JP2004216897A - インクジェットプリントヘッド及びインク吐出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 インクジェットプリントヘッド及びインク吐出方法を提供する。
【解決手段】 本発明は、流路プレートに形成されたインクチャンバとインクチャンネルと、流路プレート上に設けられたカバープレートに形成されたインク吐出口と、流路プレートの底面にインクチャンバに対応する位置に設けられる集束レンズと、集束レンズを通じてインクチャンバ内に満たされたインクにレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、を具備するインクジェットプリントヘッドである。また、インクチャンバ内部にインクが満たされる段階と、インクチャンバ内部のインクにレーザービームを照射してインク内に圧力波を発生させ、その圧力波によりインク表面を振動させる段階と、振動によりインク表面からインク液滴が吐出される段階と、を具備するインク吐出方法である。
【選択図】 図５

Description

本発明はインクジェットプリントヘッドとインク吐出方法とに係り、より詳細にはレーザービームを利用してインクチャンバ内に満たされたインクの自由表面からインクを吐出するインクジェットプリントヘッドとインク吐出方法とに関する。

一般的にインクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出して所定カラーの画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドにおいて、インクを吐出するメカニズムにはいろいろがある。従来には一般的に熱源を利用してインクにバブルを発生させ、そのバブルの膨張力によりインクを吐出する熱駆動型インク吐出方式が主に利用されてきた。しかし、熱駆動型インク吐出方式はインクを沸騰させてバブルを発生させねばならないために、エネルギーが過多に使われ、インクの種類にも制約を受ける短所がある。

一方、前記熱駆動型インク吐出方式以外にもいろいろなインク吐出方式が開発されて利用されており、そのうち一つが図１に図示されている。図１に図示されたインク吐出方式は特許文献１に開示されたものである。

図１を参照すれば、インク１４の表面下に凹凸面を有する圧電クリスタル１５が設置されている。そして、圧電クリスタル１５の凹面には一つの電極１６が設けられており、凸面には３つの電極１７、１８、１９が設けられている。圧電クリスタル１５は音波エネルギーを生成し、この音波エネルギーにより発生した音圧はインク１４の表面を振動させる。この音圧がインク１４表面の表面張力及び大気圧を超過すれば、インク１４表面から液滴Ａ〜Ｅがプレート１３の孔を通じて吐出される。この液滴Ａ〜Ｅの吐出方向は電極１６、１７、１８、１９の選択的な組合わせにより制御される。ところが、前記のようなインク吐出方式は、インク１４の表面下に半球形の圧電クリスタル１５及び多数の電極１６、１７、１８、１９を設けねばならないために、その構造が複雑な短所がある。

そして、図２にはレーザーを利用してインク液滴を吐出する方式のプリントヘッドが図示されている。図２に図示されたインク吐出方式は特許文献２に開示されたものである。

図２を参照すれば、プリントヘッド４０にはマルチカラーのインク２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙをそれぞれ収容している収容チャンバ３７Ｃ、３７Ｍ、３７Ｙと、前記インク２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに選択的にレーザービームＬを照射するための半導体レーザー２８と、レーザービームＬを集束するための集束レンズ２９とが備えられている。半導体レーザー２８から放出されたレーザービームＬは集束レンズ２９を経て収容チャンバ３７Ｃ、３７Ｍ、３７Ｙに収容されているインク２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙに選択的に照射される。これにより、インク２２Ｃ、２２Ｍ、２２Ｙは蒸発し、蒸発されたインク３２Ｃ、３２Ｍ、３２Ｙは記録用紙５０に移動する。ところが、このようにレーザーでインクを直接蒸発させてその蒸気を利用する方式は制御が複雑でエネルギーが多く消耗される短所がある。

また、特許文献３にはレーザーで緩衝液を沸騰させ、この時に発生する振動を利用してインクを吐出するインク吐出方式が開示されている。ところが、このような方式も構造が複雑なだけでなくエネルギーも多く消耗される短所がある。
米国特許ＵＳ４，３０８，５４７号公報 米国特許ＵＳ５，７１３，６７３号公報 特開２０００−１６８０９０号

本発明は前記のような従来技術の問題点を解決するために創出されたものであって、特にレーザーでインクに振動を発生させ、その振動によりインクが吐出されるように構成されたインクジェットプリントヘッドとインク吐出方法とを提供するところにその目的がある。

前記の技術的課題を達成するために本発明は、流路プレートに形成されたインクチャンバとインクチャンネルと、前記流路プレート上に設けられたカバープレートに形成されたインク吐出口と、前記流路プレートの底面に前記インクチャンバに対応する位置に設けられる集束レンズと、前記集束レンズを通じて前記インクチャンバ内に満たされたインクにレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、を具備し、前記レーザービームにより発生した圧力波によりインク表面が振動され、この振動によりインク液滴がインク表面から前記インク吐出口を通じて吐出されるインクジェットプリントヘッドを提供する。

ここで、前記流路プレートは赤外線に対して透明なシリコン基板よりなるか、ガラス基板よりなる。

そして、前記集束レンズは前記流路プレートに一体に形成されるか、前記流路プレートの底面に設けられたレンズプレートに形成される。

また、前記レーザービーム照射手段は半導体レーザーであることが望ましい。

具体的な実施例において、前記インクチャンバは前記流路プレートに所定間隔をおいて多数が配列され、前記多数のインクチャンバそれぞれに対応して多数のインク吐出口及び多数の集束レンズが設けられる。

この場合、前記レーザービーム照射手段は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射されたレーザービームの経路を制御する光路制御装置とを具備することが望ましい。

そして、前記インク吐出口は、吐出されるインク液滴が前記カバープレートに接触しないほどの大きさを有することが望ましく、前記カバープレートの表面は疎水性を有することが望ましい。

そして本発明は、インクチャンバ内部にインクが満たされる段階と、前記インクチャンバ内部のインクにレーザービームを照射してインク内に圧力波を発生させ、その圧力波によりインク表面を振動させる段階と、前記振動によりインク表面からインク液滴が吐出される段階と、を具備するインク吐出方法を提供する。

ここで、前記レーザービームは集束レンズにより集束されてインクに照射されることが望ましい。

本発明によれば、レーザービームによりインクを沸騰させずに振動だけさせてインクを吐出するために、エネルギー効率が比較的高くて印刷速度が速くなり、かつインクの種類に制限が少ない長所がある。

そして、本発明によるインクジェットプリントヘッドは、従来のインクジェットプリントヘッドに比べて構成要素が単純化されて構造も簡単である。したがって、多数のインク吐出口を有する高集積・高解像度のインクジェットプリントヘッドの具現が容易な長所がある。

以下、添付された図面を参照しながら本発明の望ましい実施例を詳細に説明する。以下の図面で同じ参照符号は同じ構成要素を示す。

図３は本発明の望ましい実施例によるインクジェットプリントヘッドの単位構造を示した断面図である。

図３を参照すれば、流路プレート１１０には、吐出されるインク１５０が満たされるインクチャンバ１１４と、このインクチャンバ１１４にインク１５０を供給するためのインクチャンネル１１２とが形成される。前記流路プレート１１０上に積層されたカバープレート１２０にはインクチャンバ１１４に対応する位置にインク吐出口１２２が形成され、このインク吐出口１２２を通じてインクチャンバ１１４内のインク１５０が液滴１５２の形態で吐出される。前記流路プレート１１０の底面にはレンズプレート１３０が設けられ、このレンズプレート１３０にはインクチャンバ１１４に対応する位置に集束レンズ１３２が設けられる。そして、前記集束レンズ１３２を通じてインクチャンバ１１４内に満たされたインク１５０にレーザービーム１４２を照射するレーザービーム照射手段、例えば半導体レーザー１４０がレンズプレート１３０下に設けられる。

前記インクチャンバ１１４の内部にはインク貯蔵庫（図示せず）からインクチャンネル１１２を通じてインク１５０が供給されて満たされる。この時、前記インク１５０は毛細管力によりインクチャンバ１１４の内部に供給されうる。

前記インクチャンバ１１４とインクチャンネル１１２を取り囲む流路プレート１１０は、レーザービーム１４２が透過できる物質、例えば赤外線に対して透明なシリコン基板よりなりうる。一方、前記流路プレート１１０は赤外線だけでなく可視光線及び紫外線に対しても透明なガラス基板よりなりうる。したがって、流路プレート１１０がシリコン基板よりなる場合にはレーザービーム１４２として赤外線が使われ、流路プレート１１０がガラス基板よりなる場合にはレーザービーム１４２の種類に制限がない。

前記カバープレート１２０もシリコン基板よりなりうるが、それ以外にもいろいろな物質よりなりうる。ただし、前記カバープレート１２０の表面性質はインク１５０が容易に付着しないように疎水性を有することが望ましい。前記カバープレート１２０には前記のようにインク吐出口１２２が形成されるが、このインク吐出口１２２はノズルとして機能するのではなく、単にインクチャンバ１１４内に満たされたインク１５０の自由表面からインク液滴１５２が吐出される通路としてのみ機能する。したがって、インク吐出口１２２の吐出されるインク液滴１５２が前記カバープレート１２０に接触しないほどの大きさを有することが望ましい。そして、前記インク吐出口１２２は円形であることが望ましいが、楕円形や多角形など多様な形状を有することもできる。

前記レンズプレート１３０には前記のようにインクチャンバ１１４に対応する位置に集束レンズ１３２が設けられる。前記集束レンズ１３２は、図示されたように凸レンズ形状を有し、半導体レーザー１４０から出射されたレーザービーム１４２を集束してインクチャンバ１１４内に満たされたインク１５０の所定部位にフォーカシングする機能を行う。前記レンズプレート１３０は集束レンズ１３２が形成された状態で流路プレート１１０の底面に付着される。一方、流路プレート１１０の底面にレンズプレート１３０を積層した後、これを微細加工して集束レンズ１３２を形成することもある。

以下、図３を参照して前記のような構成を有する本発明の第１実施例によるインクジェットプリントヘッドからインク液滴で吐出されるメカニズムを説明する。

まず、インクチャンバ１１４の内部にインク１５０が満たされる。この時、インク１５０はインクチャンネル１１２を通じて毛細管力によりインクチャンバ１１４の内部に供給される。

次いで、半導体レーザー１４０から出射されたレーザービーム１４２が集束レンズ１３２で集束されてインクチャンバ１１４の内部のインク１５０の所定部位に照射される。このように、レーザービーム１４２がインク１５０に照射されれば、レーザービーム１４２が有するエネルギーはインク１５０に吸収される。特に、高いエネルギーのレーザービーム１４２を短時間にインク１５０に照射すれば、インク１５０は沸騰する前にその圧力が増加して圧力波が発生する。この圧力波はインク１５０の自由表面に伝えられてインク１５０の自由表面を振動させる。レーザービーム１４２から供給されるエネルギーが増加するにつれてインク１５０の自由表面の振幅が大きくなる。前記振幅が所定大きさ以上になれば表面張力及び大気圧を克服してインク１５０の自由表面からインク液滴１５２が分離され、このインク液滴１５２はインク吐出口１２２を通じてその前方に設けられた記録用紙Ｐに向って吐出される。インク液滴１５２が吐出されると同時に、インクチャンバ１１４内にはインクチャンネル１１２を通じて供給されるインク１５０が再び満たされる。

前記のように、本発明によるインクジェットプリントヘッドでのインク吐出方法は、レーザービーム１４２によりインク１５０を沸騰させずに振動だけさせてインク１５０を吐出するために、エネルギー効率が比較的高い長所がある。そして、インク１５０を沸騰させる過程がないためにインク液滴１５２の吐出周波数をさらに高めることができて速い印刷速度が具現でき、また、インク１５０の種類に制限が少ない長所がある。

図４は、本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの単位構造を示した断面図である。本実施例は集束レンズが流路プレートに一体に形成されるという点を除いては前述した第１実施例と同じ構造を有するので、同じ構成要素に関する説明は省略する。

図４を参照すれば、本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドで、インクチャンバ２１４及びインクチャンネル２１２が形成された流路プレート２１０は、前述した第１実施例のようにレーザービーム１４２が透過できる物質、例えばシリコン基板またはガラス基板よりなる。

本実施例で、集束レンズ２３２は流路プレート２１０に一体に形成される。すなわち、前記集束レンズ２３２はシリコン基板またはガラス基板よりなる流路プレート２１０の底面を直接微細加工することによって形成される。したがって、本実施例では第１実施例のように別途のレンズプレート１３０を必要とせず、その構造及び製造工程がさらに単純化される。このように、前記集束レンズ２３２はインクチャンバ２１４に対応する位置に設けられ、図示されたように凸レンズ形状を有する。そして、前記集束レンズ２３２は、半導体レーザー１４０から出射されたレーザービーム１４２を集束してインクチャンバ２１４内に満たされたインク１５０の所定部位にフォーカシングする機能を行う。

一方、前記のような構成を有する本発明の第２実施例によるインクジェットプリントヘッドからインク液滴で吐出されるメカニズムは前述した第１実施例と同一である。

図５は、本発明の具体的な具現例として多数のインクチャンバ及びインク吐出口を有するインクジェットプリントヘッドを示した図面である。

図５を参照すれば、流路プレート１１０には多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄが所定間隔をおいて配列されており、そのそれぞれの内部にはインク１５０が満たされる。そして、多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄそれぞれには図３のようにインクチャンネル（図示せず）が連結される。流路プレート１１０上に積層されたカバープレート１２０には、多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄそれぞれに対応して多数のインク吐出口１２２ａ〜１２２ｄが形成され、流路プレート１１０の底面に設けられるレンズプレート１３０にも多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄそれぞれに対応して多数の集束レンズ１３２ａ〜１３２ｄが設けられる。一方、前述したように前記多数の集束レンズ１３２ａ〜１３２ｄは流路プレート１１０に一体に形成されることもある。

このように流路プレート１１０に多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄが設けられる場合には、レーザービーム照射手段として半導体レーザー１４０及び光路制御装置１４１が備えられる。前記光路制御装置１４１は、半導体レーザー１４０から出射されたレーザービーム１４２の経路を制御してレーザービーム１４２をそれぞれのインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄ内に満たされたインク１５０に選択的に照射させる。例えば、図示されたように、半導体レーザー１４０から出射されたレーザービーム１４２が光路制御装置１４１により第１インクチャンバ１４１ａ内に満たされたインク１５０に照射されれば、このインク１５０の自由表面から前述したようにインク液滴１５２が記録用紙Ｐを向って吐出される。

前記のように本発明によるインクジェットプリントヘッドは、一つの半導体レーザー１４０及び一つの光路制御装置１４１により多数のインクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄそれぞれに満たされたインク１５０を吐出できるので、従来のインクジェットプリントヘッドに比べてその構造がさらに単純化される。したがって、インクチャンバ１１４ａ〜１１４ｄを有するインクジェットプリントヘッドを容易に製造できるために、高集積・高解像度のインクジェットプリントヘッドの具現が可能である。

以上本発明の望ましい実施例を詳細に説明したが、本発明の範囲はこれに限定されず、多様な変形及び均等な他の実施例が可能である。したがって、本発明の真の技術的保護範囲は特許請求の範囲により定められねばならない。

本発明は、レーザービームによりインクを振動させ、その振動によりインクを吐出する構成を有して、エネルギー効率が高くて印刷速度が速いインクジェットプリントヘッドの具現に利用できる。

従来のインク吐出方式の一例として、音圧を利用したインク吐出方式を示した図面である。 従来のインク吐出方式の他の例として、レーザーを利用したインク吐出方式を示した図面である。 本発明の望ましい第１実施例によるインクジェットプリントヘッドの単位構造を示した断面図である。 本発明の望ましい第２実施例によるインクジェットプリントヘッドの単位構造を示した断面図である。 本発明の具体的な具現例として、多数のインクチャンバ及びインク吐出口を有するインクジェットプリントヘッドを示した図面である。

符号の説明

１１０ 流路プレート
１１４ａ〜１１４ｄ インクチャンバ
１２０ カバープレート
１２２ａ〜１２２ｄ インク吐出口
１３０ レンズプレート
１３２ａ〜１３２ｄ 集束レンズ
１４０ 半導体レーザー
１４１ 光路制御装置
１４２ レーザービーム
１５０ インク
１５２ インク液滴
Ｐ 記録用紙

Claims (12)

1. 流路プレートに形成されたインクチャンバとインクチャンネルと、
   前記流路プレート上に設けられたカバープレートに形成されたインク吐出口と、
   前記流路プレートの底面に前記インクチャンバに対応する位置に設けられた集束レンズと、
   前記集束レンズを通じて前記インクチャンバ内に満たされたインクにレーザービームを照射するレーザービーム照射手段と、を具備し、
   前記レーザービームにより発生した圧力波によりインク表面が振動され、この振動によりインク液滴がインク表面から前記インク吐出口を通じて吐出されることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
2. 前記流路プレートは赤外線に対して透明なシリコン基板よりなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記流路プレートはガラス基板よりなることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記集束レンズは前記流路プレートに一体に形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記集束レンズは前記流路プレートの底面に設けられたレンズプレートに形成されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記レーザービーム照射手段は半導体レーザーであることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
7. 前記インクチャンバは前記流路プレートに所定間隔をおいて多数が配列され、前記多数のインクチャンバそれぞれに対応して多数のインク吐出口及び多数の集束レンズが設けられることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
8. 前記レーザービーム照射手段は、半導体レーザーと、前記半導体レーザーから出射されたレーザービームの経路を制御する光路制御装置とを具備することを特徴とする請求項７に記載のインクジェットプリントヘッド。
9. 前記カバープレートの表面は疎水性を有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
10. 前記インク吐出口は、吐出されるインク液滴が前記カバープレートに接触しないほどの大きさを有することを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
11. インクチャンバ内部にインクが満たされる段階と、
    前記インクチャンバ内部のインクにレーザービームを照射してインク内に圧力波を発生させ、その圧力波によりインク表面を振動させる段階と、
    前記振動によりインク表面からインク液滴が吐出される段階と、を具備することを特徴とするインク吐出方法。
12. 前記レーザービームは集束レンズにより集束されてインクに照射されることを特徴とする請求項１１に記載のインク吐出方法。

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