JP3740791B2 - Droplet forming apparatus and image forming method - Google Patents

Droplet forming apparatus and image forming method Download PDF

Info

Publication number
JP3740791B2
JP3740791B2 JP13948197A JP13948197A JP3740791B2 JP 3740791 B2 JP3740791 B2 JP 3740791B2 JP 13948197 A JP13948197 A JP 13948197A JP 13948197 A JP13948197 A JP 13948197A JP 3740791 B2 JP3740791 B2 JP 3740791B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vibration
tip
elastic member
liquid
forming apparatus
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP13948197A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH10328594A (en
Inventor
治郎 三鍋
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Business Innovation Corp
Original Assignee
Fuji Xerox Co Ltd
Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Xerox Co Ltd, Fujifilm Business Innovation Corp filed Critical Fuji Xerox Co Ltd
Priority to JP13948197A priority Critical patent/JP3740791B2/en
Publication of JPH10328594A publication Critical patent/JPH10328594A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3740791B2 publication Critical patent/JP3740791B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Images

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を微粒化し液滴として飛翔させる液滴形成装置および画像形成方法に関し、特に、被印字面にインクドロップ等の液滴を吐出して印字を行う記録装置および画像形成装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
液滴形成装置は、加湿器や医療用吸引器等、様々な用途に応用されているが、代表的な応用例として、液体として着色剤を含むインクを使用し、被印字面に飛翔させて印字を行う記録装置が挙げられる。
【0003】
液滴を飛翔させる記録方式としては、ノズルを用いる方式があり、このノズルを用いる方式の記録方式は、オンデマンド型と連続流型とに大別される。
【0004】
オンデマンド型は、記録情報に対応してノズルから間欠的にインクを吐出させて印字を行う方式であり、代表的なものとして、ピエゾ振動子型とサーマル型とがある。ピエゾ振動子型は、インク室に付設した圧電素子にパルス電圧を印加して、圧電素子を変形させることによりインク室内のインク液圧を変化させ、ノズルからインク液滴を吐出させて、記録紙上にドットを記録するものである。サーマル型は、インク室内に設けた加熱素子によりインクを加熱し、それにより発生したバブルにより、ノズルからインク液滴を吐出させて、記録紙上にドットを記録するものである。
また、連続流型は、インクに圧力を加えてノズルから連続的にインクを吐出させると同時に、ピエゾ振動子等により振動を加えて突出インク柱を液滴化し、さらに液滴に対して選択的に帯電、偏向を行うことによって、記録を行うものである。
【0005】
これらの各方式はいづれも、インクの液滴径は、主としてノズルの径によって決まる。そして、ノズル径を小さくすると、ゴミやチリによるノズル詰まりや、ノズル部におけるインク表面の乾燥によるノズル詰まり、ノズル円周部へのインク残滓の付着によるインク吐出方向の変化を生じるという問題が発生する。
【0006】
これに対して、ノズルを用いないで、被印字面にインク液滴を吐出して印字を行う記録方式がいくつか提案されている。
例えば、米国特許第4308547号明細書に示されているように、凹状にカーブした球面形状の圧電体シェルをインク中に配置し、この圧電体シェルに電極を介して電圧を印加するものが知られている。この方式では、圧電体シェルからインク中に放射された縦波がインク自由表面の一点に集められ、インク自由表面から液滴が吐出される。
また、特公平6−45233号公報に示されているように、ガラス等の基板上に球面状の凹部を設けて、これを音響レンズとし、基板の裏面に圧電体、およびこれに電圧を印加するための電極からなる振動子を形成して、この振動子をインク中に配置するものが知られている。
さらに、特開平3−200199号公報には、より安価で、よりシャープに焦点を合わせられるレンズとして、凹状レンズの代わりに薄膜平板状の位相フレネルレンズを基板上に設けることが示されている。
【0007】
さらに、ノズルを用いない他の例として、吐出力として静電力を用いる、いわゆる静電吸引方式があり、さらにそのインクメニスカス(インク隆起)を形成するために振動を利用するものが知られている。
例えば、特開昭62−222853号公報には、記録針をインク表面から突出させて、これに軸方向に伝搬する超音波エネルギーを与えることが示されている。これによると、超音波流動(acoustic streaming)現象により、記録針に接するインクは、記録針の先端方向に移動して、記録針の先端に凸状のインクメニスカスが形成される。その状態で、記録針と背面電極との間に静電界を印加してインクを引きちぎり、記録針と背面電極との間に配置された記録媒体上にインク液滴を着弾させる。この方式によれば、記録針の先端にインクメニスカスを形成するため、従来の静電吸引方式に比べて、より小さいインク液滴を形成できるとされている。
また、特開昭56−28867号公報にも、針電極と背面電極との間に静電界を印加した状態で、針電極に画像信号を印加すると同時に、針電極を振動させる静電吸引方式が示されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上記ノズルを用いない方式のうち、縦波をインク自由表面に集束させて、インク自由表面から液滴を吐出させる方式では、液滴径は、縦波の集束径にほぼ等しく、その集束径dは、振動子の駆動周波数をf、レンズのF値をFとすると、d〜F/fとなる。なお、インク中を伝搬する縦波の波長をλ、その伝搬速度をvとすると、これらと振動子の駆動周波数fとの間には、v=f・λの関係がある。
したがって、例えば、液滴径(集束径)dが15μm程度の非常に小さなインク液滴を吐出させようとする場合には、レンズのF値を1とすると、従来の低粘度・水性インク中の縦波の伝搬速度vは、ほぼ1500m/秒であるので、振動子の駆動周波数fを約100MHzというような非常に高い周波数にしなければならない。レンズのF値は、種々の問題から著しく小さくすることが実際上困難であるため、液滴径dをより小さくする場合には、一般により高い周波数で振動子を駆動することが必要になる。
したがって、100MHz前後の高い周波数で複数の振動子を駆動しなければならないため、一般に駆動手段が高価になるというコスト上の問題を生じるとともに、吸収による発熱によりインク粘度が変化して液滴径が変動したり、記録素子内でインク自体の乾燥や固化が生じて、インクを吐出できなくなるという重大な問題を生じる。
【0009】
一方、静電吸引方式では、湿度等による記録媒体の誘電体の厚みの変動や、記録媒体の表面の粗さのばらつき等によって、形成される液滴径が変動しやすいといった欠点がある。
【0010】
そこで、この発明は、ノズルを用いない方式における上記のような問題点を解決することを目的としてなされたものである。すなわち、本発明は、ノズルを用いない方式により、効率よく微小な液滴を吐出できるとともに、液滴の均一性・方向性に優れた液滴形成装置および画像記録方法を提供するものである。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明の液滴形成装置は、単一の振動発生手段および振動伝達手段を有し、その振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔させるものであって、上記振動伝達手段が、先端に複数の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなるものであって、前記単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする。
【0012】
本発明の液滴形成装置は、画像形成用のものとして用いるのが好ましく、その場合、画像形成用液滴形成装置は、複数の振動発生手段および該振動発生手段のそれぞれに対応する複数の振動伝達手段を有し、該振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔させるものであり、該振動伝達手段が、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなるものであって、それぞれ対応する単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振伝達手段のそれぞれより液滴を飛翔させることを特徴とする。
【0013】
また、本発明の画像形成方法は、画像情報に基いて振動発生手段から振動を発生させて振動伝達手段の先端に伝達し、伝達された振動により該振動伝達手段の先端近傍から液滴を飛翔させて記録媒体に記録を行うものであり、上記振動伝達手段が、単一の振動発生手段上に形成されたものであって、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなり、液体の液面が、前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置した状態で、前記振伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする。
【0014】
より具体的には、本発明の液滴形成装置は、振動発生手段と片持ち梁構造の板状の弾性部材とを有し、前記振動発生手段の励振により、前記弾性部材を曲げ振動によって共振させ、その曲げ振動により前記弾性部材の先端近傍の液体が飛翔するように構成されたものであって、前記片持ち梁構造の弾性部材自由端が複数の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を有する。
【0015】
また、本発明の液滴形成装置の他の態様は画像形成装置であって、所定の間隔で配置された複数の振動発生手段と、これら振動発生手段にそれぞれ対応する複数の片持ち梁構造の板状の弾性部材とを有し、前記振動発生手段は、画像信号に応じて間欠的に励振し、その励振により前記弾性部材を曲げ振動によって共振させ、その曲げ振動により前記弾性部材の先端近傍の液体を飛翔させて記録媒体に付着させるものであって、前記片持ち梁構造の弾性部材自由端が二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する。
【0016】
本発明の上記液滴形成装置において、前記液体の表面張力をσ(mN/m)、密度をρ(g/cm3 )、弾性部材先端近傍の振動周波数をf(Hz)とするとき、前記複数の先鋭端部における隣接した先鋭端間距離、すなわち、凹部の幅が、略{(8πσ/ρf2 1/3 }/2(cm)、またはそれ以上であることが好ましい。
【0017】
また、前記液体の表面張力をσ(mN/m)、密度をρ(g/cm3 )、弾性部材先端近傍の振動周波数をf(Hz)、自然数をnとするとき、前記複数の先鋭端部における隣接した先鋭端間距離が、略{(8πσ/ρf2 1/3 ・n}/2(cm)であることが好ましい。
【0018】
また、前記液体の表面張力をσ(mN/m)、密度をρ(g/cm3 )、弾性部材先端近傍の振動周波数をf(Hz)とするとき、前記複数の先鋭端部における少なくとも一つの先鋭端部の最大幅が{(8πσ/ρf2 1/3 }/2(cm)以下であることが好ましい。
【0019】
【発明の実施の形態】
本発明は、発明者が実験考察の結果見い出した液滴飛翔現象を、液滴形成装置に応用したものである。各具体的な実施例によって本発明を説明する前に、本発明の基本構成および動作原理を示す。
【0020】
図1は、本発明の基本構成の一例を示し、(A)は液滴形成装置の要部の正面図、(B)はその側面図である。この例の液滴形成装置は、振動発生手段として基板1上に振動子2を備えたものであって、振動子2上に、振動伝達手段として、板状の弾性部材7を形成している。弾性部材7は振動発生手段との接続部を基端部とする片持ち梁構造を有しており、その先端部は二つの先鋭端部7aおよび7aと一つの凹部7bを有している。液体8は、片持ち梁構造における少なくとも先端近傍において薄液層として接触させる。この例の構成では、その液面8aが弾性部材7の先端と底面(基端部)との間に位置するように充填し、液体8と弾性部材7の濡れと重力の効果により、図1(B)における弾性部材側面側での液厚8bを数μm〜数百μmの範囲にしている。ここで、液体は弾性部材の少なくとも先端近傍の一部に接していればよいので、板状の弾性部材の片面のみに液体を供給する等の変更が可能である。
【0021】
振動子2は、圧電体3、およびこれに電圧を印加するための電極4、5から形成され、電極4、5は駆動手段9に接続されている。また、振動子2と液体8との絶縁をはかるためにSiO2 などからなる保護層6によって覆う構成となっている。この例では、基板1上に振動子2を形成しているが、弾性部材7の存在する面の反対側に作製することも可能である。その場合、弾性部材7は基板1に直接接続させた構成となる。さらに、基板1を弾性変形可能な部材としてもよく、振動子2とのモノモルフ効果によってたわませ、振動振幅を増幅させることができるので、有効な手段である。また、振動発生手段として振動子をそれ自体で担持可能なものとすれば、基板を用いない構成も可能である。
【0022】
圧電体3としては、水晶、ジルコン酸・チタン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウムBaTiO3 、ニオブ酸鉛PbNb2 6 、ビスマスゲルマネートBi12GeO20、ニオブ酸リチウムLiNbO3 またはタンタル酸リチウムLiTaO3 等の多結晶体や単結晶体、ZnOまたはAlN等の圧電薄膜、ポリ尿素、PVDF(ポリフッ化ビニリデン)またはフッ化ビニリデン共重合体等の圧電性高分子、およびPZT等の無機圧電物質と圧電性高分子との複合体等を用いることができる。もちろん、装置を設計する際に設定する駆動周波数に応じて、最適な圧電材料を選択しなければならない。印加する交流の周波数が数10kHzから1MHzの間であれば、PZTのようなセラミックでもよいが、より高い周波数で駆動する場合には、ZnO等のように高周波に対応する圧電薄膜等を選択しなければならない。いずれにしても、振動子2は、安定かつ十分な振動を行うような振動特性を持つものである必要がある。また、圧電体3は、圧電基板で構成しても、圧電薄膜で構成してもよく、単層で構成されても、また多層で構成されてもよい。
【0023】
上記の場合、振動子2は圧電素子を用いて形成されているが、圧電素子を用いる場合に限定されるものではなく、各種電歪素子、磁歪素子、機械式アクチュエータ等、本発明の弾性部材7を励振させ得るものであれば、如何なるものでも使用することができる。
【0024】
板状の弾性部材7は、振動子2の励振に対して、図1(B)中、矢印cで示す方向に曲げ振動によって共振する部材である。この例では、厚さが一定の板状の弾性部材7を用いているが、厚さに分布を有してもよい。好ましくは、基端部より先端部の方が、弾性部材の(断面2次モーメント)×(ヤング率)で表される曲げこわさを小さくする構成のものが用いられる。上記断面2次モーメントは、曲げ振動の曲げ方向に関する断面2次モーメントであり、それを小さくするためには、基端部より先端部の方が、曲げ振動の振動方向の幅が小さいか、曲げ振動の振動方向と垂直方向の幅が小さければよい。同様にヤング率に関しても、基端部より先端部の方が小さい構成にすればよい。このように、(断面2次モーメント)×(ヤング率)を基端部より先端部の方が小さくすることによって、弾性部材の先端近傍ではより効率よく曲げ振動の振幅を得ることができる。また、上記の場合、板状の弾性部材を振動子の振動面に対してほぼ垂直に配置しているが、これに限らず、振動子の振動面と平行に弾性部材を形成するなどの変更も可能である。
【0025】
図2に弾性部材先端部の代表的形状を示す。先鋭端部とは、図2(A)および(B)に示すように、突起部の底部断面積aと比較して、突起部の先端部断面積bが等しいか、または小さい突起部を意味し、そして二つの先鋭端部7a,7aによって、弾性部材7の先端部に凹部7bが形成される。
【0026】
弾性部材7の材料としては、ポリイミド、シアノアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素系樹脂等の各種樹脂を用いることができる。また、弾性部材は、SiO2 、SiON、SiN、AlN、Al2 3 等の各種無機材料で形成してもよい。また、弾性部材は、Al、Fe、Ti、Cr、Au、Mo、TiW等、またはそれらの合金で形成してもよい。ただし、各種樹脂や金属と異なり、液体8と接する間に腐食しないように、SiO2 等の無機膜でそれらの表面を保護することが望ましい。もちろん、樹脂、無機材料および金属のうち、2つ以上の材料を用いてもよい。また、振動エネルギーが効率的に伝搬できるならば、弾性部材7の先端部と基端部を別々の材料で構成してもよい。
【0027】
次に本発明の動作原理を説明する。
駆動手段9により振動子2に交流信号を印加すると、その交流信号の周波数によって振動子2が励振される。弾性部材7は振動子2の振動と共振し、弾性部材7の先端近傍は大きな振幅を有することになる(図1(B)中c)。曲げ振動方向の液厚は、弾性部材7の先端近傍において、液体8と弾性部材7の濡れと重力の効果により数μm〜数百μmに形成されているので、液体8は弾性部材7の振動の作用を強く受けて液滴が飛翔する。
【0028】
交流信号を連続して印加した場合には、連続したインク柱が吐出され続け、バースト波であると、微小な液滴が吐出される。ここで、バースト波とは、周波数は一定のまま、1個から複数個の波からなる交流電圧が断続的に生じるものであり、その例としてバースト数を3としたときの波形を図3に示す。バースト波であれば、弾性部材7の共振周波数と同じか、またはその整数倍の周波数を維持して、振動子2に短時間だけ交流電圧を印加することができる。そのため、振動子2はバースト波で駆動する。ただし、バースト波は、サイン波に限らず、方形波や三角波であってもよい。
【0029】
上記飛翔状態を理解するために、ストロボの発光をバースト波のくり返し周期と同調させて観察した。飛翔状態の経時変化は、発光タイミングをずらすことにより可能となる。その結果、まず、弾性部材7の曲げ振動が液体8に作用すると液体表面にキャピラリ波が生成する。さらに、時間経過とともにキャピラリ波は増幅・成長され、その波頭より微小液滴が飛翔する様子が観察される。
【0030】
代表的な飛翔状態を図4に示す。図4(A)は弾性部材先端部の正面図であり、(B)はその側面図である。図4(A)に示すように、キャピラリ波は先鋭端部7a、7a間の凹部7bにおいて最も強く増幅され、バースト波条件の調整による弾性部材先端部における液滴飛翔位置の限定を容易にする。また、液滴10の代表的な飛翔方向は図4中dで示され、弾性部材7の曲げ振動方向eの力に加えて、流動方向fに流動による力が働いていることが分かった。流動を引き起こす原因は明確ではないが、液体8にかかる振動の圧力方向と表面張力が液体の変形を復元する力の方向とがずれるために、図4に示すような流動方向fに平行な成分の力が生ずるものと推測される。
【0031】
比較のため、複数の先鋭端部による凹部を備えていない板状の弾性部材を用いて観察したところ、弾性部材面に多数のキャピラリ波が生成して、液滴飛翔位置および飛翔方向を安定に制御することができなかった。
【0032】
図5は飛翔条件を変化させたときの液滴の飛翔状態を示す図である。バースト波の繰り返し周波数を一定にした条件下において、弾性部材7に接触する液体の液厚を薄くしバースト数を少なくする方向に条件を変えると、液滴10は、図5(A)中d1に示す飛翔方向に近づき、逆に液厚を厚くしバースト数を多くすると、図5(B)中d2に示す飛翔方向に近づく傾向がある。これは、図4中eおよびfの方向における力の大きさおよび比率が変化しているためと考えられる。さらに、図5(B)で示した条件では、キャピラリ波の波長ではなく、凹部の幅、すなわち先鋭端間距離に依存した直径を有する液滴飛翔も観察される。キャピラリ波は、表面張力を復元力とする表面波であるので、基本的には液体表面に垂直方向成分の力がキャピラリ波の生成・成長に寄与すると考えられる。図5(B)の条件では、流動による力成分がキャピラリ波生成に寄与する力に比べて非常に大きいため、上述の飛翔形態になったと考えられる。いずれにしても、飛翔条件を決定すれば、液滴径の均一性および飛翔方向の安定性は非常によいので、使用される用途によって多様な設計が可能である。
【0033】
一般にキャピラリ波の波長は、液体8の表面張力をσ(mN/m)、密度をρ(g/cm3 )、励振周波数をf(Hz)とするとき、(8πσ/ρf2 1/3 (cm)となることが知られている。したがって、キャピラリ波の増幅領域を限定する凹部の幅、すなわち先鋭端間距離(図2中g)は、キャピラリ波が増幅しうる最小単位の半波長{(8πσ/ρf2 1/3 }/2(cm)より大きいことが望ましい。さらに、先鋭端間距離(図2中g)を半波長の整数倍にすることにより、キャピラリ波を限定領域で定在波として生成させることができる。それにより効率よくキャピラリ波を増幅させることが可能となる。また、先鋭端部の最大幅(図2中h)は、キャピラリ波の半波長以下にすることが望ましい。それにより、先鋭端面におけるキャピラリ波の生成を抑制し、キャピラリ波の増幅領域を凹部、すなわち先鋭端部間に限定することがより確実に実現可能になる。
【0034】
【実施例】
以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に説明する。
実施例1
図6は、本発明の液滴形成装置の実施例の主要部を示す図であって、(A)は正面図、(B)は側面図である。この実施例では、200μmの厚さの黄銅からなる基板1上に、1μmの厚さのAg電極4を堆積し、その後、パターンニングした。続いて、100μmの厚さのPZT(ジルコン酸・チタン酸鉛)からなる圧電体3を堆積した後、パターンニングし、さらに、0.05μmの厚さのCrと1μmの厚さのAuの2層からなる電極5を堆積した後、パターンニングして振動子を形成した。
PZTからなる圧電体3を振動子2の構成要素として、分極処理して電極間に電圧が印加されたとき、膜面に垂直な方向に振動するようにした。さらに、圧電体3および電極4、5からなる振動子2を、1μmの厚さのSiO2 等からなる保護層6で被覆し、続いて、振動子2上に、弾性部材7として、厚さ7μmのステンレス箔を「L字」型に折り曲げ、図6に示すように接着した。
弾性部材の正面形状は、YAGレーザーにより加工し、図6に示すような複数の先鋭端部7aおよび複数の凹部7bを有している。ただし、以下の実施例でも同様であるが、弾性部材の形成方法は、これに限らず、半導体プロセスで利用されているリソグラフィー技術を利用した加工技術、厚膜印刷技術、またはマイクロマシンの作製プロセスに利用されている各種形成技術(異方性エッチング、エキシマレーザー加工、放電加工、メッキ技術等)を、各種金属材料、無機材料、樹脂等の有機材料からなる弾性部材の形成に用いることができる。
【0035】
この実施例では、飛翔させる液体8として水を使用した。その液面8aが弾性部材7の先端と底面との間に位置するように充填し、駆動手段9を用いて、外部から振動子に交流信号を印加して振動子を励振させた。交流信号の周波数としては、振動子2および弾性部材7の固有周波数に一致することが効率上最も好ましく、この実施例では、192kHzにおいて共振するように設計した。具体的には、弾性部材7の正面幅を600μm、最大高さを520μmとし、水の192kHzにおけるキャピラリ波の波長は約30μmであるので、先鋭端距離を半波長の3倍である45μmに、先鋭端部幅を12μmに設定して作製した。
【0036】
バースト波条件としては、192kHz、10VP-P 、20周期分の交流波を繰り返し周期1kHzで印加した。これにより、各先鋭端部間から繰り返し周期ごとに液滴10が飛翔し、その直径は15μmと均一であり、方向安定性にも優れていることが、ストロボを用いた飛翔観察により確認された。
【0037】
この実施例によると、均一な微小液滴を方向性よく飛翔させ、さらに液滴数の制御も可能となるため、医療用薬剤の噴霧等に好適な液滴形成装置として利用することができる。上記の場合、弾性部材は振動子に対して複数個設けてもよく、また、複数個作製した弾性部材に対して個別に振動子を設けてもよい。
【0038】
図7は、本発明の液滴形成装置において、上記実施例と同様に利用可能な弾性部材の先端部形状の代表例を示す。(A)は正面図であり、(B)は側面図であり、(A)と(B)のそれぞれすべての組合せが可能である。このように、弾性部材形状は本発明の要件を逸脱しないかぎり多様に変更可能である。
【0039】
実施例2
図8に本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置の一実施例の主要部を示す。(A)は正面図であり、(B)は側面図である。この実施例では、200μmの厚さの黄銅からなる基板1上に、1μmの厚さのAg電極4を堆積した後、パターンニングし、続いて、100μmの厚さのPZT(ジルコン酸・チタン酸鉛)からなる圧電体3を堆積した後、パターンニングし、さらに、0.05μmの厚さのCrと1μmの厚さのAuの2層からなる電極5を堆積した後、パターンニングして振動子を形成した。
PZTからなる圧電体3を振動子2の構成要素として、分極処理して、電極間に電圧が印加されたとき、膜面に垂直な方向に振動するようにした。さらに、圧電体3および電極4、5からなる振動子2を、1μmの厚さのSiO2 等からなる保護層6で被覆し、続いて、振動子2上に、ステンレス鋼製の弾性部材7を形成した。弾性部材の正面形状は、図8(A)に示すような二つの先鋭端部と一つの凹部を有していた。共振周波数の設計値192kHzに対して、弾性部材7の正面最大幅を600μm、最大高さを520μmとした。また、この実施例では、液体8として水性黒色インクを使用しており、そして水性黒色インクのキャピラリ波の波長は約30μmであるので、先鋭端距離を半波長の3倍である45μmに、先鋭端部の最大幅を12μmに設定して作製した。
【0040】
この実施例では、振動子2と弾性部材7の組合わせがインク液滴吐出のためのイジェクタを構成している。また、図8(B)に示すように弾性部材前後の液面状態を変えて液滴10が一方向のみに飛翔するようになっている。ここで、一方向の飛翔を実現させる手段としては、上記の場合に限らず、突起側面形状を非対称にすることによっても可能である。そして、電極4を複数のイジェクタに共通なコモン電極、電極5を特定のイジェクタのみ駆動させるアドレス電極として構成してもよい。それにより画像信号に応じて特定のイジェクタを駆動させてインク液滴を吐出させ、被印字面に付着させることによって、可視化情報を記録することが可能となる。
【0041】
図9は、本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置の一例の主要部を示す。この例の画像形成装置は、上述したイジェクタを備えた記録素子11がキャリッジ12に固定されている。キャリッジ12は、ガイド13に案内されて、印字紙14の紙幅方向に往復移動し、印字紙14が送りローラ15の回転によってガイド16、17に沿って送られることによって、印字紙14の全面にわたって画像が印字されるようになっている。
【0042】
記録素子11は、図10に示すように、振動子と弾性部材からなるイジェクタ19が、基板上にチドリ状に配列されたもので、これによって、振動子および弾性部材が比較的大きくても、高密度印字ができるようになる。
【0043】
また、図10に示す例は、いわゆるマトリックス駆動の例であり、リードA1〜A5は、一方の電極のリードであって、各イジェクタ19と縦方向に接続され、リードB1〜B6は、他方の電極のリードであって、各イジェクタ19と横方向に接続されている。そして、リードA1〜A5のいずれかと、リードB1〜B6のいずれかとの間に電圧が印加されることによって、一つのイジェクタが選択され、励振される。
【0044】
図9に示す画像形成装置において、キャリッジ12の送り速度と記録素子11内の各振動子の配置間隔は、600dpi(ドット/インチ)に対応するようになされている。
記録素子11は、黒、イエロー、マゼンタ、シアンの4色に対応した4つの記録素子部によって構成され、インク供給部18と接続されている。インク供給部18は、内部に、黒、イエロー、マゼンタ、シアンの4色のインクを保持した構造を有している。
インク供給部18に保持された各色のインクは、記録素子の各色の記録素子部に供給される。そして、画像信号に対応した振動子に電圧が加わると、その選択された振動子上のインク面からインク液滴が吐出されて、画像が形成されていく。なお、図示していないが、記録素子11への電気的信号は、キャリッジ12を介して外部から送られる。
【0045】
バースト波条件としては、192kHz、30VP-P 、5周期分の交流波を繰り返し周期1kHzで印加した。これにより、各先鋭端部間の凹部から繰り返し周期ごとに一つの液滴が選択的に飛翔可能であり、その直径は16μmと均一であって、方向安定性にも優れていることが、ストロボを用いた飛翔観察により確認された。
印字後の印字紙14上に形成されたドットは、吐出されたインク液滴径のほぼ倍の、ほぼ30μm径の円状に整った均一ドットであった。なお、印字を続けても、ドット径が変動することはなく、またインクが吐出されなくなることもなかった。
【0046】
この実施例の画像形成装置は、本発明の液滴形成装置を備えた記録素子11を有するため、印字紙14上に高い解像度に対応する微小ドットを安定に形成でき、高品位な印字が可能であった。
【0047】
図11は、上記図9に示す画像形成装置において、上記の場合と同様に利用可能な弾性部材の形状の代表例を示す。(A)は正面図であり、(B)は側面図であり、(A)および(B)のそれぞれすべての組合せが使用可能である。以上述べたように弾性部材の形状は、本発明の要件を逸脱しないかぎり多様に変更可能である。
【0048】
【発明の効果】
上述したように、本発明の液滴形成装置は、ノズルを用いることなく、効率よく微小な液滴を吐出できるとともに、液滴の均一性・方向性に優れている。すなわち、片持ち梁構造の板状の弾性部材の曲げ振動により、弾性部材の先端近傍の液体表面にキャピラリー波を生成して、液体を飛翔させることができ、かつ、弾性部材の先端が複数の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を備えることにより、複数の先鋭端部間の凹部にキャピラリ波の増幅領域を限定させる効果を有する。この効果により飛翔される液滴径の均一性および飛翔方向性が向上し、しかも低周波かつ低電力で駆動することが可能になる。したがって、本発明の液滴形成装置は、種々の用途、特に画像形成装置に使用するのに適しており、それを用いた画像記録方法により優れた画質の記録画像を形成することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の液滴形成装置の基本構成の一例を示す構成図である。
【図2】 本発明の液滴形成装置における代表的な弾性部材先端部を示す斜視図である。
【図3】 本発明に使用する駆動信号の代表的バースト波を示す図である。
【図4】 本発明の液滴形成装置の基本構成における代表的な飛翔状態を示す説明図である。
【図5】 本発明の液滴形成装置の基本構成において、飛翔条件を変化させたときの飛翔状態を示す説明図である。
【図6】 本発明の液滴形成装置の実施例の主要部を示す図である。
【図7】 本発明の液滴形成装置に適用可能な弾性部材形状の代表例を示す図である。
【図8】 本発明の液滴形成装置を適用した記録素子の実施例の主要部を示す図である。
【図9】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置の実施例の斜視図である。
【図10】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置の駆動方式を説明する図である。
【図11】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置に適用可能な弾性部材形状の代表例を示す図である。
【符号の説明】
1…基板、2…振動子、3…圧電体、4,5…電極、6…保護層、7…弾性部材、7a…先鋭端部、7b…凹部、8…液体、8a…液面、8b…液厚、9…駆動手段、10…液滴、11…記録素子、12…キャリッジ、13…ガイド、14…印字紙、15…送りローラ、16,17…ガイド、18…インク供給部、19…イジェクタ、a…突起部の底部断面積、b…突起部の先端部断面積、c…弾性部材の曲げ振動方向を示す矢印、d…液滴の飛翔方向、e…弾性部材の曲げ振動方向、f…流動方向、g…先鋭端間距離、h…先鋭端部の最大幅。
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a droplet forming apparatus and an image forming method that atomize a liquid and fly as droplets, and more particularly to a recording apparatus and an image forming apparatus that perform printing by discharging droplets such as ink drops onto a printing surface.
[0002]
[Prior art]
The droplet forming device is applied to various applications such as humidifiers and medical suction devices. As a typical application example, ink containing a colorant is used as a liquid, and it is made to fly to the surface to be printed. A recording device that performs printing may be used.
[0003]
As a recording method for causing a droplet to fly, there is a method using a nozzle. Recording methods using this nozzle are roughly classified into an on-demand type and a continuous flow type.
[0004]
The on-demand type is a method in which printing is performed by intermittently ejecting ink from nozzles corresponding to recorded information, and representative examples include a piezo vibrator type and a thermal type. The piezoelectric vibrator type applies a pulse voltage to a piezoelectric element attached to the ink chamber, and deforms the piezoelectric element to change the ink hydraulic pressure in the ink chamber, thereby ejecting ink droplets from the nozzles, In this case, dots are recorded. In the thermal type, ink is heated by a heating element provided in an ink chamber, and ink droplets are ejected from nozzles by bubbles generated thereby to record dots on recording paper.
In the continuous flow type, pressure is applied to ink and ink is ejected continuously from the nozzles, and at the same time, vibration is applied by a piezo vibrator or the like to form protruding ink columns into droplets that are selective to the droplets. Recording is performed by charging and deflecting.
[0005]
In any of these methods, the ink droplet diameter is mainly determined by the nozzle diameter. When the nozzle diameter is reduced, problems such as nozzle clogging due to dust or dust, nozzle clogging due to drying of the ink surface in the nozzle portion, and changes in the ink ejection direction due to adhesion of ink residue to the nozzle circumferential portion occur. .
[0006]
On the other hand, several recording systems have been proposed in which printing is performed by ejecting ink droplets onto a printing surface without using a nozzle.
For example, as shown in U.S. Pat. No. 4,308,547, there is known a technique in which a concavely curved spherical shell is disposed in ink and a voltage is applied to the piezoelectric shell via an electrode. It has been. In this method, longitudinal waves radiated into the ink from the piezoelectric shell are collected at one point on the ink free surface, and droplets are ejected from the ink free surface.
In addition, as disclosed in Japanese Examined Patent Publication No. 6-45233, a spherical concave portion is provided on a substrate such as glass, and this is used as an acoustic lens, a piezoelectric body is applied to the back surface of the substrate, and a voltage is applied to the piezoelectric body. It is known to form a vibrator composed of electrodes for the purpose of arranging the vibrator in ink.
Further, JP-A-3-2001199 discloses that a thin-film flat-plate phase Fresnel lens is provided on a substrate instead of a concave lens as a lens that is cheaper and can be focused more sharply.
[0007]
Furthermore, as another example in which the nozzle is not used, there is a so-called electrostatic attraction method that uses electrostatic force as an ejection force, and a device that uses vibration to form an ink meniscus (ink bulge) is known. .
For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-222853 discloses that a recording needle is projected from the ink surface and is given ultrasonic energy propagating in the axial direction. According to this, due to the ultrasonic streaming phenomenon, the ink in contact with the recording needle moves toward the tip of the recording needle, and a convex ink meniscus is formed at the tip of the recording needle. In this state, an electrostatic field is applied between the recording needle and the back electrode to tear off the ink, and ink droplets are landed on the recording medium disposed between the recording needle and the back electrode. According to this method, since an ink meniscus is formed at the tip of the recording needle, it is said that smaller ink droplets can be formed compared to the conventional electrostatic attraction method.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 56-28867 also discloses an electrostatic attraction method in which an image signal is applied to the needle electrode while an electrostatic field is applied between the needle electrode and the back electrode, and at the same time the needle electrode is vibrated. It is shown.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
Among the methods that do not use the nozzle, in the method in which longitudinal waves are focused on the ink free surface and droplets are ejected from the ink free surface, the droplet diameter is approximately equal to the focused diameter of the longitudinal wave, and the focusing diameter d Is d to F / f, where f is the driving frequency of the vibrator and F is the F value of the lens. If the wavelength of the longitudinal wave propagating in the ink is λ and the propagation speed is v, there is a relationship of v = f · λ between these and the drive frequency f of the vibrator.
Therefore, for example, when an extremely small ink droplet having a droplet diameter (focusing diameter) d of about 15 μm is to be ejected, if the F value of the lens is 1, the conventional low viscosity / water-based ink Since the propagation velocity v of the longitudinal wave is approximately 1500 m / second, the drive frequency f of the vibrator must be set to a very high frequency such as approximately 100 MHz. Since it is practically difficult to reduce the F value of the lens due to various problems, it is generally necessary to drive the vibrator at a higher frequency when the droplet diameter d is made smaller.
Therefore, since a plurality of vibrators must be driven at a high frequency of about 100 MHz, there is a problem in cost that the driving means is generally expensive, and the ink viscosity changes due to heat generation due to absorption, resulting in a drop diameter. This causes a serious problem that the ink cannot be ejected due to fluctuations or drying and solidification of the ink itself in the recording element.
[0009]
On the other hand, the electrostatic attraction method has a disadvantage that the diameter of the formed droplets is likely to fluctuate due to variations in the dielectric thickness of the recording medium due to humidity or the like, variations in the surface roughness of the recording medium, and the like.
[0010]
Therefore, the present invention has been made for the purpose of solving the above-mentioned problems in the method using no nozzle. That is, the present invention provides a droplet forming apparatus and an image recording method that are capable of efficiently discharging minute droplets by a method that does not use a nozzle, and that are excellent in droplet uniformity and directionality.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The droplet forming apparatus of the present invention has a single vibration generating means and a vibration transmitting means, and the liquid is brought into contact with the vibration transmitting means to cause the liquid near the tip to fly. The elastic member having a concavo-convex structure composed of a plurality of sharp end portions and one or more concave portions at the tip, formed on the single vibration generating means, and vibrating the liquid surface with the vibration Transmission Located between the tip and bottom of the means, front Recording Movement Transmission It is characterized by causing droplets to fly by means.
[0012]
The droplet forming apparatus of the present invention is preferably used for image formation. In this case, the image forming droplet forming apparatus includes a plurality of vibration generating means and a plurality of vibrations corresponding to each of the vibration generating means. It has a transmission means, the liquid is brought into contact with the vibration transmission means and the liquid in the vicinity of the tip is caused to fly, and the vibration transmission means has a concavo-convex structure consisting of two sharp end portions and one concave portion at the tip. It is made of an elastic member and is formed on a corresponding single vibration generating means, and the liquid level of the liquid is Transmission Located between the tip and bottom of the means, front Recording Movement Transmission A droplet is caused to fly from each of the means.
[0013]
Further, the image forming method of the present invention generates vibration from the vibration generating means based on the image information and transmits the vibration to the tip of the vibration transmitting means, and the droplets fly from the vicinity of the tip of the vibration transmitting means by the transmitted vibration. The vibration transmitting means is formed on a single vibration generating means, and has a concavo-convex structure consisting of two sharp end portions and one concave portion at the tip. The liquid surface of the liquid is made of the elastic member having the vibration. Transmission In the position between the tip and bottom of the means Recording Movement Transmission It is characterized by causing droplets to fly by means.
[0014]
More specifically, the droplet forming apparatus of the present invention has vibration generating means and a plate-like elastic member having a cantilever structure, and the elastic member is resonated by bending vibration by excitation of the vibration generating means. And the liquid in the vicinity of the tip of the elastic member flies by the bending vibration, and the free end of the elastic member of the cantilever structure is composed of a plurality of sharp end portions and one or more concave portions. Has an uneven structure.
[0015]
Another aspect of the droplet forming apparatus of the present invention is an image forming apparatus having a plurality of vibration generating means arranged at a predetermined interval and a plurality of cantilever structures respectively corresponding to the vibration generating means. A plate-like elastic member, and the vibration generating means intermittently excites according to an image signal, resonates the elastic member by bending vibration by the excitation, and near the tip of the elastic member by the bending vibration. The elastic member free end of the cantilever structure has a concavo-convex structure including two sharp end portions and one concave portion.
[0016]
In the droplet forming apparatus of the present invention, the liquid has a surface tension of σ (mN / m) and a density of ρ (g / cm Three ), When the vibration frequency near the tip of the elastic member is f (Hz), the distance between the adjacent sharp edges at the sharp edges, that is, the width of the recess is approximately {(8πσ / ρf 2 ) 1/3 } / 2 (cm) or more.
[0017]
Further, the surface tension of the liquid is σ (mN / m), and the density is ρ (g / cm Three ), Where the vibration frequency near the tip of the elastic member is f (Hz) and the natural number is n, the distance between adjacent sharp edges at the sharp edges is approximately {(8πσ / ρf 2 ) 1/3 -It is preferable that it is n} / 2 (cm).
[0018]
Further, the surface tension of the liquid is σ (mN / m), and the density is ρ (g / cm Three ), When the vibration frequency in the vicinity of the tip of the elastic member is f (Hz), the maximum width of at least one of the plurality of sharp ends is {(8πσ / ρf 2 ) 1/3 } / 2 (cm) or less is preferable.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
The present invention is an application of the droplet flying phenomenon found by the inventors as a result of experimental considerations to a droplet forming apparatus. Before describing the present invention with each specific embodiment, the basic configuration and operating principle of the present invention will be described.
[0020]
1A and 1B show an example of a basic configuration of the present invention, in which FIG. 1A is a front view of a main part of a droplet forming apparatus, and FIG. The droplet forming apparatus of this example is provided with a vibrator 2 on a substrate 1 as vibration generating means, and a plate-like elastic member 7 is formed on the vibrator 2 as vibration transmitting means. . The elastic member 7 has a cantilever structure whose base end is a connection portion with the vibration generating means, and the tip thereof has two sharp end portions 7a and 7a and one concave portion 7b. The liquid 8 is brought into contact as a thin liquid layer at least near the tip of the cantilever structure. In the configuration of this example, the liquid surface 8a is filled so as to be positioned between the distal end and the bottom surface (base end portion) of the elastic member 7, and due to the wettability of the liquid 8 and the elastic member 7 and the effect of gravity, FIG. The liquid thickness 8b on the side of the elastic member in (B) is in the range of several μm to several hundred μm. Here, since the liquid only needs to be in contact with at least a part of the elastic member in the vicinity of the tip, it is possible to change the liquid supply to only one surface of the plate-like elastic member.
[0021]
The vibrator 2 is formed of a piezoelectric body 3 and electrodes 4 and 5 for applying a voltage to the piezoelectric body 3, and the electrodes 4 and 5 are connected to the driving means 9. In order to insulate the vibrator 2 and the liquid 8 from each other, SiO 2 It is the structure covered with the protective layer 6 which consists of these. In this example, the vibrator 2 is formed on the substrate 1, but it can also be produced on the opposite side of the surface on which the elastic member 7 exists. In this case, the elastic member 7 is directly connected to the substrate 1. Further, the substrate 1 may be an elastically deformable member, which is an effective means because it can be deflected by the monomorph effect with the vibrator 2 to amplify the vibration amplitude. Further, if the vibrator can be carried by itself as the vibration generating means, a configuration using no substrate is possible.
[0022]
As the piezoelectric body 3, crystal, zirconate / lead titanate (PZT), barium titanate BaTiO Three , Lead niobate PbNb 2 O 6 Bismuth germanate Bi 12 GeO 20 Lithium niobate LiNbO Three Or lithium tantalate LiTaO Three Polycrystals and single crystals such as, piezoelectric thin films such as ZnO or AlN, piezoelectric polymers such as polyurea, PVDF (polyvinylidene fluoride) or vinylidene fluoride copolymers, and inorganic piezoelectric materials such as PZT and piezoelectrics A complex with a functional polymer can be used. Of course, an optimum piezoelectric material must be selected according to the drive frequency set when designing the device. If the frequency of the alternating current applied is between several tens of kHz to 1 MHz, a ceramic such as PZT may be used. However, when driving at a higher frequency, a piezoelectric thin film corresponding to a high frequency such as ZnO is selected. There must be. In any case, the vibrator 2 needs to have vibration characteristics that allow stable and sufficient vibration. The piezoelectric body 3 may be formed of a piezoelectric substrate, a piezoelectric thin film, a single layer, or a multilayer.
[0023]
In the above case, the vibrator 2 is formed using a piezoelectric element, but is not limited to the case where a piezoelectric element is used. The elastic member of the present invention such as various electrostrictive elements, magnetostrictive elements, mechanical actuators, etc. Any device that can excite 7 can be used.
[0024]
The plate-like elastic member 7 is a member that resonates by bending vibration in the direction indicated by the arrow c in FIG. In this example, the plate-like elastic member 7 having a constant thickness is used, but the thickness may have a distribution. Preferably, a structure in which the distal end portion has a smaller bending stiffness expressed by (second moment of cross section) × (Young's modulus) of the elastic member than the proximal end portion is used. The above-mentioned second moment of section is a second moment of section related to the bending direction of the bending vibration. In order to reduce the moment, the distal end portion has a smaller width in the bending vibration direction than the base end portion. It is sufficient if the width of the vibration in the direction perpendicular to the vibration direction is small. Similarly, regarding the Young's modulus, the distal end portion may be smaller than the proximal end portion. In this way, by making (second moment of section) × (Young's modulus) smaller at the tip than at the base, the amplitude of bending vibration can be obtained more efficiently near the tip of the elastic member. In the above case, the plate-like elastic member is arranged substantially perpendicular to the vibration surface of the vibrator. However, the present invention is not limited to this, and changes such as forming an elastic member parallel to the vibration surface of the vibrator Is also possible.
[0025]
FIG. 2 shows a typical shape of the tip of the elastic member. As shown in FIGS. 2 (A) and 2 (B), the sharp end portion means a protrusion having a tip section sectional area b equal to or smaller than the bottom section area a of the protrusion. And the recessed part 7b is formed in the front-end | tip part of the elastic member 7 by the two sharp end parts 7a and 7a.
[0026]
As the material of the elastic member 7, various resins such as polyimide, cyanoacrylate resin, epoxy resin, and fluorine resin can be used. The elastic member is made of SiO. 2 , SiON, SiN, AlN, Al 2 O Three You may form with various inorganic materials, such as. The elastic member may be formed of Al, Fe, Ti, Cr, Au, Mo, TiW, or the like, or an alloy thereof. However, unlike various resins and metals, SiO2 is used to prevent corrosion during contact with the liquid 8. 2 It is desirable to protect their surfaces with an inorganic film such as. Of course, two or more materials among resin, inorganic material, and metal may be used. If the vibration energy can be efficiently propagated, the distal end portion and the proximal end portion of the elastic member 7 may be made of different materials.
[0027]
Next, the operation principle of the present invention will be described.
When an AC signal is applied to the vibrator 2 by the driving means 9, the vibrator 2 is excited by the frequency of the AC signal. The elastic member 7 resonates with the vibration of the vibrator 2, and the vicinity of the tip of the elastic member 7 has a large amplitude (c in FIG. 1B). The liquid thickness in the bending vibration direction is several μm to several hundred μm in the vicinity of the tip of the elastic member 7 due to the wetness of the liquid 8 and the elastic member 7 and the effect of gravity. The droplets fly under the strong action of.
[0028]
When an AC signal is applied continuously, continuous ink columns continue to be ejected, and minute droplets are ejected when the wave is a burst wave. Here, the burst wave is one in which an alternating voltage composed of one to a plurality of waves is intermittently generated with a constant frequency. As an example, the waveform when the number of bursts is 3 is shown in FIG. Show. In the case of a burst wave, an AC voltage can be applied to the vibrator 2 for a short time while maintaining the same frequency as the resonance frequency of the elastic member 7 or an integer multiple thereof. Therefore, the vibrator 2 is driven with a burst wave. However, the burst wave is not limited to a sine wave but may be a square wave or a triangular wave.
[0029]
In order to understand the above-mentioned flight state, the light emission of the strobe was observed in synchronization with the burst wave repetition period. The time-dependent change in the flight state can be achieved by shifting the light emission timing. As a result, first, when bending vibration of the elastic member 7 acts on the liquid 8, a capillary wave is generated on the surface of the liquid. Furthermore, the capillary wave is amplified and grown with the passage of time, and it is observed that the micro droplets fly from the wave front.
[0030]
A typical flight state is shown in FIG. FIG. 4A is a front view of the distal end portion of the elastic member, and FIG. 4B is a side view thereof. As shown in FIG. 4A, the capillary wave is most strongly amplified in the concave portion 7b between the sharp end portions 7a and 7a, and it is easy to limit the droplet flight position at the tip of the elastic member by adjusting the burst wave condition. . Further, a typical flight direction of the droplet 10 is indicated by d in FIG. 4, and it was found that in addition to the force in the bending vibration direction e of the elastic member 7, a force due to flow acts in the flow direction f. Although the cause of the flow is not clear, the pressure direction of the vibration applied to the liquid 8 and the direction of the force with which the surface tension restores the deformation of the liquid deviates, so that the component parallel to the flow direction f as shown in FIG. It is estimated that the power of
[0031]
For comparison, when observed using a plate-like elastic member that does not have a plurality of sharp edges, a large number of capillary waves are generated on the elastic member surface, making the droplet flight position and flight direction stable. Could not be controlled.
[0032]
FIG. 5 is a diagram showing the flying state of the droplet when the flying condition is changed. If the condition of the burst wave repetition frequency is constant and the condition is changed in such a manner that the thickness of the liquid contacting the elastic member 7 is reduced and the number of bursts is reduced, the droplet 10 becomes d1 in FIG. If the liquid thickness is increased and the number of bursts is increased, the flight direction tends to approach the flight direction indicated by d2 in FIG. 5B. This is presumably because the magnitude and ratio of the force in the directions e and f in FIG. 4 are changed. Furthermore, under the conditions shown in FIG. 5B, droplet flying having a diameter depending on the width of the recess, that is, the distance between the sharp edges, is observed instead of the wavelength of the capillary wave. Since the capillary wave is a surface wave having a surface tension as a restoring force, it is considered that the force of the component perpendicular to the liquid surface basically contributes to the generation and growth of the capillary wave. Under the conditions of FIG. 5B, the force component due to the flow is very large compared to the force contributing to capillary wave generation, so it is considered that the above-described flight form has been achieved. In any case, if the flight conditions are determined, the uniformity of the droplet diameter and the stability of the flight direction are very good, and various designs are possible depending on the intended use.
[0033]
Generally, the wavelength of the capillary wave is such that the surface tension of the liquid 8 is σ (mN / m) and the density is ρ (g / cm Three ), When the excitation frequency is f (Hz), (8πσ / ρf 2 ) 1/3 (Cm) is known. Therefore, the width of the recess that defines the amplification region of the capillary wave, that is, the distance between the sharp edges (g in FIG. 2) is the minimum half wavelength {(8πσ / ρf) that the capillary wave can amplify. 2 ) 1/3 } / 2 (cm) is desirable. Furthermore, the capillary wave can be generated as a standing wave in a limited region by setting the distance between the sharp edges (g in FIG. 2) to be an integral multiple of a half wavelength. Thereby, it is possible to efficiently amplify the capillary wave. Further, it is desirable that the maximum width (h in FIG. 2) of the sharp end is not more than a half wavelength of the capillary wave. Accordingly, it is possible to more surely realize the suppression of the generation of capillary waves on the sharp end face and the limitation of the capillary wave amplification region between the concave portions, that is, the sharp end portions.
[0034]
【Example】
Hereinafter, based on an Example, this invention is demonstrated concretely.
Example 1
6A and 6B are diagrams showing the main part of an embodiment of the droplet forming apparatus of the present invention, wherein FIG. 6A is a front view and FIG. 6B is a side view. In this example, an Ag electrode 4 having a thickness of 1 μm was deposited on a substrate 1 made of brass having a thickness of 200 μm, and then patterned. Subsequently, after depositing a piezoelectric body 3 made of PZT (zirconic acid / lead titanate) having a thickness of 100 μm, patterning is performed, and further, 2 of Cr having a thickness of 0.05 μm and Au having a thickness of 1 μm. After depositing the electrode 5 composed of layers, the vibrator was formed by patterning.
A piezoelectric body 3 made of PZT is used as a constituent element of the vibrator 2 so as to vibrate in a direction perpendicular to the film surface when a voltage is applied between the electrodes by polarization treatment. Furthermore, the vibrator 2 composed of the piezoelectric body 3 and the electrodes 4 and 5 is made of SiO 2 having a thickness of 1 μm. 2 Then, a stainless steel foil having a thickness of 7 μm was bent into an “L” shape as the elastic member 7 on the vibrator 2 and bonded as shown in FIG.
The front shape of the elastic member is processed by a YAG laser and has a plurality of sharp end portions 7a and a plurality of concave portions 7b as shown in FIG. However, the same applies to the following embodiments, but the method of forming the elastic member is not limited to this, and is not limited to the processing technique using the lithography technique used in the semiconductor process, the thick film printing technique, or the micromachine manufacturing process. Various forming techniques (anisotropic etching, excimer laser processing, electric discharge processing, plating technique, etc.) that are used can be used to form elastic members made of various metal materials, inorganic materials, organic materials such as resins, and the like.
[0035]
In this example, water was used as the liquid 8 to be caused to fly. The liquid surface 8a was filled so as to be positioned between the tip and bottom surfaces of the elastic member 7, and an AC signal was applied to the vibrator from the outside using the driving means 9 to excite the vibrator. The frequency of the AC signal is most preferably the same as the natural frequency of the vibrator 2 and the elastic member 7 in terms of efficiency. In this embodiment, the AC signal is designed to resonate at 192 kHz. Specifically, since the front width of the elastic member 7 is 600 μm, the maximum height is 520 μm, and the wavelength of the capillary wave at 192 kHz of water is about 30 μm, the sharp end distance is 45 μm, which is three times the half wavelength. The sharp end width was set to 12 μm.
[0036]
As a burst wave condition, 192 kHz, 10 V PP 20 cycles of AC waves were repeatedly applied at a cycle of 1 kHz. As a result, it was confirmed by flight observation using a strobe that the droplets 10 flew between the sharp end portions at every repetition cycle, the diameter was uniform as 15 μm, and the direction stability was excellent. .
[0037]
According to this embodiment, uniform fine droplets can be ejected with good directivity and the number of droplets can be controlled, so that it can be used as a droplet forming apparatus suitable for spraying medical drugs. In the above case, a plurality of elastic members may be provided with respect to the vibrator, or a plurality of elastic members may be provided with respect to the plurality of produced elastic members.
[0038]
FIG. 7 shows a representative example of the shape of the tip of an elastic member that can be used in the droplet forming apparatus of the present invention in the same manner as in the above embodiment. (A) is a front view, (B) is a side view, and all combinations of (A) and (B) are possible. Thus, the elastic member shape can be variously changed without departing from the requirements of the present invention.
[0039]
Example 2
FIG. 8 shows the main part of an embodiment of an image forming apparatus to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied. (A) is a front view, (B) is a side view. In this embodiment, an Ag electrode 4 having a thickness of 1 μm is deposited on a substrate 1 made of brass having a thickness of 200 μm, followed by patterning, followed by PZT (zirconic acid / titanic acid having a thickness of 100 μm). After the piezoelectric body 3 made of lead is deposited, patterning is performed, and further, the electrode 5 composed of two layers of Cr having a thickness of 0.05 μm and Au having a thickness of 1 μm is deposited, followed by patterning and vibration. Formed a child.
The piezoelectric body 3 made of PZT is polarized as a constituent element of the vibrator 2 so as to vibrate in a direction perpendicular to the film surface when a voltage is applied between the electrodes. Furthermore, the vibrator 2 composed of the piezoelectric body 3 and the electrodes 4 and 5 is made of SiO 2 having a thickness of 1 μm. 2 Then, the elastic layer 7 made of stainless steel was formed on the vibrator 2. The front shape of the elastic member had two sharp end portions and one concave portion as shown in FIG. With respect to the design value 192 kHz of the resonance frequency, the elastic member 7 has a maximum front width of 600 μm and a maximum height of 520 μm. Further, in this embodiment, since the aqueous black ink is used as the liquid 8, and the wavelength of the capillary wave of the aqueous black ink is about 30 μm, the sharp end distance is sharpened to 45 μm, which is three times the half wavelength. The maximum width of the end portion was set to 12 μm.
[0040]
In this embodiment, the combination of the vibrator 2 and the elastic member 7 constitutes an ejector for discharging ink droplets. Further, as shown in FIG. 8B, the liquid level before and after the elastic member is changed so that the droplet 10 flies only in one direction. Here, means for realizing flight in one direction is not limited to the above case, and it is also possible to make the protrusion side surface shape asymmetric. The electrode 4 may be configured as a common electrode common to a plurality of ejectors, and the electrode 5 may be configured as an address electrode that drives only a specific ejector. Accordingly, it is possible to record the visualization information by driving a specific ejector in accordance with the image signal to eject ink droplets and attaching them to the printing surface.
[0041]
FIG. 9 shows a main part of an example of an image forming apparatus to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied. In the image forming apparatus of this example, the recording element 11 having the above-described ejector is fixed to the carriage 12. The carriage 12 is guided by the guide 13 and reciprocates in the paper width direction of the printing paper 14, and the printing paper 14 is fed along the guides 16 and 17 by the rotation of the feed roller 15. An image is printed.
[0042]
As shown in FIG. 10, the recording element 11 includes ejectors 19 each composed of a vibrator and an elastic member arranged in a plover shape on a substrate, so that even if the vibrator and the elastic member are relatively large, High density printing is possible.
[0043]
The example shown in FIG. 10 is an example of so-called matrix drive, and the leads A1 to A5 are leads of one electrode, and are connected to the respective ejectors 19 in the vertical direction, and the leads B1 to B6 are connected to the other. It is an electrode lead and is connected to each ejector 19 in the lateral direction. A voltage is applied between any one of the leads A1 to A5 and any one of the leads B1 to B6, whereby one ejector is selected and excited.
[0044]
In the image forming apparatus shown in FIG. 9, the feeding speed of the carriage 12 and the arrangement interval of the vibrators in the recording element 11 correspond to 600 dpi (dots / inch).
The recording element 11 includes four recording element units corresponding to four colors of black, yellow, magenta, and cyan, and is connected to the ink supply unit 18. The ink supply unit 18 has a structure in which inks of four colors of black, yellow, magenta, and cyan are held inside.
The ink of each color held in the ink supply unit 18 is supplied to the recording element unit of each color of the recording element. When a voltage is applied to the vibrator corresponding to the image signal, ink droplets are ejected from the ink surface on the selected vibrator, and an image is formed. Although not shown, an electrical signal to the recording element 11 is sent from the outside via the carriage 12.
[0045]
As burst wave conditions, 192 kHz, 30 V PP Five cycles of alternating waves were applied at a repetition rate of 1 kHz. Accordingly, it is possible to selectively fly one droplet from the concave portion between each sharp end portion every repetition cycle, the diameter thereof is uniform at 16 μm, and excellent directional stability. It was confirmed by flight observation using
The dots formed on the printing paper 14 after printing were uniform dots arranged in a circle with a diameter of approximately 30 μm, which is approximately twice the diameter of the ejected ink droplet. Even when printing was continued, the dot diameter did not fluctuate and ink was not discharged.
[0046]
Since the image forming apparatus of this embodiment has the recording element 11 equipped with the droplet forming apparatus of the present invention, it is possible to stably form minute dots corresponding to a high resolution on the printing paper 14, and high-quality printing is possible. Met.
[0047]
FIG. 11 shows a representative example of the shape of the elastic member that can be used in the image forming apparatus shown in FIG. (A) is a front view, (B) is a side view, and all combinations of (A) and (B) can be used. As described above, the shape of the elastic member can be variously changed without departing from the requirements of the present invention.
[0048]
【The invention's effect】
As described above, the droplet forming apparatus of the present invention can efficiently eject minute droplets without using a nozzle, and is excellent in droplet uniformity and directionality. That is, by bending vibration of a plate-like elastic member having a cantilever structure, a capillary wave can be generated on the liquid surface near the tip of the elastic member, and the liquid can fly, and the tip of the elastic member has a plurality of tips. By providing the concavo-convex structure including the sharp end portion and one or more concave portions, there is an effect that the amplification region of the capillary wave is limited to the concave portions between the plural sharp end portions. Due to this effect, the uniformity of the diameter of the droplets to fly and the flying directionality can be improved, and it is possible to drive with low frequency and low power. Therefore, the droplet forming apparatus of the present invention is suitable for use in various applications, particularly in an image forming apparatus, and can form a recorded image with excellent image quality by an image recording method using the apparatus. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of a basic configuration of a droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing a representative elastic member tip in the droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 3 is a diagram showing a typical burst wave of a drive signal used in the present invention.
FIG. 4 is an explanatory diagram showing a typical flight state in the basic configuration of the droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram showing a flying state when a flying condition is changed in the basic configuration of the droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a main part of an embodiment of the droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a representative example of an elastic member shape applicable to the droplet forming apparatus of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a main part of an embodiment of a recording element to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied.
FIG. 9 is a perspective view of an embodiment of an image forming apparatus to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied.
FIG. 10 is a diagram illustrating a driving method of an image forming apparatus to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied.
FIG. 11 is a diagram showing a representative example of an elastic member shape applicable to an image forming apparatus to which the droplet forming apparatus of the present invention is applied.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Board | substrate, 2 ... Vibrator, 3 ... Piezoelectric body, 4,5 ... Electrode, 6 ... Protective layer, 7 ... Elastic member, 7a ... Sharp-end part, 7b ... Recessed part, 8 ... Liquid, 8a ... Liquid surface, 8b ... Liquid thickness, 9 ... Driving means, 10 ... Droplet, 11 ... Recording element, 12 ... Carriage, 13 ... Guide, 14 ... Printing paper, 15 ... Feed roller, 16, 17 ... Guide, 18 ... Ink supply section, 19 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Ejector, a ... Cross-sectional area of bottom part of protrusion part, b ... Cross-sectional area of front-end | tip part of protrusion part, c ... Arrow which shows the bending vibration direction of an elastic member, d ... Flying direction of a droplet, e ... Bending vibration direction of an elastic member F: Flow direction, g: Distance between sharp edges, h: Maximum width of sharp edges.

Claims (3)

振動発生手段および振動伝達手段を有し、該振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔させる液滴形成装置において、該振動伝達手段が、先端に複数の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなるものであって、単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする液滴形成装置。In a droplet forming apparatus that includes a vibration generating unit and a vibration transmitting unit, and the liquid is brought into contact with the vibration transmitting unit to fly the liquid in the vicinity of the tip, the vibration transmitting unit includes a plurality of sharp end portions and one or more at the tip. Is formed of an elastic member having a concavo-convex structure composed of a concave portion of the above, and is formed on a single vibration generating means, and the liquid level of the liquid is positioned between the tip and bottom surfaces of the vibration transmitting means, droplet forming apparatus characterized by jetting liquid droplets from front Kifu kinematic transmission means. 複数の振動発生手段および該振動発生手段のそれぞれに対応する複数の振動伝達手段を有し、該振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔させる画像形成用液滴形成装置において、該振動伝達手段が、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなるものであって、それぞれ対応する単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振伝達手段のそれぞれより液滴を飛翔させることを特徴とする画像形成用液滴形成装置。In an image forming droplet forming apparatus that has a plurality of vibration generating means and a plurality of vibration transmitting means corresponding to each of the vibration generating means, and in which liquid is brought into contact with the vibration transmitting means and the liquid in the vicinity of the tip is caused to fly. The vibration transmitting means is composed of an elastic member having a concavo-convex structure consisting of two sharp end portions and one concave portion at the tip, each formed on a corresponding single vibration generating means, and the liquid level is located between the tip and the bottom surface of the vibration transmitting means, the image forming liquid droplet forming apparatus characterized by jetting liquid droplets from the respective front Kifu dynamic transmission means. 画像情報に基いて振動発生手段から振動を発生させて振動伝達手段の先端に伝達し、伝達された振動により該振動伝達手段の先端近傍から液滴を飛翔させて記録媒体に記録を行う画像形成方法において、該振動伝達手段が、単一の振動発生手段上に形成されたものであって、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材からなり、液体の液面が前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置した状態で、前記振伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする画像形成方法。Image formation in which vibration is generated from the vibration generating means based on image information and transmitted to the tip of the vibration transmitting means, and droplets are ejected from the vicinity of the tip of the vibration transmitting means by the transmitted vibration and recorded on a recording medium. In the method, the vibration transmitting means is formed on a single vibration generating means, and is composed of an elastic member having a concavo-convex structure including two sharp end portions and one concave portion at the tip, in a state where the surface is located between the tip and the bottom surface of the vibration transmitting means, the image forming method characterized by jetting liquid droplets from front Kifu kinematic transmission means.
JP13948197A 1997-05-29 1997-05-29 Droplet forming apparatus and image forming method Expired - Fee Related JP3740791B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP13948197A JP3740791B2 (en) 1997-05-29 1997-05-29 Droplet forming apparatus and image forming method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP13948197A JP3740791B2 (en) 1997-05-29 1997-05-29 Droplet forming apparatus and image forming method

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH10328594A JPH10328594A (en) 1998-12-15
JP3740791B2 true JP3740791B2 (en) 2006-02-01

Family

ID=15246266

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP13948197A Expired - Fee Related JP3740791B2 (en) 1997-05-29 1997-05-29 Droplet forming apparatus and image forming method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3740791B2 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4812657B2 (en) * 2007-02-23 2011-11-09 三菱電機株式会社 Ultrasonic atomizer and equipment equipped with the same

Also Published As

Publication number Publication date
JPH10328594A (en) 1998-12-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2004330514A (en) Image forming apparatus
JP3805756B2 (en) Inkjet recording device
JP2965513B2 (en) Printing element and printing apparatus
JPH1044398A (en) Ink jet recording head and ink jet recorder
JP3740791B2 (en) Droplet forming apparatus and image forming method
JP3384958B2 (en) Ink jet recording apparatus and manufacturing method thereof
JP3438535B2 (en) Recording head
JPH0557891A (en) Ink jet printing head
JP3438544B2 (en) Inkjet recording head
JPH1120162A (en) Ink-jet recording apparatus
JP3449187B2 (en) Inkjet recording head
JP3422230B2 (en) Inkjet recording head
JPH11235825A (en) Recording head
JP3451895B2 (en) Recording head
JPH09226111A (en) Recording method and recorder
JPH1148472A (en) Ink jet recording head
JPH1134330A (en) Ink jet recorder
JPH11254666A (en) Recorder
JPH1142776A (en) Ink-jet recording head
JPH1120163A (en) Ink-jet recording head
JPH11221916A (en) Recording head
JPH1134314A (en) Ink jet recording head
JPH11245403A (en) Ink drop creating/flying apparatus
JPH1142778A (en) Ink-jet recording apparatus
JPH11235819A (en) Recording head

Legal Events

Date Code Title Description
A977 Report on retrieval

Effective date: 20040915

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20041019

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A521 Written amendment

Effective date: 20041208

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

A131 Notification of reasons for refusal

Effective date: 20050412

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

A521 Written amendment

Effective date: 20050610

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20051018

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Effective date: 20051031

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

R150 Certificate of patent (=grant) or registration of utility model

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees