JP2020523221A

JP2020523221A - クロストークを減少させた流体吐出装置

Info

Publication number: JP2020523221A
Application number: JP2019567621A
Authority: JP
Inventors: ギャリー，マット; メンゼル，クリストフ; ダブリューバーネット，ダニエル
Original assignee: フジフィルムディマティックス，インコーポレイテッド
Priority date: 2017-06-09
Filing date: 2018-06-05
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2038-06-05
Also published as: EP3634763B1; US20180354259A1; WO2018226743A1; CN110869216B; CN110869216A; EP3634763A4; US10611144B2; EP3634763A1; JP7064516B2

Abstract

ポンプ室、前記ポンプ室に結合された吐出ノズル、及び流体を前記ポンプ室から前記吐出ノズルを通って吐出させるよう構成されたアクチュエータを備えた流体吐出器を備えた流体吐出装置。流体吐出装置は前記ポンプ室の流体入口に流体的に接続された流入供給チャネルの表面に形成された第１の適合組立体と、前記ポンプ室の流体出口に流体的に接続された流出供給チャネルの表面に形成された第２の適合組立体とを備える。前記第１の適合組立体の適合度合は、前記第２の適合組立体の適合度合と異なる。

Description

本開示は概ね、流体吐出装置に関する。

幾つかの流体吐出装置では、液体小滴が１つ以上のノズルから媒体上に吐出される。それらのノズルは流体ポンプ室を含む流体路に流体的に接続されている。流体ポンプ室はアクチュエータにより作動させられ、液体小滴を吐出することができる。媒体は流体吐出装置に対して移動可能である。特定のノズルからの液体小滴の吐出は、媒体の移動とタイミングを合わせ、媒体上の所望の位置に１つの液体小滴を付ける。均一なサイズ及び速度の液体小滴を同じ方向に吐出することは、媒体上への液体小滴の均一な付着を可能にする。

流体吐出器のアクチュエータが作動させられると、圧力変動がポンプ室から接続された流入供給チャネル及び流出供給チャネル内に伝播する可能性がある。この圧力変動は同じ流入又は流出供給チャネルに接続された他の流体吐出器に伝播しうる。この流体クロストークが印刷品質に悪影響を与える場合がある。

圧力変動の伝播を軽減するために、適合した微細構造を流入供給チャネル、流出供給チャネル、又は両方の１つ以上の表面に形成してもよい。供給チャネル内の適合微細構造の存在は、供給チャネルの表面において得られる適合度合を増加させ、その供給チャネル内に生じる圧力変動を減衰させる。幾つかの例では、適合微細構造は、供給チャネルの底面に形成されたノズル状構造を含む。供給チャネル内の圧力が増加すると、各ノズル状構造の外向きの開口においてメニスカスが圧力変動を減衰させうる。従って、このような適合微細構造の存在は、同じ流入又は流出供給チャネルに接続された流体吐出器間での流体クロストークを減少させることができ、そのため各流体吐出器から吐出される液体の滴サイズ及び速度を安定させ、精密で正確な印刷を可能にする。幾つかの例では、流体吐出器のプライミング中に液体は適合微細構造を介して吐出されうる。適合微細構造に流体クロストークを軽減させながらそれでも液体損失を減らすために、流入供給チャネルにおける適合微細構造の配置は、流出供給チャネルにおける適合微細構造の配置と異なってもよい。例えば、適合微細構造の幾何学的形態、数、及び／又は分布は、流入供給チャネルと流出供給チャネルとで異なってもよい。

１つの態様において、流体吐出装置は、ポンプ室と、そのポンプ室に結合された吐出ノズルと、流体をポンプ室から吐出ノズルを通って吐出させるよう構成されたアクチュエータとを備えた流体吐出器を備える。流体吐出装置は、ポンプ室の流体入口に流体的に接続された流入供給チャネルの表面に形成された第１の適合組立体と、ポンプ室の流体出口に流体的に接続された流出供給チャネルの表面に形成された第２の適合組立体とを備える。第１の適合組立体の適合度合は、第２の適合組立体の適合度合と異なる。

実施形態は次の特徴のうち１つ以上を含んでもよい。

第１の適合組立体の適合度合は、第２の適合組立体の適合度合より小さい。吐出ノズルの適合度合は、第１の適合組立体の適合度合及び第２の適合組立体の適合度合より大きい。第１の適合組立体の気泡圧は、該吐出ノズルの気泡圧より大きい。第２の適合組立体の気泡圧は、該吐出ノズルの気泡圧より小さい。

第１の適合組立体は、第１の適合ノズルを含み、第２の適合組立体は、第２の適合ノズルを含む。第１の適合ノズルは、第２の適合ノズルと異なる寸法を有する。第１の適合ノズルの幅は、第２の適合ノズルの幅より小さい。第１の適合ノズルの長さは、第２の適合ノズルの長さより大きい。第１の適合ノズルの長さは、第１の適合ノズルの幅より大きい。該吐出ノズルは第１の適合ノズル、第２の適合ノズル、又は両方の寸法と異なる寸法を有する。該吐出ノズルの幅は第１の適合ノズルの幅及び第２の適合ノズルの幅より大きい。該吐出ノズルの長さは第１の適合ノズルの長さ及び第２の適合ノズルの長さより小さい。第１の適合ノズルの幅は、第２の適合ノズルの幅より小さい。第１の適合ノズルの長さは、第２の適合ノズルの長さより大きい。第１の適合組立体は、複数の第１の適合ノズルを含み、第２の適合組立体は、複数の第２の適合ノズルを含む。第１の適合ノズルの数は、第２の適合ノズルの数と異なる。該複数の第１の適合ノズルを流入供給チャネルの表面上に不均一に分布させ、及び／又は該複数の第２の適合ノズルを流出供給チャネルの表面上に不均一に分布させる。第１の適合ノズルの形状は第２の適合ノズルの形状と異なる。第１の適合ノズルは、流入供給チャネルの表面の内面上に内側開口と、流入供給チャネルの表面の外面上に外側開口とを画定する。第２の適合ノズルは、流出供給チャネルの表面の内面上に内側開口と、流出供給チャネルの表面の外面上に外側開口とを画定する。

流体吐出装置は、流入供給チャネルと第１の適合組立体の間の流体路内に形成された制限要素を含む。吐出ノズルはノズル層内に形成され、該ノズル層は該流入チャネルの表面と該流出チャネルの表面とを含む。

１つの態様において、１つの方法は、流体吐出装置の流体吐出器を作動させ、流体を吐出ノズルを通って吐出させる工程であって、流体吐出器に流体的に接続された流入供給チャネル内と流体吐出器に流体的に接続された流出供給チャネル内との流体圧を変化させる工程と、流入供給チャネル内と流出供給チャネル内との流体圧の該変化に応答して、流入供給チャネルの表面に形成された第１の適合組立体内と流出供給チャネルの表面に形成された第２の適合組立体内とに流体の凸形メニスカスを形成する工程とを含む。第１の適合組立体の適合度合は第２の適合組立体の適合度合と異なる。

実施形態は次の特徴のうち１つ以上を含んでもよい。

第１の適合組立体の適合度合は、第２の適合組立体の適合度合より小さい。第１の適合組立体内と第２の適合組立体内とに流体の凸形メニスカスを形成する工程は、第１の適合組立体からも第２の適合組立体からも流体を吐出しない工程を含む。流体吐出器を作動させる工程は、流入供給チャネル内の流体圧を第１の適合組立体の気泡圧未満のままにさせ、流出供給チャネル内の流体圧を第２の適合組立体の気泡圧未満のままにさせる。該方法は、流入又は流出供給チャネルの表面の外面上に位置する流体を第１の適合組立体、第２の適合組立体、又は両方内に受け入れる工程を含む。

１つの態様において、１つの方法は、ノズル層内に吐出ノズル、第１の適合組立体、及び第２の適合組立体を形成する工程であって、第１の適合組立体の適合度合は第２の適合組立体の適合度合と異なる工程と、流体吐出器を備える基板に該ノズル層を取り付けて流体吐出装置を形成する工程とを含み、該流体吐出器はポンプ室と、流体をポンプ室からノズルを通って吐出させるよう構成されたアクチュエータとを備える。流体吐出装置では、第１の適合組立体はポンプ室の流体入口に流体的に接続された流入供給チャネルの壁を画定する該ノズル層の一部に形成され、第２の適合組立体はポンプ室の流体出口に流体的に接続された流出供給チャネルの壁を画定する該ノズル層の一部に形成される。

実施形態は次の特徴のうち１つ以上を含んでもよい。

第１の適合組立体を形成する工程は、該ノズル層を貫通して第１の適合ノズルを形成する工程を含み、第２の適合組立体を形成する工程は、該ノズル層を貫通して第２の適合ノズルを形成する工程を含む。第１の適合ノズルの長さは、第１の適合ノズルの幅より大きい。第２の適合ノズルを形成する工程は、第１の適合ノズルと異なる寸法を有する適合ノズルを形成する工程を含む。第１の適合ノズルの幅は、第２の適合ノズルの幅より小さい。第１の適合ノズルの長さは、第２の適合ノズルの長さより大きい。第１及び第２の適合ノズルを形成する工程は、該吐出ノズルと異なる寸法を有する適合ノズルを形成する工程を含む。第１の適合組立体を形成する工程は、該ノズル層を貫通して複数の第１の適合ノズルを形成する工程を含み、第２の適合組立体を形成する工程は、該ノズル層を貫通して複数の第２の適合ノズルを形成する工程を含み、第１の適合ノズルの数は第２の適合ノズルの数と異なる。

１つ以上の実施形態の詳細が添付の図面及び以下の説明において明らかにされる。他の特徴、態様、及び利点は説明、図面、及び請求項から明白となるであろう。

プリントヘッドの断面図である。プリントヘッドの一部の断面図である。図２の線Ｂ−Ｂに沿った該プリントヘッドの一部の断面図である。図２の線Ｃ−Ｃに沿った該プリントヘッドの一部の断面図である。流体吐出器の略図である。矩形ノズルの略図である。流体回路の概略図である。流体吐出器の例の略図である。流体吐出器の例の略図である。流体吐出器の例の略図である。流体吐出器の例の略図である。流体吐出器の例の略図である。流体吐出器の製造の略図である。

図１を参照すると、プリントヘッド１００は流体、例えばインク、生体液体、重合体、電子部品を形成するための液体、又は他の種類の流体の小滴を表面上に吐出するために使用できる。プリントヘッド１００は、例えば上部仕切り５３０及び下部仕切り４４０により流体供給室４３２と流体帰還室４３６とに分割された内部容積を有するケーシング４１０を備える。

流体供給室４３２及び流体帰還室４３６の底は介在組立体の上面により画定される。該介在組立体は、例えば接着、摩擦、又は他の取り付け機構により下部プリントヘッドケーシング４１０に取り付けられうる。該介在組立体は上部介在体４２０と、上部介在体４２０と基板１１０の間に位置する下部介在体４３０とを含みうる。

上部介在体４２０は流体供給入口４２２と流体帰還出口４２８とを備える。例えば、流体供給入口４２２と流体帰還出口４２８は上部介在体４２０に開口として形成されうる。流路４７４は上部介在体４２０、下部介在体４３０、及び基板１１０に形成される。流体は、プリントヘッド１００からの吐出のために、供給室４３２から流体供給入口４２２内へそして流路４７４に沿って１つ以上の流体吐出装置（より詳細に下記で説明する）へ流れうる。また、流体は、流路４７４に沿って１つ以上の流体吐出装置から流体帰還出口４２８内へそして流体帰還室４３６内へも流れうる。図１において、単一の流路４７４が例示の目的のために真っ直ぐな通路として示されているが、プリントヘッド１００は複数の流路４７４を含むことができ、流路４７４は必ずしも真っ直ぐではない。

図２を参照すると、基板１１０はシリコン基板などの一体構造の半導体基体であってよい。基板１１０を通る通路は、基板１１０を通る流体のための流路を画定する。特に、基板入口１２は供給室４３２からの流体を受け取り、膜６６（より詳細に下記で説明する）を通って延び、流体を１つ以上の流入供給チャネル１４に供給する。各流入供給チャネル１４は流体を対応する流入通路（不図示）を通して複数の流体吐出器１５０に供給する。簡単にするため、１つの流体吐出器１５０だけが図２に示されている。各流体吐出器は基板１１０の底面上に配置されたノズル層１１に形成されたノズル２２を含む。幾つかの例では、ノズル層１１は基板１１０の不可分の部分である。幾つかの例では、ノズル層１１は基板１１０の表面上に蒸着された層である。流体は１つ以上の流体吐出器１５０のノズル２２から選択的に吐出され、任意の表面上に印刷することができる。

流体は吐出器流路４７５に沿って各流体吐出器１５０を通って流れる。吐出器流路４７５は上昇部１６により流入供給チャネル１４に流体的に接続されたポンプ室１８を含んでもよい。また、吐出器流路４７５はポンプ室１８を対応するノズル２２に流体的に接続する下降部２０を含んでもよい。流出通路２６は下降部２０を流出供給チャネル２８に接続する。流出供給チャネル２８は基板出口（不図示）を通して帰還室４３６と流体的に接続されている。流入供給チャネル１４と流出供給チャネル２８を時には一般的に供給チャネル１４、２８と呼ぶ。

図２の例では、通路、例えば基板入口１２、流入供給チャネル１４、及び流出供給チャネル２８は共通の平面内に示されている。幾つかの例では、基板入口１２、流入供給チャネル１４、及び流出供給チャネル２８のうち１つ以上は、その他の通路のうち１つ以上と共通の平面内にない。

基板は複数の流体吐出器１５０を含む。流体は、上昇部１６、ポンプ室１８、及び下降部２０を含む対応する吐出器流路４７５に沿って各流体吐出器１５０を通って流れる。各上昇部１６は流入供給チャネル１４のうち１つを対応するポンプ室１８に流体的に接続する。ポンプ室１８は関連するノズル２２に繋がる対応する下降部２０に流体的に接続されている。各下降部２０は対応する流出通路２６を通して流出供給チャネル２８のうち１つにも接続されている。

図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、基板１１０は中に形成され互いに平行に延びる複数の流入供給チャネル１４を含む。各流入供給チャネル１４は、その流入供給チャネル１４に垂直に延びる少なくとも１つの基板入口１２と流体的に連通する。基板１１０は中に形成され互いに平行に延びる複数の流出供給チャネル２８を含む。各流出供給チャネル２８は、その流出供給チャネル２８に垂直に延びる少なくとも１つの基板出口（不図示）と流体的に連通する。幾つかの例では、流入供給チャネル１４と流出供給チャネル２８は交互で行状に配列される。

幾つかの例では、プリントヘッド１００は平行する行状に配列された複数のノズル２２を備える。特定の行の複数のノズル２２は全て同じ流入供給チャネル１４と同じ流出供給チャネル２８とに流体的に接続されうる。その結果、特定の行の上昇部１６は全て同じ流入供給チャネル１４に接続され、特定の行の下降部は全て同じ流出供給チャネル２８に接続されうる。幾つかの例では、隣接する行のノズル２２は全て同じ流入供給チャネル１４又は同じ流出供給チャネル２８に流体的に接続されうるが、両方にではない。幾つかの例では、複数行のノズル２２は、交互に同じ流入供給チャネル１４又は同じ流出供給チャネル２８に接続されうる。プリントヘッド１００の更なる詳細は米国特許第７５６６１１８号明細書に見つけることができる。その内容全体をここに引用する。

本明細書に記載された特定の流路構成は、流路構成の一例である。本明細書に記載された手法は他の流路構成でも使用できる。

図２を参照すると、各流体吐出器１５０は対応するアクチュエータ３０、例えば圧電変換素子又は抵抗加熱素子を備える。各流体吐出器１５０のポンプ室１８は対応するアクチュエータ３０の近傍にある。各アクチュエータ３０は選択的に作動され対応するポンプ室１８を加圧して、加圧されたポンプ室に接続されたノズル２２から流体を吐出する。

幾つかの例では、アクチュエータ３０は圧電層３１、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含んでもよい。圧電層３１は約５０μｍ以下、例えば約１μｍ〜約２５μｍ、例えば約２μｍ〜約５μｍの厚みを有してよい。図２の例では、圧電層３１は連続している。幾つかの例では、圧電層３１は、例えば製造中にエッチング又は切断ステップにより不連続にされうる。圧電層３１は駆動電極６４と接地電極６５の間に挟まれる。駆動電極６４と接地電極６５は金属、例えば銅、金、タングステン、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）、チタン、プラチナ、又は金属の組合せであってよい。駆動電極６４と接地電極６５の厚みは、例えば約２μｍ以下、例えば約０．５μｍであってもよい。

膜６６はアクチュエータ３０とポンプ室１８の間に配置され、接地電極６５をポンプ室１８内の流体から隔離する。幾つかの例では、膜６６は分離した層である。幾つかの例では、該膜は基板１１０と一体である。幾つかの例では、アクチュエータ３０は膜６６を含まず、接地電極６５は、圧電層３１がポンプ室１８内の流体に直接曝されるよう圧電層３１の裏面上に形成される。

圧電アクチュエータ３０を作動するために、電圧が駆動電極６４と接地電極６５間に印加され、圧電層３１に電圧を印加する。印加された電圧は圧電層３１を曲げ、次に膜６６を曲げる。膜６６の曲がりはポンプ室１８の容積を変化させ、ポンプ室１８内で圧力パルス（発射パルスとも呼ばれる）を生成する。圧力パルスは下降部２０を通って対応するノズル２２へ伝播し、流体の１つの小滴をノズル２２から吐出させる。

膜６６はシリコン（例えば、単一結晶シリコン）、別の半導体材料、酸化アルミニウム（ＡｌＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの酸化物の１つ以上の層、ガラス、窒化アルミニウム、炭化ケイ素、他のセラミック又は金属、シリコン・オン・インシュレータ、又は他の材料の単一層からなってよい。例えば、膜６６は、アクチュエータ３０の作動が流体の１つの小滴を吐出させるのに十分な膜６６の屈曲を引き起こすような適合度合を有する不活性材料からなってもよい。幾つかの例では、膜６６は接着層６７によりアクチュエータ３０に固定されてもよい。幾つかの例では、基板１１０、ノズル層１１、及び膜６６のうち２つ以上が一体として形成されてもよい。

幾つかの場合では、１つの流体吐出器１５０のアクチュエータ３０が作動されると、圧力変動は流体吐出器１５０の上昇部１６を通って流入供給チャネル１４内に伝播しうる。同様に、圧力変動からのエネルギーは流体吐出器１５０の下降部２０を通って流出供給チャネル２８内に伝播しうる。従って、圧力変動は作動された流体吐出器１５０に接続された供給チャネル１４、２８のうち１つ以上において発達しうる。幾つかの場合では、これらの圧力変動は同一の供給チャネル１４、２８に接続された他の流体吐出器１５０の吐出器流路４７５内に伝播しうる。これらの圧力変動はそれらの流体吐出器１５０から吐出される滴の滴体積及び／又は滴速度に悪影響を与え、印刷品質を低下させうる。例えば、滴体積の変動は吐出される流体の量を変動させ、滴速度の変動は吐出された滴が付着される印刷面上の位置を変動させうる。流体吐出器における圧力変動の誘起は流体クロストークと呼ばれる。

幾つかの例では、流体クロストークは供給チャネル１４、２８内の圧力変動のゆっくりした消失により引き起こされうる。幾つかの例では、流体クロストークは供給チャネル１４、２８内に生じる定在波により引き起こされうる。例えば、１つの流体吐出器１５０のアクチュエータ３０が作動された時に供給チャネル１４、２８内に伝播する圧力変動は、定在波になりうる。流体吐出がその定在波を増強する周波数で起こると、供給チャネル１４、２８内の定在波は、圧力振動を同一の供給チャネル１４、２８に接続された他の流体吐出器１５０の吐出器流路４７５内に伝播させ、それらの流体吐出器１５０間の流体クロストークを引き起こしうる。

流体クロストークは供給チャネル１４、２８を通る流体流れの急な変化によっても引き起こされる。一般に、流れチャネル内の動く流体が停止又は急に方向を変えさせられると、圧力波が流れチャネル内を伝播することがある（時には、「水撃」効果と呼ばれる）。例えば、同一の供給チャネル１４、２８に接続された１つ以上の流体吐出器１５０が急にオフされると、水撃効果は圧力波を流れチャネル１４、２８内に伝播させる。その圧力波は更に同一の供給チャネル１４、２８に接続された他の流体吐出器１５０の吐出器流路４７５内に伝播し、それらの流体吐出器１５０間の流体クロストークを引き起こしうる。

流体クロストークは流体吐出器内により大きな適合度合を与え圧力変動を減衰させることで減らすことができる。流体吐出器内で得られる適合度合を増加させることで、流体吐出器のうちの１つにおいて生成された圧力変動からのエネルギーを減衰させ、隣接する流体吐出器への圧力変動の影響を減らすことができる。流体吐出器及びその関連する流体流れ通路内の適合度合は、流体、ノズルにおけるメニスカス、及び流体流れ通路（例えば、流入供給チャネル１４、上昇部１６、下降部２０、流出通路２６、流出供給チャネル２８、及び他の流体流れ通路）の表面において得られる。流体吐出器１５０及びその関連する流体流れ通路内の適合度合を増加させることは、流体吐出器１５０間の流体クロストークを軽減するのを助けうる。得られる適合度合を増加させることで、特定の流体吐出器１５０から隣接する流体吐出器１５０への圧力変動の伝播を、該流体吐出器１５０又は流体吐出器１５０が接続された供給チャネル１４、２８内で減衰させることができ、そのため他の流体吐出器１５０への圧力変動の影響を低減させる。例えば、供給チャネル１４、２８の適合度合を増加させ、供給チャネル１４、２８に接続された流体吐出器１５０間の流体クロストークを軽減することができる。

図４を参照すると、流入供給チャネル１４の１つ以上の表面上に流入適合微細構造５０を及び／又は流出供給チャネル２８の１つ以上の表面上に流出適合微細構造６０を形成することで、適合度合を流入供給チャネル１４及び流出供給チャネル２８に加えることができる。図４の例では、流入適合微細構造５０は流入供給チャネル１４の底面５２に形成され、流出適合微細構造６０は流出供給チャネル２８の底面５４に形成されている。この例では、底面５２、５４はノズル層１１により形成されている。対応する供給チャネル１４、２８内の流入及び流出適合微細構造５０、６０により与えられた追加の適合度合は、供給チャネル１４、２８に接続された特定の流体吐出器１５０内の圧力変動からのエネルギーを減衰させる。その結果、同一の供給チャネル１４、２８に接続された他の流体吐出器１５０への圧力変動の影響を減らすことができる。

幾つかの例では、適合微細構造５０、６０は、流入供給チャネル１４及び流出供給チャネル２８のノズル層１１に形成されたノズル状構造であってもよい。時にはノズル状適合微細構造５０、６０を適合ノズルと呼ぶ。（明確さのため、時には流体吐出器１５０のノズル２２を噴射ノズルと呼ぶ。）適合ノズル５０、６０はそれぞれ供給チャネル１４、２８内に位置し、いずれの個々の流体吐出器１５０に直接接続されていないし関連もしていない、そして対応するアクチュエータを持っていない。供給チャネル１４、２８内の流体圧は、通常、流体吐出器１５０の正常動作時に適合ノズル５０、６０から流体を吐出させるのに十分高くはない。例えば、流体吐出器１５０は数気圧（例えば、約１〜１０ａｔｍ）の吐出圧で動作可能であり、適合ノズル５０、６０からの吐出の閾値圧力はその動作圧力の約半分でありうる。

適合ノズル５０、６０はノズル層１１の全厚みを通って延び、ノズル層１１の適合度合を増加させる自由面を提供する。流体のメニスカスが各適合ノズル５０、６０の開口に形成される。幾つかの例では、メニスカスは膨れた凸形メニスカスである。幾つかの例では、圧力変動のない場合、メニスカスは内側へ引っ張られる（例えば、凹形メニスカスのように）ように供給チャネル１４、２８は減圧されうる。圧力変動が供給チャネル１４、２８内に伝播すると、メニスカスは膨れて凸形メニスカスになり圧力変動を減衰させ、供給チャネル１４、２８に接続された隣接する流体吐出器１５０間の流体クロストークを軽減する。

適合ノズル及び他の適合微細構造、例えば膜に覆われた凹部の更なる説明は２０１５年４月２４日に出願された米国特許出願第１４／６９５５２５号明細書に見つけることができる。その内容全体をここに引用する。

幾つかの例では、流体吐出器１５０は、例えば流体流れ通路又は噴射ノズル２２を清掃するために高い流体圧でパージされてもよい。このパージ処理は、時にはプライミングと呼ばれる。プライミング中の高い流体圧は、流体を適合ノズル５０、６０を通って吐出させうる。プライミング中のこの流体吐出は無駄になり、流体をノズル層１１の外に向いた面上に積もらせることがある。

プライミング中の適合ノズル５０、６０を通るインク損失を減らすために、適合ノズル５０、６０はプライミング中の流体圧より高い気泡圧を有するように設計されてもよい。ノズルの気泡圧は、それを超えるとノズル内の流体のメニスカスが壊れノズルを通るインクの流れができる圧力である。適合ノズル５０、６０の気泡圧がプライミング中の流体圧より大きい場合、適合ノズル内の流体のメニスカスは、プライミング中、壊れることがない、そのため流体の無駄を減らすとともに、ノズル層１１の外に向いた面の清浄度を保つのを助ける。

ノズルの気泡圧はノズルの幾何学的形態、例えばノズルの寸法及び形状に依存する。図５を参照すると、矩形のノズル５００の場合、気泡圧はノズルのより小さい寸法（幅と呼ぶ）に反比例する。

気泡圧∝γ／ｗ
ここでγは流体の表面張力であり、ｗは矩形ノズル５００の幅である。より狭い矩形ノズルは、ノズルの長さに拘らず、より広いノズルより高い気泡圧を有する。

ノズルの適合度合もノズルの幾何学的形態、例えばノズルの寸法及び形状に依存する。なお図５を参照すると、矩形のノズル５００の適合度合は、ノズルのより大きな寸法（長さと呼ぶ）とノズルの幅の３乗とに比例する。

適合度合∝γ・Ｌ・ｗ^３
ここでＬは矩形ノズルの長さである。

ノズルの気泡圧及び適合度合の幾何学的形態依存から分かるように、所望の気泡圧を実現するようにノズルを設計することは、ノズルの適合度合に影響し、次にノズルが流体クロストークをどれだけ効果的に軽減しうるかに影響する可能性がある。しかし、ノズルの気泡圧及び適合度合は、ノズルの幅への反対の依存のため及び適合度合だけがノズルの長さの関数であるので、別々に調整できる。気泡圧及び適合度合を別々に調整する能力は、流体クロストークを軽減するのに十分な適合度合と、プライミング中、インク損失を減らすのに十分高い気泡圧との両方を有するノズルを設計するのを可能にする。

１つの例では、１つ以上の長く狭い矩形の適合ノズルを流体吐出器の流入及び／又は流出供給チャネル内に形成できる。適合ノズルの狭い幅は、ノズルにプライミングの流体圧より高い気泡圧を与えることができる。適合ノズルの増加した長さは、狭い幅による適合度合の損失を少なくとも部分的に補いうる。幾つかの例では、追加の適合度合を流入及び／又は流出供給チャネルに取り入れるために、複数の長く狭い矩形の適合ノズルを形成してもよい。適合度合は加法的特性であり、従って追加の適合ノズルの存在は、個別の適合ノズルの気泡圧に影響することなく、流入及び／又は流出供給チャネルの全体の適合度合を増加させうる。

幾つかの例では、流入供給チャネルに形成された流入適合ノズルの幾何学的形態及び／又は数は、流出供給チャネルに形成された流出適合ノズルの幾何学的形態及び／又は数と異なってもよい。これらの相違は、例えば流入供給チャネル内と流出供給チャネル内との異なる流体圧に対応するのに有益でありうる。例えば、流入適合ノズルは流出適合ノズルより長く、より狭くてもよい、又は流出適合ノズルは流入適合ノズルより長く、より狭くてもよい。

図４及び図６を参照すると、流体回路の概略図は、印刷時、流体吐出器を通る流体の流路を表す。流体は流体圧Ｐ_ｉｎで流入供給チャネル内に流れ込む。流体が流入供給チャネルを通って流れる時、流体抵抗は流体圧を低下させる。流入適合ノズルにおいて、流入供給チャネル内の流体圧はＰ_{ＣＮ＿inlet}である。噴射ノズルにおいて、流体圧はＰ_ＪＮである。流出適合ノズルにおいて、流出供給チャネル内の流体圧はＰ_{ＣＮ＿ｒｅｔｕｒｎ}である。流体が流出供給チャネルを通って流体吐出器を出る時、流体は流体圧Ｐ_ｏｕｔを持つ。

流体回路から、次の関係が分かる。

Ｐ_ｉｎ＞Ｐ_{ＣＮ＿inlet}＞Ｐ_ＪＮ＞Ｐ_{ＣＮ＿ｒｅｔｕｒｎ}＞Ｐ_ｏｕｔ
従って、プライミング中、流入及び流出適合ノズル両方からの流体損失を防ぐために、流入適合ノズルは、流出適合ノズルの気泡圧より大きな気泡圧を持つよう設計されてよいと分かる。この気泡圧の相違は流出適合ノズルの寸法又は形状と異なる寸法又は形状を有する流入適合ノズルを形成することで実現できる。例えば、流入適合ノズルは流出適合ノズルより狭くでき、それにより流入適合ノズルに流出適合ノズルより高い気泡圧を与える。
幅の減少に伴う適合度合の損失を補うために、流入適合ノズルは流出適合ノズルより長くされてもよい。

幾つかの例では、流入適合ノズルの数は流出適合ノズルの数と異なりうる。例えば、流体吐出器は流出適合ノズルより多くの流入適合ノズルを有しても、又は流入適合ノズルより多くの流出適合ノズルを有してもよい。幾つかの場合、流体吐出器は流入適合ノズルのみを有し、流出適合ノズルを持たない、又は流出適合ノズルのみを有し、流入適合ノズルを持たなくてもよい。

幾つかの例では、流体クロストークは主に流体吐出器の供給チャネルのうち１つだけ、例えば流入供給チャネルだけ又は流出供給チャネルだけを通して伝達される。例えば、幾つかの流体吐出器設計では、流体クロストークは主に流出供給チャネルを通して発生する。これらの設計では、流出適合ノズルは、流入適合ノズルより低い気泡圧（流出供給チャネル内のより低い流体圧のゆえ）及びより高い適合度合（流体クロストークの発生のゆえ）を持つよう設計されうる。流体クロストークが主に流体吐出器の流入供給チャネルを通して発生する他の流体吐出器設計では、流入適合ノズルは流出適合ノズルより高い気泡圧及びより高い適合度合を持つよう設計されてよい。

流入及び流出適合ノズルの実際の寸法は、流体吐出器及び流体の特性、例えばプライミング圧、流路に沿った内部抵抗、噴射ノズルの寸法、流体の表面張力、及び／又は他の特性に基づいて決定されてよい。

図７Ａ〜図７Ｅを参照すると、具体例において、様々な構成の流入及び流出適合ノズルがそれら以外は同様の幾何学的形態（同様の寸法及び形状の噴射ノズルと、同様の寸法及び形状の流入及び流出供給チャネルとを含む）を持つ流体吐出器内に作られた。図７Ａ〜図７Ｅは、各ノズル構成について１つだけの流体吐出器のノズル層の底面図を示す。各構成の噴射及び適合ノズルの寸法を表１に示す。この例の流体吐出器では、流体クロストークは主に流出供給チャネルを通して伝達される。クロストーク性能とプライミング中に吐出される流体の量とは、各構成について定性的に評価される。

図７Ａを参照すると、第１の構成の流体吐出器７００は噴射ノズル７０２を含むが、流入適合ノズルも流出適合ノズルも含まない。流体吐出器７００のクロストーク性能は悪かった、これは流入及び／又は流出供給チャネル内の適合ノズルの存在がその供給チャネルの適合度合を増加させて流体クロストークの効果を軽減するという理解と合致する。プライミング中に無視できる程の量の流体が失われた、これは流体吐出器７００が、そこから流体が失われうる適合ノズルを含まないことを考えると予期される。

図７Ｂを参照すると、第２の構成の流体吐出器７１０は噴射ノズル７１２、１つだけの流入適合ノズル７１４、及び１つだけの流出適合ノズル７１６を含む。流入適合ノズル７１４と流出適合ノズル７１６両方が正方形で同じ寸法を有する。流体吐出器７１０のクロストーク性能は良かった、これは適合ノズル７１４、７１６の存在が流体クロストークの効果を軽減できることを証明する。しかし、プライミング中に適合ノズル７１４、７１６を通って大量の流体が失われた。

図７Ｃを参照すると、第３の構成の流体吐出器７２０は噴射ノズル７２２、２つの流入適合ノズル７２４、及び２つの流出適合ノズル７２６を含む。流入及び流出適合ノズル７２４、７２６は矩形で同じ寸法を有する。適合ノズル７２４、７２６は図７Ｂの適合ノズル７１４、７１６より幅が狭く、長さが長い、従って、適合ノズル７１４、７１６より高い気泡圧を有する。より高い気泡圧を考えると予期されるように、プライミング中に適合ノズル７２４、７２６を通ってより小量の流体が失われた。流体吐出器７２０のクロストーク性能はそれでも良かった、これはこの寸法の矩形適合ノズルが流体クロストークを軽減できることを証明する。

図７Ｄを参照すると、第４の構成の流体吐出器７３０は噴射ノズル７３２、２つの流入適合ノズル７３４、及び２つの流出適合ノズル７３６を含む。流入及び流出適合ノズル７３４、７３６は矩形で同じ寸法を有する。適合ノズル７３４、７３６は図７Ｃの適合ノズル７２４、７２６よりかなり狭く、長い、従って、適合ノズル７２４、７２６より高い気泡圧を有する。そのため、プライミング中に適合ノズル７３４、７３６を通って無視できる程の量の流体が失われた。しかし、この流体吐出器のクロストーク性能は悪かった、これはノズルを狭くしたことで失われた適合度合が多すぎて増加した長さでは埋め合わせできなかったことを示す。

図７Ｅを参照すると、第５の構成の流体吐出器７４０は噴射ノズル７４２、２つの矩形流入適合ノズル７４４、及び２つの矩形流出適合ノズル７４６を含む。流入適合ノズル７４４は図７Ｄの適合ノズル７３４の寸法と同様の寸法を有し、これは流入適合ノズル７４４に高い気泡圧を与えるが相対的に低い適合度合となる。流出適合ノズル７４６は図７Ｃの適合ノズル７２４の寸法と同様の寸法を有し、そのため流入適合ノズル７４４より低い気泡圧とより高い適合度合を有する。即ち、図７Ｅの流体吐出器７４０では、流入適合ノズル７４４の気泡圧は流出適合ノズル７４６の気泡圧より大きく、適合度合は流入供給チャネル内で流出供給チャネル内より低い。流体吐出器７４０は良好なクロストーク性能とプライミング中の無視できる程の流体損失の両方を示した。

これらの結果は、流入及び流出適合ノズルの幾何学的形態を調整して流体クロストークを軽減し、かつプライミング中の流体損失を減らすことができることを示す。

これらの結果は、矩形適合ノズルの性能を証明するが、適合ノズルの他の形状、例えば円形、楕円形、フラクタル、又は他の形状も使用できる。

幾つかの例では、適合ノズルの分布は所望のクロストーク及び／又は流体損失性能を実現するために調整できる。例えば、適合ノズルは供給チャネルの長さに沿って均一に分布させる、ランダムに分布させる、又は供給チャネルの１つ以上の領域（例えば、供給チャネルの上流端、下流端、又は中央）に集中させることができる。幾つかの例では、流入及び流出適合ノズルの分布は同様であってよい。幾つかの例では、流入適合ノズルの分布は流出適合ノズルの分布と異なってもよい。

図８はノズル層１１に形成された適合ノズル１２０を有する流体吐出器１５０の製造の手法の例を示す。ノズルウエハー１４０はノズル層１１、エッチング停止層１２２（例えば、ＳｉＯ_２又はＳｉ_３Ｎ_４などの酸化物又は窒化物エッチング停止層）、及びハンドル層１２４（例えば、シリコンハンドル層）を含む。幾つかの例では、ノズルウエハー１４０はエッチング停止層１２２を含まない。

噴射ノズル２２と適合ノズル１２０が、例えばリソグラフィー及びエッチングを含む標準の微細加工技術を使用して、ノズル層１１を貫通して形成される。幾つかの実施形態では、噴射ノズル２２と適合ノズル１２０は、例えば同一のエッチングステップを使用して、ノズル層１１に同時に形成される。

噴射ノズル２２と適合ノズル１２０の形成後、製造は種々の手法のいずれかに従って流体吐出器の製造に進むことができる。

適合ノズル１２０は噴射ノズル２２を形成するための処理ステップ中に形成されるので、適合ノズル１２０の形成に関連する費用影響はほとんど又は全くない。

幾つかの例では、適合微細構造は、例えば２０１５年４月２４日に出願された米国特許出願第１４／６９５５２５号明細書に記載されている膜で覆われた凹部であってもよい。その内容全体をここに引用する。流入及び流出供給チャネル内の膜で覆われた凹部は、所望の性能を実現するために寸法が異なっても及び／又は数が異なってもよい。これらの手法は他の適合度合の源、例えば閉じ込められた気泡（例えば、ＭＥＭｊｅｔ）、内部適合度合、又は他の適合度合の源にも適用できる。

特定の実施形態を説明した。他の実施形態は添付の請求項の範囲内である。

１１ノズル層
１２基板入口
１４流入供給チャネル
１６上昇部
１８ポンプ室
２０下降部
２２ノズル(噴射ノズル)
２６流出通路
２８流出供給チャネル
３０アクチュエータ
３１圧電層
５０流入適合微細構造
５２、５４底面
６０流出適合微細構造
６４駆動電極
６５接地電極
６６膜
６７接着層
１００プリントヘッド
１１０基板
１２０適合ノズル
１２２エッチング停止層
１２４ハンドル層
１４０ノズルウエハー
１５０流体吐出器
４１０ケーシング
４２０上部介在体
４２２流体供給入口
４２８流体帰還出口
４３０下部介在体
４３２流体供給室
４３６流体帰還室
４４０下部仕切り
４７４流路
４７５吐出器流路
５３０上部仕切り
７００、７１０、７２０、７３０、７４０流体吐出器
７０２、７１２、７２２、７３２、７４２噴射ノズル
７１４、７２４、７３４、７４４流入適合ノズル
７１６、７２６、７３６、７４６流出適合ノズル

Claims

流体吐出装置において、
ポンプ室、
前記ポンプ室に結合された吐出ノズル、及び
流体を前記ポンプ室から前記吐出ノズルを通って吐出させるよう構成されたアクチュエータ、
を備えた流体吐出器と、
前記ポンプ室の流体入口に流体的に接続された流入供給チャネルの表面に形成された第１の適合組立体と、
前記ポンプ室の流体出口に流体的に接続された流出供給チャネルの表面に形成された第２の適合組立体と
を備え、
前記第１の適合組立体の適合度合は、前記第２の適合組立体の適合度合と異なる、流体吐出装置。
前記第１の適合組立体の適合度合は、前記第２の適合組立体の適合度合より小さい、請求項１記載の流体吐出装置。
前記吐出ノズルの適合度合は、前記第１の適合組立体の適合度合及び前記第２の適合組立体の適合度合より大きい、請求項１又は２記載の流体吐出装置。
前記第１の適合組立体の気泡圧は、前記吐出ノズルの気泡圧より大きい、請求項１〜３のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記第２の適合組立体の気泡圧は、前記吐出ノズルの気泡圧より小さい、請求項１〜４のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記第１の適合組立体は、第１の適合ノズルを含み、前記第２の適合組立体は、第２の適合ノズルを含む、請求項１〜５のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルは前記第２の適合ノズルと異なる寸法を有する、請求項６記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルの幅は、前記第２の適合ノズルの幅より小さい、請求項７記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルの長さは、前記第２の適合ノズルの長さより大きい、請求項７又は８記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルの長さは、前記第１の適合ノズルの幅より大きい、請求項６〜９のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記吐出ノズルは前記第１の適合ノズル、前記第２の適合ノズル、又は両方の寸法と異なる寸法を有する、請求項６〜９のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記吐出ノズルの幅は前記第１の適合ノズルの幅及び前記第２の適合ノズルの幅より大きく、
前記吐出ノズルの長さは前記第１の適合ノズルの長さ及び前記第２の適合ノズルの長さより小さい、請求項１１記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルの幅は、前記第２の適合ノズルの幅より小さく、
前記第１の適合ノズルの長さは、前記第２の適合ノズルの長さより大きい、請求項１２記載の流体吐出装置。
前記第１の適合組立体は、複数の第１の適合ノズルを含み、前記第２の適合組立体は、複数の第２の適合ノズルを含む、請求項６〜１３のいずれかに記載の流体吐出装置。
第１の適合ノズルの数は、第２の適合ノズルの数と異なる、請求項１４記載の流体吐出装置。
（１）前記複数の第１の適合ノズルを前記流入供給チャネルの表面上に不均一に分布させるか、（２）前記複数の第２の適合ノズルを前記流出供給チャネルの表面上に不均一に分布させるか、又は（３）（１）と（２）の両方である、請求項１４又は１５記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルの形状は前記第２の適合ノズルの形状と異なる、請求項６〜１６のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記第１の適合ノズルは、前記流入供給チャネルの表面の内面上に内側開口と、前記流入供給チャネルの表面の外面上に外側開口とを画定し、
前記第２の適合ノズルは、前記流出供給チャネルの表面の内面上に内側開口と、前記流出供給チャネルの表面の外面上に外側開口とを画定する、請求項６〜１７のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記流入供給チャネルと前記第１の適合組立体の間の流体路内に形成された制限要素を含む請求項１〜１８のいずれかに記載の流体吐出装置。
前記吐出ノズルはノズル層内に形成され、前記ノズル層は前記流入チャネルの表面と前記流出チャネルの表面とを含む、請求項１〜１９のいずれかに記載の流体吐出装置。
流体吐出装置の流体吐出器を作動させ、流体を吐出ノズルを通って吐出させる工程であって、前記流体吐出器に流体的に接続された流入供給チャネル内と前記流体吐出器に流体的に接続された流出供給チャネル内との流体圧を変化させる前記流体吐出器を作動させる工程と、
前記流入供給チャネル内と前記流出供給チャネル内との流体圧の前記変化に応答して、前記流入供給チャネルの表面に形成された第１の適合組立体内と前記流出供給チャネルの表面に形成された第２の適合組立体内とに流体の凸形メニスカスを形成する工程と
を含み、
前記第１の適合組立体の適合度合は前記第２の適合組立体の適合度合と異なる、方法。
前記第１の適合組立体の適合度合は、前記第２の適合組立体の適合度合より小さい、請求項２１記載の方法。
前記第１の適合組立体内と前記第２の適合組立体内とに流体の前記凸形メニスカスを形成する工程は、前記第１の適合組立体からも前記第２の適合組立体からも流体を吐出しない工程を含む、請求項２１又は２２記載の流体吐出装置。
前記流体吐出器を作動させる工程は、前記流入供給チャネル内の流体圧を前記第１の適合組立体の気泡圧未満のままにさせ、前記流出供給チャネル内の流体圧を前記第２の適合組立体の気泡圧未満のままにさせる、請求項２１〜２３のいずれかに記載の方法。
前記流入又は流出供給チャネルの表面の外面上に位置する流体を前記第１の適合組立体、前記第２の適合組立体、又は両方内に受け入れる工程を含む、請求項２１〜２４のいずれかに記載の方法。
ノズル層内に吐出ノズル、第１の適合組立体、及び第２の適合組立体を形成する工程であって、前記第１の適合組立体の適合度合は前記第２の適合組立体の適合度合と異なる、工程と、
ポンプ室と、流体を前記ポンプ室から前記ノズルを通って吐出させるよう構成されたアクチュエータとを備えた流体吐出器を備える基板に前記ノズル層を取り付けて流体吐出装置を形成する工程と
を含み、
前記流体吐出装置では、前記第１の適合組立体は前記ポンプ室の流体入口に流体的に接続された流入供給チャネルの壁を画定する前記ノズル層の一部に形成され、前記第２の適合組立体は前記ポンプ室の流体出口に流体的に接続された流出供給チャネルの壁を画定する前記ノズル層の一部に形成される、方法。
前記第１の適合組立体を形成する工程は、前記ノズル層を貫通して第１の適合ノズルを形成する工程を含み、前記第２の適合組立体を形成する工程は、前記ノズル層を貫通して第２の適合ノズルを形成する工程を含む、請求項２６記載の方法。
前記第１の適合ノズルの長さは、前記第１の適合ノズルの幅より大きい、請求項２７記載の方法。
前記第２の適合ノズルを形成する工程は、前記第１の適合ノズルと異なる寸法を有する適合ノズルを形成する工程を含む、請求項２７又は２８記載の方法。
前記第１の適合ノズルの幅は、前記第２の適合ノズルの幅より小さい、請求項２９記載の方法。
前記第１の適合ノズルの長さは、前記第２の適合ノズルの長さより大きい、請求項２９又は３０記載の方法。
前記第１及び第２の適合ノズルを形成する工程は、前記吐出ノズルと異なる寸法を有する適合ノズルを形成する工程を含む、請求項２７〜３１のいずれかに記載の方法。
前記第１の適合組立体を形成する工程は、前記ノズル層を貫通して複数の第１の適合ノズルを形成する工程を含み、前記第２の適合組立体を形成する工程は、前記ノズル層を貫通して複数の第２の適合ノズルを形成する工程を含み、第１の適合ノズルの数は第２の適合ノズルの数と異なる、請求項２６〜３２のいずれかに記載の方法。