JP2015522449A - 液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、圧力室（４６）；前記圧力室（４６）に流体接続されたノズルオリフィス（８）；前記圧力室（４６）内に存在する液体内に圧力波を生成するためのアクチュエータシステム；及び前記圧力室（４６）内の前記ノズルオリフィス（８）と反対の位置に配置された障害部材（７０）を含む液滴吐出装置に関する。障害部材（７０）は前記ノズルオリフィス（８）に対向する第１の面（７９）を含み、支持手段により前記圧力室（４６）の壁部に強固に連結されている。支持手段は前記障害部材（７０）の第１の面（７９）の近くに配置されている。本発明に係る液滴吐出装置は中空状液体通路からノズルオリフィスにかけて漸進的な遷移を提供する構造的ノズル流入手段をさらに含み得る。本発明に係る液滴吐出装置は、液滴吐出装置の内部に存在するデッドボリュームに空気が閉じ込められるのを防止するか又は少なくとも軽減する。

Description

本発明は、圧力室、前記圧力室に流体接続されたノズルオリフィス及び前記圧力室内の液体内に圧力波を生成するためのアクチュエータシステムを含む液滴吐出装置に関する。

液滴吐出装置は、例えば記録媒体上にインク液滴を吐出するインクジェットプリンタで用いられている。アクチュエータシステムは、例えば圧電アクチュエータを含み得る。圧電アクチュエータは、電圧が印加されると（energized）収縮動作を行い、次いで伸張動作を行って、圧力室内に存在する主に吐出液（例えばインク）内で音場を生成する。その結果、ノズルオリフィスから吐出液の液滴（例えばインク液滴）が吐出される。

液滴吐出装置のデメリットは、ノズルオリフィスを通って圧力室内に気泡が入り込みやすいという点である。これは、液滴の噴出後に液体（例えばインク）中を伝搬する残留圧力波によって液体／空気界面（liquid-air interface）（例えばインクメニスカス）が液滴吐出装置の内部に戻る場合に特に起こる。液体／空気界面が液滴吐出装置の内部の比較的奥の方に移動すると、液体／空気界面の表面エネルギーが液体内で気泡の形成を引き起こし得る。気泡の存在は噴出安定性（jetting stability）に悪影響を及ぼすことがあるため、気泡の形成は望ましくない現象である。噴出工程を確実に再開させる前に気泡を除去するためメンテナンス作業（例えばパージ）が必要になる場合がある。

空気の閉じ込めを防ぐために、ノズルオリフィスから圧力室にかけて遷移部の形状（geometrical transition）が漸進的なノズルオリフィスデザインが用いられ得る。そのような形状により、圧力室からノズルオリフィスへ（任意で、圧力室の一部として設けられ、ノズルオリフィスの方に延びる貫通溝（feedthrough channel）を通じて）液体を円滑に誘導することもできる。しかしながら、そのようなノズルオリフィスの製造には数多くの処理工程を伴うため、上記のようなノズルオリフィスデザインは製造上の観点からあまり好ましくない。さらに、噴出要件（例えば、噴出角度や噴出安定性）を満たす上で上記のノズルオリフィスデザインの許容可能な幾何公差（geometrical tolerance）は小さく且つ上記のような多段階処理でそれを得るのは困難である。

製造上の観点からは、第１の寸法Ｓ_１を有する真っ直ぐなノズルオリフィス（例えば、円筒状のノズルの場合では第１の直径ｄ_１）が第２の寸法Ｓ_２を有する真っ直ぐな貫通溝（例えば、円筒状の貫通溝の場合では第２の直径ｄ_２）に接続され、Ｓ_２がＳ_１よりも大きい（ｄ_２＞ｄ_１））構成が好ましい。そのような構成では、ノズルオリフィスと貫通溝との間の遷移部の形状は不連続な段（discrete step）を含む。そのようなデザインのノズルオリフィス及び貫通溝の製造に含まれる工程段階は少なく、またノズルオリフィスと貫通溝の接続に関する幾何公差もさほど厳格ではない。

真っ直ぐな貫通溝に接続された真っ直ぐなノズルオリフィスを有する液滴吐出装置のデメリットは、ノズルオリフィスを通って圧力室に入ってしまった気泡を除去するのが困難であり得るという点である。論理に何ら縛られることなく、これは、真っ直ぐなノズルに接続された貫通溝内にデッドボリューム（dead volume）が存在することによって起因し得る。圧力室に入った気泡がそのようなデッドボリュームに行き着くと、それらの気泡は事実上永久に閉じ込められるか又は少なくとも除去が困難になる。

特許文献１には、第１の円柱形状部（cylindrical columnar part）及び第２の円柱形状部を有するノズルオリフィスを含み、第１の円柱形状部の直径が第２の円柱形状部の直径よりも大きいノズルプレートが開示されている。第２の円柱形状部は液滴を吐出するために設けられている。円柱形状の液滴誘導部が第１の円柱形状部内で同心円状に配置され、第１の支持体によって支持されている。第１の円柱形状部及び第２の円柱形状部は液滴誘導部とは別に製造され、それらは後で組み立てられる。液滴誘導部を支持する第１の支持体は第１の円柱形状部に固定されている。

特許文献１に開示のノズルプレートのデザインのデメリットは、液滴誘導部が液滴誘導部の第１の端部（ノズルオリフィスに対向する液滴誘導部の第２の端部とは反対側の端部）でしか支持されていないという点である。そのため、液滴誘導部はノズルオリフィスに対向する自由端（即ち支持されていない）、即ち液滴誘導部の第２の端部を有する。動作時に液滴誘導部の自由端は自由に動くことができ（即ち振動する）、それが噴出の不安定化の原因となり得る。前述の自由な動きによって、吸い込まれた気泡が小さな気泡へと分裂する場合がある。そのような小さな気泡はほとんど取り除くことができない。

特許文献１に開示のノズルプレートのデザインの他のデメリットは、第１の円柱形状部及び第２の円柱形状部が液滴誘導部とは別に製造され、それらが後で組み立てられる点である。これは、アラインメント工程を含むかなり複雑な製造方法であり、アラインメント工程においてアラインメント誤差が生じ得る。

米国特許出願第２００８／００８８６６９号明細書

従って、本発明は、空気の閉じ込めを防ぎ及び／又は閉じ込められた空気をパージ等の標準的なメンテナンス作業で容易に除去可能な簡素且つ製造容易なノズルデザインの液滴吐出装置を提供することを目的とする。

上記の目的は、次のような液滴吐出装置を提供することによって少なくとも部分的に達成される。当該液滴吐出装置は：
−圧力室；
−前記圧力室に流体接続されたノズルオリフィス；
−前記圧力室内の液体内に圧力波を生成するためのアクチュエータシステム；及び
−前記圧力室内の前記ノズルオリフィスと反対の位置に配置され、前記ノズルオリフィスに対向する第１の面を含む障害部材（obstruction member）；
を含み、前記障害部材は、前記障害部材の前記第１の面の近くに配置された支持手段により前記圧力室の壁部に強固に連結されている。

本発明に係る液滴吐出装置内に存在する障害部材は、ノズルオリフィスに対向する障害部材の第１の面の近くに支持手段が配置された形で支持手段により圧力室の壁部に強固に連結されている。そのため、障害部材には上述のノズルオリフィスに対向する自由端がない。そのような自由端が存在しないため、自由端の自由な動きによって生じる噴出の不安定化が防止されるか又は少なくとも軽減される。

前記ノズルオリフィスは第１の方向に液体の液滴を吐出するために設けられ、前記障害部材は、実質的に径方向の第２の方向に前記液体の流れを前記ノズルオリフィスに対して提供するために設けられ得る。第２の方向は第１の方向の第１の角度θの位置にある。一実施形態では、第１の角度θは７０°〜１１０°、好ましくは７５°〜１０５°、より好ましくは８０°〜１００°である。具体的には第２の方向は第１の方向に対して実質的に垂直である。本発明の文脈における実質的に垂直とは、第１の角度θが８０°〜１００°、好ましくは８５°〜９５°、より好ましくは８７°〜９３°、より具体的には９０°±０．５°であると解釈すべきである。

本発明に係る液滴吐出装置内に存在する障害部材は、装置に入る液体／空気界面に対して制御されたブレーキ（controlled brake）を提供して、液体／空気界面が液滴吐出装置の内部の奥へと移動するのを防止する。それにより、気泡の形成のリスクが大幅に低下する。

一実施形態では、前記圧力室、前記障害部材及び前記支持手段は中空状液体通路（hollow shaped liquid passage）を規定する。中空状液体通路の断面は任意の所望とする形状でよく、圧力室の断面形状（又は障害部材が配置された圧力室の少なくとも一部の断面形状）及び障害部材の断面形状の組み合わせによって規定される。例えば、圧力室の断面及び障害部材の断面の双方が円形で、障害部材と圧力室とが互いに同心円状に配置されている場合、中空状液体通路の断面は円環状であり得る。

一実施形態では、前記圧力室は、前記障害部材の前記第１の面（ノズルオリフィスに対向する面）と前記ノズルオリフィスとの間に配置された液体室を含む。液体室は気泡捕捉器（air-bubble catcher）として作用し得る。

本発明に係る液滴吐出装置のさらなる利点は、デッドボリュームが減少するように中空状液体通路内の吐出液（例えばインク）が障害部材に沿って流れるようにされる点である。従って、形成された気泡を噴出の際に又はパージ等の簡便なメンテナンス作業によりノズルオリフィスを通じて容易に除去できる。従って、気泡が永久に閉じ込められるのが防止されるか又は少なくとも軽減される。

本発明に係る吐出装置のさらなる利点は、ノズルオリフィスデザインの幾何公差があまり厳格ではないため、本発明に係るノズルオリフィスの形状を比較的容易に製造できるという点である。製造は少ない処理工程で済む。

一実施形態では、前記支持手段は、前記圧力室の内壁部と前記障害部材の外面との間に位置し、前記圧力室の前記内壁部及び前記障害部材の前記外面に取り付けられた少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの支持部材を含み得る。

一実施形態では、前記圧力室は、前記ノズルオリフィスに向かって延びた貫通溝を含み、前記障害部材は前記貫通溝内の前記ノズルオリフィスと反対の位置に配置され、前記障害部材は前記貫通溝の壁部に対向する第２の面を含み、前記障害部材は前記貫通溝の前記壁部に強固に連結されている。

一実施形態では、前記貫通溝、前記障害部材及び前記支持手段は前記中空状液体通路を規定する。

一実施形態では、前記貫通溝は、前記中空液体通路と前記ノズルオリフィスとの間に配置された前記液体室を含む。

一実施形態では、障害部材は第１の幅Ｗ_１及び第１の長さＬ_１を有し得る。貫通溝はＷ_１よりも大きい第２の幅Ｗ_２及びＬ_１よりも小さい第２の長さＬ_２を有し得る。障害部材は、中空状液体通路が幅、好ましくは（Ｗ_２−Ｗ_１）／２と略等しい幅を有するように配置され得る。障害部材は、液体室が第３の長さＬ_３を有するように配置され得る。液体室の長さと障害部材の長さとの合計は貫通溝の長さ以下、即ちＬ_２＋Ｌ_３≦Ｌ_１であり得る。特定の実施形態では、液体室の長さと障害部材の長さとの合計は貫通溝の長さと等しい。

一実施形態では、前記支持手段は、前記貫通溝の内壁部と前記障害部材の外面との間に位置し、前記貫通溝の前記内壁部及び前記障害部材の前記外面に取り付けられた少なくとも１つ、好ましくは少なくとも２つの支持部材を含み得る。

一実施形態では、前記少なくとも１つの支持部材は第４の長さＬ_４及び第４の幅Ｗ_４を有する。前記少なくとも１つの支持部材は、その長さ方向（Ｌ_４）が障害部材の長さ方向（Ｌ_１）と実質的に平行な状態で配置されるのが好ましい。支持部材の長さは障害部材の長さ以下であることが好ましい（Ｌ_４≦Ｌ_１）。Ｌ_４は０．５×Ｌ_１〜Ｌ_１であることがより好ましく、０．７×Ｌ_１〜０．９５×Ｌ_１であることがさらに好ましい。

あるいは、支持部材の長さ方向を障害部材の長さ方向に対して角度、例えば０°〜６０°の角度を持つように配置してもよい。この代替実施形態では、少なくとも１つの支持部材の長さは障害部材の長さよりも大きくてもよい。少なくとも１つの支持部材の長さがＬ_１／ｃｏｓα（但し、αは障害部材の長さ方向（Ｌ_１）と少なくとも１つの支持部材の長さ方向（Ｌ_２）との間の角度である。）以下であることが好ましい。

障害部材が効果的に支持されるように、少なくとも１つの支持部材の幅Ｗ_４が中空状液体通路の幅と略等しくてもよい。少なくとも１つの支持部材は、少なくとも１つの支持部材の長さ全体に亘って障害部材を支持する。本発明者らは、障害部材の長さの少なくとも半分が支持されれば障害部材が強固に支持されることを見出した。そして障害部材の自由端の自由な動きが大幅に低減され、これがより信頼性の高い噴出工程につながる。

この実施形態では、中空状液体通路が圧力室を液体室に接続する複数の別々の中空状液体通路に仕切られる、即ち分割され得る。分割された中空液体通路の断面は任意の所望とする形状であってよく、圧力室の断面形状、障害部材が配置された少なくとも圧力室（特定の実施形態では貫通溝）の一部の断面形状、障害部材の断面形状及び少なくとも１つの支持部材の断面形状の組み合わせによって規定される。

支持手段に含まれる支持部材の数に応じて、中空状液体通路の断面形状が２つ以上の部分に分割され得る。例えば、支持構造体が２つの支持部材を含む場合は液体通路が２つの部分に分割され、支持構造体が３つの支持部材を含む場合は液体通路が３つの部分に分割される。

一実施形態では、支持手段及び障害部材は、貫通溝が設けられた層の一体部分であり得る。この構成のさらなる利点は、そのような形状は１つの部分を含み、別々の部品（障害部材、支持構造体、貫通溝を含む層）を製造した後でそれらの別々の部品を組み立てなければならない複数部分の形状（multi part geometry）と比較した場合製造が容易な点である。

一実施形態では、支持手段が中空状液体通路内に配置され得る。

一実施形態では、本発明に係る液滴吐出装置は前記障害部材と前記ノズルオリフィスとの間に（即ち液体室内に）配置された構造的ノズル流入手段（structured nozzle inflow means）をさらに含み、前記構造的ノズル流入手段は前記中空状液体通路から前記ノズルオリフィスにかけて漸進的な遷移を提供する。本実施形態に係る構造的ノズル流入手段は第５の長さＬ_５及び第５の幅Ｗ_５を有し得る。前記構造的ノズル流入手段は、前記中空状液体通路を前記ノズルオリフィスに接続する内部溝構造を含む。ノズル流入手段は気泡用のバリアを形成し、気泡が望ましくない位置に移動するのを防止し得る。

一実施形態では、構造的ノズル流入手段の幅Ｗ_５は圧力室の幅Ｗ_１０又は特定の実施形態では貫通溝の幅Ｗ_２以下であり得る。構造的ノズル流入手段の幅Ｗ_５は障害部材の幅Ｗ_１よりも大きいことが好ましい。

構造的ノズル流入手段の長さＬ_５は液体室の長さＬ_３と略等しい。あるいは、液体室の長さＬ_３が構造的ノズル流入手段の長さＬ_５によって規定されてもよい。

一実施形態では、前記構造的ノズル流入手段は前記中空状液体通路を前記ノズルオリフィスに接続する内部溝構造、具体的には複数のノズル流入孔を含む。内部溝構造はノズルオリフィスに向けて制御された液流を提供する。

一実施形態では、本実施形態に係る構造的ノズル流入手段が、前述の第１の方向（即ち噴出方向）と第２の方向（即ち実質的に径方向）との間の第１の角度θを制御するように設計してもよい。

一実施形態では、前記内部溝構造はノズル流入孔、好ましくは複数のノズル流入孔を含み、前記ノズル流入孔は軸（axial axis）を有し、前記ノズル流入孔は、前記軸が前記ノズルオリフィスの放射軸（radial axis）に対して角度φの位置にあるように配置され、前記角度φは最大で８０°である。

この実施形態によれば、構造的ノズル流入手段は、第３の方向（即ちノズル流入方向）と上記の実質的に径方向の第２の方向との間のφと略等しい第２の角度を制御するように設計され得る。角度φは好ましくは５°〜７０°、より好ましくは１０°〜６０°である。

本実施形態に係るノズル流入孔、具体的には複数のノズル流入孔の方向により、動作時にノズルオリフィスの軸を中心としたノズルオリフィスへと向かう回状の液流がもたらされ得る。これは噴出方向に関するシステムの許容性の面で有利である。

一実施形態では、前記液滴吐出装置は前記圧力室に流体接続された流路及び前記圧力室を介して前記液体を循環させるための循環システムをさらに含む。そのような液滴吐出装置は貫流（through-flow）吐出装置である。

この構成には、流路、圧力室（特定の実施形態では貫通溝を含む）が液体によって洗浄（scavenged）されるため、液体に含まれ得る潜在的な汚染物質が流路、圧力室、貫通溝又はノズルオリフィスの壁部に堆積するのが防止され、液体の流れによって除去されるという利点がある。同様に、液体の流れは、圧力波の生成や液滴の吐出に対して影響を及ぼし得る気泡の除去に役立つ。さらに、一定の液体の流れによってノズルオリフィスが乾燥するリスクが低下する。

一実施形態では、障害部材は少なくとも２つの別々の中空状液体通路を規定するように配置されている。この実施形態では、第１の中空状液体通路を介して圧力室からノズルオリフィスの方に液流を生成しながら、第２の中空状液体通路を介してノズルオリフィスから圧力室に戻る流れを生成することにより上記の貫流の原理を適用してもよい。液滴吐出装置は、動作中に圧力室に流体接続された流路及び循環システムが第１の中空液体通路に液流を提供するように設計してもよい。

製造方法
貫通溝、障害部材、ノズルオリフィス及び任意で構造的ノズル流入手段を含む本発明に係る液滴吐出装置の製造は、別個のウエハに標準的なドライエッチング処理を行い、後でこれらのウエハを接合することにより容易に実現できる。例えば、貫通溝、障害部材及び構造的ノズル流入手段をエッチングにより第１のウエハに形成し（このウエハの両側からエッチングを行う）、ノズルオリフィスをエッチングにより第２のウエハに形成することができる。ウエハ接合処理によって第１のウエハ及び第２のウエハを互いに接合することができる。

本発明は、下記の詳細な説明及び添付の概略図からさらに完全に理解される。なお、下記の詳細な説明及び添付の概略図は例として示しているに過ぎず、本発明を限定するものではない。
図１は、先行技術に係る真っ直ぐなノズル構成を有する液滴吐出装置の概略断面図を示す。 図２Ａは、図１に示す液滴吐出装置内での気泡の形成を概略的に示す。 図２Ｂは、図１に示す液滴吐出装置内での気泡の形成を概略的に示す。 図２Ｃは、図１に示す液滴吐出装置内での気泡の形成を概略的に示す。 図２Ｄは、図１に示す液滴吐出装置内での気泡の形成を概略的に示す。 図３Ａは、先行技術に係る障害部材を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。 図３Ｂは、図３Ａに示す液滴吐出装置内に存在する障害部材及び支持手段の線Ｒ−Ｒに沿った概略断面図を示す。 図４Ａは、本発明の一実施形態に係る障害部材及び支持手段を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。 図４Ｂは、図４Ａに示す障害部材及び支持手段の線Ｔ−Ｔに沿った概略上面図を示す。 図４Ｃは、図４Ａの液滴吐出装置の断面図の細部を示す。 図４Ｄは、図４Ａの液滴吐出装置の断面図の細部を示す。 図５Ａは、液滴が噴出された後のメニスカス（液体／空気界面）の動きに対する本発明に係る障害部材の効果を概略的に示す。 図５Ｂは、液滴を噴出した後のメニスカスの動きに対する本発明に係る障害部材の効果を概略的に示す。 図５Ｃは、液滴を噴出した後のメニスカスの動きに対する本発明に係る障害部材の効果を概略的に示す。 図５Ｄは、液滴を噴出した後のメニスカスの動きに対する本発明に係る障害部材の効果を概略的に示す。 図６Ａは、本発明の一実施形態に係る障害部材、支持手段及び構造的ノズル流入手段を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。 図６Ｂは、図６Ａの液滴吐出装置の断面図の細部を示す。 図６Ｃは、図６Ｂに示す線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。 図６Ｄは、図５Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。 図６Ｅは、図５Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。 図６Ｆは、図５Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。 図７は、液滴を噴出した後のメニスカス（液体／空気界面）の動きに対する本発明に係る障害部材及び構造的ノズル流入手段の効果を概略的に示す。 図８Ａは、本発明の一実施形態に係る障害部材及び支持手段を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。 図８Ｂは、図８Ａに示す線Ｃ−Ｃに沿った断面図を示す。 図８Ｃは、図８Ａに示す液滴吐出装置であって、図６Ｄ、図６Ｅ及び図６Ｆに例示の構造的ノズル流入手段をさらに含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。

添付の図面を参照しながら以下本発明を説明する。なお、いくつかの図面を通して、同じ又は同様の要素を特定するのに同じ参照符号を使用している。

図１は、真っ直ぐなノズル構成、即ち、真っ直ぐな貫通溝４８に接続された真っ直ぐなノズルオリフィス８を有する液滴吐出装置４の概略断面図を示す。液滴吐出装置４は３つの材料層、即ち、流体入口流路４７とアクチュエータ空隙４４とを有する第１の層４１；圧電アクチュエータ４５が配置され、入口流路４７に延びる貫通孔を備える第２の層４２；及び圧力室４６と、第１の寸法Ｓ_１を有する貫通溝４８と、第１の寸法Ｓ_１よりも小さい第２の寸法Ｓ_２を有するノズルオリフィス８とを有する第３の層４３から構成されている。図１は、第１の層４１と第２の層４２とを接合する接合層４９をさらに示す。第２の層４２と第３の層４３とが同様に互いに接合されていてもよい（図示せず）。

液滴吐出装置４は、入口流路４７を通じてインク組成物等の流体を受け取るように構成されている。圧力室４６はその流体で満たされる。好適な駆動信号が圧電アクチュエータ４５に供給されると、圧力室４６内で圧力レスポンス（pressure response）が生成され、その結果ノズルオリフィス８を通して流体の液滴が噴出される。

図２は気泡の形成を概略的に示す。図２Ａは、図１の破線５０で示す貫通溝４８及びノズルオリフィス８の一部の拡大図を示す。図２Ａは、液体の液滴５１、例えばインク液滴の噴出直後の液滴吐出装置の状態を表す。図２Ａは、液滴吐出装置内に存在する液体５４中を伝搬する残留圧力波を受けて、矢印５３で示すようにノズルの中へと移動する傾向にある液体／空気界面５２（メニスカスとも呼ぶ）をさらに示す。図２Ｂは、矢印５５で示すように貫通溝の中へと移動する液体／空気界面５２を示す。この段階では、ノズルオリフィスが空気で満たされている。図２Ｃは、ノズルオリフィスを通って貫通溝に入った空気のくびれ（necking）５６を示す。このくびれ現象は、空気／液体システムが自身の表面エネルギーを最小限に抑えようとする（故に液体／空気表面積を最小限に抑える）自然な傾向によって起こるものであり、その結果として図２Ｄに示すように実質的に球形の気泡５７ができる。形成される気泡の大きさは、空気／液体界面の表面張力及び平衡状態の気泡の内部の圧力によって決まる。図１に示す吐出装置及び図２に示す吐出装置の細部から、貫通溝４８とノズルオリフィス８との間の遷移部が不連続（discrete transition）であることが分かる。この構成では、液滴吐出装置の動作時に図２Ｄの破線５８で示すデッドボリュームが生じ得る。

本発明の文脈におけるデッドボリュームは、吐出液を含む液滴吐出装置の内部容積の一部であって、液滴吐出装置の内部容積の他の部分と比べて吐出液のリフレッシュレート（refresh rate）が比較的低い部分であると解釈すべきである。言い換えれば、上記で定義したデッドボリュームにおける吐出液の滞留時間は、液滴吐出装置の内部容積の他の部分における滞留時間よりも大幅に長い。

一度気泡が形成されると（図２Ｄ参照）、気泡が貫通溝内のそのようなデッドボリュームに行き着く場合がある。気泡がデッドボリューム５８に閉じ込められると、パージ等のメンテナンス作業を行ったとしても気泡を除去するのは困難である。

図３Ａは、先行技術に係る障害部材を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。上記で既に説明した特徴の全て（図１）に加えて、図３Ａの吐出装置は、貫通溝内に配置され、中空状液体通路７１及び液体室７２を規定する障害部材７０を含む。図３Ａはさらに障害部材７０が支持部材７３によって支持されていることを示す。支持部材７３は、障害部材７０が圧力室４６の壁部の一部上で支持されるように、貫通溝の幅よりも幅が大きいレッジ７４（図３Ｂにも図示）を提供する。障害部材の自由端は、二重矢印Ｑで示すように横方向に自由に動くことができる。この自由な動きは噴出工程の妨げとなり、吸い込まれた空気が小さな気泡に分裂するのを増進させ得る。小さな気泡はパージ等の標準的なメンテナンス作業で除去するのが困難である。

図３Ｂは、図３Ａに示す液滴吐出装置内に存在する障害部材及び支持手段の線Ｒ−Ｒに沿った概略断面図を示す。図３Ｂは、３つの接続要素７５ａ、７５ｂ及び７５ｃにより障害部材７０がレッジ７４に接続されていることをさらに示す。接続要素は、障害部材７０の外周の周りにおいて略等間隔で配置されている。障害部材７０、レッジ７４及び接続要素７５ａ、７５ｂ及び７５ｃは、圧力室４６から中空環状液体通路である中空状液体流路７１に液体通路を提供する３つの中空リング部７６ａ、７６ｂ及び７５ｃを規定する。

図４Ａは、本発明の一実施形態に係る障害部材７０及び支持手段を含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。上記で既に説明した特徴の全て（図１、図３Ａ及び図３Ｂ）に加えて、図４Ａの吐出装置は、障害部材７０の長さＬ_１と略等しい長さＬ_４を有する支持部材７７ａを含む。この実施形態では、障害部材７０は、障害部材７０の長さ全体に亘り支持部材７７ａによって支持されている。障害部材７０には自由に移動可能な端部がない。そのため、障害部材７０は貫通溝内で強固に支持されている。

図４Ｂは、図４Ａに示す障害部材及び支持手段の線Ｔ−Ｔに沿った概略上面図を示す。図４Ａは、障害部材７０が、障害部材７０の外周の周りにおいて略等間隔で配置された３つの支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃによって支持されていることを示す。３つの支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃは実質的に同じ長さを有し、その長さは支持部材７７ａについて図４Ａで示すように障害部材の長さと略等しい。圧力室４６を液体室７２に接続する中空状液体通路は、３つの中空リング部７８ａ、７８ｂ（図４Ａも参照）及び７８ｃを含む。中空リング部は支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃの長さ方向に延びており、支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃの長さと略等しい長さを有する。

図４Ｃは、図４Ａの液滴吐出装置の断面図の細部を示す。図４Ｃは、障害部材７０が長さＬ_１、幅Ｗ_１、第１の面７９及び第２の面８１を有し得ることを示す。貫通溝４８（図１参照）は長さＬ_２、幅Ｗ_２及び（内）壁部８２を有し得る。障害部材７０は、第１の面７９がノズルオリフィス８に対向し、第２の面８１が貫通溝４８の壁部８２に対向するような形で貫通溝４８内に配置されている。液体室７２は障害部材の第１の面７９及び貫通溝４８とノズルオリフィス８との間の遷移部によって規定される。液体室は、Ｌ_２−Ｌ_１と等しい長さＬ_３及び本実施形態では貫通溝４８の幅Ｗ_２と略等しい幅Ｗ_３を有する。支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃ（７７ｂ及び７７ｃは図４Ｃに図示せず）は、障害部材７０の長さＬ_１と略等しい長さＬ_４及び（Ｗ_２−Ｗ_１）／２と略等しい幅Ｗ_４を有する。本実施形態における障害部材は強固に支持されている。この構成では、動作時に液体が中空リング部７８ａ、７８ｂ及び７８ｃ（図４Ａ及び図４Ｂ参照）を通って液体室７２に搬送され、ノズルオリフィス８に向かう。流れの方向は第１の角度θにより変化する。ノズルオリフィス８は長さＬ_６及び幅Ｗ_６を有する。

一般に、貫通溝４８の幅は６０μｍ〜１８０μｍ、好ましくは８０μｍ〜１６０μｍ、より好ましくは１００μｍ〜１４０μｍ、例えば約１２０μｍである。貫通溝の長さは一般に２５０μｍ〜４００μｍ、好ましくは３００μｍ〜３５０μｍ、より好ましくは約３３０μｍである。

障害部材の幅は一般に３０μｍ〜１４０μｍ、好ましくは６０μｍ〜１２０μｍ、より好ましくは７５μｍ〜１０５μｍ、例えば約９０μｍである。障害部材の長さは好ましくは２３５μｍ〜３８５μｍ、好ましくは２８５μｍ〜３３５μｍ、より好ましくは約３１５μｍである。液体室の長さは好ましくは５μｍ〜３０μｍ、より好ましくは１０μｍ〜２０μｍ、例えば約１５μｍである。ノズルオリフィスの直径は１０μｍ〜５０μｍ、好ましくは１５μｍ〜４０μｍ、例えば約３０μｍである。ノズルオリフィスの長さは５μｍ〜３０μｍ、好ましくは７μｍ〜１５μｍ、例えば約１０μｍであり得る。

他の実施形態では、図４Ｄに示すように障害部材７０は長さＬ_１を有し、貫通溝４８は長さＬ_２を有し得る。障害部材の第１の端部（即ち図４Ｄに示す上端）は、圧力室４６と貫通溝４８との間の遷移部から距離Ｘの所に配置されている。液体室７２は、第２の端部（即ち図４Ｄに示す下端）及び貫通溝４８とノズルオリフィス８との間の遷移部によって規定されている。液体室はＬ_２−Ｌ_１−Ｘと等しい長さＬ_３を有する。支持部材７７ａ、７７ｂ及び７７ｃ（７７ｂ及び７７ｃは図４Ｄに図示せず）は、障害部材の長さＬ_１の約７０％の長さＬ_４を有する（Ｌ_４＝０．７×Ｌ_１）。本実施形態における障害部材は強固に支持されている。

図５は、液滴を噴出した後のメニスカス（液体／空気界面）の動きに対する本発明に係る障害部材の効果を概略的に示す。図５Ａは、図４Ａの破線９０で示す貫通溝４８及びノズルオリフィス８の一部の拡大図を示す。図５Ａは、液体の液滴５１、例えばインク液滴の噴出直後の液滴吐出装置の状態を表す。図５Ａは、液滴吐出装置内に存在する液体５４中を伝搬する残留圧力波を受けて、矢印５３で示すようにノズルの中へと移動する傾向にある液体／空気界面５２（メニスカスとも呼ぶ）をさらに示す。図５Ｂは、矢印５５で示すように液体室の中へと移動する液体／空気界面を示す。この段階では、ノズルオリフィスは空気に満たされている。図５Ｃは、ブレーキとして作用し気泡の形成を防止する障害部材７０に液体／空気界面が到達したことを示す。図５Ｃは、動作時に液体が矢印９１で示すように障害部材７０の周りを流れるようにされ、その結果デッドボリュームが減少することを示す。貫通溝内に存在する液体の体積が減少するため、液体の所定の体積流量では、中空状液体通路及び液体室に存在する流体の滞留時間が大幅に減少する。空気の閉じ込めが防止されるか又は少なくとも減少し得る。

万が一気泡９３ができた場合は、図５Ｄの矢印９２及び９４で示すように、噴出の間に障害部材７０の周りを液体（例えばインクの流れ）がノズルオリフィス８に向かって流れることによって又は簡便なメンテナンス作業（例えばパージ）によって気泡を容易に除去することができる。従って、気泡が永久的に閉じ込められるのが防止されるか又は少なくとも軽減される。

図６Ａは障害部材７０、支持部材７７ａ、７７ｃ及び障害部材７０とノズルオリフィス８との間、即ち液体室内に配置された構造的ノズル流入手段８０を示す。

図６Ｂは、図６Ａの液滴吐出装置の断面図の細部を示す。障害部材７０は長さＬ_１及び幅Ｗ_１を有する。構造的ノズル流入手段８０は幅Ｗ_５及び長さＬ_５を有する。本実施形態では、支持手段８０の幅は貫通溝４８の幅と略等しい（Ｗ_５≒Ｗ_２）。あるいは、構造的ノズル流入手段８０の幅は貫通溝４８の幅より小さくてもよい。構造的ノズル流入手段８０の幅は障害手段７０の幅以上であることが好ましい（Ｗ_５≧Ｗ_１）。図６Ｂは長さＬ_４及び幅Ｗ_４を有する支持要素７７ａ及び７７ｃをさらに示す。障害部材の剛性を制御することにより、メニスカスの動きを制動できる。本実施形態に係る障害部材の長さの範囲は一般に１〜５０μｍである。

図６Ｃは、図６Ｂに示す線Ａ−Ａに沿った断面図を示す。図６Ｃは、障害部材７０及び障害部材７０の外周の周りにおいて略等間隔で配置された４つの支持部材７７ａ、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄを示す。貫通溝、障害部材７０及び支持部材７７ａ、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄは、圧力室４６を構造的ノズル流入手段８０に接続する４つの中空状液体通路７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄを規定する。

図６Ｄは、図６Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。図６Ｄは、構造的ノズル流入手段が壁部１００と、８つのノズル流入孔１０２ａ〜１０２ｈを規定する８つの構造要素１０１ａ〜１０１ｈを含むことを示す。ノズル流入孔は、動作時に実質的に径方向に向かう液体の流れ（図６Ｄに示すノズルオリフィス８の突起の方向）が得られるように、即ち、上記で定義した図６Ｄに示す角度φが略０°になるように配置されている。

図６Ｅは、図６Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。図６Ｅは、構造的ノズル流入手段が壁部１００と、８つのノズル流入孔１０４ａ〜１０４ｈを規定する８つの構造要素１０３ａ〜１０３ｈを含むことを示す。ノズル流入孔は、動作時にノズル流入孔を通る液体の流れが図６Ｅでノズル流入孔１０４ｈについて示すように径方向に対して角度φになるように配置されている。

この実施形態に係る流入孔の方向を変更することにより、ノズルオリフィスの軸を中心にした回状の液体の流れがもたらされ得る。これにより、噴出方向に関してより許容性のあるシステムがもたらされる（即ち、噴出角度より一貫したものになる）。

図６Ｅは、薄いノズル層２００（図７参照）に亀裂が入るのが防止されるように、ノズル層２００に剛性を提供する８つの補強部材１０５ａ〜１０５ｈをさらに示す。

図６Ｆは、図６Ｂに示す線Ｂ−Ｂに沿った本発明の一実施形態に係る構造的ノズル流入手段の一例の断面図を示す。図６Ｆは、構造的ノズル流入手段が壁部１００と、壁部１００に取り付けられ、８つのノズル流入孔１０９ａ〜１０９ｈを規定する８つの構造要素１０６ａ〜１０６ｈを含むことを示す。ノズル流入孔は、動作時に実質的に径方向に向かう液体の流れが得られるように、即ち、上記で定義した図６Ｄに示す角度φが略０°になるように配置されている。

本発明に係る構造的ノズル流入手段８０は、液体メニスカスを引き込む（drawback）間にメニスカス（即ち空気／液体界面）で満たされ得る。そのため、気泡の原因となるメニスカスの非制御の分裂工程が防止される（図６Ｆの流入孔１０９ｇにおけるメニスカス５２ｇを参照；図６Ｄ、図６Ｅ及び図６Ｆに示す他の流入孔でも同様のメニスカスが形成され得る）。

図７は、液滴を噴出した後のメニスカス（液体／空気界面）の動きに対する図６Ｄ〜図６Ｆに示す実施形態に係る障害部材７０及び構造的ノズル流入手段８０の効果を概略的に示す。

図７は、上記で説明し図５Ｃに示すようにブレーキとして作用し気泡の形成を防止する障害部材７０に液体／空気界面が到達したことを示す。図７は、障害部材７０、支持部材７７ａ、７７ｃ、ノズル８を含むノズル層２００、構造要素Ａの突起（図６Ｄの１０１ａ、図６Ｅの１０３ａ、図６Ｆの１０６ａに対応）、構造要素Ｅの突起（図６Ｄの１０１ｅ、図６Ｅの１０３ｅ、図６Ｆの１０６ｅに対応）及びａ及びｅで示す流入孔の端部（図６Ｄ、図６Ｅ及び図６Ｆの流入孔１０２ａ、１０２ｅ、１０４ａ、１０４ｅ、１０９ａ、１０９ｅのノズルオリフィス８に最も近い端部に対応）をさらに示す。構造要素は、気泡用のバリアとして作用する。気泡５７ａ、５７ｂはこのバリアを通過しないため、吐出装置内の望ましくない場所に行き着かない。形成された気泡を動作の間（即ち噴出）又は簡便なメンテナンス作業（例えばパージ）の際に容易に除去できる。

図６Ｄ〜図６Ｆのいずれかに示す構造的ノズル流入手段８０により、メニスカスの引き込みが制限され、気泡の閉じ込めが防止される。ノズル流入手段の長さＬ_５は一般にＷ_６〜５×Ｗ_６（但し、Ｗ_６はノズルオリフィス８の幅（この例ではノズルオリフィスの直径と等しい）を表す）であり得る。

構造的ノズル流入手段は、上記で説明し図６Ｄ〜図６Ｆに示すノズル流入孔を導入することで気泡の搬送を止めることができる。ノズルオリフィス８とノズル流入孔との間の一般的な距離は１／２×Ｗ_６〜５×Ｗ_６である（但し、Ｗ_６は上述の意味を有する）。ノズル流入孔の環流面（perfused surface）とノズル流入長との比の合計がノズルオリフィスの環流面とノズル長の比以上であることが好ましい。

例えば、直径が３０μｍで長さが１０μｍの円形ノズルオリフィスの場合、２０μｍ×２０μｍの８つの孔及び長さ４０μｍで実現可能である（８×２０μｍ×２０μｍ／４０μｍ＝８０μｍ；π／４×（３０μｍ）^２／１０μｍ）≒７０．７μｍ；８０μｍ＞７０．７μｍ）。

図８Ａは、障害部材７０と、支持要素７７ｂ及び７７ｄを含む支持手段とを含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。障害手段７０は幅Ｗ_１及び長さＬ_１を有し、幅Ｗ_１０の圧力室４６内に配置されている。障害部材７０はノズルオリフィス８と反対の位置に配置されている。障害部材７０の第１の面７９はノズルオリフィス８に対向する。圧力室は、障害部材７０の第１の面７９とノズルオリフィスとの間に配置された液体室７２を含む。液体室７２は長さＬ_３と、圧力室４６の幅Ｗ_１０と略等しい幅Ｗ_３を有する。圧力室に気泡が入るのを防ぐこと及びデッドボリュームの低減に関する本実施形態の仕組みは上述のものと同様である。他の参照符号の全ては上述のものと同様の要素を示す。

図８Ｂは、図８Ａに示す線Ｃ−Ｃに沿った断面図を示す。図８Ｂは、本実施形態では実質的に正方形の断面表面領域を有する障害部材７０、障害部材７０の正方形の外周の周りにおいて略等間隔で配置された４つの支持部材７７ａ、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄを示す。圧力室、障害部材７０及び支持部材７７ａ、７７ｂ、７７ｃ、７７ｄは、圧力室４６を液体室７２に接続する４つの中空状液体通路７８ａ、７８ｂ、７８ｃ及び７８ｄを規定する。

図８Ｃは、図８Ａに示す液滴吐出装置であって、液体室７２の長さＬ_３と略等しい長さＬ_５を有する構造的ノズル流入手段８０をさらに含む液滴吐出装置の概略断面図を示す。構造的流入手段は、図６Ｄ、図６Ｅ及び図６Ｆに示す構造的流入手段と同様であり得る。構造的流入手段の壁部１００は、図８Ａの線Ｃ−Ｃの方向における圧力室の断面領域の形状に応じて異なる形の外周、例えば正方形の外周を有し得る。補強部材１０５ａ〜１０５ｈ（図６Ｅ）又は構造要素１０６ａ〜１０６ｈ（図６Ｆ）は、壁部１００の外周の形とは関係無くに壁部１００に接続されるように配置されている。構造的流入手段は上述のものと同じ機能を有する。

図４Ａに示し、その細部を図４Ｃ又は図４Ｄに示す障害部材を有するノズルオリフィスは、取っ手（handle）と２つの素子層とを含む所謂「２重ＳＯＩウエハ（double SOI-wafer）」から始まるリソグラフィーにより製造可能である。第１の素子層は厚さＬ_６を有し、ノズルオリフィス８を形成するのに用いられ、図４Ｃに示す層４３ａに対応する。第２の素子層は厚さＬ_３を有し、図４Ｃで層４３として示す寸法Ｌ_３、Ｗ_３によって制限される容積を最終的に形成する。ＳＯＩウエハの取っ手は障害部材及び支持手段の形状を形成するのに用いられ、障害部材、支持手段及び周辺部を一体的に形成でき、それが層４３ｃとなる。

図６Ａに示し、そのより細部を図６Ｂに示した形状を作るのに、素子層及び取っ手を含むＳＯＩウエハ（図示せず）が使用され得る。ＳＯＩウエハの素子層は、ノズルオリフィス層４３Ａ（図６Ｂ）を形成するのに用いられ、その他の形状の全て（貫通溝、障害部材７０、支持手段７７ａ、７７ｂ、７７ｃ及び構造的流入手段８０）がパターン化され得る第２のウエハ（図６Ｂの層４３ｄ）に接合することができる。任意で、圧力室４６を第２のウエハに形成することもできる。そして、ＳＯＩウエハの取っ手は、貫通溝から反対の方向にノズルオリフィスの出口から延びる。ウエハの接合後、ＳＯＩウエハの取っ手を取り除き、形状が完成する。

本発明の詳細な実施形態を本明細書で開示したが、開示した実施形態は、様々な形で実施可能な本発明の例示に過ぎないことを理解すべきである。特に障害部材、支持手段及び構造的ノズル流入手段は様々な形態を取り得る。そして、それらの形態の全ては本発明が意図する効果を提供する（例えば気泡を捕捉し得る死角の防止）。従って、本明細書で開示した具体的な構造及び機能に関する詳細を限定として解釈するのではなく、単に請求項の根拠として、また実質的に適切な詳細構造で本発明を様々な形で用いる方法を当業者に教示するための例示的根拠として解釈すべきである。特に、別々の従属項で提示及び記載の特徴は組み合わせで適用され得る。そのような請求項の有利な組み合わせがここに開示される。

また、本明細書で使用の用語及び表現は限定を意図したものではなく、むしろ本発明の理解可能な説明を提供するために用いられている。本明細書で使用の「ａ」又は「ａｎ」は１つ以上と定義される。本明細書で使用の複数という用語は２つ以上と定義される。本明細書で使用の他のという用語は、少なくとも第２以上と定義される。本明細書で使用の有するという用語は、含む（即ち、オープンランゲージ）と定義される。本明細書で使用の連結された（coupled）という用語は、必ずしも直接的ではないが接続されていることと定義される。

Claims (13)

1. 液滴吐出装置であって：
   圧力室；
   前記圧力室に流体接続されたノズルオリフィス；
   前記圧力室内に存在する液体内に圧力波を生成するためのアクチュエータシステム；及び
   前記圧力室内の前記ノズルオリフィスと反対の位置に配置され、前記ノズルオリフィスに対向する第１の面を含む障害部材；
   を含み、
   前記障害部材は、前記障害部材の前記第１の面の近くに配置された支持手段により前記圧力室の壁部に強固に連結されている、液滴吐出装置。
2. 前記ノズルオリフィスは、第１の方向に前記液体の液滴を吐出するために設けられ、前記障害部材は、前記第１の方向に対して実質的に垂直な第２の方向で前記液体の流れを前記ノズルオリフィスに提供するために設けられている、請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記圧力室、前記障害部材及び前記支持手段は中空状液体通路を規定する、請求項１又は２に記載の液滴吐出装置。
4. 前記圧力室は、前記障害部材の前記第１の面と前記ノズルオリフィスとの間に配置された液体室を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
5. 前記支持手段は、前記圧力室の内壁部と前記障害部材の外面との間に位置し、前記圧力室の前記内壁部及び前記障害部材の前記外面に取り付けられた少なくとも１つの支持部材を含む、請求項１〜４のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
6. 前記圧力室は、前記ノズルオリフィスに向かって延びた貫通溝を含み、前記障害部材は前記貫通溝内の前記ノズルオリフィスと反対の位置に配置され、前記障害部材は前記貫通溝の壁部に対向する第２の面を含み、前記障害部材は前記支持手段により前記貫通溝の前記壁部に強固に連結されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
7. 前記貫通溝、前記障害部材及び前記支持手段は前記中空状液体通路を規定する、請求項６に記載の液滴吐出装置。
8. 前記貫通溝は、前記障害部材の前記第１の面と前記ノズルオリフィスとの間に配置された前記液体室を含む、請求項７に記載の液滴吐出装置。
9. 前記支持手段は、前記貫通溝の前記壁部と前記障害部材の前記第２の面との間に位置し、前記貫通溝の前記壁部及び前記障害部材の前記第２の面に取り付けられた少なくとも１つの支持部材を含む、請求項６〜８のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
10. 前記障害部材と前記ノズルオリフィスとの間に配置された構造的ノズル流入手段をさらに含み、前記構造的ノズル流入手段は前記中空状液体通路から前記ノズルオリフィスにかけて漸進的な遷移を提供する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。
11. 前記構造的ノズル流入手段は前記中空状液体通路を前記ノズルオリフィスに接続する内部溝構造を含む、請求項１０に記載の液滴吐出装置。
12. 前記内部溝構造はノズル流入孔を含み、前記ノズル流入孔は軸を有し、前記ノズル流入孔は、前記軸が前記ノズルオリフィスの放射軸に対して角度φになるように配置され、前記角度φは最大で８０°である、請求項１１に記載の液滴吐出装置。
13. 前記圧力室に流体接続された流路及び前記圧力室を介して前記液体を循環させるための循環システムを含む、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の液滴吐出装置。

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