(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を媒体に供給するように構成されるシステムであって、
流体の液滴を前記媒体にそれぞれの経路に沿って供給するように構成される１つ又は複数の液滴の供給源と、
加圧空気の供給源と、
前記加圧空気の供給源から前記加圧空気を受け入れるように前記加圧空気の供給源に結合されるバルブであって、閉鎖チャンバからの流体の流れを通過可能とするように構成される１つ又は複数のオリフィスを有するオリフィスプレートと、前記１つ又は複数のオリフィスに対して前記オリフィスプレートに接触するように位置決めされたそれぞれの面を有する１つ又は複数の圧電素子であって、各圧電素子が、それを前記オリフィスプレートに当接させることによって、前記オリフィスのうち関連するものを通過する前記加圧空気の流れを防ぐようになっている第１の状態、及び前記それぞれの面を前記オリフィスプレートから離すことによって、前記オリフィスのうち関連するものを通過する前記加圧空気の流れを許容するようになっている第２の状態を有し、かつ前記１つ又は複数のオリフィスを前記それぞれの経路と位置合わせするように構成される圧電素子と、流体を前記閉鎖チャンバに供給するように構成される流体ポートを有し、かつ前記オリフィスプレートに対して前記圧電素子を挟んで反対側に位置する端壁と、前記オリフィスプレート及び前記端壁を連結するように延びる支持体とを含むバルブと、
前記１つ又は複数の圧電素子に対して選択的に第１の電圧を負荷することによって前記圧電素子に前記第１の状態をもたらし、かつ前記１つ又は複数の圧電素子に対して選択的に第２の電圧を負荷することによって前記１つ又は複数の圧電素子に前記第２の状態をもたらすように構成される制御装置と、
前記第２の電圧が前記１つ又は複数の圧電素子に負荷された場合に、前記加圧空気によって１つ又は複数の経路から外れて偏向された液滴を収集するように配置される液滴コレクタと
を備え、
前記１つ又は複数の圧電素子のそれぞれが、前記支持体に固定されると共に前記面から離れた部分を有し、前記圧電素子の残りの部分が、前記支持体上を摺動するように前記第１及び第２の状態間にて直線的に移動することによって、前記圧電素子の面が前記第１及び第２の状態間にて直線的に移動するように構成されている、システム。
【請求項２】
前記それぞれの経路が、前記オリフィスからの空気ジェットを重複させないような距離にて前記オリフィスから離れている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記システムがインクジェットプリンタとなっており、
前記インクジェットプリンタが、
インク液滴を供給する前記複数の液滴の供給源と、
前記加圧空気の供給源に結合された前記１つ又は複数のバルブであって、各バルブが、前記閉鎖チャンバからの流体の流れを通過可能とするように構成される前記１つ又は複数のオリフィスを有する前記オリフィスプレートであって、前記１つ又は複数のオリフィスがそれぞれの経路を有する、前記オリフィスプレートと、前記１つ又は複数のオリフィスに対して前記オリフィスプレートと接触するように位置決めされたそれぞれの前記面を有する前記１つ又は複数の圧電素子であって、各圧電素子が、それを前記プレートと当接させることによって、前記オリフィスのうち関連するものを通過する前記加圧空気の流れを防ぐようになっている前記第１の状態、及び前記面を前記プレートから離すことによって、前記オリフィスのうち関連するものを通過する前記加圧空気の流れを許容するようになっている前記第２の状態を有する、前記１つ又は複数の圧電素子と、前記端壁と、前記支持体とを含むバルブと
を備えている、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
請求項１に記載のシステムのバルブを、前記オリフィスプレートにおける前記１つ又は複数のオリフィスを通過する流体の流れを調節するように制御する方法であって、
前記１つ又は複数のオリフィスに対して前記オリフィスプレートと当接するように位置決めされたそれぞれの前記面を有する前記１つ又は複数の圧電素子を位置決めするステップであって、各圧電素子が、それを前記オリフィスプレートと当接させることによって前記オリフィスのうち関連するものを通過する流れを防ぐようになっている前記第１の状態、及び前記面を前記オリフィスプレートから離すことによって前記オリフィスのうち関連するものを通過する流れを許容するようになっている前記第２の状態を有する、位置決めするステップと、
前記圧電素子に選択的に前記第１の電圧を負荷することによって前記圧電素子に前記第１の状態をもたらし、それによって、前記オリフィスのうちそれに関連するものを通過する流れを遮り、かつ前記圧電素子に選択的に前記第２の電圧を負荷することによって前記圧電素子に前記第２の状態をもたらし、それによって、前記オリフィスを通過する流体の流れを許容するステップと
を含む方法。
【請求項５】
前記オリフィスプレート及び前記支持体が、前記閉鎖チャンバの壁となっている、請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記複数の圧電素子と、
それぞれ前記複数の圧電素子に対応する前記オリフィスプレートにおける前記複数のオリフィスと
を備えている請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記オリフィスプレートに、１ミリメートルあたり１０個から２０個までのオリフィスが設けられている、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記オリフィスが、１０マイクロメートルから５０マイクロメートルまでの範囲の直径を有している、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記１つ又は複数の圧電素子のそれぞれが、前記オリフィスプレートにて４０マイクロメートルから８０マイクロメートルまでの範囲内の幅を有している、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記１つ又は複数の圧電素子がマグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛から成る、請求項１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
バルブを適用するにあたっては、バルブを小さく、かつ高周波数にて作動可能とすることが要求される。このような適用の一例としては、流体分配器、例えば、インクジェットプリンタ用の空気バルブ配列構造が挙げられる。
【０００２】
本開示における様々な特徴及び利点は、後続の詳細な説明を、本開示の特徴を例としてのみ共に示した添付の図面と併用することによって明白になるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１Ａ】バルブの一例を示す概略図である。
【図１Ｂ】図１Ａのバルブのオリフィスプレートを示す概略端面図である。
【図２Ａ】閉じた状態の図１のバルブを示す概略断面図である。
【図２Ｂ】バルブの開放状態を示す部分図である。
【図３Ａ】図２のバルブの開放状態を含むように流体分配器を示す概略図である。
【図３Ｂ】バルブを閉鎖状態にした流体分配器を示す図である。
【図４Ａ】オリフィスプレート及び流体液滴の相対位置を示す概略図である。
【図４Ｂ】オリフィスプレート及び流体液滴の相対位置を示す概略図である。
【図５】滴の偏向とオリフィスプレート及び流体液滴の相対位置との関係を示すグラフである。
【図６】オリフィスプレートからの距離に関連した空気ジェットの幅の変化を示すグラフである。
【図７】オリフィスプレートによって生成された空気ジェットを示す概略図である。
【図８】オリフィスプレートからの距離に関連した滴の変位の変化を示すグラフである。
【図９】流体分配装置を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
図１Ａを参照すると、バルブは、オリフィスプレート１と、支持体６によって支持された複数の細長い圧電素子２とを備えている。オリフィスプレート１は、各圧電素子２あたり１つのオリフィス４を対応させるように複数のオリフィス４を画定し、流体は、このオリフィス４を通過できるようになっている。以下に説明する例では、流体はガスとなっている。各圧電素子２は、電圧を電極に負荷した場合に素子２の長さをオリフィスプレート１に対して垂直な方向に変化させるように、既知の方法によって素子の極性に相対して配置された電極（図示せず）を有している。一つの状態においては、素子２は、オリフィスプレート１と当接し、これに関連付けられた（例えば、符号４Ａによって示す）オリフィスを遮断し、別の状態では、素子は、オリフィスプレート１から離れ、その結果、関連付けられた（例えば、符号４Ｂによって示す）オリフィスが、遮断されないようになっている。
【０００５】
以下に説明するように、このようなバルブは、非常に小さな寸法を有することができ、例えば、１ｍｍあたり１０個から２０個以上の圧電素子を設けることができる。バルブは、高周波数にて作動することができ、いくつかの例においては、２５０ｋＨｚにて作動する。ＰＭＮ−ＰＴ（マグネシウムニオブ酸鉛−チタン酸鉛）圧電素子は、６０Ｖの電圧を負荷された状態で、４マイクロ秒後に４マイクロメートルの長さを変化させることができるようになっている。図１の例においては、複数の圧電素子及びオリフィスを設けているが、バルブには、１つの素子及び１つのオリフィスだけを設けてもよいことが理解されよう。さらに、図１の例においては、簡略化のため、７個の圧電素子２及びオリフィス１のみが示されているが、バルブには、任意の他の個数にて素子及びオリフィスを設けることができる。例えば、バルブには、数百個の素子及びオリフィスを設けてもよい。バルブの一例としては、１ｍｍあたり１０個から２０個のオリフィスを設けることができる。オリフィスは、１０マイクロメートルから５０マイクロメートルの直径を有することができる。一例として、オリフィスは、４０マイクロメートルの直径を有してもよい。各圧電素子の幅Ｗは、４０マイクロメートルから８０マイクロメートルとすることができる。
【０００６】
図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、バルブの例においては、支持体６によって画定された閉鎖チャンバ１０と、オリフィスプレート１と、フード８と、オリフィスプレートの反対側の端壁１６と、オリフィスプレート及び端壁の間を延びる側端壁（横方向の端壁）（図示せず）とが設けられている。オリフィスプレート１、フード８、及び支持体６は、例えば、シリコン、ステンレス鋼、ベリリウム銅、又は他の金属等のような任意の適切な固い材料から成るものであってもよい。バルブの一例では、オリフィスプレートはシリコンから成ることができる。支持体６は、チャンバ１０内にて少なくとも１つの圧電素子２、この例では、複数の圧電素子２を支持している。各素子２は、オリフィスプレート１から離れた一方の端部にて支持体に固定され、素子の残りの部分は、自由に支持体６上を摺動するように移動して、プレート１内のオリフィスを遮断するか、又は遮断を解除する。図２Ａ及び図２Ｂの例においては、圧電素子は、接着剤によって支持体に固定されている。この例において、チャンバは、加圧されたガス、この例では、空気を供給源（図示せず）からチャンバ１０に供給するように構成される入口ポート１４を有している。作動電圧は、アクチュエータ５０によって各素子２に負荷されるようになっており、アクチュエータ５０は、導体５４によって圧電素子２の電極に結合されるようになっている。作動電圧の第１の状態では、圧電素子２は、オリフィスプレート１と当接し、かつそれに関連するオリフィスを遮断しており、このことは図２Ａに示されている。作動電圧の第２の状態では、圧電素子２は、オリフィスプレート１から離れており、加圧された空気は、図２Ｂに示すように、空気ジェットとしてオリフィスを通ってチャンバを出るようになっている。
【０００７】
アクチュエータ５０は、バルブの作動を制御する、例えば、コンピュータ等の制御デバイスからの制御信号５２に応答することができるようになっている。
【０００８】
図３Ａ及び図３Ｂを参照すると、バルブは、この例では、インクジェットプリンタとなっている流体噴射システムにて用いることができる。図３Ａ及び図３Ｂにおいては、簡略化のため、プリントヘッド４０における１つの圧電素子２及び１つのオリフィス４に関連付けられた１つのセクションが概略的に示されている。プリントヘッドは、１つ又は複数のバルブを備えている。
【０００９】
図３Ａ及び図３Ｂに示されたプリントヘッド４０のセクションは、圧力下でインクをノズル６０に供給するように構成されるインク供給源５６を備えている。供給源５６及びノズル６０は、圧電振動装置として構成することができる振動装置５８によって振動を付与されて、印刷媒体３６に向かって噴出されるインク液滴６２を作り出すようになっている。インク液滴は、印刷媒体３６に到達する前に、液滴経路に沿って噴出されてバルブを通り過ぎる。オリフィス４が、図３Ａに示すように遮断されていない場合、空気ジェット４８は、１つ又は複数の液滴を流路（gutter）６６内に迂回させて吸引チューブ６８を介してインクリザーバ（図９の３８）内に再循環させることによって戻す。オリフィスが、図３Ｂに示すように遮断された場合、液滴は迂回せずに印刷媒体に到達する。印刷媒体及びプリントヘッドは互いに対して移動し、液滴は、データ源の制御下で印刷媒体に到達させられて、又は流路に迂回させられて、媒体３６上に望ましい印を印刷することとなり、このことは図９を参照して説明され得る。
【００１０】
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、プリントヘッド４０の例（図３Ａを参照）においては、複数のノズル６０と、同じ複数の（a like plurality of）オリフィス４及び圧電素子２とが設けられている。一例として、各ノズルは、１３５ｋＨｚの速度にて約１４ピコリットルの体積を有する流体の液滴を生成するように配置されている。オリフィスプレート内のオリフィスは、約１８マイクロメートルの直径を有しており、３３８／２＝１６９マイクロメートル離れている。空気が、約０．４５バールの圧力にてチャンバ１０（図３Ａを参照）に供給されて、オリフィス４が開放される場合に約１．５バールの空気ジェットを生成する。図４Ａにおいては、液滴に対して位置合わせされた空気ジェット４８が示されており、図４Ｂにおいては、液滴の経路の方向におけるＸ方向に３３８マイクロメートル液滴からズレた空気ジェット４８が示されている。オリフィスプレートは、液滴経路から間隔Ｙ離れている。
【００１１】
図５は、Ｙにおける２つの値である０．２ｍｍ及び０．４ｍｍに対する方向Ｘを有する液滴偏向の角度の変化を示す例としてのグラフとなっている。図７は、オリフィスプレートからの距離に関連した空気ジェットの幅を示す例としてのグラフである。図６においては、図５に適合するように、０．１ｍｍから０．２ｍｍまでの値Ｙの作用範囲が示されている。図７においては、オリフィスプレートから０．２ｍｍの位置にて、空気ジェット４８が重複せず、隣接するオリフィス間のクロストークを最小限に抑えることが示されている。図８は、液滴プレートから１ｍｍの位置において液滴偏向のオリフィスから液滴までの距離Ｙに関連した変化を示す例としてのグラフである。これは、Ｙが０．１ｍｍから０．２ｍｍまでである作用範囲を超えると、偏向はほぼ線形（linearly、直線的）に変化することを示している。
【００１２】
一つの例として、バルブ内のオリフィス及び圧電素子の数は、設計者によって選択可能である。それぞれが１つ又は複数のオリフィス及び圧電素子を備えるようになっている複数のバルブの配列を、１つのプリントヘッド内にて用いることができる。
【００１３】
オリフィス及び圧電素子の寸法及び間隔は、設計者によって選択可能である。実際、寸法及び間隔は、圧電素子を作製するために選択された方法によって限定され得る。一つの例として、素子は、約１０マイクロメートルの隣接する素子間にて最小限の間隔を提供する圧電性結晶を機械的に切断することによって作製することができる。図１及び図２を参照すると、圧電素子の例示的な寸法は、０．０８ｍｍ未満の直径のオリフィス４に対して、長さ５ｍｍ（オリフィスプレート１に対して垂直なＬ）、厚さ０．１ｍｍ（Ｄ）、及び幅０．０８ｍｍ（オリフィスプレートに対して平行なＷ）となっている。このような寸法は、１ｍｍあたり１０個の圧電素子及びオリフィスを用いて１インチあたり約２５０ドット（ｄｐｉ）の解像度にて印刷することに適している。素子を作製するための他の方法を用いて、より小さな寸法を達成することもできる。
【００１４】
図９は、本明細書にて上述のように説明したバルブを用いるインクジェット印刷システム２０の一例を概略的に示している。インクジェット印刷システム２０は、流体噴射システムの一つの例を構成し、この流体噴射システムは、インクジェットプリントヘッド組立体２２等の流体噴射デバイスと、インク供給用組立体２４等の流体供給用組立体とを含む。インクジェット印刷システム２０はまた、装着用組立体２６と、媒体輸送用組立体２８と、電子制御装置３０とを含んでいる。少なくとも１つの電源３２が、インクジェット印刷システム２０の様々な電気的な構成要素に電力を供給するようになっている。
【００１５】
一つの例では、インクジェットプリントヘッド組立体２２は、上記で説明したような１つ又は複数のプリントヘッド４０を含み、このプリントヘッド４０は、印刷媒体３６上への印刷を行うように、インクの液滴を複数のノズル６０を通して印刷媒体３６に向かって噴射するようになっている。
【００１６】
印刷媒体３６は、紙、カードストック、スライド、マイラー（Ｍｙｌａｒ）、布等のような任意の形式の適切なシート材料であるとよい。
【００１７】
通常、ノズル６０は、１つ又は複数の列又は配列に配置され、それによって、インクジェットプリントヘッド組立体２２及び印刷媒体３６が互いに対して移動される場合に、適切に順序付けられるようにノズル６０からインクを噴射することによって、文字、記号、及び／又は他のグラフィック若しくは画像が印刷媒体３６上に印刷されることとなる。以下の説明においては、プリントヘッド組立体２２からのインクの噴射を参照するが、透明な流体を含むような他の液体、流体、又は流動可能な材料を、プリントヘッド組立体２２から噴射してもよいことが理解されるであろう。
【００１８】
流体供給用組立体３０の１つの例としてのインク供給用組立体２４は、インクをプリントヘッド組立体２２に供給し、インクを保存するためのリザーバ３８を含んでいる。そのため、インクは、リザーバ３８からインクジェットプリントヘッド組立体２２まで流れるようになっている。インク供給用組立体２４及びインクジェットプリントヘッド組立体２２は、上記で説明したように再循環式インク送出システムを形成する。図３Ａ及び図３Ｂに示すような再循環式インク送出システムにおいては、プリントヘッド組立体２２に供給されたインクの一部分のみが、印刷中に消費される。印刷中に消費されないインクは、インク供給用組立体２４に戻される。
【００１９】
一つの例では、インクジェットプリントヘッド組立体２２及びインク供給用組立体２４は、インクジェットカートリッジ又はペン内に一緒に収容される。インクジェットカートリッジ又はペンは、流体噴射デバイスの一つの例である。別の例として、インク供給用組立体２４は、インクジェットプリントヘッド組立体２２とは別体となっており、供給チューブ（図示せず）等のインターフェース連結を通じてインクをインクジェットプリントヘッド組立体２２に供給する。いずれの例においても、インク供給用組立体２４のリザーバ３８は、取り外され、取り換えられ、及び／又は再充填することができる。一つの例においては、インクジェットプリントヘッド組立体２２及びインク供給用組立体２４，１５が、インクジェットカートリッジ内にて一緒に収容されている場合、リザーバ３８は、カートリッジ内に位置するローカルリザーバを含んでいてもよく、また、カートリッジから別個に位置するより大きなリザーバを含んでもよい。そのため、別個のより大きなリザーバは、ローカルリザーバ、例えば、図３の供給源５６を再充填する働きをする。従って、別個のより大きなリザーバ及び／又はローカルリザーバは、取り外され、取り換えられ、及び／又は再充填され得る。
【００２０】
装着用組立体２６は、インクジェットプリントヘッド組立体２２を媒体輸送用組立体２８に対して位置決めし、媒体輸送用組立体２８は、印刷媒体３６をインクジェットプリントヘッド組立体２２に対して位置決めする。こうして、印刷ゾーン３７が、インクジェットプリントヘッド組立体２２と印刷媒体３６との間の領域内にてノズル６０に隣接するように画定される。
【００２１】
一つの例では、インクジェットプリントヘッド組立体２２は、走査タイプのプリントヘッド組立体となっている。そのため、装着用組立体２６は、インクジェットプリントヘッド組立体２２を媒体輸送用組立体２８に対して移動させて印刷媒体３６を走査するように構成されるカートリッジ（図示せず）を含んでいる。組立体２６は、例えば、印刷媒体の移動方向に延びる複数のオリフィス４及び圧電素子２を有するプリントヘッド４０を備えている。カートリッジは、プリントヘッド４０を印刷媒体上で走査して、それと同時に媒体上に複数のラインを印刷する。
【００２２】
別の例としては、インクジェットプリントヘッド組立体２２は、非走査タイプのプリントヘッド組立体とすることができる。そのため、装着用組立体２６は、インクジェットプリントヘッド組立体２２を、媒体輸送用組立体２８に対して規定された位置に固定する。こうして、媒体輸送用組立体２８は、印刷媒体３６をインクジェットプリントヘッド組立体２２に対して位置決めする。組立体は、印刷媒体の移動方向に対して垂直に延びるプリントヘッドの固定された配列を含んでいる。各プリントヘッドは、複数の液滴源、オリフィス４、及び印刷媒体３６上に同時に印刷するように配置された圧電素子２を備えている。
【００２３】
電子制御装置又はプリンタ制御装置３０は、通常、インクジェットプリントヘッド組立体２２、装着用組立体２６、及び媒体輸送用組立体２８と通信し、これらを制御するためのプロセッサ、ファームウェア、及び他の電子装置、又は任意のその組み合わせを含んでいる。電子制御装置３０は、コンピュータ等のホストシステムからデータ３９を受け取り、大抵は、データ３９を一時的に記憶するためのメモリを含んでいる。通常、データ３９は、電子的、赤外線、光学的、又は他の情報の移送経路に沿ってインクジェット印刷システム２０に送信される。データ３９は、例えば、印刷される文書及び／又はファイルを成す。そのため、データ３９は、インクジェット印刷システム２０の印刷ジョブを形成し、１つ又は複数の印刷ジョブ１０の命令及び／又は命令パラメータを含んでいる。
【００２４】
一つの例として、制御装置３０は、制御データ５２を図２Ａに示す作動デバイス５０に送信してバルブを作動させ、どの液滴６２が印刷媒体３６に到達するかを制御する。そのため、電子制御装置３０は、文字、記号、及び／又は他のグラフィック若しくは画像を印刷媒体３６上に形成するように噴射されるインク液滴のパターンを定める。１５の噴射されるインク液滴におけるパターンは、印刷ジョブ命令及び／又は命令パラメータによって決定される。
【００２５】
上述のように説明した例における圧電素子は、ＰＭＮ−ＰＴ圧電素子であるが、他の例として、他の圧電性材料、例えば、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることができる。ＰＭＮ−ＰＴは、より高い周波数作動を可能にし、現在入手可能な他の材料よりも小さな寸法を達成することを可能にする。上述のように説明した圧電素子は、矩形の断面を有するが、他の断面形状を有することができる。上述のように説明した圧電素子は、長さを線形（直線的）に変更してオリフィス４を遮断し、かつ遮断を解除する。他の例として、素子は、オリフィスを遮断し、また、遮断を解除するように曲がってもよいが、このような作動のモードは、長さを線形（直線的）に変更するものよりも遅くなる。
【００２６】
図１及び図２のバルブは、図３から図９までを参照して説明したような流体噴射システム以外の目的にて使用されてよい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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