JPH11105290A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電界の作用により略円錐状になったインクメ
ニスカスの先端からインクが微粒化して飛翔する現象を
インクジェット記録装置に応用する。 【解決手段】 本発明のインクジェット記録装置は、イ
ンクを満たした内側スリット２０に配置され、先端２２
がインクメニスカス２８によって覆われた細い記録電極
２４と、この記録電極２４の上記先端２２に微小空間１
８を隔てて対向する外側スリット１６の縁部に上記記録
電極２４に対応して設けられ、上記記録電極２４との間
に電界を形成する吸引電極３０とを備え、上記電界の作
用により上記インクメニスカス１８から分離して上記外
側スリット１６から飛翔するインク滴を記録紙Ｐに付着
させるようにした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像信号に応じて
インク滴を飛翔させ、記録紙に付着させて画像を記録す
るインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、荷電制御型、Ｈｅｒｔｚ型と称さ
れる連続噴射式インクジェット記録装置が知られてい
る。これらの方式のインクジェット記録装置では、イン
ク滴の噴射が常に行われており、これらインク滴を荷電
したのち制御電界中を通過させ、この制御電界中でイン
ク滴の飛翔方向を画像情報に応じて適宜変えて記録紙に
付着させるか否かを制御することにより画像を記録する
ものである。

【０００３】一方、静電加速型と呼ばれるインクジェッ
ト記録装置では、インク飛翔部に設けた記録電極と記録
紙背面に設けた背面電極間に画像情報に応じて電界を形
成し、この電界の作用によりインク飛翔部からインク滴
を吸引するように飛翔させ、記録紙に付着させて画像形
成を行うものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記連
続噴射式のインクジェット記録装置では、インク滴の連
続噴射用のポンプと、制御電界形成用の空間が必要とな
り、装置が大型化、高コスト化するという問題があっ
た。また、静電加速型のインクジェット記録装置では、
記録電極を高密度に配置したときに記録電極と背面電極
間の電界の広がりにより隣接する記録電極間で電界の干
渉が起こり、記録紙へのインク付着位置にずれが生ずる
という問題や、電気抵抗が比較的小さいインクを用いた
場合にはインク飛翔部から背面電極までインク柱が延び
て通電パスを生じやすくショートする恐れがあり、安全
面に問題があった。

【０００５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明のインク
ジェット記録装置は上記各問題点を解消するためになさ
れたもので、インクを満たした開口部に配置され、先端
がインクメニスカスによって覆われた細い記録電極と、
この記録電極の上記先端に微小空間を隔てて対向するス
リットの縁部に上記記録電極に対応して設けられ、上記
記録電極との間に電界を形成する吸引電極とを備え、上
記電界の作用により上記インクメニスカスから分離して
上記スリットから飛翔するインク滴を記録紙に付着させ
るようにしたものである。このインクジェット記録装置
では、記録紙の背面に背面電極を設けてもよい。

【０００６】

【発明の作用および効果】本発明のインクジェット記録
装置では、画像情報に応じて記録電極に電圧を印加する
と記録電極と吸引電極間に電界が形成される。その電界
の作用により記録電極の先端を覆うインクメニスカスが
略円錐状に引き伸ばされ（この円錐状に引き伸ばされた
部分はTaylor coneと呼ばれる。）、その先端から微小
なインク滴が分離して飛翔する。このインク滴がスリッ
トから飛翔して記録紙に付着して画像が記録される。

【０００７】このように本発明のインクジェット記録装
置では、連続噴射式インクジェット記録装置のようにイ
ンク滴形成用ポンプや制御電界形成用の比較的大きな空
間が不要であるため、装置の小型化、低コスト化を図れ
る。

【０００８】また、記録紙背面に背面電極を設けていな
いので、記録電極と背面電極間で電気的ショートが発生
することがなく安全性が高い。

【０００９】さらに、本発明では、現在実用化されてい
る加圧型インクジェットプリンタのように発熱体やピエ
ゾ素子等の特殊な素材を用いていないので、インクジェ
ット記録装置をライン化すること、すなわち該装置を記
録紙の全幅にわたって形成することが容易になり、ライ
ン化した場合には記録紙に対して装置をスキャンさせる
必要がなく記録速度を大幅に高速化できる。

【００１０】さらにまた、記録電極と吸引電極間の空間
は微小であるため、隣接する記録電極間で電界の広がり
による干渉がなく、高密度に配置された記録電極の位置
から記録紙上の正確にインク滴を付着させることがで
き、高解像度を実現できる。

【００１１】一方、本発明のインクジェット記録装置に
背面電極を設けた場合、記録電極と背面電極間に形成さ
れる電界により記録紙に付着するまでのインク滴の飛翔
状態が安定し、記録紙上の所望の位置にインク滴をより
正確に付着させることができる。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して本発明
の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１
実施形態であるインクジェット記録装置の印字部を示
す。この印字部にはインクジェットヘッド１４と、これ
に対向する背面プラテン１０が設けられている。記録紙
Ｐはインクジェットヘッド１４に対向しつつ背面プラテ
ン１０に沿って矢印１２方向に搬送される。

【００１３】インクジェットヘッド１４は、図２に示す
ように、内部にインクを収容した筺体からなり、記録紙
Ｐとの対向部に外側スリット１６が奥行き方向（図２の
紙面に垂直方向）に延びて形成されている。インクジェ
ットヘッド１４の内部には、内側がインクで満たされた
内側スリット（開口部）２０が形成されている。この内
側スリット２０も同様に奥行き方向に延びている。内側
スリット２０から尖った先端２２が突出するように折れ
曲がった細い針状の記録電極２４が配置されており、そ
の先端２２は微小空間１８を隔てて外側スリット１６に
対向している。記録電極２４は内側スリット２０に沿っ
て等間隔に多数配置されており、それぞれ個別に第１電
源２６に接続されて画像情報に応じて電圧が印加される
ようになっている。また、各記録電極２４の先端２２は
インクメニスカス２８によってそれぞれ覆われている。

【００１４】図２、３に示すように、外側スリット１６
の外面縁部の上下には、複数の吸引電極３０が記録電極
２４にそれぞれ対応して形成されており、それらは第２
電源３２に接続されて所定の電圧が印加されるようにな
っている。

【００１５】一方、インクジェットヘッド１４の上部に
は、第１バルブ３８を備えたインク供給路３６と、第２
バルブ３８を備えた大気連通路４０とが設けられてい
る。

【００１６】なお、インクが付着する可能性のあるイン
クジェットヘッド１４の構成部材またはその表面は、撥
インク性材料（例えば、フッ素含有有機化合物）で形成
するかまたは被覆されているのが好ましい。インク付着
離型性がよく、初期の設定状態を維持してインク飛翔安
定性を向上させるためである。

【００１７】次に、上記構成からなるインクジェットヘ
ッド１４のインク充填とインク飛翔動作について説明す
る。まず、インクジェットヘッド１４にインクを充填す
る際、図４に示すように、外側スリット１６形成面にラ
インゴムキャップ４２を当接して覆う。この状態で図示
しないポンプでキャップ吸引しながら第１バルブ３４を
開いてインク供給路３６からインクジェットヘッド１４
内部にインクを流し込み、空気を排出しながらインク充
填を行う。この際、第２バルブ３８を開いて大気連通路
４０を開放しておくと、インクジェットヘッド１４内部
に空気が溜まらずにインクを充満させることができる。
インク充填終了後、第２バルブ３８を閉じて以後の空気
の混入を防止する。

【００１８】インク充填後、ラインゴムキャップ４２を
取り外して記録動作に移行する。記録動作では、画像信
号に応じたＤＣパルス電圧が記録電極２４に印加され
る。このパルス電圧としては、例えば図５（ａ）に示す
台形パルスがある。この台形パルスは、図６に示す回路
で発生させることができ、この回路中の遅延回路１０
１、ランプ波形用放電回路および反転回路１０２、反転
増幅回路１０３の各具体的構成例を図７、８、９にそれ
ぞれ示す。なお、台形パルスの立ち下げ部５０の時間は
使用するインクの電気抵抗に比例して長くするのが好ま
しい。その理由は、インク飛翔後にインクメニスカスに
残留する電荷を除去してリセットするためである。ま
た、インクの電気抵抗が高い場合、後述するように応答
性が低下するため、図５（ｂ）に示すように、台形パル
スの前にサブパルス５２を印加してインクメニスカスに
プレチャージを与えることで応答性を向上させることが
できる。具体的には、後述する実施例３、４のインクの
場合では、応答性を約５００Ｈｚから約２ｋＨｚに改善
できる。

【００１９】記録電極２４にパルス電圧が印加されて記
録電極２４と吸引電極３０間に適当な強度の電界を形成
されると、記録電極２４の先端２２を覆うインクメニス
カスが電界方向に引き伸ばされてTaylor coneと称され
る略円錐状となり、その先端から微小インク滴が分離す
る。インク滴が分離する際の詳細なメカニズムは明らか
ではないが、記録電極２４の先端２２からインクメニス
カスに電荷注入が起こると共に記録電極２４と吸引電極
３０間の電界によりインクメニスカス内部で誘電分極が
起きて局所的に電位の勾配ができることから、略円錐状
となったインクメニスカスの先端にインクを分離してド
ロップ化するクーロン力が作用すると考えられる。ドロ
ップ化したインク滴４８は荷電しているため電界方向に
飛翔し、外側スリット１６から飛び出して記録紙に付着
する。これによりドットが形成され、このドットの集合
により画像が記録される。

【００２０】ここで、通常は記録紙上でのインク滴着弾
位置誤差から生じる画像の乱れを防止するため、インク
ジェットヘッド１４と記録紙間の距離を０．２〜１．５
ｍｍ程度に設定するが、本実施例では０．５ｍｍに設定
した。また、インクには後述する実施例７のものを用
い、記録紙には「LX Jet Series Paper HP51634Z」（Ｈ
Ｐ社製）を用いると共に、ヘッド先端の外側スリット１
６の幅（図２において開口部の縦方向の長さ）を約１５
０μｍ、記録電極２４の直径５０μｍとし、記録電極２
４と吸引電極３０間の電圧差を９５０Ｖに設定したとき
に、直径約９７μｍのドットが形成された。

【００２１】以上のように第１実施形態のインクジェッ
ト記録装置では、記録電極２４と吸引電極３０間の電界
の作用によりインクメニスカスからインク滴を分離、飛
翔させるもので、連続噴射式インクジェット記録装置の
ようにインク滴形成用ポンプや制御電界形成用の比較的
大きな空間が不要であり、装置の小型化、低コスト化を
図れる。

【００２２】また、記録紙背面に背面電極を設けていな
いので、記録電極２４と背面電極間で電気的ショートが
発生することがなく安全性が高い。

【００２３】さらに、第１実施形態のインクジェット記
録装置では、現在実用化されている加圧型インクジェッ
トプリンタのように発熱体やピエゾ素子等の特殊な素材
を用いていないので、インクジェットヘッド１４をライ
ン化して記録紙の全幅にわたって形成することが容易に
なり、ライン化した場合には記録紙に対して装置をスキ
ャンさせる必要がなく記録速度を大幅に高速化できる。

【００２４】さらにまた、記録電極２４と吸引電極３０
間の空間１８は微小であるため、隣接する記録電極２４
間で電界の広がりによる干渉がなく、高密度に配置され
た記録電極２４の位置から記録紙Ｐ上の所定位置に正確
にインク滴を付着させることができ、高解像度を実現で
きる。

【００２５】次に、第１実施形態のインクジェット記録
装置を用いてインク飛翔実験を行い、インク抵抗値とド
ット径、および、インク抵抗値と応答性の関係をそれぞ
れ調べた。この実験では、図１０、１１の各表に示す組
成からなる実施例１〜８、１０、１２のインクを使用し
た。これらに加えて実施例１３のインクとして、溶剤と
して水８０．９％、多価アルコール／ジエチレングリコ
ールを１１％、増粘剤／ポリエチレングリコール♯４０
０を２．５％含み、色剤として染料／Ｂａｙｅｒ ＢＫ
−ＳＰを４．６％含み、添加剤として界面活性剤／オル
フィンＥ１０１０を０．８％、ｐＨ調整剤／ＮａＨＣＯ
₃を０．２％含むものを用いた。

【００２６】図１２のグラフはインク抵抗値とドット径
との関係を示す。このグラフでは、横軸の目盛りを１０
のべき数としてあり、ドット径は記録電極にパルス幅
０．０８ｍｓｅｃ、周波数５ｋＨｚのパルス電圧を印加
して各インクについてそれぞれ１００個のドットを記録
紙上に形成してその平均径を採った。また、プロットし
た各点に付してある番号はインク実施例の番号である。
一方、図１３のグラフはインク抵抗値と追従周波数（応
答性）との関係を示す。このグラフでも同様に、横軸は
１０のべき数としてある。これらのグラフに示すよう
に、インク抵抗値が１×１０³Ωｃｍよい小さい（図１
２におけるインク実施例１３）場合には、抵抗値が小さ
すぎるために記録電極と吸引電極間でショートが発生す
る可能性が高く、インク飛翔が不安定であった。他方、
インク抵抗値が５×１０¹⁰Ωｃｍより大きい（図１２に
おけるインク実施例３および４）場合には、インク飛翔
に必要な電荷を注入するのに時間がかかり、図１３に示
すように追従周波数が５００Ｈｚ程度に低下して印字速
度が極端に遅くなるという不都合があった。したがっ
て、インク抵抗値Ｒ_iは、直径１００μｍ前後のドット
を安定して形成でき、かつ追従応答性が実用上問題のな
い範囲であった１×１０³Ωｃｍ≦Ｒ_i≦５×１０¹⁰Ωｃ
ｍであることが好ましい。

【００２７】なお、第１実施形態のインクジェットヘッ
ド１４では、記録電極２４の先端２２を内側スリット２
０から突出させて設けたが、その突出量は内側スリット
２０の幅（図２において開口部の縦方向の長さ）の３倍
以下とするのが好ましい。３倍より大きくなると一回目
のインク飛翔の後、次のインク飛翔のためのインク供給
が遅くなり記録電極２４の先端２２を覆うインクメニス
カスがもとの状態に戻るのに時間がかかるため、応答性
が低下するからである。反対に、記録電極２４の先端２
２が内側スリット２０の外面よりも内部に入り込んでい
てもよいが、その場合の後退量は上記内側スリット幅の
２倍以下とするのが好ましい。２倍より大きくなるとイ
ンク飛翔に必要な飛翔力が得られなくなり、飛翔力の不
足分を電界の強度アップで補おうとするとキロボルトオ
ーダの電圧の増加が必要となり、実質的にドライバが困
難になるからである。

【００２８】また、内側スリット２０の幅は２０〜３０
０μｍとするのが好ましい。２０μｍより小さいと記録
電極２４を配した場合に隙間が小さくなり、インク補給
性が悪くなって応答性が１００Ｈｚ以下にまで低下し、
印字速度が著しく遅くなるからである。一方、３００μ
ｍより大きくなると、内側スリット２０からのインク垂
れが発生し、記録電極２４と吸引電極３０間でショート
を引き起こす原因となるからである。

【００２９】さらに、内側スリット２０の開口部はスリ
ット形状以外に各記録電極２４に対応した複数のノズル
孔とすることもできるが、ノズル孔は目詰まりしやすい
ため保守面から言えばスリット形状の方が望ましい。

【００３０】さらにまた、外側スリット１６の幅（図２
において開口部の縦方向の長さ）は、内側スリット２０
の幅の０．６倍〜３倍程度が望ましい。０．６倍以下で
はインク滴が外側スリット１６の内面に衝突して飛翔し
ないために画像不良を引き起こしやすく、３倍以上では
吸引電界が広がりすぎてインク飛翔力の低下と飛翔方向
のばらつき拡大が発生するからである。また、上記範囲
のうち０．６〜１倍の範囲では外側スリット１６がキャ
ップに類似の役割を果してインク蒸発防止の効果が増
し、保存性がよくなる。

【００３１】次に、第１実施形態の変形例を図１４を参
照して説明する。この変形例では、インクジェットヘッ
ド１４の構成は第１実施形態と全く同じであるが、背面
プラテン１０を第３電源４６に接続して背面電極として
兼用している。第３電源４６により背面プラテン１０に
電圧が印加されると記録電極２４と背面プラテン１０間
に電界が形成され、この電界によりインク飛翔安定性が
向上する。

【００３２】続いて、第２実施形態のインクジェット記
録装置について図１５、１６を参照して説明する。な
お、図１５、１６については、第１実施形態と同じ構成
部分には同一の符号を付して重複説明を避ける。本実施
形態のインクジェットヘッド１４では、基板６０上に等
間隔に配置された記録電極２４は薄膜状に細く形成され
ている。記録電極２４は、インクメニスカス２８で覆わ
れる先端２２と、第１電源２６への接続部となる後端部
２３を除いて保護膜６２で被覆されており、インクと接
触しないようにしてある。一方、吸引電極３０は外側ス
リット１６の互いに対向する内面縁部に形成されてい
る。また、背面プラテン１０は第３電源４６に接続され
て背面電極として機能する。これら以外の構成は上記第
１実施形態と同様である。この実施形態では、第１実施
形態およびその変形例と同様の作用効果を奏するほか
に、記録電極２４をめっき法やスッパタリング法等でよ
り簡単に、かつ高密度に配置することができ、ヘッドの
製造が容易になり低コスト化できる効果がある。

【００３３】なお、以上に説明した各実施形態および変
形例ではインクジェットヘッド１４を水平方向に配置し
たが、記録電極２４の先端が適当な厚みのインクメニス
カスで覆われ、インク飛翔時にインク垂れや記録電極２
４の露出が起こらなければ、外側スリット１６が下方ま
たは上方に向くようにインクジェットヘッド１４を配置
してもよい。ただし、外側スリット１６が上方に向くよ
うに配置した場合には、インク飛翔状態を安定させる吸
引電界を形成するために、背面プラテン１０を背面電極
として使用することが好ましい。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のインクジェット記録装置の印字部を
示す斜視図。

【図２】 第１実施形態のインクジェットヘッドの断面
図。

【図３】 インクジェットヘッドの正面図。

【図４】 インクジェットヘッドにインクを充填するた
めのキャップ吸引の状態を示す斜視図。

【図５】 記録電極に印加するパルス電圧の例を示す波
形図。

【図６】 記録電極に印加するパルス電圧の発生回路
図。

【図７】 図６の回路の一部の具体的構成例を示す回路
図。

【図８】 図６の回路の一部の具体的構成例を示す回路
図。

【図９】 図６の回路の一部の具体的構成例を示す回路
図。

【図１０】 インク飛翔実験で用いたインクの組成を示
す図表。

【図１１】 インク飛翔実験で用いたインクの組成を示
す図表。

【図１２】 インク抵抗値とドット径の関係を示すグラ
フ。

【図１３】 インク抵抗値と追従周波数の関係を示すグ
ラフ。

【図１４】 第１実施形態の変形例を示す断面図。

【図１５】 第２実施形態のインクジェットヘッドの断
面図。

【図１６】 第２実施形態のインクジェットヘッドの記
録電極形成部を示す平面図。

【符号の説明】

１０…背面プラテン（背面電極）、１４…インクジェッ
トヘッド、１６…外側スリット（スリット）、２０…内
側スリット（開口部）、２４…記録電極、３０…吸引電
極、Ｐ…記録紙。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 インクを満たした開口部に配置され、先
   端がインクメニスカスによって覆われた細い記録電極
   と、この記録電極の上記先端に微小空間を隔てて対向す
   るスリットの縁部に上記記録電極に対応して設けられ、
   上記記録電極との間に電界を形成する吸引電極とを備
   え、上記電界の作用により上記インクメニスカスから分
   離して上記スリットから飛翔するインク滴を記録紙に付
   着させるようにしたインクジェット記録装置。
2. 【請求項２】 上記記録紙の背面に背面電極を設けた請
   求項１に記載のインクジェット記録装置。