JP2005022285A - 静電吐出型インクジェットヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】インクの吐出に必要な印加電圧が小さく、そのため放電や漏電等の危険性が小さく、高精細な記録を高速で安定して行うことができる静電吐出型インクジェットヘッドを提供する。
【解決手段】ヘッド基板と、個別電極毎に２層電極構造に設けられた第１および第２駆動電極と、個別電極毎にヘッド基板上に配置されたインクガイドと、個別電極毎にインクガイドの配置に対応する位置に貫通孔が開孔された絶縁性基板とを備え、第１駆動電極は、インクの流路よりも絶縁性基板側に配置され、第２駆動電極は、第１駆動電極よりもヘッド基板側に配置され、第１駆動電極および第２駆動電極の両方に、同極性の電圧を印加し、重畳された電圧に応じてインクの吐出または非吐出を制御することにより上記課題を解決する。
【選択図】図１
【解決手段】ヘッド基板と、個別電極毎に２層電極構造に設けられた第１および第２駆動電極と、個別電極毎にヘッド基板上に配置されたインクガイドと、個別電極毎にインクガイドの配置に対応する位置に貫通孔が開孔された絶縁性基板とを備え、第１駆動電極は、インクの流路よりも絶縁性基板側に配置され、第２駆動電極は、第１駆動電極よりもヘッド基板側に配置され、第１駆動電極および第２駆動電極の両方に、同極性の電圧を印加し、重畳された電圧に応じてインクの吐出または非吐出を制御することにより上記課題を解決する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電力によりインクの吐出を制御する静電吐出型インクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電吐出型インクジェット記録方式は、帯電した微粒子成分を含むインクを用い、画像データに応じて、インクジェットヘッドの個別電極に所定の電圧を印加することにより、静電力を利用してインクの吐出を制御し、画像データに対応した画像を記録媒体上に記録する方式である。この静電吐出型インクジェット記録方式を採用する記録装置として、例えば特許文献１に開示のインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図６は、上記公報に開示のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成を表す一例の概念図である。同図に示すインクジェットヘッド７０は、上記公報に開示のインクジェットヘッド記録装置のインクジェットヘッドを構成する１つの個別電極のみを概念的に表したものであり、ヘッド基板１２と、インクガイド１４と、絶縁性基板１６と、駆動電極７２と、対向電極２２とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１４は、ヘッド基板１２の上に配置されており、その中央部分には、図中上下方向にインク案内溝２６となる切り欠きが形成されている。また、絶縁性基板１６には、インクガイド１４の配置に対応する位置に貫通孔２８が開孔されている。インクガイド１４は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８を通過し、その先端部分が絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上部に突出されている。
【０００５】
また、駆動電極７２は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面に、個別電極毎にリング状に設けられている。また、ヘッド基板１２と絶縁性基板１６は所定の間隔を離して配置されており、両者の間にはインクの流路３０が形成されている。また、対向電極２２は、インクガイド１４の先端部分に対向する位置に配置され、記録媒体Ｐは、対向電極２２の図中下側の面の表面に配置されている。
【０００６】
また、図７は、駆動電極のドライバの一例の構成概念図である。同図に示すドライバ７４は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）３４と、抵抗素子３６，３８とを備えている。ＦＥＴ３４のドレインは駆動電極７２に接続され、そのソースはグランドに接続され、そのゲートにはコントロール信号が入力されている。また、抵抗素子３６は、高圧電源と駆動電極７２との間に接続され、抵抗素子３８は、コントロール信号とグランドとの間に接続されている。
【０００７】
ドライバ７４では、画像データに応じてコントロール信号がハイレベルまたはローレベルに変化する。コントロール信号がハイレベルになるとＦＥＴ３４はオンし、駆動電極７２はグランドレベルとなる。一方、コントロール信号がローレベルになるとＦＥＴ３４はオフし、駆動電極７２は高圧電源の高電圧レベルとなる。すなわち、駆動電極７２は、画像データ（コントロール信号）に応じて、グランドレベルと高電圧レベルとの間で頻繁にスイッチングされる。
【０００８】
記録時には、図６中右側から左側へ向かって、駆動電極７２に印加される高電圧レベルと同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが循環される。
【０００９】
駆動電極７２がグランドレベルの状態では、インクガイド１４の先端部分近傍の電界強度が低く、インクはインクガイド１４の先端部分からは飛び出さない。この時、インクの一部は、毛細管現象により、インクガイド１４に形成されたインク案内溝２６に沿って、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上方まで上昇する。
【００１０】
一方、駆動電極７２に高電圧レベルが印加されると、インクガイド１４のインク案内溝２６に沿って上昇し、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上方に上昇したインクは反発力によってインクガイド１４の先端部分から飛び出し、マイナスの電圧レベルにバイアスされている対向電極２２に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着する。
【００１１】
こうして、インクジェットヘッド７０と対向電極２２上に配置された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら記録を行うことにより、記録媒体Ｐに、画像データに対応する画像が記録される。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−２３０６０８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高精細かつ高速性が要求される記録装置の場合、必然的に、１ライン分の画像を同時に記録可能なラインヘッドが必要となる。例えば、１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）で６０ｐｐｍ（ページ／分）の記録装置の場合、幅１０インチの記録媒体に画像を記録可能なラインヘッドには、１ライン分の画素数に相当する１２０００個という膨大な数の個別電極と、個々の個別電極を駆動する同数の駆動回路が配置される。
【００１４】
この場合、ラインヘッドは、ライン方向に対して、物理的に極めて高密度に個別電極および駆動回路を実装する必要がある。駆動回路は、例えば約６００Ｖ程度の高電圧を使用するため、個別電極および駆動回路を高密度に配置すると放電の危険性が高くなる。従って、高密度実装と高電圧を両立させることは極めて困難なことである。
【００１５】
また、上記駆動回路では、個別電極当り１ｍＡの電流が流れるとすると、１２０００個では最大１２Ａの電流が流れる。従って、スイッチングされる高電圧が６００Ｖの場合、消費電力は７．２ｋＷとなる。高圧電源の効率が１００％であるとしても、電源としてＡＣ２００Ｖ、３６Ａが必要となるが、それでもＡ４の記録媒体に単色の画像しか記録できないことになり、システムとしては余りにも非現実的である。
【００１６】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、インクの吐出に必要な印加電圧が小さく、そのため放電や漏電等の危険性が小さく、高精細な記録を高速で安定して行うことができる静電吐出型インクジェットヘッドを提供することにある。
【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、本発明は、帯電した微粒子を含むインクを、個別電極に所定の電圧を印加することによって生じる静電力を利用して吐出させて、記録媒体に画像を記録する静電吐出型インクジェットヘッドであって、
ヘッド基板と、前記個別電極毎に２層電極構造に設けられた第１および第２駆動電極と、前記個別電極毎に前記ヘッド基板上に配置されたインクガイドと、前記個別電極毎に前記インクガイドの配置に対応する位置に貫通孔が開孔された絶縁性基板とを備え、
前記ヘッド基板と前記絶縁性基板は所定の間隔を離して配置され、これらのヘッド基板と絶縁性基板との間には前記インクの流路が形成され、前記インクガイドは、前記絶縁性基板に開孔された貫通孔を通過し、その先端部分が前記絶縁性基板の前記記録媒体側の面の表面よりも突出され、前記第１駆動電極は、前記インクの流路よりも前記絶縁性基板側に配置され、前記第２駆動電極は、前記第１駆動電極よりも前記ヘッド基板側に配置され、
前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の両方に、同極性の電圧を印加し、重畳された電圧に応じて前記インクの吐出または非吐出を制御することを特徴とする静電吐出型インクジェットヘッドを提供するものである。
【００１８】
ここで、前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極に、画像データに応じて、同極性かつ同位相の電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御するのが好ましい。
また、前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の一方に一定電圧を印加しておき、他方に、画像データに応じて、前記一定電圧と同極性の所定電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御するのが好ましい。
【００１９】
また、前記第１駆動電極に印加される電圧と、前記第２駆動電極に印加される電圧とが等しいのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示す好適実施例に基づいて、本発明の静電吐出型インクジェットヘッドを詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、本発明を適用する静電吐出型インクジェットヘッドの一実施例の構成概念図および概略斜視図である。同図に示す静電吐出型インクジェットヘッド１０は、帯電された顔料等の微粒子成分を含むインクを静電力により吐出させて、画像データに対応する画像を記録媒体Ｐ上に記録するものであり、ヘッド基板１２と、インクガイド１４と、絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）と、第１および第２の駆動電極１８および２０と、泳動電極２４とを備えている。また、インクジェットヘッド１０のインクガイド１４と対向する位置には、対向電極２２が備えられている。
【００２２】
なお、図１に示す例は、インクジェットヘッド１０を構成する１つの個別電極のみを表したものである。個別電極の個数は１個以上何個備えられていてもよいし、個別電極の物理的な配置等も何ら限定されない。例えば、複数の個別電極を１次元的または２次元的に配置してラインヘッドを構成することも可能である。また、本発明を適用するインクジェットヘッドは、モノクロおよびカラーのどちらにも対応可能である。
【００２３】
図示例のインクジェットヘッド１０において、インクガイド１４は、個別電極毎にヘッド基板１２の上に配置されており、その中央部分には、図中上下方向にインク案内溝２６となる切り欠きが形成されている。また、絶縁性基板１６は、絶縁性基板１６ａと、絶縁性基板１６ａよりもヘッド基板１２の側の絶縁性基板１６ｂとからなり、この絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）には、インクガイド１４の配置に対応する位置に貫通孔２８が開孔されている。インクガイド１４は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８を通過し、その先端部分が、絶縁性基板１６のヘッド基板１２と反対側の面（図中上側の面）の表面から突出されている。
【００２４】
なお、インクガイド１４の先端部分は、対向電極２２側へ向かうに従って次第に細く略三角形（ないしは台形）に成形されており、その最先端部のインクが吐出される部分には金属が蒸着されている。この金属蒸着は必須ではないが、これにより、インクガイド１４最先端部の誘電率が実質的に無限大となり、強電界を生じさせやすくできるという効果があるので、金属蒸着を行うのが好ましい。なお、インクガイド１４の形状は適宜変更してもよい。
【００２５】
ヘッド基板１２と絶縁性基板１６とは、所定間隔離間して配置されており、両者の間には、インクガイド１４にインクＱを供給するためのインクリザーバ（インク室）として機能するインク流路３０が形成されている。なお、インク流路３０内のインクＱは、吐出電極１８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含み、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、所定方向、図示例ではインク流路３０内を右側から左側へ向かって所定の速度で循環される。以下では、インク中の着色粒子が正帯電している場合を例にとって説明を行う。
【００２６】
また、第１駆動電極１８は、図２に示すように、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６（１６ａ）の図中上側、すなわち記録媒体Ｐ側の面に、個別電極毎にリング状に設けられている。一方、第２駆動電極２０は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６ａの図中下側の面、すなわち絶縁性基板１６ｂの図中上側の面に、個別電極毎にリング状に設けられている。このような絶縁性基板１６ａおよび１６ｂとそこに形成される第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の積層体は、例えば、絶縁性基板１６ｂの上に第２駆動電極２０を形成し、その上に絶縁性基板１６ａを積層し、さらに、絶縁性基板１６ａの上に第１駆動電極１８を形成することによって作製することができる。
なお、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０は、少なくとも絶縁層を介して配置されていれば良く、その位置関係は、後に詳述する２層電極構造の効果を得られるように適宜設定されれば良い。また、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の形状は同様であっても良いし、異なっていても良い。
【００２７】
第１駆動電極１８および第２駆動電極２０は、画像デ−タや印字データ等の吐出データ（吐出信号）に応じたパルス信号（所定のパルス電圧、例えば低電圧レベルの０Ｖ、高電圧レベルの３００Ｖ）を発生する信号電圧源３４に、並列に接続されている。すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０には、信号電圧源３４によって、同極性、同レベルかつ同位相の電圧が印加される。
【００２８】
また、対向電極２２は、インクガイド１４の先端部分１４ａに対向する位置に配置され、電極基板２２ａと、電極基板２２ａの図中下側の表面、すなわちインクガイド１４側の表面に配置される絶縁シート２２ｂで構成され、電極基板２２ａは、接地される。また、記録媒体Ｐは、対向電極２２の図中下側の表面、すなわちインクガイド１４側の表面、すなわち絶縁シート２２ｂの表面に支持され、例えば静電吸着されており、対向電極２２（絶縁シート２２ｂ）は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
ここで、少なくとも記録時には、帯電ユニット３２によって、対向電極２２の絶縁シート２２ｂの表面、すなわち記録媒体Ｐは、第１および第２駆動電極１８および２０に印加される高電圧（パルス電圧）と逆極性の所定の負の高電圧、例えば、−１．５ｋＶに帯電された状態に維持される。その結果、記録媒体Ｐは、帯電ユニット３２により負帯電して、第１および第２駆動電極１８および２０に対して負の高電圧に常時バイアスされるとともに、対向電極２２の絶縁シート２２ｂに静電吸着される。
【００２９】
ここで、帯電ユニット３２は、記録媒体Ｐを負の高電圧に帯電させるためのスコロトロン帯電器３２ａと、スコロトロン帯電器３２ａに負の高電圧を供給するバイアス電圧源３２ｂとを有している。なお、本発明に用いられる帯電ユニット３２の帯電手段としては、スコロトロン帯電器３２ａに限定されず、コロトロン帯電器、固体チャージャ、放電針などの種々の放電手段を用いることができる。なお、図示例においては、対向電極２２を電極基板２２ａと絶縁シート２２ｂとで構成し、記録媒体Ｐを、帯電ユニット３２によって負の高電圧に帯電させることにより絶縁シート２２ｂの表面に静電吸着させているが、本発明はこれに限定されず、対向電極２２を電極基板２２ａのみで構成し、対向電極２２（電極基板２２ａ自体）を負の高電圧のバイアス電圧源に接続して、負の高電圧に常時バイアスしておき、対向電極２２の表面に記録媒体Ｐを静電吸着させるようにしても良い。
また、記録媒体Ｐの対向電極２２への静電吸着と、記録媒体Ｐへの負の高電圧への帯電または対向電極２２への負のバイアス高電圧の印加とを別々の負の高電圧源によって行っても良いし、対向電極２２による記録媒体Ｐの支持は、記録媒体Ｐの静電吸着に限られず、他の支持方法や支持手段を用いても良い。
【００３０】
また、泳動電極２４は、インク流路３０の下方に配置され、所定の正の電圧が印加されている。図示例では、ヘッド基板１２の下面に配置されている。なお、本発明においては、泳動電極２４は、インク流路３０の下方であれば、どこに配置しても良く、例えば、ヘッド基板１２の内部であっても良い。
この泳動電極２４は、画像の記録時に、個別電極に印加された電圧に応じて、誘起された誘導電圧が発生し、インク流路３０内のインクＱにおいて、その微粒子成分を絶縁性基板１６側へ泳動させて濃縮させるためのものである。従って、泳動電極２４は、インク流路３０よりもヘッド基板１２側に配置される必要がある。また、泳動電極２４は、個別電極の位置よりもインク流路３０の上流側に配置される方が好ましい。なお、泳動電極２４を電気的に絶縁状態（ハイインピーダンス状態）としても良い。
【００３１】
このようなインクジェットヘッド１０による記録時には、画像データに応じて、信号電圧源３４から、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に同極性かつ同レベルの電圧が、同位相で、すなわち同じタイミングで印加される。インクガイド１４の先端部分１４ａと対向電極２２との間の電界強度は、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方に電圧が印加された時に、インク吐出に必要な電界強度に達して、先端部分１４ａからインク滴Ｒが吐出される。吐出されたインク滴Ｒは、対向電極２２に引き付けられて飛翔し、記録媒体Ｐの所定位置に着弾して画像を形成する。
【００３２】
ここで、本発明の駆動電極は、上述のように、２層電極構造とされているので、従来のように単層の駆動電極によってインク吐出を行う場合に比べて、駆動電極に印加する電圧を小さくすることができる。
２層電極構造による駆動電圧の低減効果を実証するために、本発明者は、本発明において、 図３に示す実モデルを用いてシミュレーションを行った。すなわち、図３に示すように、 泳動電極２４上にインクガイド１４を載置し、 インクガイド１４を中心としてその周囲に第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を配置し、 さらに、インクガイド１４の先端部分１４ａに対向するように対向電極２２配置した実モデルにおいて、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の電圧のオン／オフをそれぞれ切り替えた時の、各状態における吐出部、すなわちインクガイド１４の先端部分１４ａの電界強度（Ｖ／ｍ）を求めた。この時、泳動電極２４と第２駆動電極２０との間隔を５０００μｍ、第２駆動電極２０と第１駆動電極１８との間隔を８００μｍ、および第１駆動電極１８と対向電極２２との間隔を５００μｍとし、泳動電極２４には、４００Ｖの正の電圧が印加され、対向電極２２には、−１５００Ｖの負の高電圧がバイアス電圧として印加され、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０には、駆動電圧として＋３００Ｖが印加されるものとした。なお、対向電極２２への−１５００Ｖの負のバイアス高電圧の印加は、対向電極２２に静電吸着された記録媒体Ｐの−１５００Ｖの負の高電圧帯電と等価である。なお、図３の実モデルにおいて、インクガイド１４は、図１に示すインクガイド１４をインク案内溝２６で切断した片側のみを用いており、先端角２５°、幅（図中水平方向長さ）５０μｍ、厚さ（図中紙面に垂直な方向の長さ、図示せず）が７５μｍのジルコニア（誘電率ε＝約２５）で構成されている。
【００３３】
こうして得られた結果を図４に示す。
ここで、図４の横軸は、図３において、インクガイド１４の最先端を０とし、そこからの先端部分１４ａの表面に沿った距離を表しており、先端部分１４ａの図３中左側面上（矢印Ｃ１方向）の距離をマイナス、図中右側面上（矢印Ｃ２方向）の距離をプラスで示している。また、縦軸は、そこにおける電界強度を表している。
図４から、インクガイド１４の先端部分１４ａにおいて、全体的に、２層電極のオフ状態、すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方がオフ（０Ｖ）の時の電界強度（図中、破線で示す）に対する、２層電極のオン状態、すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方をオン（３００Ｖ）とした時の電界強度（図中、実線で示す）の増加量は、単層電極のオン状態に相当する、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０のいずれか一方をオン（３００Ｖ）とした時の電界強度（図中、１点鎖線または２点鎖線で示す）の増加量の約２倍になっていることがわかる。ここで、図４において、両電極がオフ状態の時に先端部分１４ａに生じている電界強度は、泳動電極２４と対向電極２２との間のバイアス電圧によるものである。
【００３４】
図４に示す結果は、２層電極構造によって先端部分１４ａに形成される電界強度は、その２つの電極のそれぞれによって形成される電界強度の重ね合わせとして捉えることができることを表している。すなわち、図３に概念的に示すように、第１駆動電極１８からの電気力線ｄと第２駆動電極２０からの電気力線ｄとが加算されて、先端部分１４ａの電界強度が高くなる。従って、本発明の２層電極構造を有するインクジェットヘッド１０においては、インク滴Ｒの吐出に必要な駆動電極への印加電圧（パルス電圧）を、単層電極構造の場合の約半分に低下させることができる。これにより、各個別電極を駆動する駆動回路の負荷を低減することができ、低耐圧駆動回路の使用も可能となる。また、電源（信号電圧源３４）を低電圧化することができる。
【００３５】
なお、本実施例のように、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を単一の信号電圧源３４に並列に接続し、同レベルの電圧を同じタイミングで印加することで、単層電極構造の場合と同様の制御系で、電圧レベルのみを低下させて、インク吐出の制御を行うことができるが、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加する電圧は同レベルでなくともよいし、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０をそれぞれが異なる信号電圧源に接続して、同極性の電圧を異なったタイミングで印加してもよい。いずれの場合にも、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に重畳された電圧が所定値を超えた時にインクが吐出されるように、インク吐出／非吐出の制御を行えばよい。あるいは、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０のいずれか一方には一定電圧を印加しておき、他の一方の電圧のみをオン／オフして、両方がオン状態となった時にインク吐出が行われるようにすることで、インクの吐出／非吐出を制御してもよい。
【００３６】
本発明に係る静電式インクジェットヘッドは、基本的に以上のように構成されるが、以下に、図１に示すインクジェットヘッド１０の動作を代表例として、本発明の静電式インクジェットヘッドの作用を説明する。
図１に示すインクジェットヘッド１０では、記録時に、図示しないポンプ等を含むインク循環機構により、第１および第２駆動電極１８および２０に印加される電圧と同極性、例えば、正（＋）に帯電した微粒子成分を含むインクＱが、インク流路３０の内部を図１中矢印ａ方向に、すなわち右側から左側へ向かって循環される。この時、対向電極２２に静電吸着された記録媒体Ｐは、逆極性、すなわち負の高電圧、例えば−１５００Ｖに帯電されている。また、泳動電極２４には、所定の正の電圧が印加されている。
【００３７】
ここで、第１および第２駆動電極１８および２０にパルス電圧が印加されていないか、または、印加されているパルス電圧が低電圧レベル（０Ｖ）である時、第１および第２駆動電極１８および２０と対向電極２２（記録媒体Ｐ）との間の電圧（電位差）は、例えばバイアス電圧分の１５００Ｖで、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が低く、インクＱは、インクガイド１４の先端部分１４ａからは飛び出さず、すなわち、インク液滴Ｒとして吐出されない。しかし、この時、インク流路３０内のインクＱの一部、特にインクＱ内に含まれる帯電微粒子成分は、泳動現象および毛細管現象などによって、絶縁性基板１６の貫通孔２８を通って、図１中矢印ｂ方向に、すなわち絶縁性基板１６の下側からその上側へ向かって上昇し、インクガイド１４の先端部分１４ａに供給される。
【００３８】
一方、第１および第２駆動電極１８および２０に高電圧レベル（例えば、３００Ｖ）のパルス電圧が印加されると、第１および第２駆動電極１８および２０と対向電極２２（記録媒体Ｐ）との間の電圧（電位差）は、例えば、バイアス電圧分の１５００Ｖにパルス電圧３００Ｖの２電極分が重畳され、２１００Ｖとなって高くなるため、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が高くなる。この時、インクガイド１４に沿って上昇し、絶縁性基板１６の上方の先端部分１４ａに上昇したインクＱ、特にインクＱ内に濃縮した帯電微粒子成分は、静電力によってインクガイド１４の先端部分１４ａから、帯電微粒子成分を含むインク液滴Ｒとして飛び出し、例えば−１５００Ｖにバイアスされている対向電極２２（記録媒体Ｐ）に引っ張られて、記録媒体Ｐ上に付着する。
【００３９】
以上のようにして、インクジェットヘッド１０と対向電極２２上に支持された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら、画像データに応じたインク吐出によって記録媒体Ｐにドットを形成して記録を行うことにより、記録媒体Ｐに画像データに対応する画像を記録することができる。
【００４０】
上記では、インクジェットヘッド１０を構成する１つの個別電極についてのみ説明したが、インクジェットヘッド１０を、複数の個別電極が２次元的に配置されたラインヘッドとした場合の好適実施形態について、以下に説明する。
インクジェットヘッド１０において、複数の個別電極は、行方向（主走査方向）および列方向（副走査方向）に２次元的に配置される。そして、図５に示すように、行方向（主走査方向）に配置された複数の第１駆動電極１８は相互に接続され、列方向（副走査方向）に配置された複数の第２駆動電極２０は相互に接続される。
【００４１】
記録時には、本実施形態の場合、第１駆動電極１８が１行ずつ順番に高電圧レベル（オン状態）とされ、残りの全ての第１駆動電極１８はグランドレベル（接地状態：オフ状態）に駆動される。また、第２駆動電極２０が、画像データに応じて列単位で高電圧レベルまたはグランドレベルに駆動される。なお、別の実施形態として、第１および第２駆動電極１８および２０を逆の状態に駆動してもよい。
【００４２】
上述したように、第１および第２の駆動電極１８および２０は、２層電極構造とされ、マトリクス状に配置される。これらの第１および第２の駆動電極１８および２０により、各々の個別電極におけるインクの吐出／非吐出が制御される。すなわち、第１駆動電極１８が高電圧レベルで、かつ第２駆動電極２０が高電圧レベルの場合にはインクが吐出し、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方がグランドレベルの場合にはインクは吐出しない。
【００４３】
図５は、第１および第２の駆動電極の配置を表す一実施例の概念図である。同図に示すように、例えばインクジェットヘッド１０が１５個の個別電極を備える場合、１５個の個別電極は、主走査方向の１行当り５個（１，２，３，４，５）ずつ並べられ、かつ副走査方向に３行（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配置される。記録時には、同一行に配置された５個の第１駆動電極１８は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。同様に、同一列に配置された３個の第２駆動電極２０は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。
【００４４】
例えば、図５に示すインクジェットヘッドの場合、第１駆動電極１８のＡ行の５個の個別電極は、行方向に対して所定の間隔を離して配置される。Ｂ行およびＣ行についても同様である。また、Ｂ行の５個の個別電極は、Ａ行に対して、列方向に所定の間隔を離して、かつ、行方向に対して、それぞれＡ行の５個の個別電極とＣ行の５個の個別電極との間に配置される。同様に、Ｃ行の５個の個別電極は、Ｂ行に対して、列方向に所定の間隔を離して、かつ、行方向に対して、それぞれＢ行の５個の駆動電極とＡ行の５個の駆動電極との間に配置される。
【００４５】
このように、第１駆動電極１８の各行に含まれる個別電極をそれぞれ行方向にずらして配置することにより、記録媒体Ｐに記録される１行を、行方向に３分割している。
すなわち、記録媒体Ｐに記録される１行は、行方向に対して、第１駆動電極１８の行数に相当する複数のグループに分割され、時分割で順次記録される。例えば、図５に示す例の場合、第１駆動電極１８のＡ，Ｂ，Ｃ行を順次記録することにより、記録媒体Ｐ上に１行分の画像が記録される。この場合、上記のように、記録媒体Ｐに記録される１行は行方向に３分割され、時分割により順次記録が行われる。
【００４６】
このようなマトリクス駆動方式で駆動される本実施形態のインクジェットヘッド１０においては、例えば、第１駆動電極１８に、行ごとに順次、所定の電圧、例えば３００Ｖを印加し、第２駆動電極２０に、画像データに応じて所定のパルス電圧、例えば３００Ｖ−０Ｖを印加することにより、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加される高電圧レベルと同極性に帯電した顔料等の微粒子成分を含むインクＱ（インク液滴Ｒ）の吐出／非吐出を制御することができる。すなわち、インクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方の電圧がオフ状態（例えば０Ｖ）では、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が低く、インクＱはインクガイド１４の先端部分１４ａからは飛び出さず、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方がオン状態（例えば３００Ｖ）になると、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が高くなり、インクガイド１４の先端部分１４ａに濃縮したインクＱは静電力によって先端部分１４ａから飛び出す。
【００４７】
既に述べたように、本実施形態のインクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方が接地レベルの場合にはインクが吐出せず、第１駆動電極１８が高電圧レベルで、かつ第２駆動電極４４が高電圧レベルの場合にだけインクが吐出する。
すなわち、本実施形態のインクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方が高電圧レベルの時に、インク吐出に十分な強い電界強度が得られ、かつ、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の少なくとも一方が接地レベルの時には、インクが吐出されないような低い電界強度となるようにすれば良く、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の形状やサイズ、配置（位置関係）、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加する高電圧レベル、対向電極２２のバイアス電圧（または記録媒体の帯電電圧）、絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）の厚さ、インクガイド１４の形状等の関連するパラメータを適宜決定すればよい。
【００４８】
このような構成により、本実施形態によれば、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を高電圧レベルと接地レベルとの間でスイッチングするが、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加される電圧は、単層電極の場合の約半分と小さくなっているので、スイッチングのために消費される電力が小さい。従って、本実施形態によれば、高精細かつ高速性が要求されるインクジェットヘッドにおいても、消費電力を大幅に削減することができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、個別電極を２次元的に配置し、マトリクス駆動するため、行方向の複数の個別電極を駆動する行ドライバおよび列方向の複数の個別電極を駆動する列ドライバの個数（スイッチング素子等の数）を大幅に削減することができる。従って、本実施形態によれば、２次元配列される個別電極の駆動回路の実装面積および消費電力を大幅に削減することができる。また、駆動回路が単純化するため装置構成が簡単になり、製造が容易で、メンテナンス性も良好となる。さらに、各個別電極として配置される各駆動電極が、行方向または列方向に連結されるので、個々の電極から１対１で制御線を引き出す必要がなくなる。これにより、電極パターンが過密化するのを防ぎ、電極形成が容易になる。従って、高画質な画像記録が可能となる。また、本実施形態によれば、各個別電極間を比較的余裕をもって配置することができるため、各個別電極間での放電の危険性を極めて低くすることができ、高密度実装と高電圧を安全に両立させることができる。
【００５０】
なお、個別電極を高密度に配置したラインヘッド等においては、隣接する個別電極間に電界干渉が生じることがある。そのため、隣接するインクガイド１４への電気力線を遮蔽するように、隣接する個別電極の第１駆動電極間に、ガード電極を設けるのも好ましい。
また、絶縁性基板１６ａとその表面に形成された第１駆動電極１８の一部または全部を覆うように、絶縁層を設けても良い。
【００５１】
なお、本発明のインクジェットヘッド１０では、第１および第２駆動電極１８および２０からなる２層電極構造としているが、本発明はこれに限定されず、２層以上何層の駆動電極を使用してもよい。
また、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の配置は、上述の例には限定されず、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０からの電気力線が加算されて、インクガイド１４の先端部分１４ａに作用して所定の電界強度を持たせるように配置されれば良く、それぞれがインク流路３０を隔てて設けられていても良い。
【００５２】
また、本発明の静電吐出型インクジェットヘッドは、帯電した色材成分を含むインクを吐出するものに限定されるものではなく、荷電粒子を含む液体を吐出させる液体吐出ヘッドであれば特に制限されず、例えば、上記静電式インクジェット記録装置の他に、帯電粒子を利用して液滴を吐出して対象物を塗布する塗布装置に適用することができる。
【００５３】
以上、本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、静電吐出型インクジェットヘッドのインク吐出を制御する駆動電極を２層構造とすることにより、各層の駆動電極に印加する電圧を小さくすることができ、そのため消費電力が少なく、放電や漏電等の危険性が小さく、装置の作動安定性を実現できる。それにより、高精細な記録を高速で安定して行うことができる静電吐出型インクジェットヘッドを提供することができる。また、駆動電極への印加電圧を小さくできることにより、駆動回路への負荷が低減し、駆動回路素子の選択肢も広がるので、装置設計の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの一実施例の構成概念図である。
【図２】図１に示す静電吐出型インクジェットヘッドの概略斜視断面図である。
【図３】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極の実モデルを示す概念図である。
【図４】図３に示す実モデルにおける電界強度とインクガイドの先端中心からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極に用いられる第１および第２駆動電極の配置を表す一実施例の模式的斜視図である。
【図６】従来の静電吐出型インクジェットヘッドの一例の構成概念図である。
【図７】従来の静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極のドライバの一例の構成概念図である。
【符号の説明】
１０ 静電吐出型インクジェットヘッド
１２ ヘッド基板
１４ インクガイド
１６，１６ａ，１６ｂ 絶縁性基板
１８ 第１駆動電極
２０ 第２駆動電極
２２ 対向電極
２４ 泳動電極
２６ インク案内溝
２８ 貫通孔
３０ インク流路
３２ 帯電ユニット
３４ ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
３６，３８ 抵抗素子
７０ インクジェットヘッド
７２ 駆動電極
７４ ドライバ
Ｐ 記録媒体
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電力によりインクの吐出を制御する静電吐出型インクジェットヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電吐出型インクジェット記録方式は、帯電した微粒子成分を含むインクを用い、画像データに応じて、インクジェットヘッドの個別電極に所定の電圧を印加することにより、静電力を利用してインクの吐出を制御し、画像データに対応した画像を記録媒体上に記録する方式である。この静電吐出型インクジェット記録方式を採用する記録装置として、例えば特許文献１に開示のインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図６は、上記公報に開示のインクジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成を表す一例の概念図である。同図に示すインクジェットヘッド７０は、上記公報に開示のインクジェットヘッド記録装置のインクジェットヘッドを構成する１つの個別電極のみを概念的に表したものであり、ヘッド基板１２と、インクガイド１４と、絶縁性基板１６と、駆動電極７２と、対向電極２２とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１４は、ヘッド基板１２の上に配置されており、その中央部分には、図中上下方向にインク案内溝２６となる切り欠きが形成されている。また、絶縁性基板１６には、インクガイド１４の配置に対応する位置に貫通孔２８が開孔されている。インクガイド１４は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８を通過し、その先端部分が絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上部に突出されている。
【０００５】
また、駆動電極７２は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面に、個別電極毎にリング状に設けられている。また、ヘッド基板１２と絶縁性基板１６は所定の間隔を離して配置されており、両者の間にはインクの流路３０が形成されている。また、対向電極２２は、インクガイド１４の先端部分に対向する位置に配置され、記録媒体Ｐは、対向電極２２の図中下側の面の表面に配置されている。
【０００６】
また、図７は、駆動電極のドライバの一例の構成概念図である。同図に示すドライバ７４は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）３４と、抵抗素子３６，３８とを備えている。ＦＥＴ３４のドレインは駆動電極７２に接続され、そのソースはグランドに接続され、そのゲートにはコントロール信号が入力されている。また、抵抗素子３６は、高圧電源と駆動電極７２との間に接続され、抵抗素子３８は、コントロール信号とグランドとの間に接続されている。
【０００７】
ドライバ７４では、画像データに応じてコントロール信号がハイレベルまたはローレベルに変化する。コントロール信号がハイレベルになるとＦＥＴ３４はオンし、駆動電極７２はグランドレベルとなる。一方、コントロール信号がローレベルになるとＦＥＴ３４はオフし、駆動電極７２は高圧電源の高電圧レベルとなる。すなわち、駆動電極７２は、画像データ（コントロール信号）に応じて、グランドレベルと高電圧レベルとの間で頻繁にスイッチングされる。
【０００８】
記録時には、図６中右側から左側へ向かって、駆動電極７２に印加される高電圧レベルと同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが循環される。
【０００９】
駆動電極７２がグランドレベルの状態では、インクガイド１４の先端部分近傍の電界強度が低く、インクはインクガイド１４の先端部分からは飛び出さない。この時、インクの一部は、毛細管現象により、インクガイド１４に形成されたインク案内溝２６に沿って、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上方まで上昇する。
【００１０】
一方、駆動電極７２に高電圧レベルが印加されると、インクガイド１４のインク案内溝２６に沿って上昇し、絶縁性基板１６の図中上側の面の表面よりも上方に上昇したインクは反発力によってインクガイド１４の先端部分から飛び出し、マイナスの電圧レベルにバイアスされている対向電極２２に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着する。
【００１１】
こうして、インクジェットヘッド７０と対向電極２２上に配置された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら記録を行うことにより、記録媒体Ｐに、画像データに対応する画像が記録される。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１０−２３０６０８号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、高精細かつ高速性が要求される記録装置の場合、必然的に、１ライン分の画像を同時に記録可能なラインヘッドが必要となる。例えば、１２００ｄｐｉ（ドット／インチ）で６０ｐｐｍ（ページ／分）の記録装置の場合、幅１０インチの記録媒体に画像を記録可能なラインヘッドには、１ライン分の画素数に相当する１２０００個という膨大な数の個別電極と、個々の個別電極を駆動する同数の駆動回路が配置される。
【００１４】
この場合、ラインヘッドは、ライン方向に対して、物理的に極めて高密度に個別電極および駆動回路を実装する必要がある。駆動回路は、例えば約６００Ｖ程度の高電圧を使用するため、個別電極および駆動回路を高密度に配置すると放電の危険性が高くなる。従って、高密度実装と高電圧を両立させることは極めて困難なことである。
【００１５】
また、上記駆動回路では、個別電極当り１ｍＡの電流が流れるとすると、１２０００個では最大１２Ａの電流が流れる。従って、スイッチングされる高電圧が６００Ｖの場合、消費電力は７．２ｋＷとなる。高圧電源の効率が１００％であるとしても、電源としてＡＣ２００Ｖ、３６Ａが必要となるが、それでもＡ４の記録媒体に単色の画像しか記録できないことになり、システムとしては余りにも非現実的である。
【００１６】
本発明の目的は、前記従来技術に基づく問題点を解消し、インクの吐出に必要な印加電圧が小さく、そのため放電や漏電等の危険性が小さく、高精細な記録を高速で安定して行うことができる静電吐出型インクジェットヘッドを提供することにある。
【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、本発明は、帯電した微粒子を含むインクを、個別電極に所定の電圧を印加することによって生じる静電力を利用して吐出させて、記録媒体に画像を記録する静電吐出型インクジェットヘッドであって、
ヘッド基板と、前記個別電極毎に２層電極構造に設けられた第１および第２駆動電極と、前記個別電極毎に前記ヘッド基板上に配置されたインクガイドと、前記個別電極毎に前記インクガイドの配置に対応する位置に貫通孔が開孔された絶縁性基板とを備え、
前記ヘッド基板と前記絶縁性基板は所定の間隔を離して配置され、これらのヘッド基板と絶縁性基板との間には前記インクの流路が形成され、前記インクガイドは、前記絶縁性基板に開孔された貫通孔を通過し、その先端部分が前記絶縁性基板の前記記録媒体側の面の表面よりも突出され、前記第１駆動電極は、前記インクの流路よりも前記絶縁性基板側に配置され、前記第２駆動電極は、前記第１駆動電極よりも前記ヘッド基板側に配置され、
前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の両方に、同極性の電圧を印加し、重畳された電圧に応じて前記インクの吐出または非吐出を制御することを特徴とする静電吐出型インクジェットヘッドを提供するものである。
【００１８】
ここで、前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極に、画像データに応じて、同極性かつ同位相の電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御するのが好ましい。
また、前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の一方に一定電圧を印加しておき、他方に、画像データに応じて、前記一定電圧と同極性の所定電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御するのが好ましい。
【００１９】
また、前記第１駆動電極に印加される電圧と、前記第２駆動電極に印加される電圧とが等しいのが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付の図面に示す好適実施例に基づいて、本発明の静電吐出型インクジェットヘッドを詳細に説明する。
【００２１】
図１および図２は、本発明を適用する静電吐出型インクジェットヘッドの一実施例の構成概念図および概略斜視図である。同図に示す静電吐出型インクジェットヘッド１０は、帯電された顔料等の微粒子成分を含むインクを静電力により吐出させて、画像データに対応する画像を記録媒体Ｐ上に記録するものであり、ヘッド基板１２と、インクガイド１４と、絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）と、第１および第２の駆動電極１８および２０と、泳動電極２４とを備えている。また、インクジェットヘッド１０のインクガイド１４と対向する位置には、対向電極２２が備えられている。
【００２２】
なお、図１に示す例は、インクジェットヘッド１０を構成する１つの個別電極のみを表したものである。個別電極の個数は１個以上何個備えられていてもよいし、個別電極の物理的な配置等も何ら限定されない。例えば、複数の個別電極を１次元的または２次元的に配置してラインヘッドを構成することも可能である。また、本発明を適用するインクジェットヘッドは、モノクロおよびカラーのどちらにも対応可能である。
【００２３】
図示例のインクジェットヘッド１０において、インクガイド１４は、個別電極毎にヘッド基板１２の上に配置されており、その中央部分には、図中上下方向にインク案内溝２６となる切り欠きが形成されている。また、絶縁性基板１６は、絶縁性基板１６ａと、絶縁性基板１６ａよりもヘッド基板１２の側の絶縁性基板１６ｂとからなり、この絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）には、インクガイド１４の配置に対応する位置に貫通孔２８が開孔されている。インクガイド１４は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８を通過し、その先端部分が、絶縁性基板１６のヘッド基板１２と反対側の面（図中上側の面）の表面から突出されている。
【００２４】
なお、インクガイド１４の先端部分は、対向電極２２側へ向かうに従って次第に細く略三角形（ないしは台形）に成形されており、その最先端部のインクが吐出される部分には金属が蒸着されている。この金属蒸着は必須ではないが、これにより、インクガイド１４最先端部の誘電率が実質的に無限大となり、強電界を生じさせやすくできるという効果があるので、金属蒸着を行うのが好ましい。なお、インクガイド１４の形状は適宜変更してもよい。
【００２５】
ヘッド基板１２と絶縁性基板１６とは、所定間隔離間して配置されており、両者の間には、インクガイド１４にインクＱを供給するためのインクリザーバ（インク室）として機能するインク流路３０が形成されている。なお、インク流路３０内のインクＱは、吐出電極１８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含み、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、所定方向、図示例ではインク流路３０内を右側から左側へ向かって所定の速度で循環される。以下では、インク中の着色粒子が正帯電している場合を例にとって説明を行う。
【００２６】
また、第１駆動電極１８は、図２に示すように、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６（１６ａ）の図中上側、すなわち記録媒体Ｐ側の面に、個別電極毎にリング状に設けられている。一方、第２駆動電極２０は、絶縁性基板１６に開孔された貫通孔２８の周囲を囲むように、絶縁性基板１６ａの図中下側の面、すなわち絶縁性基板１６ｂの図中上側の面に、個別電極毎にリング状に設けられている。このような絶縁性基板１６ａおよび１６ｂとそこに形成される第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の積層体は、例えば、絶縁性基板１６ｂの上に第２駆動電極２０を形成し、その上に絶縁性基板１６ａを積層し、さらに、絶縁性基板１６ａの上に第１駆動電極１８を形成することによって作製することができる。
なお、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０は、少なくとも絶縁層を介して配置されていれば良く、その位置関係は、後に詳述する２層電極構造の効果を得られるように適宜設定されれば良い。また、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の形状は同様であっても良いし、異なっていても良い。
【００２７】
第１駆動電極１８および第２駆動電極２０は、画像デ−タや印字データ等の吐出データ（吐出信号）に応じたパルス信号（所定のパルス電圧、例えば低電圧レベルの０Ｖ、高電圧レベルの３００Ｖ）を発生する信号電圧源３４に、並列に接続されている。すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０には、信号電圧源３４によって、同極性、同レベルかつ同位相の電圧が印加される。
【００２８】
また、対向電極２２は、インクガイド１４の先端部分１４ａに対向する位置に配置され、電極基板２２ａと、電極基板２２ａの図中下側の表面、すなわちインクガイド１４側の表面に配置される絶縁シート２２ｂで構成され、電極基板２２ａは、接地される。また、記録媒体Ｐは、対向電極２２の図中下側の表面、すなわちインクガイド１４側の表面、すなわち絶縁シート２２ｂの表面に支持され、例えば静電吸着されており、対向電極２２（絶縁シート２２ｂ）は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
ここで、少なくとも記録時には、帯電ユニット３２によって、対向電極２２の絶縁シート２２ｂの表面、すなわち記録媒体Ｐは、第１および第２駆動電極１８および２０に印加される高電圧（パルス電圧）と逆極性の所定の負の高電圧、例えば、−１．５ｋＶに帯電された状態に維持される。その結果、記録媒体Ｐは、帯電ユニット３２により負帯電して、第１および第２駆動電極１８および２０に対して負の高電圧に常時バイアスされるとともに、対向電極２２の絶縁シート２２ｂに静電吸着される。
【００２９】
ここで、帯電ユニット３２は、記録媒体Ｐを負の高電圧に帯電させるためのスコロトロン帯電器３２ａと、スコロトロン帯電器３２ａに負の高電圧を供給するバイアス電圧源３２ｂとを有している。なお、本発明に用いられる帯電ユニット３２の帯電手段としては、スコロトロン帯電器３２ａに限定されず、コロトロン帯電器、固体チャージャ、放電針などの種々の放電手段を用いることができる。なお、図示例においては、対向電極２２を電極基板２２ａと絶縁シート２２ｂとで構成し、記録媒体Ｐを、帯電ユニット３２によって負の高電圧に帯電させることにより絶縁シート２２ｂの表面に静電吸着させているが、本発明はこれに限定されず、対向電極２２を電極基板２２ａのみで構成し、対向電極２２（電極基板２２ａ自体）を負の高電圧のバイアス電圧源に接続して、負の高電圧に常時バイアスしておき、対向電極２２の表面に記録媒体Ｐを静電吸着させるようにしても良い。
また、記録媒体Ｐの対向電極２２への静電吸着と、記録媒体Ｐへの負の高電圧への帯電または対向電極２２への負のバイアス高電圧の印加とを別々の負の高電圧源によって行っても良いし、対向電極２２による記録媒体Ｐの支持は、記録媒体Ｐの静電吸着に限られず、他の支持方法や支持手段を用いても良い。
【００３０】
また、泳動電極２４は、インク流路３０の下方に配置され、所定の正の電圧が印加されている。図示例では、ヘッド基板１２の下面に配置されている。なお、本発明においては、泳動電極２４は、インク流路３０の下方であれば、どこに配置しても良く、例えば、ヘッド基板１２の内部であっても良い。
この泳動電極２４は、画像の記録時に、個別電極に印加された電圧に応じて、誘起された誘導電圧が発生し、インク流路３０内のインクＱにおいて、その微粒子成分を絶縁性基板１６側へ泳動させて濃縮させるためのものである。従って、泳動電極２４は、インク流路３０よりもヘッド基板１２側に配置される必要がある。また、泳動電極２４は、個別電極の位置よりもインク流路３０の上流側に配置される方が好ましい。なお、泳動電極２４を電気的に絶縁状態（ハイインピーダンス状態）としても良い。
【００３１】
このようなインクジェットヘッド１０による記録時には、画像データに応じて、信号電圧源３４から、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に同極性かつ同レベルの電圧が、同位相で、すなわち同じタイミングで印加される。インクガイド１４の先端部分１４ａと対向電極２２との間の電界強度は、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方に電圧が印加された時に、インク吐出に必要な電界強度に達して、先端部分１４ａからインク滴Ｒが吐出される。吐出されたインク滴Ｒは、対向電極２２に引き付けられて飛翔し、記録媒体Ｐの所定位置に着弾して画像を形成する。
【００３２】
ここで、本発明の駆動電極は、上述のように、２層電極構造とされているので、従来のように単層の駆動電極によってインク吐出を行う場合に比べて、駆動電極に印加する電圧を小さくすることができる。
２層電極構造による駆動電圧の低減効果を実証するために、本発明者は、本発明において、 図３に示す実モデルを用いてシミュレーションを行った。すなわち、図３に示すように、 泳動電極２４上にインクガイド１４を載置し、 インクガイド１４を中心としてその周囲に第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を配置し、 さらに、インクガイド１４の先端部分１４ａに対向するように対向電極２２配置した実モデルにおいて、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の電圧のオン／オフをそれぞれ切り替えた時の、各状態における吐出部、すなわちインクガイド１４の先端部分１４ａの電界強度（Ｖ／ｍ）を求めた。この時、泳動電極２４と第２駆動電極２０との間隔を５０００μｍ、第２駆動電極２０と第１駆動電極１８との間隔を８００μｍ、および第１駆動電極１８と対向電極２２との間隔を５００μｍとし、泳動電極２４には、４００Ｖの正の電圧が印加され、対向電極２２には、−１５００Ｖの負の高電圧がバイアス電圧として印加され、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０には、駆動電圧として＋３００Ｖが印加されるものとした。なお、対向電極２２への−１５００Ｖの負のバイアス高電圧の印加は、対向電極２２に静電吸着された記録媒体Ｐの−１５００Ｖの負の高電圧帯電と等価である。なお、図３の実モデルにおいて、インクガイド１４は、図１に示すインクガイド１４をインク案内溝２６で切断した片側のみを用いており、先端角２５°、幅（図中水平方向長さ）５０μｍ、厚さ（図中紙面に垂直な方向の長さ、図示せず）が７５μｍのジルコニア（誘電率ε＝約２５）で構成されている。
【００３３】
こうして得られた結果を図４に示す。
ここで、図４の横軸は、図３において、インクガイド１４の最先端を０とし、そこからの先端部分１４ａの表面に沿った距離を表しており、先端部分１４ａの図３中左側面上（矢印Ｃ１方向）の距離をマイナス、図中右側面上（矢印Ｃ２方向）の距離をプラスで示している。また、縦軸は、そこにおける電界強度を表している。
図４から、インクガイド１４の先端部分１４ａにおいて、全体的に、２層電極のオフ状態、すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方がオフ（０Ｖ）の時の電界強度（図中、破線で示す）に対する、２層電極のオン状態、すなわち、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方をオン（３００Ｖ）とした時の電界強度（図中、実線で示す）の増加量は、単層電極のオン状態に相当する、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０のいずれか一方をオン（３００Ｖ）とした時の電界強度（図中、１点鎖線または２点鎖線で示す）の増加量の約２倍になっていることがわかる。ここで、図４において、両電極がオフ状態の時に先端部分１４ａに生じている電界強度は、泳動電極２４と対向電極２２との間のバイアス電圧によるものである。
【００３４】
図４に示す結果は、２層電極構造によって先端部分１４ａに形成される電界強度は、その２つの電極のそれぞれによって形成される電界強度の重ね合わせとして捉えることができることを表している。すなわち、図３に概念的に示すように、第１駆動電極１８からの電気力線ｄと第２駆動電極２０からの電気力線ｄとが加算されて、先端部分１４ａの電界強度が高くなる。従って、本発明の２層電極構造を有するインクジェットヘッド１０においては、インク滴Ｒの吐出に必要な駆動電極への印加電圧（パルス電圧）を、単層電極構造の場合の約半分に低下させることができる。これにより、各個別電極を駆動する駆動回路の負荷を低減することができ、低耐圧駆動回路の使用も可能となる。また、電源（信号電圧源３４）を低電圧化することができる。
【００３５】
なお、本実施例のように、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を単一の信号電圧源３４に並列に接続し、同レベルの電圧を同じタイミングで印加することで、単層電極構造の場合と同様の制御系で、電圧レベルのみを低下させて、インク吐出の制御を行うことができるが、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加する電圧は同レベルでなくともよいし、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０をそれぞれが異なる信号電圧源に接続して、同極性の電圧を異なったタイミングで印加してもよい。いずれの場合にも、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に重畳された電圧が所定値を超えた時にインクが吐出されるように、インク吐出／非吐出の制御を行えばよい。あるいは、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０のいずれか一方には一定電圧を印加しておき、他の一方の電圧のみをオン／オフして、両方がオン状態となった時にインク吐出が行われるようにすることで、インクの吐出／非吐出を制御してもよい。
【００３６】
本発明に係る静電式インクジェットヘッドは、基本的に以上のように構成されるが、以下に、図１に示すインクジェットヘッド１０の動作を代表例として、本発明の静電式インクジェットヘッドの作用を説明する。
図１に示すインクジェットヘッド１０では、記録時に、図示しないポンプ等を含むインク循環機構により、第１および第２駆動電極１８および２０に印加される電圧と同極性、例えば、正（＋）に帯電した微粒子成分を含むインクＱが、インク流路３０の内部を図１中矢印ａ方向に、すなわち右側から左側へ向かって循環される。この時、対向電極２２に静電吸着された記録媒体Ｐは、逆極性、すなわち負の高電圧、例えば−１５００Ｖに帯電されている。また、泳動電極２４には、所定の正の電圧が印加されている。
【００３７】
ここで、第１および第２駆動電極１８および２０にパルス電圧が印加されていないか、または、印加されているパルス電圧が低電圧レベル（０Ｖ）である時、第１および第２駆動電極１８および２０と対向電極２２（記録媒体Ｐ）との間の電圧（電位差）は、例えばバイアス電圧分の１５００Ｖで、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が低く、インクＱは、インクガイド１４の先端部分１４ａからは飛び出さず、すなわち、インク液滴Ｒとして吐出されない。しかし、この時、インク流路３０内のインクＱの一部、特にインクＱ内に含まれる帯電微粒子成分は、泳動現象および毛細管現象などによって、絶縁性基板１６の貫通孔２８を通って、図１中矢印ｂ方向に、すなわち絶縁性基板１６の下側からその上側へ向かって上昇し、インクガイド１４の先端部分１４ａに供給される。
【００３８】
一方、第１および第２駆動電極１８および２０に高電圧レベル（例えば、３００Ｖ）のパルス電圧が印加されると、第１および第２駆動電極１８および２０と対向電極２２（記録媒体Ｐ）との間の電圧（電位差）は、例えば、バイアス電圧分の１５００Ｖにパルス電圧３００Ｖの２電極分が重畳され、２１００Ｖとなって高くなるため、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が高くなる。この時、インクガイド１４に沿って上昇し、絶縁性基板１６の上方の先端部分１４ａに上昇したインクＱ、特にインクＱ内に濃縮した帯電微粒子成分は、静電力によってインクガイド１４の先端部分１４ａから、帯電微粒子成分を含むインク液滴Ｒとして飛び出し、例えば−１５００Ｖにバイアスされている対向電極２２（記録媒体Ｐ）に引っ張られて、記録媒体Ｐ上に付着する。
【００３９】
以上のようにして、インクジェットヘッド１０と対向電極２２上に支持された記録媒体Ｐとを相対的に移動させながら、画像データに応じたインク吐出によって記録媒体Ｐにドットを形成して記録を行うことにより、記録媒体Ｐに画像データに対応する画像を記録することができる。
【００４０】
上記では、インクジェットヘッド１０を構成する１つの個別電極についてのみ説明したが、インクジェットヘッド１０を、複数の個別電極が２次元的に配置されたラインヘッドとした場合の好適実施形態について、以下に説明する。
インクジェットヘッド１０において、複数の個別電極は、行方向（主走査方向）および列方向（副走査方向）に２次元的に配置される。そして、図５に示すように、行方向（主走査方向）に配置された複数の第１駆動電極１８は相互に接続され、列方向（副走査方向）に配置された複数の第２駆動電極２０は相互に接続される。
【００４１】
記録時には、本実施形態の場合、第１駆動電極１８が１行ずつ順番に高電圧レベル（オン状態）とされ、残りの全ての第１駆動電極１８はグランドレベル（接地状態：オフ状態）に駆動される。また、第２駆動電極２０が、画像データに応じて列単位で高電圧レベルまたはグランドレベルに駆動される。なお、別の実施形態として、第１および第２駆動電極１８および２０を逆の状態に駆動してもよい。
【００４２】
上述したように、第１および第２の駆動電極１８および２０は、２層電極構造とされ、マトリクス状に配置される。これらの第１および第２の駆動電極１８および２０により、各々の個別電極におけるインクの吐出／非吐出が制御される。すなわち、第１駆動電極１８が高電圧レベルで、かつ第２駆動電極２０が高電圧レベルの場合にはインクが吐出し、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方がグランドレベルの場合にはインクは吐出しない。
【００４３】
図５は、第１および第２の駆動電極の配置を表す一実施例の概念図である。同図に示すように、例えばインクジェットヘッド１０が１５個の個別電極を備える場合、１５個の個別電極は、主走査方向の１行当り５個（１，２，３，４，５）ずつ並べられ、かつ副走査方向に３行（Ａ，Ｂ，Ｃ）に配置される。記録時には、同一行に配置された５個の第１駆動電極１８は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。同様に、同一列に配置された３個の第２駆動電極２０は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。
【００４４】
例えば、図５に示すインクジェットヘッドの場合、第１駆動電極１８のＡ行の５個の個別電極は、行方向に対して所定の間隔を離して配置される。Ｂ行およびＣ行についても同様である。また、Ｂ行の５個の個別電極は、Ａ行に対して、列方向に所定の間隔を離して、かつ、行方向に対して、それぞれＡ行の５個の個別電極とＣ行の５個の個別電極との間に配置される。同様に、Ｃ行の５個の個別電極は、Ｂ行に対して、列方向に所定の間隔を離して、かつ、行方向に対して、それぞれＢ行の５個の駆動電極とＡ行の５個の駆動電極との間に配置される。
【００４５】
このように、第１駆動電極１８の各行に含まれる個別電極をそれぞれ行方向にずらして配置することにより、記録媒体Ｐに記録される１行を、行方向に３分割している。
すなわち、記録媒体Ｐに記録される１行は、行方向に対して、第１駆動電極１８の行数に相当する複数のグループに分割され、時分割で順次記録される。例えば、図５に示す例の場合、第１駆動電極１８のＡ，Ｂ，Ｃ行を順次記録することにより、記録媒体Ｐ上に１行分の画像が記録される。この場合、上記のように、記録媒体Ｐに記録される１行は行方向に３分割され、時分割により順次記録が行われる。
【００４６】
このようなマトリクス駆動方式で駆動される本実施形態のインクジェットヘッド１０においては、例えば、第１駆動電極１８に、行ごとに順次、所定の電圧、例えば３００Ｖを印加し、第２駆動電極２０に、画像データに応じて所定のパルス電圧、例えば３００Ｖ−０Ｖを印加することにより、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加される高電圧レベルと同極性に帯電した顔料等の微粒子成分を含むインクＱ（インク液滴Ｒ）の吐出／非吐出を制御することができる。すなわち、インクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方の電圧がオフ状態（例えば０Ｖ）では、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が低く、インクＱはインクガイド１４の先端部分１４ａからは飛び出さず、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方がオン状態（例えば３００Ｖ）になると、インクガイド１４の先端部分１４ａ近傍の電界強度が高くなり、インクガイド１４の先端部分１４ａに濃縮したインクＱは静電力によって先端部分１４ａから飛び出す。
【００４７】
既に述べたように、本実施形態のインクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８または第２駆動電極２０の一方が接地レベルの場合にはインクが吐出せず、第１駆動電極１８が高電圧レベルで、かつ第２駆動電極４４が高電圧レベルの場合にだけインクが吐出する。
すなわち、本実施形態のインクジェットヘッド１０では、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の両方が高電圧レベルの時に、インク吐出に十分な強い電界強度が得られ、かつ、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の少なくとも一方が接地レベルの時には、インクが吐出されないような低い電界強度となるようにすれば良く、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の形状やサイズ、配置（位置関係）、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加する高電圧レベル、対向電極２２のバイアス電圧（または記録媒体の帯電電圧）、絶縁性基板１６（１６ａおよび１６ｂ）の厚さ、インクガイド１４の形状等の関連するパラメータを適宜決定すればよい。
【００４８】
このような構成により、本実施形態によれば、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０を高電圧レベルと接地レベルとの間でスイッチングするが、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０に印加される電圧は、単層電極の場合の約半分と小さくなっているので、スイッチングのために消費される電力が小さい。従って、本実施形態によれば、高精細かつ高速性が要求されるインクジェットヘッドにおいても、消費電力を大幅に削減することができる。
【００４９】
また、本実施形態によれば、個別電極を２次元的に配置し、マトリクス駆動するため、行方向の複数の個別電極を駆動する行ドライバおよび列方向の複数の個別電極を駆動する列ドライバの個数（スイッチング素子等の数）を大幅に削減することができる。従って、本実施形態によれば、２次元配列される個別電極の駆動回路の実装面積および消費電力を大幅に削減することができる。また、駆動回路が単純化するため装置構成が簡単になり、製造が容易で、メンテナンス性も良好となる。さらに、各個別電極として配置される各駆動電極が、行方向または列方向に連結されるので、個々の電極から１対１で制御線を引き出す必要がなくなる。これにより、電極パターンが過密化するのを防ぎ、電極形成が容易になる。従って、高画質な画像記録が可能となる。また、本実施形態によれば、各個別電極間を比較的余裕をもって配置することができるため、各個別電極間での放電の危険性を極めて低くすることができ、高密度実装と高電圧を安全に両立させることができる。
【００５０】
なお、個別電極を高密度に配置したラインヘッド等においては、隣接する個別電極間に電界干渉が生じることがある。そのため、隣接するインクガイド１４への電気力線を遮蔽するように、隣接する個別電極の第１駆動電極間に、ガード電極を設けるのも好ましい。
また、絶縁性基板１６ａとその表面に形成された第１駆動電極１８の一部または全部を覆うように、絶縁層を設けても良い。
【００５１】
なお、本発明のインクジェットヘッド１０では、第１および第２駆動電極１８および２０からなる２層電極構造としているが、本発明はこれに限定されず、２層以上何層の駆動電極を使用してもよい。
また、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０の配置は、上述の例には限定されず、第１駆動電極１８および第２駆動電極２０からの電気力線が加算されて、インクガイド１４の先端部分１４ａに作用して所定の電界強度を持たせるように配置されれば良く、それぞれがインク流路３０を隔てて設けられていても良い。
【００５２】
また、本発明の静電吐出型インクジェットヘッドは、帯電した色材成分を含むインクを吐出するものに限定されるものではなく、荷電粒子を含む液体を吐出させる液体吐出ヘッドであれば特に制限されず、例えば、上記静電式インクジェット記録装置の他に、帯電粒子を利用して液滴を吐出して対象物を塗布する塗布装置に適用することができる。
【００５３】
以上、本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更をしてもよいのはもちろんである。
【００５４】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、静電吐出型インクジェットヘッドのインク吐出を制御する駆動電極を２層構造とすることにより、各層の駆動電極に印加する電圧を小さくすることができ、そのため消費電力が少なく、放電や漏電等の危険性が小さく、装置の作動安定性を実現できる。それにより、高精細な記録を高速で安定して行うことができる静電吐出型インクジェットヘッドを提供することができる。また、駆動電極への印加電圧を小さくできることにより、駆動回路への負荷が低減し、駆動回路素子の選択肢も広がるので、装置設計の自由度が高くなる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの一実施例の構成概念図である。
【図２】図１に示す静電吐出型インクジェットヘッドの概略斜視断面図である。
【図３】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極の実モデルを示す概念図である。
【図４】図３に示す実モデルにおける電界強度とインクガイドの先端中心からの距離との関係を示すグラフである。
【図５】本発明に係る静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極に用いられる第１および第２駆動電極の配置を表す一実施例の模式的斜視図である。
【図６】従来の静電吐出型インクジェットヘッドの一例の構成概念図である。
【図７】従来の静電吐出型インクジェットヘッドの個別電極のドライバの一例の構成概念図である。
【符号の説明】
１０ 静電吐出型インクジェットヘッド
１２ ヘッド基板
１４ インクガイド
１６，１６ａ，１６ｂ 絶縁性基板
１８ 第１駆動電極
２０ 第２駆動電極
２２ 対向電極
２４ 泳動電極
２６ インク案内溝
２８ 貫通孔
３０ インク流路
３２ 帯電ユニット
３４ ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）
３６，３８ 抵抗素子
７０ インクジェットヘッド
７２ 駆動電極
７４ ドライバ
Ｐ 記録媒体
Claims (4)
- 帯電した微粒子を含むインクを、個別電極に所定の電圧を印加することによって生じる静電力を利用して吐出させて、記録媒体に画像を記録する静電吐出型インクジェットヘッドであって、
ヘッド基板と、前記個別電極毎に２層電極構造に設けられた第１および第２駆動電極と、前記個別電極毎に前記ヘッド基板上に配置されたインクガイドと、前記個別電極毎に前記インクガイドの配置に対応する位置に貫通孔が開孔された絶縁性基板とを備え、
前記ヘッド基板と前記絶縁性基板は所定の間隔を離して配置され、これらのヘッド基板と絶縁性基板との間には前記インクの流路が形成され、前記インクガイドは、前記絶縁性基板に開孔された貫通孔を通過し、その先端部分が前記絶縁性基板の前記記録媒体側の面の表面よりも突出され、前記第１駆動電極は、前記インクの流路よりも前記絶縁性基板側に配置され、前記第２駆動電極は、前記第１駆動電極よりも前記ヘッド基板側に配置され、
前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の両方に、同極性の電圧を印加し、重畳された電圧に応じて前記インクの吐出または非吐出を制御することを特徴とする静電吐出型インクジェットヘッド。 - 請求項１に記載の静電吐出型インクジェットヘッドであって、
前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極に、画像データに応じて、同極性かつ同位相の電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御することを特徴とする静電吐出型インクジェットヘッド。 - 請求項１に記載の静電吐出型インクジェットヘッドであって、
前記画像の記録時に、前記第１駆動電極および前記第２駆動電極の一方に一定電圧を印加しておき、他方に、画像データに応じて、前記一定電圧と同極性の所定電圧を印加することにより、前記インクの吐出または非吐出を制御することを特徴とする静電吐出型インクジェットヘッド。 - 前記第１駆動電極に印加される電圧と、前記第２駆動電極に印加される電圧とが等しいことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電吐出型インクジェットヘッド。
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