JP2001239669A

JP2001239669A - 静電式インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2001239669A
Application number: JP2000053037A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Shibata; 寛柴田
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2000-02-29
Publication date: 2001-09-04

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、インク流路に凝集電極としての機
能、電界クロストークを防止する機能を持たせ、高画質
で高い記録周波数での印字が可能である静電式インクジ
ェットヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】この課題を解決するために本発明は、溶
媒中に色材粒子を分散させたインク中の色材粒子成分を
凝集し吐出する静電式インクジェットヘッドであって、
インク流路９が導電性材料で形成された構成を有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、溶媒中に色材粒子
を分散させたインク中の色材粒子成分を凝集し吐出する
静電式インクジェットヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、インクジェット技術は安価で
高い画質と高速な印字技術として、オフィスオートメー
ションやパーソナル用の記録装置として、複写機、ファ
クシミリ、プリンタ、ワードプロセッサなどに広く用い
られている。

【０００３】インクジェット技術の記録原理には、イン
クを吐出させるためのエネルギー発生手段として、電気
熱変換素子などの発熱抵抗体を用いたもの、電気機械変
換素子などのピエゾ素子を用いたもの、さらに電気エネ
ルギーをそのまま用いる静電式のものなどがある。

【０００４】その中でも静電式のインクジェット技術
は、記録ヘッドの生産が他の方式と比較して簡易で、記
録電極に印加する電気信号を制御することにより階調記
録を行うことができる。また、記録時に消費される電流
量は著しく少なく、省エネルギーの機器としても将来的
に利用価値のある記録技術であるということができる。
さらに油性顔料インクを用いることにより、耐水性に優
れた印字を行うことができ、特にオフィスオートメーシ
ョン用途としての利用価値が高い。

【０００５】ここで、静電式のインクジェット技術の原
理について説明する。インクの充填された記録電極と、
記録媒体を保持する対向電極との間に数ｋＶの信号パル
スを印加すると、電極に接するインクに電荷が注入され
て、電極近傍インクが電荷を帯びる。これにより、信号
パルスがある閾値を越えた時、電荷を帯びたインクに働
く静電的な力がインク表面張力に打ち勝ち、インク滴が
記録電極から対向電極へ吐出される。

【０００６】しかしながら、この原理におけるインク滴
は、色材粒子よりも溶媒比率が非常に高く、インク滴が
記録紙着弾時において、記録紙の繊維中にすばやく浸透
し、印字濃度の低下、にじみ、裏映り等の課題を有して
いた。

【０００７】この課題を解決するために、吐出インク滴
中の溶媒比率を下げ、色材粒子を多く吐出する新たな静
電インクジェット方式が提案された。この方式は、イン
クの比抵抗が１×１０⁹Ωｃｍ以上であることを特徴と
するもので、溶媒中に所定の極性に帯電した色材粒子を
分散させ、凝集電極と対向電極間の電界により、帯電し
た色材粒子を記録電極先端に集中させ、記録電極と対向
電極間に印加される電界で、色材粒子を吐出させる原理
となっている。これらは、先端が尖った記録電極のイン
ク吐出部に、帯電された着色粒子を絶縁性溶媒中に分散
させてなる溶媒トナーを供給し、記録電極に色材粒子と
同極性の電圧を印加し、クーロン力によりインクを吐出
し記録するものである。画像を形成するためには、色材
粒子をインク吐出部に凝集させるバイアス電圧を記録電
極に印加しておき、画像入力信号に応じて記録電極に信
号電圧を印加して記録を行う。

【０００８】しかしながら、このインクジェット方式
は、色材を電気泳動により凝集させてインク滴として吐
出するために、他のインクジェット方式と比較して高い
記録周波数での印字には不向きであるという課題を有し
ていた。

【０００９】この課題を解決するために、例えば、特開
平９−１７４８７４号公報（以下、イ号公報という）に
は、「一方の基材には記録電極を設け、他方の基材には
記録電極に対応した凝集電極を設けることにより、吐出
後不足した色材を瞬時に復元でき、高い記録周波数を有
するインクジェット記録装置」が開示されている。

【００１０】また、電界力を利用して吐出を行なうため
に、インク吐出方向の電界が不均一の場合は着弾位置が
安定しない場合が生じるという課題を有していた。

【００１１】この課題を解決するために、例えば、特開
平９−２３４８７０号公報（以下、ロ号公報という）に
は、「記録電極の間に電界の流路を形成する障壁電極を
設けることにより、隣接記録電極の電界干渉を防止し常
に安定なインクを飛翔を実現し、高印字品質のインクジ
ェット記録装置」が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記イ
号公報及びロ号公報に記載の技術は以下のような課題を
有していた。

【００１３】（１）イ号公報に記載の技術は、高い記録
周波数を実現するために、基材の両面ともに複数の記録
電極もしくは凝集電極を配置することで各電極の配線が
複雑になり、しかも、駆動用ＩＣも多く必要になりコス
トが高くなるために汎用性のあるプリンタを実現しにく
いという課題を有していた。

【００１４】（２）ロ号公報に記載の技術は、障壁電極
を記録電極間に形成しているために高解像度化が困難と
なるという課題を有していた。

【００１５】（３）イ号公報及びロ号公報に記載の技術
は、インク流路が全てのインク吐出部に対して共通の流
路とスリット構造を持つ記録ヘッドでは、特定のインク
吐出部が連続印字されている時、インクの流路内の顔料
の流れが特定のインク吐出部に向かうことになり、その
結果、隣接のインク吐出部が信号電圧に従ってインクを
吐出しようとしても、顔料の流れを即座に変更し所定の
顔料を凝集することが困難となり、その結果印字された
ドットは印字濃度が低くなったり、所望のドット径より
小さくなるという課題を有していた。

【００１６】本発明は上記従来の課題を解決するもの
で、インク流路を導電性材料で形成しインク流路に凝集
電極としての機能，電界クロストークを防止する機能を
持たせ、高い記録周波数で印字できるとともに着弾安定
性やドット径のバラツキが小さい高画質の印字性能を持
つ静電式インクジェットヘッドを提供することを目的と
する。

【００１７】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明の静電式インクジェットヘッドは、電界により
色材粒子を飛翔させ対向電極に配置された記録紙に印字
を行う静電式インクジェットヘッドであって、帯電した
前記色材粒子を絶縁性溶媒に分散してなるインクを保持
するインクタンクと、一端側が前記インクタンクに連通
して並設され導電性材料で形成された複数のインク流路
と、複数の前記インク流路の他端側に各々配設された記
録電極と、を備えた構成より成る。

【００１８】この構成により、インク流路に凝集電極と
しての機能，電界クロストークを防止する機能を持た
せ、高い記録周波数で印字できるとともに着弾安定性や
ドット径のバラツキが小さい高画質の印字性能を持つ静
電式インクジェットヘッドを提供するとができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】この目的を達成するために本発明
の請求項１に記載の静電式インクジェットヘッドは、電
界により色材粒子を飛翔させ対向電極に配置された記録
紙に印字を行う静電式インクジェットヘッドであって、
帯電した前記色材粒子を絶縁性溶媒に分散してなるイン
クを保持するインクタンクと、一端側が前記インクタン
クに連通して並設され導電性材料で形成された複数のイ
ンク流路と、複数の前記インク流路の他端側に各々配設
された記録電極と、を備えた構成としたものである。

【００２０】この構成により、以下のような作用が得ら
れる。

【００２１】（１）インク流路は各記録電極間に存在す
るので、インク流路が隣接記録電極の電界変動を遮蔽す
る機能を持たせることができ、各記録電極は隣接記録電
極に電界の影響を受けることなくインクを吐出させるこ
とができる。

【００２２】（２）インク流路は各記録電極に対応して
１つずつ配置しているので、各記録電極は隣接する記録
電極のインク吐出による顔料の流れに影響すること無
く、顔料の電気泳動による流れを発生させインクを吐出
させることができる。

【００２３】ここで、インク流路としては、導電性材料
をメッキ処理されたもの、樹脂フィルムで形成されフィ
ルム表面に導電性材料が薄膜形成されたもの等が用いら
れる。

【００２４】インクとしては、体積抵抗率が高く帯電し
た色材粒子が分散されたインクを用いる。溶媒として、
イソパラフィン系炭化水素、シリコンオイル等を用い、
樹脂やワックスからなるバインダもしくは表面にカーボ
ンブラックなどの顔料を含有した色材粒子、分散剤、帯
電制御剤、分散助剤等の構成材料から成るインクが用い
られる。また、インクは、高い電気抵抗率を有すること
が要求される。この溶媒を使用することにより、インク
に印加された電界が溶媒を介して色材粒子に到達するこ
とが可能となる。色材粒子を電気泳動させるために、色
材粒子自体を帯電させる必要も生じてくる。

【００２５】色材粒子としては、静電的反発力を利用し
てインク中から一定の液滴量を吐出するため、帯電量が
安定しているものが用いられる。

【００２６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の静電式インクジェットヘッドであって、前記インク流
路及び前記記録電極に各々所定の電圧を印加する電圧印
加手段を備えた構成としたものである。

【００２７】この構成により、請求項１の作用に加え、
以下のような作用が得られる。

【００２８】（１）導電性のインク流路にＤＣ電圧もし
くはパルス状の電圧を印加することにより、インク流路
に凝集電極としての機能を持たせることができ、インク
流路と記録電極との電位差により色材粒子を電気泳動さ
せ色材粒子を凝集させることができる。

【００２９】以下に本発明の一実施の形態について、図
面を参照しながら説明する。

【００３０】（実施の形態１）図１は本発明の実施の形
態１における静電式インクジェットヘッドの要部斜視図
であり、図２は記録電極及びインク流路の要部拡大斜視
図であり、図３は静電式インクジェットヘッドの要部側
面説明図であり、図４は静電式インクジェットヘッドと
対向電極との位置関係を示す説明図である。尚、図１乃
至図３において、インクは図示していない。

【００３１】図１乃至図４において、１は本発明の実施
の形態１における静電式インクジェットヘッド、２は静
電式インクジェットヘッドの下部筐体、３は下部筐体２
の上部に接合された上部筐体、４は上部筐体３の内部を
中空にして形成されたインクタンク、５は後述のインク
が吐出されるインク吐出孔、６はインク吐出孔５より５
０〜５００μｍ程度突出して配設され幅が約８０μｍの
記録電極であり、一定間隔で複数並設されている。ま
た、記録電極６は先端近傍に存在する後述のインクに電
界が集中しやすいように凸状に形成されており、記録電
極６間のピッチは、約１７０μｍである。これは、１５
０ｄｐｉの解像度に相当する。７は各々の記録電極６に
接続され記録電極６に信号電圧を印加するためのリード
線、８はリード線７及び電圧印加手段である後述の記録
電極ドライバに電気的接合を行うためのパッド（図示せ
ず）と一体的に形成されたタグ配線基板、９はインク吐
出孔５とインクタンク４とを連通させインクタンク４か
ら各々の記録電極６へ後述のインクを供給する長さが約
１ｍｍのインク流路であり、各々の記録電極６に対して
配設されている。後述のインクと接触するインク流路９
の内壁の少なくとも一部はＮｉ，Ｃｕ等の導電性材料が
薄膜形成又はメッキ処理されている。ここで、インク流
路９の形成方法例について説明する。まず、記録電極６
が形成されたタグ配線基板８上に紫外線硬化樹脂を１０
０μｍの厚さで一様に塗布する。次いで、所定の（例え
ば、インク流路形成部分の紫外線硬化樹脂が露光され
る）マスクパターンを有するマスクを介して紫外線を照
射して紫外線硬化樹脂を露光する。次いで、露光した紫
外線硬化樹脂を現像してマスクパターンに応じた複数の
インク流路形状部が各々の記録電極６上に形成される。
次いで、該インク流路形状部を導電性材料でメッキ処理
しインク流路９が形成される。他の方法としては、樹脂
フィルムをインク流路形状に加工し、フィルム表面に導
電性材料を薄膜形成する方法等がある。尚、インク流路
９は後述のインクと接触する部分の内少なくとも一部が
導電性であればよい。

【００３２】１０は供給インク室４に供給されインク流
路９を経て記録電極６から吐出されるインク、１１はイ
ンク１０内に含有された色材粒子である。インク１０
は、体積抵抗率が高く帯電した色材粒子１１が分散され
たインクを用いる。溶媒としてイソパラフィン系炭化水
素、シリコンオイル等を用い、樹脂やワックスからなる
バインダもしくは表面にカーボンブラックなどの顔料を
含有した色材粒子１１、分散剤、帯電制御剤、分散助剤
等の構成材料から成るインクが用いられている。また、
インク１０は、高い電気抵抗率を有することが要求され
る。この溶媒を使用することにより、インク１０に印加
された電界が溶媒を介して色材粒子１１に到達すること
が可能となる。色材粒子１１を電気泳動させるために、
色材粒子１１自体を帯電させる必要も生じてくる。色材
粒子１１は、静電的反発力を利用してインク１０中から
一定の液滴量を吐出するため、帯電量が安定しているこ
とが要求される。具体的には、インク１０の体積抵抗率
が１０⁹〜１０¹²Ωｃｍで、色材粒子１１のζ電位の絶
対値が３０〜２００ｍＶの範囲であるインク１０を使用
している。１２は表面張力により記録電極６の先部に形
成されたインク１０のメニスカスである。インクタンク
４内のインク１０には水頭圧調整機構（図示せず）によ
り、±１００Ｐａ程度の背圧が付与されているので、メ
ニスカス１２はインク吐出孔５から緩やかに飛び出した
状態で形成される。

【００３３】１３は記録電極６に対向して配設され記録
電極６との電位差を制御されるための対向電極、１４は
対向電極１３上に記録電極６に対向して配置された記録
紙である。記録時には、対向電極１３には、０〜−１ｋ
Ｖ程度の負電圧が印加され、記録電極６には、３００〜
５００Ｖ程度の正電圧が印加される。１５は電圧印加手
段である記録電極ドライバであり、記録電極６及びイン
ク流路９に信号電圧を印加する。

【００３４】以上のように構成された本実施の形態１の
静電式インクジェットヘッドにおいて、その印字動作に
ついて以下図面を参照しながら説明する。

【００３５】図５は記録電極及びインク流路並びに対向
電極の信号電圧波形図である。

【００３６】図５において、Ｔ₁は待機期間、Ｔ₂は凝集
期間、Ｔ₃は吐出期間である。

【００３７】図６は待機期間における静電式インクジェ
ットヘッドの要部側面状態図であり、図７は凝集期間の
前期における静電式インクジェットヘッドの要部側面状
態図であり、図８は凝集期間の後期における静電式イン
クジェットヘッドの要部側面状態図であり、図９は吐出
期間における静電式インクジェットヘッドの要部側面状
態図である。

【００３８】図６乃至図９において、１は本実施の形態
１における静電式インクジェットヘッド、２は下部筐
体、３は上部筐体、４はインクタンク、５はインク吐出
孔、６は記録電極、９はインク流路、１０はインク、１
１は色材粒子、１３は対向電極、１４は記録紙であり、
これらは図４と同様のものなので同一の符号を付してそ
の説明を省略する。

【００３９】待機期間Ｔ₁は、対向電極１３にＶ０，記
録電極６にＶ１，インク流路９にＶ２の一定の電圧が印
加される。これにより、インク流路９から記録電極６へ
向かうバイアス電界と、記録電極６から対向電極１３へ
向かう待機電界が発生する。該バイアス電界により、イ
ンク１０中の色材粒子１１は記録電極６方向へ移動し、
インク吐出孔５の記録電極６先端へ移動し、メニスカス
１２が形成される（図６参照）。

【００４０】コンピュータより印字すべき旨の印字デー
タが、記録電極ドライバ１５に入力されると、記録電極
ドライバ１５は凝集期間Ｔ₂のパルス幅，電圧Ｖ３の信
号電圧を記録電極６へ出力する。これにより、凝集電極
であるインク流路９と記録電極６との電位差が、待機期
間Ｔ₁より一層拡大し、記録電極６の先端部への色材粒
子１１の凝集量が向上する。これにともない、記録電極
６の先端部のメニスカス１２が膨らむ（図７参照）。所
定の時間が経過すると、更に、記録電極６の先端部のイ
ンク１０の一部が表面張力，粘性力等に打ち勝って、微
小な色材粒子群１１ａが形成される（図８参照）。

【００４１】次に、記録電極ドライバ１５は凝集期間Ｔ
₃のパルス幅，電圧Ｖ４の信号電圧を記録電極６へ出力
する。これにより、記録電極６と対向電極１３との電位
差が待機期間Ｔ₁のそれより大きくなる。これにともな
い、記録電極６から対向電極１３へ強い電界が発生し、
遂には、記録電極６の先端部に凝集された微小な色材粒
子群１１ａが吐出され、記録紙１４上に印字される（図
９参照）。

【００４２】以上の動作が繰り返されることにより、記
録媒体である記録紙１４上に画像が形成される。

【００４３】以上のように本実施の形態１における静電
式インクジェットヘッド１はインク流路９が導電性材料
で形成されているので、隣接する記録電極６間の相互干
渉を防ぎ、隣接する記録電極６間の電界の変化にかかわ
らず安定した電界を形成することができる。また、イン
ク流路９を凝集電極としても用いることができ、インク
流路９に所定の電圧を印加することにより、インクタン
ク４内のインク１０中の色材粒子１１を電気泳動現象に
よりインク吐出孔５方向に移動させるとともに、記録電
極６近傍のインク１０の色材粒子１１の濃度を高くする
ことができる。

【００４４】尚、本実施の形態１における静電式インク
ジェットヘッド１のインク吐出孔５の形状をノズル孔状
にしても同様に実施可能である。

【００４５】

【実施例】（実施例１）本実施の形態１の静電式インク
ジェットヘッドとイ号公報の図１に記載のヘッドとの印
字濃度が低下することなく印字できる記録周波数を以下
に示す。

【００４６】尚、各電圧値はＶ０＝−１ｋＶ、Ｖ１＝４
００Ｖ、Ｖ２＝５００Ｖ、Ｖ３＝０Ｖ、Ｖ４＝７５０Ｖ
とした。

【００４７】本実施例・・・５ｋＨｚ従来ヘッド・・・３ｋＨｚ従来のヘッドでは記録電極に対向した面に記録電極と略
同じ形状の電極を凝集電極と使用したのに対し、本実施
例のヘッドは流路で記録電極を囲むようにして凝集電極
を形成しているので、色材の供給量が従来のヘッドより
も多くなっており、高い記録周波数の印字が可能である
ことがわかる。

【００４８】（実施例２）本実施の形態１の静電式イン
クジェットヘッドとイ号公報の図１に記載のヘッドとの
電界に関するクロストークの影響を調べた。そのために
連続した２個の記録電極に対して印字を行い各ドットの
間隔を調べた。なお、本実施例に使用したヘッドは共に
１５０ｄｐｉであり記録電極のピッチは１６９μｍであ
る。結果を以下に示す。

【００４９】本実施例・・・約１７０μｍ従来ヘッド・・・約１８０μｍ本実施例のヘッドでは記録電極間の間隔と印字ドットの
間隔がほぼ同じであるが、従来のヘッドでは間隔が広く
なっているのに対し、本実施の形態１の静電式インクジ
ェットヘッド１では、導電性のインク流路９を設けたこ
とで、インク流路９と対向電極１３との間に強い電界が
形成され、インク流路９は全ての記録電極６の両隣にあ
るため、インク流路９が記録電極６に与える影響は等し
く、記録電極６と対向電極１３との間の電界の方向に影
響は与えず、方向性のよい電界が形成できるのでクロス
トークの無い良好な印字品質が実現できることがわか
る。

【００５０】（実施例３）また、インク流路の無い従来
のヘッドでは電気泳動による色材の流れの干渉によるク
ロストークの影響を調べた。

【００５１】実験は以下に示す手順でおこなった。最初
に１個の記録電極について一定の周波数で印字をおこな
う。所定の時間を経た後、隣接する記録電極も印字条件
を同じにして印字をおこなう。そして、印字されたドッ
ト径の比較をおこなう。この時、先に印字したドット径
を１００として後から印字したドット径と比較した。結
果を以下に示す。

【００５２】本実施例・・・９７〜１０３従来ヘッド・・・７０〜８０本実施の形態１の記録ヘッドにおいては、インク流路９
により各記録電極６毎に独立されており、各吐出ポイン
トに形成されるメニスカス１２の形状は一様になる。し
かも、各記録電極６へ供給されたインク１０が隣接した
記録電極６に供給されたインクと干渉することがない。
このため、従来のように、記録電極６に信号電圧が印加
された際に生じる電界により隣接した記録電極６に向っ
て色材が移動されることがなく、各記録電極６を独立し
て駆動制御することができることがわかる。よって、各
記録電極６でのドット径バラツキが小さくなり、ドット
抜けも確実に少なくできるので、高画質な印字ができる
ことがわかる。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明の静電式インクジェ
ットヘッドによれば、以下のような有利な効果が得られ
る。

【００５４】請求項１に記載の発明によれば、（１）イ
ンク流路は各記録電極間に存在するので、インク流路が
隣接記録電極の電界変動を遮蔽する機能を持たせること
ができ、各記録電極は隣接記録電極に電界の影響を受け
ることなくインクを吐出させることができる静電式イン
クジェットヘッドを提供することができる。

【００５５】（２）インク流路は各記録電極に対応して
１つずつ配置しているので、各記録電極は隣接する記録
電極のインク吐出による顔料の流れに影響すること無
く、顔料の電気泳動による流れを発生させインクを吐出
させることができる静電式インクジェットヘッドを提供
することができる。

【００５６】請求項２に記載の発明によれば、請求項１
の効果に加え、（１）導電性のインク流路にＤＣ電圧も
しくはパルス状の電圧を印加することにより、インク流
路に凝集電極としての機能を持たせることができ、イン
ク流路と記録電極との電位差により色材粒子を電気泳動
させ色材粒子を凝集させることができる静電式インクジ
ェットヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態１における静電式インクジ
ェットヘッドの要部斜視図

【図２】記録電極及びインク流路の要部拡大斜視図

【図３】静電式インクジェットヘッドの要部側面説明図

【図４】静電式インクジェットと対向電極との位置関係
を示す説明図

【図５】記録電極及びインク流路並びに対向電極の信号
電圧波形図

【図６】待機期間における静電式インクジェットヘッド
の要部側面状態図

【図７】凝集期間の前期における静電式インクジェット
ヘッドの要部側面状態図

【図８】凝集期間の後期における静電式インクジェット
ヘッドの要部側面状態図

【図９】吐出期間における静電式インクジェットヘッド
の要部側面状態図

【符号の説明】

１静電式インクジェットヘッド２下部筐体３上部筐体４インクタンク５インク吐出孔６記録電極７リード線８タグ配線基板９インク流路１０インク１１色材粒子１１ａ色材粒子群１２メニスカス１３対向電極１４記録紙１５記録電極ドライバ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】電界により色材粒子を飛翔させ対向電極に
配置された記録紙に印字を行う静電式インクジェットヘ
ッドであって、帯電した前記色材粒子を絶縁性溶媒に分散してなるイン
クを保持するインクタンクと、一端側が前記インクタン
クに連通して並設され導電性材料で形成された複数のイ
ンク流路と、複数の前記インク流路の他端側に各々配設
された記録電極と、を備えたことを特徴とする静電式イ
ンクジェットヘッド。
【請求項２】前記インク流路及び前記記録電極に各々所
定の電圧を印加する電圧印加手段を備えたことを特徴と
する請求項１に記載の静電式インクジェットヘッド。