JP3809604B2 - バブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェットプリントヘッドに係り、特にバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般的にインクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの液滴(droplet)を記録用紙上の所望の位置に放出させて所定色相の画像に印刷する装置を言う。
このようなインクジェットプリンタのインク吐出方式としては、熱源を利用してインクに気泡を発生させ、その力でインクを吐出させる電気−熱変換方式（electro-thermal transducer、バブルジェット（登録商標）方式）と、圧電体を利用して圧電体の変形により生じるインクの体積変化によりインクを吐出させる電気−機械変換方式(electro-mechanical transducer)とがある。
【０００３】
図１Ａ及び図１Ｂを参照してバブルジェット（登録商標）方式のインク吐出メカニズムを説明すれば次の通りである。ノズル１１が形成されたインク流路１０に抵抗発熱体よりなった第１ヒータ１２に電流パルスを印加すれば、第１ヒータ１２から生じた熱がインク１４を加熱してインク流路１０内にバブルが生成されてその力によりインク液滴１４’が吐出される。
【０００４】
ところで、そのようなバブルジェット（登録商標）方式のインク吐出部を有するインクジェットプリントヘッドは次のような要件を満足せねばならない。
【０００５】
第一、可能な限りその製造が簡単で製造費用が低廉で、量産が可能でなければならない。
【０００６】
第二、鮮明な画質を得るためには、吐出される主液滴に後続する主液滴より微細な副液滴の生成が抑制されなければならない。
【０００７】
第三、一つのノズルからインクを吐出したり、インクの吐出後にインクチャンバにインクが再び充填される時、インクを吐出しない隣接した他のノズルとの干渉が抑制されなければならない。そのためにはインク吐出時にノズルの反対方向にインクが逆流する現象を抑制せねばならない。
【０００８】
図１Ａ及び図１Ｂにおいて、第２ヒータ１３はそのようなインク逆流を抑制するためのものである。前記第２ヒータ１３は第１ヒータ１２より先に発熱して第１ヒータ１２後方のインク流路１０をバブル１６により遮断し、これに続き第１ヒータ１２が発熱することによりバブル１５の膨張力によりインク液滴１４’を吐出させる。
【０００９】
第四、高速プリントのためには、可能な限りインクの吐出とインクチャンバとにインクを再び充填する周期が短くなければならない。
【００１０】
第五、ノズル及びノズルにインクを導入させる流路が異物及びインクの凝固による塞がりがあってはならない。
【００１１】
ところで、そのような要件は互いに相反する場合が多い。従って、インクジェットプリントヘッドの性能はインクチャンバ、インク流路及びヒータの構造、それによるバブルの生成及び膨脹形態または各要素の相対的の大きさなど多くの要因と密接な関連がある。
【００１２】
図２は従来のインクジェットプリントヘッドの内部構造を図示した斜視図であり、図３は図２に図示されたプリントヘッドのインク液滴放出過程を説明するための断面図である。
【００１３】
図２を参照すれば、インクジェットプリントヘッドは基板２０と、その基板２０上に設置されてインクが充填されるインクチャンバ２６を形成する壁体２２と、前記インクチャンバ２６内に設置される発熱用ヒータ２３と、インク液滴が放出されるオリフィス２４が形成されたノズル板２１を含んでいる。前記インクチャンバ２６内にはインク流路２５を通じてインクが充填され、インクチャンバ２６と連通した前記オリフィス２４の中にも毛細管現象によりインクが充填される。
【００１４】
前記構成において、ヒータ２３に電流が供給されればヒータ２３が発熱されつつインクチャンバ２６に充填されたインクの中に図３に図示されたようにバブルＢが形成される。すると、このバブルＢの体積膨脹によりインクチャンバ２６の中に充填されたインクに圧力が加えられ、この圧力により前記オリフィス２４を通じて外部にインク液滴２８が放出される。
【００１５】
ところで、前記のような構造のインクジェットプリントヘッドにおいては、前記ヒータ２３により生じた熱量の相当な部分が基板２０に伝熱されて吸収される。すなわち、ヒータ２３により生じた熱量はインクを加熱してバブルＢを生じるのに使われねばならないのであるが、この熱量の相当な部分が基板２０に吸収され、残りの熱量だけバブルＢ形成に使われる。これはバブルＢを生じるために供給されたエネルギーが基板２０を加熱するのに浪費されるわけで、結局エネルギーの消耗が甚だしくなり、基板２０に伝えられる熱量がヘッドシステムを加熱させることにより、印刷サイクルが進められるにつれてヘッドの温度が大きく上昇するという問題がある。また、基板２０に熱が漏れれば、それだけインクの加熱にも時間がかかり、それにより冷却も徐々になされてバブルの生成と消滅周期とが延びてプリント速度が遅くなる問題もある。
【００１６】
一方、インクジェットプリントヘッドのプリント速度を決定づける重要変数のうちの一つは、生成されたバブルにより逆流されるインクの量と密接な関係がある。前記のような構造のインクジェットプリントヘッドにおいてはバブルＢにより吐出されるインクの量とほとんど対等なインクが逆流することにより次の印刷サイクルが早い時間内に進められなくなり、結局ヘッドのプリント速度が落ちるという問題点がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は前記のような問題点を解決するために、インクチャンバ内部に設置されたヒータを基板と直接接触させず、またインク流路を基板内部に整えることにより、少ないエネルギーでヘッドを駆動させ、インクの逆流を防止し、ヘッドのプリント速度を速めるのにその目的がある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために本発明の一実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドは、基板と、前記基板と所定の間隔をおいて設置されるものであってインクを吐出するためのオリフィスが形成されたノズル板と、前記基板とノズル板間の空間を閉鎖して前記基板とノズル板間にインクが充填されるインクチャンバを形成する壁体と、前記基板と前記ノズル板間に介在されて前記インクチャンバをその上部の主インクチャンバと下部の補助インクチャンバとに区分し、前記主インクチャンバ及び補助インクチャンバに充填されたインクを加熱して各々主バブル及び補助バブルを生じるヒータとを備えることを特徴とする。
【００１９】
ここで、本発明によるプリントヘッドは前記基板上にヒータと対応するものであって前記補助インクチャンバを形成する溝が形成され、前記主インクチャンバと補助インクチャンバとは互いに連通することが望ましい。
【００２０】
一方、本発明の他の実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドは、基板と、前記基板と所定の間隔をおいて設置されるものであってインクを吐出するためのオリフィスが形成されたノズル板と、前記基板とノズル板間の空間を閉鎖して前記基板とノズル板間にインクが充填されるインクチャンバを形成する壁体と、前記基板と前記ノズル板間に介在されて前記インクチャンバをその上部の主インクチャンバと下部の補助インクチャンバとに区分し、前記主インクチャンバ及び補助インクチャンバに充填されたインクを加熱して各々主バブル及び補助バブルを生じるヒータと、前記補助インクチャンバとインク貯蔵庫とを連結して前記補助インクチャンバにインクを流入させて前記主インクチャンバにインクを供給するインク流路とを備えることを特徴とする。
【００２１】
ここで、前記基板上には前記ヒータと対応するものであって前記補助インクチャンバを形成する溝が形成され、前記インク流路は前記ヒータの中心部に対応して前記溝の底に貫通形成されることが望ましい。一方、前記ヒータの上面及び下面各々に上部保護層及び下部保護層とが設けられ、前記下部保護層のうち前記インク流路に対応する部分が前記上部保護層より薄く形成されることが望ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、添付された図面を参照しつつ、本発明のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドによる望ましい実施形態を詳細に説明する。
【００２３】
図４は本発明の一実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの断面を図示し、図５は図４のプリントヘッドの内部平面図である。
【００２４】
図４及び図５を参照すれば、バブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドは基板１００と、前記基板１００と所定間隔をおいて設置されるノズル板１０１と、前記基板１００とノズル板１０１間にインクが充填されるインクチャンバを形成する壁体１０２と、前記インクチャンバ内に設置される発熱用ヒータ１０３とを備える。前記ノズル板１０１にはインクを吐出するためのオリフィス１０４が形成されており、前記インクチャンバ内にはインク貯蔵庫（図示せず）からインク流路１０５を通じてインクが充填される。一方、前記基板１００上にはオリフィス１０４と対向する部位に四角形の溝１０８が形成され、前記ヒータ１０３は溝１０８が形成された部位の基板１００の上面に設置される。従って、インクチャンバはヒータ１０３上部の主インクチャンバ１０６と、ヒータ１０３下部（すなわち、基板１００上に形成された溝１０８の内部）の補助インクチャンバ１０７とに区分されて形成される。前記ヒータ１０３は図５に図示されたように溝１０８が形成された部位の基板１００の上部に設置され、主インクチャンバ１０６と補助インクチャンバ１０７とは互いに連通し、ヒータ１０３は各インクチャンバ１０６、１０７内に充填されたインクにより包まれる。この時、各インクチャンバ１０６、１０７内に充填されたインクとヒータ１０３との接触を防止するためにヒータ１０３の上面及び下面には保護層１２５が設けられる。そして、電流を印加してヒータ１０３を発熱させるために前記ヒータ１０３は保護層１２５に形成された貫通ホール（図示せず）を通じてコンダクタ１２０と連結する。
【００２５】
このような構成において、コンダクタ１２０を通じてヒータ１０３に電流が供給されれば、ヒータ１０３は発熱しつつ主インクチャンバ１０６及び補助インクチャンバ１０７内に充填されたインク中に各々主バブルＢ’及び補助バブルＢ”を生じる。このバブルＢ’、Ｂ”の体積膨脹によりノズル板１０１に形成されたオリフィス１０４を通じてインクが吐出される。
【００２６】
従って、従来とは異なり、前記ヒータ１０３が主インクチャンバ１０６及び補助インクチャンバ１０７に充填されたインクにより包まれているので、ヒータ１０３から発生した熱量全てインクに伝えられてバブルＢ’、Ｂ”を生じる。
【００２７】
以上では、基板１００上に形成された溝１０８の形が四角形の場合を説明したが、溝１０８の内部が補助インクチャンバ１０７を形成して前記のような作用をする場合にはそれ以外の形も可能である。
【００２８】
本発明の他の実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドが図６及び図７に図示されている。図６はインクジェットプリントヘッドの断面を図示したものであり、図７は図６のプリントヘッドの内部平面図である。ここで、図４及び図５と同じ参照符号は同じ機能を果たす同じ部材を指す。
【００２９】
図面を参照すれば、バブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドは前述したように基板１００、ノズル板１０１、壁体１０２及びヒータ１０３を備え、前記ヒータ１０３の上面及び下面には保護層１２５が設けられ、電流印加のためのコンダクタ１２０が前記ヒータ１０３と連結する。前記基板１００上にはオリフィス１０４に対向して四角形の溝１０８が形成されていてその溝１０８上にヒータ１０３が設置される。ヒータ１０３の上部及び下部には各々主インクチャンバ１０６と補助インクチャンバ１０７とを形成して図７に図示されたように互いに連通している。一方、インク貯蔵庫（図示せず）から補助インクチャンバ１０７にインクを流入させて主インクチャンバにインクを供給するインク流路１１０はヒータ１０３の中心部に対応し、前記補助インクチャンバ１０７の底に貫通形成される。
【００３０】
このような構成において、ヒータ１０３が発熱すればその発熱量全てが主インクチャンバ１０６及び補助インクチャンバ１０７に充填されたインクに伝熱されて各々主バブルＢ’及び補助バブルＢ”が発生することは前述した通りである。一方、インク吐出時に補助インクチャンバ１０７から発生した補助バブルＢ”が補助インクチャンバ１０７の底に貫通形成されたインク流路１１０の入口を防止することにより結果的にインクの逆流を抑制できる。この時、インクの逆流を効果的に防止するために補助インクチャンバ１０７を形成する溝１０８の形や深さ及びインク流路１１０の断面積を考慮すべきである。
【００３１】
以上では、基板１００上に形成された溝１０８の形が四角形の場合であるが、それ以外の形も可能であるということは前述した通りである。
【００３２】
また、インクとヒータ１０３との絶縁目的に使われる保護層１２５の厚さを主インクチャンバ１０６方向と補助インクチャンバ１０７側から各々異なるようにし、補助インクチャンバ１０７側の保護層を多層に形成して補助バブルＢ”を発生させれば、インクの逆流をより一層効果的に防止できる。これについて、図８は厚さを異にする保護層が設けられたヒータ部の断面を図示している。
【００３３】
図面を参照すれば、ヒータ１０３の下面に設けられた下部保護層１２５”はインク流路１１０に対応する部分においてヒータ１０３の上面に設けられた上部保護層１２５’より薄く形成されている。従って、ヒータ１０３から生じた熱が主インクチャンバ１０６より補助インクチャンバ１０７に充填されたインクにより早く伝えられて補助バブルＢ”が主バブルＢ’より先に生成されることにより、主バブルＢ’による圧力を効果的に遮断してインクの逆流を防止する。また、下部保護層１２５”を多層としてインク流路１１０の上部に該当する部分だけ薄く形成することにより、補助インクチャンバ１０７において生成される補助バブルＢ”を小さくすれば、補助バブルＢ”自体によるインクの逆流と主バブルＢ’から発生する圧力とを遮断する効果を最適化できる。
【００３４】
以上の実施形態では溝が形成された基板上にヒータが設置されることにより主インクチャンバ及び補助インクチャンバを形成した場合を説明したが、基板上に溝の形成いかんと関係なく基板とノズル板間にヒータが介在されて主インクチャンバ及び補助インクチャンバを形成することにより同じ効果を奏することも可能である。
【００３５】
本発明は図面に図示された実施形態をあげて説明したが、これは例示的なことにしか過ぎず、本発明が属する技術的範囲内で通常の知識を持った者により変形可能であることはもちろんである。
【００３６】
【発明の効果】
以上において説明したように、本発明によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドはヒータを基板とノズル板間に介在するものであり、ヒータから基板への熱損失を減少させてより少ないエネルギーでヘッドを駆動させることができ、基板に蓄積される不必要な熱量を減らしてヘッドの耐久性を良くし、インク吐出後にヒータの早い冷却によりヘッドのプリント速度を速めることができる。またヒータ下部にインク流路を設けることによりインク吐出時にインクの逆流を防止してヘッドのプリント速度を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】 バブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドのインク吐出メカニズムを説明するための断面図である。
【図１Ｂ】 バブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドのインク吐出メカニズムを説明するための断面図である。
【図２】 従来のインクジェットプリントヘッドの内部構造を図示した切除斜視図である。
【図３】 図１に図示されたプリントヘッドのインク液滴の放出過程を説明するための断面図である。
【図４】 本発明の一実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの断面図である。
【図５】 図４のプリントヘッドの内部を示す平面図である。
【図６】 本発明の他の実施形態によるバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッドの断面図である。
【図７】 図６のプリントヘッドの内部を示す平面図である。
【図８】 図６において保護層の厚さを異にしたヒータ部分の断面図である。
【符号の説明】
１００ 基板
１０１ ノズル板
１０２ 壁体
１０３ 発熱用ヒータ
１０４ オリフィス
１０６ 主インクチャンバ
１０７ 補助インクチャンバ
１０８ 溝
１１０ インク流路
１２０ コンダクタ
１２５ 保護層

Claims (6)

1. 基板と、
   前記基板と所定の間隔をおいて設置されるものであってインクを吐出するためのオリフィスが形成されたノズル板と、
   前記基板とノズル板間の空間を閉鎖して前記基板とノズル板間にインクが充填されるインクチャンバを形成する壁体と、
   前記基板と前記ノズル板間に介在されて前記インクチャンバをその上部の主インクチャンバと下部の補助インクチャンバとに区分し、前記主インクチャンバ及び補助インクチャンバに充填されたインクを加熱して各々主バブル及び補助バブルを生じるヒータと、
   前記補助インクチャンバとインク貯蔵庫とを連結して前記補助インクチャンバにインクを流入させて前記主インクチャンバにインクを供給するインク流路とを備え、
   インク吐出時に前記補助バブルが前記インク流路の入口を閉塞することを特徴とするバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。
2. 前記基板上には前記ヒータと対応するものであり、前記補助インクチャンバを形成する溝が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記インク流路は前記ヒータの中心部に対応し、前記補助インクチャンバの底に貫通形成されることを特徴とする請求項２に記載のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記ヒータの上面及び下面に各々上部保護層及び下部保護層が形成されることを特徴とする請求項１ないし３のうちいずれの１に記載のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記下部保護層が前記上部保護層より薄く形成されることを特徴とする請求項４に記載のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記下部保護層のうち前記インク流路に対応する部分が前記上部保護層より薄く形成されることを特徴とする請求項４に記載のバブルジェット（登録商標）方式のインクジェットプリントヘッド。

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