used in a printing apparatus, further comprising a step of continuously flowing the propellant flow into the flow path while the printing apparatus is in an operating state. how to.
(2) The method according to claim 6, wherein a plurality of different printing materials are further introduced into the propellant flow while being controlled, and the plurality of different printing materials are applied to the substrate by the energy of the propelling body flow. A method comprising the step of colliding, wherein at least one of the printing materials is a particulate printing material.
(3) The method according to claim 6, further comprising the step of mixing the plurality of printing substances in the flow path before colliding with the printing medium.
(4) The printing method according to claim 7, wherein the propellant flow imparts kinetic energy to the printing material fine particles,
  (A) The collision of the printing substance fine particles with the substrate to be printed exceeds the elastic limit of the printing substance fine particles,
  (B) A printing method comprising causing a phase change by heating the printing substance fine particles to a temperature higher than a softening point thereof by collision of the printing substance fine particles with the substrate.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram of an apparatus for printing on a substrate according to the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view of a printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is another cross-sectional view of a printing apparatus according to an embodiment of the present invention.
4 is a cross-sectional view of a flow path having nozzles in the printing apparatus shown in FIG.
FIG. 5 is a longitudinal cross-sectional view of several example channels according to the present invention.
FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of several example channels according to the present invention.
FIG. 7 is a cross-sectional view of a flow path having no nozzle of the printing apparatus according to the present invention.
FIG. 8 is a longitudinal cross-sectional view of another example flow path according to the present invention.
FIG. 9 is an end view of a non-zigzag array and a two-dimensional zigzag array flow path in accordance with the present invention.
FIG. 10 is a plan view of a channel arrangement of the device according to the embodiment of the present invention.
11 is a plan view showing a part of the flow path arrangement shown in FIG. 10 of the ports in the two embodiments according to the present invention. FIG.
FIG. 12 is a cross-sectional view showing a printing apparatus having a detachable main body according to two different embodiments of the present invention.
FIG. 13 is a process flow diagram relating to printing of a printing material according to the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view (FIG. 14 (a)) and a plan view (FIG. 14 (b)) of a printed material metering device using an annular electrode according to an embodiment of the present invention.
FIG. 15 is a cross-sectional view of a printed material metering device using two electrodes according to another embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a cross-sectional view of a printed material metering device using an acoustic ink ejector according to yet another embodiment of the present invention.
FIG. 17 is a cross-sectional view of a printed material metering device using a TIJ injector according to yet another embodiment of the present invention.
FIG. 18 is a cross-sectional view of a printed material metering device using a piezoelectric transducer / diaphragm according to yet another embodiment of the present invention.
FIG. 19 is a schematic representation of an array of printed material metering devices combined for matrix addressing.
FIG. 20 is another schematic diagram of an array of printed material metering devices combined for matrix addressing.
FIG. 21 is a cross-sectional view of an embodiment in which a fluidized bed of printing material is generated in a cavity.
FIG. 22 is a graph plotting pressure against time in a cavity with balanced pressure according to an embodiment.
FIG. 23 is a cross-sectional view showing an embodiment of the present invention using another printing substance supply apparatus.
FIG. 24 is a cross-sectional view of a printed material transport apparatus using an electrode grid and electrostatic traveling waves according to an embodiment of the present invention.
FIG. 25 is a cross-sectional view of an assembly that performs both printing material transport and metering according to another embodiment of the present invention.
FIG. 26 is a cross-sectional view of an embodiment filled with a fluidized bed of printed material according to the present invention.
FIG. 27 is a plan view of flow path arrangements and addressing circuit components according to an embodiment of the present invention.
FIG. 28 is a graph showing the distribution of the number of colors per spot size (or spot density) obtained by an embodiment of the ballistic aerosol printing apparatus of the present invention.
FIG. 29 is a plan view showing an example of a propellant flow pattern at the interface with the printing medium as viewed from directly above the printing medium.
30 is a side view of the propellant flow pattern of FIG. 29 and a graph showing the print substance particle distribution as a function of position in the propellant flow.
FIG. 31 is a model diagram for calculating a lateral deviation from the center of a printed material spot in the most extreme case.
FIG. 32 is a model diagram for calculating a laser output necessary for post-injection printing material processing such as auxiliary melting.
FIG. 33 is a cross-sectional view of a ballistic aerosol printing device that electrostatically assists in the extraction and / or retention before fixing of the printed material.
FIG. 34 is a cross-sectional view of an embodiment of the present invention using solid printed material particles suspended in a liquid carrier medium.
FIG. 35 is a graph plotting the number of particles with respect to kinetic energy, showing a threshold of kinetic energy fusion in an embodiment of the present invention.
FIG. 36 is a graph plotting propellant velocity at the discharge orifice against propellant pressure in a flow path with or without a convergence / divergence according to the present invention.
FIG. 37 is a cross-sectional view showing a flow path and a light beam arranged for performing a printing substance treatment after light-assisted injection.
FIG. 38 is a graph plotting light source output versus printing material particle size showing the effective range of printing material processing after light-assisted injection.
FIG. 39 is a cross-sectional view of a ballistic aerosol printing device using a closure structure for reducing or preventing clogging, moisture effects, etc., according to an embodiment of the present invention.
FIG. 40 is a cross-sectional view showing the closing of the flow path by moving the platen into contact with the discharge orifice according to an embodiment of the present invention.
FIG. 41 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the print head according to the present invention.
FIG. 42 is a cross-sectional view showing the manufacturing process of the print head according to the present invention.
FIG. 43 is a cross-sectional view of a particular portion of another embodiment of a ballistic aerosol printing apparatus according to the present invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ballistic aerosol apparatus, 12 Injector, 14 Propulsion body, 16 Printing substance, 18 Transport mechanism, 20,22 Control, 21 Metering, 23 Post-injection processing, 24 Ballistic aerosol apparatus, 26 Main body, 28 Cavity, 29 Opening, 30 Propulsion Cavity, 31 Valve, 32 Mounting Parts, 33 Propulsion Source, 34 Print Head, 36 Support, 37 Channel Layer, 38 Printed Material, 40 Platen, 42 Port, 43 Opening, 44 Port, 45 Corona , 46 channel, 47 propellant receiving part, 48 converging part, 50 diverging part, 52 printing material injection part, 53 throat, 54 electrode, 55 counter electrode, 56 discharge orifice, 60 body, 62 propulsion source, 64 mount part , 66 Corona, 68 Transducer / diaphragm, 69 Addressing means, 86 Fluidized bed, 87 Heating element, 88, 90 electrodes, 91 contact layer, 104 metering feeder, 106 row address conductor, 108 column address conductor, 110 stream line, 112 printed material spot, 114 Gaussian density distribution, 116 particles, 118 propellant stream, 120 lateral propellant flow, 122,124 heated filament, 130 flow, 132 laser beam, 134 laser, 136 channel, 138 layer, 140 spacing layer, 142,144 plate electrode, 146 closure structure, 148 grid, 154 embodiments, 156 pool, 158 transducer, 160 support, 162 converging means, 164 splash, 168 TIJ ejector, 170 printed material, 172 ports, 174 cavities, 176 heating elements, 177 foam, 178 flow paths 180 platen 181 splashes, 182 donor rollers, 184 belts, 186 heating and / or pressure rolls, 188 printing material particles, 190 plots, 192 boundaries, 194, 196 parts, 200 arrays, 202 metering feeders, 206 common lines, 208 wires 210, 212 Multiplexer, 214 Cavity, 220 Filter, 222 Piping, 224 Valve, 226 Circuit Component, 228, 230 Pressure Sensor, 232 Opening, 240, 242, 244 Wire, 250 Embodiment, 254 Wall, 256 Piezoelectric Material, 260 arrangement, 262 printing material carrier, 264 cavity, 266 body, 268 port, 272 semiconductor layer, 274 insulating layer, 276 first electrode, 278 second electrode, 282 printing material, 283 magnetic brush, 284 printing material transport Roll, 286 Solid printing material particles, 287 printing material reservoir, 288 liquid carrier medium, 290 pool, 292 electrode, 294 port, 296 flow path, 298 auxiliary electrode, 300 meniscus, 310, 312 layer, 314, 315 electrode, 320 Embodiment, 322 Printhead, 324 Fluidized Bed, 326 Valve, 328 Aerosol Part.

Claims (1)

被印刷体に印刷を行う方法であって、
推進体をヘッド構造体に供給する工程であって、前記ヘッド構造体中には排出オリフィスを持つ流路を備え、前記推進体は前記流路を流れ、これにより運動エネルギーを持つ推進体流を形成し、前記流路は前記推進体流を前記排出オリフィスより排出し、前記被印刷体に向ける工程と、
印刷物質微粒子を前記流路中の前記推進体流に制御しながら導入する工程であって、前記推進体流の運動エネルギーにより、前記印刷物質微粒子を前記排出オリフィスより排出し、速度Ｖ_Cで前記被印刷体に衝突させ、前記速度は印刷物質微粒子が前記被印刷体と衝突する際、塑性変形により印刷物質微粒子が溶融するのに運動エネルギーを持つ速度である工程と、
印刷物質微粒子を再固化し、これにより前記印刷物質を前記被印刷体に定着する工程と、
を含み、前記推進体流は前記印刷物質微粒子に運動エネルギーを与え、
（ａ）前記印刷物質微粒子の前記被印刷体との衝突は前記印刷物質粒子の弾性限界を越えるものであり、
（ｂ）前記印刷物質微粒子の前記被印刷体との衝突により前記印刷物質微粒子をその軟化点以上に加熱して相変化を起こすことを特徴とする印刷方法。A method for printing on a substrate,
A step of supplying the propulsion body to the head structure, wherein the head structure includes a flow path having a discharge orifice, and the propulsion body flows through the flow path, thereby generating a propulsion body flow having kinetic energy. Forming the flow path through which the propellant stream is discharged from the discharge orifice and directed to the substrate to be printed;
A step of introducing printing substance fine particles into the propellant flow in the flow path in a controlled manner, wherein the printing substance fine particles are discharged from the discharge orifice by the kinetic energy of the propellant flow, and the velocity is V _C. Colliding with a printing medium, and the speed is a speed having a kinetic energy for the printing substance fine particles to melt by plastic deformation when the printing substance fine particles collide with the printing medium;
Re-solidifying the printing substance fine particles, thereby fixing the printing substance to the substrate;
The propellant stream provides kinetic energy to the printing material particulates;
(A) Collision of the printing substance fine particles with the substrate to be printed exceeds the elastic limit of the printing substance particles;
(B) A printing method comprising causing a phase change by heating the printing substance fine particles to a temperature higher than a softening point thereof by collision of the printing substance fine particles with the substrate.

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