JP2002225260A

JP2002225260A - インクジェットヘッド

Info

Publication number: JP2002225260A
Application number: JP2001028018A
Authority: JP
Inventors: Mitsuru Sawano; 充沢野
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2002-08-14

Abstract

(57)【要約】【課題】インクミストを噴射するインク噴出ノズルの集
積度を高め、解像度の高い画像を記録することのできる
インクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インク噴出ノズルと、このインク噴出ノズ
ルと連通し、１つの壁面に高周波振動板を形成するイン
ク液室とを備え、高周波振動板を駆動することによって
発生するインク液室内のインク液中の超音波を用いて、
インク噴出ノズルからインクミストを噴出させるインク
ジェットヘッドにおいて、高周波振動板の振動面と接す
るインク液室の壁面の壁面形状の縦横比を１より大きく
することによって前記課題を解決する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インクミストを用
いて、解像度の高い画像の記録を行うインクジェットヘ
ッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】今日、インク液滴を吐出させて記録紙等
に記録を行うインクジェットプリンタが種々提案されて
いる。このインクジェットプリンタの記録ヘッドのイン
ク吐出ノズルは、近年高密度化され、解像度が高く、比
較的階調数の高い鮮明な画像を得るに至っているが、依
然として、その要求は続いている。

【０００３】最近、通常吐出するインク液滴の量の１０
分の１以下、すなわち略０．１ｐｌ（ピコリットル）程
度のインクミストを記録紙に噴出して、画像記録を行う
方法が提案されている（「集束超音波によるミスト噴射
を用いた多階調インクジェット記録」、福本宏等、Ｊａ
ｐａｎＨａｒｄｃｏｐｙ ’９９論文集（１９９
９）、ｐ３４３〜３４６）。

【０００４】この方法は、図５（ａ）に示すような、イ
ンク噴出機構１００によって実現される。すなわち、イ
ンク噴出機構１００は、インク噴出ノズル１０２と、イ
ンク噴出ノズル１０２と連通し、底面に高周波振動板１
０４を有するインク液室１０６とを備え、高周波振動板
１０４を駆動することによってインク液室１０６内のイ
ンク液中に発生する超音波、例えば１０ＭＨｚの超音波
をインク噴出ノズル近傍の位置Ｆ’に集束させ、インク
噴出ノズル１０２からインクミストＭ’を噴出させる機
構である。このようなインク吐出機構１００を一列に複
数並列配置することによって、インク吐出ノズル１０２
を複数配置することができる。ここで、インク液室１０
６の壁面は、図５（ｂ）に示すように、放物線の中心軸
を回転軸として得られる回転放物面の一部分となってい
る。すなわち、インク液室１０６は、高周波振動板１０
４の面に平行な断面形状が円形状となっており、インク
液室１０６の底面からインク噴出ノズルの方向に向かっ
て、この円形状を維持しながら面積が小さくなってい
る。これによって、高周波振動板１０４から図中上方向
に向けて発生した超音波が位置Ｆ’に集束する。従っ
て、高周波振動板１０４から発生した超音波は平面波と
して図５（ａ）中、上方向に進行し、インク液室１０６
の壁面１０６ａに反射して、焦点位置である位置Ｆ’で
位相が揃い超音波強度が増大し、インク液表面から効率
よくインクミストＭ’を発生させる。

【０００５】このようなインク吐出機構１００は、従来
の吐出インク液滴に替えてインク微粒子の集合体である
インクミストを噴出して記録するので、記録されるドッ
ト毎の濃度を多階調に制御することができる。従って、
画像の階調を滑らかに表現でき、画像の粒状性を大幅に
改善することができるとされている。さらに、このイン
クミストの噴射の方法では、略０．１ｐｌ程度のインク
ミストが記録紙に付着するため、インクの乾燥が非常に
速く、高速で印刷を行うことが可能と考えられる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記インク
吐出機構１００のインク液室１０６のインク壁面１０６
ａは、上述したように、断面が円形状の回転放物面であ
るので、図５（ｃ）に示すように、インク噴出機構１０
０を一列に複数並列配置すると、インク噴出ノズル１０
２の間隔が、インク液室１０６の底面における円形状の
断面１０６ｂによって制限を受け、インク噴出ノズル１
０２の間隔を狭くすることはできない。一方、インク噴
出ノズル１０２の間隔を狭くするために、インク液室１
０６の底面を小さくすると高周波振動板１０４も小さく
なり、インク液中に発生させる超音波の強度が小さくな
る。そのため、インクミストＭ’を用いて所望の記録を
行うことができない。

【０００７】このようなインク噴出機構１００を一方向
に並列配置した場合、隣接するインク噴出ノズルの間隔
Ｌ’を略８０μｍ程度にしかできず、３００ｄｐｉに対
応するインク噴出ノズルの配置が上限となる。そのた
め、インク噴出機構１００を有するインクジェットヘッ
ドでは、高密度化され、解像度が高い画像を記録するこ
とはできない。

【０００８】そこで、本発明は、上記問題点を解決すべ
く、インクミストを噴射するインク噴出ノズルの集積度
を高め、解像度の高い画像を記録することのできるイン
クジェットヘッドを提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、インク噴出ノズルと、このインク噴出ノ
ズルと連通し、１つの壁面に高周波振動板を形成するイ
ンク液室とを備え、前記高周波振動板を駆動することに
よって発生する前記インク液室内のインク液中の超音波
を用いて、前記インク噴出ノズルからインクミストを噴
出させるインクジェットヘッドであって、前記高周波振
動板を形成する前記インク液室の壁面の、前記インク吐
出ノズルの側から見た壁面形状の縦横比が１より大きい
ことを特徴とするインクジェットヘッドを提供するもの
である。ここで、壁面の壁面形状の縦横比とは、壁面の
壁面形状を包含する最小の矩形形状の短辺（短軸）方向
の長さに対する長辺（長軸）方向の長さの比をいう。従
って、壁面形状の縦横比が１より大きいとは、壁面形状
を包含する最小の矩形形状が長方形であることを意味す
る。

【００１０】ここで、前記高周波振動板を形成する前記
インク液室の壁面は、略楕円形状であるのが好ましく、
あるいは、前記高周波振動板を形成する前記インク液室
の壁面は、略矩形形状であるのが好ましい。さらに、前
記インク液室と前記インク噴出ノズルを組として、前記
インク液室と前記インク噴出ノズルが一方向に複数組並
列配置され、前記インク液室の前記縦横比で定まる短辺
方向が、前記並列配置の方向に一致するのが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のインクジェットヘ
ッドについて、添付の図面に示される好適実施例を基に
詳細に説明する。

【００１２】図１に示されるインクジェットヘッド１０
は、１つのインク噴出ノズルに対応したインク噴出機構
を示している。なお、図中において、実際の構造と比較
して厚みを誇張して示している。インクジェットヘッド
１０は、ノズルプレート１２、基板１４、１６および１
８の４層の積層構造からなる。

【００１３】ノズルプレート１２には、インクＩをイン
クミストとして噴射するインク噴出ノズル２０が設けら
れる。基板１４は、ノズルプレート１２および基板１６
とともに、インク液室１４ａおよびインク供給路１４ｂ
を形成する。インク供給路１４ｂは、インク液室１４ａ
にインクＩを供給するように、図示されないインクタン
クに接続される。

【００１４】インク液室１４ａの壁面の１つである底面
には、基板１６の肉厚が部分的に薄くなった高周波振動
板１６ａが形成される。また、基板１６の高周波振動板
１６ａの下面には、薄膜可動電極１６ｂが配置され、電
圧が常に０（Ｖ）になるように接地されている。基板１
８には、薄膜可動電極１６ｂと微小間隔、例えば３μｍ
の間隔で、薄膜固定電極１８ａが薄膜可動電極１６ｂと
対向するように平行に配置される。

【００１５】薄膜固定電極１８ａは、図示されない端子
を介して、発信回路４８ａおよび制御部４８ｂを備えた
駆動信号作成部４８に接続される。薄膜固定電極１８ａ
は、パルス状の制御電圧信号が印加されることにより、
薄膜可動電極１６ｂおよび薄膜固定電極１８ａの間に、
電位差Ｖが生じるように構成される。電位差Ｖの生じた
薄膜可動電極１６ｂおよび薄膜固定電極１８ａは、導電
性を持つため、互いに異なる極性に帯電し、その結果、
電極間に静電力が働き、振動板１６ａが下に凸となるよ
うに変形する。一方、パルス状の制御電圧信号に従っ
て、電位差Ｖが解放されると、高周波振動板１６ａは復
元する。ここで、上記制御電圧信号は、例えば１０ＭＨ
ｚの高周波の制御電圧信号を薄膜固定電極１８ａに印加
するので、高周波振動板１６ａは高速に振動して、イン
ク液室１４ａ内で超音波が発生する。この発生した超音
波は、インク液室１４ａの壁面で反射して、インク噴出
ノズル２０の近傍に略集束し、この超音波の圧力によっ
て、インクミストＭが噴射する。このように、振動板１
６ａ、薄膜可動電極１６ｂ、および、薄膜固定電極１８
ａは、制御電圧信号に応じて、インクミストＭを行う静
電容量型アクチュエータＡを形成する。

【００１６】ここで、インク噴出ノズル２０は、高周波
振動板１６ａの中心位置を通る垂線上にインク噴出ノズ
ル２０の中心位置が来るように設定されており、また、
インク液室１４ａの形状の中心線は、上記垂線に一致す
るようにインク液室１４ａは形成されている。このよう
な垂線を図２（ａ）に示すようにｚ軸とし、高周波振動
板１６ａの中心位置を原点Ｏとするｘｙｚ座標系におい
て、ｘ軸およびｙ軸を含む平面で切断されるインク液室
１４ａの壁面形状は放物線である一方、高周波振動板１
６ａの振動面を形成する、インク噴出ノズル２０の側か
ら見たインク液室１４ａの底面１４ｃの底面形状の縦横
比、すなわち、ｘｙｚ座標系の原点Ｏを含むｘ−ｙ平面
における、インク噴出ノズル２０の側から見たインク液
室１４ａの断面の断面形状の縦横比が１より大きくなっ
ている。ここで、断面形状の縦横比とは、上述したよう
に、断面形状を包含する最小の矩形形状の短辺（短軸）
方向の長さに対する長辺（長軸）方向の長さの比をい
う。

【００１７】インクジェットヘッド１０では、このよう
なインク噴出機構がインク噴出ノズル毎に一方向に配列
して、高集積化されたインク噴出ノズルの配置を実現し
ているが、上述したようにインク液室１４ａの底面１４
ｃは、ｙ方向に短軸を持つ略楕円形状であり、図２
（ｂ）に示すように、短軸方向（ｙ方向）に複数のイン
ク液室１４ａを配置してノズル列を形成することができ
るので、隣接するインク噴出ノズル２０の間隔Ｌを、図
３（ｂ）に示すような同一の底面の断面積を有するイン
ク液室の場合に比べて狭く設定することができ、インク
噴出ノズル２０の高密度配列、例えば６００ｄｐｉに相
当するインク噴出ノズルの配列が可能となる。

【００１８】このようなインク液室１４ａでは、高周波
振動板１６ａから発生した超音波は平面波として図１
中、上方向に進行するが、インク液室１４ａの壁面に反
射した超音波はすべて、位置Ｆの近傍に集束するとはか
ぎらず、しかも、集束する超音波の位相も同位相とは限
らない。しかし、高周波振動板１６ａから発生する超音
波は強度分布を持つことから、超音波強度の高い超音波
が少なくとも同位相で位置Ｆ近傍に集束し、しかも同位
相となるように、図２（ａ）中のｚ方向の各位置での断
面形状の縦横比が設定されている。例えば、インク液室
１４ａの底面を略楕円形状としながらも、インク液室１
４ａの断面形状が、ｚ方向に行くに従って徐々に円形状
へ変化するインク液室であって、例えば、高周波振動板
１６ａによる振動の振幅が大きく超音波強度の高い振動
板中央部周辺で発生した超音波を、円形状となった断面
を有するインク液室１６ａの壁面で反射させることによ
って、強度の高い超音波を位置Ｆに略同位相で集束させ
ることができる。

【００１９】駆動信号作成部４８は、発信回路４８ａお
よび制御部４８ｂを有して構成される。制御部４８ｂ
は、送られてきたデータＤを、所定の階調変換に従って
変換を行う部位である。発信回路４８ａは、後述する制
御電圧信号Ｓを作成する部位で、制御電圧信号Ｓをアク
チュエータＡに印加する。

【００２０】ここで、制御電圧信号Ｓを説明すると、制
御電圧信号Ｓは、図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、周
波数ｆ₀（＝１／Ｔ₀）を基本周波数とするｎ個のパル
ス列の群から成る（図４（ｃ））高周波信号Ｓ_aが、周
期Ｔ_bの間隔で（図４（ｂ））、データＤの階調レベル
に応じて、複数個、列を成すことによって信号Ｓ_bが形
成され、この信号Ｓ_bを単位として、信号Ｓ_bが周期Ｔ
_dで連続して形成される（図３（ａ））。

【００２１】このような制御電圧信号Ｓが印加されたア
クチュエータＡは、制御電圧信号Ｓを受け取ることで、
インク噴出ノズル２０から、略０．１ｐｌの量の複数の
インク滴からなるインクミストＭを噴出するように構成
される。ここで、上記各周波数を例示すると、周波数ｆ
₀は１０ＭＨｚ、周期Ｔ_bで定まる周波数ｆ_b（＝１／
Ｔ_b）は６０ｋＨｚ、周期Ｔ_dで定まる周波数ｆ_d（＝
１／Ｔ_d）は２ｋＨｚである。

【００２２】このようなインクジェットヘッド１０で
は、画素単位の階調データであるデータＤが駆動信号作
成部４８に入力されると、データＤの信号値は、駆動信
号作成部４８で所定の階調変換に従って変換され、階調
レベルが得られる。次に階調レベルに応じて、図３
（ａ）〜（ｃ）に示されるような制御電圧信号Ｓが作成
され、アクチュエータＡに制御電圧信号Ｓが印加され
る。この場合、制御電圧信号Ｓを構成する信号Ｓ_bに
は、データＤの階調レベルに応じて、ｎ個のパルス列の
群から成る高周波信号Ｓ_aが、複数個、列を成して形成
される。

【００２３】こうして制御電圧信号Ｓの印加されたアク
チュエータＡによってインク液室１４ａでは、高周波振
動板１６ａが、基本周波数ｆ₀で振動してインクＩの超
音波が発生する。発生した超音波は、インク液室１４ａ
の壁面で反射されて位置Ｆに集められ、この位置Ｆ近傍
に位置し、インク噴出ノズル２０の開口面に一致して形
成されるインク液面に表面波が形成される。この表面波
の最大振幅近傍から略０．１ｐｌ程度の複数のインク液
滴からなるインクミストＭが噴射され、記録媒体Ｐに向
けて飛翔して記録される。その際、データＤの階調レベ
ルに応じて、信号Ｓ_bに含まれる高周波信号Ｓ_aの個数
が異なっているので、インクミストＭが、データＤの階
調レベルに応じて、複数回発生して、記録媒体Ｐに飛翔
して付着する。こうしてインクミストＭによって、所望
の階調で記録される。

【００２４】上記例は、ｘ軸およびｙ軸を含む平面で切
断されるインク液室１４ａの壁面形状は放物線であると
ともに、インク液室１４ａのｘ−ｙ平面における底面形
状は略楕円形状であり、ｚ方向上方向に行くにしたがっ
てインク液室１４ａの断面形状の断面積が小さくなるイ
ンク液室１４ａであるが、本発明では、少なくとも最大
の断面積を持ち、高周波振動板１６ａの振動面を形成す
るインク液室１４ａの底面の形状（断面形状）の縦横比
が１より大きくなっており、インク液面近傍で超音波、
あるいは、強度の強い超音波が略同位相で集束する壁面
形状であればよい。

【００２５】また、図３（ａ）に示すようなインク液室
１４ａ’であってもよい。例えば、ｘ軸およびｙ軸を含
む平面で切断されるインク液室１４ａ’の壁面形状は放
物線である一方、高周波振動板の振動面と接するインク
液室底面の形状が、４隅の角が丸められ、図中のｘ方向
に長辺を、ｙ方向に短辺を持つ略長方形形状であるとと
もに、ｚ方向に行くにしたがって、略楕円形状、あるい
は、略円形状に断面形状が変化するインク液室１４ａ’
であってもよい。インク液室１４ａ’は、図３（ｂ）に
示すように、インク液室の底面の形状の短軸方向に、複
数のインク液室１４ａ’を配置してノズル列を形成する
ことができるので、隣接するインク噴出ノズル２０’の
間隔Ｌ’’を、図５（ｂ）に示すような同一の底面の断
面積を有するインク液室の場合に比べて狭くでき、イン
ク噴出ノズル２０’の高密度配列、例えば６００ｄｐｉ
に相当するインク噴出ノズルの配列が可能となる。

【００２６】本実施例は、高周波振動板１６ａ、薄膜可
動電極１６ｂ、および、薄膜固定電極１８ａを備え、静
電気を利用して高周波振動板１６ａを振動させる静電容
量型アクチュエータを用いたものであるが、本発明にお
いては、この静電容量型アクチュエータに替えて、制御
電圧信号に応じて振動板を機械的に振動させるピエゾタ
イプのアクチュエータを用いてもよい。さらに、本発明
のインクジェットヘッドは、インクミストを噴射して記
録するものであるが、制御電圧信号Ｓの周波数を低くし
て、従来と同様に、数ｐｌの量のインク液滴を吐出させ
てもよい。

【００２７】以上、本発明のインクジェットヘッドにつ
いて詳細に説明したが、本発明は上記実施例に限定はさ
れず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の
改良および変更を行ってもよいのはもちろんである。

【００２８】

【発明の効果】以上、詳細に説明したように、高周波振
動板の振動面を形成するインク液室の断面の断面形状の
縦横比が１より大きいので、インク噴出ノズルを並列配
置する場合、インク噴出ノズルの集積度を高め、解像度
の高い画像を記録することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のインクジェットヘッドの一実施例の
構成を示す説明図である。

【図２】（ａ）は、図１に示すインクジェットヘッド
のインク液室の形状を示す斜視図であり、（ｂ）は、イ
ンク液室の配置方法を説明する説明図である。

【図３】（ａ）は、本発明のインクジェットヘッドを
構成するインク液室の他の実施例の形状を示す斜視図で
あり、（ｂ）は、（ａ）に示すインク液室の配置方法を
説明する説明図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明のインクジェット
ヘッドで作成される制御電圧信号のタイムチャートの一
例を示す図である。

【図５】（ａ）は、従来のインクジェットヘッドの構
成を示す説明図であり、（ｂ）は、（ａ）に示すインク
液室の形状を示す斜視図であり、（ｃ）は、（ｂ）に示
すインク液室の配置方法を説明する説明図である。

【符号の説明】

１０，１００インクジェットヘッド１２ノズルプレート１４，１６，１８基板１４ａ，１４ａ’，１０６インク液室１４ｂインク供給路１６ａ高周波振動板１６ｂ薄膜可動電極１８ａ薄膜固定電極２０，２０’，１０２インク噴出ノズル４８駆動信号作成部４８ａ発信回路４８ｂ制御部１０６ａ壁面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】インク噴出ノズルと、このインク噴出ノズ
ルと連通し、１つの壁面に高周波振動板を形成するイン
ク液室とを備え、前記高周波振動板を駆動することによ
って発生する前記インク液室内のインク液中の超音波を
用いて、前記インク噴出ノズルからインクミストを噴出
させるインクジェットヘッドであって、前記高周波振動板を形成する前記インク液室の壁面の、
前記インク噴出ノズルの側から見た壁面形状の縦横比が
１より大きいことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】前記高周波振動板を形成する前記インク液
室の壁面は、略楕円形状である請求項１に記載のインク
ジェットヘッド。
【請求項３】前記高周波振動板を形成する前記インク液
室の壁面は、略矩形形状である請求項１に記載のインク
ジェットヘッド。
【請求項４】前記インク液室と前記インク噴出ノズルを
組として、前記インク液室と前記インク噴出ノズルが一
方向に複数組並列配置され、前記インク液室の前記縦横比で定まる短辺方向が、前記
並列配置の方向に一致する請求項１〜３のいずれかに記
載のインクジェットヘッド。