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
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Description
【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)
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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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