JP2006334818A - 液体吐出ヘッドおよび画像記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の液体吐出ヘッド12は、帯電粒子が分散された溶液に静電力を作用させて、溶液の液滴を吐出させるものであり、液滴を吐出する複数の貫通孔が形成された絶縁性の吐出基板19と、貫通孔の個々に対応して配置され、溶液に静電力を作用させる吐出電極30と、貫通孔を通過して吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイド22とを有する。この溶液ガイドは、平板状の支持部40と、この支持部の端部における厚さ方向の所定の位置に段差を付けて延設され、支持部の厚さよりも薄い平板状の先端部42とを備えるものであり、溶液ガイドは先端部が液滴吐出側に向けて配置されている。
【選択図】図1
Description
しかしながら、サーマルジェットヘッドでは、インクを部分的に300℃以上に加熱するため、インクの材料が限定されるという問題があり、他方、ピエゾタイプのインクジェットでは、構造が複雑でコストが高いといった問題がある。
静電式インクジェットの液体吐出ヘッドは、インク液滴を吐出するための多数の貫通孔(吐出口)が形成された絶縁性の吐出基板と、吐出口の個々に対応する吐出電極とを有し、吐出電極に所定の電圧を印加することにより、インクに静電力を作用させてインク液滴を吐出するものであり、画像データに応じて吐出電極への電圧印加のオンおよびオフを制御(吐出電極を変調駆動)することによりインク液滴を吐出させて、画像データに対応する画像を記録媒体上に記録する。
吐出基板206には、インク液滴の吐出口218となる貫通孔(基板貫通孔)が多数形成され、前記支持基板202と吐出基板206との間隙が、この吐出口218にインクQを供給するインク流路216となる。さらに、吐出基板206の上面(インク液滴Rの吐出側表面)には、吐出口218を囲んでリング状の吐出電極208が設けられている。吐出電極208には、バイアス電源212およびパルス電源である駆動電源214が接続され、かつ、両者を介して接地されている。
他方、支持基板202には、各吐出口218に対応して、吐出口218を挿通して吐出基板206から突出するインクガイド204が設けられている。インクガイド204の先端部204aは、所定幅だけ切り欠かれて、先端部204aにインクQを供給するためのインク案内溝220が形成されている。
対向電極210は、吐出電極208の対向電極としての機能に加え、画像記録時に記録媒体Pを支持するプラテンとしても機能するものであり、吐出基板206の上面に対面するようにして、インクガイド204の先端部204aと所定間隔離間して配置されている。
また、記録媒体Pは、対向電極210に支持されて、吐出基板206と対面している。
さらに、吐出電極208には、バイアス電圧として、バイアス電源212から、例えば1.5kVの直流電圧が、常時、印加されている。
この状態において、駆動電源214が吐出電極208に画像データ(駆動信号)に応じた、例えば、500Vのパルス状の駆動電圧を吐出電極208に印加すると、バイアス電圧に駆動電圧が重畳されて、インクQの先端部分204aへの供給および濃縮が促進され、インクQおよび色材粒子の先端部204aへの移動力および対向電極14からの吸引力が、インクQの表面張力を超えた時点で、色材粒子が濃縮されたインクQの液滴(インク液滴R)が吐出される。
吐出されたインク液滴Rは、吐出された際の勢い、および対向電極210による引力によって飛翔し、記録媒体Pに着弾して画像を形成する。
従って、低い駆動電圧で、かつ、高速(高い記録(吐出)周波数)で安定してインク液滴の吐出を行うためには、各吐出口毎に設けられるインクガイドは重要であり、インクガイドには、好適にインクを案内して吐出口におけるインクのメニスカスを適正に安定させること(以下、メニスカス安定性という)、および良好な静電力の集中力(電界集中力)等が要求される。
例えば、特許文献1に開示される液体吐出ヘッドであれば、前述のように、インクガイド204の先端部204aを所定幅だけ切り欠いてインク案内溝220を形成することにより、インクガイド204の先端部204aへのインクQの供給性を、より良好なものとしている。
しかしながら、メニスカスの高さを高くするために加えられる圧力には限界がある。このため、特許文献1に開示されたインクガイド204のように、先端部204aにインク案内溝220を形成し、このインク案内溝220による毛細管現象を利用して、メニスカスMを高い位置に保持している。
また、特許文献1のインクガイド204の構造では、先端部204aが切り欠かれているため、インクガイド204の先端形状はインクQにより形成される。このため、インクガイド204の先端形状は使用するインクQの表面張力、およびインクQに作用する圧力により決定される。このインクQによる先端形状は、インク液滴Rの吐出によるインクQの供給、または振動などの外乱により、その先端形状が変動してしまう。このため、着弾精度が劣化するという問題点がある。この着弾精度が劣化する問題点により、安定して高解像度で画像を形成することができない。
さらに、インクガイドの先端部の幅を狭くすることは、加工上難しいという問題点がある。また、特許文献1のインクガイド204は、インク案内溝220を形成する必要があり、幅を狭くした場合、加工が特に困難になる。
さらにまた、本発明においては、前記溶液ガイドは、前記先端部の先端の曲率半径が2μm以上であることが好ましい。
また、本発明においては、前記先端部が、前記段差が前記先端部の片面側だけに生じるように前記支持部に延設されていることが好ましい。
このように、溶液ガイドに段差を形成することにより、溶液ガイドの先端形状、および溶液の圧力を考慮することなく、溶液により形成されるメニスカスを溶液ガイドの高い位置に保持することができる。
さらに、本発明の液体吐出ヘッドによれば、溶液ガイドの先端部の先端形状に基づくメニスカスを形成させることができるため、振動などの外乱に対してもメニスカス形状が変動することなく安定したものとなる。
図1は、本発明の第1の実施例に係る液体吐出ヘッドを有する画像記録装置を示す模式的断面図であり、図2は、図1に示す液体吐出ヘッドの要部模式的斜視図である。
図3(a)は、本発明の第1の実施例に係る液体吐出ヘッドのインクガイドを示す模式的斜視図であり、(b)は、図3(a)の模式的正面図であり、(c)は、図3(a)の模式的側面図である。
本実施例の画像記録装置10においては、記録媒体Pを保持手段14で保持して、記録媒体Pを液体吐出ヘッド12と対面して所定の記録位置に位置した状態で、保持手段14を液体吐出ヘッド12のノズル列と直交する方向に移動(走査搬送)することにより、ノズル列によって記録媒体Pの全面を二次元的に走査する。この走査に同期して、液体吐出ヘッド12の各吐出口24から、記録画像に応じて変調してインク液滴Rを吐出することにより、記録媒体Pにオンデマンドで画像を記録する。
また、画像記録時には、インク循環系16によって、液体吐出ヘッド12(後述するインク流路32)を含む所定の循環経路でインクQをインク流方向Dに循環することにより、各吐出口24にインクQを供給する。
図1および図2に示すように、液体吐出ヘッド12は、基本的に、吐出基板19と、支持基板20と、インクガイド(溶液ガイド)22とを有し、吐出基板19の下面と支持基板20の上面とが対向して配置されている。
図2に示すように、液体吐出ヘッド12は、より高解像度で高速な画像記録が可能な好適例として、例えば、格子状に二次元的に配列された吐出口24を有する。
また、本発明は、図1および図2に示すようなラインヘッドに限定はされるものではなく、記録媒体Pをノズル列の長さに対応する所定長ずつ断続的に搬送しつつ、この断続的な搬送に同期して、ノズル列と直交する方向に液体吐出ヘッドを移動して描画を行う、いわゆるシャトルタイプの液体吐出ヘッドであってもよい。
さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、モノクロの画像記録に対応する1種のインクのみを吐出する液体吐出ヘッドであってもよく、カラー画像記録に対応する複数種のインクを吐出する液体吐出ヘッドであってもよい。
シールド電極26は、導電性の金属板などで形成されるものであり、全ての吐出口24に共通のシート状電極である。このシールド電極26は所定電位に保持され(接地による0Vを含む)ている。このようなシールド電極26を設けることにより、互いに隣接する吐出口24(吐出部)の電気力線を遮蔽して、吐出部間における電界干渉を防止して、インク液滴Rを安定して吐出することができる。また、必要に応じて、各シールド電極26の表面を撥インク処理してもよい。
駆動電源50は、例えばパルス電源であって、記録画像(画像データ=吐出信号)に応じて変調したパルス状の駆動電圧を吐出電極30に供給するものである。バイアス電源52は、画像記録中に、所定のバイアス電圧を、常時、吐出電極30に印加する。このようなバイアス電源52(バイアス電圧の印加)を有することにより、駆動電圧の低減を図ることができ、消費電圧の低減および駆動電源の低コスト化を図ることができる。
吐出基板19と支持基板20とは、所定の間隔だけ離間して配置され、その間隙がインクQを各吐出口24に供給するインク流路32となる。
インク流路32は、後述するインク循環系16に接続されており、インク循環系16が所定の経路でインクQを循環することにより、インクQがインク流路32をインク流方向D(図示例では、例えば、右から左)に流れ、各吐出口24にインクQが供給される。
インクガイド22は、インク流路32から吐出口24に供給されたインクQを案内して、メニスカスの形状および大きさを調整してメニスカスを安定させ、かつ、自身に電界(静電力)を集中させてメニスカスに電界を集中させることにより、インク液滴Rを吐出し易くするためのものであり、吐出口24を貫通して吐出基板19の表面から記録媒体P(保持手段14)側に突出するように、各吐出口24に対応して配置されている。
互いに対応する吐出口24、吐出電極30、およびインクガイド22によって、1ドットの液滴吐出に対応する1つの吐出部が形成される。
この先端部42の先端形状は、例えば、平面視、先端46aが略直角の頂部となる略直角三角形状を呈するものである。
先端46aの曲率半径は、平面視および側面視のいずれの方向においても、先鋭化のために小さいことが好ましい。しかしながら、先端46aの曲率半径が小さ過ぎる場合には、メニスカスの位置を高くするために余分な圧力が必要となるため、先端46aの曲率半径には下限がある。このことから、先端46aの曲率は平面視および側面視のいずれの方向においても、先端46aの曲率半径の下限は、好ましくは2μm以上であり、さらに好ましくは6μm以上である。
本実施例のインクガイド22においては、図3(c)に示すように、端部44のエッジ部44bがインク液面からのメニスカスM1のピニング点F(固定位置)となる。このピニング点Fは、端部44の形状で決定されるものであり、一度固定された場合には、動くことがない安定点である。さらに、ピニング点Fは、新しいメニスカスM2を固定するピンニング点としても作用する。これにより、更に高い位置にメニスカスM2が形成される。このようにして、先端部42の先端46aにまでインクQを行き渡らせることができる。また、先端部42の先端46a形状と略相似形のメニスカスM3も形成される。
また、インクガイド22は、例えば、フォトリソグラフィ法などの半導体製造プロセスに用いられる各種製造方法、またはレーザ加工方法を用いることにより作製することができる。
本実施例においては、吐出口24におけるアスペクト比を1以上とすることにより、吐出口24にインクQの供給を容易にすることができる。すなわち、吐出口24へのインクQの粒子供給性を高めることができる。これにより、吐出口24にはインクQが十分かつ円滑に供給されるため、インク液滴Rの吐出周波数応答性が向上し、さらにはインクQの目詰まりの発生が防止される。
インク循環系16は、インクQを貯留するインクタンクおよびインクQを供給するポンプを有するインク供給手段54と、インク供給手段54とインク流路32のインク流入口(インク流路32の図1中の右側端部)とを接続するインク供給流路56と、インク流路32のインク流出口(同左側端部)とインク供給手段54とを接続するインク回収流路58とを有して構成される。また、これ以外にも、インクタンクへのインク補充手段等を有してもよい。
なお、本発明の液体吐出ヘッド12が吐出するインクQとしては、色材を含む帯電粒子を分散媒にしてなるインクQ等、帯電した微粒子を分散媒に分散してなる、静電式のインクジェットに利用される各種のインクQ(溶液)が利用可能であり、詳細については後で説明する。
保持手段14は、液体吐出ヘッド12(吐出基板19)の上面に対面した状態で記録媒体Pを保持するプラテンとしても作用する対向電極60と、対向バイアス電源62と、対向電極60を走査方向に移動することにより、記録媒体Pを走査方向に走査搬送する走査搬送手段(図示省略)とを有して構成される。この走査搬送により、記録媒体Pは、液体吐出ヘッド12の吐出口24(ノズル列)によって、全面を二次元的に走査され、各吐出口24から変調して吐出されたインク液滴Rによって画像を記録される。
また、対向電極60の移動方法にも、特に限定はなく、公知の板状部材の移動方法を利用すれば良い。なお、本発明の液体吐出ヘッド12を利用する記録装置においては、記録媒体Pを固定して、液体吐出ヘッド12を移動(走査)することにより、ノズル列で記録媒体Pを走査するようにしてもよい。
対向バイアス電源62は、吐出電極30(=色材粒子)と逆極性のバイアス電圧を対向電極60に印加するものである。なお、バイアス電源62の他極側は、接地されている。
画像記録時には、インク循環系16によって、インク供給手段54〜インク供給流路56〜液体吐出ヘッド12のインク流路32〜インク回収流路58〜インク供給手段54の経路でインクQが循環される。この循環により、インク流路32をインクQが、例えば、200mm/秒の流速で流れ、これにより各吐出口24にインクQが供給される。
また、画像記録時には、バイアス電源52が吐出電極30に、例えば、100Vのバイアス電圧を印加している。さらに、記録媒体Pは対向電極60に保持され、対向電極60には、対向バイアス電源62が、例えば、−1000Vのバイアス電圧を印加している。従って、吐出電極30と対向電極60(記録媒体P)との間には、1100V分のバイアス電圧が印加され、その分の電界(静電力)が形成されている。
吐出されたインク液滴Rは、吐出された際の勢い、および、対向電極60による引力によって飛翔し、記録媒体Pに着弾して画像を形成する。
従って、この走査搬送に同期して、画像データ(インク液滴Rの吐出信号)に応じて変調して各吐出電極30に駆動電圧を印加(吐出電極30を駆動)することにより、記録する画像に応じて変調してインク液滴Rを吐出して、記録媒体Pの全面にオンデマンドで画像記録を行うことができる。
このため、液体吐出ヘッド12を有する画像記録装置10においては、各吐出口24において、メニスカスが高い位置に保持されるため、先端46aにインクQが十分に供給される。これにより、高速で連続的にインク液滴Rを吐出する場合でも、インクQが十分に供給され、インク液滴Rの吐出周波数応答性を高くすることができる。よって、画像記録を高速で行うことができる。
また、歯部84のエッジ部84aは、例えば、先端部76の肩部76bよりも上側にすることにより、先端部74とエッジ部84aとの距離が短くなり機械的強度も高くなる。
なお、本実施例のインクガイド70は、例えば、全体の高さは580μmであり、全体(支持部72)の幅Wは210μmである。また、1対の斜面76により形成される先端部74の先端角度は90°であり、先端部74の曲率半径はいずれも6μmであり、支持部72の厚さt1は50μmであり、先端部74の厚さt2は13μmである。また、端部80のエッジ部84aと先端部74の先端76aとの間の距離である先端部長さLは50μmである。さらに、歯部84の幅は30μmであり、歯部のエッジ部84aの曲率半径は15μmである。
また、本実施例のインクガイド70は、第1の実施例のインクガイド22と同様の製造方法により作製することができる。
このように、本実施例のインクガイド70は、第1の実施例のインクガイド22よりもメニスカスの位置を更に高く保持することができるとともに、先端部74へのインクQの供給も更に円滑に行われる。
なお、本実施例の液体吐出ヘッド12aおよびこの液体ヘッド12aを有する画像記録装置は、いずれも上述の第1の実施例と同様の効果が得られることはいうまでもない。
さらに、本実施例の液体吐出ヘッド12aを有する画像記録装置においては、メニスカスの形状安定性が更に優れているため、更に高画質の画像記録を行うことができる。また、カラー画像を形成する場合、色ずれが更に抑制された高画質の画像記録を行うことができる。
インクQは、色材粒子をキャリア液に分散することにより得られる。キャリア液は、高い電気抵抗率(109Ω・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不向きである。
なお、このようなキャリア液の固有電気抵抗の上限値は1016Ω・cm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。
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、ペリノン系顔料、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されること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、ベンゾキノン染料、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。
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2,000〜1,000,000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。
荷電制御剤は、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制御剤も利用可能である。
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。
以上のようなインクQを用いることによって、荷電粒子の泳動が起こりやすくなり、濃縮しやすくなる。
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、制御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。
(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。
なお、比較例1(インクガイド100)は、全体の高さが580μmであり、全体の幅が210μmであり、厚さが50μmである。
また、比較例2(インクガイド204)は、全体の高さが580μmであり、全体の幅が210μmであり、厚さが50μmである。また、インク案内溝220の幅が50μmである。
また、インクガイド204(比較例2)は、先端に達するメニスカス高さを得ることができた。しかしながら、インクガイド204(比較例2)は、インクを吐出することができるものの、ドットサイズおよびインク液滴の着弾精度が不十分であった。
12、12a、200 液体吐出ヘッド
14 保持手段
16 インク循環系
18 電圧印加手段
19、206 吐出基板
20、202 支持基板
22、70、204 インクガイド
24、218 吐出口
26 ガード電極
30、208 吐出電極
32、216 インク流路
40、70 支持部
42、72 先端部
44、80 端部
50、214 駆動電源
52、212 バイアス電源
54 インク循環手段
56 インク供給流路
58 インク回収流路
60、210 対向電極
62 対向バイアス電源
82 切欠部
84 歯部
F ピニング点
Claims (8)
- 帯電粒子が分散された溶液に静電力を作用させて、前記溶液の液滴を吐出させる液体吐出ヘッドであって、
前記液滴を吐出する複数の貫通孔が形成された絶縁性の吐出基板と、
前記貫通孔の個々に対応して配置される、前記溶液に静電力を作用させる吐出電極と、
前記貫通孔を通過して前記吐出基板の液滴吐出側に突出する溶液ガイドとを有し、
前記溶液ガイドは、平板状の支持部と、前記支持部の端部における厚さ方向の所定の位置に段差を付けて延設され、前記支持部の厚さよりも薄い平板状の先端部とを備え、
前記溶液ガイドは、前記先端部が前記液滴吐出側に向けて配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記溶液ガイドは、前記先端部が前記液滴吐出側に向かって次第に細くなる先端形状を有し、
前記先端部が接続されて生じた前記段差における前記支持部の端部は、前記先端形状と略相似形状に形成されている請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記溶液ガイドは、前記先端部が前記液滴吐出側に向かって次第に細くなる先端形状を有し、
前記先端部が接続されて生じた前記段差における前記支持部の端部は、前記液滴吐出方向に伸びる切欠部が少なくとも1つ形成され、少なくとも1つの歯部を有する櫛歯状に成形されている請求項1に記載の液体吐出ヘッド。 - 前記櫛歯状に成形された前記支持部の端部は、少なくとも1つの歯部が前記支持部の端部よりも前記溶液吐出側に突出している請求項3に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記溶液ガイドは、前記先端部の先端の曲率半径が2μm以上である請求項1〜4のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記溶液ガイドは、前記支持部の厚さと前記先端部の厚さとの差が20μm以上である請求項1〜5のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記先端部が、前記段差が前記先端部の片面側だけに生じるように前記支持部に延設されている請求項1〜6のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1〜7のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドを有し、画像データに応じた画像を記録媒体上に記録することを特徴とする画像記録装置。
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