JP3578097B2 - 荷電偏向装置およびそれを用いたインクジェットプリンタ - Google Patents

Description

【産業上の利用分野】
本発明はインクジェット記録装置に関し、特に高品位な画像を高信頼で記録可能な高速インクジェットプリンタに関する。
【従来の技術】
連続記録用紙に高速印刷する高速インクジェットプリンタとして、ライン走査型インクジェットプリンタが提案されている。この装置では、インク粒子吐出用のノズル孔を列状に配置した長尺インクジェット記録ヘッドを、連続記録用紙の幅方向に、幅いっぱいに記録用紙面に対向して配置し、前記ノズル孔から吐出するインク粒子の記録用紙面への着弾を記録信号に応じて選択的に制御し、同時に記録用紙を連続記録用紙の長手方向に高速移動させて主走査する。この主走査とインク粒子の記録用紙への着弾制御で走査線への記録ドット形成の制御を行い記録画像を記録用紙上に得る。
上述したライン走査型インクジェットプリンタとしては、記録ヘッドにコンティニュアスインクジェット方式の記録ヘッドを使用する装置や、オンデマンドインクジェット方式の記録ヘッドを使用する装置が多く提案されている。このうちオンデマンドインクジェット方式のライン走査型インクジェットプリンタはコンティニュアスインクジェット方式の装置に比べて記録速度では及ばないが、インクシステムが非常に簡単である等のため、普及型の高速プリンタを提供するのに適している。
オンデマンドインクジェット方式のライン走査型インクジェットプリンタ用の記録ヘッドは、ノズル孔を開口とするインク室中のインクに、圧電素子や発熱素子への駆動電圧を印加することにより圧力を加え、インク粒子を吐出するように構成されたノズルを、列状に多数配置したライン型記録ヘッドである。本発明者らは、このライン型記録ヘッドのノズル列に沿い、ノズル孔に対向させて荷電偏向電極を設置し、吐出したインク粒子を偏向し、記録用紙上の各画素位置に隣接ノズルから吐出された複数のインク粒子が多重に配置出来るようにして、ノズル故障による記録欠陥を防止し、記録の信頼性を飛躍的に向上させ、また記録ムラを改善することが可能な、インク粒子偏向型オンデマンドインクジェットプリンタを提案した（特願平11−372265号）。
一方、プリンタの荷電偏向電極としては、例えば特開平８−３３２７２４号公報で開示されているようなノズル孔に近接する位置に設置した電気的に絶縁され、偏向信号電圧が印加されるようになった偏向電極が原理的に適用できる。また偏向電極をノズル孔の近傍には設置せずに、記録用紙背面に設置する構造も開示されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような従来の構造の電極では、偏向電極の動作信頼性が充分でなかったり、大きな偏向能力を得ることが困難であった。すなわち、ノズル孔に近接する位置に電気的に絶縁して設置するタイプの偏向電極では、電気的絶縁部がインクに濡れて偏向電界が不安定になったり、絶縁の劣化で偏向電圧が印加出来なくなり所望の通りに偏向できなくなることがあった。
一方、記録用紙背面に設置するタイプの従来電極では、電極の設置位置がノズル孔から遠くなるため、インク粒子の飛行の初期段階で充分な偏向電場を作用させることが出来ないため、大きな偏向量が得にくいという問題があった。
そこで、本発明はインクの濡れ、絶縁不良の問題に強く、高信頼で、かつインク粒子の飛行の初期段階から充分な偏向電場を作用させることが出来、偏向能力に優れた偏向電極を含む荷電偏向装置、特にインク粒子偏向型オンデマンドインクジェットプリンタに好適な荷電偏向装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明においては、ノズル孔から吐出したインクがインク粒子として分離する近傍に設置された、ノズル孔中のインクと同電位の導電体と、記録用紙の背面に設けられた電極との間へ電圧を印加することによって、前記インク粒子の吐出方向と垂直な方向に前記インク粒子に偏向力を与えるような傾斜偏向電場を形成せしめる荷電偏向装置を構成した。
ここで、導電体は凸部形状であって、前記インク粒子の偏向方向の片側配置されているとよい。なお、導電体は、ノズル孔を形成するオリフィス板と該オリフィス板上に位置した凸状の導電板より構成しても、あるいは導電体をノズル孔を形成するオリフィス板とし、記録用紙の背面に設けられた電極板に対して傾けて配置してもよい。このようにすることで構成をシンプルにできる。
荷電偏向装置は、導電体の電位を接地電位とし、記録用紙の背面に設けられた電極と前記導電体の間に荷電偏向電圧を印加することにより、吐出されるインク粒子を荷電する電位部と、荷電されたインク粒子を偏向する電位部を形成し、前記荷電する電位部の電位及びインク粒子の偏向量を制御することが可能となる。これにより、インクの濡れ、絶縁不良の問題に強くて高信頼で、且つインク粒子の飛行の初期段階から充分な偏向電場を作用させることが出来て偏向能力に優れた偏向電極を含む荷電偏向装置を提供することができる。
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一例を図を参考にしながら説明する。
図１は、本発明による荷電偏向装置を備えたインク粒子偏向型オンデマンド方式のライン型インクジェットプリンタの構成を示す概略図である。図２は記録ヘッドモジュール10単体をノズル孔側から見た斜視拡大図である。
本例による荷電偏向装置は、記録ヘッドモジュール10の各々に取り付けられた傾斜電界発生用オリフィス電極11と、記録ヘッドモジュール10を複数個搭載した記録ヘッドモジュールマウンタ20に対向し、記録用紙60の背面に設置した用紙背面電極30と、該用紙背面電極30に荷電偏向信号を供給する荷電偏向制御信号発生回路40を備える。この荷電偏向装置により、記録ヘッドモジュール10のノズル孔12から記録信号入力データに応じて吐出したインク粒子が荷電偏向され、矢印Ａの方向に移動する記録用紙60上に着弾し、記録ドット70から構成される所望の記録を行うことができる。
前記記録ヘッドモジュール10はオンデマンドインクジェット方式のリニアー記録ヘッドモジュールであり、ｎ個のノズル素子から構成され、各ノズル素子は、図２の金属等導電部材のオリフィス板13に所定ピッチで列状に配置したｎ個のノズル孔12を開口としている。図には記載されていないが、各ノズル素子はノズル孔12を開口端とするインク加圧室、このインク加圧室にインクを導くインク流入孔、このインク流入孔にインクを供給するマニホールドを備える。また、インク加圧室には該インク加圧室の体積を記録信号に応じて変化させる圧電素子等のアクチュエータが取り付けられている。各ノズルの構造は同一構造である。各ノズル素子の圧電素子55にはインク粒子吐出制御信号作成装置50からの駆動信号が供給されるようになっており、記録信号に応じて各ノズル孔12からインク粒子が吐出される。例えば、約30μｍのノズル孔から10ng程度のインク粒子が5ｍ/sで記録紙に向けて吐出される。
インク粒子吐出制御信号作成装置50は記録信号入力データに応じて、タイミング信号発生回路52からのタイミングをもとに記録制御信号を作成する記録信号作成回路51と、この制御信号を受けて、記録ヘッドモジュール10の各ノズル素子を駆動するするための駆動用パルス信号を発生するPZT（圧電素子）駆動パルス作成回路53、駆動用パルス信号を圧電駆動するのに好適な電力に増幅するPZT（圧電素子）ドライバ回路54からなる。
傾斜電界発生用オリフィス電極11は、例えば0.5mm厚さ程度の導電性を有する金属製等の板であり、この板が図２のようにオリフィス板13の上面にノズル孔列に沿って、約300μｍ離して取り付けてある。そして、この電極11はオリフィス板13、ノズル内インクとともに接地されている。
用紙背面電極30は金属等の導電性部材で形成された平板であり、各記録ヘッドモジュール10のオリフィス板13に対向し、オリフィス面から約1.5mm離れた位置に、オリフィス面と平行に設置される。そしてこの電極30には荷電偏向制御信号発生回路40からの荷電偏向信号が印加される。
荷電偏向制御信号発生回路40はタイミング信号発生回路52からのタイミングと記録信号作成回路51からの制御信号をもとに所定の荷電偏向信号を発生する荷電偏向信号作成回路41と、これからの信号を所定電圧に増幅する背面電極ドライバ回路42よりなる。
図３、図４及び図５は、本発明による荷電偏向装置の動作原理を説明するための図である。以下これらの図を参照しながら動作を説明する。
傾斜電界発生用オリフィス電極11とオリフィス板13は導体で、接地されており、用紙背面電極30には荷電偏向制御信号発生回路40からの荷電信号電圧が印加されているので、これら電極間には電界が形成される。図４は図３のような動作条件の場合における、傾斜電界発生用オリフィス電極11付きのオリフィス板13と、用紙背面電極30の間の等電位面80を示したものである。この例から分かるように、電界が作用しないときのノズル孔から吐出したインク粒子の飛行軌道、すなわち非偏向インク粒子飛行軌道90の近辺では電界の方向が傾斜しており傾斜電界85を形成している。
従って、図３で、インク粒子吐出制御信号作成装置50からのPZT駆動パルスの圧電素子55への印加で、ノズル孔から吐出したインク粒子14を荷電偏向制御信号発生回路40で荷電すれば、帯電インク粒子は傾斜電界85で、非偏向インク粒子飛行軌道90と垂直な方向、すなわちインクの吐出方向と垂直な方向に偏向されることになる。つまり、図４において、α地点での傾斜電界85αは非偏向インク粒子飛行軌道80と垂直な方向の電界成分85αxにより偏向される。なお、図４から分かるように、このような電極配置における傾斜電界85の方向は、インク粒子の飛行初期段階α地点においての傾斜電界85αの方が、飛行終盤段階β地点における傾斜電界85βよりも非偏向インク粒子飛行軌道80に対し直交の度合いが大きくなり、インク粒子を偏向させる電界成分85αxの方が85βxより大きく設定できている。このことにより、インク粒子14に飛行初期段階から大きな偏向力を作用させることができる。このため、インク粒子の飛行時間経過に伴い、大きな偏向量を得ることが可能である。
図５は単一のノズル孔12から吐出させたインク粒子14を偏向制御して、（ａ）のような記録パターンを得る場合の記録動作を説明する図である。（ｂ）はインク粒子を吐出制御するためのインク粒子吐出制御信号作成装置50からのPZT駆動パルス信号であり、（ｃ）は荷電偏向制御信号発生回路40からの荷電偏向制御信号である。
今（ｂ）波形においてｂ１のパルスが印加されると、このタイミングから少し遅れてインク粒子がノズル孔から吐出される。このとき、（ｃ）波形において、ｃ１が印加されている。すなわち背面電極は０Ｖである。よってｂ１で吐出したインク粒子は荷電されない。従って、（ｃ）はこの粒子が記録紙に向かって飛行中に−１ｋｖとなり、傾斜電界による偏向電界中を飛行するが、偏向されずに直進して（ａ）においてａ１の記録ドットを形成する。
次に、時間Ｔ経過後の時刻Ｔ２では、（ｂ）のｂ２のパルスが印加されると、このタイミングから少し遅れてインク粒子がノズル孔から吐出されるが、この時、（ｃ）波形の電位は−１ｋＶであり、この電圧が背面電極に印加されている。従って、ｂ１で吐出したインク粒子は正極性の所定電荷量に荷電される。この帯電粒子は、その後の（ｃ）波形の−１ｋＶにより形成されている傾斜電界により、記録紙に向かって飛行する間に偏向力を受け、矢印Ａの方向に一定速度で移動する記録用紙上に（ａ）でのａ２の記録ドットを形成する。
次の時間Ｔ経過後の時刻Ｔ３では、（ｂ）のようにパルスが印加されないのでインク粒子は吐出されず、（ａ）のａ３の位置には記録ドットは形成されない。
次の時間Ｔ経過後の時刻Ｔ４、Ｔ５でもインク粒子は吐出されず、(ａ）のａ４及びａ５の位置にも記録ドットは形成されない。
時刻Ｔ６では、ａ２の位置に記録ドットを形成した時と同様に、ｂ６で発生したインク粒子は−１ｋＶで正に荷電され、傾斜電界で偏向され、ａ６の位置に記録ドットを形成する。以上の記録動作を繰り返すことにより、記録用紙上に（ａ）のように所望の記録を得ることができる。
以上ではインク粒子を正極性に荷電して、図３の正帯電偏向インク粒子飛行軌道91のように偏向する場合の例について述べたが、（ｄ）のように−１ｋＶと＋１ｋＶの間で変化する荷電偏向電圧を背面電極30に印加することにより、負帯電偏向インク粒子飛行軌道92（図３参照）のようにも偏向し、非偏向インク粒子飛行軌道90の両側に偏向出来るようになる。これは、ｄ１の＋１ｋＶ印加時に吐出したインク粒子は負極性に帯電するからである。
また（ｅ）は＋１ｋＶの電位と、−１ｋＶの電位の間に２レベルの電位の信号を設けた荷電偏向信号であり、この信号によれば、１ノズルから吐出したインク粒子を４段階に偏向し、４本の走査線を印刷することが可能である。このような印刷が実現できるのは、インク粒子の荷電量は、そのインク粒子がノズル孔のインクから分離する時、用紙背面電極に印加した電圧値で決まり、この時のインク粒子の帯電量は電圧値にほぼ比例することによる。そして、帯電したインク粒子はその後の−１ｋＶ等の電圧印加による傾斜電界により、帯電量に応じてこの場合４段階に偏向される。このように、４段階の荷電量制御と偏向を時分割で行うことが可能となる。また、この荷電偏向制御の原理によれば、さらに偏向段数の多い多段階偏向制御も可能である。
なお、傾斜電界では、偏向と同時にインク粒子の吐出方向への加速や減速が生じる。これによる記録紙移動方向への着地点のズレが無視できない場合は、この量を考慮して偏向方向の角度を調整したり、インク粒子吐出のタイミングを調整することで、所望位置にインク粒子を配置することが可能になる。偏向量の調整は荷電偏向信号の荷電部の電位を調整することで可能である。
以上、説明したインク粒子偏向動作は、従来の荷電偏向装置に対し、非常に動作が高信頼である。その理由は、従来の荷電偏向装置では、インク粒子飛行径路に高電圧を印加した電極を電気絶縁して設置する必要があったため、ノズル孔目詰まり、気泡発生、ノズル孔近辺でのインク粘度上昇等によって、インク粒子が予定飛行経路からずれたり、インクミストが発生して、電極絶縁部に付着し、絶縁劣化が起こると故障になる問題があったためである。これに対し、本発明による荷電偏向装置の傾斜電界発生用オリフィス電極11の電位は、ノズル中のインクやオリフィス板13と同じ接地電位であるため、多少インクで濡れても絶縁不良の問題が生じない。すなわち、ノズル孔から吐出したインクがインク粒子に分離する近傍から飛行経路にかけて、インク粒子飛行経路に電気的に絶縁の必要な電極が存在しないため、インクの濡れに非常に強い高信頼な荷電偏向装置が実現できている。
この高信頼の偏向オンデマンド記録動作は、ノズル孔の間隔と、ノズルからのインク粒子吐出制御と、偏向方向及び偏向量を所定値に設定することにより、異なる複数のノズル孔から吐出したインク滴を偏向して、同一画素位置またはその近傍の位置に、インク粒子を多重打ち込み可能に構成可能である。これにより、１ノズルが故障して記録ドットを吐出できなくなっても、他のノズルでバックアップ可能な高信頼なインクジェット記録装置を構成できる。また、複数ノズルで１画素を形成するため、記録ムラを軽減することも可能になり、ライン型インクジェットプリンタでの本質的問題を解決できる。
図６は本発明による荷電偏向装置の他の例を示す図である。図３の例との相違点は、傾斜電界発生用オリフィス電極１１の形状がノズル孔１２側で傾斜している点である。このような電極形状でも、図７のようにインク粒子偏向用傾斜電界85が形成できており、偏向制御が可能である。なお、図３の構成に比べて、ノズル孔近辺のインクをゴム端部等でワイピングする際、ひっかかりにくく、ワイピング清掃が容易である等の利点がある。
なお、図３の構成では傾斜電界発生用オリフィス電極１１は矩形状、図６においては台形状としたが、これらの形状のエッジに丸みを持たせてもよいし、またオリフィス板13に必ずしも密着させる必要はなく、間隔をあけて配置しても良く、傾斜電界が形成できる形状であればよい。
図８は本発明による荷電偏向装置の他の例を示す図である。図３、図６の例との相違点は、傾斜電界発生用オリフィス電極１１が無く、オリフィス板13が用紙背面電極板30に対して傾いている点である。この例でも、非偏向インク粒子飛行軌道に対して直交成分を持つ傾斜電界85が形成でき、インク粒子を偏向制御可能である。本例では傾斜電界発生用オリフィス電極が必要でなくなる利点がある。用紙背面電極がドラム等で円弧の場合にも適用できる。
以上の説明から明らかなように、本発明の荷電偏向装置はノズル孔から吐出したインクがインク粒子に分離する近傍に設置した、ノズル孔中のインクと同電位の導電体の形状を、この導体と記録用紙背面電極間への電圧印加で、前記インクの吐出方向と垂直な方向に前記インク粒子に偏向力を与えるような偏向電場が形成されるように成したことを特徴とするもので、以上で説明した具体例に構造が限定されるものではない。
【発明の効果】
本発明によれば、インク粒子飛行経路に電気絶縁を必要とする電極が無いため、インクの濡れ、絶縁不良の問題に強くて高信頼で、かつインク粒子の飛行の初期段階から充分な偏向電場を作用させることが出来、偏向能力に優れた偏向電極を含む荷電偏向装置が実現可能で、特にインク粒子偏向型オンデマンドインクジェットプリンタに好適な荷電偏向装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一例となるインクジェットプリンタ用荷電偏向装置とこれを適用したライン型プリンタの構成図である。
【図２】本発明の一例となるインクジェットプリンタ用荷電偏向装置の記録ヘッドモジュール単体をノズル孔側から見た斜視拡大図である。
【図３】本発明の一例となるインクジェットプリンタ用荷電偏向装置の動作を説明するための概略断面図である
【図４】図３の構成で傾斜電界発生用オリフィス電極により発生する傾斜電界を示す概念図である。
【図５】本発明のインクジェットプリンタ用荷電偏向装置による記録動作を説明する図である。
【図６】本発明の他の例となるインクジェットプリンタ用荷電偏向装置の動作を説明するための概略断面図である
【図７】図６の構成で傾斜電界発生用オリフィス電極により発生する傾斜電界を示す概念図である。
【図８】本発明の他の例となるインクジェットプリンタ用荷電偏向装置の動作を説明するための概略断面図である
【符号の説明】
10は記録ヘッドモジュール、11は傾斜電界発生用オリフィス電極、12はノズル孔、13はオリフィス板、14はインク粒子、20は記録ヘッドモジュールマウンタ、30は用紙背面電極、40は荷電偏向制御信号発生回路、41は荷電偏向信号作成回路、42は背面電極ドライバ回路、50はインク粒子吐出制御信号作成装置、51は記録信号作成回路、52はタイミング信号発生回路、53はPZT駆動パルス作成回路、54はPZTドライバ回路、55は圧電素子、60は記録用紙、70は記録ドット、80は等電位面、85は傾斜電界、90は非偏向インク粒子飛行軌道、91は正帯電偏向インク粒子飛行軌道、92は負帯電偏向インク粒子飛行軌道である。

Claims (6)

1. ノズル孔を形成するオリフィス板を備え、前記ノズル孔から吐出したインクがインク粒子として分離する近傍に設置された、ノズル孔中のインクと同電位の導電体と、前記オリフィス板のオリフィス面に対向した平板状で且つ記録用紙の印刷面の背面側に設けられる背面電極との間へ電圧を印加することによって、前記インク粒子の吐出方向と垂直な方向に前記インク粒子に偏向力を与えるような傾斜偏向電場を形成せしめることを特徴とする荷電偏向装置において、
   前記導電体を、前記オリフィス板と同一部材または別部材で形成し、前記オリフィス板のノズル孔列に対して片側に、前記オリフィス板から前記背面電極側に突出させて設けることを特徴とする荷電偏向装置。
2. 請求項１記載の荷電偏向装置において、
   前記オリフィス板と別部材で形成してなる前記導電体は、前記オリフィス板上に位置した凸状の導電板よりなることを特徴とする荷電偏向装置。
3. 請求項２記載の荷電偏向装置において、
   前記導電板は台形状であり、該導電板のノズル孔列側の側面が、前記ノズル孔から非偏向のインク粒子を吐出させた際の飛行軌道から次第に離間する様に傾斜していることを特徴とする荷電偏向装置。
4. ノズル孔を形成するオリフィス板を備え、前記ノズル孔から吐出したインクがインク粒子として分離する近傍に設置された、ノズル孔中のインクと同電位の導電体と、前記オリフィス板のオリフィス面に対向した平板状で且つ記録用紙の印刷面の背面側に設けられる背面電極との間へ電圧を印加することによって、前記インク粒子の吐出方向と垂直な方向に前記インク粒子に偏向力を与えるような傾斜偏向電場を形成せしめることを特徴とする荷電偏向装置において、
   前記オリフィス板が前記導電体を兼ね、且つ該オリフィス板が前記背面電極の平面に対して傾けて配置されていることを特徴とする荷電偏向装置。
5. 請求項１または２記載の荷電偏向装置において、
   前記導電体の電位を接地電位とし、前記背面電極にインク粒子荷電偏向のための電圧を印加する荷電偏向制御信号発生回路を有することを特徴とする荷電偏向装置。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の荷電偏向装置を搭載したことを特徴とするインクジェットプリンタ。

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