JP7413665B2 - 電磁波発生装置、インク乾燥装置及びインクジェットプリンター - Google Patents

Description

本発明は、電磁波発生装置、インク乾燥装置及びインクジェットプリンターに関する。

様々な種類のインクジェット記録装置が開発されてきている。例えば、フィルムや金属シートのようにインクが染み込み難いメディアに印刷する技術も開発が進んでいる。このようなインクを吸収しにくいメディアにインクを付着させる場合には、付着後しばらくはインクの液滴がメディア上で流動できる状態となり、ドット間の混色や画像の滲みが生じやすい。このような現象を抑える対策の一つとして、インク滴の付着後にできるだけ短時間でインクを乾燥させることが考えられる。

インクを乾燥させる方法としては、例えば、熱した個体をメディアの裏面に当て、熱伝導で表面に付着させたインク滴の膜を乾燥させることが考えられるが、これに要するエネルギーは非常に大きく、また熱が伝導するのに時間を要し必ずしも最適な方法とは言えない。また、その他の方法として、特許文献１に記載の乾燥装置では、媒体に交流電界を印加して付着したインクを誘電加熱することで乾燥することが試みられている。

特開２０１７－１６５０００号公報

しかしながら、特許文献１に記載の装置は、接地した導体棒、及び、両端に高周波電圧を印加する導体棒が平行離間して配置され、これらによってループアンテナのような高周波放射装置を用いている。このような放射装置からは、アンテナの特性上、比較的広範囲に電磁波が放射される。そのため加熱すべきインク膜に与えられる電力以外にも大きな電力が放射され、エネルギー効率が悪い上、発散する電磁波をシールドする必要もあると考えられる。また、印刷パターンによっては、インクの存在しない領域があり、これがインクの存在する領域と入り組んで存在するにも関わらず、このような領域にも電磁波は注入され、エネルギー効率が悪くなる。

本発明に係る電磁波発生装置の一態様は、
電磁波を発生させる電磁波発生部と、
前記電磁波発生部に印加される電圧を発生させる高周波電圧発生部と、
前記電磁波発生部と、前記高周波電圧発生部とを電気的に接続する伝送線路と、
を備え、
前記電磁波発生部は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記伝送線路とを電気的に接続する第１導体と、前記第２電極と前記伝送線路とを電気的に接続する第２導体と、を備え、
前記第１電極又は前記第２電極の、一方が基準電位が印加される基準電位電極であり、他方が高周波電圧が印加される高周波電極であり、
前記第１電極と前記第２電極との間の最小離間距離は、出力される電磁波の波長の１／１０以下であり、
前記第１導体と前記第２導体との間の最小離間距離は、出力される電磁波の波長の１／１０以下であり、
前記第１導体はさらにコイルを備え、前記コイルは前記伝送線路に比べて前記第１電極に近いことを特徴とする。

上記電磁波発生装置の態様において、
前記第１電極及び前記第２電極の一方を他方が、平面視において取り囲むように配置された構造を有してもよい。

上記電磁波発生装置の態様において、
前記基準電位電極は、前記高周波電極の周囲を連続して取り囲み、
前記高周波電極が同軸ケーブルの内部導体と接続し、
前記基準電位電極と、前記同軸ケーブルの外部導体とが、連続する面状の導体を介して接続された構造を有してもよい。

本発明に係るインク乾燥装置の一態様は、
上記のいずれかの態様の電磁波発生装置が、インク薄膜を加熱するインク乾燥装置であって、
前記第１電極及び前記第２電極は、平板状であって、前記インク薄膜に対して平行に配置される。

本発明に係るインク乾燥装置の一態様は、
上記のいずれかの態様の電磁波発生装置が、インク薄膜を加熱するインク乾燥装置であって、
前記第１電極及び前記第２電極は、延在方向を有し、インク薄膜に対して前記延在方向が垂直に配置される。

上記インク乾燥装置のいずれかの態様において、
導体板を備え、
前記導体板は、前記インク薄膜に対して前記第１電極及び前記第２電極の反対側に平行に配置されてもよい。

本発明に係るインクジェットプリンターの一態様は、
上記インク乾燥装置のいずれかの態様と、
記録媒体の幅方向に往復移動するキャリッジと、
インクを吐出するインクジェットヘッドと、
を備え、
前記キャリッジは、前記インク乾燥装置及び前記インクジェットヘッドを搭載する。

実施形態に係る電磁波発生装置の電極付近の模式図。 実施形態に係る電磁波発生装置の等価回路図。 実施形態に係わる、コイルを電極の近傍に配置した時の電界密度分布。 実施形態に係わる、コイルを電極の遠方に配置した時の電界密度分布。 実施形態に係る電磁波発生装置の電極付近の模式図。 実施形態に係る電磁波発生装置の電極付近の模式図。 実施形態に係るインク乾燥装置の第１電極及び第２電極のインク薄膜に対する配置を側面からみた模式図。 平行平板電極の間にインク薄膜が配置される態様を示す模式図。 平行平板電極の間にインク薄膜が配置される態様を示す模式図。 平行平板電極の間にインク薄膜が配置された場合の等価回路の一例。 実施形態に係るインク乾燥装置の電極付近及び導体板の配置を側面からみた模式図。 実施形態に係るインクジェットプリンターの要部の模式図。 インク薄膜の加熱のシミュレーション結果。

以下に本発明の実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

１．電磁波発生装置
本実施形態の電磁波発生装置は、電磁波を発生させる電磁波発生部と、電磁波発生部に印加される電圧を発生させる高周波電圧発生部と、電磁波発生部及び高周波電圧発生部を電気的に接続する伝送線路と、を備える。そして、電磁波発生部は、第１電極と、第２電極と、第１電極と伝送線路とを電気的に接続する第１導体と、第２電極と伝送線路とを電気的に接続する第２導体と、を備える。さらに、第１導体はコイルを備え、コイルは伝送線路に比べて第１電極に近い位置に設けられる。

したがって本実施形態の電磁波発生装置は、少なくとも第１電極と、第２電極と、コイルと、を備える。図１は、本実施形態の電磁波発生装置１０の電極付近の模式図である。図２は、電磁波発生装置１０の等価回路図である。電磁波発生装置１０は、第１電極１、第２電極２及びコイル３を含む電磁波発生部、伝送線路としての同軸ケーブル４、高周波電圧発生部としての高周波源を備える。

ここでいうコイルは、同じインダクタンスでもその直列挿入位置によりインク膜の加熱エネルギー効率が大きく異なり、できるだけ電極に近い箇所に設置するのが望ましい。コイル３は第１電極、もしくは第２電極をメアンダ形状にするなどの方法で電極自体にインダクタンスを持たせることでコイル３を省略することもできる。

１．１．電極
電磁波発生装置１０は、第１電極１及び第２電極２を備える。第１電極１及び第２電極２は、導電性を有する。第１電極１又は第２電極２の一方には、基準電位が印加される。第１電極１又は第２電極２の他方には高周波電圧が印加される。第１電極１及び第２電極２の選び方は任意であり、２つの電極の一方に対して基準電位が、他方に対して高周波電圧が印加される。本明細書では、基準電位が印加される電極を「基準電位電極」ということがあり、高周波電圧が印加される電極を「高周波電極」ということがある。

基準電位とは、高周波電圧の基準となる定電位であり、例えば接地電位であってもよい。特殊な例としては、電磁波発生装置１０に入力する高周波電圧を発生する高周波電圧発生回路の出力が差動回路であれば第１電極１と第２電極２の区別は無くなる。高周波の周波数としては、周波数が１ＭＨｚ以上であれば加熱効果はあるが２０ＧＨｚ付近で誘電正接が最大になるため加熱効率も最大になる。特に、水分を加熱する観点からは２．０ＧＨｚ以上３．０ＧＨｚ以下が好ましく、法規的な観点を含めると、ＩＳＭバンドの１つである２．４ＧＨｚ帯が好ましく、例えば２．４４ＧＨｚ以上２．４５ＧＨｚ以下が好ましい。また、高周波電圧は高い程インクに供給される熱量は大きくなるが、通常５０Ωの伝送線路で電磁波発生装置１０へ伝送されるため、電磁波発生装置１０の高周波電圧入力にては「高周波電力＝Ｖ＾２／Ｒ＝Ｖ＾２／５０」で表される電圧となる。さらに、電磁波発生装置１０の寄生抵抗で発生する熱量を抑えるため、1つの電磁波発生装置１０あたりの電力は１０W程度とし、電磁波発生装置１０を複数個使用してインク乾燥に必要な電力を確保することが好ましい。またインクは第１電極１と第２電極２との間に生じる電界によ
る誘電加熱によって加熱される。このときの電界は１×１０＾６Ｖ／ｍ程度の値になる。またインクは第１電極１と第２電極２との間に生じる電界によって誘電加熱によって加熱される。このときの第１電極と第２電極の間の電界はコイル３や電極間距離の効果により１×１０＾６Ｖ／ｍ程度の値になる。

高周波電圧を印加するとは、第１電極１又は第２電極２におけるインクに対抗する面と反対側の面の中心部を給電点とし、この給電点に対して上記の高周波電圧の電力を供給することをいう。尚、後述する図６のように電極に対して金属の面で同軸ケーブルの被覆部を接続する場合もある。

図示の例では第１電極１及び第２電極２は、平板状の形状を有する。第１電極１及び第２電極２の平面的な形状は任意であり、例えば、正方形、長方形、円形、それらの形状を組み合わせた形状とすることができる。図示の例では、第１電極１及び第２電極２は、平面視で略正方形の形状となっている。また、第１電極１及び第２電極２の平面的な大きさは、一方の電極で、平面視における面積として、０．０１ｃｍ^２以上１００．０ｃｍ^２以下、好ましくは０．１ｃｍ^２以上１０．０ｃｍ^２以下、より好ましくは０．５ｃｍ^２以上２．０ｃｍ^２以下、さらに好ましくは０．５ｃｍ^２以上１．０ｃｍ^２以下である。また第１電極１及び第２電極２の平面視における面積は、同じでも異なってもよい。ここで言う平面視とは、図１のｚ方向からみた状態を指す。

第１電極１及び第２電極２は、平面視において重複しないように配置されることが好ましい。また図示の例では、第１電極１及び第２電極は、同一平面に並列して配置されている。このような配置とすることで、効率よく所定の電磁波を発生させることができる。第１電極１及び第２電極２の形状、配置については、さらに後述する。また発生する電磁波についても詳細は後述する。

第１電極１及び第２電極２は、導電体で形成される。導電体としては、金属、合金、導電性酸化物等を例示できる。第１電極１及び第２電極２は、互いに同じ材質であっても異なる材質であってもよい。第１電極１及び第２電極２は、自立できるように厚さや強度を選択して適宜構成されてもよいし、その強度保持が困難な場合はやむなく電磁波を透過する図示せぬ誘電正接の低い材料で構成された基板等の表面に形成することもできる。

第１電極１及び第２電極２は、図１に模式的に示すように、それぞれ内部導体４ａ及び外部導体４ｂを介して高周波源に接続された同軸ケーブル４に電気的に接続される。内部導体４ａ及び外部導体４ｂは、第１電極１及び第２電極２インク薄膜に対抗する面と反対側の面に配置される。換言すると、第１電極１及び第２電極２は、内部導体４ａ及び外部導体４ｂに比べてインク薄膜の近く配置される。

１．２．電極の間隔
第１電極１と第２電極２との間の最小離間距離ｄは、電磁波発生装置１０から出力される電磁波の波長の１／１０以下である。例えば、電磁波発生装置１０から出力される電磁波の周波数が２．４５ＧＨｚである場合には、高周波の波長は約１２．２ｃｍであるので、この場合には、第１電極１と第２電極２との間の最小離間距離は、約１．２２ｃｍ以下である。なお、図１の例では内部導体４ａにはコイル３が設けられている。内部導体４ａの電送経路におけるコイル３と第１電極１との距離は、コイル３と同軸ケーブル４との距離に比べて近いことが好ましい。通常コイル３は第１電極のみに接続されるが、第２電極のみ、もしくは第１電極と第２電極の両方に接続することでできる。

第１電極１と第２電極２との間の最小離間距離ｄを、出力される電磁波の波長の１／１０以下とすることにより、高周波電圧が印加された際に発生する電磁波のほとんどを第１
電極１及び第２電極２の近傍で減衰させることができる。これにより、第１電極１及び第２電極２から遠方に到達する電磁波の強度を小さくできる。

すなわち、電磁波発生装置１０から放射される電磁波は、第１電極１及び第２電極２の近傍で非常に強く、遠方では非常に弱くなる。本明細書では、電磁波発生装置１０によって第１電極１及び第２電極２の近傍に発生する電磁界を「近傍電磁界」ということがある。また、本明細書では、電磁波を遠方まで伝達させることを目的とするような一般的なアンテナ（空中線）によって発生する電磁界を「遠方電磁界」ということがある。なお、近傍と遠方の境界は、電磁波発生装置１０から、発生する電磁波の波長の１／6程度離れた位置である。

電磁波発生装置１０は、テレビや携帯電話などの用途で用いられ、ｍ単位の間隔で電磁波を伝達させる電磁波発生装置ではなく、発生する電磁波の電界密度が、その波長の１／６の距離を伝達する間に第１電極１と第２電極２との間の電界密度の３０％以下まで減衰する電磁波発生装置である。すなわち電磁波発生装置１０は、通信用としては不向きである。さらに、電磁波発生装置１０によって発生する電磁波は、減衰率が高いことから電界の範囲が抑制される。そのため、発生する電磁波の波長程度の距離よりも装置から離れた領域に、不要な輻射が生じにくい。そのため、電波法等による規制への対応が不要又は容易であり、対応すべき場合でも簡易な電磁波シールド等により電磁波が電磁波発生装置の周囲へ飛散することを低減できる。電磁波発生装置１０のこのような性質は、電極のサイズが小さいこと、電極間の距離が近いこと、又は、共振が生じにくいこと等に起因している。

さらに換言すると、本実施形態の電磁波発生装置１０は、ダイポールアンテナのような遠方電磁界を発生させるための装置ではなく、ダイポールアンテナに対してネガポジが反転するスロットアンテナにてスロット幅を波長に対して十分小さくして遠方電磁界を発生し難くしたものに相当するといえる。本構造は、コンデンサーのように電界を発生するのみで、この電界は副次的に磁界を発生することがない。このため電界と磁界が連鎖的に発生して電磁波が遠方に伝わるいわゆる遠方電磁界は発生しない。

１．３．コイル
電磁波発生装置１０は、コイル３を備え、第１電極１又は第２電極２に直列にかつ極力第１電極１又は第２電極２に近い位置にコイル３が接続される。第１電極１又は第２電極２は、高周波電圧の印加される経路にコイル３を介して接続される。

コイル３はマッチング、電極間発生電界の増大、電極間発生電界にコイルで発生する電界を追加して強化するという３つの目的を兼ねて設置される。

コイルの役割（１）：マッチング
一般にアンテナへ印加される電圧は、同軸ケーブル（例えば、特性インピーダンス５０Ω）でアンテナまで伝送される。アンテナのインピーダンスは、高周波電圧の発生回路や当該回路からアンテナまで伝送する同軸ケーブルのインピーダンスに一致させることが好ましい。アンテナのインピーダンスをケーブル等のインピーダンスに、一致させるか近づけることにより、エネルギーの伝送効率が向上する。逆に、アンテナに正弦波の高周波電圧を入力して、アンテナと高周波電圧発生回路とのインピーダンスがマッチしない場合、インピーダンスの不連続箇所で信号の反射が生じアンテナに信号が入力されにくい。そのため、インピーダンスの不連続が生じ易い同軸ケーブルとアンテナの接続箇所にて、同軸ケーブルの内部導体とアンテナの電極間、若しくは外部導体とアンテナの電極間に、コイルとコンデンサーから成るマッチング回路を挿入してアンテナのインピーダンスを調節して、エネルギーの伝送効率を向上させることが行われる。同軸ケーブルは通常５０Ωであ
り、アンテナも５０Ωになるようマッチング回路を調整する。仮に同軸ケーブルが虚数のインピーダンスの場合、アンテナはこれと共役な虚数のインピーダンスになるよう調整する。かかるコイルは、いわゆるマッチングコイルと呼ばれる。

コイルの役割（２）：電極間電界密度の増大
図２はインク乾燥装置の等価回路である。電磁波発生回路Ａは、電磁波発生装置１０に相当する。電磁波発生回路ＡのコンデンサーＣは、第１電極１及び第２電極２に相当し、電磁波発生回路Ａの抵抗Ｒは、放射される電磁波の放射抵抗に相当する。高周波源が、高周波電圧発生回路Ｂに相当し高周波電圧発生回路Ｂの抵抗Ｒは高周波電圧源の内部抵抗である。高周波電圧発生回路Ｂと電磁波発生回路Ａとの間に挿入されたコイルＬが、第１電極１又は第２電極２に直列に接続されたコイル３に相当する。

このように、電磁波発生回路ＡにコンデンサーＣが含まれることから、かかるコンデンサーＣに直列となるようにコイルＬを接続することで、特定の共振周波数を得ることができる。また、コイルＬのインダクタンスを大きくし、コンデンサーＣのキャパシタンスをできるだけ小さくすれば、伝送効率が向上する。コイルＬのインダクタンスやコンデンサーＣの容量は、適宜に設計される。

放射抵抗は、同軸ケーブル４のインピーダンス（例えば５０Ω）に比較して小さく（例えば、７Ω程度）、第１電極１及び第２電極２により見かけ上形成されるコンデンサーＣの容量は、例えば０．５ｐＦ程度である。

電磁波発生装置１０において、第１電極１及び第２電極２の平面形状を５ｍｍ×５ｍｍの正方形とし、最小離間距離を５ｍｍとし、１０ｎＨのコイルＬを第２電極２に直列に接続した場合であって、図２に示すような高周波電圧発生回路Ｂから１Ｖの電圧を発生させた場合、アンテナ端子にかかる電圧（ＣのＬ側の点とＧＮＤとの間にかかる電圧）は、約２Ｖとなることがシミュレーションから分かっている。ここで抵抗Ｒはアンテナの放射抵抗を示す。また、コイルのインダクタンスが高くなるにつれ、アンテナに、より高い電圧がかかることが分かっている。このように第１電極１及び第２電極２から構成されるアンテナと同軸ケーブルの間にコイルを直列に挿入することにより、アンテナ電極間の電圧を高めることができる。これにより第１電極１と第２電極２との間の電界が強くなる。インクにかかる電界が強いほどインクは効率良く加熱されることになる。

コイルの役割（３）：電極間発生電界にコイルで発生する電界を追加して強化
コイル３は銅等の金属の長さのある電線の巻線として通常構成され、これはインダクタンス成分と共に寄生抵抗を持つ。例えばインダクタンス成分が３０ｎＨ程度の時、寄生抵抗は通常概略３Ω程度となる。インダクタンスと内部抵抗により、コイルの両端に電位差が発生し、電位差のある箇所には電界が発生する。図３に第１電極に接してコイル３を配置した場合の電界密度分布を、図４にはコイル３を第１電極から４ｍｍ程遠ざけた場合の電界密度分布についてそれぞれシミュレーションの結果を示す。なお、図３及び４における電界密度は色が黒から白に近づくほど高い値を表す。図３のように第１電極１の直近にコイルを設置した場合、前記「コイルの役割（２）」で示した高められた電圧がすべて第１電極に印加され、第１電極１付近に強い電界が発生する。さらに、コイル３の電界と第１電極１と第２電極２との間に発生する電界の向きが一致している場合、コイル３に発生する電界が第１電極と第２電極の間に発生する電界と重なり、第１電極１付近の電界をより強くしている。これに対して図４のコイル３を第１電極から離した場合は、前記「コイルの役割（２）」で示した高められた電圧が導体３２と第１電極１とに印加され、強い電界が必要な第１電極１付近に電界を集中することができない。同時に強い電界が必要ない第１電極１から離れたコイル３の周辺に強い不要な電界が発生する。図３の構造と図４の構造ではインク薄膜Ｔの加熱効率に前者はこの例だと７０％に対して後者は８％程と大きな
差が発生し、コイル３を第１電極１のできるだけ近くに配置することがより有効である。この目的のため、第１電極の形状を例えばメアンダ状にしてインダクタンスを持たせ、第１電極自体をコイルにしてコイル３を削除することも可能である。

１．４．電極の配置及び構造のバリエーション
電磁波発生装置は、図５に示す電磁波発生装置１２のように、第１電極１及び第２電極２の一方を他方が取り囲むように配置された構造を有してもよい。図５は、電磁波発生装置１２の電極付近の模式図である。電磁波発生装置１２では、第２電極２が第１電極１を取り囲むように配置された構造を有する。

電磁波発生装置１２の第１電極１は、平面視において正方形形状を有している。電磁波発生装置１２では、第２電極２は、第１電極１を第２電極２が平面視において取り囲むように、中抜きの正方形形状で配置されている。図示はしないが、第１電極１を平面視において円形形状とし、第２電極２を平面視において円環形状としてもよいし、外周が六角形の形状としてもよい。第１電極１及び第２電極２の平面的又は空間的な配置、コイル３については、上述の電磁波発生装置１０と同様であるので説明を簡略する。

電磁波発生装置１２では、平面視において中心部に配置された矩形の第１電極１と、第１電極１を包囲する中抜きの矩形形状（額縁状）の第２電極２に、それぞれ高周波電位と基準電位が給電される。コイル３は第１電極１と同軸ケーブル４の内部導体４ａとの間に挿入され、第１電極１に極力近くに位置させることが重要である。

電磁波発生装置１２において、第２電極２を平面視で中抜きの矩形形状とする場合には、外周の一辺の長さは、例えば、０．１ｃｍ以上１０．０ｃｍ以下、好ましくは０．３ｃｍ以上５．０ｃｍ以下、より好ましくは０．４ｃｍ以上１．０ｃｍ以下である。また、この場合、第２電極２の平面視における幅は、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは１．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、より好ましくは１．５ｍｍ程度である。

電磁波発生装置１２においても、第１電極１及び第２電極２の最小離間距離ｄは、電磁波発生装置１２から出力される電磁波の波長の１／１０以下である。

電磁波発生装置は、図６に示す電磁波発生装置１４のように、一方の電極が、他方の電極の周囲を連続して取り囲み、他方の電極が同軸ケーブルの内部導体と接続し、一方の電極と、同軸ケーブルの外部導体とが、連続する導体を介して接続された構造を有してもよい。図６は、電磁波発生装置１４の電極付近の模式図である。電磁波発生装置１４では、同軸ケーブル４の内部導体４ａが第１電極１に柱状の導体３２を介して接続され、同軸ケーブル４の外部導体４ｂが第２電極２に、導体３２を取り囲む連続する導体３０を介して接続された構造を有している。

電磁波発生装置１４の第１電極１及び第２電極２の平面的な形状、配置については、電磁波発生装置１２と同様である。

電磁波発生装置１４においても、第１電極１及び第２電極２の最小離間距離ｄは、電磁波発生装置１２から出力される電磁波の波長の１／１０以下である。

図示しないが、電磁波発生装置１４において、導体３０は、第２電極２と一体であってもよい。この場合、導体３０が、第２電極２となる。同様に、電磁波発生装置１４の第１電極１は、柱状の導体３２と一体であってもよい。この場合、導体３２が第１電極１となる。また、同軸ケーブル４の内部導体４ａと導体３２を介さずに接続してもよい。この場合、内部導体４ａが第１電極１となる。

電磁波発生装置１４において、第２電極２を基準電位電極とし、第１電極１を高周波電極とし、高周波電極が同軸ケーブル４の内部導体４ａと接続し、基準電位電極と、同軸ケーブル４の外部導体４ｂとが、連続する導体を介して接続された構造とすれば、電磁波発生装置１４が同軸ケーブルに類似した構造となる。そのため、例えば製造がより容易となる。また、電磁波発生装置１４のような構造とした場合に、後述するインク薄膜の加熱効率が向上することが分かっている。

さらに、電磁波発生装置１４において、第２電極２を基準電位電極とし、第１電極１を高周波電極とし、高周波電極が同軸ケーブル４の内部導体４ａと接続し、基準電位電極と、同軸ケーブル４の外部導体４ｂとが、連続する導体を介して接続された構造とすれば、基準電位電極によるシールド効果が得られ、電磁波が基準電位電極の外側に漏れにくくなる。また、かかる構造とすれば、電極の近傍に伝送モードが形成され、電磁波を照射する対象（例えば、後述するインク薄膜）からの間隔が離れても十分に電磁波を照射することができる。すなわち、かかる構造とすれば、装置から発生する電磁波に指向性を持たせ、近傍電磁界の到達距離を延長することができる。

電磁波発生装置１４において、第２電極２の平面視における幅ｗは、後述するインク薄膜の加熱効率に影響を及ぼすことが分かっている。第２電極２の平面視における幅ｗは、１．０ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは１．４ｍｍ以上１．６ｍｍ以下、より好ましくは１．５ｍｍ程度とすることが加熱効率を高める点でより好ましい。さらに、第１電極１の平面的な形状も加熱効率に影響することが分かっている。図示のような正方形の形状に比べて、図示せぬ長方形の形状とした方が加熱効率は増加し、例えば、０．５ｍｍ×５．０ｍｍの長方形形状とすれば、加熱効率はさらに向上することがわかっている。

上述の電磁波発生装置１２及び電磁波発生装置１４のいずれにおいても、第１電極１及び第２電極２の最小離間距離ｄは、出力される電磁波の波長の１／１０以下であり、第２電極２には直列にコイル３が接続されるので、装置の近傍に効率よく電磁界を発生させることができる。

１．５．高周波源
本実施形態の電磁波発生装置は、高周波源を備える。高周波源は、上述の高周波電圧発生回路Ｂを含む。高周波源は、第１電極１及び第２電極２に印加される高周波電圧を発生する。高周波源は、例えば、水晶発振器、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路、パワーアンプにより構成される。高周波源により発生された高周波電力は、例えば同軸ケーブルを介して第１電極１及び第２電極２に対して給電される。

本実施形態の電磁波発生装置の基本的な周辺回路構成は、ＰＬＬで発生した高周波信号をパワーアンプで増幅して第１電極１及び第２電極２に対して給電する構成である。第１電極１及び第２電極２の組を多数使用する場合には、例えば、１組の第１電極１及び第２電極２に対してパワーアンプを１つ用い、ＰＬＬの出力を分割してパワーアンプに送ることで、個別に電磁波を発生させてもよい。また、パワーアンプを複数用いてもよく、その場合には、より容易に各パワーアンプの増幅率を個別にコントロールすることができる。

２．インク乾燥装置
上記実施形態の電磁波発生装置は、インク乾燥装置として用いることができる。インク乾燥装置は、上述した電磁波発生装置であって、第１電極及び第２電極２が、インク薄膜に対して平行に配置され、高周波電圧が印加されることによりインク薄膜を非常に効率よく加熱することができる。

図７は、本実施形態のインク乾燥装置１０の第１電極１及び第２電極２のインク薄膜Ｔに対する配置を側面からみた模式図である。インク乾燥装置１０は上述した電磁波発生装置１０と同一であるので、上記説明と同様の符号を付して重複する説明を省略する。

２．１．インク薄膜
インク乾燥装置１０が乾燥させるインク薄膜としては、紙、フィルム等のシートにインクを付着させて得られる薄膜、立体形状を有する成形体等の表面にインクを付着させて得られる薄膜等とすることができる。インクの付着方法は特に限定されないが、インクジェット法、スプレー法、刷毛等による塗布法等とすることができる。図示の例では、記録媒体Ｍの片面にインクをインクジェット法により付着させて形成したインク薄膜Ｔを例示している。

インク薄膜Ｔの厚さは、例えば、０．０１μｍ以上１００．０μｍ以下であり、好ましくは１．０μｍ以上１０．０μｍ以下である。インクには各種の成分が含まれてもよく、インク乾燥装置１０によって乾燥される成分として、例えば、水、有機溶剤等が挙げられる。インク乾燥装置１０が放射する電磁波の周波数が１ＭＨｚから３０ＧＨｚ付近である場合には、水を効率よく加熱して乾燥させることができるため、インクには水が含まれることが好ましい。また実際に使用する周波数としては電子レンジで用いられる２．４５ＧＨｚが法基準が明確であり使用し易い。

なおインク薄膜Ｔに電磁波が照射される場合、インク中の水分が加熱されるが、加熱の主な原理としては、誘電加熱による水分子の振動による摩擦熱、及び／又は、水中に発生する渦電流によるジュール熱である。インクが染料インク等のイオン濃度の高いインクであれば、導電性が生じるのでジュール熱による加熱の効果が大きくなる。本実施形態のインク乾燥装置１０は、インク薄膜Ｔに対して平行に振動電場が印加されやすいので、インクが水系である場合に、両方の加熱原理を利用することができる。

２．２．加熱のメカニズム
水の表面に対して電磁波（３ＧＨｚ）を入射したときに、電磁波が到達する深さは、温度によって異なるが２０℃において１．２ｃｍ程度であることが知られている。この深さは表皮深さと呼ばれる。インク薄膜の厚さは、上述したように、電磁波の侵入深さに比較して非常に薄い。したがって、インク薄膜に対して垂直に電磁波が照射された場合、ほぼすべての電磁波が貫通してインク薄膜中の水をほとんど加熱できないか、加熱できたとしても非常に効率が悪くなると予想できる。

また、発明者の予備的な実験によれば、電子レンジ（マイクロ波オーブン）にインクを付着させたシートを入れて加熱操作を行ってもインクをほとんど加熱できないことが分かっている。これは電磁波が薄いインク膜を貫通してしまうことにより、照射した電磁波の電力のうちインク内部で熱に変わる電力が、非常に低いことが原因であると考えられる。

既に述べたように、本実施形態の電磁波発生装置は、近傍電磁界を発生させる。すなわち、インク乾燥装置に対してインク薄膜を適切な距離をおいて配置することにより、インク薄膜の周辺の狭い範囲に集中して電磁波を照射することができる。本実施形態のインク乾燥装置から発生する電磁波は、近傍の狭い空間にしか存在せず、遠方電磁界が非常に弱いので、エネルギーの散逸が少なく、電磁波存在領域に適切にインク薄膜を配置することにより、非常に効率良くインク薄膜を加熱することができる。

以下、インク乾燥装置１０によるインク薄膜Ｔの加熱のメカニズムを説明する。図８及び図９は、平行平板電極Ｅの間にインク薄膜Ｔが配置される態様を示す模式図である。図１０は、平行平板電極Ｅの間にインク薄膜Ｔが配置された場合の等価回路の一例である。

図８に示すように、平行平板電極Ｅの間に、該電極と平行にインク薄膜Ｔが設置された場合、高周波電圧を平行平板電極Ｅに印加しても、インク薄膜Ｔに吸収されるエネルギーは非常に小さい。しかし、図９に示すように、平行平板電極Ｅの間に、電極と垂直にインク薄膜Ｔが設置された場合には、インク薄膜Ｔは非常に効率よく加熱される。同じ体積かつ同じ厚さのインク薄膜でも電極に対して水平から垂直にインク薄膜面の向きを変えることで加熱効率は１００倍にもなる。

図１０は、図９に示した配置における等価回路を示している。図１０に示すように、平行平板電極Ｅの間に、電極と垂直にインク薄膜Ｔが設置されると、極板間が水で満たされたコンデンサーＣＷと、極板間に空気が満たされたコンデンサーＣＡとが並列に接続された回路と等価と考えられる。この回路において高周波電圧が印加されると、極板間に水が満たされたコンデンサーＣＷのほうが容量が大きいので、コンデンサーＣＷに電流及び電界が集中する。インク薄膜Ｔを電界の方向に対して平行にすれば、平行平板電極Ｅによる電界の方向における長さが長くなることによる効率の向上効果と、電界が集中する効果とが得られ、非常に効率よくインク薄膜を加熱することができる。

このようにインク薄膜Ｔに平行に電界が当たれば、インク薄膜Ｔの加熱効率は向上する。このためできるだけ電界の向きがインク薄膜Ｔに平行になるようにすることが好ましく、本実施形態のインク乾燥装置１０では、このような電界を印加できる構造の第１電極１及び第２電極２を採用している。また、インク薄膜Ｔは、照射される電磁波の電界が強いほど発熱量が増大する。電界は電極間電位差が大きいほど強くなるので、上述したようにコイル３により電位差を大きくして発熱量を増加させることができる。尚、コイル３はこの電位差を大きくする効果以外にインピーダンスマッチングの効果も兼ねて得ている。更にコイル３はこれ自身が電界を発生するため、第１電極１又は第２電極２の近傍に配置し、電極間に発生する電界にコイル３の発生する電界を加えて電界を強化し、加熱効率を向上する。

２．３．電極の配置
第１電極１及び第２電極２は、インク薄膜Ｔに対して垂直に配置されてもよい。例えば、上述した電磁波発生装置１４において、導体３２及び第１電極１が一体で形成され、導体３０及び第２電極２が一体で形成された場合には、第１電極１は、柱状の電極となり、第２電極２は筒状の電極となり、延在方向がインク薄膜Ｔの法線の方向となる。この場合、電磁波発生装置１４をインク薄膜Ｔに対向して設置すると、インク薄膜Ｔに対して第１電極１及び第２電極２は、延在方向がインク薄膜Ｔの拡がる面に対して垂直な方向に延びる姿勢で配置される。このような配置にしても効率よくインク薄膜Ｔを加熱することができる。

２．４．導体板
本実施形態のインク乾燥装置は、導体板を備えてもよい。図１１は、導体板５を備えたインク乾燥装置１６の電極付近及び導体板の配置を側面からみた模式図である。導体板５は、インク薄膜Ｔに対して第１電極１及び第２電極２の反対側に平行に配置される。導体板５は、平面視において第１電極１及び第２電極２と重なる位置に配置される。導体板５の厚さ及び平面的な大きさは特に限定されない。

導体板５は、導電性を有する。導体板５が第１電極１及び第２電極２に対して、インク薄膜Ｔを介して向かい合って配置されることにより、インク薄膜Ｔによるインク乾燥装置１６のインピーダンスの変化を抑制することができる。導体板５を有しない上述のインク乾燥装置１０は、インク薄膜Ｔに対して非常に効率よくエネルギーを伝搬するが、これによりインク薄膜Ｔがインク乾燥装置１０の一部と見なせる程度に電気的に結合することが
ある。このような場合には、インク薄膜Ｔの厚さ、体積、導電性等に依存して、インク乾燥装置１０のインピーダンスの変化が生じる。

インク乾燥装置１６は、導体板５を配置することにより、このようなインピーダンスの変化を抑制することができる。また、導体板５を配置することにより、インク薄膜Ｔに対してさらに効率よくエネルギーを伝搬できる場合がある。

導体板５は、例えば、インクジェットプリンターにインク乾燥装置１６が備えられる場合には、プラテンを導電性の物質で形成して、導体板５とすることができる。

２．５．作用効果
本実施形態のインク乾燥装置によれば、加熱効率、すなわちアンテナに入力した高周波電力のうちインクの温度上昇に用いられる電力の割合を８０％以上に高めることができる。本実施形態のインク乾燥装置によれば、発生する電磁波が、インク薄膜の周辺のごく限られた領域だけに存在させることができる。これによりインク薄膜の加熱効率が非常に良好である。

本実施形態のインク乾燥装置は、電磁波の波長の１／１０以下間最小離間距離を有する小型の電磁波発生装置を用いているので、省電力で使用できるとともに電磁波の散乱を抑制する必要が生じたとしても簡易なシールドを用いることができる。また、省電力であるので高周波電圧の発生回路も小型化することができる。

本実施形態のインク乾燥装置は、近傍電磁界を利用するので、インク薄膜が付着されたシート等の物体へのエネルギーの伝搬を抑制することができる。そのため、例えば、シートが温度の影響を受ける材質であってもシートが加熱されにくいので、シートの変質等を抑制することができる。

３．インクジェットプリンター
本実施形態のインクジェットプリンターは、上述したインク乾燥装置と、記録媒体幅方向に往復移動するキャリッジと、インクを吐出するインクジェットヘッドと、を備え、キャリッジが、インク乾燥装置及びインクジェットヘッドを搭載する。図１２は、本実施形態のインクジェットプリンター２００の要部の模式図である。図１２は、キャリッジ５０及び記録媒体Ｍを示している。インクジェットプリンター２００は、インク乾燥装置１０と、キャリッジ５０と、を備える。

インクジェットプリンター２００は、キャリッジ５０にインクジェットヘッド６０と、複数のインク乾燥装置１０とを備えている。キャリッジ５０にはインク乾燥装置１０の第１電極１、第２電極２及び同軸ケーブル４が搭載される。図示しないが、インクジェットプリンター２００は、各インク乾燥装置１０を駆動する高周波源を備えている。また、図示しないが、複数のインク乾燥装置１０は、記録媒体Ｍの移動方向ＳＳにおいて、インクジェットヘッド６０のノズル列の長さ以上の領域をカバーするように配置されている。インクジェットプリンター２００は、シリアル型のプリンターであり、記録媒体Ｍを移動させる機構と、キャリッジ５０を往復動作させる機構とを有している。

インクジェットプリンター２００は、記録媒体Ｍを移動させて所定位置に配置すること、及び、キャリッジ５０を記録媒体Ｍの移動方向ＳＳと交差する方向に走査しながらインクジェットヘッド６０からインクを吐出して記録媒体Ｍの所定位置に所定量で付着させること、を複数回繰り返して、記録媒体Ｍ上に所定の画像を形成する。

インク乾燥装置１０は、キャリッジ５０内で、キャリッジ５０の走査方向ＭＳにおいて
、インクジェットヘッド６０の片側又は両側に配置される。図示の例ではインクジェットヘッド６０の走査方向ＭＳの両側にそれぞれ複数の電磁波発生装置１０が配置されている。このように配置することにより、インクジェットヘッド６０から吐出され、記録媒体Ｍに付着してインク薄膜となったインクを、キャリッジ５０の移動速度及びインクジェットヘッド６０のノズルから電磁波発生装置１０までの走査方向ＭＳにおける距離等に応じた時間経過後、早期に短時間で乾燥させることができる。

図１２にては電磁波発生装置１０は、キャリッジ５０の走査方向ＭＳにおいて、インクジェットヘッド６０の両側にそれぞれ4列配置されている。これはインク薄膜乾燥に電磁波発生装置１０に９Ｗの高周波電力を入力するという条件にて、１／２０秒必要なのに対して５ｍｍの電磁波発生装置１０が１ｍ／ｓで特定の座標を通過する時間は１／２００秒であり、１／２０秒に対して不足するためである。５ｍｍの電磁波発生装置１０のインク加熱範囲をここでは１２．５ｍｍ×１２．５ｍｍとし、これを４個並べることで同時に５０ｍｍ×５０ｍｍの範囲を加熱できるようにしている。５０ｍｍの電磁波発生装置１０が特定の座標を通過するのに１／２０秒かかることで乾燥に必要な時間を確保できる。

図１２にては電磁波発生装置１０は、キャリッジ５０の走査方向ＭＳと垂直な方向に５列並べられている。これはインクジェットヘッド６０のノズル列には長さがあり５ｍｍ×５ｍｍの電磁波発生装置１０が１つではその長さをカバーできないためである。ここではノズル列の長さを７０ｍｍとし、５個の電磁波発生装置を並べることでその長さをカバーしている。

本実施形態のインクジェットプリンター２００は、記録媒体Ｍが、フィルム等、インクがしみ込まない又はほとんどしみ込まない材質である場合に特に有効である。しかし、紙等のインクを吸収する記録媒体Ｍであっても、乾燥効果は十分に得られる。

なお、シリアル型のインクジェットプリンター２００を例示したが、インク乾燥装置は、ライン型のインクジェットプリンターにも適用することができる。ライン型のインクジェットプリンターの場合には、記録媒体の流れる方向において、ライン型インクジェットヘッドの下流側にインク乾燥装置が配置される。

３．実験例
以下、実験例を示して本発明を更に説明するが、以下の例によって本発明は何ら限定されるものではない。

上述した電磁波発生装置１４の構造のインク乾燥装置によるインク薄膜の加熱状態のシミュレーションを行った。電磁界シミュレーション結果を図１３に示す。電磁界シミュレーションは、ＨＦＳＳソフトウェアを用いて行った。

電磁界シミュレーションでは、１辺５ｍｍの立方体の外形形状を有する中空で下面が開口した第２電極を用い、第２電極の側面の厚さを０．１ｍｍとした。第１電極は、第２電極の中央部に配置され、平面視において矩形（１ｍｍ×１ｍｍ）となる板状形状とした。インク薄膜は十分に面積が大きく、厚さは５μｍとした。インク薄膜の上面と電極の下面との間の距離は、２ｍｍとした。さらに、インク薄膜の下面側に十分に面積の大きい導体板を配置した。

インク乾燥装置には、高周波電極（第１電極１）と直列にインダクタンスが２５ｎＨのコイルを直列に接続した。高周波電圧の周波数は、２．４５ＧＨｚとした。給電電力は１Ｗとした。

図１３は、インク薄膜における温度上昇の分布を示している。図１３には、第１電極及び第２電極の輪郭を破線で描いた。温度の上昇が大きい部分が白色で示されている。なお、図の外周部分は白色で示されているが、温度上昇は無い。図１３に示すように、インク乾燥装置によれば、電極近傍を十分に加熱できることが分かった。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成、を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…第１電極、２…第２電極、３…コイル、４…同軸ケーブル、４ａ…内部導体、４ｂ…外部導体、５…導体板、１０，１２，１４…電磁波発生装置、１０，１６…インク乾燥装置、３０，３２…導体、５０…キャリッジ、６０…インクジェットヘッド、２００…インクジェットプリンター、Ａ…電磁波発生回路、Ｂ…高周波電圧発生回路、Ｍ…記録媒体、Ｌ…コイル、Ｃ，ＣＡ，ＣＷ…コンデンサー、Ｅ…平行平板電極、ｄ…最小離間距離、ｗ…幅、ＭＳ…走査方向、ＳＳ…移動方向、Ｒ…抵抗、Ｔ…インク薄膜

Claims (4)

1. 電磁波を発生させる電磁波発生部と、
   前記電磁波発生部に印加される電圧を発生させる高周波電圧発生部と、
   前記電磁波発生部と、前記高周波電圧発生部とを電気的に接続する伝送線路と、
   を備え、
   前記電磁波発生部は、第１電極と、第２電極と、前記第１電極と前記伝送線路とを電気的に接続する第１導体と、前記第２電極と前記伝送線路とを電気的に接続する第２導体と、を備え、
   前記第１電極又は前記第２電極の、一方が基準電位が印加される基準電位電極であり、他方が高周波電圧が印加される高周波電極であり、
   前記伝送線路は、内部導体及び外部導体を有する同軸ケーブルであり、
   前記基準電位電極は、前記高周波電極の周囲を連続して取り囲み、
   前記高周波電極が前記内部導体と接続し、
   前記基準電位電極と、前記外部導体とが、連続する導体を介して接続され、
   前記基準電位電極が、前記高周波電極を、平面視において連続的に中抜きの正方形形状で取り囲むように配置された構造を有し、
   前記第１電極と前記第２電極との間の最小離間距離は、出力される電磁波の波長の１／１０以下であり、
   前記第１導体と前記第２導体との間の最小離間距離は、出力される電磁波の波長の１／１０以下であり、
   前記第１導体はさらにコイルを備え、前記コイルは前記伝送線路に比べて前記第１電極に近いことを特徴とする電磁波発生装置。
2. 請求項１に記載の電磁波発生装置が、インク薄膜を加熱するインク乾燥装置であり、
   前記第１電極及び前記第２電極は、平板状であって、前記インク薄膜に対して平行に配置された、インク乾燥装置。
3. 請求項１又は請求項２に記載の電磁波発生装置が、インク薄膜を加熱するインク乾燥装置であり、
   前記第１電極及び前記第２電極は、延在方向を有し、インク薄膜に対して前記延在方向が垂直に配置された、インク乾燥装置。
4. 請求項２又は請求項３において、
   導体板を備え、
   前記導体板は、前記インク薄膜に対して前記第１電極及び前記第２電極の反対側に平行に配置された、インク乾燥装置。

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