JP6967151B2 - 内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイ - Google Patents

Description

流体射出ダイは、複数の流体射出ノズルを含む流体射出システムの構成要素である。流体ダイはまた、複数の微小再循環ポンプ等の他の非射出アクチュエータを含むことが可能である。かかる複数のノズル及びポンプを介して、特にインクや融合剤等の流体が射出され又は移動される。例えば、ノズルは、一定量の流体を保持する射出チャンバを含むことが可能であり、該射出チャンバ内の流体アクチュエータは、ノズルの開口部を介して流体を射出させるように動作する。

本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの断面図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイの下側の斜視図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを含むプリンティング流体カートリッジのブロック図である。 本書で説明する原理の一例による基体幅プリントバー内に内蔵されたクロスチャネルを備えた複数の流体射出ダイを含むプリンティング装置のブロック図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを備えた複数の流体射出ダイを含むプリントバーのブロック図である。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを形成する方法のフローチャートである。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の一例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している 本書で説明する原理の別の例による内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している

図面は、本書で説明する原理の様々な例を示しており、本書の一部である。図示する例は、単に例示のために提供したものであり、特許請求の範囲を限定するものではない。

図面全体を通して、同一の符号は、類似するが必ずしも同一ではない構成要素を示している。図は必ずしも縮尺通りではなく、図示する例を一層明確に示すために一部のサイズが誇張されている場合がある。更に、図面は、説明と一致する例及び／又は実施態様を提供するが、該説明は、図面で提供される例及び／又は実施態様には限定されない。

本書で用いる流体ダイは、少量の流体を、例えば、ポンプで送り、混合し、分析し、射出する、様々なタイプの集積デバイスを表すことが可能である。かかる流体ダイは、複数の流体射出ダイ、複数の積層造形分配構成要素、ディジタル滴定構成要素、及び／又はその他のかかるデバイスを含むことが可能であり、かかるデバイスを使用して、大量の流体を選択的に及び制御可能に射出させることが可能である。流体ダイの他の例として、流体センサーデバイス、ラボオンチップデバイス、及び／又は流体を分析し及び／又は処理することが可能なその他のかかるデバイスが挙げられる。

特定の例では、かかる流体ダイは、インクジェットプリンタ、多機能プリンタ（MFP）、及び積層造形装置等の任意の数のプリンティング装置に見られる。かかるデバイスの流体システムは、少量の流体を正確かつ迅速に分配するために使用される。例えば、積層造形装置では、流体射出システムは融合剤を分配する。融合剤は、造形材料上に堆積され、該融合剤は、造形材料の硬化を促進させて３次元製品を形成する。

他の流体射出システムは、紙などの２次元プリント媒体上にインクを分配する。例えば、インクジェットプリンティング中に、流体は流体射出ダイへと案内される。プリントされる内容に応じて、流体射出ダイが配設されているデバイスは、プリント媒体上にインク滴を放出し／射出すべき時間と位置を決定する。このようにして、流体射出ダイは、所定領域に複数のインク滴を放出して、プリントすべきイメージコンテンツの表現を生成する。紙に加えて、他の種類のプリント媒体を使用することも可能である。したがって、説明したように、本書で説明するシステム及び方法は、２次元プリンティング、すなわち、基体上への流体の堆積、及び３次元プリンティング、すなわち、材料ベース上への融合剤その他の機能的薬剤の堆積による３次元プリントオブジェクトの形成を行う際に、実施することが可能である。

かかる流体射出ダイは、様々なタイプの流体を射出する際の効率が向上してきたが、かかる動作の強化により性能が向上する可能性がある。例えば、流体射出ダイのなかには、流体をノズル開口部へと押しやる抵抗素子を含むものがある。幾つかの例では、流体は、懸濁粒子を含む場合があり、該懸濁粒子は、懸濁液から出て流体射出ダイ内の特定の領域に堆積物として集まり得るものである。例えば、インク中で懸濁した顔料粒子は、懸濁液から出てノズルの射出チャンバ内に集まる傾向がある。これは、流体の射出を妨げ、及び／又はプリント品質を低下させるものとなり得る。

この粒子の沈殿は、流体射出ダイ内の微小再循環チャネル内に複数の再循環ポンプを配置することにより是正することが可能である。該再循環ポンプは、流体射出ダイの射出チャンバを介して流体を再循環させることにより顔料の沈殿を低減させ又は排除する微小抵抗素子とすることが可能である。

しかし、再循環ポンプの追加、並びに流体射出ダイの動作は、流体、流体射出ダイ、及び流体射出装置全体の他の部分内に望ましくない量の廃熱を蓄積させる可能性がある。この廃熱の増加は、流体射出ダイからの流体の射出に熱的欠陥を引き起こし、流体射出ダイの構成要素を損傷させ、プリント品質を低下させるものとなり得る。

また、これらの微小再循環ポンプの望ましい影響は、流体力学により低下する。例えば、流体は、流体供給スロットを介して流体射出ダイに供給される。マクロ再循環システムは、これらの流体供給スロットを通して流体を駆動する外部ポンプを含む。流体射出ダイの幅が狭いため、このマクロ再循環流は、ノズル内の微小再循環ループ内に引き込まれるほど十分深く流体供給スロット内に入り込まない可能性がある。すなわち、流体供給スロットは、マクロ再循環流を微小再循環流から分離させる。

したがって、微小再循環ループ内の流体は補充されず、同量の流体がループを介して再利用される。これは、ノズルに悪影響を及ぼすものとなる。例えば、動作時に、微小流体ポンプ及び流体射出ダイを介した複数回の駆動後に、流体の一部が蒸発して該流体の水分が枯渇することになる。水分が枯渇した流体は、ノズルに悪影響を及ぼし、プリント品質を低下させ得るものとなる。

したがって、本書では、上述その他の問題を解決する流体射出ダイについて説明する。すなわち、本書では、横方向に流体射出ダイへの流れを強制するシステム及び方法について説明する。この例では、ダイスロットが、流体射出ダイの背面にある内蔵されたクロスチャネル（横断流路）に接続された入口ポート及び出口ポートに置き換えられる。より具体的には、流体が射出されるノズルは、流体射出ダイの正面に配置される。流体は、背面を介してノズルに供給される。内蔵されたクロスチャネルは、流体射出ダイに一層近い流れを促進させる。すなわち、内蔵されたクロスチャネルが存在しない場合、供給スロットによって流体射出ダイの入口に供給される流体は、微小再循環ループに近づくには不十分な低い速度を有するものとなる。この例では、流体は、微小流体ループ全体にわたって循環するが、流体供給源から流体が補充されることはない。

流体力学を介して、内蔵されたクロスチャネルは、微小再循環ループの近くの流れを増加させて、新しい流体が補充されるようにする。すなわち、微小再循環流は、該内蔵されたクロスチャネルを介して移動するマクロ再循環流から流体を引き出し、及び該マクロ再循環流へ流体を射出する。したがって、この例では、微小再循環ループとノズルに新しい新鮮な流体が供給される。

すなわち、微小再循環ポンプは、二次的な流れ及び渦を生成する脈動する態様で通路に流体を引き込み、及び該通路から流体を射出する。かかる渦は、通路から特定の距離で消失する。内蔵されたクロスチャネルは、マクロ再循環流体をかかる渦に直接引き込むため、マクロ再循環流体は、十分な流速でかかる渦と相互作用し、該マクロ再循環流体と微小再循環ループ内の流体との混合が促進される。マクロ再循環流体を微小再循環ループの近くに強制するための内蔵されたクロスチャネルが存在しない場合、マクロ再循環流体は、微小再循環ループの入口／出口の周りの渦と相互作用するのに十分な速度で流体供給スロットに到達しないことになる。この増大した流れはまた、冷却を増進させ、これは、枯渇し又はリサイクルされた流体よりも新鮮なインクの方が流体射出ダイから熱を奪うのに効果的であるからである。

具体的には、本書では、流体射出ダイについて説明する。該流体射出ダイは、一定量の流体を射出する一連のノズルを含む。各ノズルは、一定量の流体を保持する射出チャンバ、該一定量の流体を分配するための開口部、及び該一定量の流体を該開口部を介して射出するための該射出チャンバ内に配設された流体アクチュエータとを含む。流体射出ダイはまた、基板内に形成された一連の一連の通路を含み、該一連の通路は射出チャンバへ又は射出チャンバから流体を供給する。流体射出ダイはまた、基板の背面に形成された一連の内蔵されたクロスチャネルを含む。該一連の内蔵されたクロスチャネルの各内蔵されたクロスチャネルは、一連の通路のそれぞれの複数の通路に流体的に接続される。

本書はまた、プリンティング流体カートリッジについて説明する。プリンティング流体カートリッジは、ハウジングと、基体上に堆積されるべき流体を収容するための該ハウジング内に配置されたリザーバとを含む。該カートリッジはまた、該ハウジングに配設された一連の流体射出ダイを含む。各流体射出ダイは、一定量の流体を射出する一連のノズルを含む。各ノズルは、一定量の流体を保持するための射出チャンバと、該一定量の流体を分配するための開口部と、該一定量の流体を該開口部を介して射出するための該射出チャンバ内に配設された流体アクチュエータとを含む。流体射出ダイはまた、１）射出チャンバーへ又は射出チャンバから流体を供給するために基板上に形成された一連の通路、及び２）基板の背面に形成された一連の内蔵されたクロスチャネルを含む。一連の内蔵されたクロスチャネルの各内蔵されたクロスチャネルは、一連の通路のそれぞれの複数の通路に流体的に接続される。

本書はまた、流体射出ダイを作成する方法について説明する。本方法によれば、一連のノズルと、流体が噴出される対応する複数の通路とが形成される。複数の内蔵されたクロスチャネルも形成される。一連の内蔵されたクロスチャネルの各内蔵されたクロスチャネルは、一連の通路のそれぞれの複数の通路に流体的に接続される。次いで、一連のノズル及び通路が、複数の内蔵されたクロスチャネルに結合される。

要約すると、かかる流体射出ダイの使用は、１）流体中の水分濃度を維持することによりデキャップ（decap）の可能性を低減させ、２）ノズル内の一層効率的な微小再循環を促進させ、３）ノズルの健全性を改善し、４）ダイの近くでの流体の混合を提供してプリント品質を向上させ、５）流体射出ダイを対流により冷却し、６）流体射出ダイから気泡を除去し、７）ノズルの再プライミングを可能にする。しかし、本書で開示するデバイスは、多くの技術分野における他の問題及び欠陥に対処することが可能なものであることが意図されている。

本書及び特許請求の範囲で使用する場合、用語「アクチュエータ」は、ノズルその他の非射出アクチュエータを称する。例えば、アクチュエータであるノズルは、流体射出ダイから流体を射出するよう動作する。非射出アクチュエータの一例である再循環ポンプは、流体射出ダイ内の通路、チャネル、及び経路を介して流体を移動させる。

したがって、本書及び特許請求の範囲で使用する場合、用語「ノズル」は、所与の表面上に流体を分配する流体射出ダイの個々の構成要素を称する。ノズルは、少なくとも、１つの射出チャンバ、１つの射出器の流体アクチュエータ、及び１つのノズル開口部を含む。

更に、本書及び特許請求の範囲で使用する場合、用語「プリンティング流体カートリッジ」は、プリント媒体上にインクその他の流体を射出させる際に使用されるデバイスを称することが可能である。一般に、プリンティング流体カートリッジは、インク、ワックス、ポリマー、又はその他の流体といった流体を分配する流体射出装置とすることが可能である。プリンタカートリッジには、複数の流体射出ダイを含むことが可能である。幾つかの例では、プリンタカートリッジは、プリンタ、グラフィックプロッタ、コピー機、及びファクシミリ機で使用することが可能である。これらの例では、流体射出ダイは、インクその他の流体を紙等の媒体上に射出して所望のイメージを形成することが可能である。

更に、本書及び特許請求の範囲で使用する場合、用語「複数の」又はそれと同様の用語は、１から無限大までを含む任意の正数として広く理解されるべきことを意味する。

以下の記載では、説明の目的で、本システム及び方法の完全な理解を提供するために多くの特定の詳細について述べられている。しかし、本装置、システム、及び方法は、これらの特定の詳細なしで実施可能であることが当業者には明らかであろう。本書中で「一例」又はそれと同様の言葉を称した場合、これは、その例に関して説明した特定の特徴、構造、又は特性が説明した通りに含まれるが、他の例では含まれることも含まれないことも可能であることを意味している。

ここで図面を参照すると、図１Ａないし図１Ｄは、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（104）を有する流体射出ダイ（100）の図である。具体的には、図１Ａは、流体射出ダイ（100）の斜視図である。上述のように、流体射出ダイ（100）は、基体上にプリンティング流体を堆積させる際に使用されるプリンティングシステムの構成要素を称する。基体上にプリンティング流体を射出するために、流体射出ダイ（100）は、一連のノズル（102）を含む。図１Ａでは、単純化のため１つのノズル（102）が１つの符号で示されている。更に、ノズル（102）及び流体射出ダイ（100）の相対的な大きさは縮尺通りではなく、説明のためノズルが拡大されていることに留意されたい。

流体射出ダイ（100）の複数のノズル（102）は、流体射出ダイ（100）及びプリント媒体が互いに相対的に移動した際にノズル（102）からの流体の適切に順序付けされた射出が該プリント媒体上に文字、記号、及び／又はその他のグラフィックス又はイメージをプリントさせるように、複数の行又は複数のアレイに配置することが可能である。

一例では、該アレイ内の複数のノズル（102）を更にグループ化することが可能である。例えば、該アレイのノズル（102）の第１のサブセットを１つの色のインク又は一組の流体特性を有する１つの種類の流体に関するものとする一方、該アレイの複数のノズル（102）の第２のサブセットを別の色のインク又は異なる一組の流体特性を有する流体に関するものとすることが可能である。

流体射出ダイ（100）は、ノズル（102）から流体を射出する際に流体射出ダイ（100）を制御するコントローラに接続することが可能である。例えば、該コントローラは、プリント媒体上に文字、記号、及び／又はその他のグラフィックス又はイメージを形成する射出される液滴のパターンを定義する。射出される液滴のパターンは、コンピューティング装置から受信したプリントジョブコマンド及び／又はコマンドパラメーターによって決定される。

図１Ｂ及び図１Ｃは、流体射出ダイ（100）の断面図である。より具体的には、図１Ｂ及び図１Ｃは、図１ＡのＡ−Ａ断面図である。図１Ｂ及び図１Ｃはそれぞれ、特定のタイプの内蔵されたクロスチャネル（104）を示している。図１Ｂ及び図１Ｃにおいて、符号104は流体の流れではなく内蔵されたクロスチャネルを指しており、該流体の流れは矢印で示されている。

とりわけ、図１Ｂ及び図１Ｃは、アレイのノズル（102）を示している。単純化のため、図１Ｂ及び図１Ｃにおける１つのノズル（102）は１つの符号で示されている。流体を射出するために、ノズル（102）は複数の構成要素を含む。例えば、ノズル（102）は、射出されるべき一定量の流体を保持するための射出チャンバ（110）、該一定量の流体が射出される開口部（112）、及び該開口部（112）を介して該一定量の流体を射出するために該射出チャンバ（110）内に配設された流体射出アクチュエータ（114）を含む。射出チャンバ（110）及びノズル開口部（112）は、チャネル基板（118）の最上部に堆積されるノズル基板（116）内に画定することが可能である。幾つかの例では、ノズル基板（116）は、SU-8又はその他の材料から形成される。

射出アクチュエータ（114）を参照すると、流体射出アクチュエータ（114）は、発射抵抗器その他のサーマルデバイス、圧電素子、又は射出チャンバ（110）から流体を射出させるための他の機構を含むことが可能である。例えば、射出器（114）は、発射抵抗器とすることが可能である。発射抵抗器は、印加電圧に応じて加熱する。発射抵抗器が加熱すると、射出チャンバ（110）内の流体の一部が気化して泡を形成する。この泡が、流体を開口部（112）からプリント媒体上へと押し出す。気化した流体の泡が破裂すると、流体が通路（108）から射出チャンバ（110）内へと引き込まれてプロセスが繰り返される。この例では、流体射出ダイ（100）は、サーマルインクジェット（TIJ）流体射出ダイ（100）とすることが可能である。

別の例では、流体射出アクチュエータ（114）は、圧電素子とすることが可能である。電圧が印加されると、圧電素子の形状が変化して、射出チャンバ（110）内で圧力パルスを生成し、該圧力パルスが流体を開口部（112）からプリント媒体上へと押し出す。この例では、流体射出ダイ（100）は、圧電インクジェット（PIJ）流体射出ダイ（100）とすることが可能である。

流体射出ダイ（100）はまた、チャネル基板（118）内に形成された一連の通路（108）を含む。通路（108）は、対応する射出チャンバ（110）へ流体を配送し及び対応する射出チャンバ（110）から流体を配送する。幾つかの例では、通路（108）は、チャネル基板（118）の有孔膜（perforated membrane）に形成される。例えば、チャネル基板（118）はシリコンから形成することが可能であり、通路（108）は、チャネル基板（118）の一部を形成する有孔シリコン膜に形成することが可能である。すなわち、膜には、該膜がノズル基板（116）と接合された際に射出チャンバ（110）と位置合わせされて射出プロセス中に流体が出入りする経路を形成する穴を開けることが可能である。図１Ｂ及び図１Ｃに示すように、２つの通路（108）は、一対の経路（108）の一方の通路（108）が射出チャンバ（110）への入口となり、他方の通路（108）が射出チャンバ（110）からの出口となるように、各射出チャンバ（110）に対応することが可能である。幾つかの例では、通路は、丸い穴、四隅の丸い正方形の穴、又はその他のタイプの通路とすることが可能である。

流体射出ダイ（100）はまた、一連の内蔵されたクロスチャネル（104）を含む。内蔵されたクロスチャネル（104）は、チャネル基板（118）の裏側に形成され、通路（108）へ及び通路から流体を配送する。一例では、各々の内蔵されたクロスチャネル（104）は、一連の通路（108）のそれぞれの複数の通路（108）に流体的に接続される。すなわち、流体は、内蔵されたクロスチャネル（104）に入り、該内蔵されたクロスチャネル（104）を通過し、それぞれの通路（108）を通過し、次いで該内蔵されたクロスチャネル（104）を出て、関連する流体供給システムにおいて他の流体と混合される。幾つかの例では、内蔵されたクロスチャネル（104）を通る流体経路は、矢印で示すように、通路（108）を通る流れに対して垂直となる。すなわち、流体は、入口に入り、内蔵されたクロスチャネル（104）を通過し、それぞれの通路（108）を通過し、次いで出口を出て、関連する流体供給システムにおいて他の流体と混合される。この入口、内蔵されたクロスチャネル（104）、及び出口を通る流れは、図１Ｂ及び図１Ｃにおいて矢印で示されている。

内蔵されたクロスチャネル（104）は、任意の数の表面により画定される。例えば、内蔵されたクロスチャネル（104）の１つの表面は、通路（108）が形成されるチャネル基板（118）の膜部分により画定される。図１Ｄに示すように、別の表面が蓋基板（120）により画定され、他の表面がリブにより画定される。

一連の内蔵されたクロスチャネル（104）の個々のクロスチャネル（104）は、特定の行の通路（108）及びそれに対応する射出チャンバ（110）に対応することが可能である。例えば、図１Ａに示すように、一連のノズル（102）を複数行に配列し、その各行に各クロスチャネル（104）を整列させて、一行のノズル（102）が同じクロスチャネル（104）を共有するようにすることが可能である。図１Ａは、ノズル（102）の各行を直線で示しているが、ノズル（102）の行は、傾斜させ、湾曲させ、山形にし、又はその他の方向付けを行うことが可能である。したがって、かかる例では、内蔵されたクロスチャネル（104）は、同様に、傾斜させ、湾曲させ、山形にし、又はノズル（102）の配置と整列するようにその他の方向付けを行うことが可能である。別の例では、特定の行の通路（108）は、複数のクロスチャネル（104）に対応することが可能である。すなわち、各行は一直線にすることが可能であるが、内蔵されたクロスチャネル（104）は傾斜させることが可能である。一行のノズル（102）につき１つの内蔵されたクロスチャネル（104）が対応する場合について特に言及したが、幾つかの例では、複数行のノズル（102）が単一の内蔵されたクロスチャネル（104）に対応することが可能である。

幾つかの例では、内蔵されたクロスチャネル（104）は、一連の通路（108）の異なるサブセットの複数の行に流体を配送する。例えば、図１Ｃに示すように、単一の内蔵されたクロスチャネル（104）は、第１のサブセット（122-1）における一行のノズル（102）及び第２のサブセット（122-2）における一行のノズル（102）へ流体を配送することが可能である。この例では、１つのタイプの流体、例えば１つのインク色を、異なるサブセット（122）に提供することが可能である。特定の例では、モノクロの流体射出ダイ（100）は、ノズル（102）の複数のサブセット（122）にわたって１つの内蔵されたクロスチャネル（104）を実施することが可能である。

幾つかの例では、内蔵されたクロスチャネル（104）は、一連の通路（108）の単一のサブセット（122）の複数行に流体を配送する。例えば、図１Ｂに示すように、第１のクロスチャネル（104-1）は、第１のサブセット（122-1）における一行のノズル（102）に流体を配送し、第２のクロスチャネル（104-2）は、第２サブセット（122-2）における一行のノズル（102）に流体を配送する。この例では、異なる種類の流体、例えば、異なるインク色を異なるサブセット（122）に提供することが可能である。かかる流体射出ダイ（100）は、多色プリンティング流体カートリッジで使用することが可能である。

かかる内蔵されたクロスチャネル（104）は、流体射出ダイ（100）を通る流体の流れの増大を促進させるものとなる。例えば、内蔵されたクロスチャネル（104）が存在しない場合には、流体射出ダイ（100）の裏側を通過する流体は、ノズル（102）を通過する流体と十分に混合するよう通路（108）の十分近くを通過することができない。しかし、内蔵されたクロスチャネル（104）は、ノズル（102）の一層近くに流体を引き込み、これにより流体の混合を促進させる。この増大した流体の流れはまた、使用された流体をノズル（102）から除去するため、ノズルの健全性を向上させるものとなる。該使用された流体は、ノズル（102）全体にわたって循環した場合に該ノズル（102）を損傷させ得るものである。

図１Ｄは、流体射出ダイ（100）の断面図である。より具体的には、図１Ｄは、図１ＡのＢ−Ｂ断面図である。図１Ｄは、流体射出ダイ（100）の長さに沿って複数の内蔵されたクロスチャネル（104）を示している。図１Ｄは、特定の数の内蔵されたクロスチャネル（104）を示しているが、流体射出ダイ（100）は、任意数のかかる内蔵されたクロスチャネル（104）を含むことが可能である。

図１Ｄはまた、射出チャンバ（110）へと流体が通過する通路（108）を示している。単純化のため、通路（108）及び内蔵されたクロスチャネル（104）の単一の例にのみ符号が付されている。図１Ｄは、チャネル基板（118）から形成されるものとしての内蔵されたクロスチャネル（104）を部分的に画定するリブを示しているが、実例によっては内蔵されたクロスチャネルは蓋基板（120）から形成することが可能であり、該蓋基板（120）は、ガラス、シリコン、又はその他の材料から形成することが可能である。

図２は、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（104）を有する流体射出ダイ（図１の符号100）の断面図である。具体的には、図２は、単一の通路（108）の下方を通過する内蔵されたクロスチャネル（104）の一部を示している。図２に示す構成要素は縮尺通りには描かれておらず、説明のために拡大されていることに留意されたい。図２は、内蔵されたクロスチャネル（104）及び通路（108）を通る流体の流れを明確に示している。図示のように、かかる流体の流れは垂直方向を有する。すなわち、流体が内蔵されたクロスチャネル（104）を流れる場合、該流体をノズル（図１の符号102）へと案内するために該流体が通路（108）を通過する際にその方向が垂直方向に変わる。

幾つかの例では、流体射出アクチュエータ（図１の符号114）、射出チャンバ（110-1,110-2）、及び開口部（112-1,112-2）に加えて、各ノズル（図１の符号102）は、対応する射出チャンバ（110）との間で流体を案内するためのチャネル（221-1,221-2）を含むことが可能である。かかるチャネル（221）は、少量の流体（例えば、ピコリットルスケール、ナノリットルスケール、マイクロリットルスケール、ミリリットルスケールなど）の搬送を容易にするために十分に小さいサイズ（例えば、ナノメートルサイズのスケール、マイクロメートルサイズのスケール、ミリメートルサイズのスケールなど）にすることが可能である。この例では、ノズル（図１の符号102）に対応するチャネル（221-1,221-2）及び通路（108）が微小再循環ループを形成する。幾つかの例では、ポンプ流体アクチュエータがチャネル（221）内に配置されて射出チャンバ（110）との間で流体が移動される。かかる微小チャネル（221-1,221-2）は、そこを通過する流体の沈殿を防止し、及び新鮮な流体が開口部（112）からの射出に利用できることを確実にする。流体アクチュエータ、射出器（図１の符号114）及びポンプアクチュエータの両方は、静電膜アクチュエータ、機械式／衝撃駆動式膜アクチュエータ、磁歪駆動式アクチュエータ、又は電気的な駆動に応じて流体の変位を生じさせることが可能な他のかかる要素とすることが可能である。

上述のように、かかる微小再循環ループは、射出チャンバ（110）に新鮮な流体を提供し、このため、ノズル（図１の符号102）の有効寿命を延ばす。これは、新鮮な流体が供給された際にノズル（図１の符号102）が最適に動作するためである。

図３は、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（104-1,104-2）を有する流体射出ダイ（100）の下側の斜視図である。単純化のため、内蔵されたクロスチャネル（104-1,104-2）及びそれに関連するリブ（324-1,324-2）の幾つかの例のみに符号を付してある。

図３は、流体射出ダイ（100）、具体的には、内蔵されたクロスチャネル（104）を通る流体流路を明確に示している。図３に示す例では、一連のノズル（図１の符号102）を２つのサブセット（図２の符号221-1,221-2）に分割することが可能であるが、一連のノズル（図１の符号102）は、任意数のサブセット（図２の符号221）に分割することが可能である。

この例では、流体は入口に送られ、該入口は、複数の内蔵されたクロスチャネル（104）によって共有することが可能である。次いで、該流体は、内蔵されたクロスチャネル（104）に入る。該内蔵されたクロスチャネル（104）は、リブ（324-1,324-1）及び蓋基板（120）により部分的に画定される、流体が内蔵されたクロスチャネル（104）を流れると、該流体は通路（図１の符号108）及びノズル（図１の符号102）を介して案内され、該ノズル（図１の符号102）は、微小再循環ループを含むことが可能である。次いで、過剰な流体が、内蔵されたクロスチャネル（104）に戻され、該内蔵されたクロスチャネル（104）の出口から排出される。

図４は、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する流体射出ダイ（100）を含むプリンティング流体カートリッジ（426）のブロック図である。プリンティング流体カートリッジ（426）は、流体を射出するためにプリンティングシステム内で使用される。幾つかの例では、プリンティング流体カートリッジ（426）は、例えば、交換可能なカートリッジ（426）として、システムから取り外し可能なものとすることが可能である。幾つかの例では、プリンティング流体カートリッジ（426）は、基体幅プリントバーであり、一連の流体射出ダイ（100）は、流体が堆積される基体の幅にわたって互い違いに配列された複数のプリントヘッドへとグループ化される。かかるプリントヘッドの例を図６に示す。

プリンティング流体カートリッジ（426）は、該プリンティング流体カートリッジ（426）の構成要素を収容するハウジング（428）を含む。ハウジング（428）は、一定量の流体を流体射出ダイ（100）に供給するための流体リザーバ（430）を収容する。一般に、流体は、リザーバー（430）と流体射出ダイ（100）との間を流れる。幾つかの例では、流体射出ダイ（100）に供給される流体の一部は動作中に消費され、プリンティング中に消費されなかった流体は流体リザーバ（430）に戻される。幾つかの例では、流体はインクとすることが可能である。特定の一例では、インクは、とりわけ、水性紫外線（UV）インク、薬液、又は３Ｄプリンティング材料とすることが可能である。

図５は、本書で説明する原理の一例による、基体幅プリントバー（534）内の内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する複数の流体射出ダイ（100-1,100-2,100-3,100-4）を含むプリンティング装置（532）のブロック図である。プリンティング装置（532）は、プリント基体（536）の幅にわたるプリントバー（534）、該プリントバー（534）に関連する複数の流量調整器（538）、基体搬送機構（540）、流体リザーバ（図４の符号430）等のプリンティング流体供給源（542）、及びコントローラー（544）を含むことが可能である。コントローラ（544）は、プログラミング、１つ以上のプロセッサ、及びそれに関連するメモリ、並びにプリンティング装置（532）の動作要素を制御するその他の電子回路及び構成要素を表すものである。プリントバー（534）は、シート状の又は連続するウェブ状の紙その他のプリント基体（536）上に流体を分配するための一連の流体射出ダイ（100）を含むことが可能である。各流体射出ダイ（100）は、流体供給源（542）から流量調整器（538）に至る流路を介して、及びプリントバー（534）内に画定された複数の移送成形された流体チャネル（546）を介して、流体を受容する。

図６は、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する複数の流体射出ダイ（100）を含むプリントバー（534）のブロック図である。幾つかの例では、複数の流体射出ダイ（100）が、細長いモノリシック成形体（650）内に埋め込まれ、及び複数の行（648）で端と端を並べて配置される。流体射出ダイ（100）は、互い違いに配置され、該配置では、各行（648）の流体射出ダイ（100）は、それと同じ行（648）内の別の流体射出ダイ（100）と重複する。この配置では、各行（648）の流体射出ダイ（100）は、図６に破線で示すように、異なる移送成形流体チャネル（652）から流体を受容する。図６は、例えば、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラック等の４つの異なる色をプリントする場合に４行（648）の互い違いに配置された流体射出ダイ（100）に流体を供給する４つの流体チャネル（652）を示しているが、他の適当な構成を実施することが可能である。

図７は、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する流体射出ダイ（図１の符号100）を形成する方法（700）のフローチャートである。本方法（700）によれば、一連のノズル（図１の符号102）及び通路（図１の符号108）が形成される（ブロック701）。幾つかの例では、通路（図１の符号108）は、有孔シリコン膜の一部とすることが可能である。ノズル（図１の符号102）、より具体的には、ノズル（図１の符号102）の開口部（図１の符号112）及び射出チャンバ（図１の符号110）は、SU-8等のノズル基板（図１の符号116）から形成することが可能である。したがって、一連のノズル（図１の符号102）及び通路（図１の符号108）の形成（ブロック701）は、有孔シリコン膜をSU-8ノズル基板（図１の符号116）と接合することを含むことが可能である。

次いで、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）が形成される（ブロック702）。内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）の形成（ブロック702）は、通路（図１の符号108）が形成されている膜の裏側へのリブ（図３の符号324）の接着、及び蓋基板（図１の符号120）の取り付けを含むことが可能である。別の例では、前記形成（ブロック702）は、チャネル基板（図１の符号118）をエッチング除去して、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を部分的に画定するリブ（図３の符号324）を形成することを含むことが可能である。

内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）が形成され、ノズル（図１の符号102）及び通路（図１の符号108）が形成されると、それら２つが接合されて（ブロック703）、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する流体射出ダイ（図１の符号100）が形成される。。図８Ａないし図１０Ｄは、流体射出ダイ（図１の符号104）を製造する様々な例を示している。

図８Ａないし図８Ｄは、本書で説明する原理の一例による、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する流体射出ダイ（図１の符号100）の製造方法を示している。単純化のため、特定の図では、各構成要素の複数の例が示されている場合であっても、各構成要素の１つの例のみに符号を付してある。

まず、図８Ａでは、ノズル開口部（112）及び射出チャンバ（110）が、SU-8などの材料から形成することが可能なノズル基板（116）内に形成される。ノズル基板（116）における開口部（112）及び射出チャンバ（110）の形成は、エッチング又はフォトリソグラフィーによるものとすることが可能である。次いで、開口部（112）及び射出チャンバ（110）が形成されたノズル基板（116）が、通路（108）が形成された層（854）に接合される。かかる層（854）は、通路（108）を画定する孔を有するシリコン薄膜とすることが可能である。この例では、通路（108）は、所定の深さまで形成することが可能であり、層（854）は、通路（108）が露出するまで薄くすることが可能である。

次に、図８Ｂでは、チャネル（図１の符号104）を画定するリブ（324）を形成することが可能である。幾つかの例では、これは、シリコン基板の一部をエッチングして内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を画定し、更に基板の他の部分をエッチングし又はそのレーザーアブレーションを行って入口及び出口スロットを画定することを含むことが可能である。

次に、図８Ｃに示すように、接着剤（856）が蓋基板（120）及びリブ（324）上に配置されて、ノズル（図１の符号102）及び通路（108）を含む構造体が、図８Ｄに示すように、リブ（324）／蓋基板（120）に接合される。次いで、流体は、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）の入口を通り、リブ（324）を通過して対応する通路（108）に流入し、及び出口から出る。

図９Ａないし図９Ｄは、本書で説明する原理の別の例による、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を有する流体射出ダイ（図１の符号100）の製造方法を示している。この例では、射出チャンバ（110）及びノズル開口部（112）を画定するノズル基板（116）は、通路（108）を画定するために孔が形成されたシリコン膜などの基板（854）に接着される。この例では、二酸化ケイ素又はその他の絶縁体の層（958）を基板（854）内に埋設することが可能である。したがって、この例では、基板（854）上で深掘りRIE（Deep Reactive Ion Etching）を行うことにより該基板（854）に通路（108）を形成することが可能であり、これは、絶縁体材料の層（958）まで延びる通路（108）を形成するものとなる。図９Ａはまた、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を形成するための２段階エッチング操作の第１のエッチング操作の一部を示している。この第１のエッチング操作の第１の部分では、リブ（324）を含む内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を画定するフォトレジストが配置される。シリコン材料に対して第１のエッチング操作が実行されて、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を画定するリブ（324）が画定される。

図９Ｂは、第１のエッチング操作の第２の部分と第２のエッチング操作を示している。第１のエッチング操作の第２の部分では、リブ（324）を取り囲む窓を画定する第２のマスキング層を残してフォトレジストが除去される。基板（854）は、更にエッチングされて、1）リブ（324）を画定し続け、及び該リブ（324）を取り囲む窓を形成し続ける。最後に、第３のエッチング操作中に、絶縁体層（958）の部分が除去されて、内蔵されたクロスチャネルに通路（108）が曝される（図１の符号104）。

図９Ｃでは、接着剤（960）がリブ（324）の上部に配置され、該リブ（324）が蓋基板（120）に接着されて、図９Ｄに示すように、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）が形成される。次いで、流体は、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）の入口を通り、リブ（324）を通過して、対応する通路（108）に流れ、及び出口から出る。

図１０Ａないし図１０Ｄは、本書で説明する原理の別の例による、内蔵されたクロスチャネルを有する流体射出ダイを製造する方法を示している。図１０Ａでは、射出チャンバ（110）及びノズル開口部（112）を画定するノズル基板（116）は、通路（108）を画定するために孔が形成されたシリコン膜などの基板（854）に接着される。該基板（854）は、図９Ａないし図９Ｄに関して上述したように、埋設された絶縁体層（958）を有する。この例では、基板（854）を薄くし、及びシリコン材料上のフォトレジストを使用して第１のエッチング操作を実行して、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）を画定するリブ（324）を画定する。次いで第２のエッチング操作を実行して絶縁層（958）をエッチング除去して通路（108）を露出させる。

図１０Ｂでは、入口スロット及び出口スロットを有する蓋基板（120）は、スロットをエッチング又はレーザアブレーションにより形成し、次いで基板を薄くするためにウェハ研削操作（wafer grinding operation）を使用してウェハを薄くすることにより形成される。図１０Ｃでは、接着剤（960）がリブ（324）の上部に配置され、該リブ（324）に蓋基板（120）が接着されて、図１０Ｄに示すように、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）が形成される。次いで、流体は、内蔵されたクロスチャネル（図１の符号104）の入口を通り、リブ（324）を通過して、対応する通路（108）内へと流れ、及び出口から出る。

要約すると、かかる流体射出ダイの使用は、１）流体中の水分濃度を維持することによりデキャップの可能性を低減させ、２）ノズル内の一層効率的な微小再循環を促進させ、３）ノズルの健全性を改善し、４）ダイの近傍での流体の混合を提供してプリント品質を向上させ、５）流体射出ダイを対流により冷却し、６）流体射出ダイから気泡を除去し、７）ノズルの再プライミングを可能にする。しかし、本書で開示するデバイスは、多くの技術分野における他の問題及び欠陥に対処可能であることが意図されたものである。

前述の説明は、説明した原理の例を例示し説明するために提示したものである。この説明は、全てを網羅すること又はかかる原理を本開示の厳密な形に限定することを意図したものではない。上記の教示に照らして多くの修正及び変更が実施可能である。

Claims (15)

1. 複数のノズルであって、その各ノズルが、
   射出チャンバと、
   開口部と、
   前記射出チャンバ内に配設された流体アクチュエータと
   を含む、複数のノズルと、
   基板内に形成された複数の通路であって、複数対の通路を含み、その各対の通路が、前記射出チャンバから及び該射出チャンバへと流体を配送する、複数の通路と、
   前記基板の背面に形成された複数の内蔵されたクロスチャネルであって、該複数の内蔵されたクロスチャネルの各々が、その一端に入口を含み、及びその他端に出口を含み、並びに前記入口と前記出口との間で少なくとも一対の通路に流体的に接続されており、前記入口を通って前記内蔵されたクロスチャネル内へ流入した流体が、前記少なくとも一対の通路とそれに対応する射出チャンバとを通過することなく前記内蔵されたクロスチャネルを通って前記出口へと流れ、及び前記流体の一部が、前記内蔵されたクロスチャネルから、前記少なくとも一対の通路とそれに対応する射出チャンバとを通って前記内蔵されたクロスチャネルへと戻る、複数の内蔵されたクロスチャネルと
   を備えている、流体射出ダイ。
2. 前記複数の通路が、前記基板の孔が形成された層内に形成される、請求項１に記載の流体射出ダイ。
3. １つの前記内蔵されたクロスチャネルが、前記複数の通路の複数の異なるサブグループの複数の行に流体を配送する、請求項１又は請求項２に記載の流体射出ダイ。
4. 前記複数の内蔵されたクロスチャネルが複数のサブグループへとグループ化され、該複数の内蔵されたクロスチャネルの各サブグループが、前記複数の通路の複数の異なるサブグループのうちの１つのサブグループの複数の行へ流体を配送する、請求項１又は請求項２に記載の流体射出ダイ。
5. 前記複数の通路の前記複数の異なるサブグループが複数の異なる色の流体に対応する、請求項４に記載の流体射出ダイ。
6. 各ノズルが、対応する射出チャンバとの間で流体を案内するチャネルを更に含み、
   前記ノズルに対応する前記チャネル及び前記通路が微小再循環ループを形成する、
   請求項１ないし請求項５の何れか一項に記載の流体射出ダイ。
7. １行の前記通路が、同一の前記内蔵されたクロスチャネルに対応する、請求項１又は請求項２に記載の流体射出ダイ。
8. １行の前記通路が、複数の前記内蔵されたクロスチャネルに対応する、請求項１又は請求項２に記載の流体射出ダイ。
9. 前記内蔵されたクロスチャネルを通る流体の流れが、前記通路内の流体の流れに対して垂直である、請求項１ないし請求項８の何れか一項に記載の流体射出ダイ。
10. 前記基板はシリコン基板である、請求項１ないし請求項９の何れか一項に記載の流体射出ダイ。
11. 前記内蔵されたクロスチャンネルの各々は、前記基板、蓋基板、および前記基板の裏側に形成されたリブによって画定される、請求項１ないし請求項１０の何れか一項に記載の流体射出ダイ。
12. ハウジングと、
    基体上に堆積される流体を収容するための前記ハウジング内に配設されたリザーバと、
    前記ハウジング上に配設された複数の流体射出ダイと
    を備えたプリンティング流体カートリッジであって、
    前記複数の流体射出ダイの各流体射出ダイが、
    複数のノズルであって、その各ノズルが、
    射出チャンバと、
    開口部と、
    前記射出チャンバ内に配設された流体アクチュエータと
    を含む、複数のノズルと、
    チャネル基板内に形成された複数の通路であって、複数対の通路を含み、その各対の通路が、前記射出チャンバから及び該射出チャンバへと流体を配送する、複数の通路と、
    前記チャネル基板の背面に形成された複数の内蔵されたクロスチャネルであって、該複数の内蔵されたクロスチャネルの各々が、その一端に入口を含み、及びその他端に出口を含み、並びに前記入口と前記出口との間で前記複数の通路のうちのそれぞれのグループをなす複数の通路に流体的に接続されており、前記入口を通って前記内蔵されたクロスチャネル内へ流入した流体が、前記それぞれのグループをなす前記複数の通路とそれに対応する射出チャンバとを通過することなく前記内蔵されたクロスチャネルを通って前記出口へと流れ、及び前記流体の一部が、前記内蔵されたクロスチャネルから、前記それぞれのグループをなす前記複数の通路とそれに対応する射出チャンバとを通って前記内蔵されたクロスチャネルへと戻る、複数の内蔵されたクロスチャネルと
    を含む、プリンティング流体カートリッジ。
13. 各ノズルが更に、
    対応する射出チャンバとの間で流体を案内するチャネルと、
    該チャネルを介して流体を移動させる二次流体アクチュエータと
    を含み、
    前記ノズルに対応する前記チャネル及び前記通路が、該ノズルの微小再循環ループを形成する、請求項１２に記載のプリンティング流体カートリッジ。
14. 前記プリンティング流体カートリッジが、基体幅プリントバーであり、
    前記複数の流体射出ダイが、複数のプリントヘッドへとグループ化され、該複数のプリントヘッドが、流体が堆積される前記基体の幅にわたって互い違いに配置されている、
    請求項１２又は請求項１３に記載のプリンティング流体カートリッジ。
15. 前記内蔵されたクロスチャンネルの各々は、前記チャネル基板、蓋基板、および前記チャネル基板の裏側に形成されたリブによって画定される、請求項１２ないし請求項１４の何れか一項に記載のプリンティング流体カートリッジ。

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