JPH08290587A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高速で且つ高画質の記録が可能なインクジェ
ット記録装置を提供する。 【解決手段】 駆動回路１０６は、被記録体上に記録す
る画像の階調レベルに応じ、液体インク１０９の液面か
ら吐出されるインク滴数が変化するように、圧電素子１
０１への駆動信号の印加時間を制御する。駆動信号の印
加に応じ、圧電素子アレイ１０１から放射される超音波
は、アレイ方向に集束され、音響マッチング層１０５を
介して音響レンズ１０７に入射され、さらにアレイ方向
と直交する方向に集束され、インク液面近傍に点状に集
束する。インク液面近傍では、集束された超音波により
発生した圧力（放射圧）によってインクメニスカス１１
１が形成され、この先端から、前記印加時間に応じたイ
ンク滴が吐出される。吐出されたインク滴被記録体に付
着する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、液体インクを液
滴化し、被記録体上に吐出させることで画像を記録する
インクジェット記録装置に関し、特に、圧電素子から放
射される超音波の圧力によりインク滴を吐出し、このイ
ンク滴を被記録体上に付着させるインクジェット記録装
置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体インクを液滴と呼ばれる小さな粒状
にして記録媒体上に吐出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。

【０００３】一般に、インクジェット記録方式を適用し
た装置では、溶媒の蒸発や揮発によって局部的なインク
の濃縮が生じ易く、このため、解像度に対応した個別の
細いノズルにおける目詰まりが発生する。例えば、イン
クジェットの形成に蒸気の圧力を用いる方式では、イン
クとの熱的あるいは化学的な反応により生成される不溶
物が付着し、又、圧電素子による圧力を用いる方式で
は、インク流路等の複雑な構造により、前記ノズルにお
ける目詰まりが発生する。通常、数十〜百数十程度のノ
ズルを使用するシリアル走査型ヘッドでは、目詰まりの
頻度を低く抑えることができるような処理が施されてい
るが、数千もの多数のノズルが必要とされるライン走査
型ヘッドでは目詰まりの頻度が高く、これによりインク
ジェット記録装置の信頼性が低下する。

【０００４】又、従来のインクジェット記録装置では、
解像度を向上するためにはいくつかの問題点がある。例
えば、蒸気の圧力を使う装置では、直径２０μｍ（記録
紙上に直径５０数μｍ程度の記録ドットに相当する）以
下の粒径のインク滴を生成することが困難である。又、
圧電素子が発生する圧力を使う装置では、記録ヘッドが
複雑な構造となるために、この記録ヘッドを加工する技
術上の問題が生じ、高い解像度を実現する記録ヘッドの
製造が困難である。

【０００５】一方、近年、薄膜圧電体により構成された
圧電素子によって発生する超音波の圧力を用いてインク
液面からインクを吐出させる方式が提案されている。こ
の方式は、個別のドット毎のノズルやインク流路の隔壁
を必要としない、いわゆるノズルレス方式である。この
ため、この方式をライン走査型ヘッドに適用した場合、
目詰まりをが防止され、たとえ目詰まりが生じた場合で
あっても復旧が容易になる。また、非常に小さい径のイ
ンク滴を安定に生成して吐出させることができるため、
高解像度化にも適している。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、前述した超
音波を用いたインクジェット記録装置において高画質の
記録を実現するためには、解像度の向上に加え、階調性
の向上が要求される。ここで、階調性の向上とは、多階
調の画点の形成が可能であることを示す。

【０００７】前述したように、解像度の向上は、インク
滴を微小にすることにより実現できる。一方、階調性に
ついては、例えば、インク滴の大きさやインク滴の数を
多段階に変化させることにより、複数の階調を実現する
手法が提案されている。例えばゼロックス社による特開
昭６３−１６６４５には、１画素につきインクジェット
ヘッドの圧電素子を複数回繰り返し駆動することで複数
のインク滴を吐出させ、先に被記録体上に付着したイン
ク滴が乾燥する前に次のインク滴を重ね書きする第１の
方法と、圧電素子に印加する駆動信号を調整して、イン
ク滴の大きさを変える第２の方法が開示されている。

【０００８】しかし、複数のインク滴による重ね書きで
１画素を記録する第１の方法は、圧電素子を複数回繰り
返し駆動する必要がある。このため、多階調の画点を実
現する場合、１画素当たりの記録に時間がかかり、高速
記録に適さないという問題がある。また、インク滴の大
きさを変える第２の方法では、インク滴の大きさに与え
る影響が比較的小さく、このため階調数を多くすること
ができない。この発明は、前述した実情に鑑みてなされ
たものであり、高速で且つ高画質の記録が可能なインク
ジェット記録装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この発明に係る第１のイ
ンクジェット記録装置は、液体インクを保持するインク
保持室と、前記液体インクに音響的に接続された圧電素
子からなる超音波発生器と、前記液体インクの表面から
インク滴群が吐出するように、前記超音波発生器に一連
の駆動信号を印加する駆動信号印加手段と、前記インク
滴群のインク滴数が所望の階調に応じたインク滴数にな
るように前記駆動時間を制御する第１の制御手段とを具
備することを特徴とする。

【００１０】更に、圧電素子への駆動信号の印加時間間
隔（待機時間）についても、被記録体上に記録すべき画
像の階調レベルに応じた駆動信号の印加時間の制御に伴
い、駆動信号の印加時間が長くなるほど、つまりインク
滴の吐出数が多くなるほど長くなるように制御すること
が望ましい。即ち、前記インクジェット記録装置は、複
数のインク滴群を吐出させる際、第１のインク滴群の全
てのインク滴が吐出した後に次のインク滴群を吐出させ
るための一連の駆動信号を印加するように駆動間隔を制
御する第２の制御手段を具備することを特徴とする。

【００１１】又、前記インクジェット記録装置は、前記
超音波発生器から生じる超音波を前記液体インクの表面
近傍に集束させる集束手段を具備することを特徴とす
る。前記超音波発生器は、複数の圧電素子が配列され、
前記集束手段は、複数の圧電素子が配列された圧電素子
に、前記液体インクの表面近傍に超音波が集束するよう
に、異なる位相の駆動信号を印加することが望ましい。

【００１２】前記集束手段は、フレネルレンズや凹面レ
ンズを含む音響レンズであることが望ましい。フレネル
レンズを用いる場合、レンズが平面構造のレンズとな
り、音響マッチング層を含む積層構造となる。従って、
パタ−ニング、エッチングなどのリソグラフィ技術を適
用して生産が可能となり、製造性に優れる。

【００１３】又、前記インクジェット記録装置では、前
記インク滴群のインク滴数が１の場合の前記一連の駆動
信号の印加時間の最短時間をｔとした時、インク滴群の
インク滴数を２以上にするために一連の駆動信号の印加
時間を１．２ｔ以上にするようにしてもよい。

【００１４】この発明に係る第２のインクジェット記録
装置は、液体インクを保持するインク保持室と、前記液
体インクに音響的に接続された圧電素子からなる超音波
発生器と、前記液体インクの表面からインク滴群を吐出
するように、前記超音波発生器に駆動信号を印加する駆
動信号印加手段と、複数のインク滴群を吐出させる際、
第１のインク滴群の全てのインク滴が吐出した後に次の
インク滴群を吐出させるための駆動信号を印加するよう
に駆動間隔を制御する第１制御手段とを具備することを
特徴とする。

【００１５】このインクジェット記録装置は、更に、前
記インク滴群のインク滴数が所望の階調に応じたインク
滴数になるように前記駆動時間を制御する第２制御手段
を具備することを特徴とする。

【００１６】このような構成を有する第１及び第２のイ
ンクジェット記録装置では、圧電素子への駆動信号印加
時間を制御することでインク滴の吐出数を変化させ、圧
電素子の１回の駆動で階調記録を行うことができる。こ
のため、高速の階調記録が可能であり、また駆動信号印
加時間の変化幅を大きくすることにより容易に階調数を
多くとることができる。

【００１７】この発明に係る第３のインクジェット記録
装置は、液体インクを保持するインク保持室と、順次積
層された第１電極、第１圧電体層、第２電極、及び第２
圧電体層からなり、前記液体インクと音響的に接続され
た圧電素子と、前記液体インクの液面からインク滴が吐
出するように、前記圧電素子に駆動信号を印加する駆動
信号印加手段とを具備することを特徴とする。

【００１８】ここで、圧電素子は具体的には例えば厚み
の異なる第１および第２の圧電体層を音響的に直列接続
して構成された積層構造、すなわち第１の電極、第１の
圧電体層、第２の電極、および第２の圧電体層を順次積
層してなる構造であり、場合によっては第２の圧電体層
上にはさらに第３の電極が形成される。この場合、第１
および第２の圧電体層は互いに逆向きに分極されるか、
または同じ向きに分極されるか、あるいは一方のみが分
極される。第１および第２の圧電体層が互いに逆向きに
分極されている場合および同じ向きに分極されている場
合、駆動信号は分極方向と逆向きに電界がかかる関係で
印加される。また、第１および第２の圧電体層の少なく
とも一方のみが分極されていれば、分極されている方の
圧電体層に駆動信号を印加していもよい。

【００１９】このような構成のインクジェット記録装置
では、圧電素子から放射される超音波の周波数をより多
段階に変化させてインク滴の大きさを広範囲に変えるこ
とができるため、多階調の記録が可能であり、また圧電
素子の１回の駆動で１画素を記録できるので高速の記録
ができる。さらに、インク滴の大きさを変化させること
により画点の大きさや濃度の変化が得られるため、面積
階調法において２値面積階調に比較してより小さな画素
内で同一の階調が得られる多値面積階調を行うことがで
き、解像度の点でも有利となる。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照してこの発明に
係るインクジェット記録装置の第１及び第２の実施の形
態を説明する。この発明に係るインクジェット記録装置
の第１の実施の形態を図１〜図９を参照して説明する。

【００２１】先ず、ここで、第１の実施の形態の基本的
概念を図１（ａ），（ｂ）、及び図２（ａ），（ｂ）を
参照して説明する。圧電素子から放射及び集束される超
音波の圧力を用いてインク滴を吐出させ、これを被記録
体上に付着させて画像記録を行う超音波インクジェット
記録装置の駆動実験から、圧電素子を一連の駆動信号で
駆動させる、即ち圧電素子に一連のバースト波を印加し
たときに、連続的に印加される高周波の駆動信号の印加
時間によって、連続して吐出するインク滴の数（吐出
数）ｎが２個以上である条件が存在し、その場合に必要
な最短の駆動信号印加時間ｔ（ｎ）は、インク滴の吐出
数が１個の場合に必要な駆動信号印加時間ｔ（１）より
は長く、そのｎ倍の時間よりは明らかに短いことが本願
発明者らにより見いだされ、確認された。また、同様の
条件において、次の駆動信号を圧電素子に印加できる状
態、より具体的には駆動信号を印加してもインクメニス
カスからスプラッシュやサテライトが発生しなくなる状
態になるまでの最短の待機時間Ｔ（ｎ）は、インク滴を
１個吐出した後の待機時間Ｔ（１）よりは長く、そのｎ
倍の時間より明らかに短いことも確認された。ここで、
待機時間とは、第１のバースト波を印加し終わってから
第２のバースト波を印加するまでの時間を示す。

【００２２】前記第２の駆動信号は、第１の駆動信号に
起因するインク滴群が吐出された後に印加する必要があ
る。もし、第２の駆動信号をインク滴群が吐出されない
前に印加した場合、インク液面からスプラッシュが発生
し、インク滴を吐出させることができない。ここでい
う、インク滴群とは、少なくとも１つ以上のインク滴を
含んでいる。このような結果から、ｎ個のインク滴の吐
出条件での最短の周期はｔ（ｎ）＋Ｔ（ｎ）であり、ｎ
［ｔ（１）＋Ｔ（１）］よりも短く、この傾向はｎが大
きいほど顕著となる。この第１の実施の形態は、このよ
うに知見に基づいてなされたものであり、以下その原理
を説明する。

【００２３】図１（ａ）は、インク液面から吐出するイ
ンク滴が１個の場合の吐出過程を模式的に示した図であ
る。圧電素子からインク液面に集束する超音波が放射さ
れると、まず超音波による圧力で集束領域のインク液面
が押し上げられインクメニスカスが形成される。この
後、インクメニスカスの先端が括れ、インク滴が１個吐
出する。インク滴が吐出した後では、次の超音波に与え
る影響が無視できる程度まで超音波は十分に減衰してい
る。又、インクメニスカスは、インク滴が吐出された後
では超音波が減衰しているためにインク液面を押し上げ
る力が弱まり、表面張力で押し戻され低面積が広がるよ
うな形に変形しつつ低下する。

【００２４】従って、待機時間（駆動信号を印加して
後、次の駆動信号を印加するまでの間隔）は、インクメ
ニスカスが完全に消失するまでの時間を意味するのでは
く、インク滴群が吐出するまでの時間を意味する。

【００２５】図１（ｂ）は、インク液面から吐出するイ
ンク滴が２個の場合の吐出過程を模式的に示した図であ
る。この場合には、前記図１（ａ）に示されるインク滴
１個の場合より長い時間にわたって圧電素子に駆動信号
を印加し、超音波が放射される。この印加時間の長い駆
動信号により、圧電素子からインク液面に集束する超音
波が放射されると、まず超音波の圧力（インク滴１個の
場合より大きい）で集束領域のインク液面が図１（ａ）
より高く押し出されてインクメニスカスが形成され、先
端から第１番目のインク滴（第１滴）が吐出される。次
いで、比較的短時間の間にインク滴が切れたインクメニ
スカスの先端近傍が再び括れ、第２番目のインク滴（第
２滴）が吐出される。以後は、インク滴を１個吐出する
場合と同様にインクメニスカスは表面張力で押し戻さ
れ、底面積が広がるような形に変形しつつ低下する。そ
して、インクメニスカスがある程度まで低下し、次の超
音波の放射が可能な状態となる。但し、図１（ｂ）にお
けるインクメニスカスは、前記図１（ａ）におけるイン
クメニスカスより大きいため、待機時間はインク滴を１
個吐出する場合より長く必要となる。通常、インク滴が
吐出するメカニズムとして、インクが吐出するまでにイ
ンク液面にメニスカスを形成する必要がある。この発明
では１滴目のインク吐出のために形成したメニスカスか
ら繰返しインクを吐出させることで、メニスカスの形成
時間を短縮することが可能になり、ひいては階調制御を
短時間で処理することが可能となる。

【００２６】ここで、図２（ａ），（ｂ）に、前記図１
（ａ），（ｂ）のようなインク滴吐出過程を得るための
圧電素子に印加する駆動信号波形の例を示す。図２
（ａ）では、圧電素子にｔ（１）なる時間幅のバースト
信号からなる高周波の駆動信号がＴ（１）なる待機時間
をおいて印加される。図２（ｂ）では、圧電素子にｔ
（２）なる時間幅のバースト信号からなる高周波の駆動
信号がＴ（２）なる待機時間をおいて印加される。ここ
で、駆動信号の周波数は２０ＭＨｚに設定され、また各
駆動信号の印加時間および待機時間は、それぞれｔ
（１）＝１０μｓｅｃ、Ｔ（１）＝６００μｓｅｃ、ｔ
（２）＝１５μｓｅｃ、Ｔ（２）＝８００μｓｅｃのよ
うに設定される。

【００２７】このように圧電素子への駆動信号印加時間
を適切に変化させることにより、インク滴の吐出数を変
動させることができる。従って、このインク滴吐出数が
被記録体上に記録すべき画像の階調レベルに応じて変化
するように圧電素子への駆動信号の印加時間を制御する
ことによって、所望の階調に応じた記録を実現すること
ができる。

【００２８】前述したように、インク滴吐出には、高周
波バースト波信号を用いるが、１滴目のインク吐出のた
めに形成したメニスカスから繰返しインクを吐出させる
ためのバースト波の印加時間（波数）ｔｎは、インク滴
１滴を吐出するために必要なバースト波信号印加時間を
示す場合、１．２ｔ≦ｔｎを満足することが望ましく、
ｔｎ≦３０ｔ程度で十分に階調制御可能であることか
ら、印字の高速化の面で、ｔｎ≦３０ｔとすることが望
ましい。

【００２９】一連の駆動信号とは、インク吐出に影響が
なければ駆動信号として印加されるバースト波中に多少
の切れ目が存在する条件を許容するものである。例え
ば、一連の駆動信号として印加されるバースト波中、５
％以下であれば不連続な波を含んでいてもインク吐出に
影響を与えることはない。

【００３０】以下、この第１の実施の形態を詳細に説明
する。図３（ａ）〜（ｃ）は、この発明に係るインクジ
ェット記録装置の第１の実施の形態における、インクジ
ェットヘッド部を示す。このインクジェットヘッド部
は、複数の圧電素子を一次元に配列した圧電素子アレイ
を用いたアレイ型超音波インクジェットヘッドであり、
図３（ａ）はアレイ方向と直交する方向に沿う断面図
を、図３（ｂ）はアレイ方向に沿う断面図を、図３
（ｃ）はこのインクジェットヘッド部の斜視図を示して
いる。

【００３１】圧電素子アレイ１０１は、数μｍ〜数十μ
ｍ厚の圧電体層１０２とその両面に被着された第１，第
２電極１０３，１０４によって構成される。この圧電素
子アレイ１０１は、例えば耐熱ガラスで構成される音響
マッチング層１０５上に形成される。圧電体層１０２
は、全体としてはアレイ方向に延びた帯状に形成されて
いるが、分離された複数の圧電素子を形成するように素
子分離されている。第１電極１０３は圧電体層１０２の
素子分離と同様に各々の圧電素子に対応して分離され、
第２電極１０４は各圧電素子に共通の帯状電極となって
いる。第１電極１０３の各々は、音響マッチング層１０
５上の圧電素子アレイ１０１側に実装された駆動ＩＣ１
０６にワイヤボンディング等により電気的に接続されて
おり、共通の帯状電極である第２電極１０４は電気的に
接地されている。

【００３２】音響マッチング層１０５の圧電素子アレイ
１０１と反対側に面上には、圧電素子アレイ１０１のア
レイ方向および超音波の放射方向と直交する方向に超音
波を集束するための一次元音響レンズ１０７が接着され
ており、この音響レンズ１０７の音響マッチング層１０
５と反対側の面はインク室１０８内のインク１０９の底
面に接している。尚、この例では一次元音響レンズ１０
７として凹面レンズを用いているが、後述するように、
表面に曲率を持たないフレネルレンズを適用することも
できる。

【００３３】インク室１０８は、圧電素子アレイ１０１
によるフェーズドアレイ走査及び一次元音響レンズ１０
７による回折によって集束する超音波の通路を包み込む
ように徐々に狭まった形状をなしている。更に、超音波
の集束点近傍において、数十μｍ〜数百μｍ程度の幅の
スリット状のオリフィス１１０が設けられている。イン
ク１０９の表面（インク液面）は、オリフィス１１０の
位置とほぼ同一面上に位置する。

【００３４】駆動ＩＣ１０６は、階調画像データに応じ
て圧電素子アレイ１０１のアレイ方向に隣接する所定数
の圧電素子を１ブロックとしてブロック単位で駆動する
ことによって、電子スキャンを行う。具体的には、選択
したブロックの各圧電素子に所定の位相差を持たせた高
周波の駆動信号を供給し、それらの圧電素子を同時に駆
動することによって、圧電素子アレイ１０１から放射さ
れる超音波をアレイ方向に集束する。このアレイ方向へ
の集束処理を同時駆動する圧電素子の位置を例えば１素
子分ずつ順次ずらして繰り返し行うことにより、集束さ
れる超音波の放射方向をアレイ方向にリニアに移動する
ことができる。

【００３５】このような駆動ＩＣ１０６による処理に従
って、圧電素子アレイ１０１から放射されるアレイ方向
に集束された超音波は、音響マッチング層１０５を介し
て一次元音響レンズ１０７に入射され、さらにアレイ方
向と直交する方向に集束されて最終的にインク液面近傍
に点状に集束する。インク液面近傍では、集束された超
音波により発生した圧力（放射圧）によってインク液面
に円錐状のインクメニスカス１１１が形成され、この
後、インクメニスカス１１１の先端からインク滴１１２
が吐出される。吐出されたインク滴１１２は図示しない
被記録体に付着し、被記録体に付着したインク滴１１２
は乾燥して定着する。この場合、圧電素子アレイ１０１
のアレイ方向への超音波の移動によって主走査が行われ
るので、被記録体をインクジェットヘッド部のアレイ方
向（主走査方向）と直交する方向に相対的に移動させて
副走査を行う。このような主走査及び副走査を適宜行う
ことにより、被記録体上に２次元の画像を記録すること
ができる。

【００３６】前記駆動ＩＣ１０６は被記録体上に記録す
べき画像（階調画像）の階調レベルに応じて、つまり画
像データの濃度値に応じてインク液面からのインク滴の
吐出数が変化するように圧電素子アレイ１０１への駆動
信号の印加時間を制御する機能を有している。以下、図
４及び図５（ａ）〜（ｅ）を参照して駆動ＩＣ１０６に
よる、駆動信号の印加時間制御について説明する。

【００３７】図４及び図５（ａ）〜（ｅ）は、この第１
の実施の形態における圧電素子アレイ１０１の駆動処理
の一例を説明するための図であり、インクジェットヘッ
ドのインク液面からのインク滴の吐出数が０〜２の場合
の例である。図４に示されるように、圧電素子アレイ１
０１の各ブロックの駆動モードとしてグラウンド駆動、
ｔ（１）駆動およびｔ（２）駆動の３種類のモードが予
め設定されている。

【００３８】グラウンド駆動モードは、図５（ａ）に示
される駆動信号波形のようにブロック内の圧電素子への
駆動信号の印加電圧をグラウンドレベルにする（つまり
駆動信号を印加しない）モードである。従って、このグ
ラウンドモードで信号の供給されたブロックからは超音
波が放射されず、これによりインク滴が吐出されない。
ｔ（１）駆動モードは、図５（ｂ），（ｃ）に示される
駆動信号波形のようにブロック内の圧電素子に印加する
駆動信号として、０相，π相の前記図２（ａ）で説明し
た時間幅ｔ（１）の駆動信号の組み合わせを用いるモー
ドである。このモードでは、信号が供給されたブロック
から集束された超音波が放射され、図１（ａ）に示され
るようにインク液面から１個のインク滴１１２が吐出さ
れる。ｔ（２）駆動モードは、図５（ｄ），（ｅ）に示
される駆動信号波形のように、ブロック内の圧電素子に
印加する駆動信号として、０相，π相の前記図２（ｂ）
で説明した時間幅ｔ（２）の駆動信号の組み合わせを用
いるモードであり、このモードでは信号が供給されたブ
ロックから集束された超音波が放射され、図２（ｂ）に
示されるようにインク液面から２個のインク滴１１２
ａ，１１２ｂが吐出される。

【００３９】尚、ｔ（１）駆動モードおよびｔ（２）駆
動モードでは、待機時間つまり駆動信号の印加時間間隔
は、前記図２（ａ），（ｂ）に示されるようにそれぞれ
Ｔ（１）およびＴ２（２）のように異なって設定され
る。

【００４０】次に、前記図４、及び図５（ａ）〜（ｅ）
を参照して説明した駆動方法を実現するための回路構成
の一例について説明する。図６は、図３（ａ）〜（ｃ）
に示される駆動ＩＣ１０６の内部構成を示すブロック図
である。同図において、シリアルに入力される階調画像
データ１２０は、駆動パターン制御回路１２１に入力さ
れる。駆動パターン制御回路１２１は、ｎ個の駆動信号
セレクタ１２２−１〜１２２−ｎと駆動信号分配回路１
２３を制御する回路である。ここで、ｎは圧電素子アレ
イ１０１の１ブロック内の圧電素子数、つまり同時駆動
される圧電素子の数（以下、同時駆動素子数という）に
等しい。

【００４１】駆動信号セレクタ１２２−１〜１２２−ｎ
は、０相駆動信号、π相駆動信号およびグラウンドレベ
ル（ＧＮＤ）の信号である無駆動信号のいずれかを選択
する回路であり、０相駆動信号、π相駆動信号および無
駆動信号のいずれの駆動信号を選択するかは駆動パター
ン制御回路１２１により制御され、また選択した駆動信
号を出力する時間（駆動信号印加時間）とその出力間隔
（駆動信号印加時間間隔）も駆動パターン制御回路１２
１によって制御される。

【００４２】駆動信号セレクタ１２２−１〜１２２−ｎ
で選択された駆動信号は、駆動信号分配回路１２３に入
力される。駆動信号分配回路１２３は、駆動信号セレク
タ１２２−１〜１２２−ｎで選択されたｎ個の駆動信号
をドライバ素子群１２４に供給する。ドライバ素子群１
２４は、図３（ａ）〜（ｃ）における圧電素子アレイ１
０１の各圧電素子に１対１で対応するドライバ素子から
なり、圧電素子アレイ１０１の第１電極１０３と第２電
極１０４間に高周波の駆動信号を印加する。

【００４３】階調性画像データ１２０が１画素分入力さ
れると、駆動パターン制御回路１２１から駆動信号セレ
クタ１２２−１〜１２２−ｎにセレクタ信号が供給さ
れ、それに基づいて駆動信号セレクタ１２２−１〜１２
２−ｎは０相駆動信号、π相駆動信号および無駆動信号
のいずれかを選択する。具体的には、例えば階調性画像
データ１２０の濃度値が「０」の場合、駆動信号セレク
タ１２２−１〜１２２−ｎは無駆動信号を選択する。ま
た、階調性画像データ１２０の濃度値が「１」の場合、
駆動信号セレクタ１２２−１〜１２２−ｎは０相駆動信
号またはπ相駆動信号を選択して時間ｔ（１）にわたり
出力し、さらに階調性画像データ１２０の濃度値が
「２」の場合、駆動信号セレクタ１２２−１〜１２２−
ｎは０相駆動信号またはπ相駆動信号を選択して時間ｔ
（２）にわたり出力する。

【００４４】こうして駆動信号セレクタ１２２−１〜１
２２−ｎで選択された駆動信号は、駆動パターン制御回
路１２１によって制御される駆動信号分配回路１３によ
り、現在入力されている階調性画像データ４０が主走査
方向１ラインのどの画素のデータであるかに応じて選択
されたｎ個のドライバ素子群１２４に入力される。そし
て、これらｎ個のドライバ素子群１２４により駆動信号
が電圧増幅され、圧電素子アレイ１０１の対応するｎ個
の圧電素子に同時に印加される。

【００４５】すなわち、階調性画像データ１２０が１画
素目のデータの場合は、圧電素子アレイ１０１の１番目
〜ｎ番目の圧電素子に対応したドライバ素子に駆動信号
が入力され、２画素目のデータの場合は圧電素子アレイ
１０１の２番目〜（ｎ＋１）番目の圧電素子に対応した
ドライバ素子に駆動信号が入力され、以下同様にしてｉ
番目のデータに対応して圧電素子アレイ１０１のｉ番目
〜（ｎ＋ｉ）番目の圧電素子に対応したドライバ素子に
駆動信号が入力される。従って、階調性画像データ１２
０として１ライン分のデータが入力されると、圧電素子
アレイ１０１から放射される超音波は１ライン分リニア
に移動し、もって１ラインの記録が行われる。この場
合、記録画像の階調数は階調レベル「０」〜「２」の３
階調となる。

【００４６】なお、階調レベル「１」、「２」のときは
駆動信号セレクタ１２２−１〜１２２−ｎが０相駆動信
号、π相駆動信号のいずれかを選択するのであるが、こ
れらのうちのいずれの駆動信号を選択するかは例えばフ
レネル回折の式に従って予め決められており、駆動パタ
ーン制御回路１２１にプログラムされているものとす
る。これによって、圧電素子アレイ１０１のｎ個の圧電
素子で構成される各ブロックから放射される超音波は、
圧電素子アレイ１０１のアレイ方向に集束される。

【００４７】以上、説明したように、この第１の実施の
形態によれば、圧電素子への駆動信号印加時間を制御す
ることでインク滴の吐出数を変化させ、これにより圧電
素子の１回の駆動で階調記録を行うことができるため、
高速の階調記録が可能であり、また駆動信号印加時間の
変化幅を大きくすることにより容易に階調数増やすこと
ができる。従って、多階調の記録ができ、高速で且つ高
画質の記録が可能なインクジェット記録装置を実現する
ことができる。

【００４８】次に、この第１の実施の形態における、イ
ンクジェット記録装置のインクジェットヘッド部の変形
例を説明する。図７は、この変形例の構成を示す断面図
であり、前記図３（ａ）〜（ｃ）に示されるインクジェ
ットヘッド部では、圧電素子１０１および音響マッチン
グ層１０５が水平に配置されていたのに対して、この変
形例では、圧電素子１３１および音響マッチング層１３
５は垂直に配置されている。圧電素子１３１の構成は、
基本的に前記図３（ａ）と同様であり、圧電体層１３２
とその両面に被着された第１，第２電極１３３，１３４
によって構成される。但し、駆動ＩＣ１３６に接続され
ている第１電極１３３は、前記音響マッチング層１３５
に接するように設けられており、第２電極１３４は、ワ
イヤボンディングされて接地されている。更に、この変
形例ではインク室１３８が音響マッチング層１３５の前
面まで延在していると共に、インク室１３８の底面に凹
面鏡１４３が形成されている。この凹面鏡１４３は、前
記図３（ａ）に示される音響レンズ１０７に代えて用い
られるものであり、圧電素子１３１から放射され音響マ
ッチング層１３５を介して凹面鏡１４３に入射する超音
波は、凹面鏡１４３により反射および集束されて図の上
方に向かう。インク室１３８は、凹面鏡１４３で反射お
よび集束された超音波の通路を包み込むように徐々に狭
まった形状をなし、超音波の集束点近傍において数十μ
ｍ〜数百μｍ程度の幅のスリット状のオリフィス１４０
となる。インク１３９の表面（インク液面）は、前述し
た第１の実施の形態と同様にオリフィス１４０の位置と
ほぼ同一面上に位置する。

【００４９】このような変形例における、圧電素子１３
１の駆動制御は、前述した処理と同様であるので詳細な
説明は省略する。又、前述した駆動制御を実施すること
により、図３〜図６を参照して説明した実施の形態と同
様の効果を得ることができる。

【００５０】次に、前述した第１の実施の形態におい
て、凹面レンズ１０７の代わりにフレネルレンズを用い
た例を図８（ａ）〜（ｃ）を参照して説明する。図８
（ａ）は、前記第１の実施の形態においてフレネルレン
ズを用いたインクジェット記録装置のインクジェットヘ
ッド部の概略斜視図であり、図８（ｂ）は、前記図８
（ａ）に示されるインクジェットヘッド部を８Ｂ方向に
見た概略平面図、図８（ｃ）は前記図８（ａ）に示され
るインクジェットヘッドを８Ｃ方向に見た概略平面図で
ある。バッキング材を兼ねた１．１ｍｍ厚のガラス基板
１６０上には、ＥＢ蒸着法によりＴｉ／Ａｕ電極を厚さ
がそれぞれ０．０５μｍ、０．３μｍとなるように形成
した後、エッチング加工を施すことにより、アレイ状に
並ぶ個別電極１５３が形成されている。この個別電極１
５３上には、圧電体１５２としてｒｆスパッタ装置を用
いて比誘電率が１０で膜厚２８μｍのＺｎＯ薄膜が形成
されている。更に、圧電体１５２上にＴｉ／Ａｕ電極を
厚さがそれぞれ０．０５μｍ、０．３μｍとなるように
共通電極１５４が形成されている。又、副走査方向の電
極の長さ、すなわち口径は２．０４ｍｍとし、ガラス基
板１６０の圧電素子１５２が形成された面と反対の面は
サンドブラスト処理が施され表面粗さ５μｍである。音
響レンズ（フレネルレンズ）１５７は、音響マッチング
層を兼ねており、密度２．２０×１０３ｋｇ／ｍ³ 、音
速２．９５ｍ／ｓで、厚さ２２μｍになるように、エポ
キシ樹脂とアルミナ粉末の混合物を、前記共通電極１５
４上に塗布、硬化し、更に所定のパターンを形成するよ
うにエッチング処理が施されている。

【００５１】前記圧電体１５２の両端に電圧が印加され
ることにより圧電素子から超音波が発生する。さらに共
通電極１５４上には、各圧電素子から発生される超音波
それぞれをインク液面に集束させると共に、各圧電素子
から発生された超音波の集束点が主走査方向と平行な直
線となるように音響レンズ１５７が配置されている。

【００５２】圧電体１５２に適用できる材料は、圧電材
料であればよく、特に限定されないが、例えば、発生す
る超音波の周波数や素子の大きさなどに応じ、ジルコン
・チタン酸鉛（ＰＺＴ）などのセラミック、フッ化ビニ
リデンと三フッ化エチレンとの共重合体などの高分子、
ニオブ酸リチウムなどの単結晶、酸化亜鉛などの圧電性
半導体などを適用することができる。更に、この圧電体
１５２に形成する電極は、通常Ｔｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃ
ｕ，Ａｕなどを、蒸着やスパッタによる薄膜法や、ガラ
スフリットを銀ペーストなどに混合したスクリ−ン印刷
による焼き付け法などで形成することができる。

【００５３】また、圧電素子から発生された超音波は、
側壁１６１によって保持されたインク１５９に伝達さ
れ、インク液面近傍で集束する。さらに圧電素子から発
生される超音波の主走査方向（アレイの配列方向）成分
は、ｍ個の圧電素子からなる電圧素子群を制御すること
により集束される。即ち、同時駆動させる圧電素子群の
各圧電素子から発生される超音波が、インク液面近傍の
１点で集束するようなタイミングで、駆動ＩＣ１５６
が、配線１６２を介して個別電極１５３に駆動電圧を印
加することにより主走査方向に超音波が集束する。

【００５４】このような処理により、インク液面近傍の
ー点に、インク滴を吐出させるのに十分な音圧となるよ
うに圧電素子群から発生された超音波を集束することが
可能となる。これにより、１滴のインクを吐出させるこ
とができる。

【００５５】更に、同時に記録できない隣接した記録位
置には、同時に駆動する圧電素子群を、対象とする記録
位置に応じてシフトすることにより、アレイ方向に超音
波をスキャンさせることができる。

【００５６】以下、フレネル駆動について説明する。前
述したように、主走査方向の超音波成分は圧電素子群中
の各素子に遅延時間を持たせる、即ち、位相差を持たせ
て圧電素子群を同時駆動させることにより所定の液面に
集束されている。このような位相の設定方法は、フレネ
ル輪帯の理論に基づいてｎ個の圧電素子を２種類の位相
グループに分ける方法を適用する。具休的には、まず下
記（１）式あるいは（２）式を用いてフレネル輪帯の半
径を求める。

【００５７】 ｒ( ｎ) ＝[(２ｎ−１) λi ／２×{ Ｆ＋( ２ｎ−１) λi ／８}]１２ …（ １） ｒ( ｎ) ＝（ｎλi Ｆ）１２ …（２） ここで、λi はインク液中での超音波の波長、Ｆは焦点
距離であり、ｎはインク液の深さであり０以上の整数で
ある。

【００５８】ここで、前記圧電素子群の中心位置からの
距離をＤとした時に、 ｒ（２ｎ）＜Ｄ＜ｒ（２ｎ＋１） の範囲に存在する圧電素子が、 ｒ（２ｎ）＜Ｄ＜ｒ（２ｎ＋２） の範囲に存在する圧電素子に対して位相が逆になるよう
に遅延時間をそれぞれ設定する。

【００５９】駆動周波数が５０ＭＨｚ、すなわちインク
液中での超音波の波長が３０μｍ、焦点距離が３．３ｍ
ｍとした場合に、前記（１）式より求めた各フレネル輪
帯の半径ｒ（ｎ）（ｎ＝０〜１０）は下記の表１に示さ
れるようになる。

【００６０】

【表１】

【００６１】ここで、第１の駆動モードでの同時駆動素
子数ｍを２４とし、圧電素子アレイの配列ピッチを８５
μｍ（＃１／３００インチ）とする。この場合のフレネ
ル輪帯に基づいて決定した圧電素子群の位相配列パター
ンは、下記の表２に示されるようになる。

【００６２】

【表２】

【００６３】ここでは、各圧電素子に印加される駆動信
号の位相を０位相とそれに対して逆位相のπ位相で示し
ている。２４素子からなる圧電素子群を前記表２に示さ
れる位相配列パターンで駆動することにより、各素子か
ら放射された超音波は圧電素子の８番目と９番目の素子
の中間点上のインク液面で集束する。これにより、この
圧電素子の８番目と９番目の中間点上からインク滴が吐
出する。この時のインク液面上での音場（音圧分布）を
図９に示す。

【００６４】同じ走査ライン上で、同時にインク滴を吐
出させる位置が同時駆動素子群の幅（８５μｍ×１２＝
１．３６ｍｍ）以上離れている場合、前述した駆動モー
ドを用いてアレイ上の複数の位置で圧電素子群を構成
し、駆動することにより、複数の位置でインク滴を吐出
させることができる。また、記録速度よりも、吐出させ
るインク滴の形状の均一化を図って記録画像の品質を向
上させることを優先させる場合、前記駆動モードのみを
用いて、同時駆動する圧電素子群の組み合せを順次アレ
イ方向にずらしてスキャンさせる方法を適用してもよ
い。

【００６５】音響レンズ１５７はフレネル輪帯理論に基
づき、所定の位置に焦点距離を合わせて溝を加工する。
以上説明した駆動制御はあくまでもインク滴が１滴の場
合であり、多階調を実現するためには、前述した処理と
同様の駆動制御を行えばよい。従って、詳細な説明は省
略する。又、前述した駆動制御を実施することにより、
図３〜図６を参照して説明した実施の形態と同様の効果
を得ることができる。

【００６６】更に、凹面レンズの代わりにフレネルレン
ズを用いることにより、レンズが平面構造のレンズとな
り、音響マッチング層を含む積層構造となる。従って、
パタ−ニング、エッチングなどのリソグラフィ技術を適
用して生産が可能となり、製造性に優れる。

【００６７】次に、図１０〜図１３を参照してこの発明
に係るインクジェット記録装置の第２の実施の形態を説
明する。この第２の実施の形態では、奇数次だけではな
く、偶数次の超音波を励起する構造を有する圧電素子を
用い、この圧電素子に印加する駆動信号の周波数を制御
することにより吐出されるインク滴の大きさを変更し、
多階調の記録を行う。

【００６８】図１０（ａ）〜（ｃ）は、この第２の実施
の形態に適用される積層型圧電素子の種々の例を示す断
面図である。図１０（ａ）に示される圧電素子は、第１
及び第２の圧電体層２０１，２０２が音響的に直列に接
続され、さらに圧電体層２０１，２０２はその分極方向
が同図において矢印に示されるように、互いに逆向きに
分極されている。圧電体層２０１の圧電体層２０２と反
対側の面上、圧電体層２０１と圧電体層２０２との間、
及び圧電体層２０２の圧電体層２０１と反対側の面上に
は、電極２０３，２０４及び２０５がそれぞれ設けられ
ている。この積層型圧電素子の両側の電極２０３，２０
５には、一対の引き出し端子２０６，２０７がそれぞれ
設けられている。この引き出し端子２０６，２０７間に
高周波の駆動信号を印加すると、圧電体層２０１，２０
２には互いに逆向きに電界がかかる。

【００６９】図１０（ｂ）に示される圧電素子は、圧電
体層２０１，２０２が、同図の矢印に示されるように同
じ向きに分極されている点と、引き出し端子２０６，２
０７が電極２０３と内層の電極２０４にそれぞれ設けら
れている点とが前記図１０（ａ）示されている圧電素子
と異なっている。ここで、引き出し端子２０６，２０７
間に高周波の駆動信号を印加すると、圧電体層２０１，
２０２には互いに逆向きの電界がかかる。

【００７０】図１０（ｃ）に示される圧電素子は、第１
の圧電体層２０１のみが分極され、引き出し端子２０
６，２０７が電極２０３と内層の電極２０４にそれぞれ
設けられている点が前記図１０（ａ）に示される圧電素
子と異なっている。この場合、引き出し端子２０６，２
０７間に高周波の駆動信号を印加すると、圧電体層２０
１のみに電界がかかる。

【００７１】圧電体層２０１，２０２を構成する圧電材
料には、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタ
ン酸鉛などのセラミック圧電材料、ＺｎＯやＡｌＮなど
の半導体圧電材料、またポリ弗化ビニリデン（ＰＶＤ
Ｆ）やポリ弗化ビリニデンと二弗化エチレンの共重合体
（Ｐ（ＶＤＦ−ＴｒＦＥ））などの高分子圧電材料など
を用いることができる。

【００７２】また、電極２０３，２０４，２０５の材料
としては、例えばＴｉ，Ｎｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｃｒ，Ａｕ
などの単層あるいは積層の金属蒸着膜、また銀ペースト
にガラスフリットを混合して印刷塗布した後に焼き付け
処理を行った金属焼き付け膜などを用いることができ
る。更に、内層の電極２０４については、両側の圧電体
層２０１，２０２のいずれかあるいは両方に電極を形成
した後に貼り合わせてもよく、あるいは圧電体層２０
１，２０２がセラミックの場合、ドクタ・ブレード法を
用いて電極２０４を圧電体層２０１，２０２と共に一体
焼成して作製することも可能である。特に、電極２０４
と圧電体層２０１，２０２を一体焼成する場合には、電
極２０４として一体焼成温度よりも高融点の電極材料を
用いることが望ましく、例えばＰｔ，Ａｇ／Ｐｄ系など
にセラミック粉を混合したものが用いられる。

【００７３】なお、前記図１０（ｃ）に示される圧電素
子において、分極されていない圧電体層２０２について
は、分極された圧電体層２０１と同じ音響インピーダン
スを持つ材質の非圧電材料で置換することができる。従
って、例えば分極された単板構造の圧電素子を圧電体層
と同じ音響インピーダンスを持つ樹脂などで回路基板上
に固定するなどの態様をとることも可能である。

【００７４】図１０（ａ）における電極２０４は、圧電
体層２０１，２０２を分極するために用いられ、分極後
には電極としての機能は必要とされない。従って、図１
０（ａ）に示される圧電体素子は、圧電体層２０１，２
０２中に内部電極として形成される電極２０４が圧電体
層２０１，２０２中に拡散し、電極しての信頼性が低下
するおそれがある前記図１０（ａ）〜（ｃ）に示される
圧電素子に比較して、その信頼性が向上する。また、図
１０（ｃ）に示される圧電素子は、電極２０５の形成が
不要な分、製造工程を簡略化できる上に、電極２０３，
２０４間の圧電体層２０１の厚みを任意の厚さに設定す
ることが可能であるため（圧電体層２０２と同じ厚さを
除く）、駆動回路等との間の配線が容易となる。

【００７５】次に、前述した図１０（ａ）〜（ｃ）に示
される圧電素子における、圧電体層と基本共振周波数と
の関係を説明する。図１０（ａ）〜（ｃ）に示される圧
電素子において、基本共振周波数ｆ１は圧電体層２０
１，２０２の合計の厚さｔで決まり、具体的にはｔがほ
ぼ半波長となる周波数となる。又、圧電体層２０１，２
０２の界面で反射がほとんど生じないことが、ｆ１のｎ
次高調波（ｎは２以上の整数）が発生する条件である。
このような条件を満足するためには、圧電体層２０１，
２０２は同一材料で構成することが好ましいが、音響イ
ンピーダンス（密度と音速の積）が±２０％以内のもの
であれば必ずしも同一材料でなくともよい。

【００７６】圧電体層２０１，２０２の合計の厚さｔを
固定して個々の厚さを変えると、基本共振周波数を含む
奇数次高調波と偶数次高調波の駆動電圧に対する超音波
への変換効率、すなわち電気機械変換効率が変化する。
通常、インク滴の吐出に必要なエネルギーは、基本共振
周波数が高周波になるほど少ない。図１０（ａ）〜
（ｃ）おいて、電極２０３側から超音波がインク中に放
射される場合、圧電体層２０１を圧電体層２０２よりも
２倍以上厚くすることにより、２次高調波による電気機
械変換効率は圧電体層２０１の方が大きくなる。その結
果、駆動回路との電気的整合を考慮した上で、インク滴
の吐出に必要な最小駆動電圧を、基本共振周波数を含む
奇数次高調波による場合と偶数次高調波による場合とを
ほぼ同じにすることが可能となる。圧電体層２０１，２
０２の全体が有する電気機械変換効率は一定であるの
で、前述したように圧電体層２０１，２０２の厚さの比
を変更することは、各圧電体層に係る電気機械変換効率
を調整することを意味する。

【００７７】また、図１０（ａ）〜（ｃ）に示される圧
電素子の構成の違いは、駆動回路との電気的整合性と、
引き出し端子を設けるため電極からリードする場合の簡
易性にそれぞれ特徴がある。図１０（ａ），（ｂ）は、
圧電体層２０１，２０２が電気的に直列接続か並列接続
かの違いであり、電気的インピーダンスは図１０（ａ）
に示される圧電素子の方が大きくなる。図１０（ｃ）で
は、圧電体層２０１のみによりインピーダンスが決ま
る。従って、図１０（ａ）〜（ｃ）に示される各圧電素
子は、使用する圧電材料の誘電率と周波数定数によって
使い分けられる。また、電極からのリードの引き出しに
ついては、図１０（ａ）に示される圧電素子は引き出し
端子２０６，２０７が両方とも外部電極からであるのに
対し、図１０（ｂ），（ｃ）は一方の引き出し端子が内
部電極からリードすることになる。従って、前記整合性
と同様に、使用用途に応じて圧電素子の構成が選択され
る。

【００７８】電極２０３，２０４，２０５の厚さは、駆
動周波数で決まる波長の１％以下が望ましい。これは、
一般に電極材料と圧電材料は音響インピーダンスが異な
るため、圧電材料の共振に影響を与えないようにするた
めである。

【００７９】このように、被記録体上に記録すべき画像
の階調レベルに応じて、圧電素子への前記駆動信号の周
波数を切り替えることによって、インク滴の大きさを変
えることができ、多階調の記録が可能となる。

【００８０】次に、上述した積層型圧電素子を用いたイ
ンクジェット記録装置の一例を説明する。図１１は、こ
の第２の実施の形態に係るインクジェット記録装置のイ
ンクジェットヘッド部の構成を示す断面図である。この
インクジェットヘッド部において、圧電素子２１１に
は、前記図１０（ａ）に示される構造を有する圧電素子
を適用している。この圧電素子２１１は、例えば耐熱ガ
ラスで構成される音響マッチング層２１５上に形成され
ている。電極２０３は音響マッチング層２１５上の圧電
素子２１１側に実装された駆動ＩＣ２１６にワイヤボン
ディング等により電気的に接続されており、電極２０５
は電気的に接地されている。

【００８１】音響マッチング層２１５の圧電素子２１１
と反対側に面上には、音響レンズ２１７が接着されてお
り、この音響レンズ２１７の音響マッチング層２１５と
反対側の面はインク室２１８内のインク２１９の底面に
接している。なお、この例では音響レンズ２１７として
凹面レンズを用いているが、フレネルレンズを用いても
よい。

【００８２】インク室２１８は、音響レンズ２１７によ
って集束する超音波の通路を包み込むように徐々に狭ま
った形状をなし、超音波の集束点近傍において数十μｍ
〜数百μｍ程度の幅のスリット状のオリフィス２２０と
なる。インク２１９の表面（インク液面）は、オリフィ
ス２２０の位置とほぼ同一面上に位置する。

【００８３】駆動ＩＣ２１６は、階調画像データに応じ
て圧電素子２１１に高周波の駆動信号を供給する。これ
により圧電素子２１１から超音波が音響マッチング層２
１５側に放射される。放射された超音波は、音響レンズ
２１７により集束され、インク液面近傍に点状に集束す
る。インク液面近傍に集束された超音波による圧力（放
射圧）によって、インク液面に円錐状のインクメニスカ
ス２２１が形成され、形成されたインクメニスカス２２
１の先端からインク滴２２２が吐出される。吐出された
インク滴２２２は図示しない被記録体に付着し、被記録
体に付着したインク滴２２は乾燥して定着する。のイン
クジェットヘッド部と被記録体を相対的に移動させて主
走査および副走査を行いつつ同様の動作を行うことによ
り、被記録体上に２次元の画像を記録することができ
る。

【００８４】次に、被記録体上に、複数の階調レベルに
応じて画像を記録する階調制御処理について説明する。
駆動ＩＣ２１６は被記録体上に記録すべき画像（階調画
像）の階調レベルに応じ、即ち階調画像データの濃度値
に応じて、圧電素子２１１に印加する駆動信号の周波数
を切り替える機能を有する。この周波数切り替え機能に
より、インク液面からのインク滴の大きさを変化させて
被記録体上に階調画像を記録することが可能となる。図
１２は、駆動ＩＣ２１６の動作原理を示す図であり、周
波数ｆ１，ｆ２，…，ｆＮの高周波駆動信号源を有し、
画像データの濃度値に応じてスイッチ２２３を切り替え
ることにより、ｆ１，ｆ２，…，ｆＮの高周波駆動信号
の一つを圧電素子２１１に印加する構成である。ここ
で、ｆ１は圧電素子２１１の基本周波数、ｆ２，…，ｆ
Ｎは２次高調波、３次高調波、４次高調波、…Ｎ次高調
波の周波数である。このように、図１１に示されるよう
に、インクジェットヘッドが１つの圧電素子で１個のイ
ンク滴を吐出し、１画素を記録する構成の場合、前述し
た駆動信号周波数を切り替えることにより、インク滴の
大きさがＮ種類となるため、Ｎ階調の階調画像を記録す
ることができる。

【００８５】具体的に、圧電材料として比誘電率が２０
００のＰＺＴ（ジルコンチタン酸鉛）系セラミックを用
い、電極としてＴｉ／Ａｕを０．０５μｍ／０．２μｍ
の巻く津圧となるようにスパッタ形成し、圧電体層２０
１の厚さを１１５μｍ、圧電体層２０２の厚さを５５μ
ｍとした圧電素子を用いて実験したところ、Ｎ＝３、ｆ
１＝１０ＭＨｚ（ｆ２＝２０ＭＨｚ，ｆ３＝３０ＭＨ
ｚ）であり、インク滴の大きさはｆ１では２００μｍ、
ｆ２では１００μｍ、ｆ３では約７０μｍと、圧電素子
に印加する駆動信号の周波数にほぼ反比例する形でイン
ク滴の大きさが３段階に変化した。

【００８６】従来の単板構造の圧電素子では、基本波周
波数および奇数次の周波数でのみしか駆動できないた
め、インク滴の大きさを３段階に変化させようとする
と、同じくｆ１＝１０ＭＨｚの場合、圧電素子に印加す
る駆動信号の周波数をｆ１＝１０ＭＨｚ，ｆ３＝３０Ｍ
Ｈｚ，ｆ５＝５０ＭＨｚの３段階に変化させることにな
るが、圧電素子は高次周波数の共振ほど効率が急激に低
下ため、例えばｆ５＝５０ＭＨｚでは超音波のパワーが
低下し、インク滴の形成が難しくなる可能性がある。こ
れに対して、この第２の実施の形態によればインク滴の
大きさを同じ３段階に変化させる場合でも、圧電素子に
印加する駆動信号の最高周波数はｆ３＝３０ＭＨｚでよ
く、この最高周波数でも超音波のパワーを比較的大きく
確保することができる。

【００８７】図１３は、この第２の実施の形態に係るイ
ンクジェット記録装置のインクジェットヘッド部の変形
例であり、複数の圧電素子を１次元に配列した圧電素子
アレイを用いたフェーズドアレイ型超音波インクジェッ
トヘッドのアレイ方向に沿う断面図を示している。圧電
素子アレイ２３１は、基本的には、前記図１０（ａ）に
示される構造の圧電素子を１次元に配列した構成となっ
ており、前記図１１と同様に例えば耐熱ガラス製の音響
マッチング層２３５上に形成されている。この場合、圧
電体層２０１上の電極２０３は全体としてはアレイ方向
に延びた帯状に形成されているが、分離された複数の圧
電素子を形成するように分離されている。又、圧電体層
２０２の下部の電極２０５は各圧電素子に共通の帯状電
極である。分離された電極２０３の各々は、音響マッチ
ング層２３５上の圧電素子アレイ２３１側に実装された
駆動ＩＣ２３６（尚、図１３では簡単な等価回路で示し
ている）にワイヤボンディング等により電気的に接続さ
れており、共通の帯状電極である電極２０５は電気的に
接地されている。

【００８８】音響マッチング層２３５の圧電素子アレイ
２３１と反対側に面上には、圧電素子アレイ２３１のア
レイ方向および超音波の放射方向と直交する方向に超音
波を集束するための一次元音響レンズ２３７が接着され
ており、この音響レンズ２３７の音響マッチング層２３
５と反対側の面はインク室内のインク２３９の底面に接
している。なお、この例では一次元音響レンズ２３７と
して凹面レンズを用いているが、平面構造のフレネルレ
ンズを用いてもよい。インク室は、圧電素子アレイ２３
１によるフェーズドアレイ走査および一次元音響レンズ
２３７によって集束する超音波の通路を包み込むように
徐々に狭まった形状をなし、超音波の集束点近傍におい
て、数十μｍ〜数百μｍ程度の幅のスリット状のオリフ
ィス２４０が形成されている。インク２３９の表面（イ
ンク液面）は、オリフィス２４０の位置とほぼ同一面上
に位置する。

【００８９】駆動ＩＣ２３６は、階調画像データに応じ
て圧電素子アレイ２３１のアレイ方向に隣接する所定数
の圧電素子を１ブロックとしてブロック単位で駆動する
ことによって、フェーズドアレイ走査を行う。具体的に
は、選択したブロックの各圧電素子に所定の位相差を持
たせた高周波の駆動信号を駆動信号源２５１からスイッ
チ２５２を介して供給し、それらの圧電素子を同時に駆
動することによって、圧電素子アレイ２３１から放射さ
れる超音波をアレイ方向に集束させる。この動作を同時
駆動する圧電素子の位置を例えば１素子分ずつ順次ずら
せて繰り返し行うことにより、集束される超音波の放射
方向をアレイ方向にリニアに移動することができる。

【００９０】圧電素子アレイ２３１から放射されるアレ
イ方向に集束された超音波は、音響マッチング層２３５
を介して一次元音響レンズ２３７に入射され、更に、ア
レイ方向と直交する方向に集束され、インク液面近傍に
点状に集束する。以後は、前述した実施の形態と同様に
インク液面近傍に集束された超音波により発生した圧力
（放射圧）によってインク液面に円錐状のインクメニス
カス２４１が成長し、このインクメニスカス２４１の先
端からインク滴２４２が吐出される。吐出されたインク
滴２４２は図示しない被記録体に付着し、被記録体に付
着したインク滴２４２は乾燥して定着する。この場合、
圧電素子アレイ２３１のアレイ方向への超音波の移動に
よって主走査を行った後、インクジェットヘッド部と被
記録体をアレイ方向（主走査方向）と直交する方向に相
対的に移動させて副走査を行い、同様の動作を繰返し行
うことにより、被記録体上に２次元の画像を記録するこ
とができる。

【００９１】ここで、駆動ＩＣ２３６の駆動信号源は、
複数の周波数（図１３では２種類の周波数）でかつ位相
を制御できるように構成されており、駆動ＩＣ２３６
は、被記録体上に記録すべき画像（階調画像）の階調レ
ベルに応じて、つまり画像データの濃度値に応じてイン
ク液面からのインク滴の大きさが変化するように圧電素
子アレイ２３１への駆動信号の周波数を制御する機能を
有する。このようにインクジェットヘッドからのインク
滴の大きさが変化することにより、被記録体上に階調画
像を記録することができる。また、駆動信号の位相を先
の実施の形態と同様に制御することにより、超音波を圧
電素子アレイのアレイ方向に集束させることができる。

【００９２】以上説明したように、この第２の実施の形
態によれば、奇数次のみならず偶数次の超音波を励起で
きる積層構造の圧電素子を用い、圧電素子から放射され
る超音波の周波数をより多段階に変化させてインク滴の
大きさを広範囲に変えることができるため、多階調の記
録が可能であり、しかも圧電素子の１回の駆動で１画素
を記録できるので高速の記録ができる。さらに、インク
滴の大きさを変化させることにより画点の大きさや濃度
の変化が得られるため、面積階調法において２値面積階
調に比較してより小さな画素内で同一の階調が得られる
多値面積階調を行うことができ、解像度の点でも有利と
なる。

【００９３】

【発明の効果】以上詳述したように、この第１の実施の
形態によれば、圧電素子への駆動信号印加時間を制御す
ることでインク滴の吐出数を変化させ、これにより圧電
素子の１回の駆動で階調記録を行うことができるため、
高速の階調記録が可能であり、また駆動信号印加時間の
変化幅を大きくすることにより容易に階調数増やすこと
ができる。従って、多階調の記録ができ、高速で且つ高
画質の記録が可能なインクジェット記録装置を実現する
ことができる。

【００９４】又、この第２の実施の形態によれば、奇数
次のみならず偶数次の超音波を励起できる積層構造の圧
電素子を用い、圧電素子から放射される超音波の周波数
をより多段階に変化させてインク滴の大きさを広範囲に
変えることができるため、多階調の記録が可能であり、
しかも圧電素子の１回の駆動で１画素を記録できるので
高速の記録ができる。さらに、インク滴の大きさを変化
させることにより画点の大きさや濃度の変化が得られる
ため、面積階調法において２値面積階調に比較してより
小さな画素内で同一の階調が得られる多値面積階調を行
うことができ、解像度の点でも有利となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態に係るインクジェ
ット記録装置における、インク吐出原理を説明するため
の図であり、吐出数が１個の場合と２個の場合のインク
滴吐出過程を示す図。

【図２】インク滴吐出過程を得るために圧電素子に印加
する駆動信号波形の例を示す図。

【図３】この発明の第１の実施の形態に係るインクジェ
ット記録装置のインクジェットヘッド部の構成を説明す
るための図。

【図４】前記第１の実施の形態におけるインクジェット
記録装置の駆動処理を説明するための模式図。

【図５】前記第１の実施の形態におけるインクジェット
記録装置の駆動処理において圧電素子アレイに印加され
る各種信号波形を示す図。

【図６】前記第１の実施の形態におけるインクジェット
記録装置における駆動ＩＣの内部構成の一例を示すブロ
ック図。

【図７】前記第１の実施の形態に係るインクジェット記
録装置における、インクジェットヘッド部の変形例を示
す図。

【図８】前記第１の実施の形態に係るインクジェット記
録装置において、フレネルレンズを適用した場合のイン
クジェットヘッド部を説明する図。

【図９】前記フレネルレンズを適用した場合のインクジ
ェットヘッド部において、インク液面上での音場（音圧
分布）の一例を示すグラフ。

【図１０】この発明の第２の実施の形態に係るインクジ
ェット記録装置のインクジェットヘッド部に適用される
各種圧電素子の断面図。

【図１１】前記第２の実施の形態に係るインクジェット
ヘッド部の構成を示す断面図。

【図１２】前記第２の実施の形態に係るインクジェット
記録装置における駆動ＩＣの動作を説明するための模式
図。

【図１３】前記第２の実施の形態に係るインクジェット
記録装置におけるインクジェットヘッド部の変形例を示
す図。

【符号の説明】

１０１…圧電素子 １０２…圧電体層 １０３，１０４…電極 １０５…音響マッチング層 １０６…駆動ＩＣ １０７…音響レンズ（凹面
レンズ） １０８…インク室 １０９…液体インク １１０…オリフィス １１１…インクメニスカス １１２…インク滴 １２０…階調画像データ １２１…駆動パターン制御
回路 １２２−１〜１２２−ｎ…駆動信号セレクタ １２３…駆動信号分配回路 １２４…ドライバ素子群 １３１…圧電素子 １３２…圧電体層 １３３，１３４…電極 １３５…音響マッチング層 １３６…駆動ＩＣ １３７…音響レンズ １３８…インク室 １３９…液体インク １４０…オリフィス １４１…インクメニスカス １４２…インク滴 １４３…凹面鏡 １５２…圧電体層 １５３，１５４…電極 １５６…駆動ＩＣ １５７…音響レンズ（フレ
ネルレンズ） １５９…液体インク １６０…ガラス基板 １６１…側壁 １６２…配線 ２０１，２０２…圧電体層 ２０３，２０４，２０５…
電極 ２０６，２０７…引き出し端子 ２１１…圧電素子 ２１５…音響マッチング層 ２１６…駆動ＩＣ ２１７…音響レンズ ２１８…インク室 ２１９…液体インク ２２０…オリフィス ２２１…インクメニスカス ２２２…インク滴 ２２３…スイッチ ２３１…圧電素子アレイ ２３５…音響マッチング層 ２３６…駆動ＩＣ ２３７…音響レンズ ２３９…液体インク ２４０…オリフィス ２４１…インクメニスカス ２４２…インク滴 ２５１…駆動信号源 ２５２…スイッチ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 泉 守 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 田沼 千秋 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

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体インクを保持するインク保持室と、 前記液体インクに音響的に接続された圧電素子からなる
   超音波発生器と、 前記液体インクの表面からインク滴群が吐出するよう
   に、前記超音波発生器に一連の駆動信号を印加する駆動
   信号印加手段と、 前記インク滴群のインク滴数が所望の階調に応じたイン
   ク滴数になるように前記駆動時間を制御する第１の制御
   手段とを具備す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】 複数のインク滴群を吐出させる際、第１
   のインク滴群の全てのインク滴が吐出した後に次のイン
   ク滴群を吐出させるための一連の駆動信号を印加するよ
   うに駆動間隔を制御する第２の制御手段を具備すること
   を特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
3. 【請求項３】 前記超音波発生器から生じる超音波を前
   記液体インクの表面近傍に集束させる集束手段を具備す
   ることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録
   装置。
4. 【請求項４】 前記超音波発生器は、複数の圧電素子が
   配列されたことを特徴とする請求項１記載のインクジェ
   ット記録装置。
5. 【請求項５】 前記集束手段は、複数の圧電素子が配列
   された圧電素子に、前記液体インクの表面近傍に超音波
   が集束するように、異なる位相の駆動信号を印加するこ
   とを特徴とする請求項３記載のインクジェット記録装
   置。
6. 【請求項６】 前記集束手段は、音響レンズであること
   を特徴とする請求項３記載のインクジェット記録装置。
7. 【請求項７】 前記集束手段は、フレネルレンズである
   ことを特徴とする請求項３記載のインクジェット記録装
   置。
8. 【請求項８】 前記インク滴群のインク滴数が１の場合
   の前記一連の駆動信号の印加時間の最短時間をｔとした
   時、インク滴群のインク滴数を２以上にするために一連
   の駆動信号の印加時間を１．２ｔ以上にすることを特徴
   とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
9. 【請求項９】 液体インクを保持するインク保持室と、 前記液体インクに音響的に接続された圧電素子からなる
   超音波発生器と、 前記液体インクの表面からインク滴群を吐出するよう
   に、前記超音波発生器に駆動信号を印加する駆動信号印
   加手段と、 複数のインク滴群を吐出させる際、第１のインク滴群の
   全てのインク滴が吐出した後に次のインク滴群を吐出さ
   せるための駆動信号を印加するように駆動間隔を制御す
   る第１制御手段とを具備することを特徴とするインクジ
   ェット記録装置。
10. 【請求項１０】 前記インク滴群のインク滴数が所望の
    階調に応じたインク滴数になるように前記駆動時間を制
    御する第２制御手段を具備することを特徴とする請求項
    ９記載のインクジェット記録装置。
11. 【請求項１１】 液体インクを保持するインク保持室
    と、 順次積層された第１電極、第１圧電体層、第２電極、及
    び第２圧電体層からなり、前記液体インクと音響的に接
    続された圧電素子と、 前記液体インクの液面からインク滴が吐出するように、
    前記圧電素子に駆動信号を印加する駆動信号印加手段と
    を具備することを特徴とするインクジェット記録装置。