JP3455416B2 - インクジェット記録装置 - 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、インク液を液滴化
して、被記録体上に飛翔させることにより、画像を記録
するインクジェット記録装置に関し、特に圧電素子によ
り放射される超音波ビームの圧力によりインク滴を吐出
させて被記録体上に飛翔させるインクジェット記録装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】インク液を液滴と呼ばれる小さな粒状に
して記録媒体上に飛翔させることにより、画点を形成し
て画像を記録する装置は、インクジェットプリンタとし
て実用化されている。このインクジェットプリンタは、
他の記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着などの
処理が不要であるという利点を有し、普通紙記録技術と
して注目されている。

【０００３】現在までに、数多くのインクジェットプリ
ンタの方式が考案されているが、特に、発熱体の熱によ
り発生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる方式や圧
電体の変位による圧力パルスによりインク滴を飛翔させ
る方式が代表的なものである。

【０００４】これらのインクジェットプリンタはノズル
の先端からインクを飛翔させている。そのため、インク
中の溶媒の蒸発によって局所的なインクの濃縮が生じ、
ノズルでの目詰まりという問題がある。さらに、従来の
インクジェットプリンタは、飛翔させるインク滴の粒径
を小さく（例えば直径２０μｍ以下）することが難し
く、画像を構成する画点が大きくなり、解像度を上げる
ことが困難であった。

【０００５】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
層により構成された圧電素子によって発生する超音波ビ
ームの圧力を用いてインク液面からインクを飛翔させる
方式が提案されている。

【０００６】この超音波方式のインクジェットプリンタ
は、インク吐出部の各々に個別のノズルを形成する必要
がなく、自由液面からインク滴を吐出させることができ
るのが大きな特徴である。しかし、実際に超音波方式の
インクジェットヘッドとして使用する場合は、インクの
蒸発を抑制したり、インク液面を保持したりするため
に、インク滴が吐出する部位にスリットが形成されたス
リット部材が必要である。ここで、従来よりインク滴の
飛翔効率や飛翔安定性の観点から、スリット部材の断面
構造や表面処理などに関する検討がなされてきた。しか
しながら、スリットの幅については必ずしも十分な検討
がなされていない。そのために、特に高速で印字を行う
場合、スリット幅が最適化されていないことにより、イ
ンク滴の吐出不良が起こり、所望の高速印字が達成でき
ないという問題があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、従来の
超音波方式のインクジェット記録装置はスリット幅が最
適化されていないため、高速印字を行う場合にインク滴
の吐出不良が起こり、所望の高速印字が達成できないと
いう問題があった。本発明は高速印字を行う場合にも、
安定なインク滴の吐出が可能なインクジェット記録装置
を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】圧電素子から放射された
超音波ビームを超音波集束手段を用いてインク液面に集
束させ、スリットで保持されたインク液面からインク滴
を飛翔させる場合、インク滴の飛翔安定性が低下しない
ことが重要である。特に、高速でインク滴を飛翔させる
場合にも、安定なインク滴飛翔が得られることが重要で
ある。

【０００９】本発明者らは、スリット幅が狭すぎるとイ
ンク液があふれ出すことによりインク飛翔が不安定化
し、逆にスリット幅が広すぎるとインク液面の制動効果
が弱まり、液面回復時間が遅くなることによりインク滴
の安定飛翔が損なわれることが分かった。

【００１０】これらの事実に基づいて更に検討を行った
結果、超音波ビームのビーム幅及びインクとスリット部
材の接触角を考慮してスリット幅を最適化することによ
り、上記課題を解決できることを見出し、本発明を完成
するに至った。

【００１１】すなわち、第１の発明は、インク保持室
と、少なくとも一つの圧電素子と、この圧電素子を駆動
する駆動手段と、この駆動手段により放射される超音波
ビームをインク液の液面近傍に集束させてインク液面か
らインク滴を吐出させるための超音波集束手段と、前記
インク滴の吐出する部位にスリットが形成されたスリッ
ト部材とを具備し、前記スリットの幅をＬ、前記インク
滴を連続的に吐出させる時のインク液面の盛り上がりの
最高到達高さをｈ_max、第一のインク滴吐出後から次の
第二のインク滴を吐出させるための駆動を開始した後
に、インク液面の盛り上がりが成長し始めるまでの時間
をｔ、液面近傍に集束した前記超音波ビームの、前記ス
リットの幅方向のビーム幅をｗy、前記インク液が前記
スリット部材表面にあふれ出す時の臨界接触角をθ_c、
前記インク液の表面張力波の前記スリットの幅方向への
伝搬速度をｃ_yした時、前記スリット部材は、以下の式
を満たす前記スリットを有することを特徴とするインク
ジェット記録装置である。 （２ｗ _y ² ｈ _max ／｜ｔａｎθ _c ｜） ^1/3 ≦Ｌ≦ｗ _y ＋２ｃ _y
ｔ

【００１２】第２の発明は、 インク保持室と、複数の
圧電素子を主走査方向にアレイ状に配列して構成される
圧電素子アレイと、この圧電素子を駆動する駆動手段
と、この駆動手段により放射される超音波ビームをイン
ク液の液面近傍に集束させてインク液面からインク滴を
吐出させるための超音波集束手段と、前記インク滴の吐
出する部位にスリットが形成されたスリット部材とを具
備し、前記インク滴を連続的に吐出させる場合、前記ス
リットの幅をＬ、インク液面の盛り上がりの最高到達高
さをｈ_max、第一のインク滴吐出後から次の第二のイン
ク滴を吐出させるための駆動を開始した後に、インク液
面の盛り上がりが成長し始めるまでの時間をｔ、前記超
音波ビームの副走査方向のビーム幅をｗ_y、前記インク
液がスリット部材表面にあふれ出す時の臨界接触角をθ
_c、前記インク液の表面張力波の副走査方向への伝搬速
度をｃ_yした時、前記スリット部材は、以下の式を満た
す前記スリットを有することを特徴とするインクジェッ
ト記録装置である。 （２ｗ _y ² ｈ _max ／｜ｔａｎθ _c ｜） ^1/3 ≦Ｌ≦ｗ _y ＋２ｃ _y
ｔ

【００１３】前記スリット部材は、前記スリットを複数
のスリット開口部に仕切る、前記主走査方向に垂直な複
数の仕切りを有し、前記スリット開口部の主走査方向の
幅M ₂ 、前記超音波ビームの、前記主走査方向のビーム幅
をｗ _x 前記インク液の表面張力波の主走査方向への伝搬
速度をｃ _x 、とした時、前記スリット部材は、以下の式
を満たす前記スリット開口部を有することが好ましい。 （２ｗ_x ²ｈ_max／｜ｔａｎθ_c｜）^1/3≦M₂≦ｗ_x＋２ｃ_x
ｔ

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に関す
るインクジェット記録装置のヘッド部の概略斜視図であ
る。超音波発生手段を構成する平板状圧電体１２が支持
部材１１上に設けられている。圧電体１２は超音波の周
波数や素子の大きさなどによって、チタン酸鉛（Ｐ
Ｔ）、ジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミッ
ク材料、フッ化ビニリデンと三フッ化エチレンとの共重
合体等の高分子材料、ニオブ酸リチウム等の単結晶材
料、酸化亜鉛等の圧電半導体材料で形成することができ
る。支持部材１１はガラス等の材料で形成することがで
きる。

【００１５】圧電体１２の下面には、互いに分離した複
数のストライプ状の個別電極１３が主走査方向（図１の
ｘ方向）に対して垂直に配置されている。圧電体１２は
これらの個別電極１３により、機能的に複数の圧電素子
に区分される。他方、圧電体１２の上面には一体の共通
電極１４が全面にわたって形成されている。これらの電
極１３及び１４は、チタン、ニッケル、アルミニウム、
銅、金等の金属材料を蒸着やスパッタにより薄膜として
形成することができる。あるいは、これらの電極１３及
び１４はガラスフリットを銀ペーストに混合したものを
スクリーン印刷法により印刷し、これを焼き付けること
によっても形成することができる。

【００１６】また、支持部材１１の一端部側には圧電体
１２の下面に形成された個別電極１３と同じ間隔で複数
のアレイ電極１５が形成されており、この支持部材１１
上の各アレイ電極１５と圧電体１２下面上の各個別電極
１３とは、図示しない導電性接着剤を介して整合して圧
着され、電気的に接続されている。支持部材１１上のア
レイ電極１５は、支持部材１１の端部上に設置された駆
動回路１６にボンディングワイヤ１７によって接続さ
れ、圧電体１２の上面に形成された共通電極１４も、図
示しない配線により駆動回路１６に接続されている。

【００１７】共通電極１４を介して圧電体１２の上には
音響マッチング層を兼ねた音響レンズとしてフレネルレ
ンズ１８を設けた。フレネルレンズ１８はフレネルの輪
帯理論に基づいて微細な凹凸形状を形成した平面レンズ
である。

【００１８】図２は、フレネルレンズの凹凸形状の概略
図である。凹凸形状寸法ｒn は、フレネル輪帯理論に基
づき、式（１）によって決定される。 ｒ_n ＝√〔（２ｎ−１）λ_i ｛Ｆ＋（２ｎ−１）λ_i ／８｝／２〕 （ｎ＝1, 2,3...）…（１） ここで、Ｆ：焦点距離、λ_i ：インク中を伝搬する超音
波の波長である。

【００１９】また、凹凸の溝の深さｄ_l は、フレネルレ
ンズ１８において、凸部のレンズ中を伝搬した超音波の
位相と、凹部の媒質中を伝搬した超音波の位相とが逆位
相になる、つまり、式（２）を満足するように設定す
る。

【００２０】 ２πｄ_l ／λ_i −２πｄ_l ／λ_l ＝（２ｍ−１）π （ｍ＝1,2,3...） …（ ２） ここで、λ_i 、λ_l ：インク中、レンズ中を伝搬する超
音波の波長である。

【００２１】ｍ＝１とすれば、ｄ_l は式（３）で与えら
れる。 ｄ_l ＝１／｛２（１／λ_i −１／λ_l ）｝ …（３） 式（２）、（３）及び対称性を考慮して、複数のフレネ
ルレンズの溝（図１の溝１８ａ〜１８ｆ）を形成する。

【００２２】フレネルレンズの溝１８ａ〜１８ｆの上面
と底面から放射される超音波の位相を半波長シフトさせ
るものであり、フレネルレンズ溝１８ａ〜１８ｆのそれ
ぞれは主走査方向に平行に形成される。

【００２３】一方、音響マッチング層とは圧電素子１２
から発生した超音波をインク液中へ伝搬させる場合、超
音波の減衰を極力少なくすべく、圧電素子１２とインク
液２０との音響マッチングを取るためのものである。音
響マッチング層の音響インピーダンスＺ_m は、圧電体の
音響インピーダンスＺ_p とインク液の音響インピーダン
スＺ_i との積の平方根（Ｚ_m ＝（Ｚ_p ×Ｚ_i ）^1/2 ）に
近い値の音響インピーダンスを有する材料で形成するこ
とが望ましい。そのような音響マッチング材料としては
エポキシ樹脂、ポリイミド等の高分子材料、あるいはそ
れらの高分子材料に音響インピーダンスを調整するため
に繊維またはアルミナもしくはタングステン等の粉末を
混合したものを例示することができる。本実施形態では
フレネルレンズ１８が音響マッチング層として機能させ
るために、フレネルレンズ１８を前述の材料で形成する
ことが望ましい。

【００２４】また、支持部材１１上には、フレネルレン
ズ１８を底部としてインク液２０を収容・保持するイン
ク液保持室１９が設けられている。このインク液保持室
１９はインク液２０を囲む側壁が、フレネルレンズ１８
の両端から上方に向かって合わさるように傾斜してお
り、その上部はスリット部材２１により閉じられてい
る。あるいは、インク保持室１９の上面に直接スリット
を構成してもよい。

【００２５】圧電素子アレイは個別に作製した圧電素子
１２により構成することができる。尚、個別電極１３を
圧電体１２の上に、共通電極１４を圧電体１２の下に配
置することもできる。

【００２６】次に、上記インクジェット記録装置におい
て、圧電素子１２から発生される超音波の集束方法及び
圧電素子１２の駆動方法の基本的な例を概略説明する。
まず、個別電極１３によりアレイ状態に区分された圧電
素子１２の配列方向（主走査方向）における超音波の集
束方法としては、フレネル輪帯理論に基づき、圧電素子
アレイ（例えば、１２００素子）の一部の圧電素子群
（例えば、１６素子）を同時に駆動し、その時に各圧電
素子１２から放射される超音波の位相を制御して、イン
ク液面近傍で超音波の強度が局所的に強くなるように、
すなわち焦点を結ぶように動作させる。一方、主走査方
向に対して直交する方向（副走査方向、図１のｙ方向）
における超音波の集束は、音響レンズ、ここではフレネ
ルレンズ１８によって行う。このように二方向からの超
音波の集束により、インク液面上の任意の位置から超音
波の圧力でインク滴を吐出、飛翔させる。あるいは、超
音波ビームの圧力が大きい近距離音場内に焦点位置を設
定することにより、主走査方向の超音波ビームの集束は
考慮せず、圧電素子アレイの一部の駆動素子群を同一位
相で同時に駆動し、超音波ビームの集束は副走査方向の
音響レンズによって行うという手法でインク滴を飛翔さ
せる駆動方法もある。インク滴の飛翔位置は、同時に駆
動する圧電素子群を電気的に走査することによって変化
させることが可能である。すなわち、アレイ状に配列さ
れた圧電素子の中で、前記同時駆動素子群を複数個設け
ることにより、同時に複数のインク滴を飛翔させること
ができる。

【００２７】まず、本発明者らは、インク滴を連続吐出
させる場合にインク滴飛翔が不安定化する原因の究明を
行った。その結果、圧電素子の駆動を開始した後にイン
ク的飛翔時の液面の盛り上がりが成長し始める時のイン
ク液面の高さが焦点深度の半分よりも大きくなると、超
音波ビームの音圧が不足することにより、インク滴の飛
翔が不安定化することを確認した。

【００２８】すなわち、インク滴を連続吐出させるため
の超音波集束手段の必要条件を、インク滴吐出後から時
間ｔ経過後のメニスカスの高さをｈ、音響レンズの焦点
深度をｄとした時、 ｈ≦（ｄ／２） …（４） と規定した。

【００２９】次に、本発明者らは、このようなインクジ
ェット記録装置において、インク滴の飛翔を高速に行う
ための手段について検討を行ってきた。特に、圧電素子
の駆動を開始した後のインク液面の盛り上がり（以下、
メニスカスという）が成長し始めた時のスリット幅を最
適化することが重要であるとの観点から鋭意検討を行っ
た。その結果、インク滴を連続的に吐出させる場合、ス
リットからのインクのあふれ出しがなく、かつ、スリッ
トによるインク液面の制動効果が得られる範囲にスリッ
ト幅を設定することが重要であることを見出した。

【００３０】すなわち、インク滴を連続的に吐出させる
場合、スリット幅をＬ、メニスカスの最高到達高さをｈ
_max 、１インク滴吐出後から次のインク滴を吐出させ
るための駆動を開始した後にメニスカスが成長し始める
までの時間をｔ、集束超音波の主走査方向と副走査方向
のビーム幅をそれぞれｗ_x 、ｗ_y 、インクがスリット
部材の表面にあふれ出す時の臨界接触角をθ_c 、表面
張力波の主走査方向と副走査方向への伝搬速度をそれぞ
れｃ_x 、ｃ_y とした時、 （２ｗ_y ²ｈ_max／｜ｔａｎθ_c｜）^1/3≦Ｌ≦ｗ_y＋２ｃ_y
ｔ ・・・（５） 満たせば、インク滴の吐出不良を解消できることを見出
した。

【００３１】図３、４、５のメニスカスとスリット幅と
の関係を表す模式図を用いてより詳しく説明する。図３
は、１つのインク滴を飛翔させた時のメニスカスの最高
到達高さｈ_max と、１インク滴吐出後から次のインク滴
を吐出させるために圧電素子の駆動を開始した後にメニ
スカスが成長し始めるまでの時間をｔとした時、１イン
ク滴吐出した後に時間ｔ経過した時点でのメニスカス高
さｈと、音響レンズの焦点深度ｄとの関係を模式的に表
している。本発明者らは、式（４）のようにｈ≦（ｄ／
２）とし、メニスカス高さを焦点深度の半分内に設定す
ることにより、超音波ビームの音圧が十分になることよ
り、インク滴の飛翔が安定化することを確認した。

【００３２】図４は、スリット幅の下限を規定するため
の模式図である。ここでは、１つのインク滴が飛翔する
時（メニスカスの最高到達高さｈ_max 、ビーム幅ｗ_x
、ｗ_y）のメニスカスの体積Ｖ₁ ＝πｗ_x ・ｗ_y ・
ｈ_max ／１２が、１インク滴吐出した後に時間ｔ経過
した時点（メニスカス高さｈ、スリット幅Ｌ）でのメニ
スカスの体積Ｖ₂ ＝πＬ₂ ・ｗ_x ・ｈ／（１２・ｗ_y
）と等しいという条件（ａ）と、メニスカス高さｈに
おけるインクとスリット部材の表面との接触角θが、イ
ンクがスリット部材上にあふれ出さないための臨界接触
角θ_c 以下であるという条件（ｂ）、という２つの条
件（ａ）、（ｂ）より、 （２ｗ_y ²ｈ_max／｜ｔａｎθ_c｜）^1/3≦Ｌ ・・・（６） という関係を導き出した。

【００３３】図５は、スリット幅の上限を規定するため
の模式図である。高速印字を行う場合、スリット幅が適
正幅より広いと、インク液面の制動効果が損なわれ、徐
々に液面のベースラインが隆起し、吐出不良を起こすと
いう知見を得ている。本発明者らは、インク滴の吐出後
にメニスカスの回復という形で伝搬する表面波が、少な
くとも時間ｔ経過した後にはスリット端部に到達するよ
うなスリット幅Ｌに設定することにより、スリットのイ
ンク液面制動効果を発揮させることが可能になることを
見出し、この条件に基づいて、 Ｌ≦ｗ_y ＋２ｃ_y ｔ …（７） という関係式を導き出した。そして、この関係式
（６）、（７）、すなわち、式（５）を満たすスリット
幅Ｌにおいては、高速印字を行う場合にも、スリットか
らのインクのあふれ出しがなく、安定なインク滴飛翔が
達成できることを見出した。

【００３４】以上に説明したように、スリット幅Ｌを式
（５）の範囲内に規定することにより、インクがスリッ
トの端部からあふれ出すことがなく、また、スリットに
よるインク液面の制動効果も十分に発揮されるため、イ
ンク滴飛翔の繰り返し周期を短くしていった場合にも、
インク滴の吐出不良がなくなり、高速な印字が可能とな
る。

【００３５】さらに、スリット開口部に主走査方向と垂
直に仕切りを設けた場合は、上記と同様の考え方に基づ
いて、超音波ビームの主走査方向のビーム幅をｗ_x 、ス
リット開口部の主走査方向の幅をＭ₂ 、表面張力波の主
走査方向への伝搬速度をｃ_xとした時に、 （２ｗ_x ² ｈ_max ／｜ｔａｎθ_c ｜）^1/3 ≦Ｍ₂ ≦ｗ_x ＋２ｃ_x ｔ …（８） とすると、より一層、インク液面の制動効果が高まるこ
とによって、より一層、高速な印字が達成できることを
見出した。

【００３６】

【実施例】以下、本発明の実施例について具体的に説明
する。 （実施例１）本実施例では図１に示す構造のヘッドを有
するインクジェット記録装置を作製した。まず、平板状
チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃ ）系セラミック圧電体の両面
にＴｉ及びＡｕをそれぞれ厚さ０．０５μｍ及び０．５
μｍにスッパタ法で形成してＴｉ／Ａｕ電極１３を作製
した。引き続き４ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理
を行うことにより、強誘電性を有する圧電セラミック素
子を作製した。分極後の比誘電率は約２１５であった。
その後、化学エッチングにより幅６０μｍ、電極間隔２
６μｍ（配列ピッチは８６μｍ）の個別電極１３を形成
した。

【００３７】一方、ガラス製の支持部材１１にも幅６０
μｍ、電極間隔２６μｍのＴｉ／Ａｕのアレイ電極１５
との位置合わせを行いながら、エポキシ樹脂で接着し、
両電極１３、１５を導通させた。

【００３８】次に、超音波の周波数を５０ＭＨｚとする
ために、セラミック圧電体を厚さ４５μｍまで研磨し、
さらにＡｌを圧電体１２の上面に電子ビーム蒸着するこ
とにより共通電極１４を形成した。この時、副走査方向
の電極の長さ、すなわち口径は２．０ｍｍとした。

【００３９】音響マッチング層兼音響レンズであるフレ
ネルレンズ１８にはエポキシ樹脂とアルミナ粉末との混
合物を用いた。まず、音速が３×１０³ ｍ／秒近傍にな
るように混合比を調整し、密度２．２０×１０³ ｋｇ／
ｍ³ 、音速２．９５×１０³ｍ／ｓを得た。これを共通
電極１４の表面に塗布して硬化させ、厚さが約４５μｍ
になるように研磨した。その後、焦点距離、すなわち、
圧電素子１２の上面からスリットまでの距離が２．７ｍ
ｍになるように深さ１／２波長（約３０μｍ）の溝を主
走査方向に平行に形成して、フレネルレンズ１８を形成
した。その後、圧電素子１２の上面とインク液面との距
離が約２．７ｍｍとなる側壁（インク保持室１９）を形
成し、さらに駆動回路１６を搭載してスリットの無いイ
ンクジェット記録装置を作製した。

【００４０】この時点で、スリットを単結晶Ｓｉを用い
て形成するための予備試験を行った。具体的には、市販
の水性アゾ染料系インクを用い、これにジエチレングリ
コールを約３０重量％添加することにより、インクとＳ
ｉの臨界接触角を約２０°、インクの表面張力を約５０
×１０^-3Ｎ／ｍとした。ここで、臨界接触角はＳｉ基板
上にインク滴を滴下し、顕微鏡下で断面方向から観察す
ることにより、幾何学的に求めた。このインクをインク
保持室に充填し、インク液面の高さをほぼ２．７ｍｍに
設定して、自由インク液面からインク滴を一滴だけ安定
に飛翔させるための最適駆動条件を求めた。ここで、焦
点距離２．７ｍｍ、副走査方向の口径２．０ｍｍである
本実施例のインクジェットヘッドにおいて、同時駆動素
子数は１６素子とし、これらを二つの同時駆動素子グル
ープに振り分け、各々の同時駆動素子グループに１８０
°の位相差を与えて同時駆動するという駆動方法を用い
た。その結果、サテライトの発生が無く、また、数ｍ／
ｓの初速度を有する安定なインク滴飛翔を得るための最
適駆動条件は圧電素子への平均印加電圧Ｖ_ave ＝２５
Ｖ、バースト印加時間（Ｂｕｒｓｔ Ｔｉｍｅ）ＢＳＴ
＝２０μｓであった。

【００４１】超高速度カメラを用いて、この最適駆動条
件におけるインク滴の飛翔状態の撮影を行ったところ、
メニスカスの最高到達高さｈ_max は約１６０μｍであっ
た。また、この時のメニスカスの底辺の長さは、主走査
方向が１２０μｍ、副走査方向が８０μｍであった。

【００４２】一方、ビーム幅ｗはヘッドの設計仕様（焦
点距離、口径、超音波の波長）に基づいて、式（９）で
表される簡易音場の式から求められる。 ｗ_i ＝２Ｆ_i λ （ｉ＝ｘ，ｙ） …（９） ここで、Ｆ_i はＦ_i ナンバーであり、焦点距離と口径の
比（焦点距離／口径）で与えられ、またλは超音波の波
長である。本実施例では焦点距離２．７ｍｍ、主走査方
向の口径（Ｄ_x ）１．３８ｍｍ、副走査方向の口径（Ｄ
_y ）２．０ｍｍであるから、主走査方向と副走査方向の
Ｆ_i ナンバーを、それぞれＦ_x 、Ｆ_y とすると、Ｆ_x ＝
１．９６、Ｆ_y ＝１．３５となる。また、波長λはイン
クの音速が約１５００ｍ／ｓであるから、周波数５０Ｍ
Ｈｚでは約３０μｍとなる。従って、式（９）より、主
走査方向のビーム幅ｗ_x は１１８μｍ、副走査方向のビ
ーム幅ｗ_y は８１μｍとなる。これらの値は、上記のメ
ニスカスの底辺の長さの実測値とよく一致していること
から、メニスカスの底辺の長さは式（９）の簡易音場の
式で与えられるビーム幅が反映されていると考えられ
る。

【００４３】更に、メニスカスが回復する時の表面張力
波の速度ｃ_i は、 ｃ_i ＝√（２πγ／（ρ・λ_i ）） （ｉ＝ｘ、ｙ） …（１０） で与えられる。ここで、γはインクの表面張力、ρはイ
ンクの密度、λ_i は表面張力波の波長である。今、γ＝
５０×１０^-3Ｎ／ｍ、ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ であるか
ら、主走査方向では、λ_x ＝２ｗ_x ＝２３６μｍより、
ｃ_x ＝１．１２×１０⁶ μｍ／ｓ、副走査方向では、λ
_y ＝２ｗ_y ＝１６２μｍより、ｃ_y ＝１．３５×１０⁶
μｍ／ｓと求まる。

【００４４】以上の予備試験の結果より、式（６）の左
辺は（２ｗ_y ² ｈ_max ／｜ｔａｎθ_c ｜）^1/3 ＝１７９
μｍと求まる。また、１インク滴吐出後から次のインク
滴を吐出させるための駆動を開始した後にメニスカスが
成長し始めるまでの時間ｔを、例えばｔ＝１００μｓと
すると、（数式３）の右辺は（ｗ_y ＋２ｃ_y ｔ）＝３５
１μｍとなる。

【００４５】よって、吐出繰り返し周期Ｔが１５０μｓ
程度の高速印字を実現するためには、スリット幅Ｌを１
７９μｍ≦Ｌ≦３５１μｍに設定すれば良いと言える。
そこで、本実施例においては３００μｍ幅のスリットを
形成し、図１に示すインクジェット記録装置を完成し
た。

【００４６】こうして作製したインクジェット記録装置
を用いて、インク滴飛翔実験を行った。具体的には、圧
電素子への平均印加電圧Ｖ_ave とバースト印加時間ＢＳ
Ｔを変動パラメータとして、インク滴を繰り返し吐出さ
せる場合の最短吐出繰り返し周期Ｔ_min の評価を実施し
た。その結果、Ｖ_ave ＝２５Ｖ、ＢＳＴ＝２０μｓの時
に最高の印字速度が得られ、この場合のＴ_min は１４０
μｓであった。

【００４７】（比較例１）実施例１と全く同様のインク
ジェット記録装置について、実施例１の最適駆動条件
（Ｖ_ave ＝２５Ｖ、ＢＳＴ＝２０μｓ）において、Ｔ
_min ＝１４０μｓよりも短い吐出繰り返し周期Ｔ＝１２
０μｓでインク飛翔実験を行った。その結果、インク滴
が飛翔しなかったり、あるいは、インク滴の着弾位置が
大きくずれるといった不良モードが発生した。

【００４８】そこで、実施例１と比較例１との差異の原
因を究明するための検討を行った。具体的には、超高速
度カメラを用いてインク滴の飛翔状態の撮影を行い、実
施例１と比較例１について、それぞれ１インク滴吐出後
から次のインク滴を吐出させるための駆動を開始した後
にメニスカスが成立し始めるまでの時間ｔと、その時の
メニスカス高さｈを測定した。その結果、実施例１では
ｔ＝１００μｓ、ｈ＝７５μｍであったのに対し、比較
例１ではｔ＝８５μｓ、ｈ＝１１０μｍであった。この
結果に基づいて式（７）の右辺を計算し直してみると、
実施例１では（ｗ_y ＋２ｃ_y ｔ）＝３５１μｍ、比較例
１では（ｗ_y ＋２ｃ_y ｔ）＝３１１μｍとなる。よっ
て、実施例１と比較例１のいずれもスリット幅３００μ
ｍは適正範囲に入っていると言える。

【００４９】一方、インク中に圧力センサを設置して、
その高さを変えた場合の音圧の測定を行うことにより、
超音波の音圧のインク液面高さ依存性を調べた。図３に
測定結果を示す。ここでは超音波の音圧を相対値で表し
ている。このように、焦点距離２．７ｍｍに対して、イ
ンク液面が上下に１００μｍ以上ずれると、超音波の音
圧が１０％以上低下することが分かった。つまり、超音
波の音圧が焦点位置における最高音圧に対して、９０％
以上になる領域を焦点深度ｄと定義した時、本インクジ
ェットヘッドの焦点深度ｄは２００μｍであり、ｄ／２
＝１００μｍとなる。上記のメニスカス高さｈの実測値
と比較すると、実施例１においては、ｈ＜ｄ／２になっ
ているのに対し、比較例１ではｈ＞ｄ／２となり、イン
ク滴を連続吐出させるための必要条件を規定した式
（４）が有効であることを確認できた。

【００５０】（比較例２）スリット幅を１５０μｍとす
る以外は、実施例１と全く同様のインクジェット記録装
置を作製し、実施例１と同様の手法でインク滴飛翔実験
を行いＴ_min の評価を行った。その結果、最適駆動条件
はＶ_ave ＝２５Ｖ、ＢＳＴ＝１５μｓであり、この時の
Ｔ_min は３６０μｓであった。

【００５１】超高速度カメラでインク滴の飛翔状態の撮
影を行ったところ、吐出繰り返し周期をＴ_min （＝３６
０μｓ）より短くした場合には、スリットの端部からイ
ンクがあふれ出すことが確認された。

【００５２】（比較例３）スリット幅を６００μｍとす
る以外は、実施例１と全く同様のインクジェット記録装
置を作製し、実施例１と同様の手法でインク滴飛翔実験
を行いＴ_min の評価を行った。その結果、最適駆動条件
はＶ_ave ＝２５Ｖ、ＢＳＴ＝２５μｓであり、この時の
Ｔ_min は２８０μｓであった。

【００５３】超高速度カメラでインク滴の飛翔状態の撮
影を行ったところ、吐出繰り返し周期をＴ_min （＝２８
０μｓ）より短くした場合にはインク液面が全体的に隆
起し、１インク滴吐出後から次のインク滴を吐出させる
ための駆動を開始した後にメニスカスが成長し始めるま
での時間ｔ経過した後のメニスカスの高さｈが実質的に
焦点深度ｄの半分（＝１００μｍ）以上になっているこ
とが判明した。これはスリット幅が広すぎるため、イン
ク液面の制動効果が不十分なことに起因していると考え
られる。

【００５４】（実施例２）図７に示すように、（ａ）ス
リットに主走査方向と垂直に仕切り部２４を設けてスリ
ット開口部２５を形成することと、（ｂ）主走査方向の
記録ドットの間隔を３４４μｍピッチとすること以外
は、実施例１の場合と同様の超音波インクジェット記録
装置を作製した。この時、焦点距離２．７ｍｍ、主走査
方向の口径（Ｄ_x）は、１．３８ｍｍであるから、主走
査方向のＦナンバー（Ｆ_x）は、Ｆ_x ＝１．９６、副走
査方向のビーム幅ｗ_xは式（９）より、ｗ_x＝１１８μｍ
となる。よって、式（８）の左辺は（２ｗ_x ²・ｈ_max／
｜ｔａｎθ_c｜）^1/3＝２３０μｍとなる。また、ｔ＝１
００μｓとすると、式（８）の右辺は、（ｗ_x＋２ｃ
_xｔ）＝３４２μｍとなる。従って、吐出繰り返し周期
が１００μｓ程度の高速印字を実施するには、スリット
開口部の主走査方向の幅Ｍ₂を、２３０μｍ≦Ｍ₂≦３４
２μｍに設定すればよいと言える。本実施例において
は、図７に示すように、スリット幅Ｌ＝３００μｍ、仕
切り部の幅Ｍ₁＝４４μｍ、スリット開口部の幅Ｍ₂＝３
００μｍとした。

【００５５】（比較例４）主走査方向の記録ドットの間
隔は３４４μｍピッチであるが、スリット開口部に仕切
り部を設けない超音波インクジェット記録装置も作製し
た。実施例２と比較例４の超音波インクジェット記録装
置を用いて、実施例１と同様の手法でインク滴飛翔実験
を行いＴ_min の評価を行った。その結果、比較例４では
Ｔ_min ＝１４０μｓであったのに対し、実施例２では、
Ｔ_min ＝１２０μｓとなり、より一層、高速に印字でき
ることが検証された。仕切り部を設けることにより、実
施例１に比べて、主走査方向の液面制動効果が大きくな
ったと考えられる。

【００５６】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明では、スリ
ット幅の最適化を規定することにより、インクがスリッ
トの端部からあふれ出すことがなく、また、スリット開
口部によるインク液面の制動効果も十分に発揮されるた
め、インク滴飛翔の繰り返し周期を短くしていった場
合、すなわち、高速印字を行う場合にも、インク滴の吐
出不良がなくなり、安定なインク滴の吐出が可能な、信
頼性の高いインクジェット記録装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施形態に係わるインクジェット記
録装置のヘッド部の概略斜視図である。

【図２】 本発明で使用するフレネルレンズの凹凸形状
の概略図である。

【図３】 本発明の実施例１に係わるメニスカス高さと
焦点深度との関係を表す模式図である。

【図４】 スリット幅の下限を規定するための模式図で
ある。

【図５】 スリット幅の上限を規定するための模式図で
ある。

【図６】 本発明の実施例１に係わる超音波の音圧のイ
ンク液面高さ依存性を示すグラフである。

【図７】 本発明の実施例２に係わるスリット部材の平
面図である。

【符号の説明】

１１ 支持部材 １２ 圧電体（圧電素子） １３ 個別電極 １４ 共通電極 １５ アレイ電極 １６ 駆動回路 １７ ボンディングワイヤ １８ フレネルレンズ １８ａ〜１８ｆ フレネルレンズの溝 １９ インク液保持室 ２０ インク液 ２１ スリット部材 ２４ 仕切り部 ２５ スリット開口部 ３２ インク滴 ３３ インク滴吐出時のメニスカス ３４ 時間ｔ経過後のインク液面 Ｌ スリット幅 ｈ_max メニスカスの最高到達高さ ｔ １インク滴吐出後から次のインク滴を吐
出させるための駆動を開始した後にメニスカスが成長し
始めるまでの時間 ｈ １インク滴吐出後から時間ｔ経過後のメ
ニスカスの高さｗ_y集束超音波の副走査方向のビーム幅 ｄ 音響レンズの焦点深度 ｄｌ フレネルレンズの溝の深さ θ メニスカス高さｈにおけるインクとスリ
ット部材表面との接触角 θ_c インクがスリット部材表面にあふれ出す
時の臨界接触角 ｃ_y 表面張力波の副走査方向への伝搬速度 Ｍ₁ 仕切り部の幅 Ｍ₂ スリット開口部の幅 Ｆ 焦点

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 森 健一 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 研究開発センター内 (72)発明者 中川原 智賢 神奈川県横浜市磯子区新杉田町８番地 株式会社東芝 横浜事業所内 (72)発明者 笠井 利博 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会 社東芝 柳町工場内 (72)発明者 中村 由香 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会 社東芝 柳町工場内 (56)参考文献 特開 平２−175157（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−290504（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/015 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】インク保持室と、少なくとも一つの圧電素
   子と、この圧電素子を駆動する駆動手段と、この駆動手
   段により放射される超音波ビームをインク液の液面近傍
   に集束させてインク液面からインク滴を吐出させるため
   の超音波集束手段と、前記インク滴の吐出する部位にス
   リットが形成されたスリット部材とを具備し、 前記スリットの幅をＬ、 前記インク滴を連続的に吐出させる時のインク液面の盛
   り上がりの最高到達高さをｈ_max、 第一のインク滴吐出後から次の第二のインク滴を吐出さ
   せるための駆動を開始した後に、インク液面の盛り上が
   りが成長し始めるまでの時間をｔ、 液面近傍に集束した前記超音波ビームの、前記スリット
   の幅方向のビーム幅をｗy、前記 インク液が前記スリット部材表面にあふれ出す時の
   臨界接触角をθ_c、前記インク液の 表面張力波の前記スリットの幅方向への
   伝搬速度をｃ_y とした時、前記スリット部材は、以下の式を満たす前記スリットを
   有することを特徴とするインクジェット記録装置。 （２ｗ _y ² ｈ _max ／｜ｔａｎθ _c ｜） ^1/3 ≦Ｌ≦ｗ _y ＋２ｃ _y
   ｔ
2. 【請求項２】インク保持室と、複数の圧電素子を主走査
   方向にアレイ状に配列して構成される圧電素子アレイ
   と、この圧電素子を駆動する駆動手段と、この駆動手段
   により放射される超音波ビームをインク液の液面近傍に
   集束させてインク液面からインク滴を吐出させるための
   超音波集束手段と、前記インク滴の吐出する部位にスリ
   ットが形成されたスリット部材とを具備し、 前記 インク滴を連続的に吐出させる場合、前記 スリットの幅をＬ、 インク液面の盛り上がりの最高到達高さをｈ_max、 第一のインク滴吐出後から次の第二のインク滴を吐出さ
   せるための駆動を開始した後に、インク液面の盛り上が
   りが成長し始めるまでの時間をｔ、 前記超音波ビームの副走査方向のビーム幅をｗ_y、 前記インク液がスリット部材表面にあふれ出す時の臨界
   接触角をθ_c、前記インク液の 表面張力波の副走査方向への伝搬速度を
   ｃ_y とした時、前記スリット部材は、以下の式を満たす前記スリットを
   有することを特徴とするインクジェット記録装置。 （２ｗ _y ² ｈ _max ／｜ｔａｎθ _c ｜） ^1/3 ≦Ｌ≦ｗ _y ＋２ｃ _y
   ｔ
3. 【請求項３】前記スリット部材は、前記スリットを複数
   のスリット開口部に仕切る、前記主走査方向に垂直な複
   数の仕切りを有し、 前記スリット開口部の主走査方向の幅M ₂ 、 前記超音波ビームの、前記主走査方向のビーム幅をｗ _x 前記インク液の表面張力波の主走査方向への伝搬速度を
   ｃ _x 、 とした時、 前記スリット部材は、以下の式を満たす前記スリット開
   口部を有することを特徴とする請求項２記載のインクジ
   ェット記録装置。 （２ｗ _x ² ｈ _max ／｜ｔａｎθ _c ｜） ^1/3 ≦M ₂ ≦ｗ _x ＋２ｃ _x
   ｔ