JPH11151810A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 超音波の放射圧を利用してインク滴を飛翔さ
せるインクジェット記録測装置において、インク滴の飛
翔効率の向上を図る。 【解決手段】 超音波放射面からインク液面までの距離
ｄは、超音波の反射強度が最大になる焦点距離Ｆ０より
もΔｄだけ小さく、且つΔｄの範囲はインク液中の波長
をλとするとλ≦Δｄ≦２０λとする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを液滴
化して被記録媒体上に飛翔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係わり、特に圧電素子により
放射される超音波ビ−ムの圧力によりインク滴を吐出さ
せて被記録媒体上に飛翔させるインクジェット記録装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】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飛翔させて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。現在までに、数多くのインクジェットプリン
タの方式が考案されているが、特に発熱体の熱により発
生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる方式、例えば
特公昭５６−９４２９や特公昭６１−５９９１１、圧電
体が生じる機械的な圧力パルスによりインク滴を飛翔さ
せる方式、例えば特公昭５３−１２１３８などが代表的
なものである。しかしこれらは本質的に、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やすく、これ
が解像度に対応した個別の細いノズルでの目詰まりの原
因となる。

【０００３】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
層により構成された圧電素子によって発生する超音波ビ
−ムの圧力をインク液面に集束させてインク液面からイ
ンクを飛翔させる方式が、ＩＢＭ ＴＤＢ，Ｖｏｌ．１
６，Ｎｏ．４，ｐｐ．１１６８（１９７３−１０），特
開昭６３−１６２２５３などにより提案されている。ま
た、記録ドットの高密度化を容易にするため、一次元の
圧電素子アレイによるフェ−ズドアレイ走査を採用する
方法（特開平２−１８４４４３）も提案されている。し
かし、これらの方法ではインク滴の飛翔効率が低いとい
う問題があった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明は上記課題を解
決しようとするもので、超音波による放射圧でインク滴
を飛翔させるインクジェット記録装置において、高効率
のインク滴飛翔を図ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本願第１の発明は、液体
インクを保持する手段と、前記液体インクに対して音響
的に接続された超音波発生手段と、この超音波発生手段
から放射された超音波を集束させる集束手段とを有する
インクジェット記録装置であって、インク液面と超音波
発生手段との距離をｄとした時、前記集束手段の焦点距
離Ｆ０を Ｆ０＞ｄ としたインクジェット記録装置である。

【０００６】本願第２の発明は、前記第１の発明に記載
のインクジェット記録装置において、前記超音波の波長
をλとしたとき、 Ｆ０＞ｄ＋λ とするインクジェット記録装置である。

【０００７】本願第３の発明は、前記第１の発明に記載
のインクジェット記録装置において、前記超音波の波長
をλとしたとき、 Ｆ０＜２０λ とするインクジェット記録装置である。

【０００８】本願発明における超音波発生手段として
は、例えば圧電体の対向する面に電極を形成した圧電素
子等を使用すれば良く、この圧電素子に電圧を印加する
ことで超音波を発振することが可能となる。

【０００９】また、前記集束手段は凹面形状あるいはフ
レネル輪帯に対応した形状のレンズや、複数の圧電素子
を用い、それぞれの圧電素子への電圧を印加するタイミ
ングを調整する、いわゆる電子フォ−カスを行っても良
い。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明者等は、超音波の放射圧に
よりインク滴を飛翔させるインクジェット記録装置にお
いて、超音波のインク液中への伝播効率を向上させるた
めに、インク液と超音波集束手段や音響マッチング層の
物性値を規定したインクジェット記録装置等を提案して
きた。しかし、確実なインク滴飛翔や低消費電力化など
を実現するためには、より一層インク滴を飛翔させる効
率を高めることが重要で、実験やシュミレ−ションによ
る検討と試みてきた。

【００１１】インク滴は、インク液を超音波放射面上に
満たした状態とし、超音波放射面とインク液面が対向す
る位置関係で超音波を放射し、インク液面から飛翔させ
るのだが、その際、超音波放射面からインク液面までの
距離ｄは任意というわけではなく、インク液面で効率的
に超音波が集束するような距離にする必要がある。通
常、この距離ｄは、超音波ビ−ムが超音波集束手段によ
り集束する位置、即ち、超音波ビ−ムの幅が最小とな
り、インク液面に作用する放射圧が最大になると考えら
れる、焦点距離Ｆ０と一致するように調整していた。

【００１２】なお、本発明における焦点距離Ｆ０とは、
インク液面に対向させて配置した圧電素子から、液面が
水平、或いは平坦な状態から殆ど変形しない程度の音圧
の超音波を送信し、音響レンズなどの集束手段によって
集束された超音波が液面において超音波発生素子方向に
反射した超音波の音圧を、超音波発生素子自身で受信し
て得られるエコ−反射強度が最大となる時の集束手段と
インク液面との距離である。

【００１３】ところで、インク滴が飛翔する様子を詳し
く観察したところ、超音波放射面の上部付近の液面が円
錐形状に隆起し、その側面がカ−ブした形態になりなが
ら中央部が上昇してゆき、それが或る高さに達すると、
頂点位置に液体が丸く集まってインク粒が形成され、そ
の付け根に生じたくびれが次第に細くなって、インク滴
として分離、飛翔することが分かった。頂点部分でイン
ク粒が形成されるのは、インク液の表面張力によると考
えられる。従って、インク滴が生成、飛翔するために
は、まず、平坦な液面を隆起させるための音圧が必要
で、その上で隆起したインク液内部のエネルギ−が、イ
ンク粒が形成される表面張力が作用し、さらにそれが飛
翔できる状態であることが必要であると思われる。

【００１４】このような飛翔の様子を鑑み、事件を行っ
たところ、超音波放射面から液面までの距離ｄは、先に
述べた焦点距離Ｆ０よりも短い方がインク滴の飛翔効率
が向上するということを見い出した。ここで述べる飛翔
効率の向上とは、超音波発生素子である圧電素子への駆
動電圧が低く、且つバ−スト波数が少ない数値でインク
滴が飛翔することを意味する。

【００１５】液面を焦点距離Ｆ０に一致させた場合、超
音波が最も集束する位置は平坦な液面の位置であり、液
面を隆起させるだけの音圧は満たしても、隆起した頂点
でインク滴を生成分離し、飛翔させるために最適な音圧
の状態ではないと考えられる。超音波は、焦点より遠方
になればなるほど拡張し、その音圧は低下するからであ
る。だが、液面までの距離ｄを、焦点距離Ｆ０よりも短
くし、且つ液面を隆起させるために必要な音圧のレベル
を保つ程度の位置とすると、液面が隆起してゆくにつれ
て液面が音圧が集束する方向に近付き、その結果として
インク滴の飛翔効率が向上する。

【００１６】尚、この効果は焦点距離Ｆ０と、飛翔効率
の良い液面までの距離ｄの差Δｄ（Δｄ〉０）が所定の
範囲において顕著であり、具体的にはΔｄがインク液中
の超音波の波長λに対し、λ≦Δｄ≦２０λの範囲にあ
ることが望ましいことを見い出した。この範囲を逸脱す
ると、インク滴の飛翔効率は低下する恐れがある。

【００１７】本発明は１つの圧電素子で１つの記録画点
を形成する場合だけでなく、複数の圧電素子で１つの記
録画点を形成する場合にも適用できる。１つの圧電素子
で１つの記録画点を形成する場合、超音波集束手段とし
ては凹面レンズやフレネルレンズを用いるか、圧電素子
自身を凹面形状とする。フレネルレンズはフレネル輪帯
理論に基づく所定のピッチの溝を形成することにより溝
の上部と下部から放射される超音波の位相をπシフトさ
せるもので、同心円状に形成される。焦点距離Ｆ０は先
述したように、いずれの場合においてもインク液面に対
向させて配置した圧電素子から超音波を送信し、その反
射波を同一の圧電素子で受信した場合にその反射強度が
最大となる距離である。

【００１８】超音波発生手段である圧電素子は、超音波
の周波数や素子の大きさなどによってジルコン・チタン
酸鉛などのセラミックや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が用いら
れる。この圧電素子に形成する電極には、チタン、ニッ
ケル、アルミニウム、銅、金などの蒸着やスパッタによ
る薄膜法、ガラスフリットと銀ペ−ストに混合したスク
リ−ン印刷による焼き付け法などが用いられる。

【００１９】また、圧電素子とインクとの音響的マッチ
ングを取るために、音響マッチング層を構成することが
望ましい。音響マッチング層の音響インピ−ダンスは、
圧電素子の音響インピ−ダンスＺｐとインクの音響イン
ピ−ダンスＺｉのそれとの積の平方根に近い値のものを
用いる。マッチング材料としてはエポキシ樹脂やポリイ
ミド、それらに音響インピ−ダンスを変化させるために
繊維などを混入したもの、もしくはアルミナやタングス
テンなどの粉末との混合物などが用いられる。さらに、
酸化シリコン膜などをスパッタ法やＣＶＤ法などで形成
してもよい。マッチング層自体がレンズの役割を兼ね備
えていてもよい。

【００２０】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を基に説
明する。図１は本発明に関わるインクジェット記録装置
を示す断面図である。図１に示す凹面状の圧電素子１の
両面には電極２が形成され、これがバッキング材４の上
に形成されている。圧電素子１はスパッタ法やＣＶＤ法
などにより直接バッキング材に形成される場合もある
が、図２に示すように接着により接着層を介して形成さ
れる場合もある。本実施例ではエポキシ樹脂で接着し
た。バッキング材４と反対側の面には音響マッチング層
３が形成されている。インク液はこの音響マッチング層
４と側壁６で囲まれたインク室に満たされ、インク室へ
のインク液の供給量を制御することにより超音波放射面
とインク液面との距離を変化させる。尚、図示はしてい
ないが圧電素子はその両面に形成された電極から配線さ
れた駆動回路で駆動する。

【００２１】以下に作製プロセスを述べる。まず、圧電
素子には比誘電率が２０００のジルコン・チタン酸鉛系
圧電セラミックを凹面形状に加工し、両面にＴｉ／Ａｕ
電極をスパッタにより形成し、分極処理を行った。次に
圧電セラミックをバッキング材と接着し、バッキング材
と反対側の面にはエポキシ樹脂により音響マッチング層
を形成した。尚、それぞれの電極は、駆動装置に配線さ
れている。

【００２２】このインクジェット記録装置を用いてイン
ク滴を飛翔させる実験を行った。実験に使用したインク
ジェット記録装置は図１に示したものであり、周波数は
２種類で１０ＭＨｚと２０ＭＨｚ，圧電素子の直径，即
ち口径＝１．５ｍｍは共通である。これらについてそれ
ぞれインク液面を焦点距離Ｆ０と等しくした場合と、Ｆ
０よりも短くした場合を比較した。１０ＭＨｚの場合、
焦点距離Ｆ０は３．３ｍｍであったが、インク液面が
３．１５ｍｍ、即ちインク液中の音速を１５００ｍ／ｓ
とするとΔｄ＝λの位置においてインク滴の飛翔効率が
良くなった。インク滴を飛翔させることのできた駆動電
圧は、後者の方が１０％程度低下した。また、同一の駆
動電圧とした場合にもバ−スト波数が１０％少ない信号
で飛翔が確認された。一方、２０ＭＨｚにおいては焦点
距離Ｆ０が３．６ｍｍに対してインク液面が３．３ｍ
ｍ、即ちΔｄ＝４λの位置において飛翔効率が良く、１
０ＭＨｚ，場合と同様の低い電圧でインク滴が飛翔し
た。尚、１０ＭＨｚ，２０ＭＨｚいずれの場合において
もインク液面をＦ０からそれ以上大きくするに従い、イ
ンク滴を飛翔させることのできる電圧、バ−スト波数は
増加した。従って、インク液面を焦点距離よりも短くす
ることによって飛翔効率が向上したといえる。

【００２３】尚、超音波の集束位置はインク滴が飛翔す
る位置に一致させるとは限らない。上述したように、隆
起した液面の頂点においてインク滴は生成されるが、頂
点付近のエネルギ−が過剰である場合、頂点が伸長して
ゆく現象が起こり、逆にインク水が生成されにくくな
る。つまり、インク滴を生成するためには頂点付近にお
いて液体の表面張力が作用するエネルギ−状態にあるこ
とが必要である。従ってインク液面が隆起し、頂点位置
が伸長しすぎない状態において、インク滴が生成、分
離、飛翔のステップを経るために適当な音圧分布の範囲
にインク液面を設定することが肝要である。このような
インク液面の設定値は、インクジェット記録装置の構
造、構成により、効率よくインク滴が飛翔する液面は異
なるが、いずれの場合においてもそれは焦点距離よりも
近く、且つ先述の範囲の或る位置において飛翔効率は向
上する。

【００２４】以上の実施例では凹面の圧電素子について
述べたが、平坂の圧電素子と音響マッチング層兼音響レ
ンズの構成であってもよい。また、音響マッチング層は
なくてもよい。あるいは音響レンズは凹面であってもフ
レネルレンズであってもよい。フレネルレンズの場合、
音響マッチング層が形成されていない部分が在るもので
もよい。また、音響レンズ上にインク飛翔効率を高める
ための前面層を形成したものであってもよい。さらにイ
ンク室の形状は、少なくともインク滴の飛翔を阻害しな
い形状であればよく、インク滴が飛翔する部分のみ開い
ている状態のものであってもよい。その他、本発明の主
旨を逸脱しない変形例などは本発明に含まれる。

【００２５】

【発明の効果】以上述べたように、本発明では、インク
液面に対向させて配置した超音波発生素子である圧電素
子から、液面が水平、或いは平坦な状態から殆ど変形し
ない程度の音圧の超音波を送信し、液面において超音波
発生素子方向に反射した超音波の音程を、超音波発生素
子自身で受信して得られるエコ−反射強度が最大となる
距離を焦点距離Ｆ０とした場合、インク液面を焦点距離
Ｆ０よりも超音波発生面側に近い位置に設定するこによ
り、少ない駆動電圧、少ないバ−スト波数でインク滴飛
翔の高効率化が図られ、低消費電力化が達成される。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に関わるインクジェット記録装置ヘッ
ドの断面図

【図２】 本発明に関わる平板圧電素子と凹面レンズ兼
音響マッチング層から構成されたヘッドの断面図

【図３】 本発明に関わる平板圧電素子とフレネルレン
ズから構成されたヘッドの断面図

【符号の説明】

１ 圧電素子， ２ 電極， ３ 音響マッチング層，
４バッキング材， ５ インク液， ６ インク液
面， ７ インク室側壁， ８焦点距離， ９ 音響レ
ンズ， １０ フレネルレンズ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 雨宮 功 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 八木 均 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 (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 液体インクを保持する手段と、前記液体
   インクに対して音響的に接続された超音波発生手段と、
   この超音波発生手段から放射された超音波を集束させる
   集束手段とを有するインクジェット記録装置であって、 インク液面と超音波発生手段との距離をｄとした時、前
   記集束手段の焦点距離Ｆ０を Ｆ０＞ｄ としたことを特徴とするインクジェット記録装置。
2. 【請求項２】 請求項１に記載のインクジェット記録装
   置において、前記超音波の波長をλとしたとき、 Ｆ０＞ｄ＋λ とすることを特徴とするインクジェット記録装置。
3. 【請求項３】 請求項１に記載のインクジェット記録装
   置において、前記超音波の波長をλとしたとき、 Ｆ０＜２０λ とすることを特徴とするインクジェット記録装置。