JP2006198947A - 液滴偏向電界形成電極 - Google Patents

Abstract

【課題】 ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドに対しても設置出来る程小型でありながら、十分な偏向量を得られる偏向電極を提供する事を課題とする。
【解決手段】 ノズルより液滴を吐出させると同時に、その液滴を荷電させ、飛行を開始した液滴を、電極により形成された電界の静電気力によって荷電レベルに応じて飛行方向を偏向する手段を備えた液滴吐出装置において、電極表面にエッジ部を複数箇所設けた事を特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、ノズルより液滴を吐出させると同時に荷電し、吐出した液滴を静電気力によって飛行方向を偏向する手段を備えた、インクジェットプリントヘッドの、偏向電界を形成する電極に関する。

高速カラープリンタ市場が顕在化しており、安価で小型、かつページコストが安い、高信頼性・高画質の高速カラーインクジェットプリンタの開発が急務である。

高速化には、記録紙幅分のノズルを配した、長尺あるいは複数連結のヘッドを記録紙上に固定し、記録紙を走行させて１パスで印刷を行うライン型ヘッドが有効である。しかし、ライン型にした場合、吐出不良ノズルがあると記録紙全面に渡って白筋や記録濃度ムラが発生してしまう。また、ノズルの解像度と記録画像の解像度が１対１の関係になってしまうために、記録画像の解像度は記録ヘッドに依存してしまう。さらに、各ノズルの吐出特性バラツキがそのまま記録画像に現れてしまい、印刷品質が悪くなるなどの問題がある。

これらの問題を解決するために、ドットを記録したい時にだけ液滴を吐出させる事が可能なドロップオンデマンド方式のインクジェットプリンタにおいて、選択的に吐出させた液滴を、任意の方向に偏向し、液滴の着地位置の補正を行ったり、１ラスターを複数ノズルで記録を行う事により、１パスで記録を行うラインプリンタにおいても、ノズル毎の液滴重量ばらつきや着地位置ばらつき等による濃淡を抑えた高画質で記録出来、ノズルの不吐出を隣接ノズルでバックアップする事で高信頼化を達成し、１ノズル当たり２ラスター記録する事で、ノズルの並んでいる解像度の倍の解像度で記録を行う等という試みが、以前から成されている。

液滴の飛行方向を偏向制御する技術として、選択的に吐出させた液滴を、任意の電荷量に荷電し、静電気力によって、液滴の飛行方向を偏向制御する方法が知られている（例えば、特許文献１、２参照。）。また、吐出力をノズル孔に対して斜め方向に発生させ、その加減により液滴の飛行方向を制御する方法が知られている（例えば、特許文献３参照。）。２００４年には、後者の手法を用いた製品が実際に市場に現れ、注目されている。

静電気力によって液滴の吐出方向を偏向制御する手法については、液滴を連続的に吐出させながら、情報に応じて飛行方向を変化させ、記録に用いない液滴は回収する、コンティニュアス方式と呼ばれるインクジェットプリントヘッドの歴史が長く、連続的に吐出させた液滴を、荷電電極に印加された電圧によって選択的に荷電し、偏向電極に印加された電圧によって発生した静電界中を飛行する際に、荷電した液滴のみ静電気力により偏向させ、吐出方向を制御する方法が知られている（例えば、特許文献４参照。）。この方式を、ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドに適用する際に問題となるのが、液滴の飛行可能な距離の制約から、液滴を吐出させるノズルより記録メディアまでの距離を、コンティニュアス方式においては１００ｍｍ程度まで取れるのに対して、ドロップオンデマンド方式においてはせいぜい５ｍｍ程度までと短い点である。特許文献４には、偏向電極として、平行平板電極が開示されているが、通常液滴の飛行方向に３０ｍｍ程度もあるこのような大型の電極を、ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドのノズルと記録メディアの間にそのまま設置する事は不可能である。本発明者は、この平行平板電極を、ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドに対しても設置出来る程小さくして実験を行ったが、印加出来る荷電電圧、偏向電圧、必要な液滴重量に対して、十分な偏向量は得られなかった。

特開２００１−２７０１０８号公報

特開２００２−２７３８９０号公報

特開２０００−１８５４０３号公報

米国特許第３３７３４３７号明細書

本発明は、ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドに対しても設置出来る程小型でありながら、十分な偏向量を得られる偏向電極を提供する事を課題とする。

本発明は、電極表面に、電荷集中が生じるようなエッジ部を複数箇所設けた事を特徴とする。

本発明によれば、電極表面の凸部に電荷が集中する事によりエッジ効果が生じて、平行平板電極が作り出す平等電界よりも、電界密度の大きい部分が存在する不平等電界で液滴を偏向するため、平行平板電極と同じ偏向電圧、大きさ、液滴荷電量であっても、偏向距離を大きくする事が出来る。

以下に、本発明を実施例により説明する。

図１は、本発明の実施例を適用する装置のノズル部断面を横から見た図である。

図１において、液圧力室１を構成する壁の一部には、ノズル２が開けられ外部と連通している。液圧力室１を構成する壁の他の一部は、弾性のあるダイヤフラム３で構成され、液圧力室１とダイヤフラム３を介して圧電素子４が設置されている。圧電素子４に駆動電圧５を印加する事により圧電素子４を伸縮させて、液圧力室１から液滴６を押し出し飛行させる。液滴６の飛行軌道を挟むように、＋側荷電偏向電極７と−側荷電偏向電極８が対向して設置され、液滴６はそれらの間を通ってメディア９に着地する。

液滴の偏向は、吐出液滴を荷電してから、電界中を通過させる事によって行う。次に、ノズル部の液面が＋に帯電し、＋に帯電した液滴が−側荷電偏向電極側に飛行方向を偏向される場合の原理を説明する。

電界は高電位から低電位に向けて生じ、その強さは電界の生じる二点間の電位差が大きければ強く、小さければ弱くなる。そして、＋の電荷は電界の方向へ、−の電荷は電界と逆の方向へ静電気力を受けて移動し、受ける静電気力の大きさは、電界が強ければ大きく、弱ければ小さい。

図１で、とある時間において、例えば＋側荷電偏向電極７に＋１００Ｖ、−側荷電偏向電極８に−４００Ｖ印加されているとすれば、荷電偏向電極間の中心部であるノズル孔直下の電位は−１５０Ｖであり、グランドされているヘッドよりも低電位となり、ノズル孔近辺には下向きの荷電電界１０が生じる。また、荷電偏向電極間には電位差５００Ｖで右向きの偏向電界１１が生じる。

この様な電場において、ノズル孔より圧電素子４の伸縮によって押し出される液表面には、荷電電界１０によって＋の電荷１２が誘導する。その後液は、誘導された＋の電荷１２を蓄えたままヘッド内の液より分離して質量Ｍの液滴となり、下向きに速度Ｖｄで飛行を始めるが、途中、荷電偏向電極間に生じている右向きの偏向電界１１により右方向に力を受ける。そのため飛行方向は偏向され、右斜め下方向へ飛行し、荷電偏向電極端からＬ離れた記録紙上において、偏向しなかった場合の着地位置よりも右へＸずれた位置に着地する。なお、偏向距離Ｘは次式で近似出来る。

ここで、＋側及び−側の荷電偏向電極に印加する電圧の大きさにより、荷電電界１０と偏向電界１１の強さと方向を自由に設定でき、荷電電界１０の強さと方向で液滴の荷電量（偏向距離）と極性（偏向方向）を、偏向電界１１の強さと方向で液滴の偏向距離と偏向方向を制御する事が出来る。

なお、体積抵抗率が高い液では電荷の移動速度が遅く、荷電制御電界の変化が速いと液滴の荷電量がそれに追従出来なくなるので、高い周波数で吐出する液滴の荷電量を制御するには、例えば６０ｋＨｚで制御する場合、液の体積抵抗率は１０００Ω・ｃｍ程度以下である必要がある。世の中に出回っている印字用インクの多くは、この値を満たしているので、特に、インクの体積抵抗率を低くするために電解質を配合したりする必要は無い。

前述した様に、液滴の偏向量は液滴の荷電量または偏向電界の強さを変化させる事で制御できる。しかし、高い周波数で吐出してくる液滴の偏向量をそれぞれ独立制御するためには、偏向電界１１の強さを一定とし、荷電電界１０の強さを変化させる方がより高速に制御できる。それを行うために従来は荷電と偏向は別々の電極を設けて行っていたが、本実施例では、一対の電極で荷電も偏向も行う方式を用いた。この方式は、液滴を荷電する電圧と、偏向する電圧を重畳して電極に印加するもので、荷電偏向電極に印加する電圧波形のＡＣ成分（荷電電圧）１３で荷電電界１０を変化させる一方、ＤＣ成分（偏向電圧）１４で偏向電界１１を一定とする事ができる。よって、ヘッドと記録紙の間に電極を一対しか設置する必要が無く、液滴を長距離飛ばせないオンデマンド方式のインクジェットヘッドに対して荷電偏向制御を行う際、非常に有効な方式である。

続いて、本発明による電極について説明する。図６は、本発明による−側荷電偏向電極を示したものである。平板電極６１を液滴飛行方向に３枚重ね、それぞれ荷電偏向電源６２に接続してある。＋側荷電偏向電極も同じ形状とし、向かい合わせて図１の荷電偏向電極７と８のように、液滴の飛行軌道を挟んで設置する。液滴の飛行軌道は、図２の２１に示したように、液滴が電極の設置してある箇所に突入する部分が電極の間近になるようにするか、液滴が電極の設置してある箇所に突入する部分を電極間の真中にする場合でも、液滴重量を小さくしたり、液滴速度を遅くするなどして、図３の３１に示したように、偏向された液滴が電極間近を通過するようにする。

エッジ部を設けた電極が形成する等電位面は図５の５２のようになり、図４に示した、同じ大きさ、同じ電位差の平行平板電極４１が形成する等電位面４２が＋側荷電偏向電極から−側荷電偏向電極までほぼ等間隔、電位の変化する割合は同じなのに対して本数は同じであるが、電極に近い程等電位面５２の間隔は狭く、電位の変化する割合が大きい。電極から離れると等電位面５２の間隔は広く、電位の変化する割合は小さい。この事は、エッジのある電極では、平行平板電極に比べて電極近辺の電界強度は強く、電極間の電界強度は弱いという事を意味する。式（１）からも分かるように、荷電された液滴の偏向量は、電界強度が強い方が偏向量が大きいため、図４のような平行平板電極４１が形成する平等電界を通過した時よりも、図５のようなエッジを持った電極５１が形成する不平等電界を通過した時の方がより大きく偏向される。実験では、液滴飛行方向の電極全体の厚み２ｍｍ、＋側荷電偏向電極と−側荷電偏向電極の間隔を１ｍｍとし、荷電電圧＋５００Ｖ、偏向電圧１ｋＶ、ノズルから電極上端までの距離１ｍｍ、電極下端からメディアまでの距離１ｍｍ、液滴は図３のように、＋側荷電偏向電極と−側荷電偏向電極の電極間の真中から入射という条件において、３０ｎｇ程度の液滴を約２ｍ／ｓで飛行させて荷電及び偏向を行った際、平行平板電極においては１５０μｍ程度の偏向距離であったのに対し、本発明による３段に重ねた電極においては、２００μｍ近く偏向する事が出来た。

図７は、本発明による他の実施例で、−側荷電偏向電極を示したものである。導体の塊に液滴飛行方向に対して垂直方向に２本の溝を掘って、荷電偏向電源に接続している。＋側荷電偏向電極も同じ形状とし、向かい合わせて図１の荷電偏向電極７と８のように液滴の飛行軌道を挟んで設置する。このような構成において、実施例１と同じ効果が得られ、実施例１に比べて荷電偏向電源に電極の１箇所だけを接続すればよいという利点がある。

図８は、本発明によるさらに他の実施例で、−側荷電偏向電極を示したものである。１枚の導体を折り曲げて液滴飛行方向に３枚に重ね、荷電偏向電源に接続している。＋側荷電偏向電極も同じ形状とし、向かい合わせて図１の荷電偏向電極７と８のように液滴の飛行軌道を挟んで設置する。このような構成において、実施例１と同じ効果が得られ、実施例１に比べて荷電偏向電源に電極の１箇所だけを接続すればよく、実施例２に比べて安価に電極を形成出来るという利点がある。

図９は、実施例２の変形例である。図７のような深い直角の溝を掘らなくても、図９に示した三角の溝や、あるいは丸い溝等、電極表面に凹凸を作れば本発明の効果は得られる。

図１０は、実施例４の変形例である。導体の塊に溝を掘らなくても、図１０に示したように、平板電極を折り曲げて電極にする事によっても、波板状に加工する事によっても本発明の効果は得られる。

図１１は、本発明によるさらに他の実施例で、−側荷電偏向電極を示したものである。ガラスエポキシ基板やアルミナ等の基材表面に導体薄膜を形成し、エッチング等により、導体有り、無しの繰り返しとなるように、パターニングを行う。直接そのようなパターンを塗布する方法でも良い。パターンは荷電偏向電源に接続している。＋側荷電偏向電極も同じ形状とし、向かい合わせて、図１の荷電偏向電極７と８のように、液滴の飛行軌道を挟んで設置する。このような構成においても本発明の効果が得られ、安価に電極を形成出来るという利点がある。

図１２は、本発明によるさらに他の実施例で、＋側荷電偏向電極および−側荷電偏向電極の断面を示したものである。液滴の飛行軌道１２１は図の上から下方向であり、電極間の真中に入射させる。電極から離れている前半は平板電極１２２により偏向を行い、ある程度電極に近付く後半はエッジのある電極１２３により偏向を行う。液滴が電極に接触するのを防ぐため、電極間隔は下に行くほど広くするのが望ましいが、それに限ったものでは無い。

このような構成において、液滴が電極部に入射した直後は、電極間の真中でもある程度の強さの電界を形成可能な平板電極で偏向を行い、電極に近付く後半は、電極の近くに強力な電界を形成可能なエッジ部を設けた電極で偏向を行う事で、液滴を大きく偏向させる事が可能となる。本実施例によると、電極間隔を狭くする必要も無く、液滴を始めから電極の近くに入射させる必要もないので、液滴吐出方向の曲がりや、電極の取り付け精度などに裕度がもてるという利点がある。

以上説明した実施例１〜７に用いる電極や、電極のパターニングしてある基材は、インクを吸収出来るように、素材が編み込まれた物や、素材を焼結した物等、多数の細かい隙間が空いている物質である事が望ましい。そうする事によって、電極に液が付着して放電が起こる不具合を抑える事が出来る。

特に実施例１及び３に関して、電極の各段の間には、ポリイミド等の絶縁物を挟んで電極を作ると、電極の厚みの管理がし易く、強度的にも優れたものが作成可能である。

本実施例による電極は、図１３に示したように、荷電電圧１３１と偏向電圧１３２を重畳して印加する用紙背面電極１３３を、ノズル１３４に対向して設置したメディア１３５の裏に設け、液滴を偏向させる電界を形成する傾斜電界発生用オリフィス電極１３６を、ノズル１３４近傍に、ノズル１３４と等電位であるグランドに落として設置する構成に対して、傾斜電界発生用オリフィス電極１３６に適用した例である。この場合、対向する電極は存在しない。このような構成のインクジェットプリンタの詳細は、特許文献２を参照されたい。

液滴の荷電や偏向は、＋側荷電偏向電極と−側荷電偏向電極のどちらか一方だけを設けた装置においても可能であり、もちろん本発明はそのような装置の電極に対しても適用可能である。

なお、複数ノズルから吐出する液滴を荷電、偏向する場合、各ノズルから吐出される液滴全てについて同じ強度の電界中を飛行させるために、電極を重ねる方向は液滴の飛行方向とし、エッジの繰り返しは、液滴の飛行する方向になる事が望ましいが、ノズル１つに対して電極が１つの場合や、エッジの現れるピッチがノズルのピッチの約数である場合等は、液滴が飛行する方向に対して垂直方向に電極を重ね、エッジの繰り返しが液滴の飛行する方向に対して垂直方向となっても、各ノズルから吐出される液滴全てについて同じ強度の電界中を飛行させる事が可能であるので構わない。

本実施例は、電極が３段の場合を例に取って説明したが、何段であっても構わない。ただ、電極全体の厚みを、液滴の飛行方向に２ｍｍ固定で、＋側荷電偏向電極と−側荷電偏向電極の間隔を１ｍｍとし、電極を重ねる段数を増やしていったところ、３段までは偏向量が増し、４段では偏向量が減り、５段で１段の時とほぼ同じ偏向量になった事を述べておく。電極全体の厚みや、１段当たりの電極の厚みが変われば、最も偏向量の大きくなる電極の段数は変わる。

さらに、本実施例は、板状電極を多段に重ねる場合を例に取って説明したが、本発明において重要なのは、液滴飛行軌道に面した部分のエッジであるので、エッジを形成する電極は板状に限ったものではない。

本実施例は、ドロップオンデマンド方式のインクジェットプリントヘッドから吐出した液滴を、静電偏向させる場合について説明したが、本発明は、電極によって形成される電界により、電極を通過する物体に静電気力を加えて進行方向を変える、全ての装置に適用出来るものであり、通過させる物体は荷電出来る物であれば何でも良いし、液滴の吐出方式などは問わない。また、荷電電圧と偏向電圧を重畳させて印加する、荷電偏向電極に対して本発明を適用した場合について説明したが、偏向電圧だけを印加する偏向電極に対しても、同様に本発明を適用する事が出来る。

本発明を適用した装置の説明図である。（実施例1） 本発明の実施方法を説明した図である。（実施例1） 本発明の実施方法を説明した図である。（実施例1） 平行平板電極が形成する等電位面を示した説明図である。（実施例1） 本発明による電極が形成する等電位面の１例を示した説明図である。（実施例1） 本発明を示した説明図である。（実施例１） 本発明を示した説明図である。（実施例２） 本発明を示した説明図である。（実施例３） 本発明を示した説明図である。（実施例４） 本発明を示した説明図である。（実施例５） 本発明を示した説明図である。（実施例６） 本発明を示した説明図である。（実施例７） 本発明を示した説明図である。（実施例８）

符号の説明

１…液圧力室、２…ノズル、３…ダイヤフラム、４…圧電素子、５…駆動電圧、６…吐出液滴、７…＋側荷電偏向電極、８…−側荷電偏向電極、９…メディア、１０…荷電電界、１１…偏向電界、１２…誘導された＋電荷、１３…荷電電圧、１４…偏向電圧、２１…液滴の飛行軌道、３１…液滴の飛行軌道、２１…電気力線、２２…平行平板電極、３１…電気力線、３２…エッジ部を設けた電極、４１…平行平板電極、４２…等電位面、５１…エッジ部を設けた電極、５２…等電位面、６１…平板電極、６２…荷電偏向電源、１２１…液滴の飛行軌道、１２２…平板電極、１２３…、１３１…荷電電圧、１３２…偏向電圧、１３３…用紙背面電極、１３４…ノズル、１３５…メディア、１３６…オリフィス電極。

Claims (8)

1. ノズルより液滴を吐出させると同時に、その液滴を荷電させ、飛行を開始した液滴を、電極により形成された電界の静電気力によって荷電レベルに応じて飛行方向を偏向する手段を備えた液滴吐出装置において、電極表面にエッジ部を複数箇所設けた事を特徴とする液滴偏向電界形成電極。
2. 前記電極表面のエッジ部は、複数枚の電極を重ねる事により形成した事を特徴とする、請求項１記載の液滴偏向電界形成電極。
3. 前記電極表面のエッジ部は、一枚の電極を折り曲げて重ねる事により形成した事を特徴とする、請求項１記載の液滴偏向電界形成電極。
4. 前記電極表面のエッジ部は、平板電極を折り曲げる事により形成した事を特徴とする、請求項１記載の液滴偏向電界形成電極。
5. 前記両電極の間に、絶縁体を挟んで重ねた事を特徴とする、請求項２または３記載の液滴偏向電界形成電極。
6. 前記電極表面のエッジ部は、電極のパターニングによって形成した事を特徴とする、請求項１記載の液滴偏向電界形成電極。
7. 前記電極形成材料や電極のパターニングされている基材は、液の吸収が可能であるように、素材が編み込まれた物や、素材を焼結した物等、多数の細かい隙間が空いている物質である事を特徴とする、請求項１〜６の何れかに記載の液滴偏向電界形成電極。
8. 前記電極は、液滴が通過する前半は平板で、後半はエッジ部を設けた事を特徴とする、請求項１〜７の何れかに記載の液滴偏向電界形成電極。
   

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