JPH11221930A - 記録ヘッド - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 微小なインク滴を吐出可能にして、高解像度
の画像を記録できる記録ヘッドを提供することを目的と
する。 【解決手段】 記録ヘッド１０は、弾性部材１２が基端
部１４において振動発生手段１６に支持され、他端部１
８において弾性部材支持体２０に支持された両持ち梁構
造である。振動発生手段１６を所定の振動数で振動させ
ることにより、弾性部材１２が共振し、その最大振幅部
２４近傍の振動面２８からインク滴がＡ方向に吐出して
記録用紙にドットを記録する。この際、なんらかの原因
により吐出タイミングがずれたとしても、最大振幅部２
４の振動方向が一定（Ａ方向）であるため、インク滴が
所定の方向に飛翔する。したがって、微小なインク滴に
よって高解像度の画像を記録することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を飛翔さ
せ記録媒体の所定の位置に着弾させることによって画像
を記録する記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】被印字面に液滴、特にインク滴を吐出し
て印字を行うインクジェット記録方式の代表的なものと
して、ノズルを用いる方式があり、そのノズル式の記録
方式として、従来、オンデマンド型と連続流型とが知ら
れている。

【０００３】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、これにより発生したバブルにより
ノズルからインク滴を吐出させて、記録紙上にドットを
記録するものである。

【０００４】一方、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
ゾ振動子など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ずれも、インク滴の径
が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、
ノズル部の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
変化を生じるといった問題が発生する。

【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記録方式がある。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
からインク滴が吐出される。

【０００７】また、特公平６−４５２３３号公報に示さ
れているように、ガラスなど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記録方式も
ある。

【０００８】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た記録方式が示されてい
る。

【０００９】上述における、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インク滴を吐出させる方式
では、インク滴の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。

【００１０】したがって、例えば、インク滴の径（集束
径）ｄが１５μｍ程度の非常に小さなインク滴を吐出さ
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
さくすることは実際上困難であるため、インク滴の径ｄ
をより小さくしようとすると、一般にはより高い周波数
で振動子を駆動させなければならないことになる。

【００１１】このように、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インク滴を吐出させる方式で
は、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インク滴の径が変動し
たり、記録素子内でインク自体の乾燥や固化を生じてイ
ンクを吐出できなくなることがあるという重大な問題を
生じる。

【００１２】上記以外の従来技術として、特開平６−３
４００７０号公報において、新規なオンデマンド型の記
録方式が開示されている。これは、片持ち梁構造の梁を
曲げ振動で共振させて、梁の先端に十分な振幅を発生さ
せ、インクを飛翔させるものであり、比較的低い励振周
波数および低い電圧でインクを吐出できる可能性を有す
る記録方式である。しかしながらこの記録方式は、梁先
端に設けられたノズルを介してインク滴を形成する機構
を用いており、前述したノズル式の各種記録方式と同
様、インク滴の径はノズル径で決定され、ノズル径を小
さくすると、ノズル詰まりや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った
課題を有している。この特開平６−３４００７０号公報
に開示された技術は、従来方式に比べノズル詰まりの問
題が生じる可能性を少なくすることを解決すべき技術的
課題の一つとしているが、インク滴の径がノズル径で決
まる以上、根本的な解決とはなり得ない。

【００１３】さらに別の従来技術として、インクジェッ
ト記録方式ではないものの、振動エネルギーを作用させ
て液体を微粒子化する方法が、特開平３−１５４６６５
号公報に記載されている。この方法は霧化装置に適用す
べくなされたものであって、圧電磁器を含む振動子と、
振動子に固着され片持ち梁の形で曲げ振動する振動部か
らなり、振動部の一部を液体に漬けて、超音波の放射に
より霧状の液滴を発生させるものである。しかしながら
この霧化装置に用いられている技術では、ノズルを用い
ずに微小径のインク滴を生成することができるものの、
時間的、空間的に制御されていない多数のインク滴が生
成されてしまうので、記録媒体の所定位置に正確にイン
ク滴を着弾させる必要があるインクジェット記録装置に
は応用し得ない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、近年益々
記録媒体に対する高解像度の画像記録が求められている
が、従来のいずれの記録方式、あるいは霧化装置等の他
の分野における技術を用いても、これらの要望に応える
ことが難しい。

【００１５】本発明は、上記の課題を解決するために、
ノズルを用いずに微小なインク滴を吐出可能とし、高解
像度の画像を記録できる記録ヘッドを提供することを課
題とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の発明は、
画像信号に対応して振動する振動発生手段と、前記振動
発生手段の励振により曲げ振動する、両端が支持された
両持ち梁構造である弾性部材と、を備え、振動する前記
弾性部材の最大振幅部近傍に形成されたインク薄膜から
インク滴を飛翔させて記録媒体に付着させることを特徴
とする。

【００１７】請求項１記載の発明の作用を説明する。画
像信号に応じて振動する振動発生手段の励振により、弾
性部材が共振させられる。曲げ振動する弾性部材の最大
振幅部近傍に形成されたインク薄膜からインク滴が飛翔
して記録媒体にドットを記録する。この際、インク物性
の変化や最大振幅部のインク量のばらつき等によってイ
ンク滴の吐出のタイミングがずれるおそれがある。タイ
ミングが多少ずれても、両持ち梁構造の弾性部材におけ
る最大振幅部近傍の振動方向は、梁（弾性部材）の両端
支持部を結んだ方向に常に垂直であるため、インク滴の
吐出方向が一定に保たれる。したがって、ノズルを用い
ずに微小なインク滴を吐出できるとともに、インク滴の
吐出タイミングが多少ずれても吐出方向が一定に保たれ
るため、高解像度の画像を正確に記録することができ
る。

【００１８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記弾性部材は、前記両持ち梁構造の最大
振幅部近傍における前記曲げ振動の振動方向に対して垂
直な面の幅が、ほぼ２λの長さを有していることを特徴
とする。但し、λは以下の式で与えられる。

【００１９】 λ＝｛８πσ／（ρfe² ）｝^1/3 ×１０⁴ （μｍ） ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³ ） ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ） である。

【００２０】請求項２記載の発明の作用を説明する。弾
性部材における最大振幅部近傍の曲げ振動方向に対して
垂直な面の幅をほぼ２λにするときに、前記λとインク
の物性（表面張力、密度）、励振周波数の関係を上記式
を満たすように設定する。このように設定することによ
って、振動する弾性部材の最大振幅部に形成されたイン
クの薄膜に２山の波が発生し、その２山の間から１山の
隆起部が生じてインク滴が吐出する。すなわち、最大振
幅部近傍からインク滴を一滴ずつ確実に飛翔させること
ができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］本発明の第１実
施形態に係る記録ヘッドについて図１〜図８を用いて説
明する。

【００２２】まず、図１および図２を参照して記録ヘッ
ドの概略構成を説明する。図１は記録ヘッドの正面図で
あり、図２は記録ヘッドの側面図である。

【００２３】図１および図２に示すように、記録ヘッド
１０において、弾性部材１２の基端部１４と振動発生手
段１６が接続され、他端部１８と弾性部材支持体２０が
接続された両持ち梁構造となっている。また、図示しな
いインク供給手段から供給されたインク２２が表面張力
によって弾性部材１２の表面に薄膜を形成している。振
動発生手段１６は画像情報に基づいて弾性部材１２が曲
げ振動で共振する周波数で励振する。この励振により弾
性部材１２が共振し、最大振幅部２４に形成されたイン
ク薄膜からインク滴が吐出され、記録媒体である記録用
紙にドットを記録する。

【００２４】次に、記録ヘッド１０を構成する各部材を
詳細に説明する。弾性部材１２は、正面から見ると基端
部１４と他端部１８を対辺にもつ長方形形状であり、側
面から見ると板厚が均一である板体である。弾性部材１
２は、両端部（基端部１４、他端部１８）が振動発生手
段１６、弾性部材支持体２０に支持された両持ち梁構造
となっているため、振動発生手段１６の励振によって基
端部１４と他端部１８の間に最も大きな振幅を有する最
大振幅部２４を有することになる。

【００２５】弾性部材１２は、振動発生手段１６の振動
を曲げ振動に変換可能であり、最大振幅部２４近傍にイ
ンク滴吐出に十分な振幅を発生可能な部材であればよ
く、材質、形状等は特に限定されないが、加工性やコス
ト等の面から、ＳＵＳ、Ｎｉ等の金属材料、ポリイミド
樹脂、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、エポキ
シ樹脂、シアノアクリレート樹脂等の高分子材料が好適
である。

【００２６】また、弾性部材１２を変質、腐食、異物付
着等から保護する目的で、金、白金、パラジウム、ロジ
ウム等の金属及びＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレ
ン）等の薄膜で表面を被覆することは効果的である。

【００２７】振動発生手段１６は、図示しない駆動回路
から入力される電気信号に応じて振動を発生するもので
あればよく、圧電材料、磁歪材料、機械式アクチュエー
タ、静電気力を応用したアクチュエータ等を適用可能で
ある。中でも圧電材料は、インクジェットプリンタの機
能材料としても広く使われており、高度な製造技術が確
立しているので最適である。

【００２８】圧電材料としては、水晶、ＰＺＴ（ジルコ
ン酸チタン酸鉛）、チタン酸バリウムBaTiO₃、ニオブ酸
鉛ＰbNb₂O₆、ビスマスゲルマネイトBi₁₂GeO₂₀ 、ニオブ
酸リチウムLiNbO₃、タンタル酸リチウムLiTaO₃等の多結
晶体や単結晶体、またはZnOやAlN 等の圧電薄膜、また
はポリ尿素、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデン）やＰＶ
ＤＦの共重合体等の圧電性高分子、または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、記録ヘッドを設計する際に、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。例えば、印加する交流周波数が数十ｋＨｚ〜１ＭＨ
ｚの間であれば、ＰＺＴのようなセラミックが良く、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が選択される。いずれにしろ、安定
し、かつ十分な振動を発揮する振動特性を持つものであ
る必要がある。なお、振動発生手段１６を構成する圧電
材料自体で弾性部材１２を形成するようにしてもよい。

【００２９】弾性部材支持体２０は、弾性部材１２と接
続され支持できるものであれば、材料を特に限定するも
のではないが、弾性部材１２および振動発生手段１６の
振動を吸収減衰させないほうが好ましく、そのために剛
性が高く、さらには加工性やコスト等の面を鑑みて、Ｓ
ＵＳ、Ｎｉ等の各種金属材料や熱硬化樹脂などの高分子
材料が好適である。

【００３０】本実施形態に係る記録ヘッド１０の作用に
ついて説明する。先ず、図示しない駆動回路からの入力
信号に基づいて振動発生手段１６が励振される。振動発
生手段１６の励振は駆動回路から１画素ずつ入力される
画像信号（図３（ａ）参照）に応じて１インク滴の飛翔
を実現するように、１インク滴の飛翔に必要な励振数を
終了するごとに間欠的に励振を区切るものである。

【００３１】すなわち、図３（ｂ）に示すように、振動
発生手段１６の励振には、励振周期を１周期とする波形
が少なくとも１つ以上連なった駆動信号を用い、これら
を画像信号に応じて断続的に印加するバースト波を用い
る。ただし、バースト波は、図示した矩形波に限らず、
サイン波や三角波等でもよい。

【００３２】インク２２を吐出させるためのエネルギー
は、振動発生手段１６の励振周期を１周期とする波形の
数（バースト数という）と印加電圧で決まる。バースト
数を増やせば比較的低電圧でインク滴の吐出が可能であ
り、バースト数を減らせば電圧は若干高くなるものの、
より飛翔速度の早いインク滴の吐出が可能となる。

【００３３】図３（ｂ）に示す波形の駆動信号を印加す
ることによって、弾性部材１２は基端部１４および他端
部１８の両端部を支点とした、両持ち梁の振動が起こ
る。この振動の定常状態は、駆動信号の励振周波数ｆｅ
を高くしていくと、それぞれ共振する周波数において、
図４（ａ）〜（ｃ）に示すように、１次、２次、３次と
振動の腹および節の数を増やしていく。

【００３４】本発明の実施形態に用いる次数はインク滴
が飛翔できるならばどの次数を用いても構わないが、最
大振幅量が最も大きいのは弾性部材１２の中央部をただ
一つの腹として持つ１次の場合である。したがって、効
率の点から１次振動を用いるのが好ましい。

【００３５】このように振動発生手段１６が励振される
ことにより弾性部材１２が共振し、基端部１４と他端部
１８の両端部に支持されて矢印Ａ方向（図２参照、以下
Ａ方向という）に曲げ振動を行う。この結果、インク２
２が弾性部材１２の最大振幅部２４近傍に所定厚さの薄
膜を形成する。この薄膜部分にキャピラリ波２６が発生
する。

【００３６】キャピラリ波２６が発生する状態を図６お
よび図７を参照して説明する。図６および図７は、図５
のＸ−Ｘ線断面図である。

【００３７】キャピラリ波２６は、弾性部材１２の曲げ
振動方向に対して垂直な方向（矢印Ｂ方向、以下、Ｂ方
向という）に発生している。ある時間ｔにおいて、図６
に示すように、弾性部材１２のＢ方向の幅Ｗに対して波
長λがＷ＝２λとなるようなキャピラリ波２６が２山発
生している。微小時間Δｔ経過後の時間ｔ＋Δｔにおい
て、図７に示すように、２山のキャピラリ波２６の間か
ら１山のインク隆起部が形成され、これが分離して１イ
ンク滴が飛翔する。

【００３８】振動発生手段１６が繰り返し励振すること
で、弾性部材１２から連続して一滴ずつインク滴が飛翔
する。

【００３９】このように、一滴ずつインク滴を安定的に
飛翔させるためには、弾性部材１２の最大振幅部２４近
傍において、弾性部材１２の曲げ振動方向に対して垂直
な面（振動面２８）における幅をＷとし、次式で算出さ
れる値をλとしたときに、最大振幅部２４近傍の少なく
とも一部の幅Ｗがほぼ２λとなるようにすることが望ま
しい。

【００４０】 λ=[8πσ/(ρf_e ²)]^1/3×10⁴(μm) ・・・式（１） ここで、σは、インク表面張力(mN/m) ρは、インク密度(g/cm³) f_eは、励振周波数(Hz) 上記式（１）は、一般の参考書、例えば、千葉近著『超
音波噴霧』（山海堂）第７章第２節に、キャピラリ波の
波長を与える式として記載されているものである。

【００４１】幅Ｗは２λの値に出きるかぎり近い方が良
く、１．２λ〜２．４λの範囲にするのが好ましい。こ
のようにして生成された微小なインク滴は、振動発生手
段１６に入力された適切な波形の入力信号により弾性部
材１２の最大振幅部２４近傍のインク飛翔点Ｐから振動
面２８に垂直な方向に安定して飛翔する。

【００４２】１インク滴が分離するタイミング（以下、
吐出タイミングという）は、インク２２の物性、インク
２２と弾性部材１２の親和性、振動条件や環境条件によ
って決定される。すなわち、このインク物性や環境条件
の僅かな変化によっても吐出タイミングがずれていく場
合がある。

【００４３】例えば、図８（ａ）〜図８（ｃ）に示すよ
うに周期Ｔでインク滴３０を吐出する弾性部材１２にお
いて、インク２２の物性や弾性部材１２の最大振幅部２
４に存在するインク量（インク薄膜の厚さ等）の変化に
よって、最大振幅部２４からインク滴３０が吐出するタ
イミングがずれていく。

【００４４】図８（ａ）のように、ｔ＝Ｔ＋αの時に最
大振幅部２４が最も記録用紙３２に接近したところでイ
ンク滴３０が吐出される。これに対して、（ｍ−１）周
期後のｔ＝ｍＴ＋αの時には、図８（ｂ）のように、吐
出のタイミングが早まり最大振幅部２４が最も記録用紙
３２に接近する前にインク滴３０が吐出されている。
（ｍ＋ｎ−１）周期後のｔ＝（ｍ＋ｎ）Ｔ＋αの時に
は、図８（ｃ）のように、インク滴３０の吐出タイミン
グがさらに早まる。

【００４５】このように吐出タイミングが早まっても、
記録ヘッド１０では最大振幅部２４の振動方向が基端部
１４と他端部１８を結ぶ方向（以下、Ｃ方向という）に
対して常に垂直（Ａ方向）であるため、インク滴３０の
飛翔方向は常に一定である。すなわち、吐出タイミング
のずれがあっても記録用紙３２の所定位置にドットを正
確に記録できる。

【００４６】ここで、最大振幅部２４近傍における振動
面２８の幅Ｗが１λ程度以下であると、インク２２の薄
膜にキャピラリ波２６が発生しにくくなり、振動発生手
段１６の励振電圧を大きくするか、バースト数を増やす
かしないとインク滴が飛翔しない。また、飛翔させた場
合も、安定したインク滴の飛翔とはならない。

【００４７】一方、振動面２８の幅Ｗが３λ程度以上の
場合も、キャピラリ波２６は発生しにくい。上述と同様
に、振動発生手段１６の励振電圧を大きくするか、ある
いはバースト数を増やすことによってキャピラリ波を発
生させることができるが、その場合は、キャピラリ波が
３山以上生成されて複数のインク滴が飛翔するようにな
り、安定した１インク滴の飛翔が困難となる。

【００４８】このように、本実施形態の記録ヘッド１０
は、弾性部材１２の最大振幅部２４近傍の振動面２８に
おいて幅Ｗが約２λである領域を備えているため、ノズ
ルなしで微小なインク滴が生成され、常に一定した最大
振幅部２４の振動方向（Ａ方向）へ微小なインク滴を一
滴ずつ飛翔させることができる。この結果、インク目詰
まりがなく高解像度の画像記録を行うことができるよう
になる。 ［第２実施形態］次に、本発明の第２の実施の形態によ
る記録ヘッドを図９〜図１１を用いて説明する。第１の
実施の形態の記録ヘッドと同様の機能を有する構成要素
には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略す
る。

【００４９】図９は本実施の形態による記録ヘッド４０
の正面図であり、図１０は記録ヘッド４０の側面図であ
る。図１１は弾性部材１２の平面図である。

【００５０】本実施形態の記録ヘッド４０は、第１実施
形態の記録ヘッド１０と弾性部材１２の形状のみが異な
っているので、弾性部材１２についてのみ説明する。

【００５１】弾性部材１２は、正面から見ると、中央部
の最大振幅部２４から両端部の基端部１４、他端部１８
に向かって幅が徐々に広くなる裾広がり形状であり、側
面から見ると、板厚が均一な板体である。

【００５２】このように形成される本実施形態の記録ヘ
ッド４０の作用について説明する。この記録ヘッド４０
も第１実施形態の記録ヘッド１０と同様に、インク目詰
まりなしで高解像度の画像を記録用紙３２に記録するこ
とができる。

【００５３】特に、インク２２の物性や最大振幅部２４
におけるインク量の変化により、吐出タイミングがずれ
てもインク滴３０の飛翔方向が変化しない点について、
片持ち梁構造の弾性部材を用いた記録ヘッド４２と、図
１２〜図１４を参照して比較する。

【００５４】図１２は比較例に係る記録ヘッド４２の正
面図であり、図１３は記録ヘッド４２の側面図である。

【００５５】記録ヘッド４２の弾性部材１２は、正面か
ら見ると基端部１４を底辺として他端部１８を頂点にも
つ二等辺三角形形状であり、側面から見ると板厚が均一
である板体である。弾性部材１２の基端部１４が振動発
生手段１６に接続され、他端部１８が自由端となる片持
ち梁構造となっている。

【００５６】したがって、振動発生手段１６を適当な振
動数で励振することにより、最大振幅部２４となる他端
部１８近傍の幅Ｗ＝２λである振動面２８からインク滴
が一滴ずつ飛翔する。

【００５７】このように、記録ヘッド４２は両持ち梁構
造の記録ヘッド４０と同じ励振振動数ｆｅで弾性部材１
２が曲げ振動の共振状態になるように設計され、同じ周
期Ｔでインク滴３０を吐出するように調整されたもので
ある。

【００５８】このように形成された記録ヘッド４２にお
けるインク滴の吐出状態を図１４（ａ）〜（ｃ）を参照
して説明する。

【００５９】記録ヘッド４２は、ｔ＝ｍＴ＋αの時、図
１４（ｂ）に示すように、インク滴３０がＣ方向に垂直
な方向（Ａ方向）に飛翔して記録用紙３２の所定の位置
にドットを記録する。

【００６０】しかしながら、記録ヘッド４２は、（ｍ−
１）周期前のｔ＝Ｔ＋αの時、図１４（ａ）に示すよう
に、インク２２の物性や他端部１８近傍のインク量の変
化によって吐出タイミングが遅れ、所望の位置よりも下
側にインク滴３０が飛翔し、ドットを記録する位置が所
定の位置から若干ずれてしまう。

【００６１】また、記録ヘッド４２は、ｎ−１周期後の
ｔ＝（ｍ＋ｎ）Ｔ＋αの時、図１４（ｃ）に示すよう
に、インク２２の物性や他端部１８近傍のインク量の変
化によって吐出タイミングが早まり、所望の位置よりも
上側にインク滴３０が飛翔し、ドットを記録する位置が
所定の位置から若干ずれてしまう。

【００６２】この吐出タイミングのずれによるドットの
記録位置の誤差は、高解像度の画像を記録する場合に画
質劣化をもたらすおそれがある。特に、記録用紙３２と
弾性部材１２の距離が離れるとより顕著になるおそれが
ある。

【００６３】これに対して本実施形態の記録ヘッド４０
では、弾性部材１２から記録用紙３２に向かって飛翔す
るインク滴３０が吐出タイミングがずれても常に同じ位
置に到着する（図８（ａ）〜（ｃ）参照）ので、ドット
の位置ずれによる画質劣化を起こすことはない。

【００６４】このようにインク滴３０の飛翔方向の安定
させるためには、弾性部材１２を両持ち梁構造になるよ
うに設計して、最大振幅部２４の振動方向を一定にする
ことが重要である。

【００６５】本実施形態の記録ヘッド４０は、弾性部材
１２を両持ち梁構造にし、最大振幅部２４近傍の振動面
２８において、幅Ｗがほぼ２λである領域を有するよう
に構成したため、ノズルなしで微小なインク滴３０を生
成できるとともに、インク滴３０を所定方向に常に安定
して飛翔させるられる。したがって、インク目詰まりの
ない高解像度の画像を記録することができる。 ［第１実施例］本発明の実施例について説明する。な
お、記録ヘッドの構成は、第２実施形態と同様である。

【００６６】本実施例における弾性部材１２は、図１１
に示すように、基端部１４および他端部１８の幅Ｌが６
００μｍ、最大振幅部２４の幅Ｗが５０μｍであり、厚
さ７μｍである。本実施例では、弾性部材１２の材料と
してＳＵＳを用いている。

【００６７】インク２２には、以下の物性（密度ρおよ
び表面張力σ）を備えたインクを用いる。

【００６８】ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝３０ｍＮ／ｍ この構成において、振動発生手段１６の励振周波数ｆｅ
をｆｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性部材１２
の最大振幅部２４は図１０に矢印で示すように曲げ振動
し、最大振幅部２４の中心付近（インク飛翔点Ｐ）から
インク２２がインク滴として安定して一滴ずつ飛翔す
る。

【００６９】一方、本実施例におけるインク２２の密度
ρおよび表面張力σと励振周波数ｆｅの値を前記（式
１）に代入して得られる値は、λ＝２７μｍとなる。し
たがって、インク滴３０が安定して飛翔した弾性部材１
２の最大振幅部２４の幅Ｗ（＝５０μｍ）は、Ｗ＝１．
９λとなり、ほぼ２λに等しい。なお、このときの振動
発生手段１６に印加した印加電圧は３７Ｖである。

【００７０】ここで比較のために、最大振幅部２４の幅
ＷがＷ＝８０μｍ、Ｗ＝３０μｍの２種類の弾性部材１
２を用意してインク滴の飛翔の様子を比較した。それぞ
れの弾性部材１２は、ｆｅ＝１９３ｋＨｚで曲げ振動の
共振状態になるよう設計され、最大振幅部２４が十分な
振幅をもって振動するよう調整されたものである。

【００７１】Ｗ＝８０μｍの弾性部材１２は、複数のイ
ンク滴を飛翔させてしまい、Ｗ＝３０μｍの弾性部材１
２は、インク滴の飛翔状態が非常に不安定であった。こ
れらの弾性部材１２の最大振幅部２４の幅Ｗを（式１）
によるλで表すと、Ｗ（＝８０μｍ）＝２．９６λ、お
よびＷ（＝３０μｍ）＝１．１１λとなり、記録ヘッド
としては不適当であることがわかる。 ［第２実施例］第２実施例について説明する。本実施例
の記録ヘッドの構成も、第２実施形態と同様である。

【００７２】本実施例は、第１実施例と同様な物性を示
すインク２２を用い、最大振幅部２４の幅Ｗが３０、４
０、８０μｍの３種類の弾性部材１２を用いて、振動発
生手段１６の励振周波数ｆｅをｆｅ＝１１５ｋＨｚとし
たときのインク滴の飛翔の様子を比較した。

【００７３】３種類の弾性部材１２は、それぞれ、ｆｅ
＝１１５ｋＨｚで共振するように設計されている。この
中で、安定して一滴ずつインク滴が飛翔するのは最大振
幅部２４の幅Ｗが８０μｍの弾性部材１２のみである。
この場合も、図６に示すように、弾性部材１２の最大振
幅部２４近傍の振動面２８において、１インク滴が飛翔
する直前に２山のキャピラリ波２６が生じていた。

【００７４】ここで、上記インク２２の物性値と励振周
波数を（式１）に代入して得られる値は、λ＝３８μｍ
となる。したがって、インク滴が安定して飛翔した弾性
部材１２の最大振幅部２４の幅Ｗは、Ｗ（＝８０μｍ）
＝２．１λとなり、ほぼ２λ近傍の値となる。このとき
の振動発生手段１６に印加した印加電圧は２７Ｖであ
る。

【００７５】一方、（式１）から最大振幅部２４の幅Ｗ
が３０μｍ、４０μｍの場合は、それぞれＷ＝０．７９
λ、Ｗ＝１．０５λとなるため、インク滴の飛翔が不安
定になってしまうので、記録ヘッドとして不適格である
ことがわかる。［第３実施例］第３実施例について説明
する。本実施例の記録ヘッドの構成も、第２実施形態と
同様である。

【００７６】本実施例は、第１、第２実施例とインク２
２の物性（密度ρおよび表面張力σ）を変更して、以下
に示す物性を有するインク２２を用いた。 ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝４４ｍＮ／ｍ また、最大振幅部２４の幅Ｗが３０、５０、８０μｍで
あり、１１３ＫＨｚで共振する３種類の弾性部材１２を
用い、振動発生手段１６に励振周波数ｆｅ＝１１３ｋＨ
ｚを発生させてインク滴の飛翔の様子を比較したとこ
ろ、安定して一滴ずつインク滴が飛翔したのは、最大振
幅部２４の幅Ｗが８０μｍの弾性部材１２のみであっ
た。この場合も、図６に示すように、弾性部材１２の最
大振幅部２４近傍の振動面２８において、１インク滴が
飛翔する直前に２山のキャピラリ波２６が生じていた。

【００７７】一方、この場合におけるインク２２の物性
値（密度ρ、表面張力σ）および励振周波数ｆｅを（式
１）に代入してλを求めると、λ＝４４μｍとなる。し
たがって、安定して飛翔した弾性部材１２の最大振幅部
の幅Ｗ（＝８０μｍ）は、Ｗ＝１．８λとなり、やはり
ほぼ２λ近傍の値となる。このときの振動発生手段１６
に印加した印加電圧は２５Ｖである。

【００７８】これに対して、最大振幅部２４の幅Ｗの値
が０．６８λ（＝３０μｍ）や、１．１４λ（＝５０μ
ｍ）の弾性部材１２はインク滴の飛翔が不安定となり、
記録ヘッドとして不適格であることが分かる。 ［第３実施形態］次に、本発明の第３の実施形態に係る
記録ヘッドについて図１５〜図１８を用いて説明する。
第１の実施形態の記録ヘッドと同様の機能を有する構成
要素には同一の参照符号を付して、その詳細な説明を省
略する。

【００７９】図１５および図１６は、それぞれ本実施形
態に係る記録ヘッド５０の正面図および側面図である。
図１７は弾性部材１２の斜視図である。

【００８０】本実施形態における弾性部材１２は、図１
７に示すように、基端部１４から他端部１８まで断面形
状が台形となる板体であり、幅が狭い方の面が振動面２
８となっている。

【００８１】このように構成される記録ヘッド５０の作
用について説明する。この記録ヘッド５０の作用も第１
実施形態の記録ヘッド１０の作用と同様であり、振動発
生手段１６の励振により弾性部材１２が共振し、振動面
２８の最大振幅部２４近傍からインク滴が一滴ずつ所定
の方向に飛翔してドットを記録する。この際、吐出タイ
ミングがずれてもインク滴の飛翔方向は一定であるた
め、インクの物性や最大振幅部２４のインク量の変化に
影響されず、高解像度の画像記録を行うことができる。

【００８２】本実施形態の弾性部材１２（断面形状、台
形）のように、記録用紙に対向する振動面２８におい
て、最大振幅部２４近傍に幅Ｗが２λの関係を満たすよ
うな領域があれば、弾性部材１２の断面形状は特に限定
されるものではない。

【００８３】なお、振動発生手段１６は、両持ち梁構造
をした弾性部材１２のどちら側に配置してもよい。 ［第４実施例］第４実施例について説明する。本実施例
の記録ヘッドの構成は第３実施形態と同様である。

【００８４】弾性部材１２の寸法は図１７に示すよう
に、振動面２８の幅Ｗが５０μｍ、その対面側が幅Ｌが
２００μｍで、厚さが７μｍである。本実施例では弾性
部材１２の材料としてＳＵＳを用いている。

【００８５】インク２２には以下の物性（密度ρおよび
表面張力σ）を備えたインクを用いる。

【００８６】ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝３０ｍＮ／ｍ この構成において、振動発生手段１６の励振周波数ｆｅ
をｆｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性部材１２
の最大振幅部２４は図１６に矢印で示すように曲げ振動
する。この場合、式（１）に各値を代入して求めると、
λ＝２７μｍとなり、最大振幅部の幅Ｗ＝１．９λとな
る。

【００８７】したがって、図１８に示す最大振幅部２４
の中心付近（インク飛翔点Ｐ）から、インク滴が所定方
向に安定して一滴ずつ飛翔する。 ［第４実施形態］次に、本発明の第４の実施形態に係る
記録ヘッドについて図１９〜図２１を用いて説明する。
第１の実施形態に係る記録ヘッドと同一の機能を有する
構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を
省略する。

【００８８】図１９は本実施形態に係る記録ヘッド６０
の正面図であり、図２０は記録ヘッド６０の側面図であ
る。

【００８９】弾性部材１２は、基端部１４で振動発生手
段１６（以下、本実施形態において第１の振動発生手段
１６という）に接続されるとともに、他端部１８で第２
の振動発生手段６２に接続されている。

【００９０】第２の振動発生手段６２は、第１の振動発
生手段１６と同様に圧電材料が用いられており、画素信
号の入力によって振動発生手段１６と同様に振動する。

【００９１】この第２の振動発生手段６２は、図示しな
い駆動回路から入力される電気信号に応じて振動するも
のであればよく、振動発生手段１６について第１実施形
態で説明したように種々のものが適用可能であるが、圧
電材料が最適である。もちろん、記録ヘッドを設計する
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。

【００９２】インク滴を飛翔させるために、第１の振動
発生手段１６と第２の振動発生手段６２が駆動される励
振周波数のうち少なくとも一方は、弾性部材１２が共振
する周波数と同じであることが重要である。第１の振動
発生手段１６と第２の振動発生手段６２の駆動信号が同
じ励振周波数であり、その位相が両方の駆動信号によっ
て最大振幅部２４の振幅が最大になるような位相であれ
ば、第１の振動発生手段１６と第２の振動発生手段６２
の圧電材料やサイズは必ずしも同じものでなくてもよ
い。

【００９３】本実施形態に係る記録ヘッド６０の作用に
ついて説明する。第１実施形態と同様な作用以外に、両
端に接続された振動発生手段１６、６２の励振により弾
性部材１２が共振されることによって、弾性部材１２が
一つの振動発生手段１６によって励振される時と比較し
て振幅を大きくとることができる。したがって、少ない
印加電圧で効率のよい振動を実現することができる。 ［第５実施例］第５実施例について説明する。本実施例
に係る記録ヘッドの構成は、第４実施形態と同様であ
る。

【００９４】この弾性部材１２の寸法は記録媒体側の幅
Ｗが５０μｍ、厚さが７μｍである。本実施形態では、
弾性部材１２の材料としてＳＵＳを用いている。

【００９５】インク２２には以下の物性（密度ρおよび
表面張力σ）を備えたインクを用いている。

【００９６】ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝３０ｍＮ／ｍ この構成において、振動発生手段１６、６２の励振周波
数ｆｅをｆｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性部
材１２の最大振幅部２４は図２０に矢印で示すように曲
げ振動する。この場合、式（１）に各値を代入して求め
ると、λ＝２７μｍとなり、最大振幅部の幅Ｗ＝１．９
λとなる。

【００９７】したがって、図１９に示す正面図の最大振
幅部２４の中心付近（インク飛翔点Ｐ）から、インク滴
が所定の方向に安定して一滴ずつ飛翔する。

【００９８】ここで、図２１を参照して、本実施例の固
有の作用について説明する。図２１（ａ）は、第１の振
動発生手段１６および第２の振動発生手段６２に同じ励
振電圧が印加され、弾性部材１２の振幅が最大になった
ときの様子を示したものである。

【００９９】また、図２１（ｂ）は比較のために本実施
例と同じ弾性部材１２を第１の振動発生手段１６と弾性
部材支持体２０で両端支持した場合において、弾性部材
１２の振幅が最大になったときの様子を示したものであ
る。

【０１００】両者を比較すると同じ電圧が印加されて
も、最大振幅量は第２の振動発生手段６２を備えた本実
施例の記録ヘッド６０の方が大きいことが分かる。

【０１０１】実際、インク滴を飛翔させて画像を記録さ
せたところ、本実施例では入力電圧が２０Ｖで画像記録
できたのに対して、比較例では３７Ｖ必要であった。
［他の変形例］本発明は、上記実施の形態に限らず、種
々の変形が可能である。

【０１０２】例えば、上記第１〜第４の実施形態では、
異なる正面形状の３種類の弾性部材１２を例にとって説
明したが、本発明はそれらに限定されるものではない。

【０１０３】例えば、図２２（ａ）〜（ｃ）に示すよう
に、最大振幅部２４近傍の少なくとも一部に、振動面２
８においてほぼ２λの幅の領域を有する弾性部材１２を
用い、最大振幅部２４近傍に十分な曲げ振動を伝達させ
ることにより、インク滴を安定して１滴ずつ飛翔させる
ことができる。

【０１０４】さらに、弾性部材１２の側面形状すなわち
板厚に関しても、最大振幅部２４近傍で十分な曲げ振動
を確保できれば良いので、本発明を適用可能な弾性部材
１２は、上記第１〜第４の実施形態で用いた均一な板厚
の板状構造に限るものではない。

【０１０５】例えば、図２３（ａ）〜（ｃ）に示すよう
な最大振幅部２４から基端部１４および他端部１８に向
かって裾広がりの側面形状を有する弾性部材１２でも良
い。このように、裾広がり構造にすると弾性部材１２の
最大振幅部２４近傍では十分な曲げ振動の振幅を得なが
ら、基端部１４近傍および他端部１８では十分な機械的
強度が得ることができるので好適である。

【０１０６】さらに、弾性部材１２は、単一材料、単一
部材から構成される必要はなく、複数の材料、部材から
なる複合構造であってもよい。また、物性（密度、ヤン
グ率等）が部材の位置によって徐々に変化している材料
を用いることも、複数の異なる性能を両立させる方法と
して有効である。

【０１０７】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ノズルを
用いずに微小なインク滴を安定して一滴ずつ一方向に吐
出することが可能となり、高解像度の画像を記録できる
記録ヘッドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態に係る記録ヘッドの正面
図である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る記録ヘッドの側面
図である。

【図３】（ａ）は、振動発生手段に入力される画像信号
のパルス波形を示し、（ｂ）は振動発生手段の駆動信号
のパルス波形を示す図である。

【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係
る弾性部材の１次〜３次にわたる定常波形を示す図であ
る。

【図５】本発明の第１実施形態に係る弾性部材の最大振
幅部の拡大図である。

【図６】最大振幅部近傍におけるインク滴の吐出動作を
説明する図５におけるＸ−Ｘ線断面図である。

【図７】最大振幅部近傍におけるインク滴の吐出動作を
説明する図５におけるＸ−Ｘ線断面図である。

【図８】（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１実施形態に係
る弾性部材から異なったタイミングで吐出したインク滴
の軌跡を示す図である。

【図９】本発明の第２実施形態に係る記録ヘッドの正面
図である。

【図１０】本発明の第２実施形態に係る記録ヘッドの側
面図である。

【図１１】本発明の第２実施形態に係る弾性部材の平面
図である。

【図１２】比較例に係る記録ヘッドの正面図である。

【図１３】比較例に係る記録ヘッドの側面図である。

【図１４】（ａ）〜（ｃ）は、比較例の弾性部材から異
なったタイミングで吐出したインク滴の軌跡を示す図で
ある。

【図１５】本発明の第３実施形態に係る記録ヘッドの正
面図である。

【図１６】本発明の第３実施形態に係る記録ヘッドの側
面図である。

【図１７】本発明の第３実施形態に係る弾性部材の斜視
図である。

【図１８】本発明の第３実施形態に係る弾性部材の最大
振幅部の拡大図である。

【図１９】本発明の第４実施形態に係る記録ヘッドの正
面図である。

【図２０】本発明の第４実施形態に係る記録ヘッドの側
面図である。

【図２１】（ａ）は、本発明の第５実施例に係る弾性部
材の最大振幅量の説明図であり、（ｂ）は、比較例に係
る弾性部材の最大振幅量の説明図である。

【図２２】（ａ）〜（ｃ）は、本発明における弾性部材
の変形例を示す正面図である。

【図２３】（ａ）〜（ｃ）は、本発明における弾性部材
の変形例を示す側面図である。

【符号の説明】

１０、４０、５０、６０ 記録ヘッド １２ 弾性部材 １６ 振動発生手段 ２２ インク ２４ 最大振幅部 ３０ インク滴

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 諏訪部 恭史 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内 (72)発明者 大木 靖 神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーン テクなかい 富士ゼロックス株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像信号に対応して振動する振動発生手
   段と、 前記振動発生手段の励振により曲げ振動する、両端が支
   持された両持ち梁構造である弾性部材と、を備え、振動
   する前記弾性部材の最大振幅部近傍に形成されたインク
   薄膜からインク滴を飛翔させて記録媒体に付着させるこ
   とを特徴とする記録ヘッド。
2. 【請求項２】 前記弾性部材は、前記両持ち梁構造の最
   大振幅部近傍における前記曲げ振動の振動方向に対して
   垂直な面の幅が、ほぼ２λの長さを有していることを特
   徴とする請求項１記載の記録ヘッド。但し、λは以下の
   式で与えられる。 λ＝｛８πσ／（ρfe² ）｝^1/3 ×１０⁴ （μｍ） ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³ ） ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ） である。