JP2000127410A

JP2000127410A - プリンター装置

Info

Publication number: JP2000127410A
Application number: JP10305350A
Authority: JP
Inventors: Akira Ri; 燦李; Hideki Shinohara; 英毅篠原; Shigetaka Fujiwara; 重隆藤原; Shuji Imazeki; 周治今関; Seiji Yonekura; 清治米倉; Keiji Nagae; 慶治長江
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1998-10-27
Filing date: 1998-10-27
Publication date: 2000-05-09
Also published as: KR20000029341A; EP0997282A3; CA2287665A1; US6328426B1; EP0997282A2

Abstract

(57)【要約】【課題】高速に高精細・高階調記録をすることができる
プリンター装置を提供する。【解決手段】吐出電極の先端にコヒージョン域２２０の
電場を印加すると、吐出電極の先端から球状の顔料凝集
体１が飛翔する。この場合、インク吐出周期は比較的長
いが、吐出電極１１ａの先端から余分な帯電顔料粒子が
飛翔しないため、微細な画素を記録媒体上に形成するこ
とができる。吐出電極の先端にコンデンセーション域２
２２の電場を印加すると、吐出電極の先端から半球状ま
たは肉厚シェル状の顔料凝集体１９０が飛翔する。この
場合、半球状または肉厚シェル状の顔料凝集体１９０と
共に、帯電顔料粒子を含むインク溶媒も飛翔するため、
コヒージョン域２２０よりも高濃度の画素を高速に記録
することができる。このようなコンデンセーション領域
２２２はベタ塗り記録に適している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、帯電顔料粒子を含
むインクを電場で飛翔させるプリンター装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク液滴を吹き付けることによって記
録媒体上に画素を形成するインクジェット記録装置のイ
ンク吐出方式として、(１)加熱素子でインクを加熱した
ときに生じる気泡の圧力でインクをノズルから吐出させ
る電気・熱変換方式、(２)電場によって分極させた絶縁
インク溶媒、または、導電性インク溶媒を静電気で引く
静電方式が知られている。電気・熱変換方式のインクジ
ェット記録装置としては、特公昭５６−９４２９号公報
記載のインクジェット記録装置が知られており、静電方
式のインクジェット記録装置としては、特開昭５６−４
４６７号公報記載のインクジェット記録装置、特開平８
−１７４８１５号公報記載のインクジェット記録装置が
知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記電気・
熱変換方式のインクジェット記録装置は、インク吐出量
が印加電圧に依存しないため、階調記録には不向きであ
る。また、個々のノズルにそれぞれ加熱素子等を設ける
必要があるため、ノズルの高密度化が困難である。ま
た、解像度を上げるためにノズル孔径を小さくすると、
インクの固化等による目詰まりでインクの吐出安定性が
低下することがある。

【０００４】一方、上記静電方式のインクジェット記録
装置は、ノズルの先端付近の電場の変化にインク吐出量
が敏感に反応するため、インク吐出量が不安定になりが
ちである。また、導電性インクを用いる場合には、ノズ
ルからのインク吐出周波数を制限して、飛翔中のインク
液滴間の相互作用を回避する必要があるため、記録速度
が低下する。

【０００５】そこで、本発明は、インクの吐出安定性に
優れ、しかも高速に高精細・高階調記録をすることがで
きるプリンター装置を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明は、帯電顔料粒子を含むインクが供給される
スリット内に設けられた複数の吐出電極と、当該複数の
吐出電極に対向する対向電極との間に電界を形成し、当
該複数の吐出電極の先端からそれぞれ前記対向電極に向
けてインク液滴を飛翔させるプリンター装置であって、
前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記各吐出電
極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を５
０体積％以上含むインク液滴を飛翔させることを特徴す
るプリンター装置を提供する。

【０００７】さらに、本発明に係るプリンター装置は、
(１)印刷ドットの直径が約１μｍ〜１０μｍであるこ
と、(２)各吐出電極と対向電極との間にパルス電界を印
加するパルス電界印加手段を有し、さらにそのパルス電
界印加手段が、パルス電圧およびパルス幅を変化させる
ことによって印刷ドット直径を変化させる制御手段を有
すること、(３)各吐出電極の両側に、それぞれ、インク
の流れをガイドする仕切り部材を設け、その仕切り部材
の先端(前記インク液滴が流出する先端)が絞られている
こと、(４)各吐出電極の先端に電界が集中するように、
各吐出電極の先端が三角形状に絞られており、その先端
角が９０度以下、好ましくは３０度〜７０度であるこ
と、のうちの少なくとも１つの条件を満たすことによ
り、前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記吐出
電極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を
含むインク液滴を飛翔させる。

【０００８】前記インクは、(１)前記帯電顔料として、
単位質量当りの電荷量１０〜２００ｍＣ／ｇかつ粒子半
径０.１〜５μｍの電荷顔料を２〜１０ｖｏｌ％含有す
ること、(２)位質量当りの電荷量または粒子径が互いに
異なる帯電顔料粒子を少なくとも２種類含有すること、
のうちの少なくとも１つの条件を満たすことが望まし
い。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面を参照しなが
ら、本発明に係る実施の一形態について説明する。

【００１０】まず、本実施の形態に係るインク飛翔原理
について説明する。但し、ここでは、説明の便宜上、帯
電顔料粒子を含むインクが蓄えられたオリフィス内に吐
出電極１１ａが１本だけ配置された簡略化モデル(図８
参照)を用いることとする。

【００１１】概要は、図２４に示すように、プリンター
装置の吐出電極の先端からインク液滴を飛翔させること
ができる電場域には、インク液滴の飛翔形態の異なる３
つの領域が存在することであり、その詳細は、以下の通
りである。

【００１２】パルス電圧発生装置１３からのパルス電圧
が吐出電極１１ａに印加されると、図９に示すように、
吐出電極１１ａ側から対向電極１０側に向かう電場が発
生する。ここでは、先端の鋭利な吐出電極１１ａを用い
ているため、その先端付近に最も強い電場が発生してい
る。このような電場が発生すると、図１０に示すよう
に、インク溶媒中の個々の帯電顔料粒子１ａは、それぞ
れ、この電場から及ぼされる力ｆ_Eによってインク液面
に向かって移動する。これにより、インク液面付近の顔
料濃度が濃縮される。そして、図１１に示すように、イ
ンク液面付近に複数の帯電顔料粒子１ａが、電極の反対
側によせられて凝集しはじめる。そして、インク液面付
近に顔料凝集体１が球状に成長しはじめると、個々の帯
電顔料粒子１ａには、それぞれ、この顔料凝集体１から
の静電反発力ｆ_conが作用しはじめる。すなわち、個々
の帯電顔料粒子１ａには、それぞれ、顔料凝集体１から
の静電反発力ｆ_conと、パルス電圧による電場Ｅからの
力ｆ_Eとの合力ｆ_totalが作用する。したがって、帯電顔
料粒子間の静電反発力が互いの凝集力を超えない範囲内
においては、顔料凝集体１に向いた合力ｆ_totalが作用
する帯電顔料粒子１ａ(吐出電極１１ａの先端と顔料凝
集体１の中心とを結ぶ直線上にある帯電顔料粒子１ａ)
に電界から及ぼされる力ｆ_Eが、顔料凝集体１からの静
電反発力ｆ_conを上回れば(ｆ_E≧ｆ_con)、顔料凝集体１
ａは顔料凝集体１に成長する。このことより、以下のよ
うにして、インク液面付近に形成される球状の顔料凝集
体１の半径Ｒ_conを算出することができる。

【００１３】顔料凝集体１の形状を完全な球と仮定する
と、ｎ個の帯電顔料粒子１ａによって形成される球状の
顔料凝集体１の体積と、帯電顔料粒子１個あたりの体積
との間には、次式(１)で表される関係がある。

【００１４】

【数１】

【００１５】ここで、αは、顔料凝集体１の体積に対す
るｎ個の帯電顔料粒子１ａの体積の割合(充填率)である
(以下の数式において同じ)。一定容積内に任意形状の物
を詰め込んだ場合の充填率は５０％〜９０％であるか
ら、本実施の形態に係るインク飛翔原理によって吐出電
極から飛翔するインク液滴の充填率も５０％〜９０％と
なる。例えば面心立方結晶構造(ＦＣＣ)の場合の充填率
αは７４％である。

【００１６】また、ｎ個の帯電顔料粒子１ａによって形
成されている顔料凝集体１の電荷によって、この顔料凝
集体１の中心から距離Ｓの位置に生じる電場Ｅ_conは、
次式(２)によって表される。

【００１７】

【数２】

【００１８】ここで、πは、円周率であり、εは、イン
ク溶媒の誘電率であり、ｑは、次式(３)により表される
帯電顔料粒子１個あたりの帯電量である(以下の数式に
おいて同じ)。

【００１９】

【数３】

【００２０】ここで、Ｑは、帯電顔料粒子１ａの単位質
量当りの電荷量であり、ρは、帯電顔料粒子１ａの密度
であり、ｒは、帯電顔料粒子１ａの半径である(以下の
数式において同じ)。

【００２１】そして、顔料凝集体１が成長するために
は、その顔料凝集体１に帯電顔料粒子１ａが接触したと
きに、パルス電圧による電場Ｅから帯電顔料粒子１ａが
受ける力ｆ_Eが、顔料凝集体１と帯電顔料粒子１ａとの
間に働く静電反発力ｆ_con以上になっていなければなら
ない。すなわち、顔料凝集体１の成長開始条件は、顔料
凝集体１に帯電顔料粒子１ａが接触したときに、次式
(４)を満たすことである。

【００２２】

【数４】

【００２３】ここで、接触状態における帯電顔料粒子１
ａと顔料凝集体１との距離Ｓが、顔料凝集体１の半径Ｒ
_conに等しいと考えれば、数式(１)、数式(２)、数式
(３)および数式(４)から、顔料凝集体１の半径Ｒ_conを
表す次式(５)を導出することができる。

【００２４】

【数５】

【００２５】この数式(５)を参照すれば、インク液面付
近に形成される顔料凝集体１の半径Ｒ_conが、パルス電
圧によって発生する電場Ｅに比例することが判る。例え
ば、数式(３)のパラメータε,Ｑ,ρ,αに以下の代表的
データを代入して、それによって得られたＲ_conとＥと
の関係をグラフ化(図１２)すれば、このことは視覚的に
も確認することができる。

【００２６】Ｑ：１０(μＣ／ｇ)及び４０(μＣ／ｇ) ρ：１.４(ｇ／ｃｍ³) α：０.７１／（４・π・ε)：８.９８７７４×１０⁹(Ｃ^-2・Ｎ・ｍ²) ところで、ｎ個の帯電顔料粒子１ａから形成された顔料
凝集体１は、図１３に示すように、パルス電圧による電
場Ｅから静電反発力Ｆ_Eを受ける一方で、インク溶媒１
００から拘束力Ｆ_escを受けている。パルス電圧による
電場Ｅからの静電反発力Ｆ_Eは、顔料凝集体１の半径Ｒ
の三次関数(７)で表され、インク溶媒１００からの拘束
力Ｆ_escは、顔料凝集体１の半径Ｒの一次関数(６)で表
される。なお、それぞれのグラフを図１４に示してお
く。

【００２７】

【数６】

【００２８】

【数７】

【００２９】ここで、Ｅは、パルス電圧によって顔料凝
集体１の中心に生じる電場であり、νは、インク溶媒の
表面張力である(以下の数式において同じ)。

【００３０】静電反発力Ｆ_Eと拘束力Ｆ_escとが釣り合う
と、顔料凝集体１は、インク液面１００ａからやや突出
した状態で安定する。このときの凝集凝集体１の半径
は、図１４に示したＲ_escであり、数式(６)および数式
(７)から次式(８)のように導出される。

【００３１】

【数８】

【００３２】さらに顔料凝集体１が成長し、静電反発力
Ｆ_Eが拘束力Ｆ_escを上回ると、図１５に示すように、顔
料凝集体１は、インク液面１００ａから脱出する。すな
わち、顔料凝集体１は、数式(８)により表される半径Ｒ
_esc(以下、これを脱出半径Ｒ_escと呼ぶ)以上に成長する
とインク溶媒１００から飛翔する。この数式(８)を参照
すれば、顔料凝集体１の脱出半径Ｒ_escが、パルス電圧
によって発生する電場Ｅの平方根√Ｅに反比例すること
が判る。例えば、数式(８)のパラメータν,α,Ｑ,ρに
以下の代表的データを代入し、それによって得られたＲ
_escとＥとの関係をグラフ化(図１６)すれば、このこと
は視覚的にも確認することができる。

【００３３】ν：２０ｄｙｎ／ｃｍ α：０.７Ｑ：１０(μＣ／ｇ)及び４０(μＣ／ｇ) ρ：１.４(ｇ／ｃｍ³) 以上の結果より、吐出電極１１ａの先端から顔料凝集体
１を飛翔させるには、吐出電極１１ａの先端付近に所定
強度を超える電場を印加しなければならないことがわか
る。すなわち、図１２および図１６に示した特性のう
ち、単位質量当りの電荷量４０μＣ／ｇの帯電顔料粒子
１ａについてのものを１つのグラフにまとめると、図１
７に示すように、吐出電極１１ａの先端付近に少なくと
も電場Ｅ_c(以下、第一閾値電場Ｅ_cと呼ぶ)が印加されれ
ば、顔料凝集体１の半径Ｒ_conが脱出半径Ｒ_escを超え、
吐出電極１１ａの先端から顔料凝集体１が飛翔しはじめ
ることがわかる。この第一閾値電場Ｅ_cは、数式(５)お
よび数式(８)においてＲ_con＝Ｒ_escとおくことによっ
て、次式(９)のように導出される。

【００３４】

【数９】

【００３５】そして、吐出電極１１ａの先端に第一閾値
電場Ｅ_cを印加し続けると、図１８に示すように、吐出
電極１１ａの先端から顔料凝集体１が適当な周期(ｃ)〜
(ｆ)で繰り返し飛翔する。なお、図１８に示した現象
は、後述のコヒージョン域(図２４の２２０)の下部で生
じる。

【００３６】吐出電極１１ａの先端の電場をさらに強め
ると、帯電顔料粒子１ａの凝集力および凝集速度が高ま
ると共に顔料凝集体１の脱出半径Ｒ_escが小さくなるた
め、図１９に示すように、より小径な顔料凝集体１がよ
り短周期(ｃ)〜(ｅ)に繰り返し飛翔するようになる。な
お、図１９に示した現象は、後述のコヒージョン域(図
２４の２２０)の上部で生じる。

【００３７】そして、吐出電極１１ａの先端の電場が第
一閾値電場Ｅ_cの約１.５倍を超えると、帯電顔料粒子１
ａの凝集力および凝集速度がかなり大きくなり、図１１
に示した球状の顔料凝集体１と共に、図２０に示すよう
な、吐出電極１１ａ側に尾を引いた半球状もしくは肉厚
シェル状の顔料凝集体１９０が成長しはじめる。このよ
うな半球状または肉厚シェル状の顔料凝集体１９０を吐
出電極１１ａの先端から飛翔させるための最小電場(以
下、第二閾値電場Ｅ_c'と呼ぶ)は、顔料凝集体１９０の
形状を半球と仮定すれば、第一閾値閾値電場Ｅ_cと同様
な計算手順に従って導出することができる。例えば、図
１７のグラフを作成するために用いたパラメータ値
(ν：２０ｄｙｎ／ｃｍ、α：０.７、Ｑ：μＣ／ｇ、
ρ：１.４ｇ／ｃｍ³)と同じパラメータ値を用いて、顔
料凝集体１９０の半径Ｒ'_escおよび脱出半径Ｒ'_conを電
場Ｅで表した数式をそれぞれ算出すれば、図２１に示す
ように、これら２つの数式が表すグラフの交点として第
二閾値電場Ｅ_c'を導出することができる。なお、図２１
において、半球の顔料凝集体１９０の半径Ｒ'_escおよび
脱出半径Ｒ'_conのグラフが、球の顔料凝集体１の半径Ｒ
_escおよび脱出半径Ｒ_conのグラフ(図１７)よりも右上側
にシフトしているのは、半球の体積の顔料凝集体１９０
が、これと同一径の球の顔料凝集体の体積の１／２しか
ないためである。

【００３８】そして、吐出電極１１ａの先端の電場がこ
の第二閾値電場Ｅ_c'よりもさらに強くなると、図２３に
示すように、半球状または肉厚シェル状の顔料凝集体１
９０だけが短周期に繰り返し成長・飛翔するようにな
る。なお、図２３に示した現象は、後述のコヒージョン
・コンデンセーション共存域(図２４の２２１)で下部で
生じる。

【００３９】さて、図２０に示した半球状もしくは肉厚
シェル状の凝集顔料体１９０が飛翔するとき、図２２に
示すように、凝集顔料体１９０が背面側でインク溶媒１
００を巻き込むため、インク液面付近で濃縮されたイン
ク溶媒１００が、凝集顔料体１９０の背面側に糸状に曳
かれて飛翔する。なお、図２２に示した現象は、後述の
コヒージョン・コンデンセーション共存域(図２４の２
２１)の上部で生じる。

【００４０】図１１に示した球状の顔料凝集体１は、そ
の背面側が球状であるためインク溶媒を巻き込みにく
く、このような曳糸現象を起こさない。したがって、吐
出電極１１ａの先端に第二閾値電場Ｅ_c'以上の電場を印
加すれば、より大きな画素を記録媒体上に記録すること
ができる。また、記録媒体上にインク溶媒１００も付着
し、その表面張力によって顔料の塵ばみが防止されるた
め、より高精細な記録をすることができる。なお、この
ようにインク溶媒１００が切断されず連続的に飛翔する
のは、インク溶媒１００を切断しようとする表面張力ν
による圧力Ｐが、インク溶媒１００内部に含まれている
帯電顔料粒子１ａ間の静電反発力によって相殺されるた
めである。インク溶媒１００の表面張力νによる圧力Ｐ
は、次式(１０)により表される。

【００４１】

【数１０】

【００４２】ここで、ｒ₁は、インク溶媒１００の端面
の半径である。

【００４３】以上説明したインク飛翔原理をまとめる
と、以下の通りである。

【００４４】吐出電極１１ａの先端からインク液滴を飛
翔させることができる電場域は、図２４に示すように、
以下の３つに大別することができる。

【００４５】１つは、第一閾値電場Ｅ_cから第二飛翔電
場Ｅ_cまでのコヒージョン域２２０であり、この電場域
内では、インク液滴として、図１１に示した球状の顔料
凝集体１だけが飛翔する。また、インク吐出周期は比較
的長いが、吐出電極１１ａの先端から余分な帯電顔料粒
子が飛翔しないため、微細な画素を記録媒体上に形成す
ることができる。このようなコヒージョン域２２０は高
精細記録に適している。

【００４６】残りの２つは、第二飛翔電場Ｅ_c以上の電
場域に属している。そのうちの１つは、図２０に示した
半球状または肉厚シェル状の顔料凝集体１９０だけが飛
翔するコンデンセーション域２２２であり、もう１つ
は、コヒージョン域２２０からコンデンセーション域２
２２に遷移するまでのコヒージョン・コンデンセーショ
ン共存域２２１である。コンデンセーション領域２２２
では、吐出電極１１ａの先端から、半球状または肉厚シ
ェル状の顔料凝集体１９０と共に、帯電顔料粒子を含む
インク溶媒も飛翔するため、コヒージョン域２２０より
も大きな画素を高速に記録することができる。このよう
なコンデンセーション領域２２２はベタ塗り記録に適し
ている。

【００４７】そこで、本実施の形態では、ここで示した
３つの電場域のうちの２つ、すなわち、コヒージョン域
２２０およびコンデンセーション域２２２を利用するこ
とによって、プリンター装置に３種類の記録モード(コ
ヒージョン域２２０を利用するコヒージョンモード、コ
ンデンセーション域２２２を利用するコンデンセーショ
ンモード)を持たせることとした。以下、そのプリンタ
ー装置の全体構成について説明する。但し、ここでは、
説明の便宜上、ライン型のモノクロプリンターを例に挙
げる。

【００４８】本プリンター装置の筐体内部には、図１に
示すように、低誘電体材料(アクリル樹脂、セラミック
ス等)で形成されたライン型記録ヘッド１１、記録ヘッ
ド１１のインク吐出口に対向するように配置された金属
または高誘電体製の対向電極１０、非導電性のインク媒
体に帯電顔料粒子を分散させたインクを蓄えておくため
のインクタンク１２、インクタンク１２と記録ヘッド１
１との間でインクを循環させるインク循環系、記録画像
の１画素を形成するインク液滴を引くためのパルス電圧
を各吐出電極１１ａにそれぞれ印加するパルス電圧発生
装置１３、画像データに応じてパルス電圧発生装置１３
を制御する駆動回路(不図示)、記録ヘッド１１と対向電
極１０との間に設けられた間隙に記録媒体Ａを通過させ
る記録媒体搬送機構(不図示)、装置全体を制御するコン
トローラ(不図示)等が収容されている。

【００４９】さて、インク循環系は、記録ヘッド１１と
インクタンク１２との間をつなぐ２本のパイプ１５ａ,
１５ｂ、コントローラの制御によって駆動される２台の
ポンプ１４ａ,１４ｂによって構成されている。そし
て、記録ヘッド１１にインクを供給するためのインク供
給系と、記録ヘッド１１からインクを回収するためのイ
ンク回収系とに分けられている。インク供給系では、イ
ンクタンク１２内からインクがポンプ１４ａで吸い上げ
られ、それがパイプ１５ａを介して記録ヘッド１１のイ
ンク供給部(図２および図３の２０ａ)へと圧送される。
一方、インク回収系では、記録ヘッド１１のインク回収
部(図２および図３の２０ｂ)からインクがポンプ１５ｂ
で吸引され、それがパイプ１５ｂを介してインクタンク
１２へと強制的に回収される。

【００５０】そして、記録ヘッド１１には、図２および
図３に示すように、インク供給系のパイプ１５ａから送
り込まれたインクをライン幅に広げるインク供給部２０
ａ、インク供給部２０ａからのインクを山形に導くイン
ク流路２１、インク流路２１とインク回収系のパイプ１
５ｂとをつなぐインク回収部２０ｂ、インク流路２１の
頂上部を対向電極１０側に開放する適当な幅(約０.２ｍ
ｍ)のスリット状インク吐出口２２、所定のピッチ(約
０.２ｍｍ)でインク吐出口２２内に配列された複数の吐
出電極１１ａ、各吐出電極１１ａの両側および上面にそ
れぞれ配置された低誘電体製(例えば、セラミック製)の
仕切り壁２３が設けられている。各吐出電極１１ａは、
それぞれ、銅、ニッケル等の金属で形成され、その表面
には、濡れ性のよい顔料付着防止用低誘電体膜(例え
ば、ポリイミド膜)が形成されている。また、各吐出電
極１１ａの先端は、三角錐形状に成形されており、それ
ぞれが適当な長さ(７０μｍ〜８０μｍ)だけインク吐出
口２２から対向電極１０側に向かって突き出している。

【００５１】そして、駆動回路が、コントローラの制御
に応じて、２種類の制御信号(第一制御信号、第二制御
信号)のうちの何れかを、画像データに含まれている階
調データに応じた時間だけパルス電圧発生回路１３に与
えると、パルス電圧発生回路１３は、その制御信号の種
類に応じたパルストップのパルスＶ_pをバイアス電圧Ｖ_b
にのせた高電圧信号、すなわち、図５(ａ)に示すような
コンデンセーション域の電場を発生させる最小電位Ｖ"
を超えるパルストップのパルスＶ_pがのせた高電圧信
号、または、図５(ｂ)に示すようなコヒージョン域の電
場を発生させる最小電位Ｖを超えるパルストップのパル
スＶ_pがのった高電圧信号を吐出電極１１ａに印加す
る。なお、パルス電圧発生回路１３は、互いに異なる電
位を発生する２つのパルス電源、駆動回路からの制御信
号に応じて２つの電位をスイッチングするスイッチング
回路、スイッチング回路にバイアス電圧Ｖ_bを印加する
バイアス電源等から構成されており、駆動回路からパル
ス電圧発生回路１３に第一制御信号が入力された場合に
は、その入力中、スイッチング回路が、第一パルス電源
からの電位をバイアス電圧Ｖ_bに重畳して出力し、駆動
回路からパルス電圧発生回路１３に第二制御信号が入力
された場合には、その入力中、スイッチング回路が、第
二パルス電源からの電位をバイアス電圧Ｖ_bに重畳して
出力するようになっている。

【００５２】そして、コントローラは、画像データが転
送されてくると、インク循環系の２台のポンプ１４ａ,
１４ｂを駆動する。これにより、インク供給部２０ａか
らインクが圧送されると共にインク回収部２０ｂが負圧
となり、図４に示すように、インク流路を流れているイ
ンクが、各仕切り壁２３の隙間を毛細管現象で這い上が
り、各吐出電極１１ａの先端にまで濡れ広がる。このと
き各吐出電極１１ａの先端付近のインク液面には負圧が
かかっているため、各吐出電極１１ａの先端には、それ
ぞれ、インクメニスカスが形成される。さらに、コント
ローラは、記録媒体搬送機構を制御することによって、
所定の方向に記録媒体Ａを送ると共に、駆動回路を制御
することによって、吐出電極１１ａとの間に前述の２種
類の高電圧信号のうちの何れかを印加する。これによ
り、コヒージョンモードまたはコンデンセーションモー
ドの何れかのモードで画像記録が行われる。

【００５３】なお、図１に示した構成は、本実施の形態
に係るインク飛翔原理を利用するプリンター装置として
の必要最小限のものである。したがって、他の構成をさ
らに付加して構わない。例えば、図６(ｂ)に示すよう
に、各吐出電極１１ａの両側にそれぞれ補助電極６０を
設け、各吐出電極１１ａ間の電気的相互作用を相殺する
ような高低電位をこれらの補助電極６０にかけるように
すれば、互いに隣接する吐出電極１１ａに同時に高電圧
信号が印加された場合、画素濃度を高くするためにパル
ストップ電位を高くした場合等の不都合(例えば、イン
ク液滴を飛翔させるべきでない他の吐出電極１１ａの先
端からもインク液滴が飛翔してしまう等)を回避するこ
とができる。このような補助電極６０は、各吐出電極１
１ａの両側に設けられた仕切り壁２３を積層体とし、そ
の中間層として配置することができる。

【００５４】また、図１においては、１枚の対向電極１
０をアースに接続しているだけであるが、図６(ａ)に示
すように、金属または高誘電体製の対向電極６１を各吐
出電極１１ａ毎にそれぞれ設け、対向電極６１の電位と
吐出電極１１ａの電位を同期制御するようすれば、イン
ク液滴の飛翔を促進することができる。また、図７に示
すように、各対向電極６１に印加すべきパルス電圧のパ
ルス幅を、飛翔中のインク液滴が記録媒体上に到達する
までの時間を加味して定めれば、インク液滴の飛び散り
を防止することができる。

【００５５】また、本実施の形態では、互いにパルスト
ップ電位が異なる２種類のパルスをバイアス電圧に重畳
させているが、パルストップ電位をより細かく制御する
ようにすれば、より高階調な記録を実現することができ
る。さらにパルス幅変調を行えば、より高階調な記録を
実現できることは言うまでもない。

【００５６】最後に、本実施の形態に係るプリンター装
置への使用に適したインクについて説明する。

【００５７】前述の第一閾値電場Ｅ_cは、インク液面付
近で球状顔料凝集体１および半球状顔料凝集体１９０を
脱出半径まで成長させるための必要最小限の電場である
ため、この程度の電場を吐出電極１１ａの先端に印加し
ただけでは、図１８に示すように顔料凝集体１が脱出半
径まで成長する時間が長く、吐出電極１１ａの先端から
のインク吐出周期が１０秒以上となり、充分な記録速度
を得ることができない。充分な記録速度を得るには、吐
出電極１１ａの先端の電場を第一閾値電場Ｅ_cよりもさ
らに強め(第一閾値電場Ｅ_cの１.２倍〜１.５倍程度)、
帯電顔料粒子１ａの凝集力および凝集速度を高めること
によって、図１９に示すように吐出電極１１ａの先端か
らの顔料凝集体１の飛翔頻度を増加させる必要がある。
ところが、吐出電極１１ａの先端の電場を強くするには
高価なパワー半導体等が必要となるため、吐出電極１１
ａの先端の電場にはコスト面からの上限がある。このよ
うに限られた範囲の電場で充分な記録速度を得るには、
できるだけ第一閾値電場Ｅ_cを抑制すればよい。

【００５８】そこで、数式(９)を検討すると、第一閾値
電場Ｅ_cが、インク溶媒の表面張力νの三乗根³√νに比
例すること、すなわち、インク溶媒の表面張力νを抑制
すれば、それに応じて第一閾値電場Ｅ_cが抑制されるこ
とが判る。このことから、インク溶媒の表面張力νを低
下させる界面活性剤の添加が、第一閾値電場Ｅ_cの抑制
に有効であることが導き出せる。例えば、物性的にはイ
ンク媒体に適しているとされる有機溶剤の表面張力は、
フッ素系界面活性剤の添加により１３〜１４ｄｙｎ／ｃ
ｍまで抑制される。また、環境的な面からインク媒体へ
の使用が望まれる水(但し、本実施の形態の場合には、
非導電性を確保するため純水)の表面張力は、２５°Ｃ
において７２.５ｄｙｎ／ｃｍであるが、非イオン性界
面活性剤の添加により２０ｄｙｎ／ｃｍまで抑制され
る。なお、界面活性剤の添加は、インクの適当な粘度を
確保する上でも有用である。

【００５９】さらに数式(９)を検討すると、第一閾値電
場Ｅ_cは、帯電顔料粒子１ａの単位質量当たりの電荷量
Ｑの三乗根³√Ｑに比例すること、すなわち、帯電顔料
粒子１ａの単位質量当たりの電荷量Ｑを抑制すれば、そ
れに応じて第一閾値電場Ｅ_cが抑制されることが判る。
例えば、数式(９)のパラメータ数式ν,α,ρに前述の代
表的データを代入して、それによって得られたＱとＥ_c
との関係をグラフ化(図２５)すれば、このことは視覚的
に確認することができる。充分な記録速度を得るために
は、吐出電極１１ａの先端に第一閾値電場Ｅ_cの１.２倍
〜１.５倍程度の電場を印加する必要があることを考慮
すれば、吐出電極１１ａの先端が最適形状(三角錐形状)
である場合にパワー半導体を使用しないですむのは、図
２５において、第一閾値電場Ｅ_cが約２０ＭＶ／ｍ以下
の場合、すなわち、インク中の帯電顔料粒子１ａの単位
質量当りの電荷量Ｑが２００μＣ／ｇ以下の場合であ
る。これを超えれば、吐出電極１１ａに最低でも６ｋＶ
〜１２ｋＶ程度の電位の印加が必要となり、パワー半導
体を使用せざるを得なくなる。したがって、低コストで
充分な記録速度を得るには、インク中の帯電顔料粒子１
ａの単位質量当りの電荷量Ｑを約２００μＣ／ｇ以下に
する必要がある。しかし、帯電顔料粒子１ａの単位質量
当りの電荷量を抑制しすぎると、帯電顔料粒子１ａ相互
の静電反発力が小さすぎて、(１)インクタンクやインク
流路等で帯電顔料粒子１ａが凝集し、一定濃度のインク
が循環しなくなる、(２)インク流路等で目詰りを起こ
し、インク吐出安定性が低下する、(３)帯電顔料粒子１
ａの応答速度が低下し、記録速度が低下する等の不具合
が生じる。とくに帯電顔料粒子１ａの単位質量当りの電
荷量Ｑが１０μＣ／ｇよりも小さくなると、このような
不具合が生じやすくなる。そこで、低コストで充分な記
録速度の確保および上記不具合(１)(２)(３)の発生回避
の双方を達成できる範囲、すなわち、１０μＣ／ｇ以上
２００μＣ／ｇ以下の範囲で、インクに分散させる帯電
顔料粒子１ａの単位質量当り電荷量Ｑを定める必要があ
る。

【００６０】また、インク中の帯電顔料粒子１ａの半径
ｒが小さくなれば、電荷顔料粒子１個当たりの電荷量が
小さくなり、帯電顔料粒子相互の静電反発力が小さくな
るため、帯電顔料粒子１ａの単位質量当りの電荷量Ｑが
小さすぎる場合と同様な不具合(１)(２)(３)が生じるこ
とがある。とくに帯電顔料粒子１ａの半径ｒが０.１μ
ｍよりも小さくなると、そのような不具合が生じる可能
性が高くなる。その反対に帯電顔料粒子１ａの半径ｒが
大きすぎると、インク溶媒から受ける抵抗が大きくな
り、インク溶媒中における帯電顔料粒子１ａの移動速度
が低下するため、記録速度が低下する。とくに帯電顔料
粒子１ａの半径ｒが５μｍよりも大きくなると、記録速
度の低下が顕著となる。そこで、記録速度の低下防止お
よび上記不具合(１)(２)(３)の発生回避の双方を達成で
きる範囲、すなわち、０.１μｍ以上５μｍ以下の範囲
で、インクに分散させる帯電顔料粒子１ａの半径ｒを定
める必要がある。

【００６１】なお、帯電顔料粒子間の静電反発力が小さ
いために起こる上記不具合(１)(２)(３)をより効果的に
防止するには、画素形成に寄与する上記帯電顔料粒子１
ａのほかに、インク流路等への帯電顔料粒子１ａの付着
・凝集を防止する１種類または２種類以上の帯電顔料粒
子、例えば、帯電顔料粒子１ａよりも電荷量が大きい帯
電顔料粒子、または、帯電顔料粒子１ａよりも粒子径が
大きい帯電顔料粒子を５０ｖｏｌ％未満分散させればよ
い。

【００６２】また、インク中の帯電顔料粒子の割合は、
約２％〜１０％であることが望ましい。ここで、インク
中の帯電顔料粒子の割合を１０ｖｏｌ％以下としている
のは、インク中の帯電顔料粒子の割合がこの値を超える
と粘度が過剰に大きくなって応答速度が遅くなるためで
ある。一方、インク中の帯電顔料粒子の割合を約２ｖｏ
ｌ％以上としたのは、インク中の帯電顔料粒子の割合を
約２ｖｏｌ％以上とすれば、以下に示すように約１〜１
０ＫＨｚ程度の応答周波数を実現することができるから
である。図２６に示すように、帯電顔料粒子１ａを非導
電性インク溶媒に２ｖｏｌ％未満分散させたインクが２
枚の電極板２６０ａ,２６０ｂ間に封入された状態で、
１ｋＶの電源２６１のＯＮ・ＯＦＦを繰り返すと、それ
ぞれの帯電顔料粒子１ａは、静止したインク溶媒１００
中でせいぜい０．１〜２ｍｍ／ｓｅｃ程度で電気泳動す
る。この程度の運動速度では、約１〜１０ＫＨｚ程度の
応答周波数を実現することはできない。ところが、イン
ク中の帯電顔料粒子１ａの割合を約２ｖｏｌ％以上とし
た場合には、インク中に生じた顔料濃度差によってイン
ク溶媒１００に複数の渦が発生し、帯電顔料粒子１ａ
は、この渦の流れにのって、約１〜１０ＫＨｚ程度の応
答周波数を実現可能な程度に高速移動するようになる。
例えば、単位質量あたりの電荷量４０μＣ／ｇ、密度
１．４ｇ／ｃｍ³、半径０．２５μｍの高分子帯電顔料
粒子を有機溶剤に４％分散させたインクの場合、当初、
インク溶媒中における帯電顔料粒子１ａの分布は、図２
７に示すように一様であるが、１ｋＶの電圧が印加され
ると、その電位差を打ち消すべく、図２８に示すように
変化する。この変化過程において、帯電顔料粒子１ａ
は、以下のように移動する。インク溶媒中における帯電
顔料粒子の分布には、ある程度のバラツキがある。ここ
に強電場が印加されると、顔料濃度の大きいと小さいと
の外力差によってインク溶媒に渦が発生する。

【００６３】なお、本実施の形態に係るプリンター装置
に使用するインクは、以上挙げた条件の全てを満たすよ
うに調整されているものであることが望ましいが、その
うちの少なくとも１つを満たすように調整されているも
のであっても構わない。

【００６４】また、図２において、各仕切り壁２３の先
端を鋭利な三角形状とすると共に、吐出電極１１ａの両
側の仕切り壁２３の間隔を、先端にいくにしたがって徐
々に絞ってゆくことによって、吐出電極１１ａの先端に
インク液滴が集中するようにすることができる。このよ
うなものについて、２０チャネルのものを得た。さら
に、仕切り壁２３の先端を平坦にしたものについて、い
ずれも、２０チャネルのものを得た。実際には、記録媒
体の幅に応じて、１００〜数千チャネルにも形成する。
本実施の形態においては、仕切り壁２３で形成される出
口のスリット幅は、５μｍ〜３０μｍと変えることがで
き、仕切り壁２３の全幅は、３０μｍ〜１００μｍと変
えることができる。各吐出電極１１ａの先端は三角形状
を有し、その先端角は約６０度である。また、各吐出電
極１１ａは、Ｃｕ、Ａｇ、Ａｕ等の薄膜(膜厚約２０μ
ｍ)であり、仕切り壁２３は、ポリイミドであり、基板
は、ガラス基板である。図２９および図３０は、仕切り
壁２３の先端部を三角形状にしたプリンター装置によっ
て印刷した黒インクの印刷ドットの拡大図である。図２
９は、パルス幅を１.０ｍｓとした場合の印刷ドットの
拡大図であり、図３０は、パルス電圧を１.８Ｖとした
場合の印刷ドットの拡大図である。なお、インクは、帯
電量４０μＣ／ｇ、顔料粒子径約０.５μｍ、溶剤アイ
ソパーＧであり、バイアス電圧は１.０ｍｓ、対向電極
間隔は１.０ｍｍである。

【００６５】これらの図に示すように、パルス電圧およ
びパルス幅を変えることによって、印刷ドットの径を大
きくしたり、小さくしたりすることができる。さらに、
連続した塗りつぶし印刷をすることもできる。特に、本
実施の形態では、印刷ドットの大部分を３μｍ〜５μｍ
程度にまで小さくすることができ、極めて鮮明な記録画
像を得ることできた。これにより、印刷ドットは、１０
μｍ以下の細かい粒子の集まりによって形成され、より
鮮明な印刷が可能となる。

【００６６】

【発明の効果】本発明によれば、インク吐出安定性が高
く、しかも高速に高精細・高階調記録をすることができ
るプリンター装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の一形態に係るプリンター装置の
概略構成図である。

【図２】本発明の実施の一形態に係る記録ヘッドの斜視
図である。

【図３】本発明の実施の一形態に係る記録ヘッドおよび
インク循環系の断面図である。

【図４】本発明の実施の一形態に係る記録ヘッドの吐出
電極先端部の部分図である。

【図５】本発明の実施の一形態に係る記録ヘッドの吐出
電極に印加される電圧波形図である。

【図６】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る対向電極
の概略構成図であり、(ｂ)は、本発明の実施の一形態に
係る記録ヘッドの電極配置図である。

【図７】(ａ)は、本発明の実施の一形態に係る記録ヘッ
ドの吐出電極に印加される電圧波形図であり、(ｂ)は、
本発明の実施の一形態に係る対向電極に印加される電圧
波形図である。

【図８】記録ヘッド部を簡略化したモデル図である。

【図９】図８の吐出電極の先端付近の２次元電場解析図
である。

【図１０】図８の吐出電極の先端付近の拡大図である。

【図１１】インク液面付近で成長した球状帯電顔料粒子
が受ける力を説明するための図である。

【図１２】図８の吐出電極の先端の電場と、球状顔料凝
集体の半径との関係を示した図である。

【図１３】図８の吐出電極の先端付近の拡大図である。

【図１４】球状顔料凝集体が受ける力と、その半径との
関係を示した図である。

【図１５】球状顔料凝集体の飛翔過程を示した図であ
る。

【図１６】図８の吐出電極の先端の電場と、球状顔料凝
集体の脱出半径との関係を示した図である。

【図１７】球状顔料凝集体の飛翔開始点である第一閾値
電場を説明するための図である。

【図１８】球状顔料凝集体の周期的飛翔過程を示した図
である。

【図１９】球状顔料凝集体の周期的飛翔過程を示した図
である。

【図２０】図８の吐出電極の先端付近の拡大図である。

【図２１】半球状顔料凝集体の飛翔開始点である第二閾
値電場を説明するための図である。

【図２２】半球状顔料凝集体の飛翔過程を示した図であ
る。

【図２３】半球状顔料凝集体の周期的飛翔過程を示した
図である。

【図２４】吐出電極の先端の電場を、顔料凝集体の飛翔
形態により分類した図である。

【図２５】単位質量あたりの帯電顔料粒子の電荷と、第
一閾値電場との関係を示した図である。

【図２６】インク流路内における帯電顔料粒子の運動を
説明するためのモデル図である。

【図２７】インク流路内における帯電顔料粒子の運動を
説明するためのモデル図である。

【図２８】インク流路内における帯電顔料粒子の運動を
説明するためのモデル図である。

【図２９】パルス幅１.０ｍｓで印刷した印刷ドットの
拡大図である。

【図３０】パルス電圧１.８Ｖで印刷した印刷ドットの
拡大図である。

【符号の説明】

１…顔料凝集体１ａ…帯電顔料粒子１０…対向電極１１…記録ヘッド１１ａ…吐出電極１２…インクタンク１３…パルス電圧発生装置１４ａ,１４ｂ…ポンプ１５ａ,１５ｂ…パイプ２０ａ…インク供給部２０ｂ…インク回収部２１…インク流路２２…スリット状インク吐出口２３…仕切り壁６０…補助電極６１…対向電極１００…インク媒体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者藤原重隆茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者今関周治茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者米倉清治茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内 (72)発明者長江慶治茨城県日立市大みか町七丁目１番１号株式会社日立製作所日立研究所内Ｆターム(参考） 2C057 AF21 AG22 AH07 AM21 AM22 BD05 DB01 DC15

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】帯電顔料粒子を含むインクが供給されるス
リット内に設けられた複数の吐出電極と、当該複数の吐
出電極に対向する対向電極との間に電界を形成し、当該
複数の吐出電極の先端からそれぞれ前記対向電極に向け
てインク液滴を飛翔させるプリンター装置であって、前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記各吐出電
極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を５
０体積％以上含むインク液滴を飛翔させることを特徴す
るプリンター装置。
【請求項２】帯電顔料粒子を含むインクが供給されるス
リット内に設けられた複数の吐出電極と、当該複数の吐
出電極に対向する対向電極との間に電界を形成し、当該
複数の吐出電極の先端からそれぞれ前記対向電極に向け
てインク液滴を飛翔させるプリンター装置であって、前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記各吐出電
極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を含
むインク液滴を飛翔させ、直径約１μｍ〜１０μｍの印
刷ドットを形成することを特徴するプリンター装置。
【請求項３】帯電顔料粒子を含むインクが供給されるス
リット内に設けられた複数の吐出電極と、前記複数の吐
出電極に対向する対向電極と、前記複数の吐出電極と前
記対向電極との間にパルス電界を形成するパルス電界印
加手段とを備えたプリンター装置であって、前記パルス電界印加手段は、パルス電圧およびパルス幅
を変化させて、印刷ドットの直径を変化させる制御手段
を有し、前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記各吐出電
極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を含
むインク液滴を飛翔させることを特徴するプリンター装
置。
【請求項４】帯電顔料粒子を含むインクが供給されるス
リット内に設けられた複数の吐出電極と、当該複数の吐
出電極に対向する対向電極との間に電界を形成し、当該
複数の吐出電極の先端からそれぞれ前記対向電極に向け
てインク液滴を飛翔させるプリンター装置であって、前記各吐出電極の両側に、それぞれ、当該吐出電極の先
端に向けて前記インクの流れをガイドする仕切り部材を
備え、前記インクに含まれている帯電顔料粒子を前記各吐出電
極の先端部で凝集させ、当該帯電顔料粒子の凝集体を含
むインク液滴を飛翔させることを特徴するプリンター装
置。
【請求項５】帯電顔料粒子を含むインクが供給されるス
リット内に設けられた複数の吐出電極と、当該複数の吐
出電極に対向する対向電極との間に電界を形成し、当該
複数の吐出電極の先端からそれぞれ前記対向電極に向け
てインク液滴を飛翔させるプリンター装置であって、前記各吐出電極の先端は、前記電界が集中するように絞
られていることを特徴とするプリンター装置。