JP2000079682A

JP2000079682A - 超音波静電液体トナージェットプリンタ

Info

Publication number: JP2000079682A
Application number: JP26566098A
Authority: JP
Inventors: Osamu Tajima; 修田島; Terumi Ohara; 輝美大原; Morihiko Ota; 守彦太田
Original assignee: Victor Company of Japan Ltd
Current assignee: Victor Company of Japan Ltd
Priority date: 1998-09-03
Filing date: 1998-09-03
Publication date: 2000-03-21

Abstract

(57)【要約】【課題】超音波を用いて小さな射出エネルギーで液体
トナーの液滴を形成でき、しかも高速射出が可能な超音
波静電液体トナージェットプリンタを提供する。【解決手段】超音波静電液体トナージェットプリンタ
において、超音波に対してレンズ作用を発揮するために
底面が曲面状になされた液溜め凹部３を有する射出盤２
と、前記液溜め凹部の略中央部に起立される射出突起８
と、帯電された着色粒子を有し、前記液溜め凹部内に収
容される液体トナー１４と、前記液溜め凹部に沿って設
けられて、前記着色粒子と同極性の電圧を印加するバイ
アス電極９と、前記液溜め凹部の下方に設けられ、駆動
電圧によって超音波を発生する超音波トランスジューサ
ー１１とを備え、前記バイアス電界からの電界によって
前記射出突起の先端に凝集させた帯電粒子に、前記超音
波トランスジューサーからの超音波エネルギーを収束さ
せて印加することにより液体トナーの液滴１４Ａを離脱
させるようにする。これにより、超音波を用いて小さな
射出エネルギーで液体トナーの液滴を形成でき、しかも
高速射出が可能とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、帯電された着色粒
子を絶縁性液体中に分散させたトナー液を用い、静電気
力により着色粒子を射出突起の先端に凝集させて超音波
振動により射出突起の先端から液滴を離脱させて記録媒
体上に飛翔させて記録を行なう超音波静電液体トナージ
ェットプリンタに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、静電式の液体トナージェットプ
リンタは、帯電させた着色粒子を分散させてなる液体ト
ナーに着色粒子とは同極性の電界を印加して着色粒子を
射出ポイントに凝集し、この状態で駆動電圧により更に
大きな同極性の電界を印加することにより、液体トナー
の液滴を離脱させ、これを記録媒体まで飛翔させるよう
になっている。そして、最近にあっては、液滴の射出エ
ネルギーとして超音波エネルギーを利用したプリンタ
も、例えば特開平９−７６４９３号公報等において開示
されている。この公報で開示された技術によれば、超音
波ビーム発生手段により発生される超音波ビームを濃縮
手段により色材成分が濃縮された領域に照射することに
よって、色材成分を記録媒体上に飛翔させるようにして
いる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、濃縮さ
れたインクを飛翔させることは極めて困難であり、実質
的には不可能である。以下その理由を述べる。すなわ
ち、液面に超音波を照射すると、超音波によって液面が
波立ち、その波頭がちぎれて飛ぶ現象が生ずることが知
られている。超音波を音響レンズを用いて液面に収束し
この点に発生する大きな液面の波立ち（沸き立ち）でイ
ンクを飛翔させる方法は文献［ＡＣＯＵＳＴＩＣＩＮ
ＫＰＲＩＮＴＩＮＧＢＹＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣ
ＩＮＫＥＪＥＣＴＩＯＮ］に示されている。この文献
では水溶性の粘度６センチポアズの流動性の良いイン
ク、すなわち通常のインクジェット方式のインクと略同
じものを用いている。このように、粘度において水と大
差ないインクを用いているので液面に大きな波立ちを作
れるのである。

【０００４】然るに、上記公報に開示されたごとく液面
に色材を濃縮させればその領域の粘度は上がり液面の波
立ちは抑えられ、その結果、到底液滴の射出はできな
い。また、濃縮された色材同士は超音波振動による摩擦
が大きくなり、超音波振動は液面に達するまでに熱エネ
ルギーとして多くが消費され、その結果、波立ち飛翔の
効率は極めて悪いものとなる。帯電された色材を濃縮
（凝縮）して普通紙に、いわゆる印刷なみの高品質の印
画を実現するには色材（固形分）を印刷インクと同様に
約７０％まで凝縮するのが望ましい。普通紙に滲まぬ状
態まで濃縮して粘度の上がったインクを、超音波の収束
によって波立たせ、且つ飛翔を起こさせることは極めて
困難であり、実用的ではない。

【０００５】また、この公報の技術では濃縮用電極には
色材成分の帯電と逆極性の電圧を印加しているので、イ
ンク吐出口よりインク滴を吐出してもインク滴を引き戻
す逆効果をもたらす。実際には、吐出口周囲の濃縮用電
極の帯電された色材はこの電極に吸着されて飛翔を起こ
せないので、この構造で益々液滴を飛翔させることは困
難である。更に、この公報の技術では、報告されている
超音波音響インクジェット方式と同様数ミクロンの液滴
形成のため１００ＭＨｚ近辺の超音波を用いているが、
この短波長超音波を液面に収束させるためには極めて高
精度の制御が必要とされ、制御が非常に困難である。本
発明は、以上のような問題点に着目し、これを有効に解
決すべく創案されたものであり、その目的は超音波を用
いて小さな射出エネルギーで液体トナーの液滴を形成で
き、しかも高速射出が可能な超音波静電液体トナージェ
ットプリンタを提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】請求項１に規定する超音
波静電液体トナージェットプリンタは、超音波に対して
レンズ作用を発揮するために底面が曲面状になされた液
溜め凹部を有する射出盤と、前記液溜め凹部の略中央部
に起立される射出突起と、帯電された着色粒子を有し、
前記液溜め凹部内に収容される液体トナーと、前記液溜
め凹部に沿って設けられて、前記着色粒子と同極性の電
圧を印加するバイアス電極と、前記液溜め凹部の下方に
設けられ、駆動電圧によって超音波を発生する超音波ト
ランスジューサーとを備え、前記バイアス電界からの電
界によって前記射出突起の先端に凝集させた帯電粒子
に、前記超音波トランスジューサーからの超音波エネル
ギーを収束させて印加することにより液体トナーの液滴
を離脱させるようにしたものである。

【０００７】これによれば、帯電した着色粒子を絶縁性
液体中に分散させてなる液体トナーを射出突起を有す液
溜め凹部に供給し、射出突起の先端方向へ向かう電界に
よって射出突起の先端部に着色粒子が電界の反発力で凝
集する。この凝集された着色粒子は、射出突起から離脱
する力を受けるが、絶縁性液体の表面張力によって射出
突起の先端部に留まっている。このとき、超音波トラン
スジューサーより、射出突起の先端部に超音波を伝達す
ると、この超音波は射出突起の先端に表面張力力におい
て保持されている凝集塊に表面張力を越えて液面を崩す
（波立たせる）エネルギーを与えることからこの凝集塊
は分離され、液滴になる。この液滴は、帯電された着色
粒子のゲル状の凝集体であり、もはや射出突起の先端部
から前方の空間に形成された電場によって加速されて飛
翔し、前方の電場に置かれた記録媒体に衝突して粘着す
ることになる。

【０００８】以上のように、射出突起の先端に形成され
た液体トナーのメニスカスの先端に、電界の押し圧力で
凝集された液体トナーの液体の表面張力で保持されてい
る凝集塊に対して超音波振動を印加してこれを切り放し
て分離し、分離した液滴を電界で飛翔させるようになっ
ている。この場合は、請求項２に規定するように、前記
駆動信号は、射出用バースト高周波信号としてもよい
し、また、請求項３に規定するように、前記液滴を離脱
させる期間以外の期間には、前記射出用バースト高周波
信号よりも振幅の小さい凝集用バースト高周波信号を印
加するようにしてもよい。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下に、本発明に係る超音波静電
液体トナージェットプリンタの一実施例を添付図面に基
づいて詳述する。図１は本発明に係る超音波静電液体ト
ナージェットプリンタを示す断面図、図２は図１に示す
プリンタの側断面図、図３は図１に示すプリンタの上面
図、図４は図１に示すプリンタの１つの射出ポイントを
示す拡大断面図、図５は図４に示す射出ポイントの拡大
側断面図である。図示するように、この超音波静電液体
ジェットプリンタ１は、表面に多数の射出ポイントＰを
有する射出盤２を有している。具体的には、この射出盤
２の上面には、底面が略半球状の曲面状になされた多数
の液溜め凹部３が規則的に縦横に配列されている。この
液溜め凹部３は、図２及び図３に示すように一方向に対
しては境界部分が取り払われて連通した状態が配列され
ている。この液溜め凹部３に液体トナーが満たされる
と、後述するように超音波に対してレンズ作用を発揮す
る。

【００１０】液溜め凹部３が連通した方向（図３中にお
いて横方向）には、その中央に沿って幅の小さな支持壁
４が底面より起立させて設けられている。そして、この
支持壁４の上端には、収容溝５（図４参照）がその長さ
に沿って形成されている。そして、この収容溝５に、上
記各液溜め凹部３に対応させて例えば三角形状の突起部
６を有する長尺の突起板７を嵌め込んで支持させてお
り、これにより、各液溜め凹部３に対応させて射出突起
８を形成している。この射出突起８の先端は、液溜め凹
部３の縁よりも僅かに高くなるように設定されており、
液体トナーの錐体形メニスカスを形成し得るようになっ
ている。上記射出盤２は、ポリスチレン樹脂或いはアク
リル樹脂等により例えばプラスチック射出成形により形
成される。上記突起板７は、例えばポリイミド樹脂等よ
りなる高誘電率の誘電体材料或いは金属材料により形成
することができる。

【００１１】そして、上記射出盤２の上面全体、すなわ
ち、液溜め凹部３の内側表面全体及びそれらの相互間の
表面にはバイアス電極９が形成されており、このバイア
ス電極９には、後述する液体トナーの着色粒子と同極性
の電圧、図１では＋極となるバイアス電圧１０が共通に
印加されている。このバイアス電極９は、例えばスパッ
タリング等により射出盤２の表面に金属被膜を堆積させ
ることにより形成することができる。そして、各液溜め
凹部３の下方には、個別に制御可能になされた超音波ト
ランスジューサー１１が配置されており、このトランス
ジューサー１１はその厚さ方向に振動して図１中におい
て上方向に向けて超音波１２（図４参照）を発射し得る
ようになっている。このトランスジューサー１１の端子
１３には、印画用の駆動電圧（信号）が印加される。
尚、射出盤２の裏面に形成された共通電極１７はトラン
スジューサー１１の反対側の電極であり、接地されてい
る。そして、各液溜め凹部３内には、帯電された着色粒
子を絶縁性液体中に分散させてなる液体トナー１４が収
容されて満たされる。ここでは着色粒子は例えば＋極に
帯電されている。また、この射出盤２の対向側には、例
えば記録紙等の記録媒体１５が配置されており、この記
録媒体１５は、接地された媒体保持体１６に保持され、
例えばこの記録媒体１５を走査し得るようになってい
る。

【００１２】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、各液溜め凹部３内へ液体
トナー１４を供給することによって、この液体の表面張
力で各液溜め凹部３の縁とその中心に配置された射出突
起８の上端との間で錐体状のメニスカス１８が形成され
る。そして、バイアス電極９にバイアス電圧１０が印加
されないときはメニスカス１８の頂部への着色粒子の凝
集は無く、膨らみは生じていない。そして、バイアス電
圧１０がバイアス電極９に印加されると、発生する電界
のクーロン力により着色粒子は上方へ押しやられ、メニ
スカス１８の頂部には着色粒子が凝集されて、膨らみ１
９が生ずる（図１参照）。尚、この現象は各射出ポイン
トＰにて共通の現象として生ずる。

【００１３】ここで選択された超音波トランスジューサ
ー１１の下面の端子１３に印画用の駆動電圧を印加する
と、超音波トランスジューサー１１は矢印Ａ方向（図４
参照）の厚さ方向の振動を起こし、超音波１２を上方向
へ発射する。この平面の超音波１２は液溜め凹部３内に
液体トナー１４を収容することによって発揮されるレン
ズ作用によって射出突起８の先端に収束されて振動パワ
ーは強まる。この振動エネルギーによって液体の表面張
力による着色粒子の保持のバランスが破られ、メニスカ
ス１８の頂部の膨らみ１９が着色粒子凝集のクーロン力
で急激に伸びて着色粒子１８の液滴１４Ａが発生する。
この液滴１４Ａは帯電しており、液体表面張力の拘束を
解かれたのでバイアス電界により加速されて上方へ飛翔
する。そして、記録媒体１５に着弾し、付着することに
なる。液滴１４Ａの生成と飛翔は超音波の印加が持続し
ている間、継続するので超音波の印加期間に応じて印字
濃度が決まる。

【００１４】ここで図６（Ａ）はバイアス電圧１０の出
力Ｖｂを示し、図６（Ｂ）は超音波トランスジューサー
１１からの出力Ｗを示す。この超音波出力は図７（Ａ）
に示すような射出用バースト高周波信号によるバースト
振動である。また、他の高周波信号の印加手法として、
図６（Ｃ）に示すように液滴射出期間以外の期間に、バ
イアス電圧によるクーロン力と相乗しても液滴射出にな
らない程度の弱い超音波出力Ｗｏを印加する方法もあ
る。この弱い超音波は液体トナー中の液体と着色粒子の
拘束を解き、着色粒子間の摩擦も減らすことから印字パ
ルス間の着色粒子のクーロン力による凝集をより高速に
行なうことができ、その結果、射出インターバルを短く
することができる。この時の超音波波形は図７（Ｂ）に
示されており、出力Ｗｏの凝集用バースト高周波信号が
液滴射出期間以外の期間に印加されている。

【００１５】ここで液体トナー１４が満たされた液溜め
凹部３におけるレンズ作用による収束効果は以下の通り
である。ｄ＝１．２λ／（ａ／ｆ）ただし、ｄ：焦点域直径、λ：超音波波長、ａ：集束レ
ンズ口径、ｆ：焦点距離である。ここで、λ、ｆは次の
ように規定される。 λ＝２ｔ・Ｖｅ／Ｖｔ（共振周波数を選ぶとき）ｔ：トランスジューサー厚さＶｅ：液体中の音速Ｖｔ：トランスジューサー内の音速ｆ＝ｒ／（１−Ｖｓ／Ｖｅ）ｒ：液溜め凹部の曲面半径Ｖｓ：射出盤中の音速一例として、液体トナー１４の液体イソパラフィン（ｎ
−ｄｏｄｅｃａｎｅ）、射出盤２をポリスチレン樹脂、
ｒ＝０．７ｍｍとする時、ｆ＝１．５４ｍｍとなる。そ
して、ｔ＝０．１のとき、略λ＝０．１３となる。更に
ａ＝０．９８ｍｍであるとき、ｄ＝０．２４ｍｍとな
る。よって（ａ／ｄ）² ＝１６となり、大幅なパワー密
度上昇が起こる。

【００１６】この例で分かるように、超音波のエネルギ
ー集中を起こさせることができ、しかもその領域の直径
は０．２４ｍｍと大きく、従来例のようにエネルギー集
中領域の微小なることによって微小液滴を発生させる機
構とは異なる。この従来装置においては、微小液滴は射
出突起の鋭い先端（曲率２０ミクロン前後）に凝集され
る微小な凝集塊の表面張力による保持が破壊されること
で発生するのであり、本発明のプリンタでは所定の超音
波のエネルギー密度は必要であるが超音波の液滴サイズ
への集中は必要ではない。この理由は前述したように、
本発明では従来の超音波による射出と異なる原理を用い
ているからである。

【００１７】また、本実施例では、射出突起８を形成す
るために薄板材料の突起板７の端部を山形（三角形）に
加工したものを用いているが、このように射出突起８を
射出盤２と別の部品で構成する理由は細くて鋭い射出突
起８を液溜め凹部３と同時に成形するよりこの射出突起
８を別体で形成する方が、製造が容易であることによ
る。また、射出突起８をそれぞれ針状の部材として、各
液溜め凹部３中の突起板７を板材ではなくて、それぞれ
塔形状とし、前記針状の射出突起を底面より個別に起立
させて立てれば、形成される最小の液滴は先に説明した
実施例よりも更に小さいものとなる。また、射出突起８
の部材は高誘電率の誘電体が良いが、金属製としてもよ
く、この場合には先端に電気力線が集中するので好まし
い。

【００１８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の超音波静
電液体トナージェットプリンタによれば、次のように優
れた作用効果を発揮することができる。射出盤に液溜め
凹部を設けその下方に超音波トランスジューサーを設
け、液溜め凹部の中央に射出突起を設けて液体トナーを
供給し、液溜め凹部の縁と射出突起の先端で錐体形のメ
ニスカスを形成させてその先端に超音波振動を収束させ
るようにしたので、印字エネルギーを極めて小さくする
ことができると共に、液溜め凹部中に十分な量の液体ト
ナーが蓄えられたまま流動できるので、着色粒子の凝集
のための泳動が容易に行なわれ、高速の射出ができる。
射出突起が細く鋭いので、最小寸法の液滴が一層小さく
できる利点がある。また、液滴サイズは超音波焦点径に
よって決められる方式でないので、超音波周波数、レン
ズ作用の精度等が高いものが必要でなく、設計生産が容
易である。また、液体トナーの液面を焦点面として数μ
ｍの精密な制御をする必要もない。更には、超音波で各
射出突起の液滴射出の制御を行ない、しかも超音波は電
界のように拡がらないので、隣接射出ポイントへのクロ
ストークは極めて少なくすることができ、特にレンズ作
用を用いる方式では隣接射出ポイントへの影響を更に小
さくすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る超音波静電液体トナージェットプ
リンタを示す断面図である。

【図２】図１に示すプリンタの側断面図である。

【図３】図１に示すプリンタの上面図である。

【図４】図１に示すプリンタの１つの射出ポイントを示
す拡大断面図である。

【図５】図４に示す射出ポイントの拡大側断面図であ
る。

【図６】バイアス電圧及び駆動電圧を示す波形図であ
る。

【図７】駆動電圧であるバースト高周波信号を示す図で
ある。

【符号の説明】

１…超音波静電液体ジェットプリンタ、２…射出盤、３
…液溜め凹部、７…突起板、８…射出突起、９…バイア
ス電極、１０…バイアス電圧、１１…超音波トランスジ
ューサー、１２…超音波、１４…液体トナー、１４Ａ…
液滴、１５…記録媒体、１８…メニスカス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者太田守彦神奈川県横浜市神奈川区守屋町３丁目12番地日本ビクター株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF51 AG21 AG62 BF06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】超音波に対してレンズ作用を発揮するた
めに底面が曲面状になされた液溜め凹部を有する射出盤
と、前記液溜め凹部の略中央部に起立される射出突起
と、帯電された着色粒子を有し、前記液溜め凹部内に収
容される液体トナーと、前記液溜め凹部に沿って設けら
れて前記着色粒子と同極性の電圧を印加するバイアス電
極と、前記液溜め凹部の下方に設けられ、駆動電圧によ
って超音波を発生する超音波トランスジューサーとを備
え、前記バイアス電界からの電界によって前記射出突起
の先端に凝集させた帯電粒子に、前記超音波トランスジ
ューサーからの超音波エネルギーを収束させて印加する
ことにより液体トナーの液滴を離脱させるようにしたこ
とを特徴とする超音波静電液体トナージェットプリン
タ。
【請求項２】前記駆動信号は、射出用バースト高周波
信号であることを特徴とする請求項１記載の超音波静電
液体トナージェットプリンタ。
【請求項３】前記液滴を離脱させる期間以外の期間に
は、前記射出用バースト高周波信号よりも振幅の小さい
凝集用バースト高周波信号を印加するようにしたことを
特徴とする請求項１または２記載の超音波静電液体トナ
ージェットプリンタ。