JP5777706B2 - 循環ポンプを具備する流体噴射装置 - Google Patents

Description

インクジェットプリンター中の流体噴射装置は、ドロップ・オン・デマンドで流体液滴（インク滴）を噴射する。インクジェットプリンターは、一枚の紙などの印刷媒体に複数のノズルを通じてインク滴を噴射することによって画像を形成する。ノズルは、典型的には、１以上のアレイをなすように配列されて、プリントヘッドと印刷媒体が互いに対して移動するときにノズルからインク滴を適切な順番で吐出することによって、印刷媒体に文字や他の画像が印刷されるようになっている。ある特定の例では、サーマルインクジェットプリントヘッドは、発熱体に電流を流して、熱を発生させて、噴射チャンバ（firing chamber）内の流体のほんの一部を気化させることによってノズルから液滴を噴射する。別の例では、圧電インクジェットプリントヘッドは、圧電材料アクチュエーターを使用して、インク滴をノズルの外に押し出す圧力パルスを生成する。

インクジェットプリンターは、手頃なコストで高品質の印刷を提供するが、継続的に進歩していくためには、種々の開発課題を克服する必要がある。たとえば、印刷中にインクから放出される気泡は、インク流の閉塞、印刷品質の劣化、部分的には充填されているプリントカートリッジが空に見える、及びインク漏れなどの問題を引き起こす可能性がある。顔料ベースのインクを使用するときに生じる別の問題に顔料インク媒体分離（PIVS：pigment-ink vehicle separation）がある。PIVSは、典型的には、ノズル領域内のインクからの水分の蒸発、及び、水に対する顔料の比較的高い親和力に起因するノズル領域の近くのインク中の顔料濃度の減少の結果として起こる。顔料粒子はまた、保管されている間、すなわち、使用されていない間に、インク溶媒から分離して沈殿したりつぶれたりすることによって、噴射チャンバ及びプリントヘッド内のノズルへのインク流を妨げたり、完全に遮断してしまう可能性がある。水や溶媒の蒸発などの「デキャップ（decap）」に関連する他の要因は、上記PIVSなどの局所的なインク特性や粘性インクプラグ（viscous ink plug）の形成に影響を与えうる。デキャップは、インクジェットノズルを、蓋（キャップ）なしの状態で、吐出したインク滴に劣化が生じることなく周囲環境にさらすことができる時間である。デキャップは、液滴の飛しょう経路、速度、形状、及び色を変えるという効果を与える可能性があるが、それらの効果は全て、インクジェットプリンターの印刷品質に悪影響を及ぼしうる。

以下、本発明の例示的な実施形態を、添付の図面を参照して説明する。

１実施形態にしたがう、インクジェット印刷システムとして具現化された流体噴射装置を示す。 １実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリの断面図である。 １実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリの断面図である。 １実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリ内の再循環チャネルの部分トップダウンビューである。 １実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリ内の再循環チャネルの部分トップダウンビューである。 いくつかの実施形態にしたがう、一体化された流体アクチュエーターを有する再循環チャネルの側面図であり、該流体アクチュエーターは、ａ、ｂ、ｃ間で異なる動作段階にある。 １実施形態にしたがう、作動中の流体アクチュエーターをタイムマーカーと共に示しており、該流体アクチュエーターは、ａとｂとで異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、動作している流体アクチュエーターを、再循環チャネル及び液滴発生器を通る流体流れの方向と共に示しており、該流体アクチュエーターは、ａとｂとで異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、動作している流体アクチュエーターを、再循環チャネル及び液滴発生器を通る流体流れの方向と共に示しており、該流体アクチュエーターは、ａとｂとで異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、動作している流体アクチュエーターを、再循環チャネル及び液滴発生器を通る流体流れの方向と共に示しており、該流体アクチュエーターは、ａとｂとで異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、流体アクチュエーターの変位の持続時間に対応する持続時間を有する変位パルス波形の例を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、流体アクチュエーターの変位の持続時間に対応する持続時間を有する変位パルス波形の例を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、流体アクチュエーターの変位の持続時間に対応する持続時間を有する変位パルス波形の例を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、一体化あれた流体アクチュエーターを有する再循環チャネルの側面図であり、該流体アクチュエーターは、ａ、ｂ、ｃ間で異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、流体アクチュエーターの変位の持続時間に対応する持続時間を有する変位パルス波形の例を示しており、該流体アクチュエーターは、ａ、ｂ、ｃ間で異なる動作段階にある。 １実施形態にしたがう、チャネルの内側と外側の両方に向かってたわむ流体アクチュエーターの１例（図１５のａ）を、代表的な変位パルス波形（図１５のｂ、ｃ）と共に示す。

課題及び解決策（ソリューション）の概要
上記したように、インクジェット印刷システムの開発において解決されるべき種々の課題が依然として存在する。たとえば、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には、インクの閉塞及び／またはインクの目詰まりという問題が依然として存在している。インクの閉塞の１つの原因は、プリントヘッド中に気泡として蓄積する過度の空気である。インクがインク槽（インクリザーバ）に格納されているときなどにインクが空気にさらされると、余分な空気がインクに溶け込む。その後におけるプリントヘッドの噴射チャンバからのインク滴の吐出動作によって、インクから余分な空気が放出され、その放出された空気は気泡として蓄積される。それらの気泡は、噴射チャンバからプリントヘッドの他の領域に移動し、そこで、プリントヘッドへのインクの流れ及びプリントヘッド内のインクの流れを遮断する場合がある。

顔料ベースのインクも、プリントヘッドにおけるインクの閉鎖及び目詰まりを引き起こす場合がある。インクジェット印刷システムは、顔料ベースのインク及び染料ベースのインクを使用し、それら２つのタイプのインクには利点と欠点があるが、顔料ベースのインクが一般に好まれる。染料ベースのインクでは、染料粒子が液体中に溶けるので、インクは紙の中により深く染み込む傾向がある。このため、染料ベースのインクの方が効率が劣り、また、染料ベースのインクが画像のエッジでにじむことによって画像品質が低下する場合がある。これとは対照的に、顔料ベースのインクは、インク媒体（ink vehicle）と分散剤で覆われた高濃度の不溶性の顔料粒子からなり、該分散剤は、顔料粒子がインク媒体に懸濁した状態を維持できるようにしている。これは、顔料インクが、紙に染み込むのではなく、紙の表面により長くとどまるのを助ける。この結果、顔料インクは、染料インクよりも効率がよい。なぜなら、印刷された画像中に同じ色の強さ（または色の濃さ）を生じるのに、顔料インクの方がインクが少なくて済むからである。顔料インクはまた、染料インクよりも長持ちし、かつ、変色しにくい傾向がある。なぜなら、顔料インクは、水にあたっときに染料インクよりも汚れにくいからである。

一方、顔料ベースのインクの１つの欠点は、インクジェットペンのアウトオブボックス（out-of-box：箱から取り出した状態での）性能を劣化させる場合がある長期保管乃至他の極端な環境などの要因に起因してインクジェットプリントヘッド内でインク閉塞が生じる可能性があることである。インクジェットペンは、インク供給部に内部で結合されている一方の端部で固定されているプリントヘッドを有する。インク供給源を、ペン本体内に内蔵することができ、または、ペン以外のプリンタ部分に配置してペン本体を介してプリントヘッドに結合することができる。長期の保管期間にわたる大きな顔料粒子に対する重力作用及び／または分散剤の劣化によって、顔料の沈殿もしくはクラッシング（crashing）が生じうる。顔料粒子の沈殿もしくはクラッシングは、噴射チャンバへの及びプリントヘッド内のノズルへのインク流を妨げるかもしくは完全に遮断して、プリントヘッドによるアウトオブボックス性能を不十分なものにすると共にプリンタの画像品質を低下させてしまう可能性がある。インクからの水分及び溶媒の蒸発などの他の要因もまた、PIVS、及び／または、インク粘度の増加、及び、粘性プラグ形成（viscous plug formation）に寄与して、不使用期間後において、デキャップ性能を劣化させ、及び、即時印刷を妨げる可能性がある。

これらの問題に対するこれまでの解決策は、主として、プリントヘッドの使用前後にプリントヘッドを保守／整備すること、及び、インクを混合するための種々のタイプの外部ポンプを使用することを含んでいる。たとえば、典型的には、ノズルが乾燥したインクで目詰まりしないように、プリントヘッドを使用しないときには、プリントヘッドに蓋（キャップ）をする。また、ノズルを使用する前に、ノズルを通してインクを吐出させることによってノズルからインクが出るようにする（プライミングする）ことができる。これらの解決策には、保守／整備用の時間に起因して、すぐに印刷することができない、また、保守／整備中に消費されるインク量が多いために総所有コストが高くなるといった欠点がある。インクを混合するための外部ポンプを使用することは、一般的に、めんどうでコストが高く、かつ、インクジェットの問題を部分的に解決するだけである場合が多い。したがって、インクジェット印刷システムにおけるデキャップ性能、PIVS、空気及び粒子の集積、並びに、インクの閉塞及び／または目詰まりの他の原因は、依然として、全体的な印刷品質を低下させる可能性があり、及び、総所有コストもしくは製造コストもしくはこれらの両方を高くする可能性がある基本的な問題である。

本開示のいくつかの実施形態は、概して、流体再循環チャネル内において液滴発生器に対して流体循環を提供する圧電流体アクチュエーターや他のタイプの機械的に制御可能な流体アクチュエーターを使用することによって、インクジェット印刷システムにおけるインクの閉塞及び／または目詰まりを低減する。再循環チャネル内に非対称に配置された流体アクチュエーター、及び、コントローラは、圧縮性（すなわち正方向のポンプストローク時の）流体変位、及び、伸張性（すなわち逆方向のポンプストローク時の）流体変位を生じさせる正方向及び逆方向の作動ストローク（すなわちポンプストローク）の持続時間を制御することによって、流体が該再循環チャネル通って液滴発生器へと所定の方向に流れるようにすることが可能である。

１実施形態では、流体噴射装置は流体再循環チャネルを備える。（１つの）液滴発生器が該再循環チャネル内に配置される。流体スロットが、該再循環チャネルの各端部と流体連絡しており、圧電流体アクチュエーターが該再循環チャネル内に非対称に配置されており、これによって、流体が、該流体スロットから該再循環チャネル及び液滴発生器を通って流れて、該流体スロットに戻るようにしている。１実施形態では、該装置は、圧電流体アクチュエーターに、持続時間が制御された圧縮性流体変位及び伸張性流体変位を生じさせることによって、流体が流れる方向を制御するためのコントローラを備えている。

別の例示的な実施形態では、流体噴射装置から流体を噴射する方法は、液滴発生器を有する流体再循環チャネルにおいて、圧縮性流体変位及び伸張性流体変位の持続時間を制御することによって、流体が、流体スロットから、液滴発生器を通って流れて該流体スロットに戻るようにすることを含む。この方法は、流体が液滴発生器を通って流れているときに、流体をノズルを通して噴射することを含む。圧縮性流体変位及び伸張性流体変位の持続時間を制御することは、持続時間が第１の持続時間である圧縮性流体変位を生成することと、持続時間が該第１の持続時間とは異なる第２の持続時間である伸張性流体変位を生成することを含む。

別の例示的な実施形態では、流体噴射装置は、流体再循環チャネル内の液滴噴射器、該再循環チャネル及び該液滴噴射器を通る流体の流れの方向、流量（または流速）、及びタイミングを制御するための流体制御システムを備える。該流体制御システムは、該再循環チャネル内に組み込まれている流体アクチュエーターと、該流体アクチュエーターに、流体の流れを引き起こす、互いに時間的に非対称である圧縮性流体変位及び伸張性流体変位を該再循環チャネル内に生じさせるようにするための実行可能命令を有するコントローラとを備える。

例示的な実施形態
図１は、本開示の１実施形態による、インクジェット印刷システム１００として具現化されている流体噴射装置を示す。この実施形態では、流体噴射アセンブリは、流体液滴噴射プリントヘッド１１４として開示されている。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、マウンティングアセンブリ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の種々の電気部品に電力を供給する少なくとも１つの電源１１２を備えている。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に印刷するために、複数のオリフィスまたはノズル１１６を通してインク滴を印刷媒体１１８に向けて噴射する少なくとも１つの流体噴射アセンブリ１１４（プリントヘッド１１４）を備えている。印刷媒体１１８を、紙、カード用紙、透明フィルム（OHPフィルムなど）、マイラー（商標）などの任意のタイプの適切なシート状物質やロール材（rollmaterial）とすることができる。典型的には、ノズル１１６は、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しているときに、該ノズル１１６から適切な順番でインクを吐出させると、文字及び／または記号及び／または他のグラフィックスまたは画像が印刷媒体１１８に印刷されるように、１以上の列すなわちアレイ（配列）をなすように配置される。

インク供給アセンブリ１０４は、プリントヘッドアセンブリ１０２に流体インクを供給するものであって、インクを格納するためのリザーバー（インク槽乃至インク容器）１２０を備えている。インクは、リザーバー１２０からインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に流れる。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、一方向インク供給システムまたはマクロ再循環インク供給システムを形成することができる。一方向インク供給システムでは、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２に供給されたほぼ全てのインクが印刷中に消費される。一方、マクロ再循環インク供給システムでは、プリントヘッドアセンブリ１０２に供給されたインクの一部だけ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。

１実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２及びインク供給アセンブリ１０４が共に、インクジェットカートリッジすなわちペンに収容される。別の実施形態では、インク供給アセンブリ１０４は、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２から分離されており、供給管（supply tube）などの貫通接続（interface connection）を通じてインクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２にインクを供給する。いずれの実施形態でも、インク供給アセンブリ１０４のリザーバー１２０を取り出し及び／または交換することができ、及び／または、該リザーバーに（インクを）補充することができる。インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２及びインク供給アセンブリ１０４が共にインクジェットカートリッジに収容される場合には、リザーバー１２０は、カートリッジ内に配置された局所的リザーバー、及び、該カートリッジとは別個に配置されたより大きなリザーバーを備える。この別個のより大きなリザーバーは、該局所的リザーバーに（インクを）補充する機能を有する。したがって、該別個のより大きなリザーバー及び／または該局所的リザーバーを取り出し及び／または交換することができ、及び／または、それらのリザーバーに（インクを）補充することができる。

マウンティングアセンブリ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。したがって、印刷領域１２２は、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の間のある領域にあるノズル１１６の近傍に画定される。１実施形態では、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。走査型プリントヘッドアセンブリでは、マウンティングアセンブリ１０６は、印刷媒体１１８を走査するために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に対して移動させるためのキャリッジを備える。別の実施形態では、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。非走査型プリントヘッドアセンブリでは、マウンティングアセンブリ１０６は、媒体搬送アセンブリ１０８に対して所定の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。したがって、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。

電子プリンタコントローラ１１０は、典型的には、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２、マウンティングアセンブリ１０６、及び媒体搬送アセンブリ１０８と通信し、及び、それらのアセンブリを制御するためのプロセッサ、ファームウェア、ソフトウェア、揮発性及び不揮発性のメモリー要素を含む１以上のメモリー要素、並びに、他のプリンタ電子回路乃至機器を備える。電子コントローラ１１０は、コンピュータなどのホストシステムからデータ１２４を受け取り、及び、データ１２４をメモリー（記憶装置）に一時的に格納する。典型的には、データ１２４は、電子式伝送経路、赤外線伝送経路、光学式伝送経路、または、他の情報伝送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。データ１２４は、たとえば、印刷される文書及び／またはファイルを表す。そのため、データ１２４は、インクジェット印刷システム１００用の印刷ジョブを形成し、及び、１以上の印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータを含んでいる。

１実施形態では、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に関して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。したがって、電子コントローラ１１０は、文字及び／または記号及び／または他のグラフィックスまたは画像を印刷媒体１１８に形成するインク滴吐出パターンを画定する。インク滴吐出パターンは、印刷ジョブコマンド及び／またはコマンドパラメータによって決まる。１実施形態では、電子コントローラ１１０は、コントローラ１１０のメモリーに格納されている流れ制御モジュール１２６を備える。流れ制御モジュール１２６は、流体噴射アセンブリ１１４内にポンプ要素として一体化された１以上の流体アクチュエーターの動作を制御するために、電子コントローラ１１０（すなわち、コントローラ１１０のプロセッサ）において（またはコントローラ１１０によって）実行される。より具体的には、コントローラ１１０は、モジュール１２６からの命令を実行して、流体アクチュエーターの正方向及び逆方向のポンプストローク（それぞれ、圧縮性、伸張性の流体変位）のタイミング及び持続時間を制御し、これによって、流体噴射アセンブリ１１４内の流体流れの方向、流量（または流速）、及びタイミングを制御する。

１実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、１つの流体噴射アセンブリ（プリントヘッド）１１４を備える。別の実施形態では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、ワイドアレイ（wide array）またはマルチヘッドプリントヘッドアセンブリである。ワイドアレイアセンブリの１実施例では、インクジェットプリントヘッドアセンブリ１０２は、流体噴射アセンブリ１１４を支えて運ぶキャリアーを備えており、流体噴射アセンブリ１１４と電子コントローラ１１０との間に電気通信を提供し、及び、流体噴射アセンブリ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。

１実施形態では、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、流体噴射アセンブリ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（または他の流体液滴）を気化させて、ノズル１１６からインク（または他の流体液滴）を押し出すバブル（気泡）を形成するために、インクチャンバ内に熱抵抗噴射素子を実装している。別の実施形態では、インクジェット印刷システム１００は、ドロップ・オン・デマンド圧電インクジェット印刷システムであり、この場合、流体噴射アセンブリ１１４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噴射要素として圧電材料アクチュエーターを実装する圧電インクジェット（PIJ）プリントヘッドである。

図２及び図３は、本開示の１実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリ１１４の断面図である。図２は、液滴発生器２０４を横断する面に沿った流体噴射アセンブリ１１４の断面図であり、図３は、流体アクチュエーター２０６（流体ポンプ要素２０６）を横断する面に沿った流体噴射アセンブリ１１４の断面図である。図４ａ及び図４ｂは、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、流体噴射アセンブリ１１４内の再循環チャネルの部分トップダウンビュー（上から見下ろしたときの図）である。

図２、図３、図４ａ及び図４ｂを参照すると、流体噴射アセンブリ１１４は、流体スロット２０２が形成された基板２００を備えている。チャンバ層は、流体チャンバ２１４を画定し、及び、ノズル１１６を有するノズル層２２０から基板２００を分離する壁２１８を有している。流体スロット２０２は、流体槽１２０（図１）などの流体供給源（不図示）と流体連絡している、図２及び図３の紙面の向こう側に向かって伸びる細長いスロットである。一般に、流体アクチュエーター２０６または流体ポンプ要素２０６によって引き起こされた流れに基づいて、流体は、流体スロット２０２から、再循環チャネル２０３及び液滴発生器２０４を通って循環する。再循環チャネル２０３は、一方の端部（たとえば、ポイント「Ａ」）がある流体スロット２０２から、他方の端部（たとえば、ポイント「Ｂ」）がある流体スロット２０２に戻るように延在しており、一般的に、本明細書において、それぞれ、インレットチャネル（入口チャネルともいう）２０８、接続チャネル２１０、アウトレットチャネル（出口チャネルともいう）２１２と呼ぶ、３つのセクションを備えている。しかしながら、再循環チャネル２０３を通る流体流れの方向に依存して、インレットチャネル２０８は、必ずしも、流体が流体スロット２０２から再循環チャネル２０３へと流れる場所ではなく、アウトレットチャネル２１２は、必ずしも、流体が、再循環チャネル２０３から流体スロット２０２へと戻る場所ではない。したがって、流体スロット２０２からの流体は、一方の方向に再循環チャネル２０３を通って、インレットチャネル２０８（ポイント「Ａ」）から入り、アウトレットチャネル２１２（ポイント「Ｂ」）から出るように流れることができ、または、他方の方向に再循環チャネル２０３を通って、アウトレットチャネル２１２（ポイント「Ｂ」）から入り、インレットチャネル２０８（ポイント「Ａ」）から出るように流れることができる。後述するように、流れの方向は、流体アクチュエーター２０６によって生成される流体変位に依存する。

再循環チャネル２０３は、液滴発生器２０４及び流体アクチュエーター２０６を備えている。各々が液滴発生器２０４を有している（複数の）再循環チャネル２０３は、図２及び図３の紙面の手前側から紙面の向こう側に向かって延びるスロット２０２の長さ方向に沿って、流体スロット２０２の両側に配列している。液滴発生器２０４は、ノズル１１６、流体チャンバ２１４、及び、該チャンバ２１４内に配置された噴射素子２１６を備えている。液滴発生器２０４（すなわち、ノズル１１６、チャンバ２１４、及び噴射素子２１６）を、プリミティブと呼ばれるグループに編成することができ、その場合、各プリミティブは、隣接する噴射素子２１６のグループを備える。プリミティブは、典型的には、１２個の液滴発生器２０４からなるグループを含んでいるが、これとは異なる、６個、８個、１０個、１４個、１６個などの数の液滴発生器を含むこともできる。

噴射素子２１６は、図２〜図４ｂに一般的に示されており、たとえば熱抵抗器（thermal resistor）や圧電アクチュエーターなどの、対応するノズル１１６を通じて流体液滴を噴射することができる任意のデバイスとすることができる。熱抵抗噴射素子は、典型的には、基板２００の上面の酸化物層、及び、酸化物層、金属層及びパッシベーション層（これらの層の各々は具体的には図示されていない）を含む薄膜スタック（薄膜層）から形成される。熱抵抗噴射素子が作動すると、該噴射素子からの熱によってチャンバ２１４内の流体が気化（蒸発）して、ノズル１１６を通じて流体液滴を噴射するバブルが発生する。圧電アクチュエーター噴射素子は、一般に、チャンバ２１４の底部（もしくは底面）に形成された可動膜に付着（もしくは接着）した圧電材料を備える。圧電材料が作動すると、該圧電材料は、該膜がチャンバ２１４内に入るように該膜をたわませて（すなわち、屈曲乃至湾曲させて）、ノズル１１６を通じて流体液滴を噴射する圧力パルスを生成する。

本明細書では、一般的に、流体アクチュエーター２０６を、再循環チャネル２０３内における該アクチュエーターの正方向及び逆方向のたわみ（または、ピストンストロークと呼ばれることがある上方及び下方へのたわみ）が、時間的に制御可能な流体変位を生じさせるところの圧電膜として記述している。しかしながら、種々の他のデバイスを、たとえば、静電（MEMS）膜、機械的膜（機械的に作動する膜）／インパクト駆動式膜、ボイスコイル、磁気ひずみ駆動機構などを含む流体アクチュエーター２０６を実施するために用いることもできる。

再循環チャネル２０３内の液滴発生器２０４及び流体アクチュエーター２０６のそれぞれの位置は、典型的には、チャネル２０３の対向するそれぞれの側に近い方にあるが、必ずしもそうである必要はない。したがって、図４ａ及び図４ｂに示すように、液滴発生器２０４をアウトレットチャネル２１２内に配置し、一方、流体アクチュエーター２０６をインレットチャネル２０８内に配置することができ、または、それらのそれぞれの位置を逆にして、液滴発生器２０４をインレットチャネル２０８内に配置し、流体アクチュエーター２０６をアウトレットチャネル２１２内に配置することができる。再循環チャネル２０３の対向するそれぞれ側の近くにおける流体アクチュエーター２０６の正確な位置は、多少変わりうるものの、いずれの場合でも、再循環チャネル２０３の長さ方向の中心点（中間点）に関して非対称に配置される。たとえば、再循環チャネル２０３のおよその中心点は、ポイント「Ａ」とポイント「Ｂ」の間の接続チャネル２１０（図４）内のどこかにある。再循環チャネル２０３は、流体スロット２０２のポイント「Ａ」に隣接する一方の端部から、流体スロット２０２のポイント「Ｂ」に隣接する反対側の端部まで延びている。

再循環チャネル２０３内の流体アクチュエーター２０６の非対称配置は、該チャネル２０３を通る正味の流体流れを生じさせることができるポンピング効果を達成するために必要な慣性ポンプメカニズムの１つの要素である。再循環チャネル２０３内の流体アクチュエーター２０６の非対称配置によって、流体アクチュエーター２０６から流体スロット２０２のポイント「Ａ」までの短い距離だけ延びる再循環チャネル２０３の短い側と、流体アクチュエーター２０６から流体スロット２０２のポイント「Ｂ」に戻るまでの再循環チャネル２０３の残りの長さにわたって延びる再循環チャネル２０３の長い側が形成される。流体アクチュエーター２０６のポンピング効果は、流体をくみ出す流体スロット２０２（または、他の流体槽）の幅よりも幅が狭い流体チャネル（たとえば、再循環チャネル２０３）内における該アクチュエーターの非対称配置に依存する。再循環チャネル２０３内の流体アクチュエーター２０６の非対称配置によって、再循環チャネル２０３内に流体ダイオード特性（正味の流体流れ）を引き起こす慣性メカニズムが生成される。流体アクチュエーター２０６は、再循環チャネル２０３に沿って互いに逆の２つの方向に流体を押しやる、再循環チャネル２０３内を伝搬する波を生成する。流体アクチュエーター２０６が再循環チャネル２０３内に非対称に配置されている場合には、再循環チャネル２０３を通る正味の流体流れが存在しうる。流体のより重い部分または流体がより多く存在する部分（これは、典型的には、再循環チャネル２０３の長い方の側にある）は、流体アクチュエーターのポンプ前進（正方向）ストロークの終わりにおいてより大きな機械的慣性を有する。したがって、流体のこのより大きな部分は、再循環チャネル２０３の短い方の側にある流体（液体）よりもゆっくりと進行方向が反転する。再循環チャネル２０３のより短い方の側にある流体は、流体アクチュエーターのポンプ後退（逆方向）ストローク中に力学的運動量を獲得するのにより長い時間がかかる。したがって、該後退ストロークの終わりには、再循環チャネル２０３の短い方の側にある流体は、該チャネル２０３の長い方の側にある流体よりもより大きな力学的運動量を有する。この結果、典型的には、図２〜図４ｂの黒い矢印で示すように、正味の流れは、再循環チャネル２０３の短い方の側から長い方の側に向かう流れとなる。正味の流体流れは、２つの流体要素（すなわち、再循環チャネルの短い側と長い側）の異なる慣性特性の結果として生じる。

図４ｂに示すように、流体噴射装置のいくつかの例では、再循環チャネル２０３は、インレットチャネル２０８、アウトレットチャネル２１２、及び接続チャネル２１０内に配置された種々の形状及びアーキテクチャを有しており、それらは、液滴の噴射中に、特定の方向への流体の流れを促進し、種々の粒子が流体の流れを妨げるのを阻止し、及び、印刷用流体のブローバック（blowback）を制御することが意図されている。たとえば、図４ｂに示す再循環チャネル２０３は、耐粒子アーキテクチャ４００を有している。本明細書で使用されている耐粒子アーキテクチャ（PTA）は、粒子によってインクまたは印刷用流体の流れが遮られないようにするために印刷用流体の流路中に配置された障壁物を意味する。いくつかの例では、耐粒子アーキテクチャ４００は、ちりや粒子によって、流体チャンバ２１４及び／またはノズル１１６がふさがれないようにする。再循環チャネル２０３はまた、液滴の噴射中に印刷用流体のブローバックを制御するために使用されるピンチポイント（pinch point）４０２を備えることができる。再循環チャネル２０３はまた、非可動部品弁（non-moving part valve：非可動パーツパルブともいう）４０４を備えることができる。本明細書で使用されている非可動部品弁（NMPV）は、流体の流れを調節するように配置された及び／または設計された非可動物を意味する。非可動部品弁４０４が存在することによって、再循環効率を高めると共にノズルのクロストークを最小限にすることができる。尚、該クロストークは、近傍の液滴発生器２０４及び／またはポンプ２０６間の意図されていない流体の流れを意味する。

再循環チャネル２０３内の流体アクチュエーター２０６の非対称配置に加えて、再循環チャネル２０３を通る正味の流体流れを生じさせることができるポンピング効果を達成するために必要な慣性ポンプメカニズムの別の要素は、流体アクチュエーター２０６によって生成される流体変位の時間的な非対称性である。すなわち、ポンピング効果、並びに、再循環チャネル２０３及び液滴発生器２０４を通る正味の流体流れを実現するために、流体アクチュエーター２０６はさらに、再循環チャネル２０３内の流体の変位に関して非対称に動作する必要がある。流体アクチュエーター２０６は、動作中、先ず、前進ストロークによって上方にたわんで（すなわち、屈曲乃至湾曲して）、再循環チャネル２０３内に入り込み（すなわち、可撓性の膜が、正方向へのピストンストロークとして作用して、上方にたわむ）、次に、後退ストロークによって下方にたわんで（すなわち、屈曲乃至湾曲して）、再循環チャネル２０３の外に出る（すなわち、可撓性の膜が、逆方向へのピストンストロークとして作用して、下方にたわんで元の状態に戻る）。上記したように、流体アクチュエーター２０６は、再循環チャネル２０３に沿って互いに逆の２つの方向に流体を押しやる、再循環チャネル２０３内を伝搬する波を生成する。流体アクチュエーター２０６のたわみが流体を両方向に同じ速度で移動（乃至変位）させるように、該アクチュエーター２０６が動作する場合には、該アクチュエーター２０６は、再循環チャネル２０３内に正味の流体流れをほとんど生じさせないか、または、全く生じさせないだろう。正味の流体流れを生じさせるためには、流体アクチュエーター２０６のたわみ、すなわち、流体の移動（乃至変位）が対称ではないように、該流体アクチュエーター２０６の動作を制御する必要がある。したがって、流体アクチュエーター２０６のたわみストローク、すなわち、流体の移動（乃至変位）のタイミングに関して、該流体アクチュエーター２０６が非対称に動作することが、再循環チャネル２０３を通る正味の流体流れを生じさせることができるポンピング効果を達成するために必要な第２の条件である。

図５は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、いくつかの異なる動作段階にある一体化された（すなわち、組み込み式の）流体アクチュエーター２０６を有する再循環チャネル２０３の側面図である。図５の再循環チャネル２０３は図４に示されているものと同じであるが、説明の便宜上、直線形状のものとして図示している。したがって、再循環チャネル２０３の各端部は、流体スロット２０２と流体連絡している。流体アクチュエーター２０６は、再循環チャネル２０３の短い側に非対称に配置されて、該チャネル２０３を通る正味の流体流れを生じさせることができるポンピング効果を生成するのに必要な第１の条件を満たしている。液滴発生器２０４は、再循環チャネル２０３において、流体アクチュエーター２０６と反対側に配置されており、該チャネル２０３の他方の端部により近いところにある。ポンピング効果を達成するために必要な第２の条件は、上述したように、流体アクチュエーター２０６の非対称動作である。

図５に示す動作段階Ａでは、流体アクチュエーター２０６は、静止位置にあって休止しているので、再循環チャネル２０３を通る正味の流体流れは存在しない。動作段階Ｂでは、流体アクチュエーター２０６は作動しており、膜は該チャネル２０３の内部に向かって上方にたわんでいる。この上方へのたわみ、すなわち、前進ストロークによって、該膜が流体を外側に押しやるので、該チャネル２０３内に流体の圧縮性変位（正の変位）が生じる。動作段階Ｃでは、流体アクチュエーター２０６は作動しており、該膜は、元の静止位置に戻るために、下方にたわみ始めている。該膜のこの下方へのたわみ、すなわち、後退ストロークによって、該膜が流体を下方に引き寄せるので、該チャネル２０３内に流体の伸張性変位（負の変位）が生じる。一回の上方へのたわみと一回の下方へのたわみの組が１つのたわみサイクルである。繰り返し行われるたわみサイクルにおいて、上方へのたわみ（すなわち圧縮性変位）と下方へのたわみ（すなわち伸張性変位）との間に時間的な非対称性がある場合には、再循環チャネル２０３中に正味の流体流れが生じる。時間的な非対称性及び正味の流体流れの方向については図６〜図１３を参照して後述するので、図５では、圧縮性変位と伸張性変位の間の時間的な非対称性は指定されておらず、したがって、流れの方向は（流れがもしあったとしても）まだ不明であることを示すために、動作段階ＢとＣにおいて、互いに逆向きの正味の流れ方向指示矢印間に疑問符（？）が挿入されている。

図６は、本開示の１実施形態にしたがう、流体アクチュエーター２０６によって生成された圧縮性変位と伸張性変位との間の時間的な非対称性を説明するのに役立つ図であり、図５の動作段階Ｂ及びＣにおける作動している流体アクチュエーター２０６をタイムマーカー「t1」と「t2」と共に示している。時間t1は、流体アクチュエーター膜が上方にたわんで、圧縮性流体変位を生じるのに要する時間である。時間t2は、流体アクチュエーター膜が下方に、すなわち、元の位置に戻る方向にたわんで、伸張性流体変位を生じるのに要する時間である。圧縮性変位（上方への膜のたわみ）の持続時間t1が伸張性変位（下方への膜のたわみ）の持続時間t2よりも長いかまたは短い（すなわち、両者が同じではない）場合には、流体アクチュエーター２０６の非対称動作が行われる。繰り返して行われるたわみサイクルにおけるそのような流体アクチュエーター２０６の非対称動作によって、再循環チャネル２０３内に液滴発生器２０４を通る正味の流体流れが生成される。しかしながら、圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2が等しい、すなわち、対称である場合には、該チャネル２０３内に流体アクチュエーター２０６が非対称に配置されているにもかかわらず、該チャネル２０３を通る正味の流体流れはほとんど存在しないかまたは全く存在しないであろう。

図７、図８、及び図９は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、図５の動作段階Ｂ及びＣにおける作動している流体アクチュエーター２０６を示しており、（流体流れがある場合に）流体が再循環チャネル２０３及び液滴発生器２０４をどの方向に流れるかを示す正味の流体流れ指示矢印を含んでいる。正味の流体流れの方向は、該アクチュエーターの圧縮性変位（正の変位）の持続時間t1と伸張性変位（負の変位）の持続時間t2に依存する。図１０、図１１、及び図１２は、図７、図８、及び図９の変位の持続時間t1とt2にそれぞれ対応する持続時間を有する例示的な変位パルス波形を示している。圧電流体アクチュエーター２０６の場合は、圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2を、たとえば、図１に示されているような流体噴射装置１００内の流れ制御モジュール１２６などからの命令を実行する電子コントローラ１１０によって正確に制御することができる。

図７を参照すると、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2よりも短いので、再循環チャネル２０３の短い側（すなわち、アクチュエーターが配置されている側）から、液滴発生器２０４を通って該チャネルの長い側に向かう方向の正味の流体流れが存在する。流体は、液滴発生器２０４のチャンバ２１４を通って流れるので、噴射素子２１６を作動させることによっていくらかの流体を噴射することができる。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2の違いは、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーター２０６によって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１０から理解することができる。図１０の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ０．５マイクロ秒（ms）の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ９．５マイクロ秒（ms）の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。流体変位の量及び流体変位の持続時間の値は例示に過ぎず、いかなる点においても限定することを意図したものではない。

図８では、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2よりも長いので、再循環チャネル２０３の長い側から、液滴発生器２０４を通って、該チャネルの短い側に向かう方向の正味の流体流れが存在する。この場合も、流体は、液滴発生器２０４のチャンバ２１４を通って流れるので、噴射素子２１６を作動させることによっていくらかの流体を噴射することができる。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2の違いは、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーター２０６によって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１１から理解することができる。図１１の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ９．５マイクロ秒（ms）の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ０．５マイクロ秒（ms）の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。

図９では、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2と等しいので、流体アクチュエーター２０６によって生成されて、再循環チャネル２０３または液滴発生器２０４を通る正味の流体流れはほとんど存在しないかまたは全く存在しない。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2が等しい様子は、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーター２０６によって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１２から理解することができる。図１２の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ５．０マイクロ秒（ms）の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ５．０マイクロ秒（ms）の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。

図９では、再循環チャネル２０３内に流体アクチュエーター２０６が非対称に配置されている（慣性ポンピング効果を達成するための１つの条件を満たしている）が、流体アクチュエーター２０６の動作が非対称ではない（ポンピング効果を達成するための第２の条件を満たしていない）ために、依然として、再循環チャネル２０３または液滴発生器２０４を通る正味の流体流れはほとんどまたは全く存在しないことに留意されたい。同様に、流体アクチュエーター２０６の位置が対称で（すなわち、流体アクチュエーターが再循環チャネル２０３の中央に配置されており）、かつ、該アクチュエーター２０６の動作が非対称である場合には、ポンピング効果の２つの条件が共に満たされているわけではないので、依然として、該チャネル２０３を通る正味の流体流れはほとんどまたは全く存在しないであろう。

上記の例及び図５〜図１２の説明から、流体アクチュエーター２０６の非対称位置というポンピング効果（を達成するために必要な）条件と流体アクチュエーター２０６の非対称動作というポンピング効果（を達成するために必要な）条件との間の相互作用に留意することが重要である。すなわち、流体アクチュエーター２０６の非対称位置と非対称動作が同じ方向に作用する場合には、流体アクチュエーター２０６は、高効率のポンピング効果を示すであろう。しかしながら、流体アクチュエーター２０６の非対称位置と非対称動作が互いに対して不利に作用する場合には、流体アクチュエーター２０６の非対称動作は、該流体アクチュエーターの非対称位置によって引き起こされる正味の流れベクトルを反転させ、正味の流れは、再循環チャネル２０３の長い側から該チャネルの短い側に向かうものとなる。

さらに、上記の例及び図５〜図１２の説明から、正味の流体流れは、再循環チャネル２０３の短い側から該チャネルの長い側に進むので、図２〜図４の再循環チャネル２０３に関して説明した流体アクチュエーター２０６は、圧縮性変位の持続時間が伸張性変位の持続時間よりも短いアクチュエーターデバイスであることが想定されているということをより良く理解することができる。そのようなアクチュエーターの１例は、流体を加熱して、超臨界蒸気の爆発によって変位を生じさせる抵抗加熱素子である。そのような事象は、膨張期（すなわち、圧縮性変位）が崩壊期（収縮期、すなわち伸張性変位）より速い、爆発に関する非対称性を有する。この事象の非対称性は、たとえば、圧電膜アクチュエーターによって生じるたわみの非対称性と同じやり方では制御できない。

図１３は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、いくつかの異なる動作段階にある一体化された（すなわち、組み込み式の）流体アクチュエーター２０６を有する再循環チャネル２０３の側面図である。図１３の再循環チャネル２０３は、図４に示されているものと同じであるが、説明の便宜上、直線形状のものとして図示している。この実施形態は、再循環チャネル２０３内の圧縮性変位及び伸張性変位を生成するために、図５に関して説明した実施形態とは異なるやり方で流体アクチュエーター膜のたわみが作用するものとして示されている点を除いて、図５に関して説明した実施形態に類似する。より具体的には、図１３の例では、伸張性変位（負の変位）は圧縮性変位（正の変位）の前に起こる。図５〜図１２を参照して説明した例では、圧縮性変位（正の変位）が伸張性変位（負の変位）の前に起こる。図１３に示す動作段階Ａでは、流体アクチュエーター２０６は、静止位置にあって、休止しているので、再循環チャネル２０３を通る正味の流体流れはない。動作段階Ｂでは、流体アクチュエーター２０６は作動しており、該膜は、流体チャネル２０３の外側へと下方にたわむ。該膜のこの下方へのたわみによって、該膜が流体を下方に引き寄せるので、該チャネル２０３内に流体の伸張性変位が引き起こされる。動作段階Ｃでは、流体アクチュエーター２０６は作動しており、該膜は、元の静止位置に戻るために上方にたわみ始めている。この上方へのたわみによって、該膜が流体を該チャネル２０３中へと上方に押し上げるので、該チャネル２０３内に流体の圧縮性変位が引き起こされる。圧縮性変位と伸張性変位の間に時間的な非対称性が存在する場合には、該チャネル２０３を通る正味の流体流れが生成される。正味の流体流れの方向は、上述したのと同様に、圧縮性変位の持続時間と伸張性変位の持続時間に依存する。

図１４は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、図１３の変位の持続時間t1及びt2にそれぞれ対応させることができる持続時間を有する変位パルス波形のいくつかの例を示している。図１４の波形は、伸張性変位（負の変位）が圧縮性変位（正の変位）の前に起こることを示している。上述の例のいずれにおいても、流体アクチュエーター２０６は、静止位置から開始し、その後は、圧縮性変位（正の変位）が起こってから伸張性変位（負の変位）が起こるか、または、伸張性変位が起こってから圧縮性変位が起こる。しかしながら、他の種々の変位の例及び対応する波形が可能であることに留意すべきである。たとえば、流体アクチュエーター２０６に特定の方向に予め負荷をかけることができ、及び／または、該アクチュエーターは、圧縮性変位及び伸張性変位を行うときに、静止位置を横断して、該チャネル２０３の内側と外側の両方の側にたわむことができる。

図１５は、チャネル２０３の内外の両方向に向かってたわむ流体アクチュエーター２０６の１例を示しており、併せて、該アクチュエーター２０６が圧縮性変位及び伸張性変位を起こすときに、該アクチュエーター２０６が、どのようにして該チャネル２０３の内外に向かってたわむことができるか、及び、正方向または負方向へのたわみを生じるように該アクチュエーター２０６に予め負荷をかけた状態（可能性のある状態のうちの１つ）を説明するための代表的な変位パルス波形を示している。チャネル２０３の内外に向かうアクチュエーター２０６のそのようなたわみ、並びに、該アクチュエーター２０６に予めかける負荷は、たとえば、電子コントローラ１１０上で実行する（または該コントローラによって実行される）流れ制御モジュール１２６によって制御される。

Claims (9)

1. 流体再循環チャネルと、
   前記流体再循環チャネル内に配置された液滴発生器と、
   前記流体再循環チャネルの各端部と流体連絡している流体スロットと、
   流体アクチュエーター
   を備え、
   前記流体アクチュエーターは、前記流体アクチュエーターと前記流体スロットの間に、前記流体再循環チャネルの短い側と長い側が形成されるように、前記流体再循環チャネル内に配置され、かつ、第１の持続時間の間前記流体再循環チャネル内に圧縮性流体変位を生じるように、前記流体再循環チャネルの両方の端部に向けて流体を押しやることができ、及び、前記第１の持続時間より長い第２の持続時間の間前記流体再循環チャネル内に伸張性流体変位を生じるように、前記流体アクチュエーターに向けて流体を引き寄せることができ、これによって、流体流れが、前記流体再循環チャネルの前記短い側から前記長い側に向かう方向に、前記流体スロットから、前記流体再循環チャネル及び前記液滴発生器を通って、前記流体スロットに戻るようにすることからなる、流体噴射装置。
   
2. 前記流体アクチュエーターが圧電流体アクチュエーターであり、前記流体噴射装置が、前記第１の持続時間及び前記第２の持続時間を制御するためのコントローラをさらに備える、請求項１の流体噴射装置。
3. 前記第１の持続時間及び前記第２の持続時間を制御するために前記コントローラにおいて実行可能な流れ制御モジュールをさらに備える、請求項２の流体噴射装置。
4. 前記方向への流体流れを促進するために、前記流体再循環チャネル内に非可動部品弁をさらに備える、請求項１〜３のいずれかの流体噴射装置。
5. 前記流体再循環チャネル内に、液滴の噴射中に流体のブローバックを制御するためのピンチポイントをさらに備える、請求項１〜４のいずれかの流体噴射装置。
6. 前記再循環チャネルは、インレットチャネル、アウトレットチャネル、及び接続チャネルを備え、前記インレットチャネルは該インレットチャネルの第１の端部で前記流体スロットに結合され、前記アウトレットチャネルは該アウトレットチャネルの第１の端部で前記流体スロットに結合され、前記接続チャネルは、前記インレットチャネルの第２の端部及び前記アウトレットチャネルの第２の端部に結合され、前記液滴発生器は、前記アウトレットチャネル内に配置されており、前記流体アクチュエーターは、前記インレットチャネル内に配置されている、請求項１〜５のいずれかの流体噴射装置。
7. 流体が前記液滴発生器を通って流れるときに、該液滴発生器は、該流体をノズルを通して噴射する、請求項１〜６のいずれかの流体噴射装置。
8. 前記流体アクチュエーターは膜を有し、該膜は、前記流体再循環チャネル中へとたわんで、前記圧縮性流体変位を生じさせる、請求項１〜７のいずれかの流体噴射装置。
9. 前記流体アクチュエーターは膜を有し、該膜は、前記流体再循環チャネルの外側へとたわんで、前記伸張性流体変位を生じさせる、請求項１〜７のいずれかの流体噴射装置。

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