JP2834102B2

JP2834102B2 - 静電式インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JP2834102B2
Application number: JP31043896A
Authority: JP
Inventors: 淳一末次; 和男島; 忠志溝口; 仁史峯本; 人司竹本; 良広萩原; 徹薬師寺
Original assignee: Niigata Fuji Xerox Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Niigata Fuji Xerox Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1996-11-21
Filing date: 1996-11-21
Publication date: 1998-12-09
Anticipated expiration: 2016-11-21
Also published as: JPH10151749A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は静電式インクジェッ
ト記録ヘッドに関し、特にトナー粒子を記録媒体に付着
させ記録を行う静電式インクジェット記録ヘッドに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】ノンインパクト記録法は、記録時におけ
る騒音の発生が無視し得る程度に極めて小さいという点
において、最近関心を集めている。その中で、簡単な機
構で記録媒体上に直接高速で記録が可能であり、しかも
普通紙に記録の行えるインクジェット記録法は極めて有
力な記録法であって、これまでにも様々な方式が提案さ
れている。

【０００３】その中に、記録紙背面に設けた対向電極
と、これに対向した針状電極間に電圧を印加し、発生し
た電界の静電力によりインク等の色材を飛翔せしめ、記
録を行う方法がある。

【０００４】図１０は、例えば特願平０７−１２０２５
２号明細書に示される、この従来のインクジェット記録
ヘッドの一例を示す斜視図であり、図１１は、このイン
クジェット記録ヘッドのヘッド先端部の平面図およびＡ
−Ａ断面図である。

【０００５】図１０および図１１を参照して、この従来
のインクジェット記録ヘッドを説明する。基板２１はガ
ラス等の絶縁体で、その表面には、複数の記録電極２２
が形成されている。記録電極２２は基板全面にスパッタ
したクロム等の導電性材料をフォトリソグラフィでパタ
ーニングしたもので、例えば３００ｄｐｉ(dot per inc
h)ピッチ、すなわち約８５μm間隔で配置されている。
記録電極２２は、不図示のドライバに接続されており、
記録時には記録電極２２に選択的に高電圧パルスを印加
することが出来る。

【０００６】メニスカス形成部材２３は基板２１上にラ
ミネートした感光性高分子フィルムをフォトリソグラフ
ィで加工したもので、記録電極２２の先端部よりやや後
退した位置に、各記録電極２２に重なるように形成され
ている。感光性高分子フィルムの厚みは３０μmで、メ
ニスカス形成部材２３の幅も約３０μmである。メニス
カス形成部材２３の上には、メニスカス形成部材２３先
端部よりさらに後退した位置に、アッパーカバー２４が
取り付けられている。アッパーカバー２４は、絶縁性部
材で、あらかじめインク供給口２５およびインク排出口
２６が加工されている。

【０００７】基板２１とアッパーカバー２４とがスリッ
ト状のインク噴射口２７を形成し、インク噴射口２７の
外部には記録電極２２上に乗ったメニスカス形成部材２
３が突き出ている。メニスカス形成部材２３は、アッパ
ーカバー２４を支持する目的も兼ねるため、一部アッパ
ーカバー２４の下にも続いている。また、メニスカス形
成部材２３を形成する際に、同時にヘッド側部および後
端部にも連続した壁面を形成し、基板２１、アッパーカ
バー２４とともにインク室を構成している構造となって
いる。

【０００８】さらに、インク中のトナー粒子を濃縮しイ
ンク流路を通してインク噴射口２７近傍に供給するため
に、インク流路の後方に泳動電極３０が配設されてい
る。泳動電極３０と記録紙背面に設けた不図示の対向電
極との間の電界によりインク中のトナー粒子は電気泳動
力により移動しインク噴射口２７近傍に集中する。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上述した従来
の静電式インクジェット記録ヘッドにおける第１の問題
点は、安定したトナー粒子の吐出が行えないということ
である。その理由は、泳動電極３０と記録紙背面に設け
た対向電極との間の電界により、インク中のトナー粒子
は電気泳動力により移動しインク噴射口２７近傍に常に
泳動してくるので、記録電極２２周囲には、インク噴射
口２７から噴射しなかったトナーが供給過剰となり、余
剰のトナー粒子の行き場が無くなり、安定したトナー粒
子の供給が行えないからである。即ち、記録電極２２駆
動の過去の履歴に依存する形でインク噴射口２７のトナ
ー粒子の濃度が変化するからである。

【００１０】第２の問題点は、吐出ポイントからのみの
安定した吐出が行えないということである。その理由
は、吐出ポイントを形成しているメニスカス形成部材２
３が、基板２１上に形成され且つ基板２１端部から奥に
オフセットした状態で形成されているため、何らかの原
因でメニスカスがメニスカス形成部材２３からあふれだ
し基板２１端部に達することが可能となるからである。
その状態で、記録電極２２に駆動パルスを印加すると基
板２１の端部の任意の所からトナー粒子の飛翔が起こる
からである。

【００１１】本発明の目的は、このような点に鑑みなさ
れたもので、静電界でインク中のトナー粒子のみを吐出
させる静電式インクジェット記録ヘッドに於いて、トナ
ー粒子を含むインクを供給および排出するためのインク
流路溝を略直角に複数個構成して、そのそれぞれの角部
近傍に記録電極を配設しその角部を吐出ポイントとする
ことにより、記録電極の過去の履歴にとらわれず常に新
鮮なインクを吐出ポイントに供給することが可能とな
り、その結果、信頼性のある低コストなマルチエレメン
トヘッドを供給することにある。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の静電式インクジ
ェット記録ヘッドは、絶縁性を有する直方体形状の基材
と、前記基材の略直角を成す２面により形成される稜線
に垂直であり前記２面内に形成される複数の流路溝と、
トナー粒子を含むインクの流入側で一方の前記面の前記
流路溝底面に形成された泳動電極と、前記インクの流出
側でもう一方の前記面の前記流路溝を形成する流路壁上
面に形成され且つその表面を絶縁性部材でコーティング
された記録電極と、前記流路溝に流れる前記トナー粒子
を含む前記インクを含み前記基材の前記２面に構成され
た前記流路溝の上面にそれぞれ形成されたアッパカバー
とロアカバーとから成るインク室とを備える。

【００１３】また、本発明の静電式インクジェット記録
ヘッドは、深さが前記稜線に近づくにつれて深くなるよ
うに形成された前記流路溝を備える。

【００１４】さらに、本発明の静電式インクジェット記
録ヘッドは、前記流路溝に沿って複数の長さを持ち電気
的に長さを可変に出来る前記流路溝の一方の溝の底面に
形成された前記泳動電極を備える。

【００１５】さらに、本発明の静電式インクジェット記
録ヘッドは、絶縁性を有する直方体形状の基材と、前記
基材の略直角を成す２面により形成される稜線に平行で
前記２面と略４５度の角度を成す面を底部として形成さ
れた複数の流路溝と、トナー粒子を含むインクの流入側
で一方の前記面上に形成された泳動電極と、前記インク
の流出側でもう一方の前記面上に形成され且つその表面
を絶縁性部材でコーティングされた記録電極と、前記流
路溝に流れる前記トナー粒子を含む前記インクを含み前
記基材の２面に構成された前記流路溝の上面にそれぞれ
形成されたアッパカバーとロアカバーとから成るインク
室とを備える。

【００１６】さらに、本発明の静電式インクジェット記
録ヘッドは、それぞれダイシングプロセスにより形成す
ることを特徴とする前記流路溝を備える。

【００１７】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施の形態の静電式
インクジェット記録ヘッドの斜視図である。図２は基板
１の先端部（図１中のＡ部）詳細図である。図１および
図２を参照すると、この実施の形態の静電式インクジェ
ット記録ヘッドにおいて、基板１はセラミック、ガラス
等の絶縁体で、略直角に構成された角部が最も突き出る
ような構成に保持され吐出ポイント１３を構成してい
る。そして基板１の最も突き出た角部を稜線とする２面
には、複数のインク流路溝７が形成されている。インク
流路溝７は、例えば３００ｄｐｉピッチ、即ち８５μm
間隔で溝を形成している。インク流路溝７の深さは１０
０μm程度、幅は６５μm程度有り、さらにインク流路溝
７をそれぞれ分けている流路壁１０はその幅が２０μm
程度で、その２０μmの突出部が吐出ポイント１３とな
っている。

【００１９】インク流路溝７を形成する一方の溝の中に
は、インクと接する泳動電極１１がパターンニングされ
ている。泳動電極１１は銅等の導電性材料を２０〜３０
μmの厚さにパターンメッキしたものである。インク流
路溝７を形成したもう一方の面の凸部即ち、流路壁１０
の凸部平面部には、記録電極２が吐出ポイント１３の先
端部近傍までパターンニングされている。インク流路溝
７が例えば３００ｄｐｉで形成されているので、記録電
極２も例えば３００ｄｐｉピッチ、すなわち約８５μm
間隔で配置されていることとなる。さらに、記録電極２
は、その先端部表面が絶縁性コーティング部材１２によ
り厚み１０μm以下で均一に覆われている。この実施の
形態の記録ヘッドでは、快削性セラミック部材を基板１
として用いてダイシングにより２面に溝を形成している
が、アルミナ等を用いて型で一括形成してもかまわな
い。さらに、絶縁性コーティング部材１２はパリレン樹
脂の化学蒸着にて形成している。

【００２０】アッパカバー４およびロアカバー３は、基
板１をインク流路溝７が形成された面を上下から挟み込
む様に、さらに記録電極２の形成された吐出ポイント１
３を覆わない位置に取り付けられている。アッパカバー
４は絶縁性部材で、あらかじめインク供給口５が加工さ
れている。アッパカバー４の中の空間がインク室を構成
しており、インクがインク供給口５より充填され内部が
満たされている。ロアカバー３もまた絶縁性部材で、あ
らかじめインク排出口６が加工されている。ロアカバー
３の内部の空間もインク室を構成しており、インクはア
ッパカバー４側のインク室からインク流路溝７を通り吐
出ポイント１３を経由して余剰のトナー粒子と共に強制
的にインク排出口６から排出される。

【００２１】この実施の形態の静電式インクジェット記
録ヘッドは、図示しないインクタンクとチューブにより
接続されており、１ｃｍＨ₂Ｏ程度の負圧を付与すると
ともに、強制的にインクが循環されている。インクは、
石油系有機溶媒（イソパラフィン）或いはシリコンオイ
ルに、帯電制御剤とともに着色した熱可塑性樹脂の微粒
子いわゆるトナーを分散したもので、トナーはゼータ電
位により正極性に見かけの帯電をしている。

【００２２】インク流路溝７の中に形成された泳動電極
１１は、トナー電位と同極性の電圧が印可され、インク
供給口５から供給されたインク中のトナー粒子を、泳動
電極１１と不図示の対向電極との電界により記録電極２
近傍に電気泳動現象により搬送する。このため、ポンプ
による強制的なインク循環による吐出ポイント１３近傍
へのトナー粒子の供給に加えて、トナー粒子の電気泳動
による移動により、吐出ポイント１３近傍は、トナー粒
子濃度がインク室上流に比べ相対的に高くなる。

【００２３】図３（ａ）および（ｂ）は、この実施の形
態のヘッドのインクが供給された状態での吐出ポイント
１３付近の上面（図１矢視Ｂ）および正面（図１矢視
Ｃ）から見た拡大図である。図３（ａ）および（ｂ）を
参照すると、インクは、その表面張力により、吐出ポイ
ント１３を終端としたインクメニスカス８をインク流路
溝７内に形成する。吐出ポイント１３は、インク流路溝
７でそれぞれ分離されているので、インクメニスカス８
は、上面から見ると図３（ａ）矢視Ｂに示されるように
各記録電極２に対応して個別にインクメニスカスが形成
されることとなる。

【００２４】このため、任意の記録電極２に高電圧パル
スを印加した際、その記録電極２がある吐出ポイント１
３の突き出したインクメニスカス先端部に電界が集中さ
れる。インク中の帯電したトナーは、不図示の対向電極
と記録電極２との間で発生するこの電界に導かれて、突
き出したインクメニスカス先端部から引き出され、トナ
ー群９となって、記録ヘッドに対向し、不図示の対向電
極、すなわち不図示の記録媒体方向に飛翔する。記録媒
体上に付着し、記録ドットを形成したトナーは、ヒータ
ーにより加熱され、定着される。

【００２５】図４は、この実施の形態の静電式インクジ
ェット記録ヘッドのヘッド先端部の断面図である。図４
を参照すると、インク供給口５から供給されたインク
は、個別のインク流路溝７をインク供給流速Ｖｉを持っ
て吐出ポイント１３が形成される角部に流れる。その途
中には、泳動電極１１がインク流路溝７の底面に形成さ
れているので、泳動電極１１と不図示の対向電極との電
位差により、インク中のトナー粒子は徐々にその自由表
面上に集中され、吐出ポイント１３から不図示の対向電
極に向けて吐出する。吐出ポイント１３から吐出されず
残ったトナー粒子はインク排出流速Ｖｏでインク流路溝
７を流れていく。

【００２６】図５は、この実施の形態の静電式インクジ
ェット記録ヘッドのヘッド製造プロセスの一例を示す製
造プロセス概略図である。図５に従い記録ヘッドの製造
方法の一例について概略説明する。直方体をした基板１
の一面にＣｕ、Ｎｉ等の導体層１４をメッキ或いはスパ
ッタ等にて形成する（図５（ａ））。その後、導体層１
４を形成した面とその面と直角な一面をダイシングブレ
ード１５によりそれぞれ所要の解像度で溝を形成する
（図５（ｂ））。この実施の形態の記録ヘッドに於いて
は、溝幅６５μm、深さ１００μm程度である。その後、
基板１全体を絶縁性コーティングするために、絶縁性コ
ーティング部材１２を化学蒸着させる（図５（ｃ））。
さらに、導体層１４が形成されていない一面を研磨し
て、絶縁性コーティング部材１２を剥離する。その剥離
した面のインク流路溝７の底面にＣｕ、Ｎｉ等の導体層
をスパッタ等で形成する（図５（ｄ））。絶縁性コーテ
ィング部材１２のコーティング時に基板１全体をコーテ
ィングする代わりに必要な面、即ち記録電極２が形成さ
れた面以外をマスキングしてコーティングしてもかまわ
ない。基板１にインク流路溝７、記録電極２、および泳
動電極１１が形成された後、記録電極２の吐出ポイント
１３と反対側を外部との接続用電極パッド部１８を有す
るプリント基板１７にワイヤーボンディング１６により
接続する（図５（ｅ））。その後、基板１を囲むように
ロアカバー３とアッパカバー４とを形成する（図５
（ｆ））。

【００２７】図６は、本発明の第２の実施の形態の静電
式インクジェット記録ヘッドのヘッド先端部の断面図で
ある。図６を参照すると、この実施の形態では、前述の
実施の形態の構成に於いて、インク流路溝７の形状以外
は同一構成である。前述の構成と異なり、インク流路溝
７は、吐出ポイント１３に近づくに従いその流路深さが
深くなった構造となっている。そのため、ベルヌーイの
定理より、吐出近傍インク流速Ｖ２は、吐出遠方インク
流速Ｖ１より流路断面積が増えた分、遅くなっている。
即ち、Ｖ１＞Ｖ２の関係となっている。吐出近傍インク
流速Ｖ２が遅いので吐出ポイント１３近傍での急激な速
度ベクトルの変化によっても流れのロスが少なくなる構
造となっている。また、吐出近傍インク流速Ｖ２が遅い
ので吐出ポイント１３から吐出する際の吐出エネルギー
も少なくて済む。さらに、吐出近傍のインク量を増加さ
せることが可能であるため、より多くのトナー粒子を吐
出ポイント１３から吐出させることが可能となる構造と
なっている。

【００２８】図７は、本発明の第３の実施の形態の静電
式インクジェット記録ヘッドのヘッド先端部の側面図
（図７（ａ））および断面図（図７（ｂ））である。図
７を参照すると、この実施の形態は、前述の第１の実施
の形態の構成に於いて、泳動電極１１以外は同一構成で
ある。第１の実施の形態の構成と異なり、泳動電極１１
は、泳動電極１１ａと１１ｂとから構成されており、そ
れぞれスイッチ２０を経由して泳動電圧源１９に接続さ
れている。このため、スイッチ２０が泳動電極１１ａ側
にある場合には、泳動電極１１ａがインクと接液してい
る距離が相対的に短い。そのため、インク中のトナー粒
子の集中が相対的に少なくなる。逆に、スイッチ１９が
泳動電極１１ｂ側にある場合には、泳動電極１１ｂがイ
ンクと接液している距離が相対的に長く、吐出ポイント
１３の近傍まであるので、インク中のトナー粒子を吐出
ポイント１３近傍にて相対的に多く集中させることが可
能となる。このため、２値の濃度変調が可能となる。

【００２９】図８は、本発明の第４の実施の形態の断面
図である。図９は、図８の実施の形態のヘッドを製造す
るプロセスの概念図である。この実施の形態では、上述
の実施の形態の構成に於いて、インク流路溝７、アッパ
カバー４、およびロアカバー３以外は同一構成である。
前述の構成と異なり、インク流路溝７は、基板１の２面
に形成される代わりに吐出ポイント１３となる角部に約
４５度の角度で一度にダイシングされた構造になってい
る。そして、アッパカバー４およびロアカバー３は、そ
れぞれダイシングして形成された個別のインク流路溝７
にその一部がかかるような位置に配設された構造となっ
ている。この構造とすることにより、ダイシングによる
溝形成が一度で済むこととなり、低コスト化がはかられ
る。さらに、インク流路溝７が相対的に短いので、イン
ク流路溝７内でのトナー粒子の凝集等による目詰まりが
防止される。

【００３０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の効
果は、安定したトナー粒子の吐出が行えるということで
ある。その理由は、吐出ポイント１３を明確に分離した
構造とし、その吐出ポイント１３の上流および下流にイ
ンク流路溝７を各吐出ポイント１３毎に形成したので、
安定したトナー供給および排出が行えるためである。即
ち、記録電極駆動の過去の履歴に依存しない形で吐出ポ
イント１３近傍のトナー粒子の濃度を高濃度で一定に保
つことが出来るためである。

【００３１】第２の効果は、吐出ポイントからのみの安
定した吐出が行えるということである。その理由は、吐
出ポイント１３を形成しているダイシングにより形成さ
れた凸部がそれぞれ独立に存在し、その吐出ポイント１
３を囲むように、メニスカスがインク流路溝７に形成さ
れ、且つ吐出ポイント１３が不図示の対向電極に対して
最も近接した構造となっているため、吐出ポイント１３
のインク先端部が最大電界強度となる構造であるためで
ある。

【００３２】第３の効果は、駆動周波数を上げられると
いうことである。その理由は、インクの吐出を、エネル
ギの電気−熱変換による所のインクの気泡発生による圧
力によって得ているのではなく、帯電したトナー粒子の
静電気力による吸引により吐出させている、即ちエネル
ギの電気ー機械変換によるので、気泡発生等がなく、高
速な駆動が可能となるからである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態の静電式インクジェ
ット記録ヘッドの斜視図である。

【図２】第１の実施の形態における基板の先端部（図１
中のＡ部）詳細図である。

【図３】第１の実施の形態のヘッドのインクが供給され
た状態での吐出ポイント付近の上面（図１矢視Ｂ）およ
び正面（図１矢視Ｃ）から見た拡大図である。

【図４】第１の実施の形態の静電式インクジェット記録
ヘッドのヘッド先端部の断面図である。

【図５】第１の実施の形態の静電式インクジェット記録
ヘッドのヘッド製造プロセスの一例を示す製造プロセス
概略図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態の静電式インクジェ
ット記録ヘッドのヘッド先端部の断面図である。

【図７】本発明の第３の実施の形態の静電式インクジェ
ット記録ヘッドのヘッド先端部の側面図（図７（ａ））
および断面図（図７（ｂ））である。

【図８】本発明の第４の実施の形態の断面図である。

【図９】第４の実施の形態のヘッドを製造するプロセス
の概念図である。

【図１０】従来の静電式インクジェット記録ヘッドの斜
視図である。

【図１１】従来の静電式インクジェット記録ヘッドのヘ
ッド先端部の平面図および断面図である。

【符号の説明】

１基板２記録電極３ロアカバー４アッパカバー５インク供給口６インク排出口７インク流路溝８インクメニスカス９トナー群１０流路壁１１，１１ａ，１１ｂ泳動電極１２絶縁性コーティング部材１３吐出ポイント１４導体層１５ダイシングブレード１６ワイヤーボンディング１７プリント基板１８電極パッド部１９泳動電圧源２０スイッチＶｉインク供給流速Ｖｏインク排出流速Ｖ１吐出遠方インク流速Ｖ２吐出近傍インク流速

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者峯本仁史新潟県柏崎市大字安田7546番地新潟日本電気株式会社内 (72)発明者竹本人司新潟県柏崎市大字安田7546番地新潟日本電気株式会社内 (72)発明者萩原良広新潟県柏崎市大字安田7546番地新潟日本電気株式会社内 (72)発明者薬師寺徹新潟県柏崎市大字安田7546番地新潟日本電気株式会社内 (56)参考文献特開平10−67108（ＪＰ，Ａ) 特開平10−67109（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) B41J 2/06

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】絶縁性を有する直方体形状の基材と、前
記基材の略直角を成す２面により形成される稜線に垂直
であり前記２面内に形成される複数の流路溝と、トナー
粒子を含むインクの流入側で一方の前記面の前記流路溝
底面に形成された泳動電極と、前記インクの流出側でも
う一方の前記面の前記流路溝を形成する流路壁上面に形
成され且つその表面を絶縁性部材でコーティングされた
記録電極と、前記流路溝に流れる前記トナー粒子を含む
前記インクを含み前記基材の前記２面に構成された前記
流路溝の上面にそれぞれ形成されたアッパカバーとロア
カバーとから成るインク室とを備えることを特徴とする
静電式インクジェット記録ヘッド。
【請求項２】深さが前記稜線に近づくにつれて深くな
るように形成された前記流路溝を備えることを特徴とす
る請求項１記載の静電式インクジェット記録ヘッド。
【請求項３】前記流路溝に沿って複数の長さを持ち電
気的に長さを可変に出来る前記流路溝の一方の溝の底面
に形成された前記泳動電極を備えることを特徴とする請
求項１または２記載の静電式インクジェット記録ヘッ
ド。
【請求項４】絶縁性を有する直方体形状の基材と、前
記基材の略直角を成す２面により形成される稜線に平行
で前記２面と略４５度の角度を成す面を底部として形成
された複数の流路溝と、トナー粒子を含むインクの流入
側で一方の前記面上に形成された泳動電極と、前記イン
クの流出側でもう一方の前記面上に形成され且つその表
面を絶縁性部材でコーティングされた記録電極と、前記
流路溝に流れる前記トナー粒子を含む前記インクを含み
前記基材の２面に構成された前記流路溝の上面にそれぞ
れ形成されたアッパカバーとロアカバーとから成るイン
ク室とを備えることを特徴とする静電式インクジェット
記録ヘッド。
【請求項５】それぞれダイシングプロセスにより形成
することを特徴とする前記流路溝を備えることを特徴と
する請求項１，２または４記載の静電式インクジェット
記録ヘッド。