JP5728622B2 - 流体吐出デバイスにおけるスロット間の循環 - Google Patents

Description

背景
インクジェットプリンタの流体吐出デバイスは、液滴のドロップオンデマンドの吐出を行う。インクジェットプリンタは、１枚の用紙のような印刷媒体上に、複数のノズルを通してインク滴を吐出することによりイメージを生成する。ノズルは一般に、ノズルからインク滴を適切に順序付けて吐出することによって、プリントヘッド及び印刷媒体が互いに対して移動する際に文字または他のイメージが印刷媒体上に印刷されるように、１つ又は複数のアレイに配列される。特定の例において、サーマルインクジェットプリントヘッドは、加熱素子に電流を通電して熱を発生させ、発射チャンバ内の流体のごく一部を気化させることにより、ノズルから小滴を吐出する。蒸気泡により変位した流体の一部は、ノズルから吐出される。別の例において、圧電インクジェットプリントヘッドは、ノズルからインク滴を押し出す圧力パルスを生成するために圧電材料のアクチュエータを使用する。

インクジェットプリンタは、合理的コストで高い印字品質を提供するが、それらの継続した改善は、様々な動作の問題を克服することに部分的に依存する。例えば、印刷中にインクからの気泡の解放（放出）は、インク流れの閉塞、小滴を吐出するのに十分でない圧力、及び誤った方向に行く小滴のような問題の原因となる可能性がある。顔料インクビヒクル分離（pigment-ink vehicle separation：ＰＩＶＳ）は、顔料系インクを用いる際に生じる可能性がある別の問題である。ＰＩＶＳは一般に、ノズル領域のインクからの水分蒸発、及び水に対する顔料のより高い親和性に起因したノズル領域近くのインクの顔料濃度の低下の結果である。保管または不使用の期間中、顔料粒子も沈殿またはインクビヒクルから析出する可能性があり、それによりプリントヘッドの発射チャンバ及びノズルへのインク流れが阻害または遮断される可能性がある。水または溶剤の蒸発のような、「デキャップ（decap：キャッピングしないこと）」に関する他の要因は、ＰＩＶＳ及び粘性のあるインクプラグ（詰め物）の形成の原因となる可能性がある。デキャップは、インクジェットノズルがキャッピングされない状態のままであり且つ吐出されるインク滴の劣化を生じずに周囲環境にさらされたままである可能性がある時間である。デキャップの影響は、小滴の飛翔軌道、速度、形状および色を変更する可能性があり、それらの全ては、インクジェットプリンタの印字品質に悪影響を及ぼす可能性がある。

さて、本実施形態が、添付図面に関連して一例として説明される。

一実施形態による、本明細書に開示されたようなスロット間の流体循環を実現するために流体吐出デバイスを組み込むのに適したインクジェット印刷システムを示す図である。 実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 一実施形態による、図２ａ及び図２ｂの上からの図にほぼ対応する流体吐出デバイスの断面図である。 一実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 一実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 一実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 一実施形態による、流体吐出デバイスの上からの図である。 一実施形態による、チャネルの各端部の方に位置する流体ポンプアクチュエータを備える閉じた流体ポンプチャンバを有する流体チャネルを示す図である。 一実施形態による、チャネルの各端部の方に位置する圧電流体ポンプアクチュエータを備える閉じた流体ポンプチャンバを有する流体チャネルを示す図である。 一実施形態による、チャネルの各端部の方に位置する圧電流体ポンプアクチュエータを備える閉じた流体ポンプチャンバを有する流体チャネルを示す図である。 一実施形態による、流体吐出デバイスにおいてスロット間で流体を循環させる例示的な方法の流れ図である。

詳細な説明
問題点および解決策の概要
上述したように、インクジェット印刷システムの開発において、様々な問題が依然として克服される必要がある。例えば、そのようなシステムで使用されるインクジェットプリントヘッドは時として、インクの閉塞および／または目詰まりに関連する問題を有する。インク閉塞の１つの原因は、プリントヘッドの中で気泡として蓄積する過剰の空気である。インクがインクリザーバに貯蔵されている間のように、インクが空気にさらされる場合、追加の空気がインクに溶解する。プリントヘッドの発射チャンバからインク滴を吐出する後続の動作は、インクから過剰な空気を解放し、次いでそれは気泡として蓄積する。当該気泡は、発射チャンバからプリントヘッドの他の領域へ移動し、この場合、当該気泡はプリントヘッドへの及びプリントヘッド内のインクの流れを阻止する可能性がある。チャンバ内の気泡は、圧力を吸収し、ノズルを通って押し出される流体に対する力を低減し、それにより小滴の速度が低減される又は吐出が妨げられる。

また、顔料系インクは、プリントヘッドにおけるインクの閉塞または目詰まりの原因となる可能性もある。インクジェット印刷システムは、顔料系インク及び染料インクを使用するが、インクの双方のタイプには利点および欠点が存在し、顔料系インクが一般に好ましい。染料インクにおいて、染料粒子は液体に溶解され、そのためインクが用紙の中へより深く染み込む傾向がある。これは、染料インクの効率を悪くし、インクがイメージのエッジにおいて、にじむので印字品質を低減する可能性がある。一方、顔料系インクは、インクビヒクル、及びインクビヒクルに顔料粒子を懸濁した状態を維持することを可能にする分散剤でコーティングされた高濃度の不溶性顔料粒子からなる。これは、顔料インクが、用紙の中へ染み込むのではなくて用紙の表面にいっそう多くとどまることに役立つ。従って、顔料インクは、印刷されるイメージにおいて同じ色強度を生成するのに必要とされるインクがより少ないので、染料インクよりも効率的である。また、顔料インクは、染料インクよりも耐久性があり永久的である傾向もあり、そのため顔料インクは、水に接触した場合に染料インクよりも汚くならない。

しかしながら、顔料系インクに関する１つの欠点は、インクジェットペンの常識破りの貧弱な性能という結果になる可能性がある、長期の保管および他の環境的危機のような要因に起因したインクの閉塞がインクジェットプリントヘッドに生じる可能性がある点である。インクジェットペンは、インク供給部に内部で結合された一端部に固定されたプリントヘッドを有する。インク供給部は、プリントヘッドアセンブリ内に内蔵され得るか、又はペンの外側のプリンタに設けられ、プリントヘッドアセンブリを介してプリントヘッドに結合され得る。保管の長期にわたって、大きな顔料粒子に対する重力の影響、ランダムな変動、及び／又は分散剤の劣化により、顔料の凝集、沈殿、又は析出を生じる可能性がある。１つの場所での顔料粒子の蓄積は、プリントヘッドの発射チャンバ及びノズルへのインクの流れを妨げる又は阻止する可能性があり、プリントヘッドによる常識破りの貧弱な性能およびプリンタからの印字品質の低下という結果になる。また、インクからの水および溶剤の蒸発のような他の要因も、ＰＩＶＳ、及び／又はインク粘性の増加および粘性のあるプラグ（詰め物）の形成に寄与する可能性があり、それはデキャップの性能を低減し、不使用の期間後の即時の印刷を妨げる可能性がある。

従来の解決策は主として、プリントヘッドを使用する前後にプリントヘッドを保守（サービス）すること、並びにプリントヘッドを介してインクを循環するための様々なタイプの外部ポンプを使用することを含む。例えば、プリントヘッドは一般に、ノズルが乾燥したインクで詰まることを防止するために不使用の間にキャッピングされる（蓋を被される）。また、プリントヘッドを使用する前に、ノズルは、ノズルを通してインクを吐き出すことにより準備され得る、又は外部ポンプを用いてインクの連続した流れでもってプリントヘッドを浄化することもできる。これら解決策の欠点には、保守時間に起因して即座に（即ち、オンデマンドで）印刷する能力の低下、及び保守中にインクを消費することに起因した総所有コストの増加が含まれる。プリントヘッドを介してインクを循環するための外部ポンプの使用は一般に、扱いにくくてコストが高くつき、ノズルの入口における背圧を維持するために複雑な圧力調整器を必要とする。従って、デキャップの性能、ＰＩＶＳ、空気および微粒子の蓄積、及びインクジェット印刷システムにおけるインクの閉塞および／または目詰まりの他の原因は、全体的な印字品質を劣化させ、所有コスト、製造コスト又は双方を増加させる可能性がある基本的な問題であり続けている。

本開示の実施形態は、一般に流体供給スロット間（即ち、スロット間）で流体を循環させることにより、インクジェット印刷システムにおけるインクの閉塞および／または目詰まりを低減する。流体は、流体チャネルを介してスロット間で循環し、当該流体チャネルは、流体をポンピングするための流体変位アクチュエータを有するポンプチャンバを含む。流体アクチュエータは、各流体供給スロットに隣接する、チャンバの流体チャネルの端部の方に非対称的に（即ち、中心を外れて又は偏心して）配置される。異なる持続時間の圧縮および膨張（引っ張り）の流体変位を生じさせるためにアクチュエータの非対称的な活性化と共に、流体チャネルの端部の方にアクチュエータを非対称的に配置することは、スロット間でチャネルを介した方向性のある流体の流れを生じる。幾つかの実施形態において、流体アクチュエータは、順方向（即ち、圧縮）および逆方向（即ち、膨張または引っ張り）のアクチュエータ／ポンプ行程の持続時間がチャネルを介した流体の流れの方向を変更するために制御され得るように制御可能である。

一実施形態において、流体吐出デバイスは、基板の対向する側部に沿って且つ基板の中央領域により分離された第１及び第２の細長い流体スロットを有するダイ基板を含む。閉じたチャンバの第１及び第２の内側列がそれぞれ、第１及び第２のスロットと関連付けられる。内側列は中央領域により分離される。流体チャネルが中央領域を横切って延在し、第１の内側列からの閉じたチャンバを第２の内側列からの閉じたチャンバと流体的に連通するように結合する。各閉じたチャンバの中のポンプアクチュエータが、チャネルを介してスロット間で流体をポンピングする。

一実施形態において、流体吐出デバイスは、基板の対向する側部に沿った第１及び第２の流体スロットを含む。小滴吐出チャンバの第１の列が、第１のスロットに隣接して基板の中央部に面し、小滴吐出チャンバの第２の列が第２のスロットに隣接して基板の中央部に面する。流体チャネルが、基板の中央部を横切って延在し、第１及び第２の列の小滴吐出チャンバを介して第１及び第２のスロットを結合する。ポンプチャンバが、小滴吐出チャンバに隣接する流体チャネルの中にある。ポンプチャンバが、スロット間でチャネルを介して流体を循環させるためのポンプアクチュエータを有する。

一実施形態において、流体吐出デバイスにおいてスロット間で流体を循環させる方法は、ダイ基板の中央領域上の流体を第１のスロットから第２のスロットへ第１の流体チャネルを介してポンピングすることを含む。第１の流体チャネルが、第１のスロットから第１のスロットに隣接する第１のチャンバを介して、中央領域を横切り、第２のスロットに隣接する第２のチャンバを介して第２のスロットまで延在する。当該方法は、中央領域上の流体を第２のスロットから第１のスロットへ第２の流体チャネルを介してポンピングすることを含む。第２の流体チャネルが、第２のスロットから第２のスロットに隣接する第３のチャンバを介して、中央領域を横切り、第１のスロットに隣接する第４のチャンバを介して第１のスロットまで延在する。

例示的な実施形態
図１は、本開示の一実施形態による、本明細書で開示されたようなスロット間の流体循環を実現するために流体吐出デバイスを組み込むのに適したインクジェット印刷システム１００を示す。インクジェット印刷システム１００は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、インク供給アセンブリ１０４、取り付けアセンブリ１０６、媒体搬送アセンブリ１０８、電子プリンタコントローラ１１０、及びインクジェット印刷システム１００の様々な電気コンポーネントに電力を供給する少なくとも１つの電源１１２を含む。インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、印刷媒体１１８上に印刷するように、複数のオリフィス又はノズル１１６を通してインク滴を印刷媒体１１８へ向けて吐出する少なくとも１つの流体吐出デバイス１１４（プリントヘッド１１４）を含む。印刷媒体１１８は、用紙、カードのストック、透明媒体、マイラー（登録商標）などのような、任意のタイプの適切なシート又はロール材料とすることができる。ノズル１１６は一般に、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２及び印刷媒体１１８が互いに対して移動する際に、ノズル１１６からの適切に順序付けられたインクの吐出によって文字、記号、及び／又は他のグラフィックス又はイメージが印刷媒体１１８上に印刷されるように、１つ又は複数の列またはアレイに配列されている。

インク供給アセンブリ１０４は、供給管のようなインターフェース接続を介してインク貯蔵リザーバ１２０からプリントヘッドアセンブリ１０２へ流体インクを供給する。リザーバ１２０は、取り外され得る、交換され得る、及び／又は補充され得る。一実施形態において、図１に示されるように、インク供給アセンブリ１０４及びインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、一方向のインク供給システムを形成する。一方向のインク供給システムにおいて、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に供給されたインクのほぼ全ては、印刷中に消費される。別の実施形態（図示せず）において、インク供給アセンブリ１０４及びインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、再循環インク供給システムを形成する。再循環インク供給システムにおいて、プリントヘッドアセンブリ１０２に供給されるインクの一部のみが印刷中に消費される。印刷中に消費されなかったインクは、インク供給アセンブリ１０４に戻される。

取り付けアセンブリ１０６は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を媒体搬送アセンブリ１０８に対して位置決めし、媒体搬送アセンブリ１０８は印刷媒体１１８をインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して位置決めする。従って、印刷区域１２２が、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２と印刷媒体１１８との間の領域においてノズル１１６に隣接して画定される。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１０２は、走査型プリントヘッドアセンブリである。そういうものだから、取り付けアセンブリ１０６は、印刷媒体１１８を走査するために媒体搬送アセンブリ１０８に対してインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を移動させるためのキャリッジを含む。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１０２は、非走査型プリントヘッドアセンブリである。そういうものだから、取り付けアセンブリ１０６は、媒体搬送アセンブリ１０８に対して所定位置にインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を固定する。従って、媒体搬送アセンブリ１０８はインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に対して印刷媒体１１８を位置決めする。

電子プリンタコントローラ１１０は一般に、プロセッサ、メモリ、ファームウェア、ソフトウェア、及びシステム１００の一般的な機能を制御し且つインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、取り付けアセンブリ１０６及び媒体搬送アセンブリ１０８のようなシステムコンポーネントと通信し当該システムコンポーネントを制御するための他の電子回路のような標準的なコンピュータシステムのコンポーネント（構成要素）を含む。電子コントローラ１１０は、コンピュータのようなホストシステムからデータ１２４を受け取り、データ１２４を一時的にメモリに格納する。一般に、データ１２４は、電子、赤外線、光または他の情報伝達経路に沿ってインクジェット印刷システム１００に送られる。例えば、データ１２４は、印刷されるべき文章および／またはファイルを表す。そういうものだから、データ１２４は、インクジェット印刷システム１００の印刷ジョブを形成し、１つ又は複数の印刷ジョブコマンド及び／又はコマンドパラメータを含む。

一実施形態において、電子プリンタコントローラ１１０は、ノズル１１６からのインク滴の吐出のためにインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２を制御する。従って、電子コントローラ１１０は、印刷媒体１１８に文字、記号、及び／又は他のグラフィックス又はイメージを形成する、吐出されるインク滴のパターンを定義する。吐出されるインク滴のパターンは、印刷ジョブコマンド及び／又はコマンドパラメータにより決定される。一実施形態において、電子コントローラ１１０は、コントローラ１１０のメモリに格納された流体循環モジュール１２６を含む。流体循環モジュール１２６は、流体吐出デバイス１１４内にポンプアクチュエータとして組み込まれた１つ又は複数の流体アクチュエータの動作を制御するために電子コントローラ１１０（即ち、コントローラ１１０のプロセッサ）で実行する。より具体的には、一実施形態において、コントローラ１１０は、流体循環モジュール１２６からの命令を実行して、流体吐出デバイス１１４内のポンプアクチュエータのどれがアクティブで、どれがアクティブでないかを制御する。また、コントローラ１１０は、ポンプアクチュエータの活性化のタイミングも制御する。別の実施形態において、ポンプアクチュエータが制御可能である場合、コントローラ１１０は、モジュール１２６からの命令を実行して、ポンプアクチュエータの順方向および逆方向のポンピング行程（即ち、それぞれ、圧縮および膨張／引っ張りの流体変位）のタイミング及び持続時間を制御して、流体吐出デバイス１１４内の流体供給スロット間で流体チャネルを介した流体の流れの方向、速度、及びタイミングを制御する。

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１０２は、１つの流体吐出デバイス（プリントヘッド）１１４を含む。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１０２は、幅広いアレイ又はマルチヘッドプリントヘッドアセンブリである。幅広いアレイアセンブリの一具現化形態において、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、流体吐出デバイス１１４を担持し、且つ流体吐出デバイス１１４と電子コントローラ１１０との間に電気通信を提供し、且つ流体吐出デバイス１１４とインク供給アセンブリ１０４との間に流体連絡を提供する搬器を含む。

一実施形態において、インクジェット印刷システム１００は、ドロップオンデマンドのサーマルバブルインクジェット印刷システムであり、この場合、流体吐出デバイス１１４は、サーマルインクジェット（ＴＩＪ）プリントヘッドである。サーマルインクジェットプリントヘッドは、インクを気化させてインク滴または他の液滴をノズル１１６から押し出す気泡を生成するために、インクチャンバの中に熱抵抗吐出素子を実装する。別の実施形態において、インクジェット印刷システム１００は、ドロップオンデマンドの圧電インクジェット印刷システムであり、この場合、流体吐出デバイス１１４は圧電インクジェット（ＰＩＪ）プリントヘッド１１４であり、ＰＩＪプリントヘッドは、ノズルからインク滴を押し出す圧力パルスを生成するための吐出要素として圧電材料のアクチュエータを実装する。

図２（図２ａ及び図２ｂ）は、本開示の実施形態による、流体吐出デバイス１１４の上からの図を示す。図３は、図２ａの上からの図にほぼ対応する流体吐出デバイス１１４の断面図を示す。図２ａ及び図３を一般に参照すると、流体吐出デバイス１１４は、内部に形成された第１の流体供給スロット２０２及び第２の流体供給スロット２０４を備えるシリコンダイ基板２００を含む。流体スロット２０２及び２０４は、流体リザーバ１２０（図１）のような流体供給部（図示せず）と流体連絡する細長いスロットである。スロット間の流体循環の概念が、２つの流体スロットを有する流体吐出デバイスに関して本開示の全体にわたって説明されるが、そのような概念は２つの流体スロットを備えるデバイスに対するそれらの適用に限定されない。それどころか、例えば、６個または８個のスロットのような２つより多い流体スロットを有する流体デバイスも、スロット間の流体循環を実現するのに適したデバイスであるとして企図される。更に、他の実施形態において、流体スロットの構成は変更され得る。例えば、他の実施形態の流体スロットは、丸い穴、四角い穴、四角いトレンチなどのような様々な形状およびサイズからなることができる。

流体吐出デバイス１１４は、流体チャンバ２１０、２１２を画定し、且つノズル１１６を有するノズル層２１４から基板２００を分離する壁２０８を有するチャンバ層２０６を含む。チャンバ層２０６及びノズル層２１４は、例えば、ポリイミド又はＳＵ８のような耐久性があり化学的に不活性のポリマーから形成され得る。幾つかの実施形態において、ノズル層２１４は、例えば、ステンレス鋼、ニッケル、パラジウム、複数の金属からなる多層構造などを含む様々なタイプの金属から形成され得る。流体チャンバ２１０及び２１２はそれぞれ、流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２を含む。流体チャンバ２１０及び２１２は、流体スロットと流体連絡する。流体吐出チャンバ２１０は、流体が流体変位アクチュエータ２１６（即ち、流体吐出アクチュエータ２１６ａ）の駆動により吐出されるノズル１１６を有する。流体ポンプチャンバ２１２は、流体が吐出されるノズルを備えていないという点で閉じたチャンバである。より詳細に後述されるように、ポンプチャンバ２１２内の流体変位アクチュエータ２１６（即ち、流体ポンプアクチュエータ２１６ｂ）の駆動により、スロット２０２と２０４との間に流体の流れが生じる。

図２ａ及び図２ｂから明らかであるように、チャンバ２１０及び２１２は、スロット２０２及び２０４の内側および外側に沿ってチャンバの列を形成する。図２ａ及び図２ｂの実施形態において、第１の外側列２１８ａは、第１の流体スロット２０２に隣接して、スロット２０２と基板２００のエッジとの間に位置する。第２の外側列２１８ｂは、第２の流体スロット２０４に隣接して、スロット２０４と基板２００の別のエッジとの間に位置する。チャンバの第１の内側列２２０ａは、第１の流体スロット２０２に隣接して、スロット２０２と基板２００の中央部との間に位置する。第２の内側列２２０ｂは、第２の流体スロット２０４に隣接して、スロット２０４と基板２００の中央部との間に位置する。図２ａ及び図３の実施形態において、外側列２１８のチャンバは流体吐出チャンバ２１０であるが、内側列２２０のチャンバは流体ポンプチャンバ２１２である。しかしながら、他の実施形態において、外側列および内側列は、流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２の双方を含むことができる。例えば、図２ｂに示された実施形態は、流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２の双方を備える内側列２２０ａ及び２２０ｂを有する。図２ｂの実施形態は、チャネル２２２を介したスロット間の再循環を提供するが、単に内側列２２０ａ及び２２０ｂのノズル分解能（解像度）を半分に減らす。

流体変位アクチュエータ２１６は概して、ノズル１１６を介して液滴を吐出するために、及び／又はスロット２０２と２０４との間に流体の流れを生じさせように流体ポンプチャンバ２１２の中に流体変位を生成するために流体吐出チャンバ２１０の流体を変位させることができる素子であるように本開示の全体にわたって説明される。流体変位アクチュエータ２１６の一例は、熱抵抗素子である。熱抵抗素子は一般に、基板２００の表面上の酸化物層、及び酸化物層、金属層およびパッシベーション層を含む薄膜スタック（個々の層は特に示されていない）から形成される。活性化される場合、熱抵抗素子からの熱がチャンバ２１０、２１２内の流体を気化させ、それにより蒸気泡の成長が流体を変位させる。圧電素子は一般に、チャンバ２１０、２１２の底部に形成された可動膜に付着された圧電材料を含む。活性化される場合、圧電材料が、膜のチャンバ２１０、２１２の中への変位を生じ、流体を変位させる圧力パルスを生成する。熱抵抗素子および圧電素子に加えて、他のタイプの流体変位アクチュエータ２１６も、スロット間の流体循環を生じさせるために、流体吐出デバイス１１４に実装するのに適しているかもしれない。例えば、流体吐出デバイス１１４は、静電（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、機械／衝撃駆動型アクチュエータ、音声コイルアクチュエータ、磁気歪み駆動型アクチュエータなどを実装することができる。

一実施形態において、図２及び図３に示されるように、流体吐出デバイス１１４は、流体チャネル２２２を含む。流体チャネル２２２は、第１の流体スロット２０２から、ダイ基板２００の中央部を横切って、第２の流体スロット２０４まで延在する。従って、流体チャネル２２２は、第１の内側列２２０ａの流体ポンプチャンバ２１２を第２の内側列２２０ｂのそれぞれの流体ポンプチャンバ２１２と結合する。流体ポンプチャンバ２１２は、流体チャネル２２２中にあり、チャネル２２２の一部であるとみなされ得る。従って、各流体ポンプチャンバ２１２は、流体チャネル２２２内に当該チャネルの端部の方に非対称的に（即ち、中心を外れて又は偏心して）配置される。

図２及び図３の凡例に示されるように、内側列２２０ａ及び２２０ｂの幾つかの流体ポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブであり、幾つかがイナクティブである。イナクティブのポンプアクチュエータ２１６ｂは、「×」で示される。アクティブ及びイナクティブのポンプアクチュエータ２１６ｂのパターンは、流体循環モジュール１２６（図１）を実行するコントローラ１１０により制御され、第１のスロット２０２と第２のスロット２０４との間で流体を循環させる、チャネル２２２を介した流体の流れを生じさせる。方向の矢印は、スロット２０２と２０４との間で流体がチャネル２２２を介してどの方向に流れるかを示す。チャネル２２２を介した流体の流れの方向は、チャネル２２２の両端部における流体ポンプアクチュエータ２１６ｂの一方または他方を活性化することにより制御される。従って、どのポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブであり、どのポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブでないかを制御することにより、様々な流体循環のパターンがスロット２０２と２０４との間で確立され得る。図２の例に示されるように、アクティブ及びイナクティブとなるようにポンプアクチュエータ２１６ｂのグループを制御することは、第１のスロット２０２から第２のスロット２０４へ幾つかのチャネル２２２を介して流れる、及び第２のスロット２０４から第１のスロット２０２へ他のチャネル２２２を介して戻るように流れる流体を生じさせる。ポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブでないチャネル２２２は、流体の流れがほとんど又は全くない。

図４は、本開示の一実施形態による、流体吐出デバイス１１４の上からの図を示す。図４の実施形態は、追加の流体チャネルがダイ基板２００の周辺部の周りで更なるスロット間の流体循環を可能にすることを除いて、図２及び図３に説明された実施形態に類似する。周辺部流体チャネル４００は、基板２００の両側（両方の側部）および両端部に沿って配置される。周辺部流体チャネル４００は、第１の外側列２１８ａ及び第２の外側列２１８ｂから流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２の双方に流体的に連通するように結合される。従って、図２及び図３に関連して説明された実施形態とは異なり、外側列２１８及び内側列２２０は、流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２の双方を含む。流体循環のパターンは、流体ポンプチャンバ２１２（及びポンプアクチュエータ２１６ｂ）が配置されるチャネル２２２に基づいて、及び流体ポンプチャンバ２１２が外側列２１８に配置される場所に基づいて、この実施形態において決定される。従って、ダイ基板２００の中央部を横切ってスロットからスロットまでの流体の循環は、流体ポンプチャンバ２１２を備えるチャネル２２２を介して行われるが、流体ポンプチャンバを備えないチャネル２２２を介して行われない。同様に、周辺部流体チャネル４００の周りでスロット２０２と２０４との間の流体の循環は、外側列２１８の流体ポンプチャンバ２１２を介して行われる。先の実施形態においてのように、どのポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブ及びイナクティブとなるかを制御するためにコントローラ１１０で実行する流体循環モジュール１２６が、チャネル２２２及び４００を介したスロット間で流体がどの方向に循環するかを決定する。

図５は、本開示の一実施形態による、流体吐出デバイス１１４の上からの図を示す。図５の実施形態は、チャンバの外側列２１８及びチャンバの内側列２２０の双方があらゆる流体ポンプチャンバ２１２を備えずに流体吐出チャンバ２１０を有することを除いて、図２及び図３に説明された実施形態に類似する。この実施形態において、流体スロット２０２、２０４の周りのチャンバ位置を占める流体ポンプチャンバ２１２を有する（そうでなければ、流体吐出チャンバ２１０に使用され得る）代わりに、流体ポンプチャンバ２１２及び関連するポンプアクチュエータ２１６ｂを提供する追加のチャンバ位置が、チャネル２２２内にダイ基板２００の中央部の方に更に形成される。従って、図５に示されるように、チャネル２２２の何れかの端部の方の流体ポンプチャンバ２１２のポンプアクチュエータ２１６ｂが、チャネル２２２を介した流体の流れを何れかの方向に生じさせるためにコントローラ１１０により活性化され得る。アクティブ及びイナクティブになるようにポンプアクチュエータ２１６ｂのグループを制御することは、第１のスロット２０２から第２のスロット２０４へ幾つかのチャネル２２２を介して流れる、及び第２のスロット２０４から第１のスロット２０２へ他のチャネル２２２を介して戻るように流れる流体を生じさせる。ポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブでないチャネル２２２は、流体の流れがほとんど又は全くない。また、この実施形態において、チャネル２２２を介して流体スロットから／へ流れる流体は、内側列２２０ａ及び２２０ｂの流体吐出チャンバ２１０も流れる。

図６は、本開示の別の実施形態による、流体吐出デバイス１１４の上からの図を示す。図６の実施形態は、図４で説明された実施形態に類似する。従って、図６の実施形態は、基板２００の両側および両端部に沿って配置された周辺部流体チャネル４００を含む。周辺部流体チャネル４００は、第１の外側列２１８ａ及び第２の外側列２１８ｂから流体吐出チャンバ２１０及び流体ポンプチャンバ２１２に流体的に連通するように結合される。しかしながら、この実施形態において、チャンバの内側列２２０は、あらゆる流体ポンプチャンバ２１２を備えずに流体吐出チャンバ２１０を有する。この実施形態において、内側列２２０ａ及び２２０ｂのチャンバ位置を占める流体ポンプチャンバ２１２を有する（そうでなければ、流体吐出チャンバ２１０に使用され得る）代わりに、流体ポンプチャンバ２１２及び関連するポンプアクチュエータ２１６ｂを提供する追加のチャンバ位置が、チャネル２２２の幾つかの中にダイ基板２００の中央部の方に更に形成される。流体循環のパターンは、流体ポンプチャンバ２１２（及びポンプアクチュエータ２１６ｂ）が配置されるチャネル２２２に基づいて、及び流体ポンプチャンバ２１２が外側列２１８に配置される場所に基づいて、この実施形態において決定される。従って、ダイ基板２００の中央部を横切ってスロットからスロットまでの流体の循環は、流体ポンプチャンバ２１２を備えるチャネル２２２を介して行われるが、流体ポンプチャンバを備えないチャネル２２２を介して行われない。同様に、周辺部流体チャネル４００の周りでスロット２０２と２０４との間の流体の循環は、外側列２１８の流体ポンプチャンバ２１２を介して行われる。先の実施形態においてのように、どのポンプアクチュエータ２１６ｂがアクティブ及びイナクティブとなるかを制御するためにコントローラ１１０で実行する流体循環モジュール１２６が、チャネル２２２及び４００を介したスロット間で流体がどの方向に循環するかを決定する。

図７は、本開示の一実施形態による、流体吐出デバイス１１４の上からの図を示す。図７の実施形態は、図２で説明された実施形態に類似する。従って、外側列２１８のチャンバは流体吐出チャンバ２１０であるが、内側列２２０ａ及び２２０ｂのチャンバは流体ポンプチャンバ２１２である。しかしながら、この実施形態において、１つ又は複数のプレナム７００がチャンバ層２０６に形成され、ダイ基板２００の中央部の方に配置される。プレナム７００は、内側列２２０ａ及び２２０ｂの双方から多数のチャネル２２２を一緒にする。従って、アクティブなポンプアクチュエータ２１６ｂを有する多数の流体ポンプチャンバ２１２によりチャネル２２２を介して一方のスロットから循環されている流体は、プレナム７００の一方の側の中へ流れる。当該流体は、他方のスロットへ入る前に、プレナム７００の他方の側から出て連続するチャネル２２２及びイナクティブのポンプアクチュエータ２１６ｂを有する流体ポンプチャンバ２１２を介して循環する。特定のチャネル及びプレナムの具現化形態または設計が図面において説明されて示されたが、チャネル及びプレナムを介したスロット間の流体循環の概念は、これら具現化形態に制限されない。それどころか、様々な他のチャネル及びプレナムの具現化形態または設計が可能であり、スロット間の流体循環を実現するのに適切であるように本明細書で企図されている。

図８〜図１０は、流体吐出デバイス１１４において流体チャネル２２２を介したスロット間の流体循環を行う流体ポンプアクチュエータ２１６ｂの動作モードを示す。図８は、本開示の一実施形態による、チャネルの各端部の方に配置された流体ポンプアクチュエータ２１６ｂを備える閉じた流体ポンプチャンバ２１２を有する流体チャネル２２２を示す。流体チャネル２２２の両端部は、流体スロット２０２及び２０４と流体連絡する。一般に、慣性ポンピングメカニズムは、２つの要因に基づいて流体チャネル２２２の流体ポンプアクチュエータ２１６ｂからのポンピング効果を可能にする。これらの要因は、チャネル２２２の長さに対する当該チャネルにおけるアクチュエータ２１６ｂの非対称的な（即ち、中心を外れた又は偏心した）配置、及びアクチュエータ２１６ｂの非対称的な動作である。

図８に示されるように、２つの流体ポンプアクチュエータ２１６ｂのそれぞれは、チャネル２２２の対向する端部の方に非対称的に（即ち、中心を外れて又は偏心して）配置される。アクチュエータ２１６ｂの非対称的な動作（即ち、異なる持続時間を有する圧縮および膨張／引っ張りの流体変位の発生）と共に、この非対称的なアクチュエータの配置は、アクチュエータ２１６ｂの慣性ポンピングメカニズムを可能にする。チャネル２２２内でのアクチュエータ２１６ｂの非対称的位置は、チャネル２２２内で流体ダイオード特性（即ち、流体の一方方向への流れ）（正味の流体の流れ）を駆動する慣性メカニズムを生じさせる。アクティブなアクチュエータ２１６ｂからの流体変位は、２つの相対する方向に流体を押し動かす、チャネル２２２内で伝播する波動を生成する。チャネル２２２の長い方（即ち、アクティブなアクチュエータ２１６ｂからチャネル２２２の遠端部の方へ離れて）に収容されている流体の極めて大量の部分は、順方向流体アクチュエータポンプ行程（即ち、アクチュエータ２１６ｂのチャネル２２２への撓みが圧縮流体変位を生じる）の終端において、より大きな力学的慣性を有する。従って、このより大きな流体の固まりは、チャネル２２２の短い方（即ち、スロット２０２とアクティブなアクチュエータ２１６ｂとの間のチャネル２２２の短い部分）の流体に比べてゆっくり方向を逆転する。チャネル２２２の短い方の流体は、逆方向流体アクチュエータポンプ行程（即ち、アクティブなアクチュエータ２１６ｂの最初の静止状態またはそれ以上まで戻る当該アクチュエータ２１６ｂの撓みが、膨張流体変位を生じる）の間に力学的運動量を獲得するためのより多くの時間がある。従って、逆方向行程の終端において、チャネル２２２の短い方の流体は、チャネル２２２の長い方の流体よりも大きな力学的運動量を有する。この結果、正味の流体の流れは、図８の黒い方向矢印により示されるように、チャネル２２２の短い方からチャネル２２２の長い方への方向に移動する。正味の流体の流れは、２つの流体要素（即ち、チャネル２２２の短い方と長い方）の等しくない慣性特性の結果である。

異なるタイプのアクチュエータ素子は、これら動作にわたって異なるレベルの制御を提供する。例えば、図８に示されたような熱抵抗アクチュエータ素子２１６ｂは、蒸気泡８００の形成および崩壊の間に流体変位を提供する。蒸気泡８００の形成は圧縮流体変位を生じ、蒸気泡の崩壊は膨張または引っ張り流体変位を生じる。圧縮流体変位の持続時間（即ち、蒸気泡の形成）及び膨張流体変位の持続時間（即ち蒸気泡の崩壊）は制御可能ではない。しかしながら、変位の持続時間は非対称的（即ち、持続時間は同じ長さの時間ではない）であり、それにより熱抵抗アクチュエータは、コントローラ１１０により適切な間隔で活性化される場合にポンプアクチュエータ２１６ｂとして機能することが可能になる。

図９は、本開示の一実施形態による、チャネルの各端部の方に位置する圧電流体ポンプアクチュエータ２１６ｂを備える閉じた流体ポンプチャンバ２１２を有する流体チャネル２２２を示す。また、図９は、一実施形態において、圧電アクチュエータ２１６ｂの非対称的な動作を制御するために流体循環モジュール１２６を実行するコントローラ１１０からの電圧波形を示すグラフ９００も含む。圧電アクチュエータ素子は、圧電膜がチャネル２２２の中へと撓む場合に圧縮流体変位を提供し、圧電膜がその通常の位置へ戻る又はチャネル２２２の外に撓む場合に膨張／引っ張り流体変位を提供する。グラフ９００が示すように、コントローラ１１０は、膨張／引っ張り流体変位よりも短い持続時間の圧縮流体変位を生じさせるために、流体スロット２０２に近い圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂを制御している。チャネル２２２に非対称的に配置されたアクティブな圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂからの変位の結果は、流体スロット２０２から流体スロット２０４へ流体を循環させる、チャネル２２２を介した正味の流体の流れである。図示されていないが、同じ電圧制御波形が印加されて、流体スロット２０４の近くの圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂを制御する場合、チャネル２２２を介した流体の流れの方向は逆になり、流体スロット２０４から流体スロット２０２への流体循環を生じる。

図１０は、本開示の一実施形態による、チャネルの各端部の方に位置する圧電流体ポンプアクチュエータ２１６ｂを備える閉じた流体ポンプチャンバ２１２を有する流体チャネル２２２を示す。また、図１０は、一実施形態において、圧電アクチュエータ２１６ｂの非対称的な動作を制御するために流体循環モジュール１２６を実行するコントローラ１１０からの電圧波形を示すグラフ１０００も含む。図１０の実施形態において、コントローラ１１０は、膨張／引っ張り流体変位よりも長い持続時間の圧縮流体変位を生じさせるために、流体スロット２０２に近い圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂを制御している。チャネル２２２に非対称的に配置されたアクティブな圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂからの変位の結果は、流体スロット２０４から流体スロット２０２へ流体を循環させる、チャネル２２２を介した正味の流体の流れである。図示されていないが、同じ電圧制御波形が印加されて、流体スロット２０４の近くの圧電ポンプアクチュエータ２１６ｂを制御する場合、チャネル２２２を介した流体の流れの方向は逆になり、流体スロット２０２から流体スロット２０４への流体循環を生じる。

図１１は、本開示の一実施形態による、流体吐出デバイス１１４においてスロット間で流体を循環させる例示的な方法１１００の流れ図を示す。方法１１００は、図１〜図１０に関連して本明細書で説明された実施形態に関連付けられる。

方法１１００はブロック１１０２から始まり、ブロック１１０２は、ダイ基板の中央領域上の流体を第１のスロットから第２のスロットへ第１の流体チャネルを介してポンピングし、この場合、第１の流体チャネルは、第１のスロットから第１のスロットに隣接する第１のチャンバを介して、中央領域を横切り、第２のスロットに隣接する第２のチャンバを介して第２のスロットまで延在する。方法１１００のブロック１１０４に示されるように、流体を第１のスロットから第２のスロットまでポンピングすることは、第１のチャンバの第１のアクチュエータから異なる持続時間の圧縮および膨張の流体変位を生じさると同時に、第２のチャンバの第２のアクチュエータから流体変位を生じさせないことを含むことができる。ブロック１１０６に示されるように、流体を第１のスロットから第２のスロットまでポンピングすることは更に、流体を複数のアクティブなポンプアクチュエータでもって第１のスロットから複数の流体チャネルを介してプレナムの中へとポンピングし、ブロック１１０８に示されるように、流体をプレナムから複数の流体チャネルを介して第２のスロットへとポンピングすることを含む。

方法１１００は、ブロック１１１０で継続し、ブロック１１１０は、中央領域上の流体を第２のスロットから第１のスロットへ第２の流体チャネルを介してポンピングし、この場合、第２の流体チャネルは、第２のスロットから第２のスロットに隣接する第３のチャンバを介して、中央領域を横切り、第１のスロットに隣接する第４のチャンバを介して第１のスロットまで延在する。方法１１００のブロック１１１２に示されるように、流体を第２のスロットから第１のスロットまでポンピングすることは、第３のチャンバの第３のアクチュエータから異なる持続時間の圧縮および膨張の流体変位を生じさると同時に、第４のチャンバの第４のアクチュエータから流体変位を生じさせないことを含むことができる。ブロック１１１４に示されるように、流体を第２のスロットから第１のスロットまでポンピングすることは更に、流体を複数のアクティブなポンプアクチュエータでもって第２のスロットから複数の流体チャネルを介してプレナムへとポンピングし、ブロック１１１６に示されるように、流体をプレナムから複数の流体チャネルを介して第１のスロットへとポンピングすることを含む。

方法１１００はブロック１１１８で継続し、この場合、ダイ基板の周辺部の周りの流体を、第１及び第２のスロットを取り囲む周辺部流体チャネルを介してポンピングする。

Claims (17)

1. 流体吐出デバイスであって、
   基板の対向する側部に沿って且つ基板の中央領域により分離された第１及び第２の細長い流体スロットを有するダイ基板と、
   前記第１及び第２のスロットとそれぞれ関連付けられ且つ前記中央領域により分離された、閉じたチャンバの第１及び第２の内側列と、
   前記中央領域を横切って延在し、前記第１の内側列からの閉じたチャンバを前記第２の内側列からの閉じたチャンバと流体的に連通するように結合するための流体チャネルと、
   前記チャネルを介してスロット間で流体をポンピングするための、各閉じたチャンバの中のポンプアクチュエータとを含む、流体吐出デバイス。
2. 前記第１及び第２のスロットとそれぞれ関連付けられた、ノズル付きチャンバの第１及び第２の外側列と、
   流体を吐出するための、各ノズル付きチャンバの中の小滴吐出アクチュエータとを更に含む、請求項１に記載の流体吐出デバイス。
3. 前記流体チャネルが、前記第１の内側列からの個々の閉じたチャンバを、前記第２の内側列からの対応する個々の閉じたチャンバとそれぞれ結合する流体チャネルからなる、請求項１に記載の流体吐出デバイス。
4. 前記流体チャネルが、前記第１の内側列からの閉じたチャンバを、前記内側列間のプレナムを介して前記第２の内側列からの閉じたチャンバと結合する、請求項１に記載の流体吐出デバイス。
5. 前記チャンバが形成される、前記ダイ基板上のチャンバ層を更に含む、請求項２に記載の流体吐出デバイス。
6. 前記ポンプアクチュエータ及び前記小滴吐出アクチュエータが前記ダイ基板上に配置される、請求項２に記載の流体吐出デバイス。
7. 前記内側列が、閉じたチャンバ及びノズル付きチャンバの双方を含む、請求項１に記載の流体吐出デバイス。
8. 前記外側列が、閉じたチャンバ及びノズル付きチャンバの双方を含む、請求項２に記載の流体吐出デバイス。
9. 前記第１の外側列からのチャンバを、前記第２の外側列からのチャンバと流体的に連通するように結合するための、基板の両側および両端部に沿って配置された周辺部流体チャネルを更に含む、請求項２に記載の流体吐出デバイス。
10. 前記アクチュエータが、熱抵抗素子、圧電膜、静電（ＭＥＭＳ）膜、機械／衝撃駆動型膜、音声コイル、及び磁気歪み駆動からなるグループから選択される、請求項１に記載の流体吐出デバイス。
11. 基板の対向する側部に沿った第１及び第２の流体スロットと、
    前記第１のスロットに隣接し、前記基板の中央部に面する小滴吐出チャンバの第１の列と、
    前記第２のスロットに隣接し、前記基板の中央部に面する小滴吐出チャンバの第２の列と、
    前記基板の中央部を横切って延在し、前記第１及び第２の列の小滴吐出チャンバを介して前記第１及び第２のスロットを結合する流体チャネルと、
    スロット間で前記チャネルを介して流体を循環させるためのポンプアクチュエータを有する、前記小滴吐出チャンバに隣接する前記流体チャネルのポンプチャンバとを含む、流体吐出デバイス。
12. 流体吐出デバイスにおいてスロット間で流体を循環させる方法であって、
    ダイ基板の中央領域上の流体を第１のスロットから第２のスロットへ第１の流体チャネルを介してポンピングし、前記第１の流体チャネルが、前記第１のスロットから前記第１のスロットに隣接する第１のチャンバを介して、前記中央領域を横切り、前記第２のスロットに隣接する第２のチャンバを介して前記第２のスロットまで延在し、
    前記中央領域上の流体を前記第２のスロットから前記第１のスロットへ第２の流体チャネルを介してポンピングし、前記第２の流体チャネルが、前記第２のスロットから前記第２のスロットに隣接する第３のチャンバを介して、前記中央領域を横切り、前記第１のスロットに隣接する第４のチャンバを介して前記第１のスロットまで延在することを含む、方法。
13. 流体を第１の流体チャネルを介してポンピングすることが、前記第１のチャンバの第１のアクチュエータから異なる持続時間の圧縮および膨張の流体変位を生じさると同時に、前記第２のチャンバの第２のアクチュエータから流体変位を生じさせないことを含む、請求項１２に記載の方法。
14. 流体を第２の流体チャネルを介してポンピングすることが、前記第３のチャンバの第３のアクチュエータから異なる持続時間の圧縮および膨張の流体変位を生じさると同時に、前記第４のチャンバの第４のアクチュエータから流体変位を生じさせないことを含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記ダイ基板の周辺部の周りの流体を、前記第１及び第２のスロットを取り囲む周辺部流体チャネルを介してポンピングすることを更に含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記第１の流体チャネルは、
    それぞれが前記第１のスロットから前記第１のスロットに隣接する前記第１のチャンバのそれぞれを介して第１のプレナムまで延在する第１の組の流体サブチャネルと、
    それぞれが前記第１のプレナムから前記第２のスロットに隣接する前記第２のチャンバのそれぞれを介して前記第２のスロットまで延在する第２の組の流体サブチャンネルとからなり、
    流体を前記第１のスロットから前記第２のスロットまでポンピングすることが、
    流体を前記第１のスロットから前記第１の組の流体サブチャネルを介して前記第１のプレナムへ、及び前記第１のプレナムから前記第２の組の流体サブチャンネルを介して前記第２のスロットへとポンピングすることを含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記第２の流体チャネルは、
    それぞれが前記第２のスロットから前記第２のスロットに隣接する前記第３のチャンバのそれぞれを介して第２のプレナムまで延在する第３の組の流体サブチャネルと、
    それぞれが前記第２のプレナムから前記第１のスロットに隣接する前記第４のチャンバのそれぞれを介して前記第１のスロットまで延在する第４の組の流体サブチャンネルとからなり、
    流体を前記第２のスロットから前記第１のスロットまでポンピングすることが、
    流体を前記第２のスロットから前記第３の組の流体サブチャネルを介して前記第２のプレナムへ、及び前記第２のプレナムから前記第４の組の流体サブチャンネルを介して前記第１のスロットへとポンピングすることを含む、請求項１２に記載の方法。

Images