JPS637951B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、インクジエツトプリンタ、詳述すれ
ば、インクジエツトプリンタにおいてノズルから
高速で噴出された帯電液滴の軌道をそろえたり変
えたりする、本書で静電レンズと称する新規な装
置を備えたインクジエツトプリンタに関する。

帯電インク液滴の軌道は、整合するのが困難で
ある。というのは、通常液滴の直径は25.4ミクロ
ンないし635ミクロン（１ミルないし25ミル）と
小さく、そのためノズルのオリフイスは小さくて
製造組立が困難だからである。ノズルから噴出し
た液滴の軌道を整合するために、帯電トンネル及
び近接隔置した一対の偏向板により粗整合を行な
わなければならない。この帯電トンネルの直径
は、通常液滴の約３倍ないし10倍にすぎない。こ
れは、トンネルの空間をこれ以上大きくすると偏
向板の間隔をさらに大きくしなければならないか
らである。粗整合が達成されると、ときによつて
はバーニア整合すなわち微整合が所望されること
がある。この微整合の達成はさらに困難である。

多数ジエツトプリンタすなわちマルチジエツト
プリンタでは、前記整合困難性が倍増する。たと
えば、米国特許3373437号明細書に開示されたマ
ルチジエツトプリンタを例にとれば、多数ジエツ
トの軌道は、相互に整合されて一直線の液滴線と
なつて、ターゲツト上のプリント位置、すなわち
画素位置線と整合することが好ましい。従来は、
電気技術を用いて１つの軌道の他の軌道に対する
誤整合を修正していた。前記ターゲツトは、印字
線を一定の速度で通過する。したがつて、液滴を
所定の画素位置に配置させる電気的命令をわずか
に遅延させる（又は加速する）ことにより、ター
ゲツトは、所定の画素位置に対するジエツト軌道
の誤整合量に相当する距離だけ移動することがで
きる。つまり、この整合を達成するには、プリン
タに電気制御回路を設けなければならない。その
ためプリンタが複雑になり、価格を高めることと
なる。

従つて、本発明の主目的は、従来の帯電インク
液滴装置に生じる前述の整合に関する問題を克服
することである。

本発明の別の目的は、異なる軌道に追従する帯
電液滴を共通の点又は線に合焦させる静電レンズ
を提供することである。

本発明の特定の目的は、ほぼ平行な帯電インク
液滴流を（１点よりはむしろ）１本の線に合焦さ
せる、光学半円柱型ガラスレンズと類似の円筒状
静電レンズを製造することである。円筒状静電レ
ンズの軸は、前記焦線と交わる面内にあり、また
この軸に沿つて運動する帯電液滴は、この円筒状
静電レンズでは偏向されない。

本発明の前述の目的及び他の目的は、液滴の所
望軌道に沿つて合焦用電界を形成することによ
り、達成される。従来の偏向板が、液滴の軌道に
対してほぼ垂直な方向に電界を作るのに比べて、
この合焦用電界は、液滴の軌道に対してほぼ平行
な方向を向いている。この合焦用電界は、液滴の
軌道の少なくとも２つの側に対照的に形成される
の好ましく、それにより、適正に整合された液滴
が、軌道修正を行なうことなく、合焦用電界中横
方向に移動する。

円柱レンズの効果は、４つの線状電極により達
成される。この４つの電極のうち２つの電極は、
液滴流の上流において、所望の液滴軌道の上下の
等距離位置にそれぞれ配置される。他の２つの電
極は、液滴流の下流において、所望の液滴軌道の
上下の等距離位置にそれぞれ配置される。この４
つの電極は、相互にほぼ平行であり、かつ所望の
液滴軌道に対して直交している。上流電界と下流
電界との間の電位差により、２つの電界が形成さ
れ、この２つの電界の境界面が、２つの半円柱が
該円柱の底面に対して平行な接面において接して
いるのに類似している。この接面は、帯電液滴が
偏向されない通路を形成している。接面の上下に
ある電界内に入つた液滴は、その液滴流の下流方
向に所定距離運動した位置で前記接面上の１つの
線に合焦される。この焦線は、同一速度でかつ電
荷に対する質量の比率が等しい液滴に対して一定
である。

本発明に特に適合した従来の高速度インクジエ
ツト装置が、米国特許第3596275号明細書に開示
されている。この装置では、液体状インクが、多
量のインク源から小さなノズルにより高圧で噴出
される。このノズルから発生したインク流が自然
に液滴に分解しやすいという傾向は、約120KHz
の音波で音響的にそのインクを刺激することによ
り促進される。この液滴は、規則的な間隔でかつ
一定の大きさで形成される。このインクは、導電
性である。ノズルから噴出されたインク流から液
滴に分離されると、この液滴は、帯電電極、場合
によつては閉じた帯電トンネルを通過し、そこ
で、この帯電電極に加えられた電圧によりその液
滴上に電荷が誘導される。

帯電液滴は、ある軌道に沿つてターゲツトの方
向に推進され、このターゲツトは、この軌道に対
して直角に移動している。液滴は、ターゲツトに
到達する前に平行な偏向板の間を通過する。この
偏向板の間に2000Vないし4000Vの電位差を与え
ることにより液滴の軌道に垂直な静電界を形成す
る。この偏向電界により与えられる液滴の偏向量
は、液滴上の電荷量により決まる。

しかしながら、この米国特許第3596275号明細
書には、液滴軌道の方向の方向を有する電界を用
いることは何ら記載されていない。このように、
この特許明細書は、液滴の合焦という本発明の概
念については何ら開示していない。

前記特許第3373437号明細書には、バイナリイ
ンクジエツト装置が記載され、この装置では、複
数の直線状整合ノズルが２つの偏向板を共有して
いる。このバイナリインクジエツト装置は、所定
のノズルから噴出した液滴が帯電されてターゲツ
ト上の画素位置の方へ偏向されるか、又は、帯電
されないまま溝内に集められることを特徴として
いる。このターゲツトすなわち印刷用紙に送られ
る液滴上の電荷は、等しくなるようにされる。前
述の場合のように、この明細書にも、どのような
型式であつても合焦用電界の提案は、されていな
い。

米国特許第3877036号明細書は、インクジエツ
ト整合電極が開示されている。しかしながら、こ
の電極は、液滴が形成される前の場所においてイ
ンクジエツト流に作用するよう配置されている。
また、偏向電界は、このインクジエツト流にほぼ
垂直であり、かつその電界中をインクジエツト流
が通過する軌道を含んでおらず、したがつて本発
明の合焦用電界のように適正に整合したジエツト
流を曲げるものではない。

本発明の他の目的及び特徴を、以下に述べる詳
細な説明及び図面を単独で又はともに参照するこ
とにより、明らかにする。

本書には、米国特許第3596275号明細書に開示
された型式のインクジエツト装置が記載されてい
る。しかしながら、これは、あくまで参考のため
記載したものである。詳述すると、トランスデユ
ーサが、ノズルに連結されたチヤンバ又は管内の
インクを変調すなわち刺激する。このインクは、
約1.38×10⁵N／m²ないし1.35×10⁶N／m²（20psi
ないし150psi）の圧力を受けている。インクジエ
ツト流を変調することにより、個々の液滴が同一
速度、同一質量、同一形状及び同一軌道を有する
ような液滴流が、ノズルから噴出される。変調装
置及び回路は、説明を簡略化してわかりやすくす
るために図示していない。この装置については、
前記米国特許第3596275号明細書を参照されたい。

第１図及び第２図は、マルチノズルインクジエ
ツトプリンタの側面図及び平面図である。各図に
おいて同一の素子には、同一の参照番号が付けら
れている。このプリンタは、ノズル１を有し、こ
のノズル１は、破線２により示す軌道に沿つて液
滴流を噴出する。この液滴は、帯電電極３におい
て、円４に示すように帯電されており、この円４
は、その総電荷が負であることを示すよう負の符
号が付けられている。この極性の場合には、負に
帯電した液滴は、偏向板６及び７により、破線５
で示す軌道に沿つて上方に偏向される。この偏向
した液滴は、ターゲツト８の方へ向かい、帯電し
ていない液滴、帯電量の低い液滴又は逆極性に帯
電した液滴は、溝９により集められる。円柱型静
電レンズ１０は、帯電液滴をターゲツト上の焦線
１２に合焦させる。液滴４は、レンズにより破線
１３で示す軌道上に偏向される。破線１４（実際
は面）は、レンズ１０の中心線すなわち軸であ
る。この中心線に沿つてレンズを透過する液滴の
軌道は変化しない。

レンズ１０は、偏向板の上流に配置されてもよ
い。詳述すると、レンズ１０は、帯電電極３と偏
向板６及び７との間に配置されてもよい。

第１図及び第２図のプリンタは、前記米国特許
第3373437号明細書に記載された装置と同じバイ
ナリプリンタである。これは、参考のため本明細
書に記載したものである。印字は、インクジエツ
トの軌道に対してほぼ直角にターゲツト８を移動
させることにより行なわれる。ターゲツト８は、
第１図の矢印１５で示す方向に上方に定速で移動
する。４つの駆動ローラ１６ａ，１６ｂ，１６ｃ
及び１６ｄが適当な駆動源（図示せず）に接続さ
れてターゲツトを移動させる。

第２図を参照すると、複数のノズル１，１ａ，
１ｂ及び１ｃは、プリンタの複数ノズルを示して
いる。良画質像複写のために、プリンタは、2.54
cm（１インチ）当たり約100個のノズルを有さな
ければならない。これは、標準用紙の21.6cm
（8.5インチ）の幅を包含するために、850本のノ
ズルが第２図に示すように配置されている。ノズ
ルが、２つ以上の行に配列され、このノズルの一
行が他の行からノズル１本分すなわち１つの画素
位置分だけ離隔しているならば、その配列密度は
減少する。レンズ１０は、１つの行を他の行とは
異なる１本の線に合焦することができるならば、
多数行に配置されたノズルに対して適している。
その上、行間を上述のように離隔する間隔は、１
行について１つのレンズを収容するほど十分大き
くしてもよい。

第２図を参照すると、ノズル１ないし１ｃは、
それぞれ帯電電極を有し、この帯電電極は、ほぼ
平行な軌道２〜２ｃを移動する液滴を帯電する。
この帯電電極の目的は、ビデオ信号により命令さ
れたときに、ターゲツト上の隣接する画素位置１
８ないし１８ｃに液滴を配置することである。画
素１８ないし１８ｃの走査線は、直線状でなけれ
ばならない。しかしながら、ノズルの誤整合又は
帯電電極により液滴上に帯電される電荷量の誤差
により、液滴は、前記画素位置に配置されない。
このため、複数画素線のラスタ走査パターンから
作られる像には歪みが生ずる。

従来は、ノズルを画素位置に整合させるために
電気技術を用いていた。たとえば、ノズル１ａが
ターゲツト上の画素位置１８ａのわずかに上方に
液滴を配置する傾向があるならば、ターゲツト
が、そのずれ量だけ移動するわずかな時間だけ、
ノズル１，１ｂ及び１ｃに対して電極３ａに加え
るビデオ信号を遅延させる。別の例としては、液
滴上に誘導される電荷量を増減して偏向量を変
え、液滴を所定の画素位置に正しく配置してい
た。この遅延動作又は電荷の増減動作は、液滴に
順次加えられた。

本発明は、液滴の整合にレンズ１０を使用する
ものである。第２図を参照すると、すべてのノズ
ルが共有するレンズ１０の平面図が示されてい
る。

第３図及び第４図を参照すると、レンズ１０
は、液滴を通過させるための長方形トンネルすな
わち穴２１を有する絶縁部材２０から作られてい
る。絶縁部材２０の上流面は、トンネル２１の長
方形入口部の長辺側に長方形電極２２及び２３を
有する。上流電極２２及び２３は、例として接地
されている。絶縁部材２０の下流面は、トンネル
２１の長方形出口部の長辺側に長方形電極２４及
び２５を有する。この下流電極には、符号＋Ａで
示す高い正電圧が加えられている。例として、絶
縁部材２０は、プリント回路盤に用いる型式のフ
エノール絶縁盤であり、電極２２ないし２５は、
従来の蒸着技術及び化学エツチング技術により形
成された銅ストリツプである。電圧＋Ａは、厚さ
1524ミクロン（60ミル）の回路盤２０に対して約
1500ボルトであることが好ましい。トンネル２１
の長さは、約1550ミクロン（61ミル）である。す
なわち、電極の厚さは、それぞれ12.7ミクロン
（0.5ミル）である。

第１図を参照すると、レンズ１０は、液滴を画
素１８ないし１８ｃの走査線に相当する線に合焦
する電界を形成する。この合焦電界を、第４図に
ついてさらに詳しく説明する。合焦電界は、上流
電極２２及び２３と下流電極２４及び２５の両縁
部から発生した破線２７及び２８により表わさ
れ、電極の長さに沿つた半円２７ａ及び２８ａに
より形成された領域内にほぼ制限される。この電
気力線の包絡体が、底面に平行な接面において接
触した２つの半円柱に類似している。この接触面
は、図面に垂直であり、中心線１４により便宜的
に定まる。

中心線１４により定まる面には、電界２７及び
２８から合集電界が形成されるが、この面を通過
する帯電液滴は、この合集電界の影響を受けな
い。しかしながら、この中心線からずれた軌道３
１を通る負帯電液滴２９のような液滴は、合焦電
界により焦点１２に合焦される。同様に、中心線
１４よりも下の軌道を通過する液滴３０は、焦線
１２に合焦される。軌道３１及び３１の上下又は
その間にある他の液滴移動軌道もまた焦線１２に
合焦される。

合焦電界２７及び２８は、上流電極２２及び２
３から下流電極２４及び２５に液滴が移動する向
きに形成される。トンネル２１の入口部では、合
焦電界の電束密度が大きく、この電界により作ら
れる電気力の垂直成分は大きい。これらの力は、
ベルトル３４及び３５で表わされる。電界２７及
び２８の中心領域では、電界と力のベルトルは、
中心線１４に平行であり、かつ図示した極性では
液滴の方向と等しい方向を有している。これらの
平行な力は、図示したように帯電した液滴を加速
する。したがつて、帯電液滴は、ベクトル３７及
び３８で示すトンネル入口部の反合焦力の影響よ
りも長時間合焦力３４及び３５の影響を受ける。
上流電極２２及び２３を電位＋Ａにし、下流電極
２４及び２５を接地した場合、帯電液滴は、トン
ネル２１の入口部を通過するときに減速される。
この場合にも再び帯電液滴は、この反合焦力より
も長時間合焦力の影響を受ける。このように極性
が逆の場合には、レンズ１０の入口部に反合焦力
が存在し、レンズの出口部に合焦力が存在する。
同様に、正帯電液滴は、第４図に示す電界によ
り、最初に減速された後加速されることにより合
焦される。この合焦力は、常にその相対極性に無
関係に反合焦力よりも影響力が大きい。

実験によれば、ベクトル３４及び３５で示す合
焦電界は、ベクトル３７及び３８で示す反合焦電
界の影響により、ずれることはないことがわかつ
ている。換言すれば、大きさが等しく方向が逆の
力が存在するにもかかわらず、合焦力３４及び３
５は、この力に勝つて液滴３０の軌道３１を曲
げ、焦線１２において中心線１４と交わらせる。
これは、液滴が、合焦電界の領域を通過する時間
が、反合焦電界の領域を通過する時間よりも長い
からである。同様に、中心線１４の下にある液滴
３０の軌道３２は、反合焦力３７及び３８が存在
するにもかかわらず、合焦力３４及び３５により
曲げられて焦線において交わる。

第４図の記号ｆは、レンズの焦点距離を表わ
す。便宜上、この焦点距離は、トンネル２１の入
口部から、経験的に定められる焦線１２までの距
離である。前述のように、この焦点距離ｆは、合
焦電位の変化に応じて変化する。＋Ａを小さくす
ると、ｆが大きくなり、＋Ａを大きくすると、ｆ
が小さくなる。また、液滴２９及び３０の帯電量
が大きいと、ｆが小さくなり、液滴の帯電量が小
さいと、ｆが大きくなる。

第３図は、ターゲツトから上流方向、すなわち
ノズル１ないし１ｃの方向を見たレンズ１０を示
している。絶縁盤２０には、トンネル２１の入口
部の狭い長方形の両側部を除くすべての場所に導
電性銅が形成されている。電極２４及び２５は、
（電極２２及び２３と同様に）同電位化されるの
で、この２つの電極は、回路盤２０の垂直露出領
域に蒸着された銅により、電気的に接続されても
よい。この垂直導電性縁部は、両端のノズル１及
び１ｃからの距離が大きくなるように配置されな
ければならない。これにより、円筒状電界２７及
び２８の歪みが小さくなる。

第５図は、多数の円筒状合焦電界を利用した本
発明の別の実施例を図示している。レンズ４０の
構造は、上流電極４２及び４３と下流電極４４及
び４５との間に中間電極４１を有する以外は、レ
ンズ１０と同一の構造である。電極４１は、内部
に長方形穴すなわちトンネル４６を有する金属板
であり、このトンネル４６は、電極４１に接触す
る縁絶体４９及び５０内の長方形トンネル４７及
び４８と整合している。この中間電極４１は、長
さ約1600ミクロン（約63ミル）のアルミニウム板
から作られ、また絶縁部材４９及び５０は、厚さ
1524ミクロン（約60ミル）のフエノール盤から作
られている。上流電極４２及び４３並びに下流電
極４４及び４５は、レンズ１０上に設けられた電
極２２及び２３並びに２４及び２５の場合と同様
に、トンネルのオリフイスの平行な長辺側に設け
られている。トンネル４６ないし４８の高さは、
直径約25.4ミクロンないし約254ミクロン（約１
ミルないし約10ミル）の液滴が通過するように約
1270ミクロン（約50ミル）である。

上流電極４２及び４３並びに下流電極４４及び
４５には、すべて、たとえば約＋1500Vの高電圧
（図では記号＋Ａで示す）が加えられ、中間電極
は接地されている。これとは別に、中間電極に、
たとえば＋1500Vの電圧を加え、上流電極４２及
び４３並びに下流電極４４及び４５を接地しても
よい。

レンズ４０には、上部円筒状電界５５及び下部
円筒状電界５６とから作られた上流電界と、上部
円筒状電界５７と下部円筒状電界５８とから作ら
れた下流電界とから成る２つの合焦電界が形成さ
れている。中心線６０は、該中心線上を通過する
帯電液滴の軌道が曲がらないような通路を定めて
いる。図示した極性では、上流電界は、液滴の移
動方向と反対の方向を有し、下流電界は、液滴の
移動方向と同じ方向を有している。レンズ４０の
入口部におけるベクトル６１及び６２によつて示
される反合焦力並びにレンズ４０の出口部におけ
るベクトル６７及び６８で示される反合焦力は、
中心線よりずれた帯電液滴５２及び５３を焦線７
０において合焦させるのを妨げないこてがわかつ
ている。ベクトル６３ないし６６で示される合焦
力は、液滴がこの合焦電界領域内を通過する時間
が長いので、前記反合焦力よりも影響力が大き
い。すなわち、液滴の加速及び減速は、常に反合
焦作用よりも合焦作用を促進するように働く。レ
ンズ４０の電界の両極性は、その電界内を通過す
る液滴に与えられる加速エネルギー又は減速エネ
ルギーが、全体として０になるように選択され
る。これに比べて、単一電界レンズ、たとえばレ
ンズ１０の場合には、帯電液滴に極めて小さな加
速エネルギー又は減速エネルギーが与えられる。
しかしながら、この全エネルギー量の変化は、無
視でき、合焦効果が得られる。

焦点距離ｆは、便宜上、中間電極４１の上流端
から焦線７０までの距離である。

レンズ４０の機能は、レンズを通過するよう液
滴流を向けて３番目の液滴をすべて帯電すること
により試験された。無帯電液滴は、定義によれ
ば、電界の影響を受けないが、測定上１つの基準
線を形成する。レンズを、前記レンズ４０と同様
に構成した。中間電極４１には、約＋1500Vの電
圧を加え、上流電極及び下流電極４２ないし４５
は接地した。ノズル１から３番目に噴出された液
滴は、すべて、この液滴の発生と同期して帯電ト
ンネル３に約＋650Vの電圧を加えることにより
負に帯電された。前記無帯電液滴の軌道は、レン
ズの中心線から約254ミクロン（約10ミル）だけ
ずれていた。一方、帯電液滴は、レンズの下流約
30.48mm（約1.2インチ）の位置に合焦された。

以上述べたレンズは、イングジエツト式装置の
新規な装置である。レンズ１０及び４０内に形成
される合焦電界の帯電液滴に対する作用は、半円
柱ガラスレンズがその平坦な底面に入射した光を
該底面と平行な空間内にある直線に合焦させる作
用と類似している。球面レンズその他の光学レン
ズに類似する、液滴の軌道に平行な部分を含む他
の形状の合焦電界を考えてもよい。この種の変形
は、本発明の範囲内に含まれる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明による円筒状静電レンズを用
いるマルチノズルインクジエツトプリンタの側部
横断面図である。第２図は、第１図のマルチノズ
ルインクジエツトプリンタの平面図である。第３
図は、ターゲツトから上流のノズルの方を見た第
１図及び第２図の円筒状静電レンズの図である。
第４図は、第３図の４―４線に沿つたレンズ断面
を示しかつレンズの合焦電界及び焦点距離を示す
立面図である。第５図は、上流電極と下流電極と
の間に中間電極を設けて、２つの合焦電界を利用
しかつ本図に示すような焦点距離を有する別の実
施例の静電レンズ断面の立面図である。 １，１ａ，１ｂ，１ｃ…ノズル、３，３ａ，３
ｂ，３ｃ…帯電電極、４…液滴、６，７…偏向
板、８…ターゲツト、９…溝、１０，４０…静電
レンズ、１６ａ，１６ｂ，１６ｃ，１６ｄ…駆動
ローラ、２０，４９，５０…絶縁部材、２１，４
６，４７，４８…長方形トンネル、２２，２３，
２４，２５，４２，４３，４４，４５…電極、４
１…中間電極。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 列状に並べられ、ターゲツトに向かうほぼ平
   行な軌道に沿つてほぼ同じ質量と速度の個々の液
   滴を連続的に発射する複数のインクジエツトノズ
   ルと、 該ノズルから発射された所定の液滴を帯電させ
   るように各ノズルと協働する帯電手段と、 この複数のノズルからの液滴の軌道に隣接して
   配置され、その軌道に対してほぼ直交する偏向電
   界を形成して帯電液滴を偏向させる偏向手段と、 該偏向手段と前記ターゲツトとの間に配置さ
   れ、前記複数の平行な軌道上を移動する液滴を、
   中心に位置する平面内に含まれる軌道だけを通る
   ように合焦する静電レンズとから成り、 該静電レンズは、複数のノズルが並べられた方
   向に延びかつ電源に接続された少なくとも４つの
   平行な導電部材を備え、その内２つの導電部材
   は、上流側において前記中心平面を挟んでその上
   下両側に配置され、他の２つの導電部材は、下流
   側において前記中心平面を挟んでその上下両側に
   配置され、前記中心平面の上方にあつて液滴流の
   上流側および下流側に位置する両導電部材の間に
   上部円筒状電界が形成され、前記中心平面の下方
   にあつて液滴流の上流側および下流側に位置する
   両導電部材の間に下部円筒状電界が形成されてい
   ることを特徴とするインクジエツトプリンタ。 ２ 前記上部円筒状電界および下部円筒状電界の
   電気力線は前記中心平面の近くで湾曲するほぼ半
   円の形状に形成され、上部円筒状電界の半円およ
   び下部円筒状電界の半円の両方の接線平面が前記
   中心平面に平行であり、該中心平面は両半円の基
   部にも平行である特許請求の範囲第１項記載のイ
   ンクジエツトプリンタ。 ３ 前記帯電手段と前記ターゲツトとの間には、
   ターゲツトに向かわない液滴を収集する溝手段が
   設けられている特許請求の範囲第１項記載のイン
   クジエツトプリンタ。 ４ 前記静電レンズは、液滴軌道の両側に配置さ
   れ且つ第１の電圧に接続される手段を有する２つ
   の上流電極と、液滴軌道の両側に配置され且つ第
   ２の電圧に接続される手段を有する２つの下流電
   極とを含む特許請求の範囲第１項記載のインクジ
   エツトプリンタ。 ５ 前記第１の電圧は前記第２の電圧に対して正
   の電圧であり、前記液滴は前記帯電手段によつて
   正に帯電される特許請求の範囲第４項記載のイン
   クジエツトプリンタ。