JPH11227227A

JPH11227227A - 画像形成装置

Info

Publication number: JPH11227227A
Application number: JP3695198A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Takeyama; 啓之竹山; Masanori Ota; 政典太田; Masahiro Oda; 将宏織田; Yoshisuke Nakamura; 善亮中村; Tadao Yamamoto; 忠夫山本; Eiichi Takeuchi; 榮一竹内
Original assignee: Casio Computer Co Ltd
Current assignee: Casio Computer Co Ltd
Priority date: 1998-02-19
Filing date: 1998-02-19
Publication date: 1999-08-24

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成で目詰まりが無く且つ１ドット毎に
フルカラーの多値面積階調が可能なラインヘッドを備え
たインクジェットプリンタを提供する。【解決手段】印字ヘッド２の下部基板に積層された１ド
ットのインク滴を形成する一組の電極パターンにおい
て、隔壁２５により仕切された親水領域の待機部１７
（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）にはＣインク、Ｍインク及
びＹインクが夫々保持される。これらに連接する夫々大
きさの異なる切断電極１２−１（１２−１ｙ、・・、１
２−４ｙ、・・、１２−３ｍ、・・、１２−２ｃ、１２
−３ｃ、・）は待機部１７から夫々大きさの異なるイン
ク滴２４−３ｍ、２４−２ｍ、・・・を切り出す。混合
電極１３は上記のインク滴を前方に寄せ集めながら混合
し、これにより集滴加速電極１４に集滴されて１ドット
となったインク滴が３個の加速電極１５ａ、１５ｂ、１
５ｃに加速されて吐出口８から記録紙に射出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、１ドットのインク
滴のカラー化が容易なインクジェットプリンタに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】近年、パーソナルコンピュータ等をホス
ト機器として、このホスト機器から出力される印字情報
にしたがって用紙に印字を行う画像形成装置として、イ
ンクジェット方式を採用したプリンタ装置が知られてい
る。

【０００３】このインクジェット方式による印字方式に
は、気泡の発生する力でインク滴を飛ばすバブルジェッ
ト方式や、ピエゾ抵抗素子（圧電素子）の変形によって
インク滴を飛ばすピエゾ方式等がある。

【０００４】これらは、色材たるインクをインク滴にし
て直接記録紙に向かって吐出するという工程により、粉
末状の印材であるトナーを用いる電子写真方式と比較し
た場合、印字エネルギーが低くて済み、インクの混合に
よってカラー化が容易であり、印字ドットを小さくでき
るので高画質であり、印字に使用されるインクの量に無
駄が無くコストパフォーマンスに優れており、このため
特にパーソナル用プリンタとして広く用いられている印
字方式である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記従来の
インクジェット方式では、いずれも印字ヘッドのインク
吐出口は１ドット毎に隔壁によって独立した孔として形
成されている。また、これらの吐出孔は、複数色につい
て独立して形成されている。そして、印字画像の高解像
度が追求されるに応じて、孔の小径化が進んでいる。

【０００６】しかしながら、このように高解像度が要求
されることに応じてインク吐出孔を小さく形成していく
には、インクの目詰まり等の厄介な問題を解決しなけれ
ばならず、このためインクの構成にも印字ヘッドの構成
にも高度の技術が要求され、その実現にはかなりの困難
を伴うものである。

【０００７】また、主走査方向に同時に複数個のインク
滴を射出することのできる所謂ラインヘッドを作製しよ
うとする場合、上記のように小径の吐出孔を得ることが
なかなか困難であるために、これら小径の吐出孔をライ
ン状に形成したとき良品のラインヘッドを得ることので
きる歩留りが悪く、採算上から見ても実現の困難な状況
に置かれていた。

【０００８】また、高階調度を追求するにあたっては、
１画素の階調を複数ドットによって表現する面積階調法
では画素数が粗くなるため適切でなく、多値記録による
面積階調法を用いて高階調度を実現しなければならな
い。

【０００９】そうなると、上記のバブルジェット方式や
ピエゾ方式では、それぞれの構成上からみて原理的にせ
いぜい２値から４値の面積階調しか得られないから、こ
れらを用いて高階調度を実現するのは殆ど絶望的と言わ
ざるを得ない。

【００１０】このため、複数種類の低濃度のインクを用
いて行う濃度階調法も用いられているが、印字ヘッドの
構造が複雑になり過ぎて保守上の問題がある上に、製品
コスト的にも高価なものになって問題が多い。

【００１１】本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、
ライン状の印字ヘッドであって目詰まりが生じ難く、各
ドット毎に射出するインク滴の径が可変であり、且つそ
のインク滴が多色化されるインクジェットプリンタを提
供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】以下に、本発明のインク
ジェットプリンタの構成を述べる。本発明のインクジェ
ットプリンタは、インクを収容しインクとの接触面が親
水性材料で構成され異なる色のインクを収納する複数の
インクタンクと、該複数の各インクタンクからインク吐
出ロヘ連通する単一のインク通路と、該インク通路の一
壁に設けられた共通電極と、上記インク通路の他壁にお
いて上記複数の各インクタンクに連接して設けられた複
数の切断電極と、該複数の切断電極の上記インク吐出口
側に隣接して設けられた単一のインク混合電極と、該イ
ンク混合電極から上記インク吐出口方向へ所定の距離を
隔てて設けられた複数の加速電極と、上記共通電極、上
記切断電極、上記インク混合電極及び上記加速電極の表
面に設けられた撥水性皮膜と、上記共通電極と上記切断
電極間、上記共通電極と上記インク混合電極間、及び上
記共通電極と上記加速電極間に制御電圧を印加する印加
手段と、を有し、該印加手段は、外部から送られる印字
信号に従って上記共通電極と特定の上記切断電極間に制
御電圧を印加した後、上記共通電極と上記インク混合電
極間に制御電圧を印加し、更に上記インク混合電極に近
い加速電極から上記インク吐出口に近い加速電極へと順
次に制御電圧を印加するように構成される。

【００１３】上記複数の切断電極は、例えば請求項２記
載のように、複数一組として上記複数の各インクタンク
毎に設けられ、該インクタンク毎に対応する複数一組の
配列方向の幅がそれぞれ異なるように構成される。ま
た、例えば請求項３記載のように、上記共通電極との電
極間距離において上記インクタンク側よりも上記インク
吐出口側のほうが狭く形成される。また、例えば請求項
４記載のように、上記インク吐出口側の幅よりも上記イ
ンクタンク側の幅のほうが狭く形成される。

【００１４】上記加速電極は、例えば請求項６記載のよ
うに、インク吐出口に近いものほど上記インク通路に沿
って長く形成される。上記印加手段は、例えば請求項５
記載のように、上記共通電極と上記加速電極間に印加す
る制御電圧の印加時間を上記インク吐出口に近い加速電
極ほど短く設定する。また、例えば請求項７記載のよう
に、上記共通電極と上記加速電極間に印加する制御電圧
の印加時間を各加速電極に対し同一に設定する。

【００１５】上記インク通路は、例えば請求項８記載の
ように、上記共通電極と上記加速電極の電極間距離にお
いて上記インクタンク側よりも上記インク吐出口側のほ
うが広く形成される。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しながら説明する。図１(a) は、一実施の形態に
おけるインクジェット方式による画像形成装置（インク
ジェットプリンタ）の概略断面図であり、同図(b) はそ
の印字ヘッド部の拡大斜視図である。同図(a) に示すよ
うに、インクジェットプリンタ１は、印字ヘッド２、イ
ンクを収容したインクタンク３、記録紙４の搬送機構
５、および不図示の印字ドライバ等で構成されている。
印字ヘッド２は、同図(b) に示すように、上部基板６と
下部基板７が対向して構成され、複数ドットのインク滴
を同時に射出可能な吐出口８を備えている。

【００１７】このインクジェットプリンタ１の基本動作
を簡単に説明すると、先ず、記録紙４が、搬送機構５に
よって図の矢印Ａで示すように装置内部の印字エリア９
に搬送される。この搬送に対応して印字ヘッド２がその
先端の吐出口８から、印字ドライバによって制御された
印字データに基づいて複数個のインク滴を記録紙４に対
し連続的に射出して、記録紙４の表面に印字画像を形成
する。表面に画像を形成された記録紙４は搬送機構５に
よって図の矢印Ｂで示すように機外に排出される。

【００１８】図２(a) は、上記の印字ヘッド２の構成を
示す側断面図であり、同図(b) は、その切断電極の平面
図である。図２(a) に示すように、印字ヘッド２は、上
部基板（図示を省略）の絶縁層に積層された共通電極１
１と、下部基板（図示を省略）の絶縁層に並べて積層さ
れた切断電極１２、混合電極１３、集滴加速電極１４及
び３個の加速電極１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ）と
が、インク通路１６を挟んで対向配置されている。上記
の切断電極１２は、詳しくは後述するが、図の紙面垂直
方向に複数個を並べて配設されており、同図(b) の平面
図は、１個のみを代表的に示したものである。

【００１９】図２(a) に示すように、インク通路１６は
後方が待機部１７を介してインクタンク３に連通し、前
方は開口して図１(b) に示した吐出口８を形成してい
る。このインク通路１６に、インクタンク３に収容され
ているインク１９が待機部１７を介して供給される。

【００２０】そのインクタンク３の内壁及び待機部１７
の上下の内壁は、共に親水性を示す材料（例えば、ポリ
エチレンテレフタレートなどインク滴の接触角が９０度
未満となる材料）からなる親水性皮膜によって覆われて
いる。

【００２１】そして、インク通路１６上方の共通電極１
１が形成する壁面と、これと対向する下方の切断電極１
２、混合電極１３、集滴加速電極１４及び加速電極１５
が形成する壁面は、撥水性材料（例えば、ＰＴＦＥなど
のフッ素系化合物などインク滴の接触角が９０度より大
きくなる材料）からなる撥水性皮膜層によって覆われて
いる。

【００２２】この構成において、上述したように、図２
(a),(b) に破線Ｃで示す境界からインクタンク３側とな
る左方の部分、つまり待機部１７は、インク１９と接す
る面が親水性であり、破線Ｃの境界から吐出口８に向か
う右方側は撥水性である。したがって、インク１９は、
破線Ｃで示す境界の左方領域で保持され、この領域から
先（破線Ｃの境界から右方側）には自発的には進入しな
い。

【００２３】その境界に接している切断電極１２は、図
２(b) に示すように、吐出口８側の部分１２ｂの幅より
も、インクタンク３側の部分１２ａの幅のほうが狭く形
成されている。

【００２４】そして、このような共通電極１１、切断電
極１２、混合電極１３、集滴加速電極１４、加速電極１
５の図２(a) に示した配置において、電圧の印加によっ
て破線Ｃで示す境界の右方領域に引き出されたインク
が、複数の切断電極１２により切断されて複数のインク
滴となり、この複数のインク滴が混合電極１３によって
集滴加速電極１４方向へ寄せ集められながら混合され、
集滴加速電極１４上に、より大きな一塊のインク滴を形
成する。このインク滴は、加速電極１５ａ〜１５ｃによ
って図２(a) に矢印Ｘで示すように吐出口８に向けて加
速され、吐出口８から射出されて、記録紙４の紙面に１
ドットの画像を形成する。

【００２５】ここで、インク１９に、上記のように作用
する力の基本原理について説明する。一般に画像記録に
用いられるインク材としては、水性インクや油性インク
が知られている。両インクとも物理学的には誘電体であ
り、任意の誘電率に制御することが可能である。このよ
うな誘電体が電場内に置かれたとき、この誘電体に作用
する力は、電磁気学ではマックスウェルの応力として知
られている。この力は誘電体の界面に作用するベクトル
力であるが、説明を簡素化するために、以下の説明では
界面に平行な電場と垂直な電場に分けて考える。

【００２６】図３(a) は、電場が誘電体界面に平行な場
合の説明図であり、同図(b) は、電場が誘電体界面に垂
直な場合の説明図である。同図(a) は接地電極２１と、
これと対向して配設されて電圧Ｖを印加されている電極
２２との間に、誘電率ε_iの誘電体１９ａ（インク滴）
がある場合に相当する。この場合、誘電体１９ａの界面
の内側（右端面）と外側（左端面）の界面に平行な電場
をＥ0 とすると、誘電体１９ａの界面に単位面積あたり
作用する力ｆ_vはマックスウェルの応力から

【００２７】

【数１】

【００２８】と計算される。この力は電場の方向（電圧
Ｖの極性）に関係なく誘電率の大きい側から小さい側に
作用するため、図３(a) では、同図の矢印ｆ_vで示すよ
うに誘電体１９ａを両電極間内に引っ張り込む方向に働
く。

【００２９】また、同図(b) は、同一面（通路２３を形
成する上下の壁面の一方の壁面）に形成した接地電極２
１′と電圧Ｖを印加された電極２２′との間に誘電率ε
_iの誘電体１９ａ′（インク滴）がある場合に相当す
る。この場合、誘電体１９ａ′の界面を貫く界面に垂直
な電束密度をＤとすると、誘電体１９ａ′の界面に単位
面積あたり作用する力ｆ_hはマックスウェルの応力から

【００３０】

【数２】

【００３１】と計算される。この力も電場の方向（電圧
Ｖの極性）に関係なく誘電率の大きい側から小さい側に
作用するため、図３(b) では、同図の矢印ｆ_hで示すよ
うに誘電体１９ａ′を通路２０内に引っ張り込む方向に
働く。

【００３２】以上が本発明のインク１９に作用する力の
基本原理であるが、上記に説明したように電場が誘電体
界面に略平行になるような電極配置（図３(a) 参照）で
も、あるいは電場が誘電体界面に略垂直になる電極配置
（図３(b) 参照）でも、あるいは両電極配置を複合した
ものでも、本発明のインクジェットプリンタを構成する
ことは可能である。

【００３３】続いて、上述した切断電極１２によるイン
ク滴の切断のメカニズムについて説明する。尚、以下、
本実施の形態におけるインクジェットプリンタとして
は、図２(a)に示した電場が誘電体界面に略平行になる
電極配置で構成されたものを例として取り上げて説明す
る。また、以下の説明において、インク通路１６の間隙
は、解像度を３００ｄｐｉ（ドット／インチ）で印字す
る場合の構成として、１０μｍ〜５０μｍ（マイクロ・
メータ）の間であり、好ましくはおよそ２０μｍとして
いる。そして、切断電極１２に印加する電圧の波形はパ
ルス波形であり、その印加時間は５μｓｅｃ〜２０μｓ
ｅｃ（好ましくはおよそ１０μｓｅｃ）であり、印加電
圧は５０Ｖ〜１００Ｖ（好ましくはおよそ７０Ｖ）であ
る。また、混合電極１３、集滴加速電極１４及び加速電
極１５に印加する電圧も略同様である。

【００３４】図４(a),(b) 及び図５(a),(b) は、前述の
図２(b) とともに、インク滴を切断する行程を時間と共
に順を追って示す図である。また、図５(c) は、同図
(a) のときのインクの表面積を近似して示す図である。

【００３５】まず、インク１９が切断電極１２に引き込
まれる行程を説明する。先の図２(b) に示す状態は（図
２(a) も参照）、切断電極１２に電圧が印加される前の
状態である。尚、吐出口８方向をＸ方向として以下説明
する。

【００３６】図２(b) の状態で、切断電極１２に電圧を
印加すると、インク１９と空気の境界面（以下、単にイ
ンク１９の界面という）のうち、切断電極１２に対応し
た破線Ｃで示す境界のＺ領域で電界が発生する。そし
て、図２(a) に示すように、マックスウェルの応力によ
り、Ｚ領域にＸ方向に力ｆが働く。

【００３７】これにより、Ｚ領域に対応したインク１９
の界面がＸ方向に引っ張られて電界の発生している方向
へ移動する。すなわち、図４(a) に示すように、待機部
１７の領域ａに保持されていたインク１９が、切断電極
１２のインクタンク側部分１２ａの領域ｂ内に突出した
状態となって、その先端は切断電極１２の吐出側部分１
２ｂの領域ｃへと達する。

【００３８】電界の発生する範囲が領域ｂと異なる領域
ｃにおいては、領域ｃ内に進入したインク１９の界面全
体に力が働き、切断電極１２の形状に沿って、図４(b)
に示すようにＸ方向以外にも広がった状態となる。

【００３９】続いて、上記の図４(b) のように親水領域
（領域ａ）から撥水領域（領域ｂ及び領域ｃ）へ突出し
たインク１９が、切断されてインク滴が形成される行程
を説明する。

【００４０】図５(a) に示すように、親水領域αから撥
水領域βに突出した部分のインク１９の表面エネルギー
をＷとし、図５(b) のような切断後のインク滴２４の表
面エネルギーをＴ、切断に必要なエネルギーをＥとする
と、切断前の表面エネルギーＷが切断エネルギーＥと切
断後の表面エネルギーＴを加えた値より大きくなるとこ
ろでインク１９が切断される。

【００４１】そこで、図５(a) と図５(b) とで表面エネ
ルギーＷ，Ｔ及び切断エネルギーＥを計算して、それら
を比較すると、切断エネルギーＥは切断面積とインク１
９の表面張力（エネルギー）γの積の２倍したものと、
切断後の運動エネルギーＫであるから

【００４２】

【数３】

【００４３】である。ここで、表面エネルギーＴと前述
の切断エネルギーＥを合わせた値を合成エネルギーＴ′
として、図５(a) のときの表面積を図５(c) で近似する
と、

【００４４】

【数４】

【００４５】

【数５】

【００４６】となる。上記の式において、ｒ₂は切断電
極１２のインクタンク側部分１２ａの幅で決るものであ
り、ほぼ一定である。また、切断後の運動エネルギーＫ
は、引き出されるインク１９の領域ｂに対応する部分の
長さＬ及び領域ｃに対応する部分に近似されるインク滴
２４′の半径ｒ₁に対してほぼ一定である。一方、切断
時には長さＬ、半径ｒ₁はどちらも大きくなるので、切
断前の表面エネルギーＷは、長さＬおよび半径ｒ₁に比
例して増加する。

【００４７】図６は、上記切断前の表面エネルギーＷ及
び合成エネルギーＴ′と、長さＬ及び半径ｒ₁との関係
を示すグラフである。同図のグラフに示すように、長さ
Ｌ及び半径ｒ₁の増加とともに切断前の表面エネルギー
Ｗは増加する。そして、合成エネルギーＴ′と比較した
とき、その合成エネルギーＴ′よりも大きくなるところ
がある。

【００４８】上記のグラフにおいて、インク１９の突出
部のエネルギーは、２つの直線Ｗ及び直線Ｔ′のエネル
ギーが低い方をとるから、長さＬ及び半径ｒ₁の増加に
対して、同図の範囲、、の値をとらずに、範囲
、、の値をとる。これは、つまり図５(b) に示す
ような状態へ移行して、インク１９が切断され、自身の
表面張力により液滴形状（インク滴２４）になることを
意味している。尚、これによって、インク１９の切断は
終了する。

【００４９】上記のインク滴２４は、Ｘ方向へ切断した
のであるから、インク滴２４は切断直後にＸ方向への運
動量をもっている。インク滴２４は、Ｘ方向へ移動しな
がら前述したように混合電極１３によって集滴加速電極
１４に寄せ集められる。

【００５０】図７(a) は、印字ヘッド２の下部基板に積
層された一組の電極パターンの構成を示す平面図であ
り、同図(b) は、その混合電極１３と集滴加速電極１４
部分の側断面図及びエネルギー場の状態を示す図であ
る。

【００５１】同図(a) に示すように、印字ヘッド２は、
外側２つと内部２つの合計４つの隔壁２５によって仕切
られた３つの待機部１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）を
有している。これらの待機部１７は、前述したように親
水領域を構成し、そこには図外のインクタンク３から供
給される誘電体としての性質を有するインク１９が保持
されている（図１(a),(b) 及び図２(a) 参照）。

【００５２】これらの待機部１７に保持されるインク
は、それぞれ減法混色の三原色であるＣ（シアン：緑味
のある青色）、Ｍ（マゼンタ：赤色染料）、及びＹ（イ
エロー：黄色）からなる。これらのインクは、特には図
示しないが、インクタンク３の内部を隔壁により３つに
仕切った独立の空房に個別に収容されており、これらの
空房にそれぞれ連通する各待機部１７（１７ａ、１７
ｂ、１７ｃ）に供給されるようになっている。

【００５３】そして、これらの待機部１７に連接して、
インク滴形成部２６が配置される。インク滴形成部２６
には、各待機部１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）にそれ
ぞれ対応して、複数の（この例ではそれぞれ４個の）大
小異なる大きさの切断電極１２−１（１２−１ｃ、１２
−１ｍ、１２−１ｙ）、１２−２（１２−２ｃ、１２−
２ｍ、１２−２ｙ）、１２−３（１２−３ｃ、１２−３
ｍ、１２−３ｙ）及び１２−４（１２−４ｃ、１２−４
ｍ、１２−４ｙ）が横方向すなわちＸ方向（吐出口方
向）に直角な方向に並んで配置されている。

【００５４】これら大きさの異なる切断電極１２（１２
−１、１２−２、１２−３、１２−４）は、親水領域の
待機部１７から、Ｃインク、Ｍインク及びＹインク毎
に、それぞれ大きさの異なるインク滴を切り出すために
配置されている。このインク滴の切り出しについては、
図３〜図５で述べた通りであり、印字情報に基づいて、
電圧を印加すべき切断電極が選択され、これによりイン
ク滴の切り出しが行われて、Ｙ、Ｍ、Ｃそれぞれのイン
クによる印字情報に対応する図５(b) に示したインク滴
２４が形成される。

【００５５】上記の切断電極１２により形成される（切
り出される）インク滴の大きさは、この例では、一番小
さい切断電極１２−１から一番大きな切断電極１２−４
まで順に、インク滴の切り出し量を、階調値１に相当す
る量の切り出し、階調値４に相当する量の切り出し、階
調値１６に相当する量の切り出し、階調値６４に相当す
る量の切り出しとして設定されている。

【００５６】これらの切断電極１２（インク滴形成部２
６）に隣接して設けられる混合電極１３は、先の図２
(a) では説明の便宜上、他の電極と同様の長さで示した
が、実際にはこの図７(a),(b) に示すように、最も長く
大きな電極である。上記の切断電極１２によって切り出
されたインク滴２４（図５(b) 参照）は、この混合電極
１３上を、図７(b) に示すような静電場ポテンシャルエ
ネルギーの中でマックスウエルの応力を受けながら移動
して集滴加速電極１４に向けて混合されながら寄せ集め
られる。

【００５７】図８(a),(b) 及び図９(a),(b) は、インク
滴が切断電極で形成されて吐出口８から吐出（射出）さ
れるまでの行程を時間と共に順を追って示す図である。
図８(a) は、切断電極１２−１ｙで階調値１に相当する
量のＹインクが切り出され、切断電極１２−４ｙで階調
値６４に相当する量のＹインクが切り出され、切断電極
１２−３ｍで階調値１６に相当する量のＭインクが切り
出され、切断電極１２−２ｃで階調値４に相当する量の
Ｃインクが切り出され、そして切断電極１２−３ｃで階
調値１６に相当する量のＣインクが切り出された状態を
示している。

【００５８】図８(b) は、上記切り出された階調値１の
Ｙインク滴２４−１ｙ、階調値６４のＹインク滴２４−
４ｙ、階調値１６のＭインク滴２４−３ｍ、階調値４の
Ｃインク滴２４−２ｃ、及び階調値１６のＣインク滴２
４−３ｃが、混合電極１３上をそれぞれ図の矢印に示す
経路を描いて混合されながら集滴加速電極１４に集合す
る状態を示している。

【００５９】このとき、切断電極１２への電圧印加は停
止されており、図７(b) に示すように、混合電極１３と
集滴加速電極１４に電圧が印加される。そして、混合電
極１３に印加される電圧よりも、集滴加速電極１４に印
加される電圧の方が高くなるように制御される。これに
よって、図７(b) に示すような静電場ポテンシャルエネ
ルギーが形成される。

【００６０】そして、例えば、図７(b) における静電場
ポテンシャルエネルギーを示すグラフにおいて、位置Ｐ
0 にあるインク滴２４は、それよりも高い静電場ポテン
シャルエネルギーを有する位置Ｐ3 から位置Ｐ4 の範囲
には進入できず、位置Ｐ0 から位置Ｐ4 の範囲内を移動
する（図の位置Ｐ1 は混合電極１３の中心、位置Ｐ2は
混合電極１３と集滴加速電極１４との境界、位置Ｐ3 は
集滴加速電極１４の中心である）。

【００６１】図８(b) に示す各矢印の移動経路におい
て、混合電極１３からインク滴２４の一部が外部に突出
すると、その部分に作用する電界は極小になるので、突
出した側面の反対側の側面に働く力だけが残り、インク
滴２４には混合電極１３内に引き戻されるような力が働
く。よって混合電極１３により電界が発生されている限
り、インク滴２４が混合電極１３から外側に飛び出すこ
となく、ひたすら静電場ポテンシャルエネルギーの低い
ほうへと移動し、最終的に静電場ポテンシャルエネルギ
ーの最も低い位置Ｐ3 、すなわち集滴加速電極１４の中
心に移動して集滴され、混合される。

【００６２】図９(a) は、上記のように混合されて集滴
加速電極１４上に集滴されたインク滴２７を示してい
る。このインク滴２７は、加速電極１５ａ、１５ｂ、１
５ｃによって順次加速されて、同図(b) に示すように、
吐出口８からＸ方向に射出され記録紙４（図１(a) 参
照）に印字される。

【００６３】図１０(a) 〜(d) は、上記インク滴２７の
加速工程のメカニズムを説明する図であり、インク滴２
７の加速工程を時間とともに順を追って示している。同
図に示すように、集滴加速電極１４から吐出口８の間
に、前述したように３個の加速電極１５（１５ａ、１５
ｂ、１５ｃ）が、所定の間隔で配置されている。インク
滴２７への加速は、３個の加速電極１５ａ、１５ｂ、及
び１５ｃに順に電圧を印加することによって行われる。

【００６４】先ず、図１０(a) は、インク滴２７が集滴
された時点の状態（以下、加速初期状態という）を示し
ている。この加速初期状態の時点で集滴加速電極１４を
オフにし、加速電極１５ａをオンにする。すると、Ｘ方
向に対して、図１０(c) に示すように、加速電極１５ａ
の中心で最も低くその前後では高くなる静電場のポテン
シャルエネルギーがＸ方向に対して形成される。

【００６５】インク滴２７は、その接触するインク通路
１６の壁面が撥水性のため、Ｘ方向への運動に対してほ
とんど抵抗を受けないから、加速電極１５ａから広がる
電界により、吐出口８方向へ力を受けて、同図(b) に示
すように、加速電極１５ａまで到達し、更に、そこから
加速電極１５ａ内の強い電界によってインク滴２７は加
速電極１５ａ中央まで加速を続ける。

【００６６】このように、集滴加速電極１４から出たイ
ンク滴２７は、加速電極１５ａの中心までは加速される
が、そのままの状態では、同図(c) に示す静電場のポテ
ンシャルエネルギーの対称性から、その先で逆方向に力
を受けることになって減速されてしまう。

【００６７】そこで、同図(d) に示すようにインク滴２
７が加速電極１５ａの中心の位置まで到達したところ
で、その加速電極１５ａをオフすることにより、インク
滴２７は効率よく加速される。

【００６８】さらに、ここで、次の加速電極１５ｂをオ
ンにすることにより、インク滴２７と加速電極１５ａ及
び加速電極１５ｂとの状態配置が、上述した加速初期状
態のインク滴２７と集滴加速電極１４及び加速電極１５
ａとの状態配置と同じになり、これにより、ここまでの
加速行程を繰り返すことになって、連続してインク滴２
７を加速することができるようになる。

【００６９】すなわち、インク滴２７が加速電極１５
ａ、１５ｂ及び１５ｃそれぞれの中心に達した時点で、
そのインク滴２７が到達した加速電極をオフにし、次の
加速電極をオンにすることによって、インク滴２７を加
速し続けることが出来、必要な運動量を持たせることが
できる。

【００７０】図１１(a),(b) は、上記の加速電極１５
ａ、１５ｂ及び１５ｃへの電圧印加をオン・オフするタ
イミングを示す図である。本実施の形態においては、集
滴加速電極１４に対して加速電極１５ａ、１５ｂ及び１
５ｃは、同図(a) に示すように、Ｘ方向に等しい間隔ｍ
１、ｍ２及びｍ３（ｍ１＝ｍ２＝ｍ３）をもって配置さ
れている。このように、各電極の間隔（区間）ｍ１、ｍ
２及びｍ３が同じ距離であるので、インク滴２７が加速
電極１５ａ、１５ｂ及び１５ｃで夫々加速されると、区
間ｍ１を通過する時間よりも区間ｍ２を通過する時間が
短くなり、さらに区間ｍ２を通過する時間よりも区間ｍ
３を通過する時間が短くなる。

【００７１】したがって、そのように区間毎に順次短く
なる通過時間に対応して、加速電極１５ａ、１５ｂ及び
１５ｃの制御パルス幅を、同図(b) に示すように順次短
くする必要がある。こうして、加速電極１５ａ、１５ｂ
及び１５ｃの制御パルス幅を順次短くなるように電圧を
印加してインク滴２７を加速して、同図(b) に示すよう
に、時刻Ｔ３で最後の加速電極１５ｃをオフにすると、
インク滴２７はそれまでに加速された運動量をもって印
字ヘッド２から記録紙４（図１参照）に向かって飛び出
し、記録紙４に着弾して１ドットを形成する。

【００７２】尚、インク滴２７を吐出口８から連続して
射出する場合は、先行するインク滴２７の運動を妨げな
い領域で各電極に電圧を印加することが望ましい。すな
わち、図１０(d) に示したインク滴２７が加速電極１５
ａに到達した時点、つまり、加速電極１５ａをオフに
し、次の加速電極１５ｂをオンにするとき（又はその後
の出来るだけ早い時期に）、集滴加速電極１４がオンに
なって次のインク滴２７が集滴された状態とし、その
後、前述した行程を繰り返すと、連続してインク滴２７
を吐出口８から噴出することができる。尚、上記の制御
パルス幅は、後述する階調によって変化するインク滴の
大きさなどによっても変更される。すなわち画像情報に
応じて選択的に制御するようにする。

【００７３】このように、本実施の形態によれば、色毎
に対応する複数の電極で、量的に階調性のある、すなわ
ち大小異なるインク滴を、色毎に作成し、これらを混合
・集滴してフルカラーの多値の面積階調を有する１ドッ
トに対応するインク滴を形成し、そのインク滴を、複数
の加速電極で加速して一つの吐出口から射出することが
できる。また、インク滴を切り出した後、吐出口までの
インク通路には、隔壁が全く無い構造となっている。

【００７４】尚、上記のようにフルカラーのインク滴を
形成するには、Ｙインク、Ｍインク、及びＣインクに対
応するそれぞれ複数の切断電極の大きさを、色毎に、１
個を階調値１に必要な量のインク滴を形成する大きさと
し、他は階調値２2 に必要な量のインク滴を形成する大
きさに設定する。そして、これらの切断電極を画像情報
の階調値に応じてオン／オフ制御すればよい。

【００７５】本実施の形態では、印字ヘッド２の１組の
電極パターンは、上述したように、Ｙインク、Ｍイン
ク、及びＣインクに対し、１色につき４個の切断電極を
有している。そして、４個の切断電極は、それぞれ階調
値１、階調値４、階調値１６及び階調値６４に必要なイ
ンク滴を形成する大きさに設計されている。

【００７６】図１２は、上記構成の切断電極から切り出
されるインク滴の組み合わせとして得られる階調を示す
図表（長いので部分的に切り欠いて示す）である。同図
は、上段１行の欄に、上記の構成において１色につき２
５６階調を出力する場合の階調値１、２、３、・・・、
２４、２５、２６、・・・、１４１、１４２、１４３、
・・・、２５４、２５５、２５６を示しており、左端１
列の欄に、４個の切断電極１２−１、１２−２、１２−
３及び１２−４（同図では電極ア、電極イ、電極ウ、及
び電極エとしている）を示している。

【００７７】そして、上段１行の欄に示す各階調値と、
左端１列の欄に示す各電極名とに対応する各行各列の升
目欄に示す数値は、対応する切断電極によるインク滴の
形成回数を示している。例えば、階調値１では電極アで
１滴を形成、階調値５では電極アで１滴及び電極イで１
滴を形成する。また、階調値２５では電極アで１滴、電
極イで２滴、及び電極ウで１滴を形成する。そして、階
調値２５６では電極エのみで４滴を形成する。

【００７８】これによって、１色で２５６階調の面積階
調が１ドットで得られる。したがって、Ｃインク、Ｍイ
ンク、及びＹインクの３色では、２５６階調の３乗、す
なわち約１６７０万色の階調が得られる。尚、上記の図
表は制御部のメモリ内にテーブルとして記憶されてい
る。

【００７９】図１３(a) は、印字ヘッド２が一度に射出
する複数ドットに対応して複数組の図７(a) に示した電
極パターンが形成されている下部基板を示す図であり、
同図(b) は、その下部基板に対応する上部基板を示す
図、同図(c) は、印字ヘッドの外観を示す斜視図であ
る。いずれも、これまでの説明図で横向きに示してきた
ものを下向きにして示したものである。

【００８０】同図(c) に示す印字ヘッド２（図１(b) と
同じ）の下部基板７には、同図(a)に示すように、複数
組の図７(a) に示した電極パターン２９が、横方向（Ｙ
方向）にピッチＰの間隔で並んで積層されている。

【００８１】親水性の領域αには、図７(a) にも示した
ように、色の異なるインクが混じり合わないように隔壁
２５が配設されているが、電極パターン２９が積層され
ている撥水性の領域βには、隔壁は存在しない。

【００８２】ところで、図１３(a) に示すように、電極
パターン２９の配設幅（ピッチＰ）は当然ながら１ドッ
トの幅より大きい。したがって、このままではピッチＰ
の解像度しか得られない。つまり密な解像度は得られな
い。

【００８３】図１４(a),(b) は、そのような問題を解決
するための一例を示す図であり、同図(a) は印字ヘッド
の構成を示す正面図、同図(b) はその印字部の構成を記
録紙と対応させて示す図である。同図(a) に示すように
印字ヘッド３１は、図１３(a),(b),(c) に示した印字ヘ
ッド２を、横方向の位置をＰ／３だけずらせて３個重ね
て構成したものである。これによって、１個の印字ヘッ
ド２ではピッチＰの広い間隔であった吐出口８が、これ
らが３個重なった印字ヘッド３１では、これを横方向で
見ると、吐出口８がピッチＰ／３で並んでいることにな
る。この印字ヘッド３１の横方向を、同図(b) の矢印Ｆ
で示す記録紙４の搬送方向に直角な方向（主走査方向）
に一致させて印字するようにすれば、解像度が３倍の印
字を行うことができる。このように、ｍ個の印字ヘッド
２をピッチＰ／ｍづつ横にずらして配置すれば、ｍ倍の
解像度の印字を容易に行うことができる。

【００８４】図１５は、密な解像度を得るための、他の
方法を示す図である。この場合は同図に示すように使用
される印字ヘッド２は１個のみである。この印字ヘッド
２を記録紙４の主走査方向に対して角度θだけ傾斜させ
て対向配置する。ただし、この配置角度θは「０°＜θ
＜９０°」である。

【００８５】このようにすると、印字ヘッド２を主走査
方向に並行に配置した場合に比較して、吐出口のピッチ
が、ピッチ「Ｐ」からピッチ「Ｐ／Ｃｏｓθ」に変化す
る。すなわち角度θが大きくなるほどピッチ（解像度）
が細かくなる。

【００８６】尚、上記の説明では、共通電極と下部基板
の各電極との間隔を一定として説明しているが、これに
限ることなく、例えばインクタンク側よりも吐出口側の
ほうが狭くなるように形成してもよい。

【００８７】図１６は、そのように共通電極との間隔が
インクタンク側よりも吐出口側のほうが狭くなるように
配置された混合電極の構成を示す図である。同図に示す
ように、混合電極１３は、共通電極１１との間隔が、イ
ンクタンク側（図の左方）よりも吐出口側（図の右方）
のほうが狭くなるように形成されている。

【００８８】換言すれば、撥水性絶縁層３２（これまで
の説明では図示を省略していたもの）の厚さが、吐出口
方向（集滴加速電極方向）にいくほど薄くなっている。
尚、同図では、図示するうえでの便宜上、インク滴２４
とインク通路１６との接触角を９０度として示してあ
る。

【００８９】ここで、混合電極１３と共通電極１１によ
り電界を発生させた場合を考え、インク滴２４の右側端
面の電界Ｅ１とインク滴２４の左側端面の電界Ｅ３を計
算してみると

【００９０】

【数６】

【００９１】

【数７】

【００９２】となる。この電界よりインク滴２４の右側
に働く力とインク滴２４の左側に働く力の計算ができ
る。よって、いま右向きに働く力を正としてインク滴２
４に働く力を単位面積当たりで求めると

【００９３】

【数８】

【００９４】となる。括弧内の右項は左項より明らかに
小さいのでインク滴２４に働く力は常に正となり右向き
の方向となる。インク滴２４の位置は任意の場所である
ので、インク滴２４の場所および切断面の方向に関係な
く、インク滴２４には撥水性絶縁層３２が薄いほう、す
なわち共通電極１１と混合電極１３との電極間隔が狭い
方へ、すなわち集滴加速電極方向へ力が働くことがわか
る。これにより、効率よくインク滴２４を集滴加速電極
に寄せ集めることができる。

【００９５】また、上述した実施の形態においては、図
１１(a) に示したように各加速電極の吐出口方向の長さ
を同じ長さにしているが、加速電極の長さはこれに限る
ものではない。

【００９６】図１７(a) は、加速電極１５ａ′、１５
ｂ′及び１５ｃ′の形状が吐出口８′側の電極ほど順次
Ｘ方向に長く形成されている例を示す図であり、同図
(b) は、それらの加速電極をオン・オフするタイミング
を示す図である。同図(a) に示すように、この印字ヘッ
ドは、共通電極１１に対向してＸ方向に並んで配置され
る切断電極が、各電極間の区間ｎ１、ｎ２、ｎ３が「ｎ
１＜ｎ２＜ｎ３」の関係をもって順次長く形成されてい
る。この区間ｎ１、ｎ２、ｎ３の各距離は、加速電極１
５ａ′、１５ｂ′、１５ｃ′により順次加速されていく
インク滴がいずれの区間をも等しい通過時間で通過する
距離として設定されている。

【００９７】これにより、各加速電極１５ａ′、１５
ｂ′及び１５ｃ′を制御する電圧のパルス幅を、図１７
(b) に示すように、いずれも同じ幅にすることができ
る。したがって、加速電極への制御の負担を軽減するこ
とができ、また、吐出するまでのインク滴への加速時間
が、図１１(b) に示した場合よりも長くなり、その分だ
け一つの加速電極で加速される速度が大きくなり、イン
ク滴への加速効率が向上する。

【００９８】

【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、複数色のインクから複数種類の大きさで切り出し
たインク滴を混合・集滴して１ドット分のインク滴とす
ることの出来る電極パターンを基板上に複数組配置して
印字ヘッドを構成するので、１ドットで多値面積階調を
形成できる複数ドット構成のラインヘッドを容易に形成
でき、したがって、簡単な構成の印字ヘッドでフルカラ
ー印字を行うインクジェットプリンタを提供することが
可能となる。

【００９９】また、各電極間に隔壁を持たないので、簡
単で目詰まりのない構成の印字ヘッドを容易に形成する
ことができ、したがって、安価で使い勝手のよいフルカ
ラー印字のインクジェットプリンタを提供することが可
能となる。

【０１００】また、印字ヘッド内で複数色のインクを混
合するので、記録紙上で色を重ねてフルカラーを実現す
る方式に比較して色ずれが無く、したがって、良質のカ
ラー画像の出力が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】(a) は一実施の形態におけるインクジェットプ
リンタの概略断面図、(b) はその印字ヘッド部の拡大斜
視図である。

【図２】(a) は印字ヘッドの構成を示す側断面図、(b)
は切断電極の平面図である。

【図３】マックスウェルの応力を説明する図であり、
(a) は電場が誘電体界面に平行な場合の説明図、(b) は
電場が誘電体界面に垂直な場合の説明図である。

【図４】(a),(b) はインク滴を切断する行程を時間と共
に順を追って示す図（その１）である。

【図５】(a),(b) はインク滴を切断する行程を時間と共
に順を追って示す図（その２）である。

【図６】インク滴の切断前の表面エネルギーＷ及び合成
エネルギーＴ′と長さＬ及び半径ｒ₁との関係を示すグ
ラフである。

【図７】(a) は印字ヘッドの下部基板に積層された一組
の電極パターンの構成を示す平面図、(b) は混合電極と
混合加速電極部分の側断面図及びエネルギー場の状態を
示す図である。

【図８】(a),(b) はインク滴が形成されて吐出されるま
での行程を時間と共に順を追って示す図（その１）であ
る。

【図９】(a),(b) はインク滴が形成されて吐出されるま
での行程を時間と共に順を追って示す図（その２）であ
る。

【図１０】(a) 〜(d) はインク滴の加速工程のメカニズ
ムを説明する図である。

【図１１】(a),(b) は３個の加速電極への電圧印加をオ
ン・オフするタイミングを示す図である。

【図１２】インク滴の組み合わせとして得られる階調を
部分的に切り欠いて示す図表である。

【図１３】(a) は一度に複数ドットを射出するために複
数組の電極パターンが形成されている下部基板を示す
図、(b) はその下部基板に対応する上部基板を示す図、
(c)は印字ヘッドの外観を示す斜視図である。

【図１４】(a),(b) は密な解像度を得るための一例を示
す図である。

【図１５】密な解像度を得るための他の方法を示す図で
ある。

【図１６】共通電極との間隔がインクタンク側よりも吐
出口側のほうが狭くなるように配置された切断電極（又
は混合電極）の構成を示す図である。

【図１７】(a) は各加速電極の形状が吐出口側の電極ほ
ど順次Ｘ方向に長く形成されている例を示す図、(b) は
それらの加速電極をオン・オフするタイミングを示す図
である。

【符号の説明】

１インクジェットプリンタ２印字ヘッド３インクタンク４記録紙５搬送機構６上部基板７下部基板８、８′ 吐出口９印字エリア１１共通電極１２（１２−１ｙ、１２−２ｙ、・・・、１２−３ｍ、
・・・、１２−４ｃ）切断電極１２ａインクタンク側の部分１２ｂ吐出口側の部分１３混合電極１４集滴加速電極１５（１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ａ′、１５ｂ′、
１５ｃ′）加速電極１６インク通路１７（１７ａ、１７ｂ、１７ｃ）待機部１８撥水性皮膜層１９インク１９ａ誘電体（インク滴）２１、２１′ 接地電極２２、２２′ 印加電極 ε_i 誘電率２３通路２４（２４−１ｙ、２４−４ｙ、２４−３ｍ、２４−２
ｃ、２４−３ｃ）インク滴２５隔壁２６インク滴形成部２７混合・集滴されたインク滴２８電極パターン３１印字ヘッド３２撥水性絶縁層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者中村善亮東京都羽村市栄町３丁目２番１号カシオ計算機株式会社羽村技術センター内 (72)発明者山本忠夫東京都羽村市栄町３丁目２番１号カシオ計算機株式会社羽村技術センター内 (72)発明者竹内榮一東京都羽村市栄町３丁目２番１号カシオ計算機株式会社羽村技術センター内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インクを収容しインクとの接触面が親水
性材料で構成され異なる色のインクを収納する複数のイ
ンクタンクと、該複数の各インクタンクからインク吐出口ヘ連通する単
一のインク通路と、該インク通路の一壁に設けられた共通電極と、前記インク通路の他壁において前記複数の各インクタン
クに連接して設けられた複数の切断電極と、該複数の切断電極の前記インク吐出口側に隣接して設け
られた単一のインク混合電極と、該インク混合電極から前記インク吐出口方向へ所定の距
離を隔てて設けられた複数の加速電極と、前記共通電極、前記切断電極、前記インク混合電極及び
前記加速電極の表面に設けられた撥水性皮膜と、前記共通電極と前記切断電極間、前記共通電極と前記イ
ンク混合電極間、及び前記共通電極と前記加速電極間に
制御電圧を印加する印加手段と、を有し該印加手段は、外部から送られる印字信号に従っ
て前記共通電極と特定の前記切断電極間に制御電圧を印
加した後、前記共通電極と前記インク混合電極間に制御
電圧を印加し、更に前記インク混合電極に近い加速電極
から前記インク吐出口に近い加速電極へと順次に制御電
圧を印加することを特徴とするインクジェットプリン
タ。
【請求項２】前記複数の切断電極は、複数一組として
前記複数の各インクタンク毎に設けられ、該インクタン
ク毎に対応する複数一組の配列方向の幅がそれぞれ異な
ることを特徴とする請求項１記載のインクジェットプリ
ンタ。
【請求項３】前記複数の切断電極は、前記共通電極と
の電極間距離において前記インクタンク側よりも前記イ
ンク吐出口側のほうが狭く形成されることを特徴とする
請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項４】前記複数の切断電極は、前記インク吐出
口側の幅よりも前記インクタンク側の幅のほうが狭く形
成されていることを特徴とする請求項１記載のインクジ
ェットプリンタ。
【請求項５】前記印加手段は、前記共通電極と前記加
速電極間に印加する制御電圧の印加時間を前記インク吐
出口に近い加速電極ほど短く設定することを特徴とする
請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項６】前記加速電極は、前記インク吐出口に近
いものほど前記インク通路に沿って長く形成されること
を特徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。
【請求項７】前記印加手段は、前記共通電極と前記加
速電極間に印加する制御電圧の印加時間を各加速電極に
対し同一に設定することを特徴とする請求項６記載のイ
ンクジェットプリンタ。
【請求項８】前記インク通路は、前記共通電極と前記
加速電極の電極間距離において前記インクタンク側より
も前記インク吐出口側のほうが広く形成されることを特
徴とする請求項１記載のインクジェットプリンタ。