JP2008080807A - インク噴射装置及びインク噴射方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電方式と静電方式とを併用することにより高解像度を具現することができ、かつ広範囲のグレースケールを具現することができるインク噴射装置及びインク噴射方法を提供する。
【解決手段】帯電されるインクを収容するチャンバ１３０と、チャンバ１３０に圧力を供給するアクチュエータ（１６０）と、チャンバ１３０からインクの供給を受けてインクチップ１８０を形成するノズル１４０と、静電気力を用いてインクチップ１８０の少なくとも一部を分離するように電場を形成する静電部１７０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明はインクジェットヘッドに関する。

微細なインク液滴を形成して高画質が得られる記録装置であって、ノズルよりインクを必要に応じて噴射する、いわゆるオンデマンド型のインクジェット記録方式が用いられている。このようなオンデマンド型のインクジェット記録方式として代表的な方式は、圧電方式、サーマル方式、静電方式などである。

圧電方式は、ノズルに繋がるチャンバに圧電素子を用いて圧力を加え、これによりノズルからインク液滴を噴射して印刷作業を行う方式である。

サーマル方式は、チャンバ内に設けられた加熱手段でインクを加熱し、加熱により発生する泡（バブル）の圧力によりインク液滴をノズルから噴射して印刷作業を行う方式である。

高解像度を具現するためには、解像度に応じてインクの液滴の径を小さくする必要がある。これのために、圧電方式やサーマル方式においては、ノズルの径を小さく形成することが一般的である。しかし、ノズルの径を小さく形成すると、ノズルの周りにインクの残りが付いたり、ノズルの周りのインクが乾燥されて、ノズルの一部が詰まるという問題が発生する。

このような問題は、インクの噴射方向を変更させることになり、印刷品質の低下に直結されるので、ノズルの径を小さく形成して高解像度を具現することには限界がある。

一方、静電方式は、印刷対象物とヘッドとの間に静電気力を発生させて静電気力によりインクの液滴を移動させることで印刷作業を行う方式である。このような静電方式によれば、ノズルの大きさに対して非常に微細なインク液滴を形成することができ、前述したようなノズルが詰まる恐れを減せるという長所がある。

但し、静電方式を用いる場合、製造が難しく、静電気力を集中させるためには構造が複雑であって微細な制御能力を要する。また、微細液滴の噴射に一定したインクを供給するために微細構造を製作しなくてはならないという複雑さがあった。

本発明は、圧電方式によりインクチップを形成し、静電方式を用いてインクチップの一部を分離することにより高解像度を具現できるインクジェットヘッドを提供することである。

本発明の一実施形態によれば、ノズルを通してインクを噴射するインク噴射装置であって、インクを収容するチャンバと、チャンバに圧力を供給するアクチュエータと、ノズルの周りに電場を形成する静電部とを含むインク噴射装置が提供される。

インクは、帯電されることがよく、インクを帯電させる電源部を更に含むことができる。この際、チャンバは不純物添加（ドーピング）されたシリコン（Ｓｉ）を含んでなり、電源部はチャンバに繋がることができる。

一方、アクチュエータはノズルにインクチップが形成されるようにチャンバに圧力を供給することが可能であり、この際、静電部はインクチップの少なくとも一部を分離するように電場を形成することができる。

アクチュエータは、圧電素子を備えることができ、静電部はノズルに隣接して形成される電極層を備え、電極層にはノズルに対応する貫通ホールが形成されてもよい。

電極層は複数で形成され、複数の電極層の間には絶縁層が介在されてもよい。この際、複数の電極層はそれぞれ独立された電源に繋がることが可能である。

一方、静電部はノズルから所定間隔離隔されて設けられた対向電極を含むことができる。

また、本発明の他の実施形態によれば、ノズルを通してチャンバに収容されたインクを噴射するインク噴射方法において、（ａ）圧電方式によりノズルに帯電されるインクチップを形成する段階と、及び（ｂ）静電気力を用いてインクチップの少なくとも一部を分離する段階とを含むインク噴射方法が提供される。

インクチップを形成する段階は、（ａ１）チャンバに収容されたインクを帯電させる段階と、及び（ａ２）チャンバに圧力を供給してインクチップを形成する段階とを含むことができ、（ａ２）のインクチップを形成する段階は圧電素子により行われることが可能である。

また、（ｂ）のインクチップの少なくとも一部を分離する段階は、ノズルに隣接して形成され、ノズルに対応する貫通ホールが形成された電極層により行われることができ、電極層は複数個でありうる。この際、複数個の電極層それぞれを独立された電源に連結できる。

一方、（ｂ）のインクチップの少なくとも一部を分離する段階は、ノズルから所定間隔離隔されて設けられた対向電極により行われることもできる。

前述した以外の別の実施形態、特徴、利点が本発明の図面、特許請求の範囲を含んだ発明の詳細な説明により明確になるだろう。

本発明の実施例に係るインク噴射装置及びインク噴射方法は、圧電方式と静電方式とを併用することにより高解像度を具現することができ、かつ、広範囲なグレースケールを具現することができる。

以下、本発明によるインク噴射装置及びインク噴射方法の好ましい実施例を添付図面を参照して詳しく説明するが、添付図面を参照して説明することにおいて、同一であるか対応する構成要素は同一の図面番号を付与し、これに対する重複される説明は略する。

（インク噴射装置）
先ず、本発明の第１実施例に係るインク噴射装置に対して説明する。図１は、本発明の第１実施例に係るインク噴射装置を示す断面図である。図１を参照すると、リザーバ１１０、リストリクター（制限装置）１２０、チャンバ１３０、ノズル１４０、振動板１５０、圧電素子１６０、電極層１７１、絶縁層１７２、インクチップ１８０が示されている。

リザーバ１１０は、インクを収容し、以下で説明するリストリクター１２０を介してチャンバ１３０にインクを提供する。リストリクター１２０は、リザーバ１１０と後で説明するチャンバ１３０とを互いに連通させて、リザーバ１１０からチャンバ１３０にインクを供給する流路としての機能を行う。リストリクター１２０はリザーバ１１０より小さな断面積を持つように形成され、圧電素子１６０により振動板１５０が振動する場合、リザーバ１１０からチャンバ１３０に供給されるインクの量を調節することができる。チャンバ１３０は、リストリクター１２０に繋がってリザーバ１１０と連通する。また、リストリクター１２０に繋がった側面の他側面はノズル１４０に繋がる。このような構造により、リザーバ１１０からインクの供給を受け、これをまたノズル１４０に供給することにより印刷作業が可能になる。

一方、チャンバ１３０は一面が振動板１５０でカバーされ、チャンバ１３０の位置に対応する振動板１５０の上面には圧電素子１６０が結合される。圧電素子１６０は、チャンバ１３０の位置に対応する振動板１５０の上面に結合されて電源により振動を発生する手段である。圧電素子１６０は、圧電素子１６０に供給される電圧に応じて振動を発生して振動板１５０を通してチャンバ１３０に圧力を供給する。ノズル１４０は、チャンバ１３０に繋がり、チャンバ１３０からインクの供給を受けてインクを噴射する機能を行う。圧電素子１６０により発生した振動が振動板１５０を通してチャンバ１３０に伝達されると、チャンバ１３０には圧力が加えられて、この圧力によりノズル１４０がインクを噴射できるようになる。

一方、第１実施例に係るインク噴射装置は、ノズル１４０を通してインクが完全に噴射されないようにしてノズル１４０にインクチップ１８０が形成されるように、チャンバ１３０に供給される圧力を調節することもできる。すなわち、圧電素子１６０に供給される電圧を調節してインクがノズル１４０を通して完全に噴射されなく凸形状のインクチップ１８０を形成するようにすることもできる。ここで、「インクチップ１８０」とは、ノズル１４０を通して完全に噴射されなく、ノズル１４０に付いている凸形状のインクを言う。

このようなインクチップ１８０を形成することにより、静電気力を集中できるようになって、以下で説明する静電部１７０により効率的にインクを噴射できるようになる。

第１実施例に係るインク噴射装置において、静電部１７０は、絶縁層１７２と電極層１７１とを積層して備えることができる。絶縁層１７２は、以下で説明する電極層１７１とノズル１４０とが形成された面を電気的に隔離させる役目を果たす。よって、絶縁層１７２は第１実施例に係るインク噴射装置のノズル１４０が形成される面に結合される。

また、絶縁層１７２には噴射されたインクが進行できるように、ノズル１４０に対応するホールが形成される。絶縁層１７２には以下で説明する電極層１７１が積層される。電極層１７１は、インクチップ１８０の少なくとも一部を分離させて微細なインク液滴を噴射できるように、ノズル１４０及びその周りに電場を形成する手段である。電極層１７１も絶縁層１７２のように噴射されるインクが進行できるように、ノズル１４０に相応するホールが形成される。電極層１７１に電源が印加されてノズル１４０の内部からノズル１４０の外部に電場が形成されると、帯電されるインクチップ１８０は電場により電気力を受けて、電場による電気力がインクチップ１８０の表面張力より大きくなる瞬間、微細なインク液滴がインクチップ１８０から分離され噴射される。

第１実施例では、静電部１７０として、絶縁層１７２と絶縁層１７２に積層される電極層１７１及び電極層１７１に更に積層される絶縁層１７２を提供したが、噴射されるインク液滴の方向性を改善するために、電極層１７１を複数で形成してもよい。電極層１７１を複数で形成することにより、ノズル１４０及びノズル１４０の周りに形成される電場を調節することができ、これにより、噴射されるインクの液滴の方向性を改善できるようになる。

これをより効果的に行うために、複数で形成される電極層１７１をそれぞれ独立した電源に連結することも可能である。すなわち、複数の電極層にそれぞれ独立した電源を印加してこれを独立的に調節することにより、ノズル及びノズルの周りに形成される電場を多様に調節することができ、これは、すぐ噴射されるインク液滴の方向性を改善できる原理となる。

次に、本発明の第２実施例に係るインク噴射装置の構成に対して説明する。図２は、本発明の第２実施例に係るインク噴射装置２００を示す断面図である。図２を参照すると、リザーバ２１０、リストリクター２２０、チャンバ２３０、ノズル２４０、振動板２５０、圧電素子２６０、対向電極２７０、印刷対象物２７５、インクチップ２８０が示されている。第１実施例に係るインク噴射装置２００の場合、対向電極２７０を除けば、前述した第１実施例に係るインク噴射装置と構造が同様であるので、重複される説明は略し、対向電極２７０を主として説明する。

第２実施例に係るインク噴射装置２００は、第１実施例の静電部１７０に対応する構成としてノズル２４０から所定間隔離隔されて介在される対向電極２７０を備える。第１実施例は、静電部１７０をノズル１４０に隣接して形成することにより印刷対象物を向いてインク液滴を押し出す形態を示したが、第２実施例に係るインク噴射装置２００は、対向電極２７０とノズル２４０との間に印刷対象物２７５を位置させて印刷対象物２７５を向いてインク液滴を引き寄せる形態を示す。

より具体的には、ノズル２４０から所定距離離隔された所に対向電極２７０を介在してノズル２４０とノズル２４０の周りに電場を形成して形成された電場によりインクチップ２８０の少なくとも一部が分離され噴射されるようにする。この際、印刷対象物２７５をノズル２４０と対向電極２７０との間に位置させると、ノズル２４０から噴射されるインクの液滴を印刷対象物２７５に供給できるので、印刷作業が行われることになる。

（インク噴射方法）
次に、本発明の実施の形態に係るインク噴射方法を図３を参照して説明する。説明の便宜のために、実施の形態に係るインク噴射方法が図２に示されているインク噴射装置２００により行われる場合を例にあげて説明する。

図３は、本発明の実施例に係るインク噴射方法を示すフローチャアートである。

段階Ｓ１はチャンバ２３０に収容されたインクを帯電させる段階である。追後に説明する段階Ｓ３を行う際、静電気力を用いてインクチップ２８０の少なくとも一部を分離することになるので、インクチップ２８０、すなわち、インクが帯電されることが必須である。よって、段階Ｓ１でチャンバ２３０に収容されたインクが帯電されるようにする。

このような段階Ｓ１は、チャンバ２３０に電気が通じるようにして行うことができる。より具体的には、チャンバ２３０を形成することにおいて、不純物添加されたシリコン（Ｓｉ）ウェハを使用し、チャンバ２３０に別途の電源部（図示せず）で直接電源を連結することによりインクを帯電させることができる。この外にも、予め帯電されたインクをチャンバ２３０に供給する方法も可能である。このように、実施の形態の段階Ｓ１は、設計上の必要により多様に変更された形態で行われることができる。

段階Ｓ２は、チャンバ２３０に圧力を供給してインクチップを形成する段階である。これは、後で説明する段階Ｓ３を行う際に静電気力を集中させる構造を形成するための段階であり、より具体的には、チャンバ２３０に圧力を供給することにより、インクチップ２８０を形成する段階である。

チャンバ２３０に圧力を供給する手段としては、圧電素子２６０及び圧電素子に電源を供給する電源部（図示せず）を用いることができる。但し、本段階は、ノズル２４０を通してインクを完全に噴射することではなく、ノズル２４０に凸形状のインクチップ２８０を形成するための段階であるので、圧電素子２６０がチャンバ２３０に供給する圧力は、このような目的に合わせて調節されなくてはならない。すなわち、圧電素子２６０に供給される電源の大きさはノズル２４０に凸形状のインクチップ２８０が形成されるほどに調節されるべきである。

段階Ｓ３は、静電気力を用いてインクチップ２８０の少なくとも一部を分離する段階である。インクチップ２８０の少なくとも一部を分離することによりインクが噴射されて印刷対象物２７５に供給されることになる。

具体的に説明すると、ノズル２４０及びノズル２４０の周辺にノズル２４０の内部から外側に向く電場を形成することで、インクチップ２８０にノズル２４０の内部からノズル２４０の外部に向く電気力を供給する。このようにインクチップ２８０に供給された電気力がインクチップ２８０の表面張力を超えると、インクチップ２８０の少なくとも一部はインクチップ２８０から分離される。以後、分離されたインク液滴はノズル２４０の周りに形成された電場により印刷対象物２７５に向いて誘導され、これで、印刷作業を行うことができる。

このような段階Ｓ３は、前述したインク噴射装置の静電部と同じ構造を有する手段により行われることができる。すなわち、ノズル１４０に接して介在される絶縁層１７２及び絶縁層１７２に積層された電極層１７１により行われることも可能であり、ノズル２４０から所定間隔離隔されて介在される対向電極２７０により行われることも可能である。これに対する具体的な説明は、前述したインク噴射装置の静電部に対する説明と同様であるのでここでは省略する。

次で、本発明の実施の形態に係るインク噴射方法を通じて広範囲のグレースケールを具現する方法に対して説明する。説明の便宜のために、前述の第１実施例に係るインク噴射装置を用いてインク噴射方法を行うと仮定する。

高解像度を具現するために、微細なインク液滴を噴射する必要がある場合には、前述したように、圧電素子１６０を用いてインクチップ１８０を形成し、静電部１７０を用いてノズル１４０及びノズル１４０の周りに電場を形成してインクチップ１８０に電気力を供給することによりインクチップ１８０の少なくとも一部がインクチップ１８０から分離されるようにする。この際、ノズル及びノズルの周りに形成される電場の大きさを多様に調節してインクチップから分離されるインクの液滴の大きさを調節することができる。

一方、高解像度を具現する必要がない場合、すなわち、大面積印刷のために大きいインクの液滴を噴射する必要がある場合には、静電部１７０の作動を停止させ、圧電素子１６０により直接インクが噴射されるようにする。すなわち、静電部１７０に電源を供給しなく、圧電素子１６０に供給される電源を相対的に増加させてノズル１４０にインクチップ１８０が形成されなく、インク液滴が直ちに噴射されるようにする。

このような制御により、高解像度を具現するための微細なインク液滴を噴射することができ、また大面積の印刷のために大きいインク液滴を噴射することもできるので広範囲のグレースケールを具現することができる。

前述した実施例以外の多くの実施例が本発明の特許請求の範囲内に存在する。

本発明の第１実施例に係るインク噴射装置を示す断面図である。 本発明の第２実施例に係るインク噴射装置を示す断面図である。 本発明の実施の形態に係るインク噴射方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１１０ リザーバ
１２０ リストリクター
１３０ チャンバ
１４０ ノズル
１５０ 振動板
１６０ 圧電素子
１７０ 静電部
１７１ 電極層
１７２ 絶縁層
２７０ 対向電極

Claims (18)

1. インクを収容するチャンバと、
   前記チャンバに圧力を供給するアクチュエータと、
   前記チャンバから前記インクの供給を受けて前記インクを噴射するノズルと、
   前記ノズルの周りに電場を形成する静電部
   とを備えることを特徴とするインク噴射装置。
2. 前記インクが帯電されたことを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
3. 前記インクを帯電させる電源部を更に備えることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
4. 前記チャンバが不純物添加されたシリコンからなり、
   前記電源部が、前記チャンバに繋がることを特徴とする請求項３に記載のインク噴射装置。
5. 前記アクチュエータが前記ノズルにインクチップが形成されるように前記チャンバに圧力を供給することを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
6. 前記静電部が、前記インクチップの少なくとも一部を分離するように電場を形成することを特徴とする請求項５に記載のインク噴射装置。
7. 前記アクチュエータが圧電素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
8. 前記静電部が前記ノズルに隣接して形成される電極層を備え、
   前記電極層には前記ノズルに対応する貫通ホールが形成されることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
9. 前記静電部が複数の前記電極層を備え、複数の前記電極層の間には絶縁層が介在されることを特徴とする請求項８に記載のインク噴射装置。
10. 前記複数の電極層がそれぞれ独立された電源に繋がることを特徴とする請求項９に記載のインク噴射装置。
11. 前記静電部が前記ノズルから所定間隔離隔されて設けられる対向電極を備えることを特徴とする請求項１に記載のインク噴射装置。
12. ノズルを通してチャンバに収容されたインクを噴射するインク噴射方法において、
    圧電方式により前記ノズルに帯電されるインクチップを形成する段階と、
    静電気力により前記インクチップの少なくとも一部を分離する段階
    とを含むことを特徴とするインク噴射方法。
13. 前記インクチップを形成する段階が、
    チャンバに収容されたインクを帯電させる段階と、
    前記チャンバに圧力を供給してインクチップを形成する段階
    とを含むことを特徴とする請求項１２に記載のインク噴射方法。
14. 前記チャンバに圧力を供給してインクチップを形成する段階が、圧電素子により行われることを特徴とする請求項１３に記載のインク噴射方法。
15. 前記分離する段階が、
    前記ノズルに接して形成され、前記ノズルに対応する貫通ホールが形成された電極層により行われることを特徴とする請求項１２に記載のインク噴射方法。
16. 前記電極層が複数個であることを特徴とする請求項１５に記載のインク噴射方法。
17. 前記複数個の電極層のそれぞれを独立された電源に連結することを特徴とする請求項１６に記載のインク噴射方法。
18. 前記分離する段階が、
    前記ノズルから所定の間隔離隔され設けられた対向電極により行われることを特徴とする請求項１２に記載のインク噴射方法。

Images