JPH10770A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ダイヤフラムの面積が小さくても十分な吐出
圧力が得られ、高密度で高効率のオンデマンド型のイン
クジェット記録装置を提供する。 【解決手段】 待機状態では、制御部１１は基板電極２
の電位Ｖ１とダイヤフラム電極５の電位Ｖ２とに電位差
を与え、静電力によりダイヤフラム４を基板電極２側に
変形させ、この状態で維持される。画像信号に従い、Ｖ
１−Ｖ２間の電位差を選択的に開放すると同時に、ダイ
ヤフラム電極５の電位Ｖ２とノズル電極１０の電位Ｖ３
とに電位差を与える。これにより、ダイヤフラム４には
待機状態の変形に対する復元力が働き、かつ、弾性変形
可能なノズル形成部材７にはＶ２−Ｖ３間の電位差によ
る静電力が作用し、ダイヤフラム４とノズル形成部材７
とでインク室９の体積を減少させる。これにより、イン
ク室９内のインクに吐出圧力を発生させ、インク室９内
のインクはノズル８より液滴として飛翔する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、画像情報に応じて
インク吐出素子から選択的にインクを吐出するオンデマ
ンド型のインクジェット記録装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】オンデマンド型のインクジェット記録装
置としては、各種の方式が提案されている。その一つと
して、静電力によるダイヤフラムの変形圧力をインクに
加えその力でインクを吐出させる方式がある。この方式
は、例えば、特開平６−３４００６９号公報に開示され
ているように、弾性変形可能な可動板に電極を形成し、
また対向する電極を配置し、この対向する電極との間の
静電力で可動板を変形させ、その復元力による圧力をイ
ンクに作用させ、インクを吐出させるものである。

【０００３】しかし、この静電力によるダイヤフラムの
変形圧力で吐出させる方式では、ダイヤフラムの変形量
が小さく、十分な吐出圧力を得るためにはある値以上の
ダイヤフラムの面積を要し、高密度化が困難であるとい
った問題が生じている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、ダイヤフラムの面積が小さ
くても十分な吐出圧力が得られ、高密度で高効率のオン
デマンド型のインクジェット記録装置を提供することを
目的とするものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、画像情報に応じてオンデマンドでインク室内のイン
クをノズルから吐出させるインクジェット記録装置にお
いて、前記インク室の内壁の一部を構成する弾性変形可
能なダイヤフラムと、該ダイヤフラムに形成された第１
の電極と、前記ダイヤフラムに対向する前記インク室の
内壁の一部を構成するとともに前記ノズルが形成され弾
性変形可能な変形可動部と、該変形可動部に設けられた
第２の電極と、前記第１の電極に対向して前記第２の電
極とは反対側に形成された第３の電極と、前記第１の電
極、前記第２の電極、前記第３の電極の電位を制御する
制御手段を有していることを特徴とするものである。

【０００６】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
のインクジェット記録装置において、前記制御手段は、
待機状態では前記第３の電極と前記第１の電極間に生ず
る静電力により前記ダイヤフラムを変形させており、イ
ンク吐出時には前記第３の電極と前記第１の電極間の静
電力を開放するとともに前記第１の電極と前記第２の電
極間に静電力を生じさせ、前記ダイヤフラムを待機状態
と逆方向へ変形させるとともに前記変形可動部を前記イ
ンク室内へ変形させ、インク室内のインクに圧力を作用
させインクを吐出させることを特徴とするものである。

【０００７】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
のインクジェット記録装置において、前記第１の電極の
面積をＳ１、前記第２の電極の面積をＳ２としたとき、
Ｓ１＞Ｓ２であることを特徴とするものである。

【０００８】請求項４に記載の発明は、請求項１に記載
のインクジェット記録装置において、前記第１の電極を
ノズルごとの個別電極とし、前記第２の電極および前記
第３の電極を複数のノズルに対する共通電極とすること
を特徴とするものである。

【０００９】請求項５に記載の発明は、請求項１または
４に記載のインクジェット記録装置において、前記制御
手段は、前記第１の電極と前記第３の電極間の静電力の
大きさをＦ１３、前記第１の電極と前記第２の電極間の
静電力の大きさをＦ１２としたとき、待機状態において
はＦ１３＞Ｆ１２≧０、吐出状態においては０≦Ｆ１３
＜Ｆ１２となるように、前記第２の電極および前記第３
の電極の電位を一定に保ち、前記第１の電極の電位を制
御してインクを吐出させることを特徴とするものであ
る。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のインクジェット
記録装置の実施の一形態を示す１素子分の断面図であ
る。図中、１は基板、２は基板電極、３は圧力発生部
材、４はダイヤフラム、５はダイヤフラム電極、６はイ
ンク室形成部材、７はノズル形成部材、８はノズル、９
はインク室、１０はノズル電極、１１は制御部である。

【００１１】基板１は、セラミック，ガラス等によって
形成された絶縁基板であり、その表面には基板電極２が
形成されている。圧力発生部材３は、例えばシリコン等
を用いて構成され、ノズル８に対応して可動部を有して
いる。その可動部は、異方性エッチング等の方法で十分
肉薄に加工され、ダイヤフラム４を形成している。この
ダイヤフラム４の表面には、ダイヤフラム電極５が形成
されている。このダイヤフラム電極５が基板電極２と対
向するように、基板１と圧力発生部材３が接着されてい
る。ここで、後述するようにダイヤフラムはインクの吐
出方向に変形するので、ダイヤフラム４の動作によって
基板電極２とダイヤフラム電極５が接触しないように、
ダイヤフラム４と基板１との間には空間が設けられてい
る。なお、図１に示した例ではダイヤフラム電極５はダ
イヤフラム４の表面の基板電極２側に形成されているが
インク室９側に形成することも可能である。

【００１２】ダイヤフラム４の一面とインク室形成部材
６、ならびにノズル形成部材７によって、インク室９が
形成されている。インク室９中にはインクが充填されて
いる。インク室９には図示しないインク供給路が接続さ
れており、消費したインクが補給される。なお、使用す
るインクとしては、例えば絶縁性のインクを用いること
ができる。インク室形成部材６は、圧力発生部材３また
はノズル形成部材７と一体に構成してもよい。

【００１３】ノズル形成部材７には、インクを吐出する
ためのノズル８が形成されている。ノズル形成部材７の
少なくともノズル８の付近は弾性変形可能に構成されて
おり、また、ノズル８の付近にはノズル電極１０が形成
されている。ノズル形成部材７としては、例えば、ゴム
などの弾性材料を用いたり、セラミックスや金属板等を
用いて少なくともノズル８付近を十分肉薄に形成するこ
とで実現でき、例えばシリコンを用いた場合、ダイヤフ
ラム４と同様に異方性エッチングなどの手法によって形
成できる。なお、ノズル電極１０は、ノズル形成部材７
のインク室９の外側の面に形成するほか、インク室９内
の面に形成してもよい。

【００１４】制御部１１は、基板電極２に電位Ｖ１を、
ダイヤフラム電極５に電位Ｖ２を、ノズル電極１０に電
位Ｖ３をそれぞれ供給しており、これらの電位を制御し
てインクの吐出を行なわせる。

【００１５】以上、基本構成を示したが、前述した各電
極を酸化シリコン等の絶縁膜によって保護し、電極間の
短絡を防止するなど、本発明の駆動原理を実現しうる限
り、その構成は変更可能である。

【００１６】図２は、ダイヤフラム電極とノズル電極の
関係の一例の説明図である。一つの変形例として、ダイ
ヤフラム４上に配置されたダイヤフラム電極５とインク
吐出ノズル８近傍に形成されたノズル電極１０を、例え
ば図２に示すように、ダイヤフラム電極５の面積をＳ
２、ノズル電極１０の面積をＳ３としたとき、Ｓ２＞Ｓ
３となるように構成することができる。図２では、さら
に両電極に電圧を印加したときの電極手前外周の電気力
線も示した。図２より明らかなように、電気力線はノズ
ル近傍にむけて密になっている。すなわち、ノズルに向
かうほど大きい電界勾配が形成される。

【００１７】一般に、単位体積あたりの流体に電場が作
用する力は、単位体積あたりの電荷に働くクーロン力
と、誘電率の空間的変化により働く力と、電界強さの空
間的変化により働く力の和となる。後者二つは、言いか
えると流体の分極に働く力である。つまり、分極によっ
て生じる電荷量は正負あわせるとゼロであるが、各電荷
に働く力を積分した場合、電界の強いところに生じてい
る分極電荷の方により強い力が働くことから、流体粒子
は電界の強い方に引かれることになる。したがって、ノ
ズル近傍に大きな電界が形成されると、ノズルに向かう
インク流が発生し、インク吐出力の一端を担うことにな
る。

【００１８】電極の面積が上述したような関係となるよ
うに各電極を構成した場合、インク吐出時にはダイヤフ
ラム４およびノズル形成部材７による圧力に加え、電界
勾配によるインク流が発生し、より効率的なインク吐出
が実現可能となる。なお、このような効果を期待しなけ
れば、上述の関係を満たす必要はない。また、図２では
電極を円形状に形成した場合を示したが、電極の形状は
これに限るものではなく、矩形や多角形、長円形など、
種々の形状であってよい。

【００１９】図１に示した構成は１素子分を示している
が、複数のノズルを配設する場合、このような構成を各
素子について設ければよい。このとき、基板電極２およ
びノズル電極１０は、それぞれのノズルに対応させて設
けることができるが、複数のノズルに共通に設けること
もできる。制御部１１は、画像情報に応じて各ノズルか
らインクを吐出させるか否かを制御するが、基板電極２
およびノズル電極１０を各ノズルに共通の電極とした場
合、後述のように、ダイヤフラム電極５の電位を画像情
報に応じて制御するだけでインクの吐出制御が可能であ
る。

【００２０】次に、本発明のインクジェット記録装置の
実施の一形態における動作の一例を説明する。図３、図
４は、本発明のインクジェット記録装置の実施の一形態
におけるインク吐出時の一態様を示す説明図である。上
述の図１には、待機状態を示している。待機状態では、
制御部１１は基板電極２の電位Ｖ１とダイヤフラム電極
５の電位Ｖ２とに電位差を与える。これによってダイヤ
フラム４が基板電極２の方向に変形に、この状態で維持
される。

【００２１】画像信号に従い、Ｖ１−Ｖ２間の電位差を
選択的に開放すると同時に、ダイヤフラム電極５の電位
Ｖ２とノズル電極１０の電位Ｖ３とに電位差を与える。
これにより、ダイヤフラム４には待機状態の変形に対す
る復元力が働き、かつ、弾性変形可能なノズル形成部材
７にはＶ２−Ｖ３間の電位差による静電力が作用し、図
３、さらには図４に示すようにダイヤフラム４とノズル
形成部材７が変形してゆき、インク室９の体積を減少さ
せる。これにより、インク室９内のインクに吐出圧力を
発生させ、インク室９内のインクはノズル８より液滴と
して飛翔する。

【００２２】図５は、本発明のインクジェット記録装置
の実施の一形態における駆動時の動作の一例を説明する
ためのタイミングチャートである。予め、基板電極とノ
ズル電極には駆動電圧に相当する電位差を与えておく。
待機状態においてはダイヤフラム電極５の電位をノズル
電極１０の電位と等しく設定し、吐出状態においては基
板電極２の電位と等しい値にスイッチする。

【００２３】図５中のＡの区間では画像信号により吐出
しない場合である。ダイヤフラム電極電位はＡの区間
中、常にノズル電極１０の電位と等しいので、ダイヤフ
ラム４はＶ１−Ｖ２間の静電力により変形された状態を
保ち、インクは吐出されない。

【００２４】図５中のＢ，Ｃ，Ｄの区間は、画像信号に
従いインクを吐出する場合である。区間の初期におい
て、ダイヤフラム電極５の電位を待機状態から基板電極
２の電位までスイッチさせることによって、Ｖ１−Ｖ２
間の静電力はなくなり、Ｖ２−Ｖ３間の静電力が発生す
る。これにより、ダイヤフラム４は初期変形からの復元
力とノズル形成部材７の変形圧力がインクに作用し、ノ
ズル８からインク液滴を飛翔させることができる。その
後、再びダイヤフラム電極５の電位を待機状態へ戻すこ
とによって、Ｖ２−Ｖ３間の静電力はなくなり、Ｖ１−
Ｖ２間の静電力が発生する。これによりダイヤフラム４
は基板１側に変形し、待機状態となるとともに、ノズル
形成部材７はその復元力によって復元する。このときイ
ンク室９の形状は待機状態に戻るとともにインク室９内
は負圧となり、この負圧によって、飛翔したインク液適
量だけのインクが図示しないインク供給路からインク室
９内に供給される。

【００２５】図６は、本発明のインクジェット記録装置
の実施の一形態における駆動時の動作の別の例を説明す
るためのタイミングチャートである。図５と同様に、図
中のＡの区間では画像信号により吐出しない場合であ
り、図中Ｂ，Ｃ，Ｄの区間は、画像信号に従いインクを
吐出する場合である。この例では、Ｂ，Ｃ，Ｄの区間に
おいてダイヤフラム電極５の電位を基板電極２の電位と
同じにしてインクをノズルから吐出させた後、ダイヤフ
ラム電極５の電位を待機状態の電位へ戻す際の電位の変
化を、時間に対してなめらかに行なっている。

【００２６】インクの吐出後、ダイヤフラム４を待機状
態の形状に戻す際には、上述のようにインク室９内は負
圧となる。この負圧によって図示しないインク供給路か
らインクが供給されるが、ノズル８においては負圧によ
ってインクのメニスカスがインク室９の内側に引かれ
る。これによってインクのメニスカスが変動することに
なる。インクのメニスカスの変動は、次にインクを吐出
した際のインクの液滴の量に影響し、ひいては画質に影
響する。

【００２７】さらに負圧が大きいと、インクのリフィル
時にインク供給路等の流体抵抗によってインク室９の体
積変化にインクの供給が追いつかず、インク室９内に空
気が侵入することも考えられる。インク室９内に気泡が
混入すると、ダイヤフラム４およびノズル形成部材７の
変形による圧力が気泡の体積変化で吸収されてインクの
吐出不良を引き起こす可能性がある。

【００２８】図６に示すようにダイヤフラム電極５の電
位の変化を時間に対してなめらかに行なうことによっ
て、ダイヤフラム４およびノズル形成部材７を待機状態
の形状に戻す際に発生するインク室９内の負圧を緩和
し、インクメニスカスの変動を抑え、インク室９内への
空気の侵入を防いで、インクの供給を行なうことが可能
となる。

【００２９】図５および図６に示したタイミングチャー
トのように、一つの電極を信号電極としてスイッチング
することにより、インクに作用する２つの変形圧力を同
時に制御することが可能となる。したがって、複数の力
をインク吐出力として利用するにもかかわらず、複雑な
回路を必要とすることなく、安価に印字ヘッドを作製す
ることが可能である。

【００３０】ここで、ダイヤフラム電極電位は必ずしも
基板電極２の電位とノズル電極１０の電位の間をスイッ
チングすることに限らず、基板電極２のとダイヤフラム
電極間における静電力をＦ１３、ダイヤフラム電極およ
びノズル電極間における静電力をＦ１２としたとき、待
機状態においてはＦ１３＞Ｆ１２≧０、吐出状態におい
ては０≦Ｆ１３＜Ｆ１２となるように制御すればよく、
その極性も含めてこの条件を満たす範囲で変更可能であ
る。例えば、待機状態ではダイヤフラム４は変形せず、
インクの吐出時にダイヤフラム４とノズル形成部材７と
が引き合うように変形するように制御することも可能で
ある。また、図５および図６におけるダイヤフラム電極
５の電位を複数段階で制御し、ダイヤフラム４の初期変
形量やノズル形成部材７の変形量を変調することによっ
て、インク室９の体積変化量を可変とし、インク液滴の
体積変調による多値記録も実現可能である。

【００３１】また、上述の例では、ダイヤフラム電極の
電位を制御してインクの吐出制御を行なったが、これに
限らず、動作を可能にする各電極間の電位関係を保つ限
りどの電極を制御してもよい。基板電極２、ノズル電極
１０、そして一つまたは複数個のダイヤフラム電極５の
電位を制御部１１によって制御することによって、本発
明の動作が可能となる。

【００３２】さらに、上述の構成は他のインクジェット
記録方式と組み合わせて用いることもできる。例えば、
被記録媒体側に第４の電極を配し、ダイヤフラム電極５
と第４の電極との間の静電界によってインクを被記録媒
体へ引き出す方式と組み合わせることができる。この静
電界によってインクを吸引する方式では、静電力に対す
る応答性が悪く、印字速度が遅いという問題があるが、
上述の構成と組み合わせることによって、インクを被記
録媒体へ到達させるまでの時間を短縮することができ
る。加えて、静電界によってインクを吸引する方式で
は、静電界をかける時間によって被記録媒体に付着させ
るインク量を変化させることができるので、高速な多階
調の記録を簡単に実現できる。

【００３３】

【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、ダイヤフラムの変形と、ダイヤフラムと共に
インク室の壁面の一部を構成する変形可動部の変形の両
方によって、インク室内のインクに圧力をかけ、インク
を吐出させる。従来のようにダイヤフラム４の変形のみ
を利用したインクジェット記録装置では、インクを吐出
させるために必要なインク室の体積変化を実現するため
には、ダイヤフラム４の面積を大きくしなければなら
ず、素子の高密度化に対して大きな障害となっていた。
本発明の構成によれば、ダイヤフラムの変形によるイン
ク室の体積変化に加えて、変形可動部の変形も作用する
ため、素子の基板面積あたりの変化量を大きくすること
ができる。そのため、ダイヤフラムの面積を大きくしな
くてよいので、高密度化に大きな効果を有する。

【００３４】また、ダイヤフラムはその両側の対向電
極、すなわち第２、第３の電極との静電力が交互に作用
して吸引されるので、より高速に駆動することが可能で
ある。さらに、第２の電極を設けた変形可動部にインク
を吐出するためのノズルを形成し、インク室を形成する
一面とすることで、ダイヤフラムおよび変形可動部の可
動方向とインク吐出方向の軸が一致し、効率のよい構成
を容易に安価で実現することができる。

【００３５】とくに、請求項２に記載の発明のように、
制御手段によって、待機状態では第３の電極と第１の電
極間に生ずる静電力によりダイヤフラムを変形させてお
き、インク吐出時には第３の電極と第１の電極間の静電
力を開放するとともに第１の電極と第２の電極間に静電
力を生じさせて、ダイヤフラムを待機状態と逆方向へ変
形させるとともに変形可動部をインク室内へ変形させ、
インク室内のインクに圧力を作用させインクを吐出させ
るように動作させることができる。あるいは、請求項５
に記載の発明のように、制御手段によって、第１の電極
と第３の電極間の静電力の大きさをＦ１３、第１の電極
と第２の電極間の静電力の大きさをＦ１２としたとき、
待機状態においてはＦ１３＞Ｆ１２≧０、吐出状態にお
いては０≦Ｆ１３＜Ｆ１２となるように、第２の電極お
よび第３の電極の電位を一定に保ち、第１の電極の電位
を制御してダイヤフラムおよび変形可動部をインクと出
自にインク室内へ変形させ、インクを吐出させるように
動作させることができる。

【００３６】このような制御を行なう場合には、例えば
請求項４に記載の発明のように、第１の電極をノズルご
との個別電極とし、第２の電極および第３の電極を複数
のノズルに対する共通電極として、第１の電極の電位を
制御して吐出動作を行なわせることが可能であり、１つ
の電極の電位のみを制御するだけで吐出制御を行なうこ
とができる。したがって、複雑な回路を必要とすること
なく安価にしかも小型のインクジェット記録装置を作製
することが可能である。

【００３７】さらに、請求項３に記載の発明のように、
第１の電極の面積を第２の電極の面積より大きくするこ
とで、その電極対により形成される電界の強さはノズル
近傍ほど大きくなるような勾配を生ずる。したがって、
ノズルに向かうインク流が発生しインク吐出力の一端を
担うことになる。これにより、さらに小型で高効率のイ
ンクジェット記録装置を構成することができる。

【００３８】このように、本発明によれば、簡単な構成
で安価に、高効率なオンデマンド型インクジェット記録
装置を提供することが可能となるという効果がある。

【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実施の一
形態を示す１素子分の断面図である。

【図２】 ダイヤフラム電極とノズル電極の関係の一例
の説明図である。

【図３】 本発明のインクジェット記録装置の実施の一
形態におけるインク吐出時の一態様を示す説明図であ
る。

【図４】 本発明のインクジェット記録装置の実施の一
形態におけるインク吐出時の一態様を示す説明図（続
き）である。

【図５】 本発明のインクジェット記録装置の実施の一
形態におけるインク吐出時の一態様を示す説明図であ
る。

【図６】 本発明のインクジェット記録装置の実施の一
形態における駆動時の動作の別の例を説明するためのタ
イミングチャートである。

【符号の説明】 １…基板、２…基板電極、３…圧力発生部材、４…ダイ
ヤフラム、５…ダイヤフラム電極、６…インク室形成部
材、７…ノズル形成部材、８…ノズル、９…インク室、
１０…ノズル電極、１１…制御部。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像情報に応じてオンデマンドでインク
   室内のインクをノズルから吐出させるインクジェット記
   録装置において、前記インク室の内壁の一部を構成する
   弾性変形可能なダイヤフラムと、該ダイヤフラムに形成
   された第１の電極と、前記ダイヤフラムに対向する前記
   インク室の内壁の一部を構成するとともに前記ノズルが
   形成され弾性変形可能な変形可動部と、該変形可動部に
   設けられた第２の電極と、前記第１の電極に対向して前
   記第２の電極とは反対側に形成された第３の電極と、前
   記第１の電極、前記第２の電極、前記第３の電極の電位
   を制御する制御手段を有していることを特徴とするイン
   クジェット記録装置。
2. 【請求項２】 前記制御手段は、待機状態では前記第３
   の電極と前記第１の電極間に生ずる静電力により前記ダ
   イヤフラムを変形させており、インク吐出時には前記第
   ３の電極と前記第１の電極間の静電力を開放するととも
   に前記第１の電極と前記第２の電極間に静電力を生じさ
   せ、前記ダイヤフラムを待機状態と逆方向へ変形させる
   とともに前記変形可動部を前記インク室内へ変形させ、
   インク室内のインクに圧力を作用させインクを吐出させ
   ることを特徴とする請求項１に記載のインクジェット記
   録装置。
3. 【請求項３】 前記第１の電極の面積をＳ１、前記第２
   の電極の面積をＳ２としたとき、Ｓ１＞Ｓ２であること
   を特徴とする請求項１に記載のインクジェット記録装
   置。
4. 【請求項４】 前記第１の電極をノズルごとの個別電極
   とし、前記第２の電極および前記第３の電極を複数のノ
   ズルに対する共通電極とすることを特徴とする請求項１
   に記載のインクジェット記録装置。
5. 【請求項５】 前記制御手段は、前記第１の電極と前記
   第３の電極間の静電力の大きさをＦ１３、前記第１の電
   極と前記第２の電極間の静電力の大きさをＦ１２とした
   とき、待機状態においてはＦ１３＞Ｆ１２≧０、吐出状
   態においては０≦Ｆ１３＜Ｆ１２となるように、前記第
   ２の電極および前記第３の電極の電位を一定に保ち、前
   記第１の電極の電位を制御してインクを吐出させること
   を特徴とする請求項１または４に記載のインクジェット
   記録装置。