JP2005047073A - 液体吐出ヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】低い吐出電圧で、かつ、安定した大きさおよび形状を備えた微細な液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】ヘッド基板３２の所定位置に、先鋭化された形状の先端側の部分を備えた略円錐形の液体ガイド５０が固定され、液体ガイド５０が固定されたヘッド基板３２の表面を包囲するような環状の制御電極４４が設けられ、制御電極４４の外側に扇形の開口部３５を有する貫通孔３２ａを設けた。ヘッド基板３２の液体ガイド５０を固定したのと反対側には液体循環槽３０が形成されており、この液体循環槽３０を流動する液体Ｑは開口部３５を通ってヘッド基板３２の液体ガイド５０が固定されている側の面に流出し、表面張力により制御電極４４および液体ガイド５０の表面を覆うメニスカス１８を形成する。
【選択図】図１
【解決手段】ヘッド基板３２の所定位置に、先鋭化された形状の先端側の部分を備えた略円錐形の液体ガイド５０が固定され、液体ガイド５０が固定されたヘッド基板３２の表面を包囲するような環状の制御電極４４が設けられ、制御電極４４の外側に扇形の開口部３５を有する貫通孔３２ａを設けた。ヘッド基板３２の液体ガイド５０を固定したのと反対側には液体循環槽３０が形成されており、この液体循環槽３０を流動する液体Ｑは開口部３５を通ってヘッド基板３２の液体ガイド５０が固定されている側の面に流出し、表面張力により制御電極４４および液体ガイド５０の表面を覆うメニスカス１８を形成する。
【選択図】図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた液体を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電式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制御電極に所定の電圧を印加することにより、静電気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。この静電式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が開示するようなインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図８は、上記特許文献１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の一例を模式的に表す概念図である。同図に示すインクジェットヘッド１００は、特許文献１に開示のインクジェットヘッドを構成する、インク吐出位置となる１つのインクガイド周辺のみを概念的に表したものであり、ヘッド基板１０２と、インクガイド１０４と、絶縁性基板１０６と、制御電極１０８と、記録媒体Ｐを支持する対向電極１１０と、バイアス電源１１２と、信号電源１１４とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１０４は、先端部分１０５が突状の、所定厚みを持つ樹脂製平板からなり、ヘッド基板１０２の上に配置されている。また、絶縁性基板１０６には、インクガイド１０４の配置に対応する位置に貫通孔１０６ａが開孔されている。インクガイド１０４は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａを通過し、その先端部分１０５が絶縁性基板１０６の図中上側の表面、すなわち記録媒体Ｐ側の表面よりも上部に突出している。また、ヘッド基板１０２と絶縁性基板１０６とは、所定の間隔離間して配置されており、両者の間にはインクＱの流路１１８が形成されている。
【０００５】
また、制御電極１０８は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａの周囲を囲むように、絶縁性基板１０６の図中上側の面の表面に、個別電極毎に円環状に設けられている。制御電極１０８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を発生する信号電源１１４に接続され、信号電源１１４は、バイアス電源１１２を介して接地されている。また、対向電極１１０は、インクガイド１０４の先端部分１０５に対向する位置に配置され、接地されている。また、記録媒体Ｐは、対向電極１１０の図中下側の表面、すなわちインクガイド１０４側の表面に配置されており、対向電極１１０は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
【０００６】
このように構成されるインクジェットヘッド１００は、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、制御電極１０８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが、所定方向、図示例ではインク流路１１８内を右側から左側へ向かって循環されるとともに、インク流路１１８内のインクＱの一部は、毛細管現象などによって絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、インクガイド１０４の先端部分１０５に供給される。このインクガイド１０４の根元部分（図中下方の部分）から先端部分１０５にわたって溝１０４ａが設けられており、この溝１０４ａにはたらく表面張力よりインクＱが先端部分１０５に導かれる。
【０００７】
ここで、制御電極１０８には、バイアス電源１１２によって常時所定の電圧、例えばＤＣ１．５ｋＶの電圧が印加されている。この状態では、インクガイド１０４の先端部分１０５近傍の電界強度が低く、先端部分１０５に導かれたインクＱはインクガイド１０４の先端部分１０５からは吐出されないが、インク流路１１８内のインクＱの一部、特に帯電した微粒子成分は、さらに、絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、絶縁性基板１０６の図中上側の表面よりも上方まで上昇し、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集する。
【０００８】
一方、バイアス電源１１２によって高電圧（ＤＣ１．５ｋＶ）にバイアスされている制御電極１０８に、信号電源１１４からパルス電圧、例えば、ＤＣ５００Ｖ（ＯＮ時；０Ｖ：ＯＦＦ時）が印加されると、制御電極１０８には両高電圧が重畳され、例えば２ｋＶが印加されることになる。その結果、インクＱ、特にインクＱ中の帯電微粒子成分は、さらにインクガイド１０４に沿って上昇し、その先端部分１０５に凝集する。こうして、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電力によってその先端部分１０５から液滴（インク滴）として吐出され、接地されている対向電極１１０に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着し、帯電微粒子成分によってドットが形成される。
【０００９】
特許文献１ではこのようにして、インクジェットヘッド１００と対向電極１１０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帯電微粒子成分のドットによっ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が記録される。
【００１０】
また特許文献２には、絶縁性基板を厚さ方向に貫通する貫通孔状のインク供給路を設け、絶縁性基板の表面に設けられた貫通孔（インク供給路）の開口部をインク吐出口とし、このインク吐出口を包囲するように絶縁性基板表面に穴あき円盤状の記録電極を設け、この記録電極と、この記録電極と対向配置された対向電極との間に電圧を印加してインク供給路内に供給されたインクを吐出する方式のインクジェットヘッドが開示されている。この特許文献２においても穴あき円盤状の記録電極が上述の円環状の制御電極として作用する。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２３０６０８号公報
【特許文献２】
特開平９−３０９２０８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクを吐出させるために制御電極や記録電極に印加する吐出電圧は、円環状の制御電極の内径に比例し、制御電極の内径が小さいほど吐出電圧は低くてすむ一方、制御電極の内径が大きいものは大きな吐出電圧を必要とする。
【００１３】
しかし、特許文献１が開示するようなインクジェットヘッド１００では、制御電極の内側にインクの供給孔１０６ａがあるため、制御電極の内径が大きくなり、インクを吐出させるのに高い吐出電圧を印加する必要がある。そのため、高電圧を発生させる電源回路が必要となり、また電力量も増大してコストが上昇するという問題がある。また、吐出電圧が高いほど電圧の値が変動しやすく、電圧の変動に伴って吐出される液滴の大きさや形状も変動しやすいので、安定した大きさや形状の液滴を吐出させるのが困難であるという問題もある。特許文献２の穴あき円盤状の記録電極についても同様である。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、低い吐出電圧で、かつ、安定した大きさおよび形状を備えた微細な液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、帯電粒子が分散された液体を静電気力を利用して記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドであって、前記記録媒体と所定の距離離間して配置されたヘッド基板を備え、前記ヘッド基板は、前記記録媒体と対向する側の表面に設けられ、前記記録媒体に向けて前記ヘッド基板から突出し、先端に液体を導く液体ガイドと、前記液体ガイドの設けられたヘッド基板上の位置の周りを囲むように前記ヘッド基板に設けられ、静電気力を利用して前記液体ガイドの先端に導かれた液体を吐出させる環状の制御電極と、前記ヘッド基板を厚さ方向に貫通し、前記ヘッド基板の前記記録媒体と対向する側の表面の環状の前記制御電極の外側に、前記液体を前記液体ガイドに供給する開口部を有する貫通孔と、を有することを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記液体ガイドの先端部は、先鋭化された形状を備えていることが好ましい。
【００１７】
また、前記記録媒体と対向する側と反対側の前記ヘッド基板の表面には、シールド電極が設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記壁面には泳動電極が設けられていることが好ましい。
【００１９】
また、前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記貫通孔が設けられた前記ヘッド基板の領域と対向する部分の前記壁面には、前記ヘッド基板に向かう方向に突出した液体流調整部材が設けられていることが好ましい。
【００２０】
また、前記液体ガイドは、導体層で覆われた部分を有していることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一の実施形態について説明する。図１は、本発明の液体吐出ヘッドの一の実施形態に係る液体吐出装置１の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る液体吐出装置１は、液体還流ユニット２、液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３、および電源ユニット６を有している。
【００２２】
本実施形態に係る液体還流ユニット２は、液体循環装置２０、液体供給パイプ２２、液体回収パイプ２４、および液体循環槽３０を有している。また、液体循環装置２０は、液体ポンプ２６および液体タンク２８を有しており、液体循環槽３０は、底基板３４、側板３６、液体流調整部材３８および泳動電極４９を有している。
【００２３】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド３は、帯電粒子が分散された液体Ｑを記録媒体４２に向けて吐出する液体吐出ヘッドであり、記録媒体４２、具体的には記録媒体４２を保持する対向電極４０と所定の距離離間して配置されたヘッド基板３２を備えている。このへッド基板３２には、液体ガイド５０、制御電極４４、および貫通孔３２ａが設けられている。また、本発明の液体吐出ヘッドに必須ではないが、へッド基板３２にはシールド電極４８が設けられている。また、本実施形態に係る電源ユニット６は、泳動バイアス電源６２、吐出バイアス電源６４、および吐出信号電源６６を有している。
【００２４】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３を構成するヘッド基板３２は、Ａｌ２ Ｏ３ やＺｒＯ２ 等のセラミックス、あるいはポリイミド等の樹脂で構成されている。ヘッド基板３２の、対向電極４０と対向する側の表面、すなわち図１に示した上側の面の所定の位置には、記録媒体４２すなわち対向電極４０に向けてヘッド基板３２から突出し、先端に液体Ｑを導く液体ガイド５０が設けられている。
【００２５】
液体ガイド５０は、樹脂やセラミックス等の絶縁性材料で構成されており、液体ガイド５０は、円錐や多角錐のような、先鋭な形状を備えている。液体ガイド５０は導体層として、例えば蒸着された金属薄膜で構成された導電膜５２を先端側の表面に有している。この導電膜５２により液体ガイド５０の最先端部５８近傍の部分が導電性を帯び、最先端部５８に形成される電界を集中させることができる。なお、本発明においては、所定の強さの電界を得られるものであれば、導電膜５２を形成することは必須ではなく、全体が絶縁性材料で構成された液体ガイド５０を用いてもよい。液体ガイド５０としては、例えば、底面の半径が５０〜７５μｍ、高さが５０〜１５０μｍの、円錐形または多角錐形の形状を備えた液体ガイドを用いることができる。
【００２６】
図２は図１に示す液体吐出装置１の液体吐出ヘッド３を説明する図であり、液体吐出ヘッド３の一部を図１中の上側から見た、対向電極４０を除いた概略平面図である。図３は、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０近傍を拡大した断面図である。図１乃至図３に示すように、ヘッド基板３２の、対向電極と対向する側の面（図１中の上面）の所定位置には、液体ガイド５０が設けられている。液体ガイド５０が設けられた部分の、ヘッド基板３２の表面には、液体ガイド５０を包囲するように環状の制御電極４４が設けられている。すなわち、制御電極４４は、図１中上側からみて、液体ガイド５０の底部５１が固定された位置のヘッド基板３２の表面の周囲を囲むように、液体ガイド５０の最先端部５８を中心とした円環状に、ヘッド基板３２の表面に設けられている。
【００２７】
図３に示したように、制御電極４４の内径Ｄａと、制御電極４４から記録媒体４２側に突出する液体ガイド５０の最先端部５８までの距離、すなわち制御電極４４の表面から液体ガイド５０の最先端部５８までの距離Ｈとの比（Ｄａ：Ｈ）は１：０．５〜１：２の範囲にすることが好ましく、１：０．７〜１：１．７とするのがさらに好ましい。また、制御電極４４としては、代表的には、内径が１００〜１５０μｍ、外径が１４０〜２００μｍ、厚さが４〜１０μｍのものを用いることができる。さらに、個々の制御電極４４は、ヘッド基板３２の表面に形成された金属配線４５を通じて図示しない電極パッドに接続されている。図示しない電極パッドは、電源ユニット６の吐出バイアス電源６４および吐出信号電源６６と接続されている。
【００２８】
また、図１乃至図３では省略したが、制御電極４４につながる金属配線４５の表面に、樹脂やセラミックス等の絶縁性材料で構成された保護層を形成するのがよい。金属配線４５の表面に保護層を形成することにより、金属配線４５と他の配線との絶縁性が向上する。
さらに、制御電極４４は、保護層で覆われていてもよい。制御電極４４の表面を保護層で覆う場合には、制御電極４４が液体に直接触れて汚れたり、制御電極４４が空気に触れて劣化するのが防止される。
【００２９】
図１および図２に示したように、ヘッド基板３２の、制御電極４４の外側の位置には、貫通孔３２ａが設けられている。この貫通孔３２ａは、図１に示した上下方向にヘッド基板３２を貫通しており、また図２に示すように、間歇的な円環状すなわち制御電極４４の周りに、扇形状に設けられている。
【００３０】
貫通孔３２ａは、ヘッド基板３２の対向電極４０と対向する表面（図１中の上面）に開口部３５を有している。貫通孔３２ａとしては内径が１５０〜２１０μｍ、外径が２１０〜２７０μｍのものを設けることができる。この貫通孔３２ａも液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円上に設けられている。すなわち、貫通孔３２ａの開口部３５の内縁および外縁が液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円周の一部を形成する。したがって、図２に示すように、図１中上方から見たときに、液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする同心円上に制御電極４４および開口部３５が形成されている。
【００３１】
なお、実際の液体吐出装置では、液体吐出ヘッド３は複数個二次元的に配置される。図４は複数の液体吐出ヘッドを二次元的に配置する場合の配置の仕方を示した平面図である。図４に示したように、実際の液体吐出装置では複数個の液体吐出ヘッド、例えば四個の液体吐出ヘッド３０１〜３０４を一周期分として一つのグループとし、このようなグループを液体吐出ヘッドを記録媒体に対して走査させる主走査方向（図４の上下方向）に複数配置した構造となっている。したがって図４の例では三周期分の三つのグループを構成する液体吐出ヘッドが配置された状態を示している。
【００３２】
ヘッド基板３２の、図１に示した上方には、接地された対向電極４０がヘッド基板３２と一定距離離間して配置されている。一方、ヘッド基板３２の底基板３４と対向する側の面（図１に示した下面）には、制御電極４４と対向して、接地されたシールド電極４８が設けられている。このシールド電極４８によって図１に示した下方向へ向かう電界が遮断され、シールドされる。
【００３３】
本実施形態に係る液体循環装置２０では、液体ポンプ２６と液体タンク２８とが接続され、液体ポンプ２６は液体供給パイプ２２を介し、図１に示すように、液体循環槽３０と接続されている。また、液体タンク２８は、液体回収パイプ２４を介し液体循環槽３０と接続されている。液体循環槽３０の図１中の下側の壁は底基板３４によって構成されている。底基板３４は例えばガラスのような絶縁性材料から構成されている。
【００３４】
底基板３４の表面の、前記貫通孔３２ａが設けられた領域と対向する部分には、ヘッド基板３２に向かう方向に突出した液体流調整部材、例えば、略角錐台または円錐台形状の液体流調整部材３８が設けられている。液体流調整部材３８はガラス等の絶縁性材料から構成されている。図１および図３に示すように底基板３４からヘッド基板３２へ向かう方向に突出して設けられている。この液体流調整３８により後述する液体流１６の流れを調整し、同じく後述する凝集層１７の液体Ｑをヘッド基板３２の貫通孔３２ａから液体ガイド５０の表面へ供給する。
【００３５】
本発明においては、凝集層１７の液体Ｑが安定してヘッド基板３２の貫通孔３２ａを通り開口部３５から液体ガイド５０の表面へ供給されるのであれば、液体流調整部材３８はいかなる形状であってもよく、例えば、図１に示したヘッド基板３２の下面に接触していてもよい。
【００３６】
液体流調整部材３８および底基板３４の、ヘッド基板３２と対向する側の表面の全面には泳動電極４９が設けられている。この泳動電極４９は、電源ユニット６の泳動バイアス電源６２と接続されており、この泳動バイアス電源６２は、液体吐出ヘッド３の泳動電極４９に常にバイアス電圧Ｖ１ を印加する構成となっている。
【００３７】
液体循環槽３０の、底基板３４に略垂直な壁は、絶縁性の基板である側板３６で構成されている。図１の右側の側板３６には、貫通孔である液体流入口３６ａが形成されており、液体供給パイプ２２が接続されている。また、液体流入口３６ａと対向する、図１の左側の側板３６には液体流出口３６ｂが形成されており、この液体流出口３６ｂには液体回収パイプ２４が接続されている。液体循環槽３０の図１中の上側には、液体吐出ヘッド３を構成するヘッド基板３２が配置され、このヘッド基板３２によって液体循環槽３０は密閉されている。
【００３８】
本実施形態に係る電源ユニット６の吐出バイアス電源６４は、液体吐出ヘッド３の制御電極４４に常にバイアス電圧Ｖ２ を印加し、また、吐出信号電源６６は図示しない信号出力手段から入力された信号により制御電極４４に、パルス電圧である吐出電圧Ｖ３ をバイアス電圧Ｖ２ に重畳し印加する構成となっている。
【００３９】
次に、本実施形態に係る液体吐出装置１における液体の流れについて説明する。図５は、図１に示す液体循環槽３０、および液体吐出ヘッド３における液体の流れを説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの一つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大して表した概略断面図である。図１に示すように、液体還流ユニット２の液体タンク２８内には、液体Ｑが所定量入っている。この液体Ｑは、正に帯電した帯電性粒子を帯電制御剤やバインダーなどともに１０８ Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中にコロイド状に分散させた液体である。液体タンク２８内では、図示しない濃度調整機構により液体Ｑの絶縁性溶媒中の帯電性粒子、帯電制御剤およびバインダーなどの濃度が所定の濃度範囲に入るように常に調整されている。液体タンク２８内で図示しない濃度調整機構により濃度調整された液体Ｑは、液体ポンプ２６から所定の圧力で液体供給パイプ２２へ送られる。液体供給パイプ２２へ送られた液体Ｑは、液体流入口３６ａを通り液体循環槽３０の内部へ供給される。液体循環槽３０の内部は液体Ｑで満たされており、液体循環槽３０の内部を図１中右側から左側に向かう方向に液体Ｑが流れ、液体流出口３６ｂから液体回収パイプ２４へと流出する。
【００４０】
本実施形態に係る液体吐出装置１は、上記の構造を備えているため、ヘッド基板３２の記録媒体４２と対向する側と反対の側の表面を流れる液体Ｑが、貫通孔３５を通り、開口部３２ａから、制御電極４４および液体ガイド５０の表面を覆うような流れを形成する。すなわち、液体循環槽３０内部では、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０周辺において、液体流調整部材３８により、図５中矢印で示すような方向に流れる液体流１６が形成される。また、泳動電極４９には泳動バイアス電源６２によりバイアス電圧Ｖ１ が常に印加されており、シールド電極４８は常に接地されており、泳動電極４９とシールド電極４８との間には、バイアス電圧Ｖ１ により泳動電極４９からシールド電極４８に向かう方向の電界Ｅが形成されている。液体循環槽３０の液体Ｑに含まれる帯電性粒子は、この電界Ｅによってシールド電極４８側へ引き寄せられ、液体循環槽３０のヘッド基板３２の近辺に、常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集された液体Ｑの層である凝集層１７が形成される。
【００４１】
この凝集層１７の液体Ｑは、液体流１６の流れにより、貫通孔３２ａを通り、開口部３５からヘッド基板３２の、図１および図５中の上面に流出し、制御電極４４の表面を覆い、さらに液体ガイド５０の表面に供給される。開口部３５から制御電極４４および液体ガイド５０へ供給された液体Ｑは、主に表面張力の作用により液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、液体ガイド５０の最先端部５８に到達する。このようにして図５に示したような、液体ガイド５０の最先端部５８を覆う液体Ｑのメニスカス１８が形成される。
【００４２】
メニスカス１８は、凝集層１７の液体Ｑによって形成されており、常に一定濃度以上の帯電性粒子を含んでいる。また、メニスカス１８は主に液体Ｑの表面張力により形成されており、ポンプ２６の脈動等に起因する液体Ｑの供給圧力の微小な変動による影響はほとんど受けることなく、安定した形状のメニスカス１８が形成されている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３では、このように制御電極４４および液体ガイド５０の表面に常に一定濃度以上の帯電性粒子を含む液体Ｑが供給され、メニスカス１８を形成する。
【００４３】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する。図６は図１に示す液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの１つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大した概略断面図である。
【００４４】
上述したように、液体ガイド５０の表面には液体のメニスカス１８が形成されている。この液体ガイド５０の底部５１の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４には、電源ユニット６の吐出バイアス電源６４から例えば９００Ｖのバイアス電圧Ｖ２ が印加されている。この状態では、液体ガイド５０の最先端部５８近傍の電界強度が低く、最先端部５８を覆うメニスカス内の液体Ｑは、液体ガイド５０の最先端部５８からは吐出されない。
【００４５】
この状態で、図示しない信号出力手段から入力された信号により、電源ユニット６の吐出電源６６から、所望の液体ガイド５０の底部５１の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４に、例えば２５０Ｖのパルス電圧である吐出電圧Ｖ３ を重畳して計１．１５ｋＶの電圧を印加する。その結果、液体Ｑ、特に液体Ｑ中の帯電粒子成分は、さらに液体ガイド５０に沿って最先端部５８に向けて上昇し、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集する。こうして、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集した帯電微粒子成分を含む液体Ｑは、静電力によって最先端部５８のメニスカス１８から液体の液滴１９として、静電気力により対向電極４０に向けて吐出され、記録媒体４２に付着する。
【００４６】
このとき、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、制御電極４４の図４中下方向には、上記のように制御電極４４と対向して接地されたシールド電極４８が設けられており、図４中下方向へ向かう電界はこのシールド電極４８に向かって集中し、シールドされる。これにより、液体循環槽３０内部には図４中下方向へ向かう電界が形成されず、凝集層１７の帯電性粒子濃度も常に一定濃度以上に保たれ、安定した濃度の帯電粒子を含む液体Ｑが液体ガイド５０の表面に供給される。このためメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度を安定させ、吐出する液滴１９の大きさ、形状が安定される点でシールド電極４８を設けるのが好ましい。なお、シールド電極４８をヘッド基板３２の、図１に示した下面に設けることは必須ではなく、省略してもよい。
【００４７】
吐出電圧Ｖ３ が印加されて液滴１９が吐出すると、その直後に制御電極４４の電圧がバイアスＶ２ が印加されている状態に戻される。これと同時に凝集層１７の液体Ｑが、貫通孔３２ａを通り、開口部３５から液体ガイド５０の表面へ供給され、表面張力の作用により制御電極４４の表面を覆うとともに液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、新たなメニスカス１８を形成する。このように貫通孔３２ａを通過し液体ガイド５０の表面に到達した液体Ｑによって、メニスカス１８の形状およびメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度が素早く回復される。
【００４８】
なお、本発明で作製される液体吐出ヘッドは、色材粒子を含む液体の吐出に限定されず、溶媒中に分散させた帯電性粒子を含む液体を吐出するヘッドであれば、例えばポリイミドなどの耐熱性樹脂などであってもよく、液体の種類は限定されない。
【００４９】
以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド３を有する液体吐出装置１では、ヘッド基板の所定位置に液体ガイドを設け、液体ガイドの固定部分を包囲するように設けた制御電極の外側に液体を供給するための貫通孔を設けたので、液体ガイドと制御電極とを接近させることができ、制御電極の内径を小さくすることができ、液体の吐出電圧として低電圧で液体を吐出することができる。低い吐出電圧で液体を吐出できるので、電力消費量を抑えることができる。また、吐出電圧を発生させる電源として低電圧の電源を使用できるので、液体吐出装置を小型化し、また製造コストを安価に抑えることができる。さらに低い吐出電圧で液体を吐出させることができるので、電圧の変動する幅が小さくなり、安定した形状、大きさの液滴を吐出することができる。
【００５０】
また、液体ガイドが設けられている面と反対の側を流れる液体流から、液体ガイドが設けられている側に液体が供給される。これにより、吐出後の帯電性粒子濃度を次の吐出までの間に充分回復させることが出来る程度に速い流速の液体流においても、液体流の流れの圧力の変動が生じず、液体ガイド５０の最先端部５８を覆うメニスカス１８が変動することなく安定した濃度で形成される。そのため、安定した大きさおよび形状の液滴１９を高い周波数で吐出することができる。
【００５１】
以上、液体吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更が可能である。例えば上記実施の形態では、底基板３４の一部からヘッド基板３２に向かう方向に突出した液体流調整部材３８を設け、液体流調整部材３８の図１に示した上部とヘッド基板３２の下面との間を離間させ、この間に液体Ｑが流れる構造を有する液体吐出装置１を例示したが、これに限定されない。図７は本発明の一つの変形例に係る液体吐出ヘッドの断面図である。図７に示したように、液体流調整部材３８ａの図中上部とヘッド基板３２の下面とが当接する構造とすることも可能である。
【００５２】
なお、上記実施形態において説明した、液体流調整部材３８を底基板３４上に設けることは本発明では必須ではない。しかし、液体の粘度やポンプの性能に対応して液体流路調整部材の形状を変化させることで、液体や循環装置によらず、液体Ｑを液体ガイドの最先端部５８に安定して供給することができる。そのため、液体流調整部材３８を設けることが好ましい。
【００５３】
また、上記実施形態で説明した、泳動電極４９を底基板３４に設けることは本発明では必須ではない。しかし、この泳動電極４９によって、液体流のヘッド基板３２の近辺に常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集された凝集層１７が形成される。この凝集層１７の液体Ｑが液体ガイド５０の最先端部５８へ到達することで、液体ガイド５０の表面を覆うメニスカス１８内の帯電粒子の濃度が安定される。このため、吐出する液滴１９の大きさ、形状を安定させる点で、泳動電極４９を設けることが好ましい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、低い吐出電圧で、かつ、安定した大きさおよび形状を備えた微細な液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を省略した平面図である。
【図３】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを複数配置する場合の配置例を示した平面図である。
【図５】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける液体循環動作について説明する図である。
【図６】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける液体吐出動作について説明する図である。
【図７】本発明の変形例に係る液体吐出ヘッドの断面図である。
【図８】従来の液体ジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 液体吐出装置
２ 液体還流ユニット
３ 液体吐出ヘッド
６ 電源ユニット
１６ 液体流
１７ 凝集層
１８ メニスカス
１９ 液滴
２０ 液体循環装置
２２ 液体供給パイプ
２４ 液体回収パイプ
２６ 液体ポンプ
２８ 液体タンク
３０ 液体循環槽
３２ ヘッド基板
３４ 底基板
３６ 側板
３６ａ 液体流入口
３６ｂ 液体流出口
３８ 液体流調整部材
４０ 対向電極
４２ 記録媒体
４４ 制御電極
４８ シールド電極
４９ 泳動電極
５０ 液体ガイド
５２ 導電膜
５８ 最先端部
６２ 泳動バイアス電源
６４ 駆動バイアス電源
６６ 駆動信号電源
【発明の属する技術分野】
本発明は、溶媒中に帯電粒子を分散させた液体を静電気力により吐出させる液体吐出ヘッドに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電式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制御電極に所定の電圧を印加することにより、静電気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。この静電式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が開示するようなインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
図８は、上記特許文献１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の一例を模式的に表す概念図である。同図に示すインクジェットヘッド１００は、特許文献１に開示のインクジェットヘッドを構成する、インク吐出位置となる１つのインクガイド周辺のみを概念的に表したものであり、ヘッド基板１０２と、インクガイド１０４と、絶縁性基板１０６と、制御電極１０８と、記録媒体Ｐを支持する対向電極１１０と、バイアス電源１１２と、信号電源１１４とを備えている。
【０００４】
ここで、インクガイド１０４は、先端部分１０５が突状の、所定厚みを持つ樹脂製平板からなり、ヘッド基板１０２の上に配置されている。また、絶縁性基板１０６には、インクガイド１０４の配置に対応する位置に貫通孔１０６ａが開孔されている。インクガイド１０４は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａを通過し、その先端部分１０５が絶縁性基板１０６の図中上側の表面、すなわち記録媒体Ｐ側の表面よりも上部に突出している。また、ヘッド基板１０２と絶縁性基板１０６とは、所定の間隔離間して配置されており、両者の間にはインクＱの流路１１８が形成されている。
【０００５】
また、制御電極１０８は、絶縁性基板１０６に開孔された貫通孔１０６ａの周囲を囲むように、絶縁性基板１０６の図中上側の面の表面に、個別電極毎に円環状に設けられている。制御電極１０８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を発生する信号電源１１４に接続され、信号電源１１４は、バイアス電源１１２を介して接地されている。また、対向電極１１０は、インクガイド１０４の先端部分１０５に対向する位置に配置され、接地されている。また、記録媒体Ｐは、対向電極１１０の図中下側の表面、すなわちインクガイド１０４側の表面に配置されており、対向電極１１０は、記録媒体Ｐのプラテンとして機能する。
【０００６】
このように構成されるインクジェットヘッド１００は、記録時には、図示されていないインク循環機構によって、制御電極１０８に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子成分を含むインクが、所定方向、図示例ではインク流路１１８内を右側から左側へ向かって循環されるとともに、インク流路１１８内のインクＱの一部は、毛細管現象などによって絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、インクガイド１０４の先端部分１０５に供給される。このインクガイド１０４の根元部分（図中下方の部分）から先端部分１０５にわたって溝１０４ａが設けられており、この溝１０４ａにはたらく表面張力よりインクＱが先端部分１０５に導かれる。
【０００７】
ここで、制御電極１０８には、バイアス電源１１２によって常時所定の電圧、例えばＤＣ１．５ｋＶの電圧が印加されている。この状態では、インクガイド１０４の先端部分１０５近傍の電界強度が低く、先端部分１０５に導かれたインクＱはインクガイド１０４の先端部分１０５からは吐出されないが、インク流路１１８内のインクＱの一部、特に帯電した微粒子成分は、さらに、絶縁性基板１０６の貫通孔１０６ａを通って、絶縁性基板１０６の図中上側の表面よりも上方まで上昇し、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集する。
【０００８】
一方、バイアス電源１１２によって高電圧（ＤＣ１．５ｋＶ）にバイアスされている制御電極１０８に、信号電源１１４からパルス電圧、例えば、ＤＣ５００Ｖ（ＯＮ時；０Ｖ：ＯＦＦ時）が印加されると、制御電極１０８には両高電圧が重畳され、例えば２ｋＶが印加されることになる。その結果、インクＱ、特にインクＱ中の帯電微粒子成分は、さらにインクガイド１０４に沿って上昇し、その先端部分１０５に凝集する。こうして、インクガイド１０４の先端部分１０５に凝集した帯電微粒子成分を含むインクＱは、静電力によってその先端部分１０５から液滴（インク滴）として吐出され、接地されている対向電極１１０に引っ張られて記録媒体Ｐ上に付着し、帯電微粒子成分によってドットが形成される。
【０００９】
特許文献１ではこのようにして、インクジェットヘッド１００と対向電極１１０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帯電微粒子成分のドットによっ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が記録される。
【００１０】
また特許文献２には、絶縁性基板を厚さ方向に貫通する貫通孔状のインク供給路を設け、絶縁性基板の表面に設けられた貫通孔（インク供給路）の開口部をインク吐出口とし、このインク吐出口を包囲するように絶縁性基板表面に穴あき円盤状の記録電極を設け、この記録電極と、この記録電極と対向配置された対向電極との間に電圧を印加してインク供給路内に供給されたインクを吐出する方式のインクジェットヘッドが開示されている。この特許文献２においても穴あき円盤状の記録電極が上述の円環状の制御電極として作用する。
【００１１】
【特許文献１】
特開平１０−２３０６０８号公報
【特許文献２】
特開平９−３０９２０８号公報
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクを吐出させるために制御電極や記録電極に印加する吐出電圧は、円環状の制御電極の内径に比例し、制御電極の内径が小さいほど吐出電圧は低くてすむ一方、制御電極の内径が大きいものは大きな吐出電圧を必要とする。
【００１３】
しかし、特許文献１が開示するようなインクジェットヘッド１００では、制御電極の内側にインクの供給孔１０６ａがあるため、制御電極の内径が大きくなり、インクを吐出させるのに高い吐出電圧を印加する必要がある。そのため、高電圧を発生させる電源回路が必要となり、また電力量も増大してコストが上昇するという問題がある。また、吐出電圧が高いほど電圧の値が変動しやすく、電圧の変動に伴って吐出される液滴の大きさや形状も変動しやすいので、安定した大きさや形状の液滴を吐出させるのが困難であるという問題もある。特許文献２の穴あき円盤状の記録電極についても同様である。
【００１４】
本発明は、上記の問題を解決すべくなされたものであり、低い吐出電圧で、かつ、安定した大きさおよび形状を備えた微細な液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドを提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明の液体吐出ヘッドは、帯電粒子が分散された液体を静電気力を利用して記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドであって、前記記録媒体と所定の距離離間して配置されたヘッド基板を備え、前記ヘッド基板は、前記記録媒体と対向する側の表面に設けられ、前記記録媒体に向けて前記ヘッド基板から突出し、先端に液体を導く液体ガイドと、前記液体ガイドの設けられたヘッド基板上の位置の周りを囲むように前記ヘッド基板に設けられ、静電気力を利用して前記液体ガイドの先端に導かれた液体を吐出させる環状の制御電極と、前記ヘッド基板を厚さ方向に貫通し、前記ヘッド基板の前記記録媒体と対向する側の表面の環状の前記制御電極の外側に、前記液体を前記液体ガイドに供給する開口部を有する貫通孔と、を有することを特徴とする。
【００１６】
ここで、前記液体ガイドの先端部は、先鋭化された形状を備えていることが好ましい。
【００１７】
また、前記記録媒体と対向する側と反対側の前記ヘッド基板の表面には、シールド電極が設けられていることが好ましい。
【００１８】
また、前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記壁面には泳動電極が設けられていることが好ましい。
【００１９】
また、前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記貫通孔が設けられた前記ヘッド基板の領域と対向する部分の前記壁面には、前記ヘッド基板に向かう方向に突出した液体流調整部材が設けられていることが好ましい。
【００２０】
また、前記液体ガイドは、導体層で覆われた部分を有していることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一の実施形態について説明する。図１は、本発明の液体吐出ヘッドの一の実施形態に係る液体吐出装置１の概略構成図である。図１に示すように、本実施形態に係る液体吐出装置１は、液体還流ユニット２、液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３、および電源ユニット６を有している。
【００２２】
本実施形態に係る液体還流ユニット２は、液体循環装置２０、液体供給パイプ２２、液体回収パイプ２４、および液体循環槽３０を有している。また、液体循環装置２０は、液体ポンプ２６および液体タンク２８を有しており、液体循環槽３０は、底基板３４、側板３６、液体流調整部材３８および泳動電極４９を有している。
【００２３】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド３は、帯電粒子が分散された液体Ｑを記録媒体４２に向けて吐出する液体吐出ヘッドであり、記録媒体４２、具体的には記録媒体４２を保持する対向電極４０と所定の距離離間して配置されたヘッド基板３２を備えている。このへッド基板３２には、液体ガイド５０、制御電極４４、および貫通孔３２ａが設けられている。また、本発明の液体吐出ヘッドに必須ではないが、へッド基板３２にはシールド電極４８が設けられている。また、本実施形態に係る電源ユニット６は、泳動バイアス電源６２、吐出バイアス電源６４、および吐出信号電源６６を有している。
【００２４】
本実施形態に係る液体吐出ヘッド（液体吐出ユニット）３を構成するヘッド基板３２は、Ａｌ２ Ｏ３ やＺｒＯ２ 等のセラミックス、あるいはポリイミド等の樹脂で構成されている。ヘッド基板３２の、対向電極４０と対向する側の表面、すなわち図１に示した上側の面の所定の位置には、記録媒体４２すなわち対向電極４０に向けてヘッド基板３２から突出し、先端に液体Ｑを導く液体ガイド５０が設けられている。
【００２５】
液体ガイド５０は、樹脂やセラミックス等の絶縁性材料で構成されており、液体ガイド５０は、円錐や多角錐のような、先鋭な形状を備えている。液体ガイド５０は導体層として、例えば蒸着された金属薄膜で構成された導電膜５２を先端側の表面に有している。この導電膜５２により液体ガイド５０の最先端部５８近傍の部分が導電性を帯び、最先端部５８に形成される電界を集中させることができる。なお、本発明においては、所定の強さの電界を得られるものであれば、導電膜５２を形成することは必須ではなく、全体が絶縁性材料で構成された液体ガイド５０を用いてもよい。液体ガイド５０としては、例えば、底面の半径が５０〜７５μｍ、高さが５０〜１５０μｍの、円錐形または多角錐形の形状を備えた液体ガイドを用いることができる。
【００２６】
図２は図１に示す液体吐出装置１の液体吐出ヘッド３を説明する図であり、液体吐出ヘッド３の一部を図１中の上側から見た、対向電極４０を除いた概略平面図である。図３は、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０近傍を拡大した断面図である。図１乃至図３に示すように、ヘッド基板３２の、対向電極と対向する側の面（図１中の上面）の所定位置には、液体ガイド５０が設けられている。液体ガイド５０が設けられた部分の、ヘッド基板３２の表面には、液体ガイド５０を包囲するように環状の制御電極４４が設けられている。すなわち、制御電極４４は、図１中上側からみて、液体ガイド５０の底部５１が固定された位置のヘッド基板３２の表面の周囲を囲むように、液体ガイド５０の最先端部５８を中心とした円環状に、ヘッド基板３２の表面に設けられている。
【００２７】
図３に示したように、制御電極４４の内径Ｄａと、制御電極４４から記録媒体４２側に突出する液体ガイド５０の最先端部５８までの距離、すなわち制御電極４４の表面から液体ガイド５０の最先端部５８までの距離Ｈとの比（Ｄａ：Ｈ）は１：０．５〜１：２の範囲にすることが好ましく、１：０．７〜１：１．７とするのがさらに好ましい。また、制御電極４４としては、代表的には、内径が１００〜１５０μｍ、外径が１４０〜２００μｍ、厚さが４〜１０μｍのものを用いることができる。さらに、個々の制御電極４４は、ヘッド基板３２の表面に形成された金属配線４５を通じて図示しない電極パッドに接続されている。図示しない電極パッドは、電源ユニット６の吐出バイアス電源６４および吐出信号電源６６と接続されている。
【００２８】
また、図１乃至図３では省略したが、制御電極４４につながる金属配線４５の表面に、樹脂やセラミックス等の絶縁性材料で構成された保護層を形成するのがよい。金属配線４５の表面に保護層を形成することにより、金属配線４５と他の配線との絶縁性が向上する。
さらに、制御電極４４は、保護層で覆われていてもよい。制御電極４４の表面を保護層で覆う場合には、制御電極４４が液体に直接触れて汚れたり、制御電極４４が空気に触れて劣化するのが防止される。
【００２９】
図１および図２に示したように、ヘッド基板３２の、制御電極４４の外側の位置には、貫通孔３２ａが設けられている。この貫通孔３２ａは、図１に示した上下方向にヘッド基板３２を貫通しており、また図２に示すように、間歇的な円環状すなわち制御電極４４の周りに、扇形状に設けられている。
【００３０】
貫通孔３２ａは、ヘッド基板３２の対向電極４０と対向する表面（図１中の上面）に開口部３５を有している。貫通孔３２ａとしては内径が１５０〜２１０μｍ、外径が２１０〜２７０μｍのものを設けることができる。この貫通孔３２ａも液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円上に設けられている。すなわち、貫通孔３２ａの開口部３５の内縁および外縁が液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする円周の一部を形成する。したがって、図２に示すように、図１中上方から見たときに、液体ガイド５０の最先端部５８を中心とする同心円上に制御電極４４および開口部３５が形成されている。
【００３１】
なお、実際の液体吐出装置では、液体吐出ヘッド３は複数個二次元的に配置される。図４は複数の液体吐出ヘッドを二次元的に配置する場合の配置の仕方を示した平面図である。図４に示したように、実際の液体吐出装置では複数個の液体吐出ヘッド、例えば四個の液体吐出ヘッド３０１〜３０４を一周期分として一つのグループとし、このようなグループを液体吐出ヘッドを記録媒体に対して走査させる主走査方向（図４の上下方向）に複数配置した構造となっている。したがって図４の例では三周期分の三つのグループを構成する液体吐出ヘッドが配置された状態を示している。
【００３２】
ヘッド基板３２の、図１に示した上方には、接地された対向電極４０がヘッド基板３２と一定距離離間して配置されている。一方、ヘッド基板３２の底基板３４と対向する側の面（図１に示した下面）には、制御電極４４と対向して、接地されたシールド電極４８が設けられている。このシールド電極４８によって図１に示した下方向へ向かう電界が遮断され、シールドされる。
【００３３】
本実施形態に係る液体循環装置２０では、液体ポンプ２６と液体タンク２８とが接続され、液体ポンプ２６は液体供給パイプ２２を介し、図１に示すように、液体循環槽３０と接続されている。また、液体タンク２８は、液体回収パイプ２４を介し液体循環槽３０と接続されている。液体循環槽３０の図１中の下側の壁は底基板３４によって構成されている。底基板３４は例えばガラスのような絶縁性材料から構成されている。
【００３４】
底基板３４の表面の、前記貫通孔３２ａが設けられた領域と対向する部分には、ヘッド基板３２に向かう方向に突出した液体流調整部材、例えば、略角錐台または円錐台形状の液体流調整部材３８が設けられている。液体流調整部材３８はガラス等の絶縁性材料から構成されている。図１および図３に示すように底基板３４からヘッド基板３２へ向かう方向に突出して設けられている。この液体流調整３８により後述する液体流１６の流れを調整し、同じく後述する凝集層１７の液体Ｑをヘッド基板３２の貫通孔３２ａから液体ガイド５０の表面へ供給する。
【００３５】
本発明においては、凝集層１７の液体Ｑが安定してヘッド基板３２の貫通孔３２ａを通り開口部３５から液体ガイド５０の表面へ供給されるのであれば、液体流調整部材３８はいかなる形状であってもよく、例えば、図１に示したヘッド基板３２の下面に接触していてもよい。
【００３６】
液体流調整部材３８および底基板３４の、ヘッド基板３２と対向する側の表面の全面には泳動電極４９が設けられている。この泳動電極４９は、電源ユニット６の泳動バイアス電源６２と接続されており、この泳動バイアス電源６２は、液体吐出ヘッド３の泳動電極４９に常にバイアス電圧Ｖ１ を印加する構成となっている。
【００３７】
液体循環槽３０の、底基板３４に略垂直な壁は、絶縁性の基板である側板３６で構成されている。図１の右側の側板３６には、貫通孔である液体流入口３６ａが形成されており、液体供給パイプ２２が接続されている。また、液体流入口３６ａと対向する、図１の左側の側板３６には液体流出口３６ｂが形成されており、この液体流出口３６ｂには液体回収パイプ２４が接続されている。液体循環槽３０の図１中の上側には、液体吐出ヘッド３を構成するヘッド基板３２が配置され、このヘッド基板３２によって液体循環槽３０は密閉されている。
【００３８】
本実施形態に係る電源ユニット６の吐出バイアス電源６４は、液体吐出ヘッド３の制御電極４４に常にバイアス電圧Ｖ２ を印加し、また、吐出信号電源６６は図示しない信号出力手段から入力された信号により制御電極４４に、パルス電圧である吐出電圧Ｖ３ をバイアス電圧Ｖ２ に重畳し印加する構成となっている。
【００３９】
次に、本実施形態に係る液体吐出装置１における液体の流れについて説明する。図５は、図１に示す液体循環槽３０、および液体吐出ヘッド３における液体の流れを説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの一つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大して表した概略断面図である。図１に示すように、液体還流ユニット２の液体タンク２８内には、液体Ｑが所定量入っている。この液体Ｑは、正に帯電した帯電性粒子を帯電制御剤やバインダーなどともに１０８ Ωｃｍ以上の抵抗率を持つ絶縁性溶媒中にコロイド状に分散させた液体である。液体タンク２８内では、図示しない濃度調整機構により液体Ｑの絶縁性溶媒中の帯電性粒子、帯電制御剤およびバインダーなどの濃度が所定の濃度範囲に入るように常に調整されている。液体タンク２８内で図示しない濃度調整機構により濃度調整された液体Ｑは、液体ポンプ２６から所定の圧力で液体供給パイプ２２へ送られる。液体供給パイプ２２へ送られた液体Ｑは、液体流入口３６ａを通り液体循環槽３０の内部へ供給される。液体循環槽３０の内部は液体Ｑで満たされており、液体循環槽３０の内部を図１中右側から左側に向かう方向に液体Ｑが流れ、液体流出口３６ｂから液体回収パイプ２４へと流出する。
【００４０】
本実施形態に係る液体吐出装置１は、上記の構造を備えているため、ヘッド基板３２の記録媒体４２と対向する側と反対の側の表面を流れる液体Ｑが、貫通孔３５を通り、開口部３２ａから、制御電極４４および液体ガイド５０の表面を覆うような流れを形成する。すなわち、液体循環槽３０内部では、液体吐出ヘッド３の液体ガイド５０周辺において、液体流調整部材３８により、図５中矢印で示すような方向に流れる液体流１６が形成される。また、泳動電極４９には泳動バイアス電源６２によりバイアス電圧Ｖ１ が常に印加されており、シールド電極４８は常に接地されており、泳動電極４９とシールド電極４８との間には、バイアス電圧Ｖ１ により泳動電極４９からシールド電極４８に向かう方向の電界Ｅが形成されている。液体循環槽３０の液体Ｑに含まれる帯電性粒子は、この電界Ｅによってシールド電極４８側へ引き寄せられ、液体循環槽３０のヘッド基板３２の近辺に、常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集された液体Ｑの層である凝集層１７が形成される。
【００４１】
この凝集層１７の液体Ｑは、液体流１６の流れにより、貫通孔３２ａを通り、開口部３５からヘッド基板３２の、図１および図５中の上面に流出し、制御電極４４の表面を覆い、さらに液体ガイド５０の表面に供給される。開口部３５から制御電極４４および液体ガイド５０へ供給された液体Ｑは、主に表面張力の作用により液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、液体ガイド５０の最先端部５８に到達する。このようにして図５に示したような、液体ガイド５０の最先端部５８を覆う液体Ｑのメニスカス１８が形成される。
【００４２】
メニスカス１８は、凝集層１７の液体Ｑによって形成されており、常に一定濃度以上の帯電性粒子を含んでいる。また、メニスカス１８は主に液体Ｑの表面張力により形成されており、ポンプ２６の脈動等に起因する液体Ｑの供給圧力の微小な変動による影響はほとんど受けることなく、安定した形状のメニスカス１８が形成されている。本実施形態に係る液体吐出ヘッド３では、このように制御電極４４および液体ガイド５０の表面に常に一定濃度以上の帯電性粒子を含む液体Ｑが供給され、メニスカス１８を形成する。
【００４３】
次に、本実施形態に係る液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する。図６は図１に示す液体吐出ヘッド３における液体吐出動作について説明する図であり、図１に示す複数の液体ガイド５０のうちの１つの液体ガイド５０と、この液体ガイド５０の周辺を拡大した概略断面図である。
【００４４】
上述したように、液体ガイド５０の表面には液体のメニスカス１８が形成されている。この液体ガイド５０の底部５１の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４には、電源ユニット６の吐出バイアス電源６４から例えば９００Ｖのバイアス電圧Ｖ２ が印加されている。この状態では、液体ガイド５０の最先端部５８近傍の電界強度が低く、最先端部５８を覆うメニスカス内の液体Ｑは、液体ガイド５０の最先端部５８からは吐出されない。
【００４５】
この状態で、図示しない信号出力手段から入力された信号により、電源ユニット６の吐出電源６６から、所望の液体ガイド５０の底部５１の周囲を包囲するように設けられた制御電極４４に、例えば２５０Ｖのパルス電圧である吐出電圧Ｖ３ を重畳して計１．１５ｋＶの電圧を印加する。その結果、液体Ｑ、特に液体Ｑ中の帯電粒子成分は、さらに液体ガイド５０に沿って最先端部５８に向けて上昇し、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集する。こうして、液体ガイド５０の最先端部５８に凝集した帯電微粒子成分を含む液体Ｑは、静電力によって最先端部５８のメニスカス１８から液体の液滴１９として、静電気力により対向電極４０に向けて吐出され、記録媒体４２に付着する。
【００４６】
このとき、制御電極４４から図４中下方向へ向かう電界も形成される。しかし、制御電極４４の図４中下方向には、上記のように制御電極４４と対向して接地されたシールド電極４８が設けられており、図４中下方向へ向かう電界はこのシールド電極４８に向かって集中し、シールドされる。これにより、液体循環槽３０内部には図４中下方向へ向かう電界が形成されず、凝集層１７の帯電性粒子濃度も常に一定濃度以上に保たれ、安定した濃度の帯電粒子を含む液体Ｑが液体ガイド５０の表面に供給される。このためメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度を安定させ、吐出する液滴１９の大きさ、形状が安定される点でシールド電極４８を設けるのが好ましい。なお、シールド電極４８をヘッド基板３２の、図１に示した下面に設けることは必須ではなく、省略してもよい。
【００４７】
吐出電圧Ｖ３ が印加されて液滴１９が吐出すると、その直後に制御電極４４の電圧がバイアスＶ２ が印加されている状態に戻される。これと同時に凝集層１７の液体Ｑが、貫通孔３２ａを通り、開口部３５から液体ガイド５０の表面へ供給され、表面張力の作用により制御電極４４の表面を覆うとともに液体ガイド５０の表面を濡れ上がり、新たなメニスカス１８を形成する。このように貫通孔３２ａを通過し液体ガイド５０の表面に到達した液体Ｑによって、メニスカス１８の形状およびメニスカス１８内の帯電性粒子の濃度が素早く回復される。
【００４８】
なお、本発明で作製される液体吐出ヘッドは、色材粒子を含む液体の吐出に限定されず、溶媒中に分散させた帯電性粒子を含む液体を吐出するヘッドであれば、例えばポリイミドなどの耐熱性樹脂などであってもよく、液体の種類は限定されない。
【００４９】
以上のように、本実施形態の液体吐出ヘッド３を有する液体吐出装置１では、ヘッド基板の所定位置に液体ガイドを設け、液体ガイドの固定部分を包囲するように設けた制御電極の外側に液体を供給するための貫通孔を設けたので、液体ガイドと制御電極とを接近させることができ、制御電極の内径を小さくすることができ、液体の吐出電圧として低電圧で液体を吐出することができる。低い吐出電圧で液体を吐出できるので、電力消費量を抑えることができる。また、吐出電圧を発生させる電源として低電圧の電源を使用できるので、液体吐出装置を小型化し、また製造コストを安価に抑えることができる。さらに低い吐出電圧で液体を吐出させることができるので、電圧の変動する幅が小さくなり、安定した形状、大きさの液滴を吐出することができる。
【００５０】
また、液体ガイドが設けられている面と反対の側を流れる液体流から、液体ガイドが設けられている側に液体が供給される。これにより、吐出後の帯電性粒子濃度を次の吐出までの間に充分回復させることが出来る程度に速い流速の液体流においても、液体流の流れの圧力の変動が生じず、液体ガイド５０の最先端部５８を覆うメニスカス１８が変動することなく安定した濃度で形成される。そのため、安定した大きさおよび形状の液滴１９を高い周波数で吐出することができる。
【００５１】
以上、液体吐出ヘッドについて詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されず、本発明の主旨を逸脱しない範囲において、種々の改良や変更が可能である。例えば上記実施の形態では、底基板３４の一部からヘッド基板３２に向かう方向に突出した液体流調整部材３８を設け、液体流調整部材３８の図１に示した上部とヘッド基板３２の下面との間を離間させ、この間に液体Ｑが流れる構造を有する液体吐出装置１を例示したが、これに限定されない。図７は本発明の一つの変形例に係る液体吐出ヘッドの断面図である。図７に示したように、液体流調整部材３８ａの図中上部とヘッド基板３２の下面とが当接する構造とすることも可能である。
【００５２】
なお、上記実施形態において説明した、液体流調整部材３８を底基板３４上に設けることは本発明では必須ではない。しかし、液体の粘度やポンプの性能に対応して液体流路調整部材の形状を変化させることで、液体や循環装置によらず、液体Ｑを液体ガイドの最先端部５８に安定して供給することができる。そのため、液体流調整部材３８を設けることが好ましい。
【００５３】
また、上記実施形態で説明した、泳動電極４９を底基板３４に設けることは本発明では必須ではない。しかし、この泳動電極４９によって、液体流のヘッド基板３２の近辺に常に一定濃度以上の帯電性粒子が凝集された凝集層１７が形成される。この凝集層１７の液体Ｑが液体ガイド５０の最先端部５８へ到達することで、液体ガイド５０の表面を覆うメニスカス１８内の帯電粒子の濃度が安定される。このため、吐出する液滴１９の大きさ、形状を安定させる点で、泳動電極４９を設けることが好ましい。
【００５４】
【発明の効果】
本発明によれば、低い吐出電圧で、かつ、安定した大きさおよび形状を備えた微細な液滴を吐出させることのできる液体吐出ヘッドが提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを有する液体吐出装置の概略構成図である。
【図２】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を省略した平面図である。
【図３】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドの一部を拡大した断面図である。
【図４】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドを複数配置する場合の配置例を示した平面図である。
【図５】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける液体循環動作について説明する図である。
【図６】本発明の一の実施形態に係る液体吐出ヘッドにおける液体吐出動作について説明する図である。
【図７】本発明の変形例に係る液体吐出ヘッドの断面図である。
【図８】従来の液体ジェット記録装置のインクジェットヘッドの概略構成図である。
【符号の説明】
１ 液体吐出装置
２ 液体還流ユニット
３ 液体吐出ヘッド
６ 電源ユニット
１６ 液体流
１７ 凝集層
１８ メニスカス
１９ 液滴
２０ 液体循環装置
２２ 液体供給パイプ
２４ 液体回収パイプ
２６ 液体ポンプ
２８ 液体タンク
３０ 液体循環槽
３２ ヘッド基板
３４ 底基板
３６ 側板
３６ａ 液体流入口
３６ｂ 液体流出口
３８ 液体流調整部材
４０ 対向電極
４２ 記録媒体
４４ 制御電極
４８ シールド電極
４９ 泳動電極
５０ 液体ガイド
５２ 導電膜
５８ 最先端部
６２ 泳動バイアス電源
６４ 駆動バイアス電源
６６ 駆動信号電源
Claims (6)
- 帯電粒子が分散された液体を静電気力を利用して記録媒体に向けて吐出する液体吐出ヘッドであって、
前記記録媒体と所定の距離離間して配置されたヘッド基板を備え、
前記ヘッド基板は、
前記記録媒体と対向する側の表面に設けられ、前記記録媒体に向けて前記ヘッド基板から突出し、先端に液体を導く液体ガイドと、
前記液体ガイドの設けられたヘッド基板上の位置の周りを囲むように前記ヘッド基板に設けられ、静電気力を利用して前記液体ガイドの先端に導かれた液体を吐出させる環状の制御電極と、
前記ヘッド基板を厚さ方向に貫通し、前記ヘッド基板の前記記録媒体と対向する側の表面の環状の前記制御電極の外側に、前記液体を前記液体ガイドに供給する開口部を有する貫通孔と、
を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記液体ガイドの先端部は、先鋭化された形状を備えていることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記記録媒体と対向する側と反対側の前記ヘッド基板の表面には、シールド電極が設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記壁面には泳動電極が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記ヘッド基板の、前記記録媒体と対向する側と反対側には、前記ヘッド基板とともに前記帯電粒子が分散された液体を供給する流路を形成する壁面が設けられており、前記貫通孔が設けられた前記ヘッド基板の領域と対向する部分の前記壁面には、前記ヘッド基板に向かう方向に突出した液体流調整部材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記液体ガイドは、導体層で覆われた部分を有していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッド。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003204484A JP2005047073A (ja) | 2003-07-31 | 2003-07-31 | 液体吐出ヘッド |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2003204484A JP2005047073A (ja) | 2003-07-31 | 2003-07-31 | 液体吐出ヘッド |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2005047073A true JP2005047073A (ja) | 2005-02-24 |
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ID=34263475
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2005047073A (ja) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2008221506A (ja) * | 2007-03-09 | 2008-09-25 | Konica Minolta Holdings Inc | インクジェット記録装置 |
-
2003
- 2003-07-31 JP JP2003204484A patent/JP2005047073A/ja not_active Withdrawn
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