(57)【要約】  液滴吐出装置は、流路(22)と、流路(22)の壁に形成されたノズル開口部(34)と、流路(22)を流れる流体を循環させる循環システム(40、42)と、流路(22)内の液体に圧力波を形成するアクチュエータシステム(28)とを有し、流路の中でノズル開口部(34)に対向する位置に設けられた障害物要素(28)が、ノズル開口部に向かって突出している。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路と、前記流路の壁に形成されたノズル開口部と、前記流路を流れる流体を循環させる循環システムと、前記流路内の前記液体に圧力波を形成するアクチュエータシステムとを有する液滴吐出装置であって、前記流路の中で前記ノズル開口部に対向する位置に設けられた障害物要素が、前記ノズル開口部に向かって突出している、液滴吐出装置。
【請求項２】
前記ノズル開口部は前記流路から分岐したノズル経路の端部に設けられ、前記障害物要素は前記ノズル経路内に延びる、請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記ノズル開口部に隣接する前記ノズル経路の少なくとも一部は、じょうご状に形成されている、請求項２に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記流路又は前記ノズル経路の少なくとも一部は基板の第１面に形成される凹部として形成れ、前記ノズル開口部は、同じ前記基板の第２面に形成され、前記第２面は前記第１面に対向し、前記ノズル開口部は、前記ノズル開口部に集まるように流し込むじょうごを介して底部壁面の溝に接続されている、請求項１−３のうち何れか１項に記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記流路の少なくとも一部は、前記ノズル開口部が形成されるノズルプレートと平行に延び、前記流路は前記アクチュエータシステムにさらされる圧力室を含む、請求項１−４のうちの何れか１項に記載の液滴吐出装置。
【請求項６】
前記圧力室は、屈曲式アクチュエータが設けられている柔軟性部材により区切られている、請求項５に記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路と、流路の壁に形成されたノズル開口部と、流路を流れる流体を循環させる循環システムと、流路内の液体に圧力波を形成するアクチュエータシステムとを有する液滴吐出装置に関連する。
【背景技術】
【０００２】
液滴吐出装置は、例えば、記録媒体にインクの滴を吐出するためにインクジェットプリンタ等において使用されている。アクチュエータシステムは例えば圧電性作動装置又はピエゾアクチュエータ等を有し、付勢されると、伸張工程(伸張ストローク)の後に圧縮行程(圧縮ストローク)を実行し、インクに音響圧力波を形成する。圧力波は、流路の中を伝播し、ノズル開口部に至り、インクの滴がノズル開口部から吐出される。
【０００３】
US2010/328403(A2)(特許文献1)はそのようなタイプの液滴吐出装置を開示している。この装置はいわゆるスルーフロー装置(through-flow  device)として形成され、循環システムが、流路の中で液体の一定の流れを維持する。これは、流路が液体により清掃される等の点で有用であり、液体に含まれている可能性のある如何なる汚染物質も、流路の壁やノズル開口部にたまってしまうことを防止し、かつ液体流れにより除去する。また、液体の流れは空気の泡を除去することも促し、気泡は圧力波の生成及び滴の吐出を阻害してしまう。更に、液体を一定に流すことは、ノズル開口部が乾いてしまう危険性も減らす。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願第2010/328403号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の課題は、改善されたフローパターンを有するスルーフロー液滴吐出装置等を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
実施の形態による液滴吐出装置は、
流路と、前記流路の壁に形成されたノズル開口部と、前記流路を流れる流体を循環させる循環システムと、前記流路内の前記液体に圧力波を形成するアクチュエータシステムとを有する液滴吐出装置であって、前記流路の中で前記ノズル開口部に対向する位置に設けられた障害物要素が、前記ノズル開口部に向かって突出している、液滴吐出装置である。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の実施形態による液滴吐出装置の概略断面図。
【図２】本発明の別の実施形態による装置を示す図。
【図３】本発明の別の実施形態による液滴吐出装置の拡大断面図。
【図４】本発明の別の実施形態による液滴吐出装置の拡大断面図。
【図５】マルチノズル液滴吐出装置の構造を説明するための平面図。
【図６】本発明の別の実施形態による装置の平面図。
【図７】本発明の別の実施形態による装置の断面図。
【図８】液滴吐出装置を製造する工程を説明するための図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
＜実施の形態の概要＞
本発明によれば、障害物要素が、流路の中で、ノズル開口部に対向する位置に設けられ、ノズル開口部に向かって突出している。ノズル開口部に対向する位置は、障害物要素が、ノズル開口部に対向又は直面するように決定され、障害物要素は少なくともノズル開口部の幅にわたって流路を横切るように延び、障害物要素は流路の幅にわたって実質的に延びていることが好ましい。
【０００９】
流路を通じて流れる液体は障害物要素の周りを流れるように強制され、この障害物要素は少なくともノズル開口部の幅にわたってノズル開口部に向かって突出しているので、ノズル開口部に沿って流れる液体の流速は、ノズル開口部の近傍で増加する。本願で使用されているように、障害物要素は流路の幅にわって横切るように実質的に延びているので、ノズル開口部の近傍で、流体の流れるパターンが強制的にノズル開口部に主に沿うように、障害物要素は流路の中で流体を方向付ける。これは、汚染物質及び気泡を、特にノズル開口部近辺(汚染物質及び気泡が特にたまりやすい場所)において、除去できる効果を改善する。ノズル開口部に沿う流体の流れを高速化することは、ノズル開口部が乾燥してしまうおそれも減らす。特に、アクチュエータシステムが流路内に圧力波を形成せず如何なる液滴もノズル開口部から吐出されない場合において、例えば液滴吐出装置の待ち受け期間において、ノズル開口部に沿った液体の流れは有用である。
【００１０】
本発明に関する更に具体的な選択的な特徴のうちのいくつかは出願時の従属請求項に示されている。
【００１１】
ノズル開口部は流路から分岐したじょうご(funnel)又はノズル経路の端部に設けられてもよい。じょうごは、上戸、漏斗等と言及されてもよい。障害物要素は、ノズル開口部に向かって突出し、ノズル経路又はじょうごを通じて延びてもよい。この実施形態において、障害物要素である突出部は、じょうご又はノズル経路を介した液体の流れを促すために、ノズル経路の幅にわたって流路のかなりの部分横切る(実質的に横切る)。従って、じょうごまたはノズル経路が流路から分岐した地点とノズル開口部との間が比較的離れていたとしても、ノズル開口部の近辺で高速に流れる流体が得られる。このような形態は、ノズル開口部及びじょうご又はノズル経路を比較的厚い剛直なノズルプレート(圧力波を液体に生じさせる場合には従来使用されていない)で形成できる等の観点から有利である。特に有利な形態では、ノズルプレートはアクチュエータが液体に作用する圧力室(pressure  chamber)、又はアクチュエータを収容するアクチュエータ室(actuator  chamber)を仕切ってもよい。
【００１２】
ノズル開口部に向かって収束又は集束しているじょうごは、装置が点火した(fired)場合に気泡がノズル開口に吸い込まれてしまう危険性を減らす等の利点を有する。
【００１３】
以下、本発明に関する好ましい実施の形態が添付図面を考慮しながら説明される。
【００１４】
＜実施の形態の詳細な説明＞
図1はマイクロエレクトロメカニカルシステム(MEMS)により形成された液滴吐出装置10を示す。装置はインク分配ウェハ14及びノズルプレート16の間に挟まれた薄膜ウェハ12を有する。
【００１５】
インク分配ウェハ14はインク流入溝18及びインク流出溝20を有し、インク流入溝及びインク流出溝は薄膜ウェハ12の表面に沿って延びる流路22を通じて互いにつながっている。薄膜ウェハ12は、流路22の中間部分において、拡張された圧力室24を形成するように窪んでいる。圧力室24の底部は、薄膜ウェハ12の薄い部分により形成され、その薄い部分は柔軟性のある膜26を形成する。平面状又はシート状のアクチュエータ28(例えば、曲げモード圧電PZTアクチュエータ(bending  mode  piezoelectric  PZT  actuator))は、膜26の底部表面に設けられ、ノズルプレート16の凹部30の中に収容されている。
【００１６】
圧力室24及びインク流出溝20の間の位置において、薄膜ウェハ12及びノズルプレート16はノズル経路32により穿孔され、ノズル経路32は、流路22から分岐しかつノズルプレート16の底部表面にあるノズル開口部34に向かって収束している。
【００１７】
インク放出経路36は流出溝20を液だめ38に接続し、液だめ38は、流出溝20から放出されたインクが収集される。インク循環システムは、復帰経路40と、液だめ38からインク貯蔵部44にインクを戻すポンプ42とを有し、インクはインク貯蔵部44から供給ライン46を介してインク流入溝18に流れる。このようにして、流路22を介したインクの一定の流れが維持される。別の実施形態では、液だめ38は省略されてもよい。そのような実施形態では、インクは流出溝20からポンプ42によりインク貯蔵部44に直接的に循環させられてもよい。
【００１８】
図示の実施形態において、インク分配ウェハ14は障害物要素48を有し、障害物要素48は、流路22の上部壁からノズル経路32に向けて下方に及びノズル開口部34に向かって突出している。すなわち、流路22を介して流れるインクは障害物要素48の周りを流れるように強制され、障害物要素48の底端部におけるノズル開口部34の直近において、インクの流れが形成される。その結果、ノズル経路32及び/又はノズル開口部34の中に捕らえられた如何なる汚染物質も気泡も、ノズル開口部の近辺から効果的に除去される。
【００１９】
アクチュエータ28が点火していない限り、インクの表面張力は、ノズル開口部34からインクが漏洩してしまうことを防ぐ程度に充分である。或る程度の量が液体がノズル開口部から蒸発するかもしれないが、この開口部近辺における液体の速い流れは、ノズル開口部34において屈曲液面又はメニスカス(meniscus)を形成する液体が相対的に早く入れ替わり、インクがノズル開口部で乾燥しないようにすることを保証する。
【００２０】
インクの滴が形成されるべき場合、アクチュエータ28は活性化され、これにより膜26が柔軟に曲がるようになる。第1の工程(ストローク)において、インクは流入溝18から圧力室24に吸い込まれる(そして、おそらくは、多数の設計事項に依存して、或る程度の過剰なインクが流出溝20から生じる)。第2の工程(ストローク)において、圧力室24内にあるインクに圧力がかけられ、圧力波が流路22及びノズル経路32を介してノズル開口部34に伝播し、インクの滴が吐出される。図示の形態では、障害物要素48は、音圧波をノズル開口部の方に仕向けることに寄与し、おそらくは流出溝20に向かう音響エネルギの散逸を減らす。
【００２１】
図2は図1に示す実施形態とは異なる実施形態を示し、図2に示す例の場合、ノズルプレート16の厚みが増えている。この例の場合、ノズルプレート16はより強い剛直性を有し、アクチュエータ28及び膜26による屈曲変形や、圧力室24におけるインクの圧力等に起因する力に対する優れた耐性を示す。障害物要素48の長さは、ノズル開口部34の近辺におけるインクの速い流速を保証できるように、増やされてもよい(又は短くされてもよい)。
【００２２】
図3はノズル経路32、ノズル開口部34及び障害物要素48に関する拡大断面図を示す。ノズル経路32の底部はじょうご50として形成され、じょうご50は、直線状に延びるノズル開口部34に向かって収束していることが分かる。この形態は、液滴が吐出された後に液圧(液圧力)が減少した場合に、気泡がノズル開口部34を通じて吸い込まれてしまうことを回避することを促す。
【００２３】
想像線又はファントムライン52は、流路22及びノズル経路32内の或る部分を示し、この部分において、流路22を連続的に流れるインクの流速が著しく速くなる。障害物要素48が存在しているおかげで、流速が増加する領域はノズル開口部34に非常に近くなっていることが分かる。
【００２４】
図4は変形例を示し、ノズル経路32の底部が台形の断面形状54を有し、小さなじょうご56は、台形の底部壁に形成されかつノズル経路32を直線的なノズル開口部34に接続している。この実施形態は、ノズル開口部34と小さなじょうご56とが占める合計体積が、吐出される一滴のインクの体積と少なくとも同程度の大きさである限り、気泡がノズル開口部34に吸い込まれてしまうことを防止できるようにする。
【００２５】
図5はマルチノズル液滴吐出装置のノズルプレートの一部分に関する平面図を示し、隣接する3つのノズル開口部34が示されている。ノズル経路32の構造は図4に示すものに対応する。図5に示すノズル開口部34のうち最上位の(1番目の)ノズル開口部34に関し、小さなじょうご56と、ノズル経路32の底部にあるテーパが付された(又は先細りの)壁面とが示されている。障害物要素48の輪郭は想像線で示されており、障害物要素48はノズル経路32を横切るようにノズル経路32の幅に及ぶ程度に長く延びている様子が示されている。その結果、液の流れ52(スルーフローパターン)(図4に示されている)はノズル経路32の幅にわたっている。
【００２６】
図5の下側の2つのノズル開口部34に関し、ノズルプレート16は断面図で示されており、部分的なプレート(又は面)は、圧力室の下部における空洞30(図1)を横切っている。図5おいて、流路22内のインクが流れる方向は右から左であることが理解されるであろう。
【００２７】
障害物要素48はインク分配ウェハ14の一部分であるとして図示及び説明されているが、一実施形態では、障害物要素48はノズルプレート16の一部分であってもよい。
【００２８】
図6及び図7は別の実施形態を示し、流路22が、下向きにテーパが付された(又は先細りの)壁と共に延びる溝として形成されている。小さなじょうご56及びノズル開口部34は、その溝の底部壁の中心部又は中央部に形成されている。障害物要素48は、流路22を形成する溝の中を横切るように配置されている。流路の対向する端部は、カバープレート60に形成されるフィードスルー(又は貫通孔)58を介して、圧力室24及び流出溝20にそれぞれ接続される。図7に示されているように、障害物要素48はカバープレート60の底面において下方に向かう突出部により形成され、障害物要素48は流路22の幅にわたって流路22を横切るように延びている。その結果、障害物要素48は、流路22内の得kちあいの流れを、小さなじょうご56及びノズル開口部34を含む領域に向けて、小さなじょうご56の幅より広い幅で方向付ける。
【００２９】
図8は図4ないし図7に素雌ノズル構造を製造する方法を説明するための概略図を示す。図8(A)に示されているように、第1のステップにおいて、後にノズル開口部34を形成するための穴(ブラインドホール)が、ノズルプレーン16の底面にエッチングされ、保護層62が形成され、ノズル開口部34の円周壁を保護する。
【００３０】
次に、図8(B)に示されているように、後に小さなじょうご56を形成するための空洞が、異方性ウェットエッチングによりノズルプレート16内で形成される。エッチングは、ノズル開口部34を形成することになるブラインドホールの内側端部から始まり、ノズルプレート16を形成する単結晶ウェハの好ましい結晶面に沿って進行する。ウェハの結晶配向は、、ダイヤモンド状の空洞が得られるように選択される。空洞の表面は、保護層を形成するように酸化される。
【００３１】
次に、図8(C)に示されているように、異方性ウェットエッチング(例えば、KOHエッチング)がノズルプレート16の上部表面から適用され、台形的な形状のノズル経路32(図4及び図5)又は流路22(図6及び図7)を形成する。
【００３２】
代替的に、図8(D)に示されているように、ドライエッチングプロセスが行われ、四角形の断面形状を有する凹部64を形成してもよい。
【００３３】
図8に示すプロセスは、じょうご56を形成するためのウェットエッチプロセスがノズル開口部34から始まるので、じょうごの中心がノズル開口部の中心に正確に合い、ノズルの優れた液滴吐出特性をもたらす等の点で有利である。ノズル開口部34及び小さなじょうご56の位置(又は面積)は凹部64(すなわち、流路32、22)に対して極めて小さいので、この凹部はウェハの上面から効果的にエッチングすることも可能である。
【００３４】
以上、本発明の詳細な実施形態が開示されたが、開示される実施形態は様々な形態で実施することが可能な本発明の単なる一例に過ぎないことが、理解されるべきである。従って、本願により詳細に開示された具体的な構造及び機能は、限定として解釈されるべきではなく、特許請求の範囲に属する単なる一例として、何らかの適切な具体的な構造に本発明を様々に使用する際に当業者に教示される代表的な一例として解釈されるべきである。特に、出願時の個々の従属請求項で規定及び説明されている特徴は、組み合わせて使用されてもよく、そのような請求項の任意の有利な組み合わせに関する内容が本願により開示されている。
【００３５】
本願において使用されている言葉、用語、語句等は限定であるようには意図されておらず、本発明の理解を促す説明を提供するように使用されている。本願で使用されているような「ある」又は「或る」は、1つ又は1つより多い複数個の場合に使用されてよい。本願で使用されている複数に関する用語は、2つ又は2つより多い数に関して規定される。本願で使用されている「別の」に関する用語は、少なくとも2番目又はそれ以降として規定されてもよい。本願で使用されているような「含む」及び/又は「有する」を含む用語は、形成することに関して規定される(限定的でなく、開放的な意味で使用される)。本願で使用されているように、「結合」という用語は、必ずしも直接的である必要はなく、つながっていることとして規定される。
【００３６】
説明されている本願発明は、様々な方法で修正してよいことが明らかであろう。そのような修正は本発明の精神及び範囲から逸脱するものではなく、そのような修正のすべてが添付の特許請求の範囲に包含されるように意図されていることは当業者にとって明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８（Ａ）】
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【図８（Ｂ）】
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【図８（Ｃ）】
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【図８（Ｄ）】
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【国際調査報告】
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