JP3152606B2 - インク記録装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインク記録装置に関
し、特に、プリンター、コピア等のハードコピー装置、
及びこれらが組込まれるワードプロセッサ、ファクシミ
リ等の情報端末並びに通信端末機器、更に、織物、金属
及びプラスチック製品への印刷装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平２−１７２７４６号公報には、イ
ンク自体の特性として電気粘性効果を持たせ、電気機械
変換素子を吐出圧力源とし、各チャンネルのオリフィス
近傍に制御電極を設けて吐出を制御する画像形成方法が
開示されている。

【０００３】図７は、本従来例の記録体吐出機構の概要
を示す図である。ピエゾ振動子２５のたわみ変形により
キャビティ２６内に発生した圧力は、電気粘性効果を有
するインクからなる記録体２７に伝わり、各チャンネル
ノズル２２ａ〜２２ｅへ到ってオリフィス２１ａ〜２１
ｅから水滴２３となって吐出する。オリフィス近傍に制
御電極２４ａ〜２４ｅを備え、非記録チャンネルには制
御電極に電圧を印加し、オリフィス近傍のインク粘度を
上昇させて吐出をさまたげている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の画像形成方法に
おいては、インク自体に電気粘性流体としての特性を持
たす必要があるため、溶媒は電気絶縁性の高い有機液体
を用いる必要があり、安価で安全性の高い水は使えな
い。又、インクは記録体である故、密閉系にはできない
ので、ノズルオリフィス近傍での乾燥によって分散質が
凝固し、目詰りを起こしたり、不純物の混入により電気
粘性効果が低下する場合がある。

【０００５】本発明はこのような問題を解決し、長期安
定で信頼性が高く、インク特性設計が自由で、高精彩カ
ラー記録が可能な、インク記録装置を提供することを目
的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明によれば、上述の
目的は、複数の吐出孔からインクを吐出して記録媒体に
情報を記録するインク記録装置であって、共通のインク
室から各吐出孔へ通じる複数のチャンネルを有する記録
ヘッドと、吐出圧力を発生する電気機械変換素子と、発
生された吐出圧力を電気粘性流体を介して各チャンネル
に伝える圧力伝搬手段と、該圧力伝搬手段の各チャンネ
ルへの経路中に設けられており前記電気粘性流体に電圧
を印加するための複数の制御電極と、記録情報に応じて
各制御電極に印加する電圧を制御する手段と、電気機械
変換素子の動作に同期して記録ヘッドと記録媒体との距
離を、記録時にはインクを記録媒体に付着させるように
近接させ、非記録時には離れるよう制御する手段とを備
えることを特徴とする請求項１に記載のインク記録装置
によって達成される。

【０００７】本発明によれば、上述の目的は、前記電気
機械変換素子に印加するエネルギを記録情報に応じて調
節する手段を更に備えることを特徴とする請求項２に記
載のインク記録装置によって達成される。

【０００８】

【０００９】本発明によれば、上述の目的は、前記電気
粘性流体が分散質として、表面にグラフトポリマーを形
成したカーボンブラック粒子を含むことを特徴とする請
求項３に記載のインク記録装置によって達成される。

【００１０】本発明によれば、上述の目的は、前記圧力
伝搬手段が、低弾性部材からなる膜を介して各チャンネ
ルへ吐出圧力を加えることを特徴とする請求項４に記載
のインク記録装置によって達成される。

【００１１】

【作用】 請求項１に記載のインク記録装置においては、
電気粘性流体に電界が加えられると、せん断力が発生し
て粘度が高くなる。電気機械変換素子により発生された
圧力は電気粘性流体を伝達媒体として各チャンネルに伝
わるが、経路の途中にある制御電極に電圧を印加して電
気粘性流体に電界を加えると、この部分の粘度が２桁近
く上昇し、圧力がチャンネルに伝達されず、インクは吐
出されない。電圧を印加しない場合はチャンネルに圧力
が伝達され、インクは吐出する。また、電気機械変換素
子に印加するエネルギが小さいか、又は素子の瞬時変位
速度が小さい場合においても、ヘッド全体を記録媒体に
対して近接させることで先端部に突出したインクが付着
し、像を形成することができる。

【００１２】記録ヘッドが記録媒体の水平方向（印字方
向）にわたり、ヘッドの水平方向のノズル密度が記録装
置の仕様のドットピッチで配列されている場合には、ヘ
ッドの水平方向走査が不必要となる。この場合、キャリ
ッジ、キャリッジ送りモータ、ベルト等の伝送機構が不
要となり、装置全体が小型化、低コスト化できる。

【００１３】請求項２に記載のインク記録装置において
は、同一タイミングで吐出するインクドットの総数が多
い場合には、電気機械変換素子に印加されるエネルギも
大きくなり、吐出されるドット総数が小さい場合もチャ
ンネルあたりの力と変位置は一定となる。したがって吐
出するインク滴の大きさ、速度は記録パターンに依ら
ず、一定で均質な画像が得られる。記録ドット数がゼロ
のタイミングでは電気機械素子の駆動を行う必要がない
のは自明である。

【００１４】

【００１５】請求項３に記載のインク記録装置において
は、カーボンブラック自身の粒径がサブミクロンオーダ
ーと小さく、表面に分散安定化機能のあるスルホン酸
基、カルボキシル基、アミノ基等を有する高分子がとり
巻いているため長期安定であり、沈降あるいは凝集を防
止するための攪拌装置などが不要である。半永久に使用
可能な記録ヘッドが実現可能となる。

【００１６】請求項４に記載のインク記録装置において
は、膜によるエネルギ損失が小さく、インク吐出効率が
高くなる。膜の材質が剛性材であれば変位がインクに伝
わらない。

【００１７】オリフィス部を撥水性とすると、インクの
主たる溶媒である水との親和性が低くなり、分離が良く
なる。先端部は記録媒体側へ、後方はインク供給側へ引
かれ、撥水部で分離する。

【００１８】記録媒体の背面にインクを静電的に吸引す
る電極を更に設けることにより、インクメニスカスを静
電気力によって引きつけ、吐出を援助することが可能と
なる。

【００１９】制御電極に印加する電圧を制御する手段を
記録ヘッド上に実装すると、記録データをタイムシリア
ルでヘッド部にあるＩＣへ転送できるので信号ケーブル
の本数が低減できる。

【００２０】電気粘性流体の応答時間、すなわち電界を
印加してからせん断凹力が発生し、粘度が上がるまでに
は０．５ミリ秒から２．５ミリ秒は必要である。したが
って、電気機械変換素子の変形により吐出圧力が立上る
時点から少くとも応答時間分だけ前に吐出抑制のための
電圧を電極に印加する必要がある。さらに吐出圧力の減
衰後、直ちに電界を解除すれば次の吐出に備えることが
できる。このようにすれば、くり返し動作が最大限高速
になる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のインク記録装置の
実施の形態を図を参照しながら説明する。

【００２２】図１は、本実施の形態の記録装置の概要図
である。本記録装置は、記録媒体７の送り方向１１に対
して垂直に配置され、左右方向には固定されている記録
ヘッド１２と、記録媒体表面に対するヘッドのオリフィ
スまでの距離を印字タイミングに合致して制御する、モ
ータ４及びカム機構１３を備えている。ヘッド上には、
複数のチャンネルに共通の吐出圧力源として圧電素子１
と、各チャンネルの吐出制御電極印加用ＩＣ１７とが搭
載されており、記録媒体７の背面には吸引電界生成用電
極８が配置されている。

【００２３】図２は、図１の記録ヘッドの内部断面図で
ある。吐出圧力発生用の圧電素子１は、エポキシ接着剤
で厚さ０．１ｍｍのＳＶＳステンレス振動板に接着され
ている上下の電極にパルス電圧を印加することにより、
破線で示す変形を行う。これによって生じた圧力は電気
粘性流体２を媒体として隔膜４に伝わり、インク流路５
に伝わることにより、オリフィス６からインクが吐出す
る。圧力伝搬路の途中には制御電極対３が設けられてい
る。

【００２４】図３は、記録ヘッド、圧電素子駆動電圧及
び制御電極印加電圧のタイミングチャートである。ヘッ
ド１２の位置に合わせた印字タイミングで圧電素子１に
パルス状の駆動電圧を印加すると共に、インクの非吐出
チャンネルの制御電極対３に電圧を印加してインクの吐
出を制御する。制御電極対３に電圧を印加しないチャン
ネルからはインクが吐出され記録媒体に情報が記録され
る。

【００２５】図４は、吐出チャンネル数と圧電素子駆動
電圧との関係を示すグラフである。この図に示されるよ
うに、圧電素子駆動電圧を吐出チャンネル数に応じて直
線的に増加させることで、各チャンネルから吐出するイ
ンク滴の大きさ及び速度を記録パターンに依らず一定と
し、均質な画像を記録することが可能となる。記録する
ドット数（チャンネル数）がゼロの場合には、圧電素子
を駆動する必要がないことは自明である。

【００２６】図５は、制御電極駆動回路のブロック図で
ある。コントローラ４１からのデジタル信号は、ＤＡコ
ンバータ４２によってアナログ信号に変換され、アンプ
４３で増幅されて各制御電極３に印加される。

【００２７】図６は、使用した電気粘性流体の特性を示
す図である。本実施の形態ではカーボンブラック粒子の
表面にグラフト重合ポリマーを形成したものを分散質と
した電気粘性流体である。電極間のギャップは３０μｍ
で、印加電圧は１００Ｖとしている。粘度は常温２５℃
で２５ｍＰａ・ｓｅｃ、電界下では３００ｍＰａ・ｓｅ
ｃである。

【００２８】インクはウレタンフォームに含浸してカー
トリッジ９内にあり、ここから供給する。インク路５と
電気粘性流体２との間の隔膜４は、ウレタンシートの厚
さ１００μｍのものを接着によって形成している。

【００２９】インク吐出孔６は、撥水性のフッ素樹脂板
にエキシマレーザ照射により開孔して設ける。

【００３０】このようにして製作した記録ヘッドの特性
は上述の条件下、５００Ｈｚの駆動で良好な印字結果が
得られた。制御電圧パルス幅は１ミリ秒であった。さら
に吸引電極に電圧２ｋｖを印加することによりインク滴
は飛翔し始め、ヘッドと記録媒体との距離を１ｍｍに固
定しても記録可能となった。

【００３１】本実施の形態では構成部材をすべて記述し
たが、実際においては、インク滴を飛翔させる場合と、
押し出して付着させる場合とでは、必要となる構成部材
が異なる。前者の場合においてはヘッド全体１２を記録
媒体表面に対して前後往復運動させる機構１３、１４、
及び１５が不要となる。後者の場合には吸引電極８が不
要となる。

【００３２】さらに、本実施の形態では電気機械変換素
子として圧電体と振動板を接着したユニモルフアクチュ
エータを用いたが、これに限られるものではなく、同じ
圧電体を用いるものであっても縦変形効果、横変形効果
を用いたアクチュエータであっても良いし、磁歪素子を
用いることも可能である。

【００３３】

【発明の効果】請求項１に記載のインク記録装置によれ
ば、電気機械変換素子を複数チャンネル共通とすること
ができるので、マルチノズルヘッドを小型化、高密度
化、低コスト化することができる。また、電気機械変換
素子の駆動を低エネルギ化することができる。更に、イ
ンク滴が空気中を飛翔しないので、滴の形と付着位置に
ばらつきがなく、高品位印字が可能となる。

【００３４】更に、記録用インクと電気粘性流体とを別
物とし、しかも電気粘性流体を実質的に密閉系とするの
で、電気粘性流体に対する異物、不純物の混入による性
能劣化がなく、長寿命となる。また、インクの設計にお
いても制約条件が少なく、記録担体として優れた特長を
持たせることができる。

【００３５】請求項２に記載のインク記録装置によれ
ば、記録ドットの大きさ、形状が記録パターンによって
影響されず、高印字品位が保てる。

【００３６】

【００３７】

【００３８】請求項３に記載のインク記録装置によれ
ば、分散状態を維持するための手段が不要となり、コス
トダウンになると同時にヘッドを長寿命化することが可
能となる。

【００３９】請求項４に記載のインク記録装置によれ
ば、電気機械変換素子に入力するエネルギを低減し、低
電圧化できるため、駆動回路のコストを下げることが可
能となる。

【００４０】更に、膜の変位量が大きくなるので所量の
体積変位を得る場合、膜の変位部分の面積が小さくても
良く、複数チャンネルを高密度で形成することが可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインク記録装置の概略を示す図であ
る。

【図２】図１の記録装置の部分断面図である。

【図３】記録ヘッド、圧電素子駆動電圧及び制御電極印
加電圧のタイミングチャートである。

【図４】吐出ドット数と電気機械変換素子の駆動電圧の
関係を示す図である。

【図５】制御電極駆動回路のブロック図である。

【図６】電気粘性流体の特性を示す図である。

【図７】従来の記録ヘッドの概略を示す図である。

【符号の説明】

１ 電気機械変換素子 ２ 電気粘性流体 ３ 制御電極 ４ 隔膜 ５ インク ６ オリフィス ７ 記録媒体 ８ 背面電極 ９ インクカートリッジ １０ 制御信号 １１ 記録媒体送り方向 １２ 記録ヘッド １３ 記録ヘッド移動機構 １４ モータ １５ レール １６ 吸引電圧 １７ 駆動用ＩＣ １８ 偏心案内溝 １９ 基台

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 堀中 大 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 木村 正治 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (72)発明者 吉村 久 大阪府大阪市阿倍野区長池町22番22号 シャープ株式会社内 (56)参考文献 特開 平５−16358（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−112662（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−224292（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/045 B41J 2/055 B41J 2/01

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 複数の吐出孔からインクを吐出して記録
   媒体に情報を記録するインク記録装置であって、共通の
   インク室から各吐出孔へ通じる複数のチャンネルを有す
   る記録ヘッドと、吐出圧力を発生する電気機械変換素子
   と、発生された吐出圧力を電気粘性流体を介して各チャ
   ンネルに伝える圧力伝搬手段と、該圧力伝搬手段の各チ
   ャンネルへの経路中に設けられており前記電気粘性流体
   に電圧を印加するための複数の制御電極と、記録情報に
   応じて各制御電極に印加する電圧を制御する手段と、前
   記電気機械変換素子の動作に同期して前記記録ヘッドと
   前記記録媒体との距離を、記録時にはインクを記録媒体
   に付着させるように近接させ、非記録時には離れるよう
   制御する手段とを備えることを特徴とするインク記録装
   置。
2. 【請求項２】 前記電気機械変換素子に印加するエネル
   ギを記録情報に応じて調整する手段を更に備えることを
   特徴とする請求項１に記載のインク記録装置。
3. 【請求項３】 前記電気粘性流体が分散質として、表面
   にグラフトポリマーを形成したカーボンブラック粒子を
   含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のインク記
   録装置。
4. 【請求項４】 前記圧力伝搬手段が、低弾性部材からな
   る膜を介して各チャンネルへ吐出圧力を加えることを特
   徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のインク
   記録装置。