JP2005305962A - インクジェット記録方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】高画質、高解像度な画像を安定して記録することができるインクジェット記録方法を提供する。
【解決手段】インクジェットヘッドにおいて色材を含有する荷電粒子を分散媒に分散してなるインクに静電力を作用させることにより、インクの曳糸を形成し、曳糸の分断によってインクの液滴を吐出させ、この液滴をインクジェットヘッドと相対的に移動する記録媒体上に着弾させ、画像ドットを形成することで記録を行うインクジェット記録方法であって、記録媒体と液滴を吐出させる吐出部との相対的な移動速度をv、曳糸の分断周波数をf、曳糸の直径をd、とした場合に、(v/f)<(a×d)を満たす。
【選択図】図3

Description

色材を含有する荷電粒子を分散媒に分散してなるインクに静電力を作用させることにより、インクの液滴を吐出させるインクジェット記録方法に関する。
静電式のインクジェット記録は、例えば、色材を含み、かつ帯電した微粒子(以下、色材粒子とする)を分散してなるインク組成物(以下、インクとする)を用い、画像データに応じて、インクジェットヘッドの各々の吐出部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を吐出かつ制御し、画像データに対応した画像を記録媒体上に記録する。
この静電式インクジェット記録装置としては、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。
図4に、特許文献1に開示される静電式インクジェット記録装置のインクジェットヘッドの概念図を示す。
このインクジェットヘッド80は、ヘッド基板82と、インクガイド84と、絶縁性基板86と、制御電極88と、電極基板90と、DCバイアス電圧源92と、パルス電圧源94とを備えている。
絶縁性基板86には、インクを吐出するための吐出口(貫通孔)96が形成される。この吐出口96の配列方向に延在してヘッド基板82が設けられ、吐出口の対応する位置のヘッド基板82上にはインクガイド84が配置される。インクガイド84は、吐出口96を貫通して、先端部分84aが絶縁性基板86のヘッド基板82側と反対側の表面よりも上部に突出している。
ヘッド基板82と絶縁性基板86と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Qの流路が形成されている。
制御電極88に印加される電圧と同極性に帯電した微粒子(色材粒子)を含むインクQは図示していないインクの循環機構により、このインク流路98内を例えば図中右側から左側へ向かって循環され、各吐出口96にインクが供給される。
制御電極88は、絶縁性基板86の記録媒体P側の面の表面に、吐出口96の周囲を囲むようにリング状に設けられている。また、制御電極88は、画像データに応じてパルス電圧を発生するパルス電圧源94に接続され、このパルス電圧源94は、DCバイアス電圧源92を介して接地されている。
このような静電式のインクジェット記録において、記録媒体Pは、好ましくは、スコロトロン帯電器等を利用する帯電装置によって、制御電極と逆の高電圧に帯電された状態で、接地された電極基板90の絶縁層91に保持される。
このような静電式のインクジェット記録においては、制御電極88に電圧が印加されていない状態では、対向電極によるバイアス電圧とインク中の色材粒子とのクーロン引力、インク(分散媒)の粘性、表面張力、帯電粒子間の反発力、インク供給の流体圧力等が連成して、図4に示すように、インクが吐出口(ノズル)96から若干盛り上がったメニスカス形状となってバランスが取れている。
また、このクーロン引力等によって、色材粒子が泳動してメニスカス形状に移動し、すなわち、インクが濃縮された状態となっている。
制御電極88に電圧が印加(吐出ON)されると、バイアス電圧と駆動電圧とが重畳され、この結果、インクQは記録媒体P(対向電極)側に吸引されて、略円錐状のいわゆるテーラーコーンが形成される。
電圧印加開始後、時間が経過すると、色材粒子に作用するクーロン引力と分散媒の表面張力とのバランスが崩れ、曳糸と呼ばれる、直径数μm〜数十μm程度の細長いインク液柱が形成される。さらに時間が経過すると、特許文献2等に開示されているように、曳糸の先端が分断して、インクの液滴が記録媒体Pに向けて吐出され、吸引飛翔する。
ここで、曳糸の分断は、インク吐出のためのパルス電圧の駆動周波数よりも遥かに高い周波数で発生する。すなわち、1回のパルス電圧の印加時間内で、曳糸の分断が連続して多数回発生する。従って、記録媒体上における1ドットは、分離して吐出された微細な複数の液滴で形成される。
静電式のインクジェットにおいては、通常、各制御電極88にパルス電圧を変調して印加することにより、吐出をON/OFFして、インク液滴を変調して吐出し、記録画像に応じたオンデマンドのインク液滴の吐出を行う。
特開平10−138493号公報 米国特許第4314263号明細書
このような静電式のインクジェットは、吐出部に対応して吐出電極を作成することができれば、各吐出部を分離するための独立したインク流路や隔壁等が不要である。いわゆるノズルレス構造であるため、インクジェットヘッドのコスト低減等を図ることができ、また、歩留りも高い。さらに、上記構造を有するために、吐出部でインク詰まり等が発生した際にも、簡単な処理で回復を図ることができる。
その反面、静電式のインクジェットでは、曳糸の分断等によって吐出されたインク液滴の着弾位置が不安定となるため、複数の液滴で形成されるドットが不安定、不均一となり、目的とする画質の画像を安定して得ることができないという問題点もある。
本発明の目的は、上記問題点を解決することにあり、静電式のインクジェット記録において、インク液滴の着弾位置の安定化、記録媒体上におけるドット径の安定化や調整を可能にして、高画質、高解像度な画像を安定して記録することができるインクジェット記録方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明では、インクジェットヘッドにおいて色材を含有する荷電粒子を分散媒に分散してなるインクに静電力を作用させることにより、前記インクの曳糸を形成し、前記曳糸の分断によって前記インクの液滴を吐出させ、この液滴を前記インクジェットヘッドと相対的に移動する記録媒体上に着弾させ、画像ドットを形成することで記録を行うインクジェット記録方法であって、前記記録媒体と前記液滴を吐出させる吐出部との相対的な移動速度をv、前記曳糸の分断周波数をf、前記曳糸の直径をd、とした場合に、下記式
(v/f)<(a×d)
ただし、aはインクの密度、飛翔液滴径、飛翔速度、表面張力、粘性により決定される係数、
を満たすことを特徴とするインクジェット記録方法を提供する。
ここで、前記係数aは、1.1以上15以下であることが好ましい。
前記曳糸の直径が10μm以下、および、吐出される液滴の直径が20μm以下の少なくとも一方を満たすことが好ましい。
また、前記曳糸の分断周波数は、前記液滴の吐出を制御する画像記録周波数よりも高いことが好ましい。
また、前記曳糸の分断周波数は、前記液滴の吐出を制御する画像記録周波数の10倍以上であることが好ましい。
さらに、前記記録媒体上に着弾した液滴の定着前に、前記記録媒体上に着弾した液滴に重なって着弾するように次の液滴を吐出し、1つの画像ドットを形成することが好ましい。
また、記録する画像に応じて1つのドットを形成するインク液滴の液滴数を制御することが好ましい。
また、5滴以上のインク液滴を前記記録媒体上に重ねて着弾させることにより、1つのドットを形成することが好ましい。
上記構成を有する本発明によれば、静電式のインクジェット記録において記録媒体上におけるインク液滴の着弾位置を安定化するため、吐出された複数の液滴で1つの画像ドットを好適に形成することが可能となり、記録媒体上におけるドット径の安定化や調整を可能として、目的とする径のドットを形成して画像記録を行うことができるので、高画質、高解像度な画像を安定して記録することができる。
また、本発明によれば、必要に応じてパルス幅変調による濃度制御やドット径制御を行うこともでき、より階調分解能が高く、また、より濃度安定性が高い、高画質、高解像度な画像を形成することも可能である。
以下、本発明のインクジェット記録方法について、添付の図面に示される好適実施形態を基に詳細に説明する。
本発明のインクジェット記録方法は、色材を含有する荷電粒子(以下、色材粒子とする)をキャリア液(分散媒)に分散してなるインクを用い、このインクに静電力を作用させて吐出する、静電式のインクジェットによるものである。
このようなインクに用いられるキャリア液は、高い電気抵抗率(109 Ω・cm以上、好ましくは1010Ω・cm以上)を有する誘電性の液体(非水溶媒)であるのが好ましい。キャリア液の電気抵抗が低いと、制御電極に印加される駆動電圧により、キャリア液自身が電荷注入を受けて帯電してしまい、色材粒子の濃縮がおこらない。また、電気抵抗の低いキャリア液は、隣接する制御電極間での電気的導通を生じさせる懸念もあるため、本発明には不向きである。
キャリア液として用いられる誘電性液体の比誘電率は、5以下が好ましく、より好ましくは4以下、さらに好ましくは3.5以下である。このような比誘電率の範囲とすることによって、キャリア液中の色材粒子に有効に電界が作用し、泳動が起こりやすくなる。
なお、このようなキャリア液の固有電気抵抗の上限値は1016Ωcm程度であるのが望ましく、比誘電率の下限値は1.9程度であるのが望ましい。キャリア液の電気抵抗が上記範囲であるのが望ましい理由は、電気抵抗が低くなると、低電界下でのインク液滴の吐出が悪くなるからであり、比誘電率が上記範囲であるのが望ましい理由は、誘電率が高くなると溶媒の分極により電界が緩和され、これにより形成されたドットの色が薄くなったり、滲みを生じたりするからである。
キャリア液として用いられる誘電性液体としては、好ましくは直鎖状もしくは分岐状の脂肪族炭化水素、脂環式炭化水素、または芳香族炭化水素、および、これらの炭化水素のハロゲン置換体がある。例えば、へキサン、ヘプタン、オクタン、イソオクタン、デカン、イソデカン、デカリン、ノナン、ドデカン、イソドデカン、シクロヘキサン、シクロオクタン、シクロデカン、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、アイソパーC、アイソパーE、アイソパーG、アイソパーH、アイソパーL、アイソパーM(アイソパー:エクソン社の商品名)、シェルゾール70、シェルゾール71(シェルゾール:シェルオイル社の商品名)、アムスコOMS、アムスコ460溶剤(アムスコ:スピリッツ社の商品名)、シリコーンオイル(例えば、信越シリコーン社製KF−96L)等を単独あるいは混合して用いることができる。
このようなキャリア液に分散される色材粒子は、色材自身を色材粒子としてキャリア液中に分散させてもよいが、好ましくは、定着性を向上させるための分散樹脂粒子を含有させる。分散樹脂粒子を含有させる場合、顔料などは分散樹脂粒子の樹脂材料で被覆して樹脂被覆粒子とする方法などが一般的であり、染料などは分散樹脂粒子を着色して着色粒子とする方法などが一般的である。
色材としては、従来からインクジェットインク組成物、印刷用(油性)インキ組成物、あるいは静電写真用液体現像剤に用いられている顔料および染料であればどれでも使用可能である。
色材として用いる顔料としては、無機顔料、有機顔料を問わず、印刷の技術分野で一般に用いられているものを使用することができる。具体的には、例えば、カーボンブラック、カドミウムレッド、モリブデンレッド、クロムイエロー、カドミウムイエロー、チタンイエロー、酸化クロム、ビリジアン、コバルトグリーン、ウルトラマリンブルー、プルシアンブルー、コバルトブルー、アゾ系顔料、フタロシアニン系顔料、キナクリドン系顔料、イソインドリノン系顔料、ジオキサジン系顔料、スレン系顔料、ペリレン系顔料、ぺリノン系顔料、チオインジゴ系顔料、キノフタロン系顔料、金属錯体顔料、等の従来公知の顔料を特に限定なく用いることができる。
色材として用いる染料としては、アゾ染料、金属錯塩染料、ナフトール染料、アントラキノン染料、インジゴ染料、カーボニウム染料、キノンイミン染料、キサンテン染料、アニリン染料、キノリン染料、ニトロ染料、ニトロソ染料、ペンゾキノン染料、ナフトキノン染料、フタロシアニン染料、金属フタロシアニン染料、等の油溶性染料が好ましく例示される。
さらに、分散樹脂粒子としては、例えば、ロジン類、ロジン変性フェノール樹脂、アルキッド樹脂、(メタ)アクリル系ポリマー、ポリウレタン、ポリエステル、ポリアミド、ポリエチレン、ポリブタジエン、ポリスチレン、ポリ酢酸ビニル、ポリビニールアルコールのアセタール変性物、ポリカーボネート等を挙げられる。
これらのうち、粒子形成の容易さの観点から、重量平均分子量が2,000〜1000,000の範囲内であり、かつ多分散度(重量平均分子量/数平均分子量)が、1.0〜5.0の範囲内であるポリマーが好ましい。さらに、前記定着の容易さの観点から、軟化点、ガラス転移点または、融点のいずれか1つが40℃〜120℃の範囲内にあるポリマーが好ましい。
インクQにおいて、色材粒子の含有量(色材粒子あるいはさらに分散樹脂粒子の合計含有量)は、インク全体に対して0.5〜30重量%の範囲で含有されることが好ましく、より好ましくは1.5〜25重量%、さらに好ましくは3〜20重量%の範囲で含有されることが望ましい。色材粒子の含有量が少なくなると、印刷画像濃度が不足したり、インクQと記録媒体P表面との親和性が得られ難くなって強固な画像が得られなくなったりするなどの問題が生じ易くなり、一方、含有量が多くなると均−な分散液が得られにくくなったり、インクジェットヘッド12等でのインクQの目詰まりが生じやすく、安定なインク吐出が得られにくいなどの問題が生じるからである。
また、キャリア液に分散された色材粒子の平均粒径は、0.1〜5μmが好ましく、より好ましくは0.2〜1.5μmであり、更に好ましくは0.4〜1.0μmである。この粒径はCAPA−500(堀場製作所(株)製商品名)により求めたものである。
色材粒子をキャリア液に分散させた後(必要に応じて、分散剤を使用しても可)、荷電調整剤をキャリア液に添加することにより色材粒子を荷電して、荷電した色材粒子をキャリア液に分散してなるインクQとする。なお、色材粒子の分散時には、必要に応じて、分散剤を添加してもよい。
荷電調整剤は、一例として、電子写真液体現像剤に用いられている各種のものが利用可能である。また、「最近の電子写真現像システムとトナー材料の開発・実用化」139〜148頁、電子写真学会編「電子写真技術の基礎と応用」497〜505頁(コロナ社、1988年刊)、原崎勇次「電子写真」16(No.2)、44頁(1977年)等に記載の各種の荷電調整剤も利用可能である。
なお、色材粒子は、後述する制御電極に印加される駆動電圧と同極性であれば、正電荷および負電荷のいずれに荷電したものであってもよい。
また、色材粒子の荷電量は、好ましくは5〜200μC/g、より好ましくは10〜150μC/g、さらに好ましくは15〜100μC/gの範囲である。
また、荷電調整剤の添加によって誘電性溶媒の電気抵抗が変化することもあるため、下記に定義する分配率Pを、好ましくは50%以上、より好ましくは60%以上、さらに好ましくは70%以上とする。
P=100×(σ1−σ2)/σ1
ここで、σ1は、インクQの電気伝導度、σ2は、インクQを遠心分離器にかけた上澄みの電気伝導度である。電気伝導度は、LCRメーター(安藤電気(株)社製AG−4311)および液体用電極(川口電機製作所(株)社製LP−05型)を使用し、印加電圧5V、周波数1kHzの条件で測定を行った値である。また遠心分離は、小型高速冷却遠心機(トミー精工(株)社製SRX−201)を使用し、回転速度14500rpm、温度23℃の条件で30分間行った。
以上のようなインクQを用いることによって、色材粒子の泳動が起こりやすくなり、濃縮しやすくなる。
インクQの電気伝導度は、100〜3000pS/cmが好ましく、より好ましくは150〜2500pS/cm、さらに好ましくは200〜2000pS/cmである。以上のような電気伝導度の範囲とすることによって、吐出電極に印加する電圧が極端に高くならず、隣接する記録電極間での電気的導通を生じさせる懸念もない。
また、インクQの表面張力は、15〜50mN/mの範囲が好ましく、より好ましくは15.5〜45mN/mさらに好ましくは16〜40mN/mの範囲である。表面張力をこの範囲とすることによって、吐出電極に印加する電圧が極端に高くならず、ヘッド周りにインクが漏れ広がり汚染することがない。
さらに、インクQの粘度は0.5〜5mPa・secが好ましく、より好ましくは0.6〜3.0mPa・sec、さらに好ましくは0.7〜2.0mPa・secである。
このようなインクQは、一例として、色材粒子をキャリア液に分散して粒子化し、かつ、荷電調整剤を分散媒に添加して、色材粒子に荷電を生じさせることで、調製できる。具体的な方法としては、以下の方法が例示される。
(1)色材あるいはさらに分散樹脂粒子をあらかじめ混合(混練)した後、必要に応じて分散剤を用いてキャリア液に分散し、荷電調整剤を加える方法。
(2)色材、あるいはさらに分散樹脂粒子および分散剤を、キャリア液に同時に添加して、分散し、荷電調整剤を加える方法。
(3)色材および荷電調整剤、あるいはさらに分散樹脂粒子および分散剤を、同時にキャリア液に添加して、分散する方法。
前述のように、本発明のインクジェット記録方法は、色材粒子をキャリア液に分散してなるこのようなインクに、静電力を作用させてインク液滴R(液滴)を吐出させる、静電式のインクジェット記録に関するものである。
図1に、本発明のインクジェット記録方法を実施する静電式のインクジェット記録装置の一例を概念的に示す。なお、図1において、(a)は(部分断面)斜視図、(b)は部分断面図である。
図1に示すインクジェット記録装置10(以下、記録装置10とする)は、インクジェットヘッド12(以下、ヘッド12とする)と、記録媒体Pの保持手段14と、帯電ユニット16とを有して構成される。この記録装置10においては、帯電ユニット16によって記録媒体Pにバイアス電位を帯電させた後に、ヘッド12と記録媒体Pとを対面した状態で、ヘッド12と保持手段14とを相対的に移動すると共に、記録画像に応じてヘッド12の各吐出部を変調駆動して、インク液滴Rをオンデマンドで吐出することにより、記録媒体Pに目的とする画像を記録する。
ヘッド12は、インクQに、静電力を作用させてインク液滴Rとして吐出する、静電式インクジェットヘッドで、ヘッド基板20と、吐出口基板22と、インクガイド24とを備えている。
また、ヘッド基板20と吐出口基板22は、互いに対面して所定の間隔離間して配置され、その間に、各吐出口にインクQを供給するためのインク流路26が形成される。インクQは、第1吐出電極36および第2吐出電極38に印加される制御電圧と同極性に帯電した色材粒子を含み、記録時には、インク流路26内を所定方向に所定の速度(例えば、200mm/sのインク流)で循環される。
ヘッド基板20は、全ての吐出部に共通なシート状の絶縁性基板であり、その表面には、電気的にフローティング状態である浮遊導電板28が設けられている。
浮遊導電板28には、画像の記録時に、後述する吐出部の制御電極に印加される制御電圧の電圧値に応じて誘起される誘導電圧が発生する。また、誘導電圧の電圧値は稼動チャンネル数に応じて自動的に変化する。この誘導電圧により、インク流路26内のインクQに含まれる色材粒子は付勢されて吐出口基板22側に泳動し、すなわち、後述する吐出口48のインクが、より好適に濃縮される。
なお、浮遊導電板28は必須の構成要素ではなく、必要に応じて適宜設けるのが好ましい。また、浮遊導電板28は、インク流路26よりもヘッド基板20側に配置されていればよく、例えばヘッド基板20の内部に配置してもよい。また、浮遊導電板28は、吐出部が配置される位置よりもインク流路26の上流側に配置される方が好ましい。また、浮遊導電板28に所定の電圧を印加するようにしても良い。
他方、吐出口基板22は、ヘッド基板20と同様に全ての吐出部に共通なシート状の絶縁性基板であり、絶縁性基板34と、第1吐出電極36と、第2吐出電極38と、ガード電極40と、シールド電極42、絶縁層44、46、48、50とを備えている。また、吐出口基板22には、各インクガイド24に対応する位置に、インクの吐出口54が貫通して開口している。
前述のように、ヘッド基板20と吐出口基板22とは離間して配置され、その間にインク流路26が形成される。
第1吐出電極36および第2吐出電極38は、それぞれ絶縁性基板34の図中上面および下面の表面に、各々の吐出部に対応する吐出口54の周囲を囲むようにリング状に設けられた円形電極である。絶縁性基板34および第1吐出電極36の表面には、その表面を保護すると共に平坦化する絶縁層48が被覆され、同様に、絶縁性基板34および第2吐出電極38の表面には、その表面を平坦化するための絶縁層46が被覆されている。
なお、第1吐出電極36および第2吐出電極38はリング状の円形電極に限定されず、インクガイド24に臨むように配置される電極であれば、例えば略円形電極、分割円形電極、平行電極、略平行電極など、どのような形状であっても良い。
図2(a)に示すように、ヘッド12において、インクガイド24、第1吐出電極36および第2吐出電極38、吐出口54等で構成される各吐出部は、マトリクス状に二次元的に配置されている。
図2(b)に示すように、ヘッド12は、列方向(主走査方向)に配置された3行(A行、B行、C行)の吐出部を有する。なお、図2においては、行方向(副走査方向)に5個(1列、2列、3列、4列、5列)の、計15個のマトリクス状に配置された吐出部を示している(図2(c)参照)。
図2(b)に示すように、同じ列に配置された吐出部の第1吐出電極36は、相互に接続されている。また、図2(c)に示すように、同じ行に配置された吐出部の第2吐出電極38は、相互に接続されている。
さらに、図示は省略するが、第1吐出電極36および第2吐出電極38は、それぞれ、インク液滴Rを吐出(各電極を駆動)するためのパルス電圧を出力するパルス電源に接続されている。
各行の吐出部は、行方向に対して所定の間隔を離して配置される。
また、B行目の吐出部は、A行目の吐出部に対して、列方向に所定の間隔を有し、かつ、行方向に対して、それぞれA行目の吐出部とC行目の吐出部との間に配置されている。同様に、C行目の吐出部は、B行目の5個の吐出部に対して、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行目の吐出部とA行目の吐出部との間に配置されている。
このように、各行A、B、Cに含まれる各吐出部を、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行は行方向に3分割される。
画像の記録時には、同一列に配置された第1吐出電極36は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。同様に、同一行に配置された5個の第2吐出電極38は同時かつ同一電圧レベルに駆動される。
また、記録媒体Pに記録される1行は、行方向に対して、第2吐出電極38の行数に相当する3つのグループに分割され、時分割で順次駆動される。例えば、図2に示す例の場合、第2吐出電極38のA行目、B行目、C行目を所定のタイミングで順次記録することにより、記録媒体P上に1行分の画像が記録可能な状態になる。また、これに同期して、第1吐出電極36を画像データ(記録画像)に応じて変調駆動して、インク液滴Rの吐出をON/OFFすることにより、画像を記録する。
従って、図示例においては、記録媒体Pとヘッド12とを、列方向(主走査方向)に相対的に移動しつつ画像記録を行うことにより、行方向(副走査方向)に各行の有する記録密度の3倍の記録密度の画像記録を行うことができる。
なお、制御電極は、第1吐出電極36および第2吐出電極38の2層電極構造に限定されず、単層電極構造でもよいし、3層以上の電極構造としても良い。
ガード電極40は、全ての吐出部に共通なシート状の電極であり、図2(a)に示すように、各々の吐出部の吐出口54の周囲に形成された第1吐出電極36および第2吐出電極38に相当する部分がリング状に開口している。また、絶縁層48およびガード電極40の表面には、その表面を保護するとともに、平坦化する絶縁層50が被覆されている。ガード電極40は所定の電圧が印加されており、隣接する吐出部のインクガイド24の間に生じる電界干渉を抑制する役割を果たす。
また、絶縁層46のインク流路26側に設けられたシールド電極42も、すべての吐出部に共通なシート状の電極であり、図2(d)に示すように、各々の吐出部の吐出口54の周囲に形成された第1吐出電極36および第2吐出電極38の内径に相当する部分まで設けられている。シールド電極42のインク流路26側はその表面を保護すると共に平坦化する絶縁層48が被覆されている。シールド電極42は、第1吐出電極36または、第2制吐出極38からのインク流路26方向への反発電界を遮蔽する役目を果たす。
なお、ガード電極40と、シールド電極42は必須の構成要素ではないのでなくてもよいが、配置した方がよいのはもちろんである。
インクガイド24は、凸状の先端部分30を持つ所定厚みのセラミック製平板である。図示例においては、同一行の吐出部のインクガイド24は、ヘッド基板20上の浮遊導電板28の上に配置された同じ支持体52の上に所定の間隔で配置される。インクガイド24は、吐出口基板22に開口された吐出口54を貫通し、先端部分30を吐出口基板22の記録媒体P側の最表面(絶縁層50の図中上側の表面)よりも上部に突出している。
インクガイド24の先端部分30は、記録媒体Pの保持手段14に向かって、漸次、細くなる略三角形状(ないしは台形状)に成形されている。
なお、先端部分(最先端部)30は、金属が蒸着されているのが好ましい。この先端部分30の金属蒸着は必須の要素ではないが、これにより、先端部分30の誘電率が実質的に大きくなり、強電界を生じさせ易くできるという効果がある。
なお、インクガイド24の形状は、インクQ内の色材粒子を先端部分30に向けて泳動(すなわちインクQを濃縮)させることができれば、特に制限的ではなく、例えば先端部分30は凸状でなくても良い等、自由に変更してもよい。また、インクの濃縮を促進するために、毛細管現象によってインクQを先端部分30に集めるインク案内溝となる切り欠きを、インクガイド24の中央部分に図中上下方向に沿って形成しても良い。
記録媒体Pの保持手段14は、電極基板60と絶縁シート62とを備えており、ヘッド12と対面するように、インクガイド24の先端部分30に対して所定の間隔(例えば、200〜1000μm)を有して配置される。
電極基板60は接地され、絶縁シート62は、電極基板60のインクガイド24側の表面に配置されている。記録時には、記録媒体Pは絶縁シート62の表面に保持され、すなわち、保持手段14(絶縁シート62)は、記録媒体Pのプラテンとして機能する。
帯電ユニット16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70と、スコロトロン帯電器70に負の高電圧を供給するバイアス電圧源72とを備えている。
スコロトロン帯電器70は、記録媒体Pの表面に対向する位置に所定の間隔を離して配置されている。また、バイアス電圧源72の負側の端子はスコロトロン帯電器70に接続され、その正側の端子は接地されている。
なお、帯電ユニット16の帯電手段は、スコロトロン帯電器70に限定されず、コロトロン帯電器、固体チャージャなどの従来公知の種々の帯電手段を用いることができる。
画像の記録時には、絶縁シート62すなわち記録媒体Pの表面は、帯電ユニット16によって、第1吐出電極36および第2吐出電極38に印加される高電圧と逆極性の所定の負の高電圧、例えば−1500Vに帯電される。その結果、記録媒体Pは、第1吐出電極36または第2吐出電極38に対して負の高電圧にバイアスされるとともに、保持手段14の絶縁シート62に静電吸着される。
すなわち、図示例の記録装置10においては、記録媒体Pが静電式のインクジェット記録における対向電極として作用する。
なお、保持手段14を電極基板60と絶縁シート62とで構成し、記録媒体Pを、帯電ユニット16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62の表面に静電吸着させているが、これに限定されず、保持手段14を電極基板60のみで構成し、保持手段14(電極基板60自体)をバイアス電源72に接続して負の高電圧に常時バイアスしておき、電極基板60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の保持手段14への静電吸着と、記録媒体Pへの負のバイアス高電圧の印加または保持手段14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、保持手段14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。
このようなヘッド12は、最大サイズの記録媒体Pの一辺に対応する吐出部の列を行方向に有するラインヘッドであり、保持手段14に保持された記録媒体Pは、この行方向と直交する列方向に搬送(主走査)され、記録媒体Pの全面が吐出部によって走査され、記録媒体Pの全面が吐出部によって走査され、インク液滴Rが着弾して画像が記録される。
記録媒体の搬送手段としては、上述のように絶縁シート62上に記録媒体Pを静電吸着させ、絶縁シート62を主走査方向に搬送することで記録媒体Pを搬送する。なお、後述で詳細に説明するが、本実施形態では、インクジェットヘッド12は固定され、記録媒体Pを主走査方向に搬送させて画像の記録を行うので、この記録媒体Pを搬送する速度が、相対的な移動速度となる。
ここで、搬送方法は、上記形態に限定されず、従来公知の搬送手段が使用できる。
また、本発明のインクジェット記録方法は、このようなラインヘッドを用いるものに限定はされず、記録媒体Pを断続的に搬送しつつ、この搬送に同期して、ヘッドを搬送方向と直交する方向に走査する、いわゆるシャトルタイプのヘッドを用いるインクジェット記録であってもよい。
図示例のヘッド12は、第1吐出電極36および第2吐出電極38を有し、両者にパルス電圧が印加された状態(両電極が駆動された状態)になると、インク液滴Rが吐出される。
ここで、第2吐出電極38は、前述のように、所定のタイミングで1行ずつ順番に高電圧レベル(例えば、400〜600V)またはハイインピーダンス状態(オン状態)とされ、残りの全ての第2吐出電極38は接地レベル(接地状態:オフ状態)に駆動される。また、第1吐出電極36は、全ての列が同時に、画像データに応じて、列単位で高電圧レベルまたは接地レベルに駆動される。これにより、各々の吐出部におけるインクの吐出/非吐出が制御される。
すなわち、第2吐出電極38が高電圧レベルまたはハイインピーダンス状態で、かつ第1吐出電極36が高電圧レベルの場合にはインクQがインク液滴Rとして吐出され、第1吐出電極36および第2吐出電極38の少なくとも一方が接地レベルの場合にはインクは吐出されない。
そして、各々の吐出部から吐出されたインク液滴Rは、負の高電位に帯電された記録媒体Pに引き寄せられ、記録媒体Pの所定位置に付着して画像が形成される。
従って、この際には、インク液滴Rの吐出のための制御電極の駆動周波数は、第1吐出電極36の駆動周波数となる。
上記のように、下層の第2吐出電極38の行を順次オンし、画像データに応じて、上層の第1吐出電極36をオン/オフした場合、第1吐出電極36が画像データに応じて駆動されるため、列方向のそれぞれの吐出部を中心として、その両側の吐出部では、第1吐出電極36が高電圧レベルまたは接地レベルに頻繁に変化する。この場合、画像の記録時にガード電極40を所定のガード電位、例えば接地レベル等にバイアスすることにより、隣接する吐出部の電界の影響を排除することができる。
なお、図示例のヘッド12においては、別の実施形態として、第1吐出電極36と第2吐出電極38とを逆の状態、すなわち第1吐出電極36を1列毎に順次駆動し、画像データに応じて、第2吐出電極38を駆動することも可能である。
この場合、列方向は、第1吐出電極36の1列毎に駆動され、列方向のそれぞれの吐出部を中心として、その両側の列の吐出部の第1吐出電極36は常に接地レベルになるため、この両側の列の吐出部の第1吐出電極36がガード電極の役割を果す。このように、上層の第1吐出電極36で各列を順次オンし、画像データに応じて下層の第2吐出電極38を駆動する場合には、ガード電極40を設けなくても、隣接する吐出部の影響を排除し、記録品質を向上させることができる。
ヘッド12では、第1吐出電極36または第2吐出電極38の一方、または両方で、インク吐出/非吐出の制御を行うかは何ら制限的ではない。すなわち、制御電極側のインク吐出/非吐出の時の電圧値と記録媒体P側の電圧値との差分が所定値よりも大きい場合にはインクが吐出され、所定値よりも小さい場合にはインクが吐出されないように、制御電極側および記録媒体P側の電圧を適宜設定すればよい。
また、この態様では、インク中の色材粒子を正帯電させ、記録媒体側を負の高電圧に帯電させているが、これに限定されず、逆に、インク中の色材粒子を負に帯電させ、記録媒体P側を正の高電圧に帯電させても良い。このように、色材粒子の極性を上記の実施形態と逆にする場合には、記録媒体Pの帯電ユニット16、各々の吐出部の第1吐出電極36および第2吐出電極38への印加電圧極性等を上記の例と逆にすれば良い。
以下、記録装置10におけるインク液滴Rの吐出の作用を説明することにより、本発明の静電式インクジェット記録方法について、詳細に説明する。
なお、以下の例では、インクQに分散される色材粒子は正荷電しており、従って、インク液滴Rを吐出するために第1吐出電極36および第2吐出電極38には正の電圧が印加され、記録媒体Pには負のバイアス電圧が帯電される。
画像の記録時には、インクQが、図示していないインクの循環機構により、インク流路26内を図中右側から左側(図1中矢印a方向)に向かって所定の速度で循環される。
一方、記録媒体Pは、帯電ユニット16により、負の高電位(例えば、−1500V)に帯電され、保持手段14の絶縁シート62に静電吸着されつつ、例えば、搬送手段(図示省略)により、図中紙面奥手側に所定の速度で搬送される。すなわち、記録媒体Pは、−1500Vのバイアス電圧が帯電した、対向電極となっている。
このバイアス電圧のみが印加されている状態では、インクQには、バイアス電圧とインクQの色材粒子の荷電とのクーロン引力、色材粒子間のクーロン反発力、キャリア液の粘性、表面張力、誘電分極力等が作用し、これらが連成して、色材粒子やキャリア液が移動し、図3(a)に概念的に示すように、吐出口48から若干盛り上がったメニスカス形状となってバランスが取れている。
また、このクーロン引力等によって、色材粒子は、いわゆる電気泳動でバイアス電圧が帯電された記録媒体Pに向かって移動する。すなわち、吐出口54のメニスカスにおいては、インクQが濃縮された状態となっている。
この状態から、インク液滴Rを吐出するためのパルス電圧が印加される(吐出ON)。すなわち、図示例においては、第1吐出電極36および第2吐出電極38に、それぞれに対応するパルス電源から100〜600V程度のパルス電圧が印加され、電極を駆動して、吐出を行う。
これにより、バイアス電圧にパルス電圧が重畳され、先の連成に、さらにこのパルス電圧の重畳によって連成された運動が起こり、電気泳動によって色材粒子およびキャリア液がバイアス電圧(対向電極)側すなわち記録媒体P側に引っ張られ、図3(b)に概念的に示すように、メニスカスが成長して、その上部から略円錐状のインク液柱いわゆるテーラーコーンが形成される。また、先と同様に、色材粒子は電気泳動によってメニスカスに移動しており、メニスカスのインクQは濃縮され、色材粒子を多数有する、ほぼ均一な高濃度状態となっている。
パルス電圧の印加開始後、さらに有限な時間が経過すると、色材粒子の移動等により、電界強度の高いメニスカスの先端部分で、主に色材粒子とキャリア液の表面張力とのバランスが崩れ、メニスカスが急激に伸びて、図3(c)に概念的に示すように、曳糸と呼ばれる、細長いインク液柱が形成される。
さらに有限な時間が経過すると、曳糸の成長、レイリー/ウエーバー不安定性によって発生する振動、メニスカス内における色材粒子の分布不均一、メニスカスにかかる静電界の分布不均一等の相互作用によって曳糸が分断され、インク液滴Rとなって吐出/飛翔し、かつ、バイアス電圧にも引っ張られて、記録媒体Pに着弾する。
曳糸の成長および分断は、さらにメニスカス(曳糸)への色材粒子の移動は、パルス電圧の印加中は連続して発生する。すなわち、曳糸が形成されている間は、断続的にインク液滴Rは、記録媒体Pに向かって飛翔している。また、パルス電圧の印加を終了した時点(吐出OFF)で、色材粒子およびキャリア液を記録媒体P側に引っ張る力が弱くなり、形成された曳糸は小さくなっていき、所定時間が経過すると、バイアス電圧のみが印加された図3(a)のメニスカスの状態に戻る。
以上の説明から明らかなように、静電式インクジェットでは、パルス電圧(駆動電圧)を印加すると、曳糸が形成され、分断されることにより、インク液滴は吐出し、多数の微細なインク液滴を記録媒体P上に着弾させることで、記録媒体P上に画像1ドットが形成される。
ここで、本発明のインクジェット記録方法においては、相対的な速度をv、曳糸の分断周波数をf、曳糸の直径をdとした場合に、下記式1を満たすようにする。
(v/f)<(a×d) 式1
ここで、式1中のaは、例えばインクの密度、飛翔液滴径、飛翔速度、表面張力、粘性等によって、適宜決定される係数である。また、インクの密度、飛翔液滴径、飛翔速度、表面張力、粘性等は、例えば温度等によって変化する。
ここで、相対的な移動速度vとは、記録時の記録媒体Pとインクジェットヘッド12との相対的な移動速度であり、本実施形態では、上述のように、インクジェットヘッド12が固定され、記録媒体Pが搬送されるので、記録媒体Pの搬送速度(絶縁シート62の移動速度)となる。また、シリアルヘッドの場合は、記録時は、記録媒体は固定され、ヘッドが走査されるので、そのヘッドの走査速度が相対的な移動速度となる。
また、曳糸の直径dは、曳糸の中間点直径、すなわち曳糸先端とテーラーコーン先端部であった部分との中間点の直径である。
ここで、曳糸の直径は、曳糸の分断が行われている間は、常に式1を満たしていることが好ましい。
前述のように、静電式のインクジェットでは、1パルスの駆動電圧の印加によって複数のインク液滴を吐出して、この複数のインク液滴で記録媒体P上における1ドットを形成する。このように、複数のインク液滴で1つのドットを形成するためには、着弾したインク液滴に次のインク液滴が重なるように吐出をしなければならないが、吐出させるインク液滴は非常に微小であるため、着弾位置が安定せず、着弾したインク液滴が記録媒体P上で重ならず、好適に1つの画像ドットを形成することができず、結果として、画質が低下してしまう。
これに対し、上述のように式1を満たす条件でインク液滴の吐出を行うことで、吐出されたインク液滴の着弾位置が安定する。
その結果、インク液滴を記録媒体P上に好適に重ねて着弾させることができ、1つの画像ドットを複数のインク液滴で好適に形成し、目的とする画像ドットを形成することができる。このように、本発明のインクジェット記録方法によって、目的とする画像ドットを形成することができるので、高解像度で、高画質な画像を記録することができる。
また、微細な複数のインク液滴で1つの画像ドットを形成することで、飛翔中に溶媒蒸発が促進し、記録媒体P上でのにじみを防止することができる。
ここで、本発明のインクジェット記録方法においては、式1中のaを、1.1以上15以下とすることが好ましい。
本発明のインクジェット記録方法では、画質的に、記録媒体に着弾するドットの半分が重なるのが好ましい。ここで、ドットの着弾する時間間隔は1/fであるので、この間にインクジェットヘッドと記録媒体とが相対的に移動する距離はv/fである。従って、着弾した液滴のドットの直径をDとすると、
D/2>v×(1/f)
となる。ここで、着弾した液滴のドットの直径Dは、着弾直前のインク液滴の径d’によって大きく支配される。形成される曳糸の直径d、曳糸の分断周波数f、曳糸の成長速度は、様々な値を取り得るが、本発明者らの検討によれば、一般的な範囲を考慮すると、着弾直前のインクの液滴の直径d’は、d’=2d〜10dの範囲にあると考えられ、さらに、着弾した液滴のドットの直径Dは、D=1.1d’〜3d’の範囲にあると考えられる。
前記式、およびこれらの数値から、
v/f<(1.1〜15)d
となり、従って、式1中の係数aを1.1〜15とすることにより、上記効果をより好適に発現して、より高画質な描画が可能となる。
また、形成される曳糸の直径dを10μm以下、および/または、吐出されるインク液滴の直径が20μm以下、より好ましくはインク液滴の体積が2pl以下、のいずれか一方を満たすようにすることによっても、上記効果をより好適に発現して、より高画質な描画が可能となる。
さらに、分断周波数fは、画像記録周波数よりも高くすることが好ましく、さらに、分断周波数fを画像記録周波数の10倍以上とすることがより好ましい。ここで、画像記録周波数とは、駆動周波数、すなわち1パルスの駆動電圧の印加周波数である。
分断周波数fを画像記録周波数よりも高くすることで、上記効果に加えて、インク液滴の吐出が安定するため、より高画質な画像を形成することができ、分断周波数fを画像記録周波数の10倍以上とすることで、さらに、大きな効果を得ることができる。
本発明のインクジェット記録方法は、複数のインク液滴で、1つのドットを形成する際に、記録媒体P上に着弾したインク液滴の定着前に、記録媒体P上に着弾したインク液滴と重なって着弾するように次のインク液滴を吐出することが好ましい。
このように、記録媒体P上に着弾したインク液滴の定着前に、次のインク液滴を重ねて着弾させることによって、先に着弾したインク液滴と後に着弾したインク液滴が、表面張力による合体整形効果によって、より好適に1つの画像ドットを形成することができる。ここで、インク液滴の定着とは、例えば、着弾したインク液滴の分散媒が蒸発すること、または、着弾したインク液滴の分散媒が記録媒体へ吸収されることである。
また、記録する画像に応じて1つのドットを形成するインク液滴の液滴数を制御することが好ましい。
このように、目的とする画像ドットの大きさ、濃度等に応じて、吐出インク液滴の液滴数を制御することによって、階調分解能をより向上でき、より高解像度、高画質な画像を形成することができる。
さらに、5滴以上のインク液滴を記録媒体P上に重ねて着弾させることで1つの画像ドットを形成することが好ましい。
5つ以上のインク液滴で1つの画像ドットを形成することにより、より円形に近い形状を再現することができる。
ここで、本発明のインクジェット記録方法での、相対的な走査速度v、曳糸の分断周波数f、曳糸の直径dは、様々な条件に影響を受けるので、これらを適宜、選択/制御することにより、本発明を実施することができる。
具体的には、走査速度vは、ラインヘッドの場合ならば記録媒体の搬送速度、シリアルヘッドの場合ならばヘッドの走査速度が例示される。
また、形成される曳糸の直径dは、インクの粘度、インクの電気伝導度、インクの表面張力、インクの荷電量、および、吐出電極に印加する駆動電圧等に影響を受けるので、これらに1つ以上を調節することによって、制御することができる。
さらに、曳糸の分断周波数fは、インクの粘度、インクの電気伝導度、インクの表面張力、インクの荷電量、吐出電極に印加する駆動電圧、および、記録媒体に印加するバイアス電圧等に影響を受けるので、これらの1つ以上を調節することによって、制御することができる。
これらを、適宜、選択/制御することにより、本発明のインクジェット記録方法が実施することができる。
例えば、aを前述の好適な範囲な値である1.1〜15に設定し、形成される曳糸の直径dが2μm、曳糸の分断周波数fが200kHzの場合、上記式1より、
v/f<a×d
v/(200×103 )<(1.1〜15)×(2×10-6
v<(1.1〜15)×(2×10-6)×(200×103
v<(4.4〜60)10-1≒0.5〜6
このように、aの値に応じて、相対的な走査速度vを0.5〜6m/s以下となるように制御することで、本発明のインクジェット記録方法を実現することができる。
なお、上記例では、相対的な走査速度vを制御し、式1を満たすようにしたが、形成される曳糸の直径dまたは曳糸の分断周波数fを制御して式1を満たすようにしてもよいのはもちろんである。
さらに、好ましくは記録媒体上でのインク液滴の着弾径をD、相対的な移動速度をv、曳糸の分断周波数をfとした場合に、下記式2を満たすようにする。
(v/f)<D 式2
このような式2を満たす条件で画像記録を行うことで、インク液滴を記録媒体P上により好適に重ねて着弾させることができ、1つの画像ドットを複数のインク液滴で好適に形成し、目的とする画像ドットをより好適に形成することができる。このように、目的とする画像ドットをより好適に形成することができるので、高解像度で、高画質な画像を記録することができる。
このような本発明のインクジェット記録方法は、上記条件を満たすものであれば、カラー画像でも、モノクロ画像の記録でもよい。
なお、カラー画像を記録する際には、全ての色で本発明を実施するのが好ましいのは、もちろんであるが、これに限定されず、1色のみで、本発明のインクジェット記録方法を実施してもよい。
以上、本発明のインクジェット記録方法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、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってよいのは、もちろんである。
(a)および(b)は、本発明のインクジェット記録方法を実施するインクジェット記録装置の一例の概念図である。 (a)〜(d)は、図1に示すインクジェット記録装置の吐出電極を説明するための概念図である。 (a)〜(c)は、本発明のインクジェット記録方法を説明するための概念図である。 従来の静電式インクジェット記録を説明するための概念図である。
符号の説明
10 インクジェット記録装置
12、80 (インクジェット)ヘッド
14 保持手段
16 帯電ユニット
20、82 ヘッド基板
22 吐出口基板
24、84 インクガイド
26、98 インク流路
28 浮遊導電板
30、84a 先端部分
34 絶縁性基板
36 第1吐出電極
38 第2吐出電極
40 ガード電極
42 シールド電極
44、46、48、50 絶縁層
52、96 吐出口
60 電極基板
62 絶縁シート
70 スコロトロン帯電器
72 バイアス電圧源
86 絶縁性基板
88 制御電極
92 DCバイアス電圧源
94 パルス電圧源

Claims (8)

  1. インクジェットヘッドにおいて色材を含有する荷電粒子を分散媒に分散してなるインクに静電力を作用させることにより、前記インクの曳糸を形成し、前記曳糸の分断によって前記インクの液滴を吐出させ、この液滴を前記インクジェットヘッドと相対的に移動する記録媒体上に着弾させ、画像ドットを形成することで記録を行うインクジェット記録方法であって、
    前記記録媒体と前記液滴を吐出させる吐出部との相対的な移動速度をv、前記曳糸の分断周波数をf、前記曳糸の直径をd、とした場合に、下記式
    (v/f)<(a×d)
    ただし、aはインクの密度、飛翔液滴径、飛翔速度、表面張力、粘性により決定される係数、
    を満たすことを特徴とするインクジェット記録方法。
  2. 前記係数aは、1.1以上15以下であることを特徴とする請求項1に記載のインクジェット記録方法。
  3. 前記曳糸の直径が10μm以下、および、吐出される前記液滴の直径が20μm以下の少なくとも一方を満たすことを特徴とする請求項1または2に記載のインクジェット記録方法。
  4. 前記曳糸の分断周波数は、前記液滴の吐出を制御する画像記録周波数よりも高いことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載のインクジェット記録方法。
  5. 前記曳糸の分断周波数は、前記液滴の吐出を制御する画像記録周波数の10倍以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載のインクジェット記録方法。
  6. 前記記録媒体上に着弾した液滴の定着前に、前記記録媒体上に着弾した液滴に重なって着弾するように次のインク液滴を吐出し、1つの画像ドットを形成することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載のインクジェット記録方法。
  7. 記録する画像に応じて1つのドットを形成する液滴の液滴数を制御することを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載のインクジェット記録方法。
  8. 5滴以上の液滴を前記記録媒体上に重ねて着弾させることにより、1つのドットを形成することを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載のインクジェット記録方法。
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