JP6453392B2 - 流体循環 - Google Patents

Description

本開示は、一般に流体吐出装置における流体循環に関する。

インクジェットプリンタは典型的に、インク供給部から、インク滴を吐出するノズルを含んだインクノズルアセンブリまでのインク経路を含んでいる。インク滴の吐出は、例えば圧電偏向器、サーマルバブルジェット（登録商標）発生器、または静電偏向要素などのアクチュエータを使用して、インク経路内でインクに圧力を加えることにより制御することができる。典型的なプリントヘッドは、対応するインク経路および関連するアクチュエータのアレイを備えたノズル列を有し、各ノズルからの滴の吐出を独立して制御することができる。いわゆる「ドロップ・オン・デマンド」のプリントヘッドでは、プリントヘッドおよび印刷媒体を互いに対して動かしながら、画像の特定の画素位置で選択的に滴を吐出するように各アクチュエータを始動させる。

プリントヘッドは、半導体プリントヘッド本体と圧電アクチュエータとを含み得る。プリントヘッド本体は、シリコンを、インクチャンバを画成するようエッチングして作製してもよい。ノズルは、シリコン本体内に形成してもよいし、あるいは別々のノズルプレートをシリコン本体に取り付けて画成してもよい。圧電アクチュエータは、印加された電圧に応じて形状を変化させる、または屈曲する、圧電材料層を有し得る。圧電層が屈曲することにより、インク経路に沿って位置しているポンプチャンバ内のインクに圧力が加えられる。

印刷の確度は、プリントヘッド内、およびプリンタ内の多数のプリントヘッド間の、ノズルにより吐出されるインク滴のサイズおよび速度の均一性を含めた、いくつかの因子により影響され得る。滴サイズおよび滴速度の均一性はさらに、例えばインク経路の寸法の均一性、音響的な干渉効果、インク流路内の汚れ、およびアクチュエータにより生成される圧力パルスの均一性などの因子により影響される。インク流内の汚染または破片は、インク流路内において１以上のフィルタを使用することで低減することができる。

一態様において、本開示は流体噴射に使用される装置を説明する。この装置は、流路と、この流路に連通しているノズルとを含んだ、プリントヘッドを備えている。流路は、第１端部および第２端部を有している。この装置はさらに、流路の第１端部に流体的に連結した第１容器、流路の第２端部に流体的に連結した第２容器、およびコントローラ、を含んでいる。第１容器は制御可能な第１内圧を有し、かつ第２容器は制御可能な第２内圧を有している。コントローラは、第１容器と第２容器との間の流体流を第１モードおよび第２モードに従ってプリントヘッド内の流路に通すよう、第１内圧および第２内圧を制御する。いずれのモードでも、ノズルが噴射しているときに、流路に沿って流れている流体の少なくとも一部がノズルに送出される。第１モードでは第１内圧が第２内圧より高く、かつ第２モードでは第２内圧が第１内圧より高い。第１モードによって流体は第１容器から第２容器へと流れ、かつ第２モードによって流体は第２容器から第１容器へと流れる。

実施態様は、以下の特徴のうち１以上を含み得る。第１容器からノズルへと流れる流体の方向は、流体が第２容器からノズルへと流れる方向の反対方向である。第１内圧および第２内圧の両方が、大気圧よりも低い。第１内圧と第２内圧との間の差は、大気圧と、第１内圧または第２内圧との間の差よりも大きい。コントローラは、第１容器と第２容器との間の流体流速を、ノズルが噴射しているときの第１容器または第２容器からノズルへの流体送出の速さよりも速くなるように制御する。所定の期間に、第１容器と第２容器との間を流れる流体流の量は、プリントヘッドが流体を噴射しているときにプリントヘッドにより噴射される流体の量の少なくとも１０倍である。流路を通っている流体流速は、ノズルから吐出される流体液滴の速度の約５％以下である。この装置は、第１容器および第２容器の夫々における流体レベルを感知するセンサをさらに備えている。第２容器において感知された流体レベルが既定値未満であるときに、コントローラは第１内圧および第２内圧を第１モードとなるように制御する。第１容器において感知された流体レベルが既定値未満であるときに、コントローラは第１内圧および第２内圧を第２モードとなるように制御する。第１容器は第１チャンバ内にあり、かつ第２容器は第２チャンバ内にあり、さらに第１容器および第２容器は、柔軟なものでありかつ実質的に空気を含有していない。第１チャンバおよび第２チャンバの夫々は、第１内圧および第２内圧の調節を可能にする真空源に接続されている。流路は、例えば流体が中を流れる経路に沿って測定すると、ノズルの約１μｍから約３０μｍ上流である。第１容器および第２容器は、自給式流体リザーバである。第１容器および第２容器は、プリントヘッドに接続可能なハウジングに取り付けられている。ハウジングとプリントヘッドとの間の接続は、第１容器および第２容器が流路と流体連通している第１状態と、第１容器および第２容器が流路から流体的に切断されている第２状態との間で切替可能である。

別の態様において、本開示は流体噴射において使用される方法を特徴付けるものである。この方法は、流体を、制御された流速で、第１容器から第２容器へとプリントヘッド内の流路沿いに第１方向に沿って送出するステップと、流体を、制御された流速で、第２容器から第１容器へとプリントヘッド内の流路沿いに、第１方向とは反対の第２方向に沿って送出するステップとを含む。流路内を流れる流体の一部は、流路に連通しているノズルに、ノズルが流体を吐出しているときに送出される。流路内を流れる流体の一部は、流路に連通しているノズルに、ノズルが流体を吐出しているときに送出される。

実施態様は、以下の特徴のうち１以上を含み得る。第１容器からノズルへと流れる流体の方向は、流体が第２容器からノズルへと流れる方向の反対方向である。第１容器の内圧と第２容器の内圧との間の圧力差は維持される。第１容器および第２容器の夫々の内圧は、大気圧未満となるように維持される。第１容器および第２容器のいずれかの内圧と大気圧との間の圧力差は、第１容器の内圧と第２容器の内圧との間の圧力差よりも小さくなるように維持される。第１容器および第２容器は柔軟なものであり、かつ圧力差は、この柔軟な第１容器および第２容器の外側表面に異なる圧力を加えることにより維持される。第１容器および第２容器内の流体レベルを感知し、さらに感知された流体レベルに基づいて、第１方向および第２方向から流体送出方向を選択する。選択された方向での流体の送出は、第１容器および第２容器の内圧の調節を含む。制御された流速は、ノズルにより吐出される流体液滴の速度の約５％以下である。

別の態様において、本開示は流体噴射に使用される装置を特徴付けるものである。この装置は、第１端部および第２端部を有している流路と、この流路に連通しているノズルとを含んだ、プリントヘッド、流路の第１端部に流体的に連結した、制御可能な第１内圧を有する第１容器、流路の第２端部に流体的に連結した、制御可能な第２内圧を有する第２容器、および、第１容器と第２容器との間の流体流をプリントヘッド内の流路に通すよう、第１内圧および第２内圧を制御するコントローラ、を備えている。ノズルが噴射しているときに、流路に沿って流れている流体の少なくとも一部がノズルに送出され、第１内圧は第２内圧より高い。

実施態様は、以下の特徴のうち１以上を含み得る。第１容器からノズルへと流れる流体の方向は、流体が第２容器からノズルへと流れる方向の反対方向である。第１内圧および第２内圧の両方が、大気圧よりも低い。第１容器は第１チャンバ内にあり、かつ第２容器は第２チャンバ内にあり、さらに第１容器および第２容器は、柔軟なものでありかつ実質的に空気を含有していない。第１チャンバおよび第２チャンバの夫々は、第１内圧および第２内圧の調節を可能にする真空源に接続されている。第１容器および第２容器は、自給式流体リザーバである。使用前、第１容器は流体を含有しており、かつ第２容器は空である。

実施態様は、以下の利点のうち１以上を含み得る。自給式流体を含有しているカートリッジにプリントヘッドモジュールを取り付けて有しているアセンブリは、テスト印刷などのテスト動作に使用することができる。カートリッジは、噴射流体をプリントヘッドモジュールのノズルに提供することが可能な流体容器を夫々包囲した、２つの分離したチャンバを含み得る。流体を２つの流体容器間で再循環させることにより、システム内の１以上の流体経路沿いで、またはノズルで、流体が乾燥するのを防ぐことができる。流体内の粒子は流体内で浮遊状態に保たれて、流体の品質を維持することができる。例えば、流体は高い均一性を有し得る。さらに、流体経路沿いの気泡を、再循環流によって除去することができる。流体の再循環は、流体噴射中に実行することができる。アセンブリ全体をテスト動作に続いて処分すれば、テストとテストの間にプリントヘッドモジュールを水洗いする必要性を回避することができる。

１以上の実施態様の詳細を、添付の図面および以下の説明に明記する。他の特徴および利点は、この説明および図面から、さらに請求項から明らかになるであろう。

印刷システムの概略図 ノズル内の流体メニスカスの概略図 コントローラの動作を説明しているフロー図 印刷システムの斜視図 印刷システムの断面図 印刷システムの断面図 印刷システムの断面図 プリントヘッド本体の概略斜視図 プリントヘッド本体の断面図 プリントヘッド本体の一部の斜視部

プリントヘッドモジュールは一般に、連続的なプリント動作を可能にするよう外部の流体供給部と流体連通している多数のノズルを備えた、プリントヘッド本体を含んでいる。特定の用途では、例えば流体のテスト動作のために比較的少量の流体を使用して効果的に動作させることができる、プリントヘッドモジュールが望ましい。プリントヘッドモジュールは、比較的少量の印刷流体用に設計された流体供給アセンブリを含み得、この流体供給アセンブリはプリントヘッド本体に取付可能とし得る。いくつかの実施態様において流体供給アセンブリは、使い捨ての印刷用流体供給カートリッジなど、補充不可の流体供給アセンブリである。このようなデバイスは、参照することにより本書に組み込まれる米国特許第７，６３１，９６２号明細書に記載されている。

使用後、プリントヘッド本体および流体供給アセンブリは廃棄してもよい。例えば、様々な色または品質の印刷流体をテストするとき、各々の種類の流体を流体供給アセンブリ内に含有させ、プリントヘッド本体を使用して印刷を行う。このプリントヘッド本体は、他の種類の印刷流体を印刷するためには使用しない。様々な印刷流体をテストするとき、流体供給アセンブリまたはプリントヘッド本体の水洗いは必要なくなる。

図１を参照すると、テスト印刷などに使用される組み立てられたシステム１０（またはプリントヘッドモジュール１０）は、プリントヘッド本体１６と、プリントヘッド本体１６に取り付けられ得る例えばカートリッジ１２の形の流体供給アセンブリ１２とを含んでいる。流体供給アセンブリ１２は、流体をプリントヘッド本体１６に供給する２つの流体容器１４ａ、１４ｂを含有している。プリントヘッド本体１６の１以上のノズル１８（図にはノズルが１つのみ示されている）を駆動させて流体滴２０を吐出させ、基材（図示なし）上にパターンを形成することができる。パターンを検討して、流体の品質、印刷の画像効果、またはプリントヘッドモジュール１６の設計を評価することができる。

２つの流体容器１４ａ、１４ｂの夫々は、各流体容器１４ａ、１４ｂから延びてプリントヘッド本体１６の中を貫通している流体経路２４を通じて互いに連通した、自給式の流体リザーバとすることができる。この文脈において自給式とは、印刷動作中に流体容器１４ａ、１４ｂ外の供給源からリザーバ内に流体が供給されることはないことを意味する。むしろ使用される流体は、自給式流体容器１４ａ、１４ｂの内部に含有されている流体である。便宜上、プリントヘッドモジュール１６外部の流体容器１４ａからの流体経路２４を２４ａ、プリントヘッドモジュール１６外部の流体容器１４ｂからの流体経路２４を２４ｂ、さらにプリントヘッドモジュール内部の流体経路２４を２４ｃとする。流体経路２４ｃは、ノズル１８の上流であり、ＭＥＭＳダイ（以下の図５および６参照）内に形成され得る。流体は、２つの容器間で流体を再循環させるよう、流路２４を通って２つの流体容器１４ａ、１４ｂ間で前後に流れ得る。この流れている間に、流体液滴２０が噴射されているときなどの必要なときには、流体の一部がノズル１８へと導かれる。プリントヘッドモジュール１６により噴射される流体は、流体容器１４ａ、１４ｂのいずれかから送出され得る。

２つの容器１４ａ、１４ｂ間で流体を再循環（または循環）させると、例えば流体経路沿いの任意の位置での、またはノズル１８近傍での流体の乾燥を防いで、印刷品質を向上させることができる。流体内の粒子は著しく凝固することなく流体内で浮遊状態を保ち、粘度の均一性や、および／または、流体経路またはノズルを詰まらせる可能性のある大きな粒子の回避など、流体の品質を維持することができる。いくつかの実施態様において、流体経路２４に沿って生成された気泡は、流れと共に運ばれて、容器１４ａ、１４ｂ内の流体の表面に上昇することなどによって容器１４ａ、１４ｂで除去することができる。システム１０で得られるテスト印刷は、流体の乾燥、気泡、または流体の品質変動により生成される、アーチファクトをほとんど含まない。システム１０は、（テストにのみ使用されるものではない）現実の印刷システムに類似しており、テスト印刷の結果は、流体品質などのテストされた要素の、実際の表現を提供することができる。

組み立てられたシステム１０では、駆動されていないノズル１８から流体が自動的に流れるのを防ぐために、また容器１４ａ、１４ｂ間で流体流を制御するために（以下でより詳細に説明する）、各流体容器１４ａ、１４ｂ内の流圧が制御される。図１に示した例において、流体容器１４ａ、１４ｂ夫々は、カートリッジ１２の各チャンバ２２ａ、２２ｂ内の圧力を容器１４ａ、１４ｂ内部の流体に伝達させる、柔軟壁３６ａ、３６ｂを含んでいる。各チャンバ２２ａ、２２ｂは夫々、流体容器１４ａ、１４ｂを包囲している。各チャンバ２２ａ、２２ｂ内の圧力は、例えば１以上のポンプまたは真空源など、夫々開口３０ａ、３０ｂを介してチャンバに接続された圧力制御装置２８を用いて調節することができる。チャンバ２２ａ、２２ｂは互いから封止され、各チャンバ内の圧力は圧力制御装置２８によって独立して調節することができる。

いくつかの実施態様では、容器１４ａ、１４ｂ内の流体の量は少量であり、容器１４ａ、１４ｂ内部の流圧は夫々チャンバ２２ａ、２２ｂ内の流圧と実質的に同一である。各容器１４ａ、１４ｂは、流体が容器内に満たされるまで、空気を含まないもの、または真空下としてもよい。いくつかの実施態様では、システム１０の流体容器１４ａ、１４ｂの一方を、例えば０．２５ｍｌから１０ｍｌ、０．５ｍｌから３ｍｌ、または１．５ｍｌなど、所望の量の流体で満たし、かつ他方の流体容器を空で空気を含まないものとしてもよい。いくつかの実施態様において、流体容器１４ａ、１４ｂは空気をいくらか含有してもよい。いくつかの実施態様において流体容器は、気体を含有しているが酸素ガスを含有していない。流体経路２４は、空気を含まないよう、あるいは酸素を含まないよう制御してもよい。空気を含まないシステムまたは酸素を含まないシステムでは、空気または酸素が流体に溶解することで印刷品質または流体品質に影響を及ぼすことを、避けることができる。いくつかの実施態様では、システム１０を不活性雰囲気下で組み立ててもよい。

各容器１４ａ、１４ｂ内の流体は、オリフィスまたはノズル１８のサイズなどの因子に応じて、例えば−０．５水柱インチ（−０．１２ｋＰａ）から−２０水柱インチ（−４．９８ｋＰａ）、または−６水柱インチ（−１．４９ｋＰａ）から−７水柱インチ（−１．７４ｋＰａ）など、選択された陰圧で維持される。ノズル１８が液滴２０を吐出するように駆動されていないとき、陰圧によって、流体が自動的にノズル１８から滴下しないようにすると同時に、空気がノズル１８からプリントヘッドモジュール１６内に引き込まれないようにする。図１および１Ａを参照すると、流体の陰圧によって、流体源の圧力の合力（流体容器１４ａ、１４ｂのプリントヘッドモジュール１６に対する高さ位置により生まれるものであり、正または負の可能性がある）、毛細管現象、および大気圧のバランスが取られ、ノズル１８での流体−空気界面上のメニスカス３４が維持される。ノズル１８（またはポンプチャンバ）が駆動されると、メニスカス３４によって流体をノズル１８から容易に噴射させることができる。流体内のこのような陰圧は、容器１４ａ、１４ｂ間で流れが循環している間中維持され、さらにノズル１８から流体が噴射している間中も維持される。流体の噴射中、ノズル１８付近（例えば、ノズル１８上流およびポンプチャンバ内（図示なし））での流圧は、例えば圧電アクチュエータなどのアクチュエータによって変化させることができる。

流体経路２４に沿った流体流の方向は、流体容器１４ａ、１４ｂ内の流圧の差によって制御される。例えば容器１４ａ内の流圧が容器１４ｂ内の流圧よりも高いとき、流体は（矢印３２が示しているように）容器１４ａから容器１４ｂへと流れる。圧力制御装置２８は（容器１４ａ、１４ｂ内で、またはプリントヘッド本体１６で）流体内の陰圧を維持し、例えば同時に、チャンバ２２ａ、２２ｂ内の圧力間に圧力差を生じさせる。流体流速は、圧力差の値や、流路２４の寸法などの他の因子に影響され得る。

２つの流体容器間の再循環流体の量は、所定の期間内にプリントへッド本体１６により噴射される流体の最大量の約１／１０００から約１０倍とし得る。再循環流体の流量（すなわち、流路２４の断面を通過する再循環流体の一秒当たりの量）は、システムの要求に基づいて選択することができる。いくつかの実施態様では、噴射された流体の量に対する再循環流体の流量の比率は、印刷がより高い負荷サイクルで動作しているときにより低くするなど、印刷の負荷サイクルに、すなわち単位時間当たりのノズル噴射の割合に依存する。再循環流体はノズル１８と連通し、例えばノズル１８を通過して流れるため、再循環流体流の速度は、流体の噴射軌道でのエラーなど噴射軌道への影響を回避するように制御することができる。

２つの流体容器間の圧力差の値は、所望の流速、粘度など流体の特性、流路２４の設計、および他の因子に基づいて選択され得る。いくつかの実施態様において、圧力差の値をアセンブリ１０および流体に基づいて事前に選択し、一方圧力差の方向は動的に変化させてもよい。アセンブリ１０は圧力差の方向を切り替えて、所望の方向に流体流を流すことができる。例えば、流体容器１４ａ内の圧力が流体容器１４ｂ内の流圧よりも高いとき、流体は流体容器１４ａから流体容器１４ｂへと流れる。圧力差の方向が逆の場合（すなわち、流体容器１４ｂの圧力が流体容器１４ａよりも高いとき）、流れの方向は逆になる。いくつかの実施態様において、圧力差の値は約０．１水柱インチ（０．０２５ｋＰａ）から最大で１００水柱インチ（２４．９ｋＰａ）までである。

コントローラ２６は、各容器１４ａ、１４ｂ内の流体レベルに基づいて流体流の方向を決定し、かつ２つの容器間に所望の圧力差を形成して流体流を流すよう圧力制御装置２８に命令する。いくつかの実施態様において、流体レベルは容器１４ａ、１４ｂ内に夫々位置している流体レベルセンサ３６ａ、３６ｂによって感知される。センサ３６ａ、３６ｂの例として、流体容器１４ａ、１４ｂに触れる接触センサを挙げることができる。使用に適した他のセンサ（図示なし）として、容器１４ａ、１４ｂの外部に設けられ得る光学センサ、近接センサ、またはリードスイッチなどの磁気センサを挙げることができる。センサ３６ａ、３６ｂは、ワイヤを介して（図示なし）またはワイヤレスで、コントローラ２６と通信することができる。いくつかの実施態様において、センサ３６ａ、３６ｂおよびコントローラ２６は、データ送出などの通信のために１以上の光ファイバで接続される。

コントローラ２６は、容器１４ａ、１４ｂ内の感知された流体レベルに基づいて、圧力制御装置２８、またはプリントヘッド本体１６などの他の関連デバイスに対して命令を作る際に使用する基準を、保存するようプログラムしてもよい。例えば、この基準は最小流体レベルとし得る。いくつかの保存された基準の下、コントローラ２６は図２に示したように機能し得る。コントローラ２６は、容器１４ａ、１４ｂ内の感知された流体レベルをセンサ３６ａ、３６ｂから受信５０し、保存された基準と感知された流体レベルとを比較する。コントローラ２６は最初に、両容器１４ａ、１４ｂ内の感知された流体レベルが、両方とも既定の最小レベル（ＰＭＬ）よりも低いか否かを判定５２する。イエスの場合、感知された流体レベルは容器１４ａ、１４ｂ内の流体がなくなりつつあることを示しているため、コントローラ２６はプリントヘッドモジュール１６に印刷を停止するよう命令５４する。さらにコントローラ２６は、流体レベルが低いこと、およびカートリッジ１２を廃棄してもよいことまたは補充する（後述）必要があることを示す信号を、ユーザに提供してもよい。圧力制御装置２８も動作を停止するよう命令され得るが、流体が漏れないようノズル１８の流体メニスカスに対し陰圧を維持することが望ましいであろう。ノーの場合、コントローラ２６は感知された流体レベルが両方とも既定の最小レベルよりも高いか否かを判定５６する。イエスの場合、２つの容器１４ａ、１４ｂ間の流体経路２４沿いの、例えば方向または速さなどの流体流の条件は変化させる必要がない。コントローラ２６は、感知流体レベルの受信５０を続けて流体流を監視する。ノーの場合コントローラ２６は、流体経路２４内での現在の流れの方向が、流体レベルの高い容器から流体レベルの低い容器へのものか否かをさらに判定５８する。イエスの場合、流体流の条件を変化させる必要はなく、コントローラ２６は感知流体レベルの受信５０を続けて流体流を監視する。ノーの場合コントローラ２６は、流体流の方向を逆にするため２つの容器１４ａ、１４ｂ間の圧力差を逆にするよう、圧力制御装置２８に命令６０する。

コントローラ２６は、他の基準を使用しかつ図２で説明したものとは異なるやり方で機能して、２つの容器１４ａ、１４ｂ間で流体流を制御することもできる。これらの基準は、システム１０を製造するときにコントローラ２６に設定してもよいし、あるいはシステム１０の任意のユーザによって設定／再設定してもよい。こういった基準は、例えばプリントヘッド本体１６で効果的に印刷するためにシステム１０においてどのくらいの量の流体が必要か、あるいはどのくらいの量の流体が最初に容器１４ａ、１４ｂ内に満たされているかなど、実際に用いて選択してもよい。例えば、流体容器の一方が完全に満たされているものであり、他方が部分的に満たされているものであるとき、完全に満たされている容器内の流体の全てが、部分的に満たされている容器内に循環され得るとは限らないため、基準（例えば、既定の最小レベル）は十分に高くしなければならない。既定の最小レベルは、２つの容器１４ａ、１４ｂ内のインクレベルを感知するセンサ３６ａ、３６ｂの感受性および信頼性にも影響され得る。既定の最小レベルの例としては、０．１ｍｌから約０．２ｍｌを挙げることができる。既定の最小レベルは、各容器または両容器内の最初の総流体量の、例えば５％〜２０％など、ある割合としてもよい。

コントローラ２６は、プログラム可能なマイクロコントローラなどの回路で実行することができるし、あるいは他のハードウエア、ソフトウエア、ファームウエア、またはその組合せなどで実行することもできる。コントローラ２６は、プリントヘッドモジュール１６の流体噴射を制御するコントローラ（図示なし）と通信することもできる。いくつかの実施態様では、コントローラ２６が圧力制御装置２８および流体噴射の両方を制御してもよい。これらのコントローラは、システム１０内の１以上のバッテリ（図示なし）で動かすことができ、またこれらのコントローラを、流体噴射と流体再循環のための流体流とを例えば同時に制御するように連係させることができる。プリントヘッド内の流体再循環は、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、米国特許第７，４１３，３００号明細書、同第５，７７１，０５２号明細書、同第６，３５７，８６７号明細書、同第４，８９１，６５４号明細書、同第７，１２８，４０６号明細書、および米国特許出願第１２／９９２，５８７号明細書においてさらに論じられている。

システム１０は、図３Ａ〜３Ｄに示したアセンブリ７０として実施され得る。コントローラ２６および圧力制御装置２８は、アセンブリ７０から分離させて、開口７２ａ、７２ｂに取り付けてもよい。アセンブリ７０は、流体供給アセンブリ７４をプリントヘッドハウジング７６に取り付けて備えている。プリントヘッド本体７８は、プリントヘッドハウジング７６に接続されている。流体供給アセンブリ７４は、２つの分離したチャンバ７４ａ、７４ｂ内に２つの流体容器８０ａ、８０ｂを含み、プリントヘッド本体７８に噴射流体を供給する。流体供給アセンブリ７４は図１のカートリッジ１２に類似したものとし得、流体容器８０ａ、８０ｂおよびチャンバ７４ａ、７４ｂは、流体容器１４ａ、１４ｂおよびチャンバ２２ａ、２２ｂに類似した特徴を有したものとし得る。プリントヘッド本体７８は、例えば流路およびノズルなど、図１の流路２４ｃおよびノズル１８に似た特徴を有し得る。各チャンバ７４ａ、７４ｂは、圧力制御装置（図１の圧力制御装置２８など）に接続される開口７２ａ、７２ｂを含んでいる。容器８０ａ、８０ｂ内に含有されている流体は容器間で再循環され、かつ図１での説明に類似した手法で、例えば流路８２ａ、８２ｂを通ってプリントヘッド本体７８に供給される。

具体的に、図３Ｂおよび３Ｄは、図３Ａに描いたアセンブリ７０の線３Ｂ−３Ｂに沿った断面斜視図であり、図３Ｃは、線３Ｃ−３Ｃに沿ったアセンブリ７０の断面斜視図である。流体供給アセンブリ７４は自給式流体容器８０ａ、８０ｂを含み、その少なくとも一方はインクなどの流体を少量含有している。容器１４ａ、１４ｂと同様に流体容器８０ａ、８０ｂは袋に似た柔軟な容器であって、流体袋と称するものとするが、他の形の自給式流体容器を使用することもできる。流体袋８０ａ、８０ｂは、流体供給アセンブリ７４がプリントヘッドハウジング７６に取り付けられる前または取り付けられた後に、流体で満たしてもよい。いくつかの実施態様において、流体袋８０ａ、８０ｂ内に満たされた流体の総量は、１つの流体袋８０ａまたは８０ｂの容量を超過しない。例えば、流体袋８０ａを流体で完全に満たし、一方流体袋８０ｂを空としてもよい。いくつかの実施態様では、２つの流体袋８０ａ、８０ｂの総容量の最大約７５％まで流体で満たしてもよい。流体袋８０ａ、８０ｂの一方または両方における空き容量は、２つの袋間で再循環される流体のための余裕を提供する。

流体袋８０ａ、８０ｂは、袋内に流体が満たされた後に封止してもよい。流体は使用されるまで、流体袋内に留まっている。Ｏリングなどのシール８４ａ、８４ｂが、流体袋８０ａ、８０ｂとプリントヘッドハウジング７６との間に封止を形成する。特に図３Ｂおよび３Ｄを参照すると、描かれている実施形態はダブルスナップ式接続を含むものであり、これにより流体供給アセンブリ７４は、閉鎖位置である位置Ａでプリントヘッドハウジング７６に最初に取り付けられ得る（図３Ｂ）。閉鎖位置では流体経路８２ａ、８２ｂが閉鎖され、流体袋８０ａ、８０ｂはプリントヘッド本体７８と流体連通していない。印刷動作を開始する前に、流体供給アセンブリ７４を開口位置である位置Ｂへと移動させる（図３Ｄ）。開口位置では、開口した流体経路８２ａ、８２ｂを通じて、流体袋８０ａ、８０ｂはプリントヘッド本体７８と流体連通した状態となる。

流体供給アセンブリ７４をプリントヘッドハウジング７６に閉鎖位置Ａで接続させるために、ユーザは流体供給アセンブリ７４から突出している雄コネクタ１１５を、プリントヘッドハウジング７６内に形成された対応する雌コネクタ１１７と位置合わせして、雄コネクタ１１５を雌コネクタ１１７と位置Ａ（図３Ｂ）で係合させるのに十分な力を加える。ただし、これは雌コネクタ１１７を位置Ｂ（図３Ｄ）で係合させるほどの過剰な力ではない。流体供給アセンブリ７４がプリントヘッドハウジング７６と嵌合したとき、ユーザは位置Ａに達した時点を判定するための十分な触覚フィードバックを受けるべきである。

流体供給アセンブリ７４をプリントヘッドハウジング７６に対して開口位置Ｂに移動させるために、ユーザは力をさらに加えて雄コネクタ１１５を雌コネクタ１１７と位置Ｂで係合させる。雄コネクタ１１５は、雌コネクタ１１７との位置Ａでの係合を解除させて位置Ｂでの係合に嵌める圧力下で屈曲するだけの、十分な柔軟性を有している。雌コネクタ１１７に、例えば傾斜した雄コネクタ１１５と同様の図示のような傾斜した面を設けて、下方からの力が加わったときに雄コネクタ１１５がこの係合から滑って外れるのを促すことでこの移動を助けるように雌コネクタ１１７を構成することができる。上記は、ダブルスナップ式接続の一実施態様を説明している。ダブルスナップ式接続の他の構成や、閉鎖および開口位置を可能にする他の種類の接続を使用することができる。

流体経路８２ａ、８２ｂは、流体供給アセンブリ７４およびプリントヘッドハウジング７６の相対位置に基づいて開口または閉鎖される。流体経路８２ａ、８２ｂは、流体袋８０ａ、８０ｂから夫々延びた上方部分８１ａ、８１ｂを、流体供給アセンブリ７４内に含む。上方部分８１ａ、８１ｂは、流体供給アセンブリ７４の排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂの底部表面で終端する。流体経路８２ａ、８２ｂは、プリントヘッドハウジング７６内に形成された下方部分１２４ａ、１２４ｂをさらに含む。流体供給アセンブリ７４が図３Ｂの位置Ａにあるとき、上方部分８１ａ、８１ｂおよび下方部分１２４ａ、１２４ｂは接続されていない。代わりに、シール８４ａ、８４ｂが排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂの底部表面と接触した状態にあり、流路８２ａ、８２ｂは閉鎖されている。排出ヘッド１１８内のバネ１１４が、シール８４を圧迫する下方への力を加える。流体袋８０ａ、８０ｂ内の流体は、排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂの底部表面を越えて流れることはできない。流体供給アセンブリ７４が図３Ｄの位置Ｂにあるときには、排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂの底部が下方部分１２４ａ、１２４ｂと接し、これにより排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂ内のバネ１１４ａ、１１４ｂを圧縮することができる。シール８４ａ、８４ｂは流体経路８２ａ、８２ｂの下方部分１２４ａ、１２４ｂの先端を越えた位置に位置付けられて、排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂの底部と接触していない状態にある。流路８２ａ、８２ｂは既にシール８４ａ、８４ｂで塞がれていない。そのため流体は、流体袋８０ａ、８０ｂからプリントヘッド本体７８へと流れることができる。このような流れ制御を可能にする流体経路の詳細の設計は、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、例えば米国特許第７，６３１，９６２号明細書において論じられている。

いくつかの実施態様において、流体供給アセンブリ７４は恒久的にプリントヘッドハウジング７６に取り付けられており、すなわちアセンブリ７４またはハウジング７６の構成要素を破壊することなく分離させることはできない。流体袋８０ａ、８０ｂ内に含有されていた流体を使用した後、アセンブリ７０は廃棄してもよい。流体供給アセンブリ７４がプリントヘッドハウジング７６に取り付けられる前に、排出ヘッド１１８ａ、１１８ｂを介して流体袋８０ａ、８０ｂは充填される。それによりアセンブリ７０は、ほんの少量のテスト液体を使用する自給式の使い捨てテストユニットを提供する。アセンブリ７０は一回のみ使用されるため、テストとテストの間にプリントヘッドモジュールを水洗いすることなくテストを行うことができる。

図１のシステム１０は、図３Ａ〜３Ｄに示したものとは異なるアセンブリ内で実施することもできる。例えば、流体袋８０ａ、８０ｂおよびプリントヘッド本体７８（図３Ａ〜３Ｄ）の間の流路８２ａ、８２ｂの制御は、様々な構造および／または機構を使用して違ったやり方で行ってもよい。いくつかのサンプル構造は米国特許第７，６３１，９６２号明細書に記載されている。

システム１０内のプリントヘッド本体１６は、任意の種類のプリントヘッド本体とすることができる。図４を参照すると、プリントヘッド本体１００は、例えば四角形の板状プリントヘッドモジュールなどの流体吐出モジュールを含み、これは半導体処理技術を用いて製造されたダイ１０３でもよい。流体吐出装置は、集積回路インターポーザ１０４をダイ１０３上に備え、かつ以下でさらに論じる下方ハウジング３２２をさらに含んでいる。ハウジング１１０は、ダイ１０３、集積回路インターポーザ１０４、および下方ハウジング３２２を支持しかつ包囲し、さらに、ハウジング１１０をプリントバーに接続するためのピン１５２を備えた取付フレーム１４２を含み得る。外部プロセッサからデータを受信しかつダイにドライブ信号を提供するためのフレックス回路２０１を、ダイ１０３に電気的に接続させてハウジング１１０で所定位置に保持することができる。管１６２および１６６は、図１の流体経路２４ａ、２４ｂの一部となり得、図１のカートリッジ１２に接続されてダイ１０３に流体を供給する。

図５を参照すると、ダイ１０３はシリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）ウエハなどの基板１２２と集積回路インターポーザ１０４とを含んでいる。基板１２２の内部には流体経路２４２が形成され、流体を注入口１７６と排出口１７２（例えば、図４の管１６２、１６６の）との間でＭ方向（単一矢印）に沿って、またはＮ方向（二重矢印）に沿って再循環させると同時に、ノズル１２６から噴射される流体をポンプチャンバ１７４に送出する。いくつかの実施態様において、注入口１７６は図１の流体容器１４ａに接続され得、また排出口１７２は流体容器１４ｂに接続され得る。この図に示した例において、ポンプチャンバ１７４は流路２４２の一部である。各流体経路２４２は、ポンプチャンバ１７４に繋がりさらにノズル１２６および排出チャネル１７２の両方に繋がる、注入チャネル１７６を含んでいる。流体経路２４２はさらに、ポンプチャンバ１７４を注入チャネル１７６および排出チャネル１７２に夫々接続させる、ポンプチャンバ注入口２７６およびポンプチャンバ排出口２７２を含んでいる。流体経路はエッチングなどの半導体処理技術により形成することができる。いくつかの実施形態では、深堀り反応性イオンエッチングを使用して、ダイ１０３内の層の全体または一部を通って延在する、真っ直ぐな壁を有する特性を形成する。いくつかの実施形態では、絶縁層２８４をエッチング停止層に使用して、絶縁層２８４に隣接しているシリコン層２８６を完全にエッチングする。ポンプチャンバ１７４は薄膜１８０で封止され、また薄膜１８０の、ポンプチャンバ１７４と反対側の表面上に形成されたアクチュエータによって、ポンプチャンバ１７４を作動させることができる。ノズル１２６は、ポンプチャンバ１７４の薄膜１８０とは反対側のノズル層１８４内に形成されている。薄膜１８０は単一層のシリコンから形成してもよい。あるいは、薄膜１８０は１以上の酸化物の層を含んでもよいし、あるいは酸化アルミニウム（ＡｌＯ₂）、窒化物、または酸化ジルコニウム（ＺｒＯ₂）から形成されたものでもよい。

アクチュエータは、基板１２２により支持された、個々に制御可能なアクチュエータ４０１でもよい。多数のアクチュエータ４０１でアクチュエータ層を形成すると考えることができ、この場合アクチュエータを互いに電気的および物理的に分離させてもよいが、それでも１つの層の一部となる。基板１２２は、酸化物などの絶縁材料２８２の随意的な層を、アクチュエータと薄膜１８０との間に含んでいる。駆動されると、アクチュエータによって、流体は対応する流体経路２４２のノズル１２６から選択的に吐出される。関連するアクチュエータ４０１を備えた各流路２４２は、個々に制御可能なＭＥＭＳ流体吐出装置ユニットを提供する。いくつかの実施形態では、アクチュエータ４０１を駆動させると薄膜１８０がポンプチャンバ１７４へと歪み、ポンプチャンバ１７４の容積が減少して流体をノズル１２６から外へと出させる。アクチュエータ４０１は圧電アクチュエータでもよく、下方電極１９０、圧電層１９２、および上方電極１９４を含むものでもよい。あるいは、流体吐出部材は加熱部材でもよい。

集積回路インターポーザ１０４は、トランジスタ２０２（図５では吐出デバイスが１つのみ示されており、すなわち１つのみトランジスタが示されている）を含み、ノズル１２６からの流体の吐出を制御する信号を提供するよう構成されている。基板１２２および集積回路インターポーザ１０４は、多数の流体流路２４２をその中に形成して備えている。

図６を参照すると、流体は、例えば図１の流体容器１４ａ、１４ｂの一方などの流体供給部から、プリントヘッド本体１００（図４）の下方ハウジング３２２を通り、集積回路インターポーザ１０４、ダイ１０３を通過し、さらにノズル層１８４内のノズル１２６から出て流れることができる。下方ハウジング３２２は隔壁１３０で分割されて、注入チャンバ１３２および排出チャンバ１３６を提供することができる。流体供給部からの流体は、流体注入チャンバ１３２内に流れ、下方ハウジング３２２の床内の流体注入口１０１を通って、下方ハウジング３２２の流体注入通路４７６、ダイ１０３の流体経路２４２、下方ハウジング３２２の流体排出通路４７２を通過し、排出口１０２から出て排出チャンバ１３６内に入り、さらに例えば図１の他方の流体容器１４ａ、１４ｂなどの流体戻り部へと流れることができる。流体再循環の間の流れの方向は、上述した方向の反対方向でもよい。ダイ１０３を通過する流体の一部を、ノズル１２６から吐出させてもよい。

各流体注入口１０１および流体注入通路４７６は、１以上の列のユニットなど、いくつかのＭＥＭＳ流体吐出装置ユニットの平行注入チャネル１７６に共通して流体的に接続されている。同様に、各流体排出口１０２および各流体排出通路４７２は、１以上の列のユニットなど、いくつかのＭＥＭＳ流体吐出装置ユニットの平行排出チャネル１７２に共通して流体的に接続されている。各流体注入チャンバ１３２は、多数の流体注入口１０１に共通のものである。また各流体排出チャンバ１３６は、多数の排出口１０２に共通のものである。「注入」および「排出」という用語は、流れの方向を示したものではない。言い換えれば、２つの流体供給部間の流れの方向に応じて、流体を注入口１０１から、または排出口１０２から、ダイ１０３内のポンプチャンバに提供することができる。プリントヘッドモジュールは、その全体が参照することにより本書に組み込まれる、米国特許出願第１２／８３３，８２８号明細書において論じられている。

他の実施態様では、システム１０を再利用することができるよう、各流体容器１４ａ、１４ｂは流体リフィルポートを含み得る。例えば、容器内の流体を実質的に使い尽くしたとき、リフィルポートから同じ流体を容器内に補充することができる。いくつかの実施態様では、使用済みの容器を洗浄して、異なる流体をテスト印刷のために容器内に満たしてもよい。流体容器１４ａ、１４ｂはチャンバ２２ａ、２２ｂと同一としてもよい。言い換えれば、容器１４ａ、１４ｂを設けずに流体をチャンバ２２ａ、２２ｂ内に直接保存してもよい。異なるチャンバ２２ａ、２２ｂ内の流体の圧力は、圧力源２８およびコントローラ２６を用いて、前で説明したように同様に制御することができる。流路２４ａ、２４ｂ、２４ｃの夫々は、実施態様での多数の流路に対応し得る。

他の実施態様において、流体容器１４ａ、１４ｂは容器内の流体レベルを判定する感知デバイスを全く含んでいない。流体で満たされていた袋が再循環および噴射により空になったときに印刷を停止するよう、システム１０をプログラムしてもよい。第２の袋から空になった袋に戻るように流体が流れることはない。こういった設計によれば、システム１０のコストを低減することができる。一般に、この実施形態では噴射前、容器１４ａなど流体容器の一方は満たされた状態にあり、かつ容器１４ｂなど他方の容器は空である。流体容器１４ａ内に含有されている流体を完全に使用するために、流体容器１４ａ内に流体が残らなくなるまで噴射するようプリントヘッド本体１６をプログラムすることができる。

流体は、種々の色および性質のインクを含んでもよい。食品用の印刷流体を使用することもできる。いくつかの実施態様において流体は、画像形成用でない流体を含んでもよい。例えば、３次元モデルペーストを、モデルを作り上げるために選択的に堆積させることができる。生物サンプルを分析アレイ上に堆積させてもよい。回路形成材料を使用することもできる。

本書において言及した全ての刊行物、特許出願、特許、および他の引用は、その全体が参照することにより本書に組み込まれる。

他の実施形態は、以下の請求項の範囲内である。

１２ カートリッジ
１４ａ、１４ｂ 流体容器
１６ プリントヘッド本体
１８ ノズル
２２ａ、２２ｂ チャンバ
２４ 流路
２６ コントローラ
２８ 圧力制御装置
３６ａ、３６ｂ 流体レベルセンサ
７４ 流体供給アセンブリ
７４ａ、７４ｂ チャンバ
７６ プリントヘッドハウジング
７８ プリントヘッド本体
８０ａ、８０ｂ 流体容器
８２ａ、８２ｂ 流路
８４ａ、８４ｂ シール
１００ プリントヘッド本体
１０３ ダイ
１２６ ノズル
１７２ 排出口
１７４ ポンプチャンバ
１７６ 注入口
２４２ 流体経路
４０１ アクチュエータ

Claims (15)

1. 流体噴射において使用される方法において、
   プリントヘッドを介し流路の第１端部に流体接続する第１流体容器内の流体レベル、および前記プリントヘッドを介し前記流路の第２端部に流体接続する第２流体容器内の流体レベルを検知するステップ、
   前記第１流体容器と前記第２流体容器との間の流れ方向が、低流体レベルを有する流体容器から高流体レベルを有する流体容器へのものかどうか、および、前記低流体レベルを有する流体容器中における流体レベルが閾値より下かどうかを決定するステップ、
   前記流れ方向が、低流体レベルを有する流体容器から高流体レベルを有する流体容器へのものであり、かつ、前記低流体レベルを有する流体容器中における流体レベルが閾値より下であることを決定した場合、前記流れ方向が、高流体レベルを有する流体容器から低流体レベルを有する流体容器へとなるように、前記第１流体容器と前記第２流体容器との間の流れ方向を逆にするステップ、
   前記流体レベルが低いことを示すために信号をユーザに提供するステップ、および、
   前記第１流体容器と前記第２流体容器とを含むカートリッジを廃棄するよう前記ユーザに促す、あるいは、前記第１流体容器および／または前記第２流体容器を補充するよう前記ユーザを促すステップ、
   を含み、
   前記第１流体容器と前記第２流体容器の各々が、流体リフィルポートを有し、
   前記第１流体容器および／または前記第２流体容器の補充が、前記流体リフィルポートを介して補充されることを特徴とする方法。
2. 前記流れ方向を逆にするステップが、前記第１流体容器と前記第２流体容器との間の圧力差を逆にするよう、圧力制御装置に指示するステップを含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. 前記第１流体容器が第１制御内部圧力を有し、前記第２流体容器が第２制御内部圧力を有し、前記圧力制御装置が、前記第１制御内部圧力および前記第２制御内部圧力の両方を、大気圧より低い圧力に維持することを特徴とする請求項２記載の方法。
4. 前記第１制御内部圧力と前記第２制御内部圧力との圧力差が、大気圧と前記第１制御内部圧力または前記第２制御内部圧力との圧力差より大きいことを特徴とする請求項３記載の方法。
5. 前記プリントヘッドが前記流路と連通するノズルをさらに有し、該流路に沿って流れる流体は、該ノズルが吐出している際に、該ノズルに送出されることを特徴とする請求項１記載の方法。
6. 前記プリントヘッドが前記流路と連通するノズルをさらに有し、前記圧力制御装置が、該ノズルにおいて、流体メニスカスに対し負圧を維持することを特徴とする請求項２記載の方法。
7. 前記第１流体容器と前記第２流体容器の両方の流体レベルが、前記閾値より低い場合、吐出を中止するよう前記プリントヘッドに指示するステップをさらに有することを特徴とする請求項１記載の方法。
8. 流体噴射において使用される方法において、
   流体を、プリントヘッド内の流路を介して、第１容器と第２容器との間を再循環させるステップであって、前記流路はノズルを含み、該ノズルを介して前記第１容器と前記第２容器内とのいずれか１方から吐出する流体が吐出用の流体を供給し、前記ノズルが前記第１容器と前記第２容器内との間に位置し、アセンブリが前記プリントヘッドと、前記第１容器と前記第２容器とを含む自給式カートリッジとを含む、ステップを含み、
   前記ノズルを介して吐出された流体の量に対する再循環流体流量の比率が、前記プリントヘッドの印刷動作の負荷サイクルに依存し、前記再循環流体流量が、１秒間に前記流路の断面を通過する再循環流体の量であることを特徴とする方法。
9. 前記比率は、前記印刷動作が第２の負荷サイクルよりも高い第１の負荷サイクルで行われる際に減少することを特徴とする請求項８記載の方法。
10. 前記プリントヘッドが複数のノズルを含み、前記比率が単位時間当たり吐出しているノズルの割合に依存することを特徴とする請求項８記載の方法。
11. 前記流体流の再循環が、ノズルにおける、あるいは前記プリントヘッド内の前記流路に沿って、前記流体が乾燥する可能性を下げることを特徴とする請求項８記載の方法。
12. 前記流体がテスト流体を含み、
    前記アセンブリを、前記テスト流体を前記ノズルから吐出することを含むテスト動作の後に、廃棄することを特徴とする請求項８記載の方法。
13. 前記第１容器と前記第２容器との間を再循環させるステップが、流体中の粒子を浮遊状態に保ち、該流体の質を維持することを特徴とする請求項８記載の方法。
14. 前記流体を前記第１容器と前記第２容器との間を再循環させることにより、前記流路に沿って気泡を取り除くステップをさらに有することを特徴とする請求項８記載の方法。
15. 前記流体を前記第１容器と前記第２容器との間を再循環させる間に、前記ノズルから流体を吐出するステップをさらに有することを特徴とする請求項８記載の方法。

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