(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板表面に形成された円錐状突起と、該突起又は／及び上記基板の少なくとも突起近傍に配置された電極と、上記突起に所定の間隔をあけて対向する対向電極とを備え、上記電極と対向電極との間に印加されたパルス信号に基づいて上記導電基板上に保持されたインクを上記突起から電極に向けて輸送する静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドにおいて、上記対向電極に対向する上記突起の頂上部を上記対向電極に向けて突出する球面形状にすると共に、上記円錐状突起の円錐面を伸ばして仮想された円錐形の高さと上記円錐状突起の底面の幅が同一であり、上記突起の先端を上記インクの液面から突出させ、その突出量を突起の高さの２０％以内としたことを特徴とするプリントヘッド。
【請求項２】
上記インクが水性インクであることを特徴とする請求項１に記載のプリントヘッド。
【請求項３】
上記パルス信号は、バイアス電圧部分と、上記バイアス電圧部分に続き且つ上記バイアス電圧部分よりも高圧であって上記インクを突起から対向電極に向けて輸送するための輸送電圧部分とを有し、上記輸送電圧部分とそれに続くバイアス電圧部分との間に該バイアス電圧部分の電圧よりも低圧の低圧部分を有することを特徴とする請求項１又は２のいずれか一に記載のプリントヘッド。
【請求項４】
上記低圧部分の持続時間を変調する変調部を有することを特徴とする請求項３に記載のプリントヘッド。
【請求項５】
上記パルス信号のパルス幅を変化させる変調部を有することを特徴とする請求項３又は４のいずれか一に記載のプリントヘッド。
【請求項６】
上記インクの液面は、上記突起の、上記円錐状突起における球面部と円錐部との境界よりも上にあることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一に記載のプリントヘッド。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、導電基板に形成された突起と該突起に所定の間隔をあけて対向する対向電極とを備え、導電基板と対向電極との間に電圧を印加することによって、その導電基板上に支持されているインクを対向電極に向けて輸送し、導電基板と対向電極との間を通過するシートに付着させる、静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドが提案されている（例えば、特開平２０００−７９７１９号公報参照）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のプリントヘッドでは、対向電極に向かって輸送するインクの量（インク滴の体積）が一定せず、インクの輸送方向が安定しないという問題があった。
【０００４】
そこで、本願発明は、静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドにおいて、インクの輸送量と輸送方向を安定させることを目的とする。また、本願発明は、インクの輸送時間が短い静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドを提供することを他の目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために、本発明は、基板表面に形成された円錐状突起と、該突起又は／及び基板の少なくとも突起近傍に配置された電極と、突起に所定の間隔をあけて対向する対向電極とを備え、電極と対向電極との間に印加されたパルス信号に基づいて導電基板上に保持されたインクを突起から電極に向けて輸送する静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドにおいて、対向電極に対向する突起の頂上部を上記対向電極に向けて突出する球面形状にすると共に、上記円錐状突起の円錐面を伸ばして仮想された円錐形の高さと上記円錐状突起の底面の幅が同一であり、突起の先端をインクの液面から突出させ、その突出量を突起の高さの２０％以内としたものである。
【０００６】
本発明の他の形態は、インクが水性インクであることを特徴とする。
【０００７】
本発明の他の形態において、パルス信号は、バイアス電圧部分と、バイアス電圧部分に続き且つバイアス電圧部分よりも高圧であってインクを突起から対向電極に向けて輸送するための輸送電圧部分とを有し、輸送電圧部分とそれに続くバイアス電圧部分との間に該バイアス電圧部分の電圧よりも低圧の低圧部分を有する。低圧部分は好適には０Ｖとする。
【０００８】
本発明の他の形態は、低圧部分の持続時間を変調する変調部を有する。
【０００９】
本発明の他の形態は、パルス信号のパルス幅を変化させる変調部を有する。また、本発明の別の形態は、上記インクの液面が、上記突起の、上記円錐状突起における球面部と円錐部との境界よりも上にある。
【００１０】
【発明の実施の形態】
１．静電誘導型画像形成装置及びプリントヘッドの構成及び動作
図１は、本発明に係る静電誘導型画像形成装置のプリントヘッドを示す。図に示すプリントヘッド１は、矢印２方向に向けて水平に搬送されるシート３にインク滴を付着させて画像を形成するもので、シート３の下面に対向する導電基板４と、シートの上面に対向する対向電極５を備えている。対向電極５は、図示しない絶縁基板に、導電性膜を蒸着、スパッタリング、めっきなどの方法で形成し、フォトリソ・エッチング法を用いてパターニングすることにより形成される。
【００１１】
図面を簡略化するために、図には一つの対向電極５だけしか表示されていないが、この電極は画像形成装置の画素数に応じて図面表裏方向に一定の間隔をあけて列状に多数配置されている。例えば、Ａ４サイズのシートを横向き（短辺を搬送方向に向けた状態）にした状態で印字可能なプリンタの場合、約７０００個の電極が形成される。また、対向電極５の間隔は、解像度６００ｄｐｉのプリンタの場合、約４０μｍである。ある電極に印字信号を印加したとき該電極に隣接する別の突起からインクが輸送されるのを防止するために、対向電極５は千鳥状に配置して隣接する電極間距離を大きくしてもよい。さらに、フルカラープリンタのように異なる種類のインクを用いる場合、シート搬送方向と直交する方向に伸びる複数の電極列がインクの種類別に配置される。
【００１２】
各対向電極５に対応して、対向電極５に対向する導電基板４の表面には、複数の円錐状の突起７が一体的に形成されている。突起７は、例えば、図示しない突起に対応する形状の窪みを導電性のマスター基板の一面に加工し、次にこの一面にニッケルをめっきし、続いてこのめっきを剥がすことにより、導電基板４と一体的に形成される。
【００１３】
導電基板４と各対向電極５は、それら導電基板４と各対向電極５との間に印字信号８が印加されるように、駆動回路９に接続されている。
【００１４】
導電基板４の表面には、インク１０が薄層状態で保持されている。本実施の形態では、荷電粒子を含まない水性インクが使用されている。水性インクは、本実施形態における静電誘導型画像形成装置及びプリントヘッドに特に適したものである。水性インクは、臭い・引火性・環境汚染がない若しくは小さい点などの種々の点で利点がある。水性インクとして従来公知の各種のものが使用できる。
【００１５】
以上の構成を供えたプリントヘッド１を備えた画像形成装置によれば、シート３は導電基板４とこれに対向する多数の対向電極５の間を矢印２方向に搬送される。この状態で駆動回路９から導電基板４と対向電極５との間に印字信号８が印加されると、導電基板４からインク１０に電荷が注入される。例えば、図示するように、対向電極５に正極性が印加され、導電基板４に負極性が印加されると、負極性の電荷がインク１０に注入される。インク１０に注入された電荷は、インク自由表面に蓄積され、信号電圧８が印加された対向電極５に引かれて該対向電極５に対向する突起７の周辺に集まる。その結果、電荷を含むインク１０が、インク滴１１となって突起７からこれに対向する対向電極５に向けて飛翔し、シート３に付着する。
【００１６】
なお、突起７及び基板４の両方が導電性である必要はなく、例えば突起７のみが導電性であったり、基板４のみが導電性であったりしてもよい。突起７や基板４を導電性とする場合、基材上に導電性の皮膜を形成することで導電性を持たせるようにしてもよい。また、基板４の全体が導電性でなくてもよく、突起７の周囲部分のみが導電性であってもよい。いずれにしても、対向電極５との間で突起７の近傍に電圧を印加できるような電極となる導電性の部分が少なくとも突起７又は突起７の近傍に設けられていればよい。
【００１７】
２．突起の形状及びインク液面高さ
（１）突起形状
突起７の形状は、インク１０の安定した輸送を得る上で重要な要素である。本実施の形態において、突起７は図２に示すように略円錐形に形成されており、底面幅Ｂ・高さＨ’の円錐形（図２（ａ）に点線で示す形状）を仮想し、その頂上部１２を半径ｒの球面に加工された形状にされている。具体的な寸法の一例は以下の通りである。これらの寸法はあくまでも一例であり、本発明がこれらに限定されるものではない。
0004037641.tif 000002
【００１８】
（２）インク液面
インク液面は、図２（ｂ）に示すように、突起７に接するインク１０の自由表面から、突起頂上部１２が僅かに突出するように決められている。特に、突起７に接するインク液面の位置が球面上にあるように、すなわち、球面部と円錐部との境界よりも上にあるように、決定するのが好ましい。また、突起高さをＨ、インク液面からの突起突出量をｄとすると、突起の液面からの突出量は、以下の関係に決めるのが好ましい。
0004037641.tif 000003
なお、突起の液面突出量のより好ましい範囲は、１５％以下、さらに好ましい範囲は３〜１５％、さらに好ましい範囲は３〜１０％、さらに好ましい範囲は５〜１０％である。
【００１９】
（３）実施例１
▲１▼条件
突起の形状、インク液面の高さ、インクの物性を以下の条件に設定し、インクの輸送状態を数値解析した。
0004037641.tif 000004
【００２０】
▲２▼  結果
解析結果を図３に示す。なお、図３には、連続した２回のパルス信号によるインク輸送の状態を示しており、図３（ａ）〜（ｆ）は最初の信号（第１パルス）によって輸送するインクの状態を示し、図３（ａ’）〜（ｆ’）は２番目の信号（第２パルス）によって輸送するインクの状態を示す。ここでは、インクが静止した状態から１番目の信号の印加したときのインク輸送について説明し、２番目の信号によるインク輸送の詳細については後述する。
【００２１】
解析の結果、輸送するインクの方向と量が安定していることが判明した。これは図２（ｂ）に示すように初期状態においてインク液面が突起頂上部の球面形状部分に接触していることから、インクの僅かな上昇によってインクと突起との境界線長及びその境界面に作用するインクの表面張力（すなわち、インクの輸送を阻害する力）が急激に減少することによって、輸送するインクの方向と量が安定するものと推測される。なお、突出量を５％、１５％に変更し、他の条件は上記と同じにして解析したところ、いずれの場合もインクの輸送方向は安定していた。輸送量は、突出量５％の場合安定しており、突出量１５％の場合、突出量５％、１０％の場合よりもやや安定性が低下したが、実用上差し支えないレベルであった。
【００２２】
（４）比較例
▲１▼比較例１
突起は完全な円錐形状（球面頂上部の無い形状）とし、インク液面を突起頂上部のほぼ頂点の近傍（突起頂上部が僅かに突出する高さ）に設定した。その他の条件は実施例１と同様である。この点は、以下に述べる他の比較例について同様である。解析の結果、図４（ａ）〜図４（ｃ）に示すように、インクは突起から電極に向かって真直ぐ進まず、横方向にずれた。また、インク輸送量の安定性が実施例１よりも低下した。
【００２３】
▲２▼比較例２
実施例１と同様に突起は頂上球面部を有する円錐形状とし、インク液面を突起頂上部よりも５μｍ高くした。解析の結果、インクは小さな液滴となって飛散した。インク輸送量が比較例１よりもさらに低下し不安定になった。
【００２４】
▲３▼比較例３
突起は完全な円錐形状（球面頂上部の無い形状）とし、インク液面を突起頂上部の頂点に一致させた。解析の結果、パルス毎のインクの輸送方向が安定しなかった。また、インク輸送量の安定性が実施例１よりも低下した。
【００２５】
▲４▼比較例４
実施例１と同様に突起は頂上球面部を有する円錐形状とし、突起の突出量ｄ／Ｈを０．３（＝３０％）とした。解析の結果、インクの輸送量と輸送方向は安定したが、パルスの立ち上がり開始からインクがシートに付着するまでの時間（着弾時間）が実施例１よりも３割程度長かった。
【００２６】
（５）比較検討
実施例１と比較例１〜４の解析結果（下記表参照）から明らかなように、突起の頂上部を球面形とすると共に、インク液面の高さを突起の所定量がインク液面から突出するように設定すると、インクの輸送量及び方向が安定し、インク輸送時間を短くすることが理解できる。
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【００２７】
３．パルス波形
本発明に係る画像形成装置では、複数のパルスを連続的に印加してインクを輸送する場合、最初の第１パルスと次の第２パルスの波形を完全に同じすると、第２パルスに応答して輸送されるインク量が第１パルスに応答して輸送されるインクの量よりも多くなる傾向を示す。その理由は、第１パルスに応答して上昇したインク液面が完全にもとの状態に復帰しない状態（すなわち、インク液面が第１パルス印加開始時点でのインク液面よりも高い状態）で第２パルスを印加すると、図３（ｂ）と図３（ｂ’）とを対比すると明らかなように、第２パルスによるインクの着弾時間が第１パルスによるインクの着弾時間よりも短くなり、結果的に第２パルスに応答して輸送されるインクの量が第１パルスに応答して輸送されるインクの量よりも多くなると考えられる。そこで、複数のパルスを連続的に印加してインクを輸送するのに適した実施態様について以下に説明する。
【００２８】
（１）実施例２
図５（ａ）及び下記条件の第１パルスと第２パルスを含む印字信号を印加したとき、第１パルスによって輸送されるインクの着弾時間及びインク量と第２パルスによって輸送されるインクの着弾時間及びインク量との比率を数値解析によって求めた。特徴的に、図示するように、第１パルスと第２パルスとの間で、信号電圧はバイアス電圧（１０００Ｖ）よりも低い電圧（低圧部分ＶＤ：実施例では０Ｖ）に切り換えた。
0004037641.tif 000006
【００２９】
解析の結果を図６（ａ）（着弾時間の比率）と図７（ａ）（インク量の比率）に示す。これらの図に示すように、本実施例によれば、パルス周期を変えても第１パルスと第２パルスによるインクの着弾時間とインク量の比率はほぼ１に近い値を示し、結果として、第１パルスと第２パルスによって形成されるドットの間隔が以後のパルスによって形成されるドットの間隔と等しくなると共に、両パルスによって形成されるドット径がほぼ等しくなることが分かる。
【００３０】
（２）比較例５
図５（ｂ）及び下記条件の第１パルスと第２パルスを印加したときの着弾時間及びインク量の比率を数値解析によって求めた。実施例２と違って、第１パルスと第２パルスとの間の信号電圧はバイアス電圧（１０００Ｖ）に維持した。
0004037641.tif 000007
【００３１】
解析の結果を図６（ｂ）（着弾時間の比率）と図７（ｂ）（インク量の比率）に示す。これらの図に示すように、本比較例の場合、着弾時間についてみると、周期０．４２msec、０．５２msecのとき、第２パルスによるインク着弾時間が第１パルスによる着弾時間の約８５％であった。また、インク量の比率は「１」を遥かに越えて、約２．５から１．５の値を示した。
【００３２】
（３）比較例６
図５（ｃ）及び下記条件の第１パルスと第２パルスを印加したときの着弾時間及びインク量の比率を数値解析によって求めた。比較例５と同様に、第１パルスと第２パルスとの間の信号電圧はバイアス電圧（１０００Ｖ）に維持した。
0004037641.tif 000008
【００３３】
解析の結果を図６（ｃ）（着弾時間の比率）と図７（ｃ）（インク量の比率）に示す。これらの図に示すように、本比較例の場合、着弾時間についてみると、周期０．４２msec、０．５２msecのとき、第２パルスによるインク着弾時間が第１パルスによる着弾時間の約７８〜８５％であった。また、インク量についてみると、周期０．４２msec、０．５２msecのとき、比率が約１．７〜１．８であった。
【００３４】
（４）比較検討
以上の実施例２、比較例５，６の解析結果から明らかなように、第１パルスと第２パルスとの間に、バイアス電圧よりも低い電圧部分（低圧部分）を設けた場合、第１パルスと第２パルスによるインクの着弾時間と輸送量がほぼ等しくなる。特にインク輸送量についてみると、実施例２ではパルス周期が約０．４８msecで輸送量比率が「１」に近くなるのに対し、低圧部分の無いパルスを印加した比較例５，６の場合はパルス周期を０．７２msec以上に大きくしないと輸送量比率を「１」にすることができない。したがって、本実施例２によれば、パルスの周波数を上げても、一定量のインクを安定して輸送できる。
【００３５】
４．他の形態
以上の説明では、頂上部１２は完全な球面（すなわち、全ての点で曲率半径が同一）としたが、円錐部（円錐部と球面部との境界）から頂上部（球面部）の頂点に向かうにしたがって曲率半径が大きくなるように球面部を設計するのがより好ましい。この場合、球面部が曲率の一定した球面の場合よりも、液面の上昇に対する境界線長の減少の比率が高くなり、電荷の集束速度が速くなり、着弾時間が短くなる。また、より低い輸送電圧で所定量のインクを輸送できる。
【００３６】
低圧部分の持続時間は、パルス幅、パルス周期、インクの物性により変化させてもよい。また、パルス幅も、輸送するインク量に応じて変化させることができる。具体的に、図１に示すように、入力部１３に入力される信号（例えば画像信号）のパルス幅・パルス周期・インク輸送量に基づいて変調回路１４で低圧部分の持続時間を変化させてもよいし、入力部１３に入力されたインクの物性（粘度、固形分濃度、揮発速度などに対応する値）又は検出部で検出されたインクの物性（使用時間、温度など）に基づいて変調回路１４で低圧部分の持続時間を変化させてもよい。インクの物性変化を予測して低圧部分の持続時間を変化させてもよい。
【００３７】
実施例２では、第１パルスと第２パルスとの間の低圧部分の電圧を０Ｖまで低下させている。低圧部分を０Ｖに設定すると、低圧部分を設けることによる効果を最大限引き出すことができ、しかも電圧印加の制御が容易であるため特に好ましい。しかしながら、０Ｖまで低下させることは必須ではなく、バイアス電圧（実施例では１０００Ｖ）よりも低ければ０Ｖより大きくても構わない。ただし、０Ｖに近いほど効果は高くなる。
【００３８】
突起７に対向する対向電極５は、突起７に対向する面に、図１に示すように、窪み６を形成してもよい。この場合、突起７に向かって電場が集中し、突起７から対向電極５に向かって輸送されるインクの方向性が一層安定する。
【００３９】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、インクの輸送方向及び輸送量が安定する。また、本発明によればインクの輸送時間を短くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る画像形成装置およびプリントヘッドの概略構成図。
【図２】  突起の側面図（ａ）と断面図（ｂ）。
【図３】  球面部を有する突起から輸送されるインクの状態を解析した図。
【図４】  球面部の無い突起から輸送されるインクの状態を解析した図。
【図５】  実施例２のパルス（第１パルスと第２パルス）波形（ａ）と比較例５，６のパルス波形（ｂ）、（ｃ）。
【図６】  図５に示す第１、第２パルスを印加したとき、第１パルスと第２パルスによって輸送されるインクの着弾時間比率を示す図。
【図７】  図５に示す第１、第２パルスを印加したとき、第１パルスと第２パルスによって輸送されるインクの輸送量比率を示す図。
【符号の説明】
１：プリントヘッド
３：シート
４：導電基板
５：対向電極
７：突起
１０：インク
１２：頂上部（球面部）
【図１】
0004037641.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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