JP5276102B2 - 流体吐出装置 - Google Patents

Description

インクジェット印刷技術は、一般に、流体吐出装置を、通例でプリントヘッドと呼ばれるものを利用する。この流体吐出装置は、複数のオリフィス又はノズルを備えており、それらを通して印刷流体の滴が吐出される。プリントヘッドの噴射周波数（firing frequency）は、様々な要因により制限を受ける。

インクジェットペンの一態様の斜視図である。 流体吐出装置、例えばプリントヘッドの一態様の断面の側面図である。 プリントヘッドの一態様の部分的に切断された等角図である。 プリントヘッドの一態様の、図２の線４−４に沿った部分断面図である

図面では、同一の参照番号は、様々な図面を通して同じ要素を指示している。これら図面を参照すると、図１には、プリントヘッド１２の形態である流体吐出装置を有するインクジェットペン１０の例示的な態様を示す。ペン１０は、一般に印刷流体供給部を収容する本体１４を含む。ここで用いる限り、「印刷流体」という用語は、印刷プロセスで用いられるあらゆる流体を指すが、インク、プレコンディショナー（下刷り液）、フィクサー（定着液）等に限定されることはない。可能な他の態様は、印刷流体以外の流体を吐出する流体吐出装置を含む。

印刷流体供給部は、ペン本体１４内に完全に収容されている流体リザーバを有していてもよいし、別態様では、１つ以上の軸外（off-axis）流体リザーバ（図示せず）に流体接続されているペン本体１４内チャンバを備えていてもよい。プリントヘッド１２は、印刷流体供給部と流体連通して、ペン本体１４の外表面上に取り付けられている。プリントヘッド１２は、そこに形成されている複数のノズル１６を通して印刷流体の滴を吐出する。図１では、比較的小さな数のノズル１６が示されているが、プリントヘッド１２は、一列当たり百以上のノズルを有する２つ以上の列を有していてよく、これは、プリントヘッドの分野で通例である。また、適切な電気接続体１８（例えばＴＡＢ（tape automated bonding）テープである「フレックステープ（flex tape）」）が、プリントヘッド１２への及びプリントヘッド１２からの信号を送信するために設けられている。

図２〜４を参照すると、プリントヘッド１２は基板２０を含み、この基板２０は、そこに形成された少なくとも１つの流体供給孔２２、及び流体供給孔２２の回りに配置された複数の滴発生器２４を有する。流体供給孔２２は、印刷流体供給部と流体連通する細長いスロットである。各滴発生器２４は、１つのノズル列１６、噴射チャンバ２６、流体供給孔２２と噴射チャンバ２６との間に流体連通を構築する供給チャネル２８、及び噴射チャンバ２６内に設けられている流体吐出体３０を備えている。流体吐出体３０は、抵抗体又はピエゾ式アクチュエータのような、それに対応するノズル１６を通って吐出される流体の滴を生じさせるよう動作可能なあらゆる装置であってよい。

例示的な態様では、酸化物層３２が基板２０の前面に形成されており、薄膜積層体３４が酸化物層３２の上に被着されている。薄膜積層体３４は、一般に、酸化物層、流体吐出体３０及び導電線（conductive trace）を画定する金属層、並びに保護層（passivation layer）を備えている。噴射チャンバ２６及び供給チャネル２８を画定するバリア層３６は、薄膜積層体３４の上に形成されている。そして、ノズル１６を画定するオリフィス層３８は、バリア層３６の上に形成されている。図２〜４は、１つの可能なプリントヘッド構成、つまり共通の供給孔の周りに滴発生器の２列の並びがある構成を図示しているが、本開示の実施においては他の構成も使用可能であることに留意されたい。例えば、他の実施し得るプリントヘッドは、端部供給型の構造（edge-feed architecture）と呼ばれるものであって、基板の側方の端部に沿って配置された滴発生器を有する。この場合、印刷流体は、側方端部を越えて供給チャネル内へと流れる。

図３及び４を参照するとよく理解できるが、各供給チャネル２８は、短くて狭い２つの通路４０を有し、この通路４０は、供給チャネル２８の主部分からそれに対応する噴射チャンバ２６へと延びている。通路４０は、流体を別々に輸送するように配置されている、別個の専用の、噴射チャンバ２６へのインレットを画定する。ここで用いる限り、「流体を別々に輸送するように配置されている」とは、通路４０の各１つが、供給チャネル２８の主部分へと流体接続されている専用の入口と、噴射チャンバ２６へと流体接続されている専用の出口とを有することを意味する。印刷流体は２つの通路４０を通って独立に流れ、各通路を通って流れる印刷流体の間には、その流体が噴射チャンバ２６に入るまで障害はない。２つの通路４０は、印刷流体の、噴射チャンバ２６への、勢いを弱められた２つの別個の流れを提供する。通路４０の各軸線は、図３及び４に示すように相互に平行でなくともよい。例示的な態様では、２つの通路４０が示されているが、滴発生器１つ当たりそのような通路が２つ以上あるものも利用可能であることに留意されたい。

例示的な態様では、噴射チャンバ２６は、後壁、２つの側壁及び流体供給孔２２に最も近くに位置する前壁を備えている長方形の構成を有する。前壁と流体供給孔２２との間の（つまり前壁に隣接する）基板２０のエリアは棚部領域４２と呼ばれ、所与の滴発生器２４に対する棚部長さＳは、流体吐出体３０の前方と流体供給孔２２の端部との間の距離である。通路４０はいずれも、噴射チャンバ２６の前壁に形成され且つ島部４４によって分離されている。２つの通路４０及び島部４４の合計の幅は、噴射チャンバ２６の幅Ｗよりも小さい。つまり、通路４０は、互いに横並びに配置されており、噴射チャンバ２６の幅Ｗより小さな横方向の距離を画定するように互いに隔置されている。この狭い隔置を生かすために、噴射チャンバ２６には、噴射チャンバ長さＬより顕著に小さい最小限の幅Ｗが設けられている。このような狭い噴射チャンバにおいては、流体吐出体３０がノズル１６の下に位置決めされている（ノズルに対して中央合わせされている）場合には、後壁近くに、停滞する印刷流体のエリアが残されることになってしまう。したがって、各ノズル１６（図４に点線で示す）は、それに対応する流体吐出体３０の中央からずらされて配置されている。滴発生器２４それぞれにも、短い棚部長さＳが設けられている。この棚部長さＳは、例示的な態様では、噴射チャンバ長さＬより小さい。

別の可能な態様では、通路４０は横並びに位置するのではなく、垂直方向に互いに重ね合わせられて配置されている。その場合でも、通路４０は、噴射チャンバ２６幅Ｗより小さい横方向距離を画定するか又は占有する。通路４０は、垂直方向又は横方向ではなく、斜め方向に配置することもできる。

動作時、印刷流体の滴は、対応する流体吐出体３０を作動させることによって、選択されたノズル１６から吐出される。そして、噴射チャンバ２６は、印刷流体で再充填されるが、印刷流体は、流体供給孔２２から棚部領域４２を越えて（又は端部供給型の構造の場合には基板の側方端部を越えて）、さらに供給チャネル２８及び通路４０を通って流れる。例えば、流体吐出体３０が抵抗体である場合には、抵抗体は、電流のパルスによりエネルギー供給される。それにより生じた抵抗体３０からの熱によって、対応する噴射チャンバ２６内で蒸気泡が形成され、その蒸気泡は、急速に膨張し、印刷流体の滴を対応するノズル１６を通して押し出す。この泡の膨張は、印刷流体を、印刷流体供給部の方に向かって供給チャネル２８内へ押し戻しもする。一方、泡の破壊は、供給チャネル２８を通る印刷流体を引き寄せ、噴射チャンバ２６を部分的に再充填する。噴射チャンバの再充填は、毛細管作用によって完了する。噴射チャンバ２６が印刷流体で充填されると、流体は、ノズル１６内でメニスカスを形成する。流体の運動エネルギーはメニスカスを押し、メニスカスを膨らませ、メニスカスにおける表面張力は、膨らんだ流体を噴射チャンバ２６内へと押し戻す。よって、メニスカスは、自然に押し付けられた膜のように挙動し、単調和振動を受けながら平衡を保とうとする。振動は、粘性損失（viscous loss）が運動エネルギーを散逸し、系が休止するまで続く。平衡状態では、印刷流体は一定体積となる。

メニスカスがまだ振動している状態で滴を吐出すると、メニスカスオーバーシュート（meniscus overshoot）として知られる状況となり得る。具体的には、メニスカスが外方へ膨らんでいる時に滴が吐出されると（つまりメニスカスオーバーシュート）、生じる滴は、より大きな滴重量及びより低い滴速度を有することになる。メニスカスオーバーシュートによって、プリントヘッド表面上に過剰の液体が残され、これは、適切な滴の吐出を妨げることがあり、極端な場合には、滴の吐出が完全に停止してしまうことさえある。

断面積が小さいという性質によって、２つの通路４０は、狭窄部又はピンチ点（pinch points）として機能し、この狭窄部又はピンチ点は粘性減衰を提供し、それによりメニスカスの振動及びオーバーシュートも低減させる。１つのピンチ点でなく、２つ以上のピンチ点の通路４０を使用することによって、供給チャネル２８を通って流れる印刷流体の速度は、粘性抵抗を犠牲にすることなく、比較的低くなる。流体速度がより低いということは、運動する印刷流体の運動エネルギー（ｍを質量、Ｖを速度として１／２ｍＶ^２で決定される）がより小さいことを意味する。加えて、棚部長さが短いということは、運動する印刷流体の質量がより小さくなり、ひいては運動エネルギーが低減することを意味する。粘性抵抗の所与量に対して運動エネルギーが低減することによって、メニスカス振動及びオーバーシュートが低減する。言い換えれば、このように運動エネルギーがより小さくなったことによって、再充填の際、メニスカスの振動が、より小さい粘性抵抗を有する単一のピンチ点の場合よりも迅速に休止するようになることを可能にする。

流体速度を低く保ち且つ棚部長さを短くすることによって運動エネルギーを低減することによって、メニスカスオーバーシュートが抑制される。メニスカスオーバーシュートが抑制されるということは、より小さな粘性抵抗が利用される（利用される粘性抵抗はより少なくなる）ことを意味し、よってピンチ点通路４０の長さを低減でき、それにより再充填速度が増大する。

要約すると、流体を別々に輸送するように構成されている複数のピンチ点通路によって、再充填速度を犠牲にすることなく、メニスカスオーバーシュートが低減し、棚部長さを短くすることによって、メニスカスオーバーシュートを増大させることなく再充填速度が高まる。よって、これらの２つの特徴を共に利用することによって、噴射チャンバの再充填速度が高まり、メニスカスオーバーシュートが低減する。よって、本開示により、再充填速度とメニスカスオーバーシュートとでどちらかをあきらめることなく、プリントヘッド性能を最適化することができる。

以上、本開示の特定の態様を説明したが、添付の特許請求の範囲に記載された事項の思想及び範囲から逸脱することがなければ、それらの態様に対し様々な変更が可能であることに留意されたい。

Claims (9)

1. 基板（２０）であって、棚部領域（４２）を画定し、当該基板に形成された供給孔（２２）を有するもの、及び
   前記基板（２０）上に形成された複数の滴発生器（２４）
   を備えている流体吐出装置（１２）であって、
   各滴発生器（２４）が、噴射チャンバ（２６）、当該噴射チャンバ（２６）内に設けられた流体吐出体（３０）、及び前記棚部領域（４２）と前記噴射チャンバ（２６）との間に流体連通を構築するチャネル（２８）を有し、前記チャネル（２８）が、流体を別々に輸送するように構成された、前記噴射チャンバ（２６）への少なくとも２つの別個のインレット（４０）を有し、
   各噴射チャンバ（２６）がチャンバ長さ（Ｌ）を有し、前記棚部領域（４２）が棚部長さ（Ｓ）を規定し、当該棚部長さ（Ｓ）が、各流体吐出体（３０）の前方と前記流体供給孔（２２）の端部との間の距離であり、
   前記棚部長さ（Ｓ）が前記チャンバ長さ（Ｌ）より短い、流体吐出装置。
2. 各チャンバ（２６）が幅を有し、前記インレット（４０）が、前記チャンバの前記幅より小さい横方向距離を規定する、請求項１に記載の流体吐出装置（１２）。
3. 各チャンバ（２６）が複数の壁部によって画定され、前記壁部のうち第１の壁部が、前記棚部領域（４２）に隣接して位置し、前記２つのインレット（４０）がいずれも、前記第１の壁部内に形成されている、請求項１又は２に記載の流体吐出装置（１２）。
4. 前記複数の滴発生器（２４）が、前記供給孔（２２）の周りに配置されている、請求項１から３のいずれか１項に記載の流体吐出装置（１２）。
5. 各流体吐出体（３０）が抵抗体（３０）である、請求項１から４のいずれか１項に記載の流体吐出装置（１２）。
6. 各滴発生器（２４）が、前記流体吐出体（３０）の上方に配置されたノズル（１６）を含む、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体吐出装置（１２）。
7. 各ノズル（１６）の位置が、対応する流体吐出体（３０）に対してずらされて配置されている、請求項１から５のいずれか１項に記載の流体吐出装置（１２）。
8. 各滴発生器（２４）が、前記少なくとも２つの別個のインレット（４０）を分離し且つ画定する島部（４４）を有する、請求項１から７のいずれか１項に記載の流体吐出装置（１２）。
9. 前記噴射チャンバ（２６）が、後壁、２つの側壁及び前壁を有し、前記第１の壁が前壁である、請求項３に記載の流体吐出装置（１２）。

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