JP2015534513A - マイクロ流体吐出ヘッドのためのメンテナンスバルブ - Google Patents

Abstract

吐出チップが開示されており、基板と、フロー機能層と、ノズルプレートと、１つ以上のバルブとを備える。基板は、１つ以上の流体チャネルと、１つ以上の流体チャネルのうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上の流体ポートを含む。フロー機能層は、基板の上に配置され、１つ以上の流体ポートのうちの少なくとも１つに各々が連通する、１つ以上のフロー機能を含む。ノズル層は、フロー機能層の上に配置され、１つ以上のフロー機能のうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上のノズルを含み、その結果、１つ以上の流体通路が、１つ以上の流体チャネル、１つ以上の流体ポート、１つ以上のフロー機能および１つ以上のノズルによって定められる。１つ以上のバルブは、１つ以上の流体通路を通る流体の流れを選択的に妨げる。

Description

本発明は、吐出チップを通る流体の流れを制御するための装置および方法に向けられている。

本発明の例示的な実施形態によれば、吐出チップは、基板、フロー機能層、ノズルプレート、および、１つ以上のバルブを含む。基板は、１つ以上の流体チャネルと、１つ以上の流体チャネルのうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上の流体ポートとを含む。フロー機能層は、基板の上に配置され、１つ以上の流体ポートのうちの少なくとも１つに各々が連通する、１つ以上のフロー機能を含む。ノズル層は、フロー機能層上に配置され、１つ以上のフロー機能のうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上のノズルを含み、その結果、１つ以上の流体通路が、１つ以上の流体チャネル、１つ以上の流体ポート、１つ以上のフロー機能および１つ以上のノズルによって定められる。１つ以上のバルブは、１つ以上の流体通路を通る流体の流れを選択的に妨げる。

例示的な実施形態によれば、１つ以上のバルブは、基板内に配置されている。

例示的な実施形態によれば、１つ以上のバルブは、基板の下に配置されている。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブは、メンテナンス操作中に１つ以上の流体通路の選択された流体通路を通る流体の流れを妨げる。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブは、噴射動作中に１つ以上の流体通路の選択された流体通路を通る流体の流れを妨げる。

例示的な実施形態では、吐出チップは、基板上に配置された１つ以上の吐出要素をさらに備える。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブは、少なくとも１つ以上の流体通路に沿って配置された気泡を備えている。

例示的な実施形態において、１つ以上のバルブは、１つ以上の流体ポートの少なくとも１つを通る流体の流れを選択的に妨げる。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブは、１つ以上の流体通路の少なくとも１つを通る流体の流れを選択的に妨げる柔軟膜を備えている。

例示的な実施形態では、柔軟膜は、エラストマにより形成されている。

例示的な実施形態では、吐出チップは、柔軟膜がより低い圧力の領域に向けてたわむように１つ以上の流体通路の少なくとも１つに沿って圧力差を生成するように構成された空気圧チャネルをさらに備える。

例示的な実施形態では、柔軟膜は、１つ以上の流体通路の少なくとも１つを通る流体の流れを選択的に妨げる壁に係合するように構成されている。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブは、バイメタルバルブを含む。

例示的な実施形態では、バイメタルバルブは、異なる熱膨張係数をそれぞれ有する複数の材料を含む。

例示的な実施形態では、バイメタルバルブは、複数の材料のうちの最も低い熱膨張係数を有する材料の方向にたわむように加熱されるように構成されている。

例示的な実施形態では、バイメタルバルブは、１つ以上の流体ポートの少なくとも１つを実質的に横切るように延びている。

例示的な実施形態では、バイメタルバルブは、１つ以上の流体ポートのうち少なくとも１つの全体を横切るように延びる。

例示的な実施形態では、バイメタルバルブは、１つ以上のマウントによって、１つ以上の流体ポートの少なくとも１つから離間されて配置されている。

例示的な実施形態では、１つ以上のバルブの少なくとも１つは、圧電バルブまたは静電バルブであってもよい。

本発明の特徴点および利点は、添付の図面を併せて本発明の実施形態を説明した下記の詳細な記載を参照することによって十分に理解される。

図１Ａは、本開示の例示的な実施形態における吐出チップの側断面図である。 図１Ｂは、そこに形成された気泡を有する図１Ａの吐出チップの側断面図である。 図１Ｃは、図１Ｂにおいて特定された細部領域の拡大図である。 図２Ａは、側断面図で示された本開示の例示的な実施形態における吐出チップの製造の第１の連続図である。 図２Ｂは、側断面図で示された吐出チップの製造の第２の連続図である。 図２Ｃは、側断面図で示された吐出チップの製造の第３の連続図である。 図２Ｄは、側断面図で示された吐出チップの製造の第４の連続図である。 図２Ｅは、側断面図で示された吐出チップの製造の第５の連続図である。 図２Ｆは、側断面図で示された吐出チップの製造の第６の連続図である。 図２Ｇは、側断面図で示された吐出チップの製造の第７の連続図である。 図２Ｈは、側断面図で示された吐出チップの製造の第８の連続図である。 図２Ｉは、そのバルブが作動した状態の図２Ａ〜２Ｈにおいて形成された吐出チップの側断面図である。 図３Ａは、本開示の例示的な実施形態におけるバルブを有する吐出チップの側断面図である。 図３Ｂは、バルブが作動した状態の図３Ａの吐出チップの側断面図である。 図４Ａは、側断面図に示された本開示の例示的な実施形態における吐出チップの製造の第１の連続図である。 図４Ｂは、側断面図で示された吐出チップの製造の第２の連続図である。 図４Ｃは、側断面図で示された吐出チップの製造の第３の連続図である。 図４Ｄは、そのバルブが作動した状態の図４Ａ〜４Ｃにおいて形成された吐出チップの側断面図である。 図５Ａは、本開示の例示的な実施形態における吐出チップの側断面図である。 図５Ｂは、そのバルブが作動した状態の図５Ｂの吐出チップの側断面図である。

本開示の例示的な実施形態は、たとえばマイクロ流体噴射ヘッドである吐出チップを通る流体の流れを制御するための装置および方法に向けられている。吐出チップは、インクなどの流体の格納および／または取り出し、および／または、そこからの案内を行うように構成されることができる。吐出チップは、たとえばインクジェットプリンタにおいて、使用されることができる。

吐出チップは、使用における特定のニーズに合わせて様々な構成において配置されることができる。実施形態では、複数の吐出チップは、その上の部分に連続して順次流体を投影するために、紙などの媒体の表面の長さおよび／または幅を横切って移動可能であるプリントヘッドを形成するために配置されていてもよい。このような実施形態において、複数の吐出チップは、走査プリントヘッドを形成することができる。実施形態において、複数の吐出チップは、実質的に媒体の幅を拡張することができるプリントヘッドを形成するように配置されてもよい。そのような実施形態では、複数の吐出チップは、ページ幅のプリントヘッドを形成することができる。ページ幅のプリントヘッドでは、実質的により大きい、たとえば２０倍の数の吐出チップの数が存在してもよい。したがって、ページ幅のプリントヘッドは、たとえば、メンテナンス操作中に、より多量のインクを使用するように構成されてもよい。

実施形態では、プリントヘッドを形成する吐出チップの適切、および／または、連続的なパフォーマンスを容易にするために、メンテナンス操作は、破片を取り除く、および／または、プリントヘッドを準備するために、汚染、不適切または他の望ましくない流体を引き出すために吐出チップの一部に沿ってワイピング部材を通過させることを含んでいてもよい。このような操作の例示的な実施形態は、米国特許出願公開第２０１３／０２１５１９１号に記載されている。このような実施形態では、ワイピング部材は、吐出チップを通るウィッキングインク効果を有するかもしれない。したがって、ワイピング部材は、吐出チップの内部の、または、吐出チップに関連付けられて蓄えられたものからインクを消耗させる。ワイピング操作がページ幅のプリントヘッド上で実施される実施形態では、インクの実質的な量は、この方法において、走査ヘッドと比較してインクの消耗量がたとえば２０倍になるように消耗するかもしれない。実施形態では、所定のプリントヘッドに関連付けられたすべての吐出チップは、必ずしも、既定のメンテナンス操作中にメンテナンスを要求しなくてもよい。したがって、プリントヘッド内の近い公差および／または配置に起因して他のものを隔離しながら、選択的に特定のプリントヘッドを拭くことは実行不可能かもしれない。したがって、メンテナンス操作中の意図されない、および／または、不要なインクの損失を抑制、たとえば、低減、最小化および／または阻止するために微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）が与えられることが望ましい場合がある。

図１Ａを参照して、吐出チップの例示的な実施形態は、断面図に示されており、一般に、１００として指定されている。吐出チップ１００は、基板１１０、複数の流体吐出要素１２０、フロー機能層１３０、および／または、ノズル層１４０を含んでいてもよい。実施形態において、吐出チップ１００は、異なる構造を有していてもよい。

基板１１０は、シリコンウェハのような半導体材料で形成することができる。１つ以上の流体ポート１１２は、基板１１０の一部を処理することによって、基板１１０の上面に沿って形成された開口であってもよい。ここで記述するように、吐出チップの部分の処理は、たとえば、いくつか例を挙げると、研削などの機械的変形、化学エッチング、または、フォトレジストによる所望の構造のパターニングを含んでいてもよい。基板１１０の裏面側は、それぞれの流体ポート１１２に流体連結する１つ以上の流体チャネル１１４を形成するために処理されてもよい。流体チャネル１１４は、インクリザーバのようなインクの供給に流体連結してもよい。

１つ以上の吐出要素１２０は、基板１１０上に配置されてもよい。吐出要素１２０は、電力が吐出要素１２０に供給された時に、熱が吐出要素１２０の上、および／または、近傍に蓄積されるように、１つ以上の導電性、および／または、抵抗性の材料から構成されていてもよい。実施形態において、吐出要素１２０が、抵抗要素、誘電体および保護層を含んでいてもよいヒータスタックのような２以上の積層された材料により形成されていてもよい。吐出要素１２０により発生された熱の総量は、吐出要素１２０に供給された電力の総量に正比例する。実施形態において、電力は、予め決められた温度プロフィールを吐出要素１２０によって発生させるために、吐出要素１２０に供給されてもよい。実施形態において、電力は、たとえば、意図された性能を達成するために一定または可変の振幅および／またはデュレーションの一連の電力パルスである。

フロー機能層１３０は、基板１１０の上に配置することができる。フロー機能層１３０は、基板１１０と積層関係または概略的に基板１１０に対して平面的に隣接間隔になるように配置されてもよい。フロー機能層１３０は、たとえば、高分子材料により形成されていてもよい。フロー機能層１３０は、１つ以上のフロー機能１３２がフロー機能層１３０に沿っておよび／またはフロー機能層１３０内に形成されるように処理されてもよい。実施形態において、フロー機能１３２は、フロー機能１３２が吐出チップ１００を通るインクの流れを案内するように構成されるために形状および／または寸法を有することができる。

ノズル層１４０は、フロー機能層１３０の上に配置してもよい。実施形態において、ノズル層１４０は、フロー機能層１３０とともに積層関係になるように配置されてもよい。実施形態において、ノズル層１４０は、たとえば、高分子材料により形成されていてもよい。ノズル層１４０は、１つ以上のノズル１４２がノズル層１４０の上面に沿って形成されるように処理されることができる。ノズル１４２は、吐出チップ１００から排出されるインクのための出口開口として構成されることができる。したがって、ノズル１４２は、吐出チップ１００から出るインクの軌跡を案内するように構成された形状および／または寸法を有することができる。各々の流体ポート１１２、流体チャネル１１４、フロー機能１３２、および／または、ノズル１４２は、吐出チップ１００内で集合的に流体通路１４８を形成することができる。

図１Ｂおよび図１Ｃを付加的に参照して、使用時に、流体チャネル１１４は、少なくとも部分的にインクで満たされていてもよい。インクは、インクジェット印刷操作において使用するのに適した任意の流体とすることができる。電力は、吐出要素１２０が周囲のインクを加熱するように吐出要素１２０に供給されてもよい。電力は、インク１５０の一部分がたとえばフラッシュ蒸発等によって直ちに気化され、１つ以上の蒸気泡１５２が流体チャネル１１４内に形成されるように、吐出要素１２０に供給されてもよい。泡１５２を構成する蒸気は、インクの水性成分の蒸発から形成することができる。高電力の電気パルスが、泡１５２を形成するために与えられてもよい。実施形態において、一連の電気パルスは、泡１５２を形成するために与えられてもよい。泡１５２の形成後、流体チャネル１１４内で泡１５２を維持するために、泡１５２を形成するための初期の電力レベルと同等かそれより少ないレベルで、電力が吐出要素１２０に供給し続けられてもよい。泡１５２は、たとえば、水圧によって、液体インク内でのより高いエネルギー状態のために広がる傾向にあるが、周囲の流体通路１４８の壁により所定の寸法を越えて広がることが制限される。したがって、泡１５２は、流体通路１４８内の液体インクの不連続を形成する加圧領域として構成されている。このようにして、泡１５２は、選択された流体通路１４８を通るインクの通過を選択的に妨げるために設けられることができる。実施形態において、泡１５２と比較して流体チャネル１１４の壁の相対的に低い温度は、流体通路１４８の壁を有する流体密封シールへ泡１５２が広がるのを抑制することができる。このような実施形態では、泡１５２は、いくらかのインクが流体通路１４８を通って流れることを許容することができる。実施形態において、泡１５２は、たとえば、流体ポート１１２など、流体通路１４８の異なった部分に沿って形成されていてもよい。

流体チャネル１１４を通るインクの流れを許容することが望まれる場合、電力は、吐出要素１２０から切断されることができる。吐出要素への電力の低減は、吐出要素１２０の近傍における熱の低減をもたらすことができ、その結果、泡１５２を構成する蒸気が周囲のインクに吸収されるように、泡１５２が放散、崩壊、および／または、より低いエネルギー状態に戻ることができる。

実施形態において、電力は、メンテナンス操作中に１つ以上の泡１５２を形成するために吐出要素１２０に供給されてもよく、その結果、たとえば、吐出チップ１００を拭くことに起因する吐出チップ１００を通るインクの損失が抑制される。そのような実施形態では、吐出チップ１００のバルブのような流体流れ制御部材は、１つ以上の泡１５２を備えていてもよい。泡１５２を備える１つ以上のバルブは、通常、開いた構成を有している。そのような実施形態では、泡１５２は、選択された流体通路１４８には通常存在しておらず、泡１５２は、たとえば、メンテナンス操作中、選択された流体通路１４８に沿って選択的に形成される。

実施形態において、電力は、噴射動作のようなインクを媒体上に吐出する吐出チップ１００の使用中を除いた実質的に一定の状態の流体流路１１４内に、気泡１５２を形成するために吐出要素１２０に供給されてもよい。そのような実施形態では、吐出チップ１００の１つ以上のバルブは、通常、閉じた構成を有する気泡１５２を備えていてもよい。そのような実施形態では、泡１５２は、通常、選択された流体通路１４８内に存在し、噴射動作中には存在しない。そのような実施形態では、泡１５２は、インクが吐出チップの外部の位置から流体通路１４８に侵入するのが妨げられるために、通常、選択された流体通路１４８内に存在してもよい。このインクは、たとえば、選択された流体通路１４８に関連しないノズルから飛散またはミスファイアされたインクである。このようにして、泡１５２は、選択された流体通路１４８の汚染を選択的に抑制するために形成することができる。

図２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇおよび２Ｈに移って、一般的に２００で指定された吐出チップの例示的な実施形態の製造が示されている。

シリコンウェハのような基板２１０が、製造プロセスの最初のステップにおいて提供されてもよい。たとえば二酸化ケイ素層のような犠牲材料２２０は、基板２１０の上に配置される。犠牲材料２２０は、犠牲材料が流体ポート２１２の位置に対応する基板２１０の上にパターニングされるように処理されてもよい。その後、ヒータ金属２３０と導体金属２４０とが、基板２１０および犠牲材料２２０の上に配置されてもよい。ヒータ金属２３０と導体金属２４０とは、積層構造状態で基板２１０上に配置されてもよい。ヒータ金属２３０と導体金属２４０とは、電力を受け取ると熱を発生させるように構成されていてもよい。実施形態において、ヒータ金属２３０および／または導体金属２４０は、導電性および／または電気抵抗特性を有している。これによって、電力が、ヒータ金属２３０および／または導体金属２４０の内部および／または周囲の熱の蓄積をもたらすために、そこに沿って伝送されることができる。実施形態において、ヒータ金属２３０と導電金属２４０とは、いくつかの例を挙げると、Ｓｉ、Ａｌ、Ｔａ、Ｗ、Ｈｆ、Ｔｉ、ｐｏｌｙ−Ｓｉ、Ｎｉ、ＴｉＮおよび／またはＴａＣの１つ以上から形成されてもよい。ヒータ金属２３０と導体金属２４０とは、ヒータ金属２３０と導体金属２４０との少なくとも１つの同一の広がりを持つ領域が基板２１０の上に存在するように、基板２１０の表面に沿ってパターニングされてもよい。実施形態において、導体金属２４０は、所望の発熱領域内においてエッチング除去されてもよい。

図２Ｅに示すように、その後、ヒータパッシベーション層２５０は、基板２１０上に形成される。ヒータパッシベーション層２５０は、たとえば、二酸化ケイ素および／または窒化ケイ素により形成されてもよい。ヒータパッシベーション層２５０は、少なくとも導体金属２４０の一部とともに積層関係に配置されてもよい。ヒータパッシベーション層２５０は、ヒータパッシベーション層２５０が導電層２４０の上にパターニングされるように処理されていてもよい。

図２Ｆに示すように、その後、犠牲層２２０は、たとえば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）エッチングプロセスを用いてエッチング除去されるような処理を施してもよい。実施形態において、基板２１０の一部も、このプロセスの間に除去される。犠牲層２２０の処理は、基板２１０に沿った１つ以上の流体ポート２１２の形成をもたらしてもよい。

図２Ｇに示すように、その後、基板２１０の底面は、１つ以上の流体チャネル２１４が基板２１０において形成されるように処理されてもよい。流体チャネル２１４は、１つ以上の各々の流体ポート２１２と流体連結していてもよい。

実施形態において、複数のフロー機能を含むフロー機能層は、ヒータパッシベーション層１５０の上に配置されてもよい。そのようなフロー機能層は、実質的に、上述したフロー機能層１３０に類似していてもよい。そのようなフロー機能層は、そこに沿って１つ以上のフロー機能層１３０を形成するように処理されてもよい。そのようなフロー機能は、１つ以上の各々の流体ポート２１２と流体連結してもよい。

実施形態において、ノズル層は、フロー機能層の上に配置されてもよい。そのようなノズル層は、実質的に、上述したノズル層２８０に類似していてもよい。そのようなノズル層は、１つ以上のノズルがそこに沿って形成されるように処理されていてもよい。そのようなノズルは、フロー機能層の１つ以上の各々のフロー機能と流体連結してもよい。実施形態において、ノズル、フロー機能、流体チャネル２１４および／または流体ポート２１２は、集合的に、吐出チップ２００内に流体通路２１６を形成してもよい。

図２Ｈに示すように、以下のような吐出チップ２００の製造は、ヒータ金属２３０の一部およびパッシベーション層２５０の一部が流体ポート２１４を実質的に横切って延びていてもよい。ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０の部分は、たとえば、１つ以上のマウント２３２によって基板２１０の表面から離間して配置されてもよい。実施形態において、マウント２３２は、犠牲層２２０の未処理部分であってもよい。実施形態において、マウント２３２は、抵抗膜および／または誘電材料のエッチングされていない側壁であってもよい。マウント２３２は、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０の部分と基板２１０との間にクリアランスＣを与えてもよく、その結果、インクがクリアランスＣを通過するかもしれない。実施形態において、クリアランスＣは、そこを通るインクの量を無視することを許容するような寸法がとられてもよい。

ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０は、ともにバイメタルバルブ２９０を形成するために、同一の広がった配置を有していてもよい。実施形態において、導体金属２４０は、択一的にまたは付加的に、バイメタルバルブ２９０の一部を形成してもよい。バイメタルバルブ２９０は、実質的に類似する環境下に配置された際に、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０が異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料により形成されるように構成されてもよい。実施形態において、いくつかの例を挙げるとすれば、Ｓｉは約２．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。Ｓｉ_３Ｎ_４は、約２．８ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ＴｉＯ_２は、約７．２ｐｐｍ／℃以上約７．１０ｐｐｍ／℃以下のＣＴＥを有していてもよい。Ａｌは、約２４ｐｐｍ／℃以上約２７ｐｐｍ／°Ｃ以下のＣＴＥを有していてもよい。Ｔａは、約６．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。Ｗは、約４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。Ｈｆは、約５．９ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。Ｔｉは、約９．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ｐｏｌｙ−Ｓｉは、約９．４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ＳｉＯ_２は、約０．５ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ＳｉＣは、約２．５ｐｐｍ／℃以上約５．５ｐｐｍ／°Ｃ以下のＣＴＥを有していてもよい。Ｎｉは、約１３．３ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ＴｉＮは、約９．４ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。ＴａＣは、約６．３ｐｐｍ／℃のＣＴＥを有していてもよい。

使用時において、電力は、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０が熱エネルギーの増加をもたらすように吐出チップ２００に供給されてもよい。その結果、温度が上昇する。ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０を構成する異なるＣＴＥのために、バイメタルバルブ２９０を横切って増大した熱エネルギーは、２つのＣＴＥのうち、より小さい方の材料の方向において、たとえば、曲げ、屈曲、および／または反りのようなたわみをバルブ２９０に引き起こす。したがって、バイメタルバルブ２９０は、流体ポート２１２から離れてたわむ。実施形態において、バイメタルバルブ２９０は、マウント２３２に取り付けられていない１つ以上の周辺縁部を規定してもよい。そのような実施形態において、たわんだバイメタルバルブ２９０の頂部と流体ポート２１２との間にギャップＧが形成されるように、バイメタルバルブ２９０は、たわんだり、曲がってもよい。実施形態において、バイメタルバルブ２９０が、たとえば非動力状態のように非動作状態のときに、ギャップＧは、バイメタルバルブ２９０と流体ポート２１２との間で測定されたクリアランスＣよりも大きなスペースを規定してもよい。このようにして、バイメタルバルブ２９０は、吐出チップ２００内の選択された流体チャネル２１６を通るインクの流れを選択的に妨げるように構成されてもよい。

実施形態において、バイメタルバルブ２９０は、非作動状態において選択された流体通路２１６を通るインクの流れを実質的に妨げてもよい。そのような実施形態では、バイメタルバルブ２９０は、通常状態で閉じられたバルブを備えていてもよい。このようにして、バイメタルバルブ２９０は、たとえば吐出チップ２００の噴射動作中に、吐出チップ２００を介して選択された流体通路２１６を通るインクの流れを選択的に許容するために、電力の供給を受ける。そのような実施形態では、バイメタルバルブ２９０は、外部環境から選択された流体通路２１６へのインクまたは他の物質の流れを妨げることによって選択された流体通路２１６の交差汚染を抑制するために通常状態では閉じられていてもよい。実施形態において、吐出チップは、圧電バルブおよび／または静電バルブのような異なる作動可能な構成を有するバルブを使用することができる。

実施形態において、バイメタルバルブ２９０は、たとえば休止または非給電状態のように非作動状態に、選択された流体通路２１６を通るインクの流れを許容してもよい。そのような実施形態では、バイメタルバルブ２９０は、通常状態では開放されたバルブを備えてもよい。このようにして、たとえばメンテナンス操作中に、吐出チップ２００を介して選択された流体通路を選択的に妨げるために、バイメタルバルブ２９０は、電力の供給を受けてもよい。

図３Ａに移って、本開示の例示的な実施形態による吐出チップ３００が示されている。吐出チップ３００は、上述した吐出チップ２００と実質的に同様の方法で形成される。吐出チップ３００は、実質的に類似する構成要素を含んでいてもよい。実施形態において、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０は、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０が共に、流体ポート２１２を実質的に横切って延びるフラッパバルブ３９０を形成するように処理されてもよい。実施形態において、フラッパバルブ３９０は、バイメタル材料の一片として構成されてもよい。フラッパバルブ３９０は、片持ち構成を有していてもよい。たとえば、フラッパバルブは、流体ポート２１２の一方の側に取り付けられてもよいし、流体ポート２１２を交差するように延びる自由端を有していてもよい。フラッパバルブ３９０は、基板２１０と積層関係になるように配置されてもよいし、流体ポート２１２の端部の間または流体ポート２１２の端部を越えて延びていてもよい。したがって、吐出チップ３００は、フラッパバルブ３９０のためのマウント２３２を欠いていてもよい。実施形態において、フラッパバルブ３９０は、部分的に流体ポート２１２を交差するように延びていてもよく、その結果、フラッパバルブ３９０は、流体ポート２１２の端部の間に配置される末端を有していてもよい。フラッパバルブ３９０と流体ポート２１２との概ね平坦である隣接関係は、フラッパバルブ３９０が休止位置である場所にある時に、インクが流体ポート２１２を通って流れるのが実質的に抑制されるように、フラッパバルブ３９０と流体ポート２１２との間に実質的に流体密封シールを与える。

上記の吐出チップ２００と同様に、ヒータ金属２３０およびパッシベーション層２５０は、それぞれ、異なるＣＴＥを有していてもよい。したがって、熱エネルギーがフラッパバルブ３９０を横切り増大するように、ヒータ金属２３０とパッシベーション層２５０とは、電力の供給を受けてもよい。その結果、フラッパバルブ３９０がより低いＣＴＥを有する材料の方向にたわむ。フラッパバルブ３９０は、流体ポート２１２の一端に取り付けられていない自由端を含んでいるので、フラッパバルブ３９０は、ギャップＧ２がフラッパバルブ３９０の一端と流体ポート２１２との間に形成されるように、流体ポート２１２から離れてたわんでもよい。したがって、フラッパバルブ３９０は、流体ポート２１２を通るインクの流れを許容するように動作されてもよい。

実施形態において、フラッパバルブ３９０は、非動作状態において、選択された流体通路２１６を通るインクの流れを実質的に妨げてもよい。そのような実施形態において、フラッパバルブ３９０は、通常状態では閉鎖されたバルブを備えていてもよい。このようにして、フラッパバルブ３９０は、たとえば、吐出チップ３００の噴射動作中に、噴射の間、吐出チップ３００を介して選択された流体通路２１６を選択的に開放するために電力の供給を受けてもよい。また、フラッパバルブ３９０は、他の状態において、吐出チップ３００を介して選択された流体通路２１６を選択的に妨げるように構成されてもよい。実施形態では、吐出チップは、圧電バルブおよび／または静電バルブのような異なる作動可能な構成を有するバルブを使用してもよい。

実施形態において、フラッパバルブ３９０は、非作動状態では、選択された流体通路２１６を通るインクの流れを許容してもよい。そのような実施形態では、フラッパバルブ３９０は、通常状態では開放されたバルブを備えていてもよい。このようにして、フラッパバルブ３９０は、たとえば、メンテナンス操作中に、吐出チップ３００を介して選択された流体通路２１６を選択的に妨げるために、電力の供給を受けてもよい。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、および４Ｄを参照して、本開示の例示的な実施形態による吐出チップアセンブリ４００の製造が示されている。吐出チップアセンブリ４００は、基板４１０を含んでいる。基板４１０は、上述の基板１１０および２１０に実質的に類似していてもよい。たとえば、基板４１０は、シリコンウェハであってもよい。基板４１０は、１つ以上の流体ポート４１２や１つ以上の流体チャネル４１４を規定するために処理されてもよい。１つ以上の流体ポート４１２は、１つ以上の流体チャネル４１４と流体連通していてもよい。また、基板４１０は、ここでさらに詳細に説明するリストリクタ４１６を含んでいてもよい。実施形態において、リストリクタ４１６は、１つ以上の流体チャネル４１４と各々の流体チャンバ４１８との間の仕切りを形成してもよい。

バルブ基板４２０は、基板４１０の底部に固定されていてもよい。バルブ基板４２０は、いくつか例を挙げると、たとえば、シリコン、ガラス、液晶ポリマまたはプラスチックのような種々の材料から形成されてもよい。バルブ基板４２０が、１つ以上の流体チャネル４１４を少なくとも部分的に閉鎖するように、バルブ基板４２０は、基板４１０の１つ以上の流体チャネル４１４に沿って配置されてもよい。バルブ基板４２０は、そこで変位チャンバ４２２を形成するために処理されてもよい。柔軟膜４２４は、バルブ基板４２０上に積層されていてもよく、その結果、基板４１０の下に配置されるフレキシブルバブル４２６を形成するために柔軟膜４２４の一部分が変位チャンバ４２２を覆う。１つ以上のフレキシブルバブル４２６は、変位チャンバ４１４を横切るように配置されてもよい。フレキシブルバブル４２６は、いくつか例を挙げると、ポリジメチルシロキサン、ペルフルオロポリエーテル、ポリテトラフルオロエチレン、または、フッ素化エチレンプロピレンのようなポリマ材料から形成されてもよい。実施形態では、フレキシブルバブル４２６は、エラストマであってもよい。

リストリクタ４１６は、変位チャンバ４２２に向かって延びる基板４１０の壁のような部分であってもよい。リストリクタ４１６は、フレキシブルバブル４２６に接触、および／または、実質的に隣接して係合するように配置されていてもよい。リストリクタ４１６は、実質的に横断的にフレキシブルバブル４２６に向かって延びていてもよい。実施形態では、リストリクタ４１６は、リストリクタ４１６の存在によってフレキシブルバブル４２６が実質的に平坦形状に維持されるように、フレキシブルバブル４２６に接触、または、実質的に隣接してもよい。このように、リストリクタ４１６は、流体的に、流体チャネル４１４からインクチャンバ４１８を隔離してもよい。

フロー機能層４３０は、基板４１０の上に配置されてもよい。フロー機能層４３０は、ここで述べたフロー機能層１３０に実質的に類似していてもよい。フロー機能層４３０は、フロー機能層４３０が１つ以上のフロー機能４３２を含むように処理されてもよい。フロー機能４３２は、同様に、ここでさらに詳細に説明する１つ以上の流体ポート４１２と選択的に流体連通していてもよい。フロー機能４３２は、１つ以上の流体ポート４１２と、１つ以上の流体チャンネル４１４と、１つ以上の変位チャンバ４２１と流体連通していてもよい。

ノズル層４４０は、フロー機能層４３０の上に配置されてもよい。ノズル層４４０は、上述するようにノズル層１４０と実質的に類似していてもよい。ノズル層４４０は、ノズル層４４０が、そこに沿って形成された１つ以上のノズル４４２を含むように処理されてもよい。各ノズル４４２は、１つ以上の各々のフロー機能４３２と流体連通していてもよい。実施形態において、ノズル４４２、フロー機能４３２、流体ポート４１２、流体チャネル４１４および／または流体チャンバ４１８は、集合的に吐出チップアセンブリ４００内の流体通路４１９を形成してもよい。

変位チャンバ４２２は、真空源のような空気圧チャネル４２３と流体的に連通されてもよい。したがって、空気圧チャネル４２３は、変位チャンバ４２３内で空気のような流体の圧力Ｐを変化するように構成されていてもよい。初期状態またはバルブ閉鎖状態において、たとえば流体チャネル４１４に沿った基板４１０およびフロー機能層４３０の間の流体圧Ｐは、変位チャンバ４２２における流体圧Ｐに実質的に類似していてもよい。

使用時において、空気圧チャネル４２３は、たとえば、ポンプや流体のような他の真空源によって動作されてもよい。これにより、流体が変位チャンバ４２２から引き出される。変位チャンバ４２２内の流体圧が低減すると、流体圧Ｐ’が変位チャンバ４２２内で形成されるように少なくとも部分真空が形成される。流体圧Ｐ’は、基板４１０とバルブ基板４２０との間の流体圧Ｐよりもたとえば低くなるように、流体圧Ｐと異なっていてもよい。したがって、フレキシブルバブル４２６の両側の圧力差は、ギャップＧ３がリストリクタ４１６とフレキシブルバブル４２６との間に形成されるように、フレキシブルバブル４２６をより小さい圧力Ｐ’の領域に向けてリストリクタ４１６から離れさせるようにたわませることになる。このようにして、ギャップＧ３は、流体チャネル４１４に沿って流体ポート４１２とフロー機能４３２の間でインクが流れるのを許容する。たわまされたフレキシブルバブル４２６は、吐出チップアセンブリ４００のバルブ開放状態を備えていてもよい。

フレキシブルバブル４２６を閉鎖状態に戻すために、空気圧チャネル４２３は、変位チャンバ４２２の流体圧と基板４１０およびバルブ基板４２０の間の流体圧とが実質的に等しくなるように、たとえば、除去または遮断されることにより変位チャンバ４２２から切断されてもよい。圧力差がない場合には、フレキシブルバブル４２６は、休止している通常の平坦状態に戻ることができる。その結果、インクが流体チャンバ４１８と流体チャネル４１４との間を流れることを抑制するように、フレキシブルバブル４２６がリストリクタ４１６に接触または隣接する。実施形態では、フレキシブルバブル４２６が休止状態に戻るためのバイアス下で維持されるように、フレキシブルバブル４２６は、弾力性のある構成を有していてもよい。実施形態では、空気圧チャネル４２３は、フレキシブルバブル４２６が休止状態に容易に戻れるように、正圧環境をもたらすように流体圧を伝送するように構成されてもよい。このようにして、フレキシブルバブル４２６は、通常の閉鎖バルブのようにし休止状態において、吐出チップアセンブリ４００を介して選択された流体通路４１９を通る流体の流れが選択的に妨げられるように構成されている。

図５Ａに移って、本開示の実施形態に係る吐出チップアセンブリは、一般に、５００として指定される。吐出チップアセンブリ５００は、ノズル層４４０、フロー機能層４３０、および／またはバルブ基板４２０のような上述した吐出チップアセンブリ４００に実質的に類似した要素を含んでもよい。

吐出チップアセンブリ５００は、基板４１０に類似する基板５１０を含んでいてもよい。基板５１０は、変位チャンバ４２２に向かって延びているリストリクタ５１６を含んでいてもよい。リストリクタ５１６は、フレキシブルバブル４２６の休止状態において、ギャップＧ４がリストリクタ５１６とフレキシブルバブル４２６との間に存在するように、フレキシブルバブル４２６に対して配置されてもよい。

図５Ｂを追加的に参照して、フレキシブルバブル４２６を作動させるために、空気圧チャネル４２３は、変位チャンバ４２２内に圧力Ｐ２が形成されるように、たとえば正の空圧のような流体圧を変位チャンバ４２２に与えてもよい。圧力Ｐ２は、圧力差が吐出チップアセンブリ５００内で存在するように流体チャネル４１４に沿って形成された圧力Ｐよりもたとえば高くなるように異なっていてもよい。圧力差は、より圧力Ｐの低い領域に向けてフレキシブルバブル４２６をたわませてもよい。その結果、インクがリストリクタ５１６を通過して流れることが抑制されるように、フレキシブルバブル４２６がリストリクタ５１６とともに実質的に流体密封シールを形成するために接触するように促される。

このようにして、フレキシブルバブル４２６は、吐出チップアセンブリ５００を通るインク流れが許容されるように通常状態でフレキシブルバブル４２６が配置されるように与えられてもよいし、通常の開放バルブのような吐出チップアセンブリ５００の選択された流体通路５１９を通るインクの流れを選択的に妨げるように動作されてもよい。

本発明は、上述した実施形態とともに説明されたが、多くの置換、改良および変形を行うことが当業者にとって容易に行われるのは明白である。したがって、上記に説明したように本発明の例示的な実施形態は、説明の目的のためにあることが意図されているだけであり、発明の範囲を制限するものではない。様々な変更が、本発明の精神および範囲から逸脱することなく行われてもよい。

Claims (19)

1. １つ以上の流体チャネルと、前記１つ以上の流体チャネルのうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上の流体ポートを含む基板と、
   前記基板の上に配置され、前記１つ以上の流体ポートのうちの少なくとも１つに各々が連通する、１つ以上のフロー機能を含むフロー機能層と、
   前記フロー機能層の上に配置され、前記１つ以上のフロー機能のうちの少なくとも１つに各々が連通する１つ以上のノズルを含み、その結果、１つ以上の流体通路が、前記１つ以上の流体チャネル、前記１つ以上の流体ポート、前記１つ以上のフロー機能および前記１つ以上のノズルによって定められるノズルプレートと、
   前記１つ以上の流体通路を通る流体の流れを選択的に妨げる１つ以上のバルブとを備える、吐出チップ。
2. 前記１つ以上のバルブは、前記基板の下に配置される、請求項１に記載の吐出チップ。
3. 前記１つ以上のバルブは、前記基板の上に配置される、請求項１に記載の吐出チップ。
4. 前記１つ以上のバルブは、メンテナンス操作中に前記１つ以上の流体通路のうち選択された流体通路を通る流体の流れを妨げる、請求項１に記載の吐出チップ。
5. 前記１つ以上のバルブは、噴射動作中に前記１つ以上の流体通路のうち選択された流体通路を通る流体の流れを妨げる、請求項１に記載の吐出チップ。
6. 前記基板上に配置された１つ以上の吐出要素をさらに備える、請求項１に記載の吐出チップ。
7. 前記１つ以上のバルブは、少なくとも前記１つ以上の流体通路に沿って配置された気泡を備えている、請求項６に記載の吐出チップ。
8. 前記１つ以上のバルブのうち少なくとも１つは、前記１つ以上の流体ポートの流体の流れを選択的に妨げる、請求項１に記載の吐出チップ。
9. 前記１つ以上のバルブは、前記１つ以上の流体通路への流体の流れを選択的に妨げる柔軟膜を備えている、請求項１に記載の吐出チップ。
10. 前記柔軟膜は、エラストマにより形成されている、請求項９に記載の吐出チップ。
11. 前記柔軟膜がより低い圧力の領域に向けてたわむように、前記１つ以上の流体通路の少なくとも１つに沿って圧力差を生成するように構成された空気圧チャネルをさらに備える、請求項９に記載の吐出チップ。
12. 前記柔軟膜は、前記１つ以上の流体通路の少なくとも１つに沿った流体の流れを選択的に妨げる壁に係合するように構成されている、請求項９に記載の吐出チップ。
13. 前記１つ以上のバルブは、バイメタルバルブを含む、請求項１に記載の吐出チップ。
14. 前記バイメタルバルブは、異なる熱膨張係数をそれぞれ有する複数の材料を含む、請求項１３に記載の吐出チップ。
15. 前記バイメタルバルブは、前記複数の材料のうちの最も低い熱膨張係数を有する材料の方向にたわむように加熱されるように構成されている、請求項１４に記載の吐出チップ。
16. 前記バイメタルバルブは、前記１つ以上の流体ポートの少なくとも１つを実質的に横切るように延びる、請求項１３に記載の吐出チップ。
17. 前記バイメタルバルブは、前記１つ以上の流体ポートのうち少なくとも１つの全体を横切るように延びる、請求項１６に記載の吐出チップ。
18. 前記バイメタルバルブは、１つ以上のマウントによって、前記１つ以上の流体ポートの少なくとも１つから離間されて配置されている、請求項１３に記載の吐出チップ。
19. 前記１つ以上のバルブの少なくとも１つは、圧電バルブまたは静電バルブであってもよい、請求項１に記載の吐出チップ。

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