JP2004148829A - 流体噴射デバイスおよび流体を分配する方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】 流体噴射デバイス中で流体を循環させ、流体噴射デバイスからの気泡の除去および/または流体噴射デバイス内で生じた熱の消散を容易にする。
【解決手段】 第1の側42および該第1の側42の反対にある第2の側43を備え、前記第1の側42に形成された第1開口44および前記第2の側43に形成された複数の第2開口45を設け、該第2開口45の各々は前記第1開口44と連通している基板40と、前記基板40の前記第1の側42に形成された複数の滴噴射要素31とを備え、前記第2開口45および前記第1開口44は、前記基板40の中で流体を循環させるようになっている流体噴射デバイス。
【選択図】 図3

Description

本発明は、包括的には流体噴射デバイスに関し、特に流体噴射デバイス中での流体の循環に関する。
流体噴射システムの一実施形態である従来のインクジェットプリントシステムは、プリントヘッドと、当該プリントヘッドに液体インクを供給するインク供給源と、上記プリントヘッドを制御する電子制御器とを備えている。流体噴射デバイスの一実施形態であるプリントヘッドは、複数のオリフィスすなわちノズルからプリント媒体(例えば、1枚の紙)に向かってインク滴を噴射し、上記プリント媒体上にプリントするようになっている。通常、オリフィスは1つまたは複数のアレイに配置され、プリントヘッドとプリント媒体を相対的に移動させる間に、上記オリフィスから適切な順序でインクを噴射することにより、文字や他の画像がプリント媒体にプリントされるようになっている。
プリントヘッドなどの流体噴射デバイスのなかには、基板上に複数の滴噴射要素を形成し、基板内のスロット、すなわち開口を通じて滴噴射要素の噴射室に流体を送るものもある。残念なことに、流体噴射デバイスの動作を低下させる可能性がある気泡および/または、空気粒子が基板の開口に溜まる場合がある。さらに、流体噴射デバイスの動作に影響を与える可能性がある熱が滴噴射要素の動作中に生じる恐れがある。
したがって、流体噴射デバイス中で流体を循環させ、流体噴射デバイスからの気泡の除去および/または流体噴射デバイス内で生じた熱の消散を容易にすることが望ましい。
流体噴射デバイスは、第1の側および当該第1の側の反対にある第2の側を有する基板と、当該基板の上記第1の側に形成された複数の滴噴射要素とを備えている。上記基板は、上記第1の側に形成された第1開口および上記第2の側に形成された複数の第2開口を備え、当該第2開口の各々は上記第1開口と連通し、上記第2開口および上記第1開口は、上記基板の中で流体を循環させるようになっている。
以下の好適な実施形態の詳細な説明では、本明細書の一部を構成する添付図面を参照する。図面には、本発明を実施することのできる具体的な実施形態を例として示している。これに関して、方向を示す用語、例えば「上部」、「底部」、「前面」、「後面」、「前縁(leading)」、「後縁(trailing)」等は、説明中の図(複数可)の向きを基準として用いられている。本発明の構成要素は多数の異なる向きで配置できるため、方向を示す用語は、説明目的で用いられ、決して限定的なものではない。本発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態が用いられ、また構造的または論理的な変更がなされ得ることが理解されるべきである。したがって、以下の詳細な説明は、限定的な意味で解釈されるべきではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定義される。
図1は、本発明によるインクジェットプリントシステム10の一実施形態を示している。インクジェットプリントシステム10は、流体噴射アセンブリ(例えば、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12)と、流体供給アセンブリ(例えば、インク供給アセンブリ14)とを備える流体噴射システムの一実施形態をなすものである。例示の実施形態において、インクジェットプリントシステム10は、また、取り付けアセンブリ16と、媒体搬送アセンブリ18と、電子制御器20とを備えている。
流体噴射アセンブリの一実施形態であるインクジェットプリントヘッドアセンブリ12は、本発明の一実施形態に従って形成され、複数のオリフィスすなわちノズル13からインク滴または流体滴を噴射する1つまたは複数のプリントヘッド、すなわち流体噴射デバイスを備えている。一実施形態において、滴は、プリント媒体19等の媒体に向けられ、当該プリント媒体19上にプリントを施すようになっている。プリント媒体19は、任意のタイプの好適なシート材料、例えば紙、カードストック、透過原稿(transparency)、マイラー等である。通常、ノズル13は、1つまたは複数の列またはアレイに配置され、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12とプリント媒体19を相対的に移動させる間に、ノズル13から適切な順序でインクを噴射することにより、一実施形態では文字、記号、および/または他の図形あるいは画像がプリント媒体19上にプリントされるようになっている。
流体供給アセンブリの一実施形態であるインク供給アセンブリ14は、プリントヘッドアセンブリ12にインクを供給するもので、インクを収容するリザーバ15を備えている。よって、インクは、リザーバ15からインクジェットプリントヘッドアセンブリ12へ流れるようになっている。一実施形態では、後述するように、インク供給アセンブリ14とインクジェットプリントヘッドアセンブリ12とが、再循環式インク供給システムを形成している。よって、インクの流れは、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12からリザーバ15に戻るようになっている。一実施形態において、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12およびインク供給アセンブリ14は、ともに、インクジェットまたは流体ジェットカートリッジまたはペンに収容されている。別の実施形態において、インク供給アセンブリ14は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12と分離しており、供給管等のインタフェース接続を通じてインクジェットプリントヘッドアセンブリ12にインクを供給している。
取り付けアセンブリ16は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12を媒体搬送アセンブリ18に対して位置付け、媒体搬送アセンブリ18は、プリント媒体19をインクジェットプリントヘッドアセンブリ12に対して位置付けている。したがってプリントゾーン17は、ノズル13に隣接してインクジェットプリントヘッドアセンブリ12とプリント媒体19の間の範囲に画定されるようになる。一実施形態において、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12は、走査型プリントヘッドアセンブリであり、取り付けアセンブリ16は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12を媒体搬送アセンブリ18に対して移動させるキャリッジを備えている。別の実施形態において、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12は、非走査型プリントヘッドアセンブリであり、取り付けアセンブリ16は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12を媒体搬送アセンブリ18に対して所定の位置に固定している。
電子制御器20は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12、取り付けアセンブリ16、および媒体搬送アセンブリ18と通信するようになっている。電子制御器20は、コンピュータ等のホストシステムからのデータ21を受け取り、また、データ21を一時的に格納するメモリを備えている。通常、データ21は、電子、赤外線、光または他の情報転送路を伝わってインクジェットプリントシステム10に送られている。データ21は、例えば、プリントすべき文書および/またはファイルを表している。よって、データ21は、インクジェットプリントシステム10のプリントジョブを形作るとともに、1つまたは複数のプリントジョブコマンドおよび/またはコマンドパラメータを含んでいる。
一実施形態において、電子制御器20は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12の制御、例えばノズル13からのインク滴の噴射のタイミング制御を行なっている。よって、電子制御器20は、プリント媒体19上に文字、記号、および/または他の図形あるいは画像を形成するための噴射されるインク滴のパターンを定めることになる。タイミング制御、よって噴射されるインク滴のパターンは、プリントジョブコマンドおよび/またはコマンドパラメータによって決まる。一実施形態において、電子制御器20の一部を成す論理および駆動回路は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12上に位置する。別の実施形態において、論理および駆動回路は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12から離れて位置する。
図2は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ12の流体噴射デバイス30の一部の一実施形態を示している。流体噴射デバイス30は、滴噴射要素31のアレイを備えている。滴噴射要素31は、基板40上に形成され、当該基板40内には、流体(またはインク)供給スロット41が形成されている。よって、流体供給スロット41は、滴噴射要素31に対して流体(またはインク)の供給を行なっている。基板40は、例えば、シリコン、ガラス、または安定ポリマーから作られている。
一実施形態において、各滴噴射要素31は、発射抵抗器(firing resistor)34を有する薄膜構造32と、オリフィス層36とを備えている。この薄膜構造32内には、基板40の流体供給スロット41と連通する流体(またはインク)供給チャネル33が形成されている。オリフィス層36は、前面37と、当該前面37に形成されたノズル開口38とを備えている。オリフィス層36内には、ノズル開口38および薄膜構造32の流体供給チャネル33と連通するノズル室39も形成されている。発射抵抗器34は、ノズル室39内に位置付けられ、また、当該発射抵抗器34を駆動信号およびアースに電気的に結合させるリード線35を備えている。
薄膜構造32は、例えば、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ケイ素、タンタル、ポリシリコンガラス、または他の適切な材料が使用された1つまたは複数のパッシベーション層または絶縁層によって形成されている。一実施形態において、薄膜構造32は、また、発射抵抗器34およびリード線35を画定する導電層も備えている。この導電層は、例えば、アルミニウム、金、タンタル、アルミニウムタンタル(tantalum-aluminum)、または他の金属または合金から作られている。
一実施形態において、動作中、流体は、流体供給スロット41から流体供給チャネル33を介してノズル室39へ流れるようになっている。ノズル開口38は、発射抵抗器34と作動的に関連付けられており、発射抵抗器34に電圧が印加されると、流体滴がノズル室39からノズル開口38を通って(例えば、発射抵抗器34の平面に対して垂直に)媒体に向かって噴射されるようになっている。
流体噴射デバイス30の実施例には、上述のようなサーマルプリントヘッド、圧電プリントヘッド、フレックステンショナル(flex-tensional)プリントヘッド、または当技術分野で知られる他の任意のタイプの流体ジェット噴射デバイスがある。一実施形態において、流体噴射デバイス30は、完全一体型のサーマルインクジェットプリントヘッドである。
一実施形態では、図3に示すように、流体噴射デバイス30の基板40は、第1の側42および第2の側43を備えている。第2の側43は、第1の側42の反対側にあり、一実施形態では当該第1の側42と略平行な向きになっている。さらに、基板40の流体供給スロット41は、第1スロットすなわち開口44と、複数の第2スロットすなわち開口45とを備えている。第1開口44は基板40の第1の側42に形成されてこれと連通し、第2開口45は基板40の第2の側43に形成されてこれと連通している。第2開口45は、第1開口44と連通して、基板40を貫通する開口46を形成するようになっている。第1開口44および第2開口45を含む開口46は、例えば、本発明の譲受人に譲渡された、それぞれ「流体噴射デバイスの基板および基板形成方法(Substrate and Method of Forming Substrate for Fluid Ejection Device)」という発明の名称の米国特許出願第10/062,050号および同第10/061,514号に記載された基板40内に形成されている。
一実施形態において、流体噴射デバイス30の滴噴射要素31は、基板40の第1の側42に形成されている。したがって、第1の側42が基板40の前側、第2の側43が基板40の後側となり、流体(またはインク)は開口46を通って基板40の後側から前側へと流れるようになっている。よって、流体は、矢印47で示すように第2開口45を通って第1開口44に供給されている。一実施形態では、流体は後述のように、矢印48で示すように第1開口44に沿って第2開口45を通って循環している。したがって、開口46は、基板40の中で、滴噴射要素31への流体(またはインク)連通のための流体チャネルを提供している。
一実施形態において、滴噴射要素31は、第1のアレイと第2のアレイとを備えている。滴噴射要素31の第1のアレイは、第1開口44の第1の側に位置付けられ、滴噴射要素31の第2のアレイは第1開口44の第2の側に位置付けられている。よって、発射抵抗器34の第1のアレイ341は、第1開口44の第1の側に位置付けられ、発射抵抗器34の第2のアレイ342は第1開口44の第2の側に位置付けられることになる。
一実施形態では、図4および図5に示すように、基板40は流体マニホルド50によって支持されている。流体マニホルド50は、基板40の中で流体を分配する複数の流体通路52を備えている。より具体的には、流体通路52は、後述のように、基板40に流体を供給し、かつ基板40の中で流体を循環させている。
一実施形態において、流体マニホルド50には、弁54が関連付けられて(associated with)いる。弁54は、1つまたは複数の位置間で移動し、流体マニホルド50に流体を選択的に分配している。よって弁54は、流体マニホルド50の流体通路52間で流体を分配する複数の流体通路56を形成している。
図4の実施形態に示すように、弁54は、第1の位置に位置付けられると、基板40の第2開口45に流体を供給するようになっている。より具体的には、弁54の流体通路56は、基板40の第2開口45と連通する流体マニホルド50の流体通路52に流体を分配して、基板40の各第2開口45に流体が供給されるように位置付けられる。弁54は、例えば、流体噴射デバイス30の動作中に、第1の位置に位置付けられる。流体噴射デバイス30の動作中、1つまたは複数の滴噴射要素31(図3)が、第2開口45を通じて第1開口44に供給された流体を噴射する。
図5の実施形態に示すように、弁54は、第2の位置に位置付けられると、基板40の中で流体を循環させるようになっている。より具体的には、弁54の1つの流体通路56が、基板40の1つの第2開口45と連通する流体マニホルド50の1つの流体通路52に流体を分配するように位置付けられている。さらに、弁54の1つの流体通路56が、基板40の別の第2開口45と連通する流体マニホルド50の別の流体通路52から流体を受け取るように位置付けられている。よって流体は、基板40の第2開口45を循環することになる。基板40の第2開口45は、基板40の第1開口44と連通しているため、流体は、第1開口44を、より具体的には基板40中を循環するようになる。一実施形態において、弁54は断続的に、流体噴射デバイス30の、より具体的には滴噴射要素31(図3)の非動作中に第2の位置に位置付けられる。
図4および図5の実施形態に示すように、基板40の第2開口45は、第1の第2開口451および第2の第2開口452を備え、そのそれぞれが基板40の第2の側43に沿って離間している。よって、図4に示すような一つの位置において、流体マニホルド50と弁54とは、流体通路52および56が第1の第2開口451および第2の第2開口452に流体を供給するように構成されている。したがって、第1の第2開口451および第2の第2開口452は、基板40の第1開口44に、よって流体噴射デバイス30の滴噴射要素31(図3)に流体を供給するようになっている。
図5に示すような別の位置では、流体マニホルド50と弁54とは、流体通路52および56が第1の第2開口451に流体を供給し第2の第2開口452から流体を受け取るように構成されている。したがって、第1の第2開口451および第2の第2開口452は、基板40の第1開口44に、よって流体噴射デバイス30の滴噴射要素31(図3)間で流体を循環させている。
図6または図8に示すような別の実施形態では、基板40の第2開口45は、第1の第2開口451、第2の第2開口452、および第3の第2開口453を備えている。よって、図6に示すような一つの位置において、流体マニホルド50と弁54とは、流体通路52および56が第1の第2開口451、第2の第2開口452、および第3の第2開口453に流体を供給するように構成されている。したがって、第1の第2開口451、第2の第2開口452、および第3の第2開口453は、基板40の第1開口44に、よって流体噴射デバイス30の滴噴射要素31(図3)に流体を供給するようになっている。
図7に示すような別の位置において、流体マニホルド50と弁54とは、流体通路52および56が第1の第2開口451に流体を供給し第3の第2開口453から流体を受け取るように構成されている。さらに、第2の第2開口452は流体が通過しないように封鎖されるようになっている。したがって、第1の第2開口451および第3の第2開口453は、基板40の第1開口44に、よって流体噴射デバイス30の滴噴射要素31(図3)間で流体を循環させている。
図8に示すような別の実施形態では、流体マニホルド50と弁54とは、流体通路52および56が第1の第2開口451および第3の第2開口453に流体を供給し第2の第2開口452から流体を受け取るように構成されている。したがって、第1の第2開口451、第2の第2開口452、および第3の第2開口453は、基板40の第1開口44に、よって流体噴射デバイス30の滴噴射要素31(図3)間で、流体を循環させている。基板40の第2開口45の数は異なるものとすることができ、流体マニホルド50および/または弁54(流体通路52および/または56を含む)の構成もまた、基板40に流体を供給するように、かつ/または基板40の中で流体を循環させるように、異なるものとすることができることが理解される。
基板の中で流体を循環させることによって、流体噴射デバイス内に溜まって流体噴射デバイスの動作を低下させる場合がある気泡および/または空気粒子を除去することができる。より具体的には、基板に滴噴射要素間で流体を循環させることによって、基板の開口に溜まる場合がある気泡および/または空気粒子を流体噴射デバイスから除去することができる。さらに、基板の中で流体を循環させることによって、滴噴射要素の動作中に生じてやはり流体噴射デバイスの動作に影響を与える可能性がある熱を消散させることができる。
基板を通る流体の流速は、例えば、基板の開口に溜まる場合がある気泡および/または空気粒子を除去するとともに、滴噴射要素の動作中に生じる熱を消散させるように選択されるようになっている。基板を通る流体の流速は、流体ならびに表面に左右される。例示的な一実施形態における流速は、約5cm/秒よりも速い。別の例示的な実施形態における流速は、約5cm/秒〜約15cm/秒の範囲である。さらに、例示的な一実施形態において、再循環流の場合に許容可能な基板内の圧力降下は約20inches−of−water(約4982Pa)以下である。例示的な一実施形態において、プリント中に許容可能な基板内の圧力降下は約6inches−of−water(約1495Pa)以下である。基板内の圧力降下は、流体および形状(基板内の開口のサイズおよび数を含む)に左右される。
上記の説明は、開口46(第1開口44および第2開口45を含む)が内部に形成された基板40をインクジェットプリントヘッドアセンブリに設けることに言及しているが、開口46が内部に形成された基板40は、非プリント用途または非プリントシステム、ならびに基板を貫通する流体チャネルを有する他の用途(例えば医療デバイス)を含む他の流体噴射システムに組み込むこともできることが理解される。したがって本発明は、プリントヘッドに限定されず、あらゆるスロット付き基板に適用可能である。
本明細書では好適な実施形態を説明する目的で特定の実施形態を例示および説明してきたが、当業者には、同じ目的を達成するように考慮された多種多様な代替の実施態様および/または等価の実施態様を、本発明の範囲から逸脱することなく、例示し説明した特定の実施形態に代えることができることが理解されるだろう。化学技術、機械技術、電気機械技術、電気技術、およびコンピュータ技術の熟練者は、本発明が多種多様な実施形態で実施され得ることを容易に理解するであろう。本願は、本明細書中で論議した好適な実施形態のあらゆる適応および変形を網羅することを意図している。したがって、本発明は特許請求の範囲とその等価物によってのみ制限されることが顕在的に意図される。
本発明に係るインクジェットプリントシステムの一実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る流体噴射デバイスの一部の一実施形態を示す概略断面図である。 本発明に係る流体噴射デバイスの一部の一実施形態を示す概略斜視図である。 流体噴射デバイスの一部の一実施形態を示す、流体噴射デバイスへの流体の供給を含む概略断面図である。 図4の流体噴射デバイスを示す、基板中の流体の循環を含む概略断面図である。 流体噴射デバイスの一部の別の実施形態を示す、流体噴射デバイスへの流体の供給を含む概略断面図である。 図6の流体噴射デバイスを示す、基板中の流体の循環の一実施形態を含む概略断面図である。 図6の流体噴射デバイスを示す、基板中の流体の循環の別の実施形態を含む概略断面図である。

Claims (18)

  1. 第1の側および該第1の側の反対にある第2の側を備え、前記第1の側に形成された第1開口および前記第2の側に形成された複数の第2開口を設け、該第2開口の各々は前記第1開口と連通している基板と、
    前記基板の前記第1の側に形成された複数の滴噴射要素と
    を備え、前記第2開口および前記第1開口は、前記基板の中で流体を循環させるようになっている流体噴射デバイス。
  2. 前記第2開口および前記第1開口は、前記滴噴射要素に流体を供給するようになっている請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  3. 前記第2開口および前記第1開口は、前記滴噴射要素間で流体を循環させるようになっている請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  4. 前記第2開口の少なくとも1つは前記第1開口に流体を選択的に供給するようになっており、かつ前記第2開口の別の少なくとも1つは前記第1開口からの流体を選択的に受け取るようになっており、それによって前記基板の中で流体を循環させている請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  5. 前記第2開口の各々は前記第1開口に流体を選択的に供給するようになっており、それによって前記滴噴射要素に流体を供給している請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  6. 前記第2開口の少なくとも1つは選択的に封鎖されるようになっており、それによって前記基板の中で流体を循環させている請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  7. 前記基板の前記第2開口に流体を分配するようになっている流体マニホルドをさらに備えている請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  8. 前記流体マニホルドに流体を選択的に分配するようになっている弁をさらに備えている請求項7に記載の流体噴射デバイス。
  9. 前記弁は、前記第2開口に流体を選択的に供給し、かつ前記第2開口を通じて流体を選択的に循環させるようになっている請求項8に記載の流体噴射デバイス。
  10. 前記基板はシリコン基板である請求項1に記載の流体噴射デバイス。
  11. 流体噴射デバイスは、第1の側に形成された第1開口、および第2の側に形成された複数の第2開口を有する基板と、該基板の前記第1の側に形成された複数の滴噴射要素とを備え、前記第2開口の各々は前記第1開口と連通し、
    前記第2開口および前記第1開口を介して前記滴噴射要素に流体を選択的に供給することと、
    前記第2開口および前記第1開口を介して前記基板の中で流体を選択的に循環させることと
    を含む流体噴射デバイスにおいて流体を分配する方法。
  12. 前記基板の中で流体を選択的に循環させることは、前記第2開口の少なくとも1つを介して前記第1開口に流体を供給することと、前記第2開口の別の少なくとも1つを介して前記第1開口から流体を受け取ることとを含む請求項11に記載の方法。
  13. 前記第1開口に流体を選択的に供給することは、前記第2開口の各々を介して前記第1開口に流体を供給することを含む請求項11に記載の流体噴射デバイスにおいて流体を分配する方法。
  14. 前記流体噴射デバイスの前記基板はシリコンから作られる請求項11に記載の流体噴射デバイスにおいて流体を分配する方法。
  15. 流体噴射デバイスは、第1の側に形成された第1開口、および第2の側に形成された複数の第2開口を有する基板と、該基板の前記第1の側に形成された複数の滴噴射要素とを備え、前記第2開口の各々は前記第1開口と連通し、
    前記第2開口および前記第1開口を介して前記滴噴射要素に流体を供給することと、
    前記滴噴射要素の少なくとも1つから流体を噴射することと、
    前記滴噴射要素の前記少なくとも1つからの流体の噴射を中止することと、
    前記第2開口および前記第1開口を介して前記基板の中で流体を循環させることと
    を含む流体噴射デバイスを動作させる方法。
  16. 前記基板の中で流体を循環させることは、前記第2開口の少なくとも1つを介して前記第1開口に流体を供給することと、前記第2開口の別の少なくとも1つを介して前記第1開口から流体を受け取ることとを含む請求項15に記載の流体噴射デバイスを動作させる方法。
  17. 前記滴噴射要素に流体を供給することは、前記第2開口の各々を介して前記第1開口に流体を供給することを含む請求項15に記載の流体噴射デバイスを動作させる方法。
  18. 前記流体噴射デバイスの前記基板は、シリコンから作られる請求項15に記載の流体噴射デバイスを動作させる方法。
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