JPH09150502A

JPH09150502A - 液滴噴射装置

Info

Publication number: JPH09150502A
Application number: JP24190596A
Authority: JP
Inventors: Keizo Abe; 敬三阿部; Yoshiyuki Shiratsuki; 好之白附; Ichiro Asai; 市郎浅井
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1995-09-29
Filing date: 1996-09-12
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、レイリー波を生じさせ、弾性表面波
の伝播経路に液体を供給し、その供給された液体を液滴
化して噴射する液滴噴射装置に関し、高信頼性を保ちな
がら、弾性表面波の波長をむやみに短くすることなく弾
性表面波の指向性を確保し小径の液滴を効率よく噴射す
ることのできる液滴噴射装置を提供する。【解決手段】交差指電極１４に電圧が印加されることに
より生じた弾性表面波が液滴噴射部１３ないしその液滴
噴射部１３の近傍に集中するように、交差指電極１４が
弧状もしくは同心状に形成されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、レイリー弾性表面
波を生じさせ、その弾性表面波の伝播経路に液体を供給
し、その供給された液体を液滴化して噴射する液滴噴射
装置に関し、特に、インク液を液滴化し飛翔させてその
インク滴を記録用紙上に付着させることにより記録用紙
上に記録を行なうインクジェット記録装置の記録ヘッド
として好適な液滴噴射装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、ノズルよりインク滴を信号に
応じて吐出させて記録を行なう、いわゆるオンデマンド
型インクジェット記録方式が知られており、そのインク
ジェット記録方式の中の代表的な方式として、ピエゾ振
動子方式とサーマル方式がある。

【０００３】ピエゾ振動子方式は、ノズルに通じるイン
ク室に付設された圧電素子にパルス電圧を印加してその
圧電素子を機械的に変形させることにより、そのインク
室内のインク液圧を変化させ、これによりノズルからイ
ンク液を吐出させて記録用紙にドットを記録する方式で
ある。またサーマル方式は、インク室内に設けた加熱手
段によりインクを加熱し、その加熱により発生したバブ
ルにより、インク滴をノズルから吐出させて記録用紙に
ドットを記録する方式である。

【０００４】これらインクジェット記録方式では、従
来、解像度が３００ドット／インチ程度であったが、最
近ではその解像度が６００ないし７２０ドット／インチ
と高解像度化されており、更に高解像度化が望まれてい
る。高解像度化を実現するためには、その高解像度に応
じて、印字するドット径を小さくする必要がある。上述
の従来のインクジェット記録方式においてドット径を小
さくするには、ノズル径を小さくするのが一般的であ
る。しかしながら、ノズル径を小さくするとゴミやノズ
ル内のインク表面の乾燥などによるノズル詰まりや、ノ
ズル周囲への残滓の付着によるノズル吐出方向の変化が
発生し易くなり、それらが発生すると記録紙上に記録さ
れた画像に欠陥が発生してしまうこととなる。従って、
高解像度に対応した微小ドット径を印字するために必要
な微小径のノズル採用することができないという問題が
ある。

【０００５】この問題に対する解決策として、上述のピ
エゾ振動子方式やサーマル方式とは異なる、弾性表面波
を用いたインクジェット記録方式が提案されている。例
えば、特開昭５４−１０７３１号公報には、インク室内
に設けた交差指電極により弾性表面波を発生させ、その
漏洩レイリー波によりインクを振動させてスリット乃至
ノズルからインク滴を噴射させるというインクジェット
記録方式が開示されている。また、特開昭６２−６６９
４３号公報には、交差指電極を同心円状に形成し、イン
ク中に漏洩レイリー液をコーン状に形成するとともに、
その焦点近傍にインクを供給することによりインク表面
に振動エネルギを集中させてインク滴を吐出させるイン
クジェット記録方式が開示されている。このようなイン
クジェット記録方式では、形成されるインク滴の大きさ
はノズル径に直接影響されることがないため、インクの
吐出口をインク液と同程度の大きさまで小さくする必要
はなく、また、ノズル形状でなくとも、スリット形状で
あってもインク滴を噴射させることに関し本質的な問題
はない。しかし、これらの弾性表面波を用いた方式は、
弾性表面波を発生させる交差指電極がインク液中に接し
ているため、高周波振動により電極材料とインク中の成
分とが反応して、電極材料の溶出、インク成分の電極へ
の付着などが生じ、経時劣化が激しいという問題が発生
する。また、インク内では漏洩レイリー波の減衰が激し
いため、漏洩レイリー波がインク中を伝播する間に減衰
し、エネルギ効率が低いという問題もある。

【０００６】これらの問題を解決する、弾性表面波を用
いた新しいインクジェット記録方式が提案されており、
例えば、特開平２−２６９０５８号公報には、次のよう
な方式が開示されている。図１５は、この新たなインク
ジェット記録方式の原理説明図である。圧電基板１の表
面１ａに、交互に入り組んだ電極（交差指電極）２を形
成し、その交差指電極２にパルス信号発生器３からの高
周波電圧を印加すると、圧電基板表面１ａは電界により
弾性表面波となって圧電基板表面１ａを伝播する。その
弾性表面波の伝播経路上にインク４を置くと、弾性表面
波がそのインク４と接触することによりその振動エネル
ギがインク４に漏洩する。このインク中に漏れた振動を
漏洩レイリー波と称する。インク４は、漏洩レイリー波
のエネルギを受けて、その一部がインク滴４ａとなって
斜め上方に向かって飛翔する。この飛翔したインク滴４
ａが記録用紙（図示せず）に付着するように記録用紙を
配置することにより、インクジェットプリンタが構成さ
れる。

【０００７】図１５に示す原理説明図の場合、インク４
を連続的に供給しインク滴４ａを繰り返し発生させるこ
とができないことから、例えば、特開平４−１４４５５
号公報には、圧電基板１の表面１ａにインク４を置くこ
とに代わり、圧電基板の、弾性表面波の伝播経路上に、
インクを連続的に供給することができるようなスリット
を設けることが提案されている。この方式によれば、交
差指電極２はインクとは直接接触することはなく、ま
た、飛翔させる液滴４ａと同程度の小径のノズルを形成
する必要もないため、信頼性の点では大きな効果があ
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の、弾
性表面波を用いた新しいインクジェット記録方式におい
て、弾性表面波の伝播の指向性が悪いと弾性表面波が必
要な方向以外の方向にも伝播し、エネルギ効率が低下す
ると共に、隣接するインク滴噴射口に弾性表面波が伝わ
りクロストークの問題も発生する。したがって、弾性表
面波の伝播の指向性を高める必要がある。弾性表面波の
指向性を高めるためには、交差指電極の幅ｄ（図１５参
照）を、少なくとも、弾性表面波の波長λの３倍以上の
長さにする必要があるが、その反面、飛翔するインク滴
４ａの径は交差指電極幅ｄに依存しているため、小径の
インク液４ａを発生させるためには交差指電極幅ｄを小
さくする必要がある。

【０００９】それらの双方の条件を満足する方法とし
て、弾性表面波の波長λを短くし（すなわち高周波の弾
性表面波を発生させ）、交差指電極幅ｄを小径のインク
滴を飛翔させることのできる程度に短く保ちながら、か
つ、その交差指電極幅ｄを波長λの３倍以上とすること
が考えられる。しかしながら、弾性表面波の波長λを短
くすることは発振周波数を高めることになり高価な電源
やドライバを必要とするため、発振周波数をむやみに高
めるのも問題がある。

【００１０】本発明は、上記の事情に鑑み、上述の弾性
表面波を用いる改良されたインクジェット方式と同程度
に高い信頼性を保ちながら、弾性表面波の波長をむやみ
に短くすることなく弾性表面波の指向性を確保し小径の
液滴を効率よく噴射することのできる液滴噴射装置を提
供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の第１の液滴噴射装置は、少なくとも表面が、電界に
より機械歪みを生じる材料からなる基体と、その基体表
面に設けられた、電圧が印加されることにより基体表面
に弾性表面波を生じさせる交差指電極と、その交差指電
極に電圧が印加されることにより生じた弾性表面波の伝
播経路上に位置する、液体が供給され、弾性表面波のエ
ネルギを受けて、供給された液体を液滴として噴射する
液滴噴射部とを備えた液滴噴射装置において、上記交差
指電極が、その交差指電極に電圧が印加されることによ
り生じた弾性表面波を上記液滴噴射部ないし液滴噴射部
近傍に集中させる形状に形成されてなることを特徴とす
る。

【００１２】ここで、上記交差指電極が、弧状もしくは
同心状に形成されてなるものであることが好ましく、ま
た、上記交差指電極として、それぞれから生じた弾性表
面波が上記液滴噴射部ないし液滴噴射部近傍に向かうよ
うに配置された複数の部分、もしくは独立した複数の交
差指電極ユニットからなる交差指電極を備えたものであ
ることも好ましい。

【００１３】また、上記目的を達成する本発明の第２の
液滴噴射装置は、少なくとも表面が、電界により機械歪
みを生じる材料からなる基体と、その基体表面に設けら
れた、電圧が印加されることにより基体表面に弾性表面
波を生じさせる交差指電極と、その交差指電極に電圧が
印加されることにより生じた弾性表面波の伝播経路上に
位置する、液体が供給され、弾性表面波のエネルギを受
けて、供給された液体を液滴として噴射する液滴噴射部
とを備えた液滴噴射装置において、上記交差指電極で生
じた弾性表面波を上記液滴噴射部に導く、交差指電極側
では広幅であり、液滴噴射部側では狭幅である平面形状
を有する導波路を備えたことを特徴とする。

【００１４】ここで、上記導波路が、上記基体の有する
弾性表面波伝搬速度と異なる弾性表面波伝搬速度を有す
る材料を、上記平面形状に、もしくは、上記平面形状を
挟む形状に基体表面に成膜することにより形成されたも
のであることが好ましく、また、上記導波路が、上記基
体表面に形成された、上記平面形状を有する凸部から成
るものであることも好ましい。

【００１５】また、上記本発明の第１および第２の液滴
噴射装置が、上記液滴噴射部に、上記交差指電極側から
伝播してきた弾性表面波を反射する反射体を備えたもの
であってもよい。また、上記本発明の第１および第２の
液滴噴射装置における上記機械歪を生じさせる材料が、
弾性表面波の伝搬速度が伝搬方向に因らず同一な等方性
材料からなるものであってもよい。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。図１，図２は、本発明の液滴噴射装置の第１
の実施形態を表わす、それぞれ断面図、平面図である。
図１に示すように圧電基板１１の下部にインク供給室１
２が形成されている。そのインク供給室１２は、圧電基
板１１の表面に通じるノズル１３に連通しており、イン
ク供給室１２の内部のインク４は、図示しないインク加
圧手段により、ノズル１３の表面にまでインク４が充満
する状態に加圧されている。圧電基板１１の表面１１ａ
の、ノズル１３の周囲には、そのノズル１３を同心円的
に取り巻く交差指電極１４が形成され、その交差指電極
１４にはパルス信号発生器１５から高周波電圧が印加さ
れるように構成されている。

【００１７】圧電基板１１は、電界により機械歪みを生
じる材料、例えばニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコン
酸鉛、ＺｎＯ、ＰＺＴ（ＬｅａｄＺｉｒｃｏｎａｔｅ
Ｔｉｔａｎａｔｅ）、あるいは、例えばＰＶＤＦ（ポ
リ弗化ビニリデン）などの高分子圧電フィルムなどが用
いられる。ここで、ニオブ酸リチウム、チタン酸ジルコ
ン酸塩などは、弾性表面波の伝播速度に面内異方性があ
るため、異方性のないＺｎＯ、ＰＺＴ、高分子圧電フィ
ルムなどを用いることが好ましい。圧電基板１１は、そ
の基板全体が上記の圧電材料で形成されてもよいが、金
属、半導体、無機絶縁体、あるいは樹脂などの基板上に
上記材料を塗布、蒸着、あるいは接着などにより圧電材
料層を形成したものであってもよい。これは、弾性表面
波の伝播エネルギが、弾性表面波の波長をλとしたと
き、圧電基板１１の表面からの深さ約１．０λ以内に蓄
えられるためである。ただし、その層の厚さは、弾性表
面波の伝播に支障がないよう、発生させる弾性表面波の
波長λの数倍以上、好ましくは１０倍以上必要であり、
具体的には、２０μｍないし５００μｍ程度以上である
ことが好ましい。

【００１８】圧電基板１１の表面１１ａ上の交差指電極
１４は、通常のフォトリソグラフィ技術などを用いて形
成される。交差指電極１４のピッチＰを、励振周波数と
圧電基板１１の材料特性で定まる弾性表面波の波長の１
／２波長の整数倍に設定すると効率よく発振できる。そ
のピッチＰは、具体的には、数μｍから数１００μｍ程
度に定められる。また、交差指電極１４は、交互に接続
されて一対の電極を構成しているが、その繰り返し回数
は、パルス信号発生器１５のパワーや必要とされるイン
ク飛翔速度にもよるが、例えば２対ないし２００対程度
である。

【００１９】図３は、図１，図２に示す実施形態におけ
る、インク滴が噴射する原理を説明するための模式図で
ある。図３において、図１，図２と共通な構成要素には
同一の符号を付してある。交差指電極１４（図１，図２
参照）により発生した弾性表面波７は交差指電極１４の
中心方向、すなわちノズル１３の方向に伝播するに従っ
て集中し、ノズル１３の端面１３ａでインク４と接触
し、振動エネルギがインク４に漏洩して漏洩レイリー波
となるとともに、一部はその端面１３ａで反射する。こ
のとき、交差指電極１４の、ノズル１３に最近接した点
と、ノズル１３の端面１３ａとの間の距離を弾性表面は
７の波長の整数倍となるように形成しておくと、伝播波
と反射波が干渉してそこに定在波を形成する。インク４
中に漏洩したレイリー波８は更にノズル１３の中心へ伝
播集中し、図示の如くその振幅が次第に大きくなる。こ
こでノズル１３の直径をインク４中の振動波長の整数倍
＋１／２波長に設定しておくと、ノズル１３の中心が振
動の腹の位置、すなわち、振動の振幅の最も大きな位置
に相当し、インク滴４ａの効率のよい噴射が実現する。
ただし、交差指電極１４とノズル１３の端面１３ａとの
間の距離や、ノズル１３の直径が上記の条件を満足する
ことは必ずしも必要ではなく、上記の関係から外れても
インク滴４ａの噴射は可能である。

【００２０】以下に、図１，図２に示す実施形態を具体
的な数値例を挙げて説明する。ここでは、同心円状の交
差指電極１４を用いるため、その交差指電極１４から発
した弾性表面波の伝播方向は、所定の一次元方向ではな
く、ノズル１３に向かって二次元的なあらゆる方向に伝
播することになる。従って圧電基板１１としては、等方
性の材料を用いた方が、あらゆる方向から同一強度の弾
性表面波が同時にノズル１３の中心に集中し、インク液
４ａを均一に噴射させるのに適しており、従ってここで
は、等方性の、１００μｍ厚のＰＶＤＦフィルムを用い
た。ただし、異方性の材料を用いてもその異方性の方向
を合わせ込み、交差指電極の形状を、その異方性に応じ
た、例えば同心の楕円形状などに形成してもよい。

【００２１】ノズルは、レーザ光照射によりノズル径３
００μｍのものを形成した。コストを重視する場合に
は、スループットのよいＣＯ₂ レーザによる加工がよ
く、熱ダメージ、クラック、膜はがれなどの発生防止に
配慮する場合はエキシマレーザによる加工がよい。さら
にコストを低減したい場合には、ドリル加工、放電加
工、あるいはパンチングなどを用いることも可能であ
る。

【００２２】また、交差指電極１４は交差指電極どうし
の間隔Ｐ（図１参照）として約５０μｍ、繰り返し回数
８回のものを通常のフォトリソグラフィ技術により形成
した。この交差指電極１４のうち最もノズル１３よりの
電極とノズル１３の端面１３ａとの間の距離は２００μ
ｍとした。インク室１２内のインク４には、図示しない
インク加圧手段により、常時、ゲージ圧０．０１Ｎ／ｃ
ｍ² の圧力を印加し、ノズル１３の表面にメニスカスが
形成した状態に保った。インク４としては粘度３ｃｐの
水性インクを用いた。また、交差指電極１４には、基本
周波数１０ＭＨｚ、電圧１０Ｖの高周波電圧を、繰り返
し周波数５ｋＨｚで繰り返し印加した。

【００２３】以上のような条件下においてインク噴射実
験を行ったところ、十分に小径のインク滴４ａを安定的
に噴射させることができ、その噴射方向も、ほぼノズル
１３の長手方向（図１の上下方向）と同一方向であっ
た。図４，図５は本発明の液滴噴射装置の第２の実施形
態を表わす、それぞれ断面図、平面図である。

【００２４】図４に示すように、圧電基板２１の下部に
インク供給室２２が形成されている。そのインク供給室
２２は、圧電基板２１の表面に通じるスリット２３（図
５参照）に連通しており、インク供給室１２内部のイン
ク４は、図示しないインク加圧手段により、スリット２
３の表面にまでインク４が充満する状態に加圧されてい
る。圧電基板２１の表面２１ａの、スリット２３の一方
の側には、スリット２３の中央部に中心点をもつ円弧状
の交差指電極２４が形成されている。このような円弧状
の交差指電極２４により振動エネルギを集中させること
ができること自体については、既に知られている（例え
ば、「ＡＮＥＷＳＡＷＣＯＮＶＯＬＶＥＲＵＳ
ＩＮＧＭＵＬＴＩ−ＣＨＡＮＮＥＬＷＡＶＥＧＵＩ
ＤＥ」ＩＥＥＥＵＬＴＲＡＳＯＮＩＣＳＹＭＰＯＳ
ＩＵＭ１９９１，ｐｐ２５５−２５８参照）。ここで
の、円弧状の交差指電極２４の中心角は、図５に示すよ
うに９０°である。交差指電極２４のピッチ、繰り返し
数は、前述した第１の実施形態の場合と同じく、それぞ
れ、約５０μｍ、８回である。ここに示す第２の実施形
態では、交差指電極２４のうちの、スリット２３に最近
接した電極の弧の中心点とスリット２３の端部２３ａと
の間の距離ｄ（図５参照）は１５０μｍ、スリット幅は
１２５μｍである。

【００２５】このスリット２３の中央部には、そのスリ
ット２３の中心線上に延在するくさび状の反射部材２５
が配置される。ここでは、先ず、反射部材２５を配置し
ない状態においてインク滴の噴射実験を行ったところ、
インク滴の噴射方向は、図１５に示したように斜め上方
に傾いた角度で飛翔したが、インク滴は安定的に形成さ
れることが確認された。

【００２６】なお、ここでは、交差指電極２４で生成さ
れた弾性表面波が集まる焦点位置をスリット２３の中心
線上に設定しているが、この焦点位置をスリット２３の
交差指電極２４側の端部２３ａに設定すると、インク滴
の噴射がより安定化される。またその場合、その焦点近
傍に弾性表面波を導く導波路として作用する金属膜など
を形成し、弾性表面波が広がらないようにして、その弾
性表面波をスリット２３に導くことにより、インク滴
の、再現性、安定性のより高い噴射を可能ならしめるこ
ともできる。

【００２７】また、ここに示す例では、スリット２３の
片側にのみ交差指電極２４が形成されているが、スリッ
トの両側に交差指電極を備え、それら両側に備えた交差
指電極で発生した弾性表面波がスリット２３の中央に同
時に達するように構成してもよい。上記実験において、
インク滴の噴射方向が傾いていたので、スリット２３内
の中心線上にくさび状の反射部材２５を配置したとこ
ろ、インク滴の噴射方向が、垂直方向に近づき、さら
に、スリット２３内のインク４の液面の安定性を向上さ
せることができた。

【００２８】この反射部材２５は、本発明にいう反射体
に相当するものであり、上記のくさび状の形状に限定さ
れるものではなく、交差指電極側から伝播してきた弾性
表面波を反射するものであればどのような形状のもので
もよい。図６は、本発明の液滴噴射装置の第３の実施形
態を表わす平面図である。図６に示すように、第３の実
施形態では、圧電基板表面のスリット３３の一方の側
に、それぞれの部分から生じた弾性表面波がスリット３
３の中央部に向かうように配置された複数の部分３４
ａ，３４ｂ，３４ｃからなる交差指電極３４が形成され
ている。このような多角形状の交差指電極３４により振
動エネルギをスリット３３の中央部、すなわち液滴噴射
部に集中させることができる。スリット３３の中央部に
は、スリット３３の中心線上に延在するくさび状の反射
部材３５が配置されている。反射部材３５の断面形状は
図４と同様である。

【００２９】図７は、本発明の液滴噴射装置の第４の実
施形態を表わす平面図である。図７に示すように、第４
の実施形態では、圧電基板表面のスリット４３の一方の
側に、それぞれの交差指電極ユニットから生じた弾性表
面波がスリット４３の中央部に向かうように配置された
複数の交差指電極ユニット４４ａ，４４ｂ，４４ｃから
なる交差指電極４４が形成されている。このような形状
として形成された交差指電極４４により振動エネルギを
スリット４３の中央部、すなわち液滴噴射部に集中させ
ることができる。スリット４３の中央部には、スリット
４３の中心線上に延在するくさび状の反射部材４５が配
置されている。反射部材４５の断面形状は図４と同様で
ある。

【００３０】図８は、圧電基板上に複数のノズルを配置
した例を示す模式図である。以上説明した、第１の実施
形態乃至第４の実施形態は、１つのノズルあるいは１つ
のスリットについての例であるが、図８には、圧電基板
５１上に複数のノズル５２及びそれら複数のノズル５３
を取り巻く複数の同心円状の交差指電極５４が二次元的
に配列されている。

【００３１】また、各交差指電極５４を構成する一対の
電極のうちの各一方の電極は、縦方向に並ぶ一列毎に、
縦方向に延びるリード５８により互いに接続されてお
り、各交差指電極５４を構成する一対の電極のうちの各
他方の電極は、横方向に並ぶ一行毎に、横方向に延びる
リード５９により互いに接続されている。ここで一方の
リード５８のうちのいずれか１本と、他方のリード５９
のうちのいずれか１本との間に高周波電圧を印加する
と、それらのリード線の交点に位置する１つの交差指電
極５４が励振され、その交差指電極５４に囲まれたノズ
ル５３からインク滴が噴射される。

【００３２】ノズル５３に代わりスリット（図４，図
５，図６，図７参照）を設けた場合も同様であり、複数
のスリットを設けると共に、それら複数のスリットそれ
ぞれに対応して複数ずつの交差指電極を設け、上記と同
様の制御を行うことが可能である。以上説明した第１乃
至第４の実施形態が本発明の第１の液滴噴射装置に対応
するものであり、以下に説明する第５の実施形態以降が
本発明の第２の液滴噴射装置に対応するものである。

【００３３】以下に、本発明の液滴噴射装置の第５の実
施形態について説明する。図９は、本発明の液滴噴射装
置の第５の実施形態を表わす平面図（ａ）、およびその
Ａ−Ａ’断面図（ｂ）である。図９（ａ）及び図９
（ｂ）に示すように、圧電基板１１１の上に交差指電極
１１４が形成されている。圧電基板１１１の材料として
は、前述の第１の実施形態において説明したと同様の材
料が用いられる。交差指電極１１４の形成方法も第１の
実施形態と同様、フォトリソグラフィなどが用いられ
る。また、交差指電極１１４のピッチＰも第１の実施形
態と同様、数μｍから数１００μｍの範囲である。交差
指電極１１４の平面形状は、第１の実施形態とは異な
り、図９（ａ）に示すように等間隔に並んだ直線状の電
極から成り、それぞれ互い違いに接続された一対の電極
から成る交差指電極１１４を構成している。その交差指
電極１１４はパルス信号発生器１１５に接続され高周波
電圧が印加されるように構成されている。交差指電極１
１４を構成する各電極の繰り返し回数は第１の実施形態
と同様、およそ２乃至２００対である。また交差指電極
１１４の幅は弾性表面波の波長の数倍、すなわち数１０
μｍから数１００μｍである。

【００３４】図９（ｂ）に示すように、圧電基板１１１
の下部にはインク供給室１１２が形成されており、イン
ク供給室１１２は、圧電基板１１１の表面に通じるノズ
ル１１３に連通している。インク供給室１１２内のイン
ク１０４は、図示しないインク加圧手段により、ノズル
１１３の液面が開口する圧電基板１１１表面１１１ａと
同レベルとなるように加圧されている。圧電基板１１１
の表面１１１ａにはスリット状のノズル１１３が形成さ
れており、インク供給室１１２からインク１０４が供給
される。

【００３５】交差指電極１１４とノズル１１３との間に
は図９（ａ）に示すような導波路１０７が形成されてい
る。交差指電極１１４で発生した弾性表面波は導波路１
０７に取り込まれ、その導波路１０７内を伝播する。導
波路１０７内を伝播してきた弾性表面波はノズル１１３
表面のインク１０４と接触し、振動エネルギがインク１
０４に漏洩して漏洩レイリー波となりインク１０４の先
端部が液滴１０４ａとなって飛翔する。なお、図９のノ
ズル１１３の中央部に、図４，図５に示したような、ス
リットの中心線上に延在するくさび状の反射部材を配置
することによって、インク滴の噴射方向を垂直方向に近
づけさらにインク１０４の液面の安定性を向上させよう
にしてもよい。

【００３６】ところで、インクジェット記録に用いられ
るインク液滴径は数１０μｍ程度であるので、インクに
対する弾性表面波の作用領域は液滴径に見合う狹い範囲
とする必要があり、そのためにはノズル１１３側の導波
路の幅Ｗ₂ は極力狭くする必要がある。一方、交差指電
極１１４から弾性表面波を取り込む側の導波路１０７の
幅Ｗ₁ が狭いと十分なエネルギの弾性表面波を取り込む
ことができない。そこで、本実施形態では、図９（ａ）
に示すように、十分な広さの幅Ｗ₀ を持たせた交差指電
極１１４を形成すると共に、導波路１０７の平面形状
を、交差指電極１１４側では広幅（Ｗ₁ ）とし、ノズル
１１３側では狭幅（Ｗ₂ ）としている。こうすることに
より、弾性表面波エネルギを導波路１０７内で集中させ
てノズル１１３に伝播させることができる。

【００３７】以下に、上記第５の実施形態における具体
的な数値例について説明する。図９に示した本発明の第
２の液滴噴射装置の圧電基板１１１としてＬｉＮｂＯ ₃
基板を用い、この圧電基板１１１上にフォトリソグラフ
ィ技術によりアルミニュウムで交差指電極１１４を形成
した。交差指電極１１４を構成する各電極間の間隔Ｐは
５０μｍ、繰り返し回数を８回、交差指電極１１４の幅
Ｗ₀ を２００μｍとした。パルス信号発生器１１５から
交差指電極１１４に印加される励振パルスとしては、基
本周波数１００ＭＨｚ、電圧１０Ｖ、パルス数５００の
高周波電圧を用い、繰り返し周波数（粒子化周波数）は
５ＫＨｚとした。一方、圧電基板１１１上に形成された
スリット状のノズル１１３にはインクのメニスカスを形
成した。インクには、図示しない加圧装置により常時
０．０１Ｎの圧力を印加した。インクには、粘度３ｍＰ
ａの水性インクを用いた。交差指電極１１４からノズル
１１３までの距離は３００μｍであり、交差指電極１１
４から約５０μｍの位置からノズル１１３にかけて金の
薄膜で図示の形状の導波路１０７を形成した。導波路１
０７の交差指電極１１４側の幅Ｗ₁ は２００μｍ、ノズ
ル１１３側の幅Ｗ₂ は２０μｍとした。導波路１０７の
厚さは約１μｍであった。以上のような条件においてイ
ンク飛翔実験を行なったところ、インクは安定的に飛翔
し、その飛翔方向も安定していた。飛翔したインク液滴
を紙で補捉し印字直径を測定したところ、およそ５０μ
ｍであり、導波路を持たない従来タイプの液滴噴射装置
に比べ極めて小さい印字直径を得ることができた。

【００３８】本発明の第２の液滴噴射装置における導波
路としては、例えば、図１０または図１１に示すような
種々の形態をとることができる。図１０は、薄膜導波路
の概要図である。図１０（ａ）には、ＬｉＮｂＯ₃ の基
板１１０上に、基板１１０の伝播速度より遅い伝播速度
を有する金属膜、例えば金の薄膜を基板１１０上にくさ
び形に成膜することにより形成された薄膜くさび形導波
路が示されている。また、図１０（ｂ）および図１０
（ｃ）には、Ｂｉ₁₂ＧｅＯ₂₀の基板１１０上に、くさび
形の領域を残しそのくさび形領域の両側に基板１１０の
伝播速度より速い伝播速度を有する物質、例えばＳｉＯ
薄膜を基板１１０上に成膜することにより形成された、
段付きスロット形の導波路１０７（図１０（ｂ））およ
びテーパスロット形の導波路１０７’（図１０（ｃ））
が示されている。図１０に示したこれら導波路１０７，
１０７’では、導波路１０７，１０７’内の弾性表面波
の伝播速度が導波路１０７，１０７’の外側部分１０８
の伝播速度より遅いために弾性表面波エネルギは導波路
１０７，１０７’内に閉じ込められ効率のよい伝播が行
われる。

【００３９】図１１は、薄膜くさび形導波路における弾
性表面波の伝播の様子を示す図である。図１１に示すよ
うに、薄膜くさび形導波路では導波路１０７周縁で波が
全反射されながら進行する。その結果、表面横方向の変
位分布は導波路の外側部分１０８で指数的に減少し、弾
性表面波は効率よく伝播される。一般にこのような導波
路を構成するには、導波路１０７の弾性表面波伝播速度
を導波路１０７の外側の基板１１０の伝播速度よりも遅
くすればよい。

【００４０】図１２は、トポグラフィック導波路の概要
図である。図１２（ａ）乃至図１２（ｃ）には、トポグ
ラフィック導波路の断面形状が示されている。このトポ
グラフィック導波路では、同一媒質表面の形状変形によ
り導波路が形成される。すなわち、図１２（ａ）および
図１２（ｂ）に示すように、基板１１０上に、図面に向
かって手前側が幅広であり、向こう側が幅狭である平面
形状を有し、矩形状、あるいは台形状の断面形状を有す
る凸部１０９を形成することにより凸部１０９にエネル
ギを集中させて導波効果を持たせたものである。

【００４１】導波路を形成する他の方法として、例え
ば、ＬｉＮｂＯ₃ の基板１１０を用い、この基板１１０
にＴｉ（チタン）やＨ（水素）などの材料を拡散させて
弾性表面波の伝播速度を周囲と異ならせることにより導
波路を形成することもできる。図１３は、本発明の第５
の実施形態における導波路の平面形状の説明図である。

【００４２】図１３には、いずれも一方が広幅であり、
他方が狭幅である３種類の導波路の平面形状が示されて
いる。このような形状の導波路を広幅側を交差指電極側
に向け、狭幅側をノズル側に向けて配置することによ
り、発生エネルギを効率よく導波路内に取り込むと共
に、導波路内でエネルギを集中させ、ノズルに対して集
中されたエネルギを作用させることができ、少ない投入
エネルギで効率よく液滴を飛翔させることが可能とな
る。なお、導波路の平面形状は、上記の形状に限られる
ものではなく、一方の側が広幅であり他方の側が狭幅で
あればどのような形状でもよい。

【００４３】次に、本発明の液滴噴射装置の第６の実施
形態について説明する。この第６実施形態も、本発明の
第２の液滴噴射装置の一実施形態である。図１４は、本
発明の液滴噴射装置の第６の実施形態を表わす平面図で
ある。図９を参照して説明した実施形態は、一つの液滴
噴射部（ノズルあるいはスリット）を備えた液滴噴射装
置であるが、ここでは、液滴噴射部を複数備えた場合の
構成例について図１４を参照しながら説明する。図１４
に示す例は所謂千鳥配置の例であって、圧電基板３１１
の中央にノズル３１３が設けられ、その両側に、交差指
電極３１４、パルス信号発生器３１５、導波路３０７よ
り成る噴射ユニット３１０が千鳥状に配置されている。
このように導波路３０７を用いて噴射ユニット３１０を
構成することにより交差指電極３１４どうしの配列ピッ
チを狭くすることができるので液滴噴射装置を高密度に
配置することができる。なお、隣接する噴射ユニット３
１０間に隔壁を設けることにより、隣接する噴射ユニッ
ト３１０相互間の影響を排除することができる。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の第１の液
滴噴射装置によれば、弾性表面波が基板表面を伝播する
構造であるため、伝播中のロスが少なくエネルギ効率が
高く、更には、本発明は交差指電極が同心状又は弧状で
あることから、発生した弾性表面波を一点に集中するこ
とができ、低い入力エネルギでも液滴を噴射させること
ができる。更には、エネルギを微小領域に集中させるこ
とができるので、小径の液滴が形成でき高画質化が可能
となる。また電極と噴射用の液体が接触しないため、電
極が損傷することなく、高信頼性を維持することができ
る。また、ノズル、スリット内に反射体を設けると、イ
ンク噴射方向の安定性が確保できる。

【００４５】また、本発明の第２の液滴噴射装置によれ
ば、交差指電極で生じた弾性表面波を液滴噴射部に導
く、交差指電極側では広幅であり液滴噴射部側では狭幅
である平面形状を有する導波路を設けたことにより、弾
性表面波を液滴噴射部に集中させることができるため、
低い入力エネルギでもインクを効率よく飛翔させること
ができる。また、小径のインク滴を噴射させることがで
き高画質化を図ることができる。さらに、交差指電極ど
うしの配列ピッチを狭くすることが可能となり、交差指
電極を高密度に配置することが可能となる。また、電極
部分をノズル部分から遠ざけることができるため、電極
が損傷することがなく信頼性を高めることも可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の液滴噴射装置の第１の実施形態を表わ
す断面図である。

【図２】本発明の液滴噴射装置の第１の実施形態を表わ
す平面図である。

【図３】図１，図２に示す実施形態における、インク滴
が噴射する原理を説明するための模式図である。

【図４】本発明の液滴噴射装置の第２の実施形態を表わ
す断面図である。

【図５】本発明の液滴噴射装置の第２の実施形態を表わ
す平面図である。

【図６】本発明の液滴噴射装置の第３の実施形態を表わ
す平面図である。

【図７】本発明の液滴噴射装置の第４の実施形態を表わ
す平面図である。

【図８】圧電基板上に複数のノズルを配置した例を示す
模式図である。

【図９】本発明の液滴噴射装置の第５の実施形態を表わ
す平面図（ａ）、およびそのＡ−Ａ’断面図（ｂ）であ
る。

【図１０】薄膜導波路の概要図である。

【図１１】薄膜くさび形導波路における弾性表面波の伝
播の様子を示す図である。

【図１２】トポグラフィック導波路の概要図である。

【図１３】本発明の第５の実施形態における導波路の平
面形状の説明図である。

【図１４】本発明の液滴噴射装置の第６の実施形態を表
わす平面図である。

【図１５】新たなインクジェット記録方式の原理説明図
である。

【符号の説明】

４インク４ａインク滴７弾性表面波８振動１１，２１，５１圧電基板１１ａ，１３ａ端面１２，２２インク供給室１３，５２，５３ノズル１４，２４，３４，４４，５４交差指電極１５パルス信号発生器２３，３３，４３，スリット２３ａ端部２５反射部材３４ａ，３４ｂ，３４ｃ部分４４ａ，４４ｂ，４４ｃ交差指電極ユニット５８，５９リード１０４インク１０４ａ液滴１０７，１０７’，２０７，３０７導波路１０９凸部１１０基板１１１，３１１圧電基板１１２インク供給室１１３，３１３ノズル１１４，２１４，３１４交差指電極１１５，３１５パルス信号発生器２０７ａ入力２０７ｂ出口３１０噴射ユニット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少なくとも表面が、電界により機械歪み
を生じる材料からなる基体と、前記基体表面に設けられ
た、電圧が印加されることにより該基体表面に弾性表面
波を生じさせる交差指電極と、前記交差指電極に電圧が
印加されることにより生じた弾性表面波の伝播経路上に
位置する、液体が供給され、弾性表面波のエネルギを受
けて、供給された液体を液滴として噴射する液滴噴射部
とを備えた液滴噴射装置において、前記交差指電極が、該交差指電極に電圧が印加されるこ
とにより生じた弾性表面波を前記液滴噴射部ないし該液
滴噴射部近傍に集中させる形状に形成されてなることを
特徴とする液滴噴射装置。
【請求項２】前記交差指電極が、弧状もしくは同心状
に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の液滴
噴射装置。
【請求項３】前記交差指電極として、それぞれから生
じた弾性表面波が前記液滴噴射部ないし該液滴噴射部近
傍に向かうように配置された複数の部分、もしくは独立
した複数の交差指電極ユニットからなる交差指電極を備
えたことを特徴とする請求項１又は２記載の液滴噴射装
置。
【請求項４】少なくとも表面が、電界により機械歪み
を生じる材料からなる基体と、前記基体表面に設けられ
た、電圧が印加されることにより該基体表面に弾性表面
波を生じさせる交差指電極と、前記交差指電極に電圧が
印加されることにより生じた弾性表面波の伝播経路上に
位置する、液体が供給され、弾性表面波のエネルギを受
けて、供給された液体を液滴として噴射する液滴噴射部
とを備えた液滴噴射装置において、前記交差指電極で生じた弾性表面波を前記液滴噴射部に
導く、前記交差指電極側では広幅であり、前記液滴噴射
部側では狭幅である平面形状を有する導波路を備えたこ
とを特徴とする液滴噴射装置。
【請求項５】前記導波路が、前記基体の有する弾性表
面波伝搬速度と異なる弾性表面波伝搬速度を有する材料
を、前記平面形状に、もしくは、前記平面形状を挟む形
状に前記基体表面に成膜することにより形成されたもの
であることを特徴とする請求項４記載の液滴噴射装置。
【請求項６】前記導波路が、前記基体表面に形成され
た、前記平面形状を有する凸部から成ることを特徴とす
る請求項４記載の液滴噴射装置。
【請求項７】前記液滴噴射部に、前記交差指電極側か
ら伝播してきた弾性表面波を反射する反射体を備えたこ
とを特徴とする請求項１から６までのいずれか１項記載
の液滴噴射装置。
【請求項８】前記機械歪を生じさせる材料が、弾性表
面波の伝搬速度が伝搬方向に因らず同一な等方性材料か
らなることを特徴とする請求項１から６までのいずれか
１項記載の液滴噴射装置。