JPH11254666A

JPH11254666A - 記録装置

Info

Publication number: JPH11254666A
Application number: JP5707698A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Oki; 靖大木; Yuji Suemitsu; 裕治末光; Hiroaki Sato; 博昭佐藤; Yasushi Suwabe; 恭史諏訪部; Susumu Hiragata; 進平潟
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1999-09-21

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装置を提供することを目的とす
る。【解決手段】記録装置１１は、弾性部材１２が基端部
１４において振動発生手段１６に支持された片持ち梁構
造である。したがって、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、先
端部１８近傍の振動面からインク滴が吐出して記録用紙
にドットを記録する。このように、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。この際、
信号発生手段４４から振動発生手段１６に印加される駆
動信号の前に予備信号を印加することにより、振動発生
手段１６の振動が瞬時に立ち上がり安定状態になる。し
たがって、駆動信号を短くでき、画像記録の高速化も達
成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、記録媒体上にイン
ク滴などの液滴を吐出して画像記録を行う記録装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】記録媒体に液滴、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】しかし、最近では画像記録に対して６００
〜７２０ｄｐｉ（ドット／インチ）というような高解像
度が要求されてきている。そのような要求を満たすため
には、記録媒体上のドット径を小さくする必要があり、
上記のノズル式の記録方式では、ノズル径を小さくして
吐出されるインク滴径を小さくする必要がある。

【０００６】しかしながら、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、ノズル内のインク表
面の乾燥によるノズル詰まり、またそれらが原因である
インク吐出方向の変化を生じやすくなり、記録媒体上の
画質に欠陥を生じる。そのため、ノズル径を小さくする
ことによって、要求される解像度に対応したドット径を
達成することは困難である。

【０００７】そこで、このようなノズルに起因する問題
を解決する方法として、ノズルを用いないで、振動また
は音響波を用いて、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。

【０００８】ノズルを用いない第１の記録方式として
は、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。

【０００９】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。

【００１０】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。

【００１１】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。

【００１２】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／ｓ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。

【００１３】このように、ノズルを用いない第１の記録
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、発熱
によりインク粘度が変化してドロップ径が変動したり、
記録装置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。

【００１４】ノズルを用いない第２の記録方式として
は、振動発生手段で発生した振動を音響ホーンでインク
自由表面の一点に集束させてインク滴を吐出させるもの
がある。

【００１５】例えば、上記の米国特許第４３０８５４７
号明細書には、凹状レンズの代わりに振動発生手段上に
形成した音響ホーンにより振動を集束させ、音響ホーン
先端に接触させたベルト上を搬送されてくるインク薄膜
に、この振動を作用させてインク滴を吐出させることが
示されている。ここでは、音響ホーン先端に吐出力が生
成されることになる。

【００１６】また、同様の従来技術として、特開平４−
１６８０５０号公報には、図１３に示すように、集音体
８０を振動発生手段８２上に設ける記録装置８３が示さ
れている。振動発生手段８２は、圧電体８４およびこれ
に電圧を印加するための電極８６ａ、８６ｂから形成さ
れ、集音体８０とともにインク８８を保持したインクリ
ザーバ９０内に配設される。インク８８中に沈んでいる
集音体８０は、図１３に示すように、先細りの形状に形
成された先端部をインク自由表面９２に向けて配設され
ている。

【００１７】ここで、振動発生手段８２から集音体８０
の底部に振動が入射されると、集音体８０内を伝搬する
のに伴ってその振幅が増幅され、集音体８０で集められ
た大振幅の波がインク８８を叩いて、そこで生じた縦波
がインク自由表面９２を押し上げ、インク滴９４が吐出
されるとしている。

【００１８】ただし、米国特許第４３０８５４７号明細
書や、特開平４−１６８０５０号公報では、集音体また
は音響ホーンを用いるとするものの、その大きさや駆動
条件、振動モードなどは、さらには小径のインク滴を形
成できるか否かについては、述べられていない。

【００１９】音響ホーンに関しては、一般に音響学の分
野においては、共振により集音体（または音響ホーン）
の先端の振幅が大きくなるように振動させてインク滴の
吐出力を得ようとする場合、集音体の垂直断面方向の長
さ（高さ）は振動波の波長の１/ ２の整数倍でなければ
ならないことが知られている。

【００２０】したがって、図１３に示したような従来の
方式において、高密度の記録素子を作製するために集音
体８０を小さくしようとすると、振動波の波長も短くし
なければならず、振動発生手段８２の駆動周波数を高く
しなければならない。

【００２１】したがって、現実的な密度の記録素子を作
製するためには、上述したノズルを用いない第１の記録
方式と同様に、数１０ＭＨｚから１００ＭＨｚ前後とい
う高い周波数で振動発生手段を駆動する必要がある。こ
のため、インク中のエネルギー減衰が大きいとともに、
駆動回路が高価なものとなる。また、米国特許第４３０
８５４７号明細書に開示されているように音響ホーン先
端に接触させたベルトでインク薄膜を安定に搬送するこ
とは、実際上困難であり、吐出するインク滴径もばらつ
きやすい。

【００２２】さらに、ノズルを用いない第３の記録方式
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用いるものが知られてい
る。

【００２３】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 streamin
g）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
り小さいインク滴を形成できるとしている。

【００２４】しかしながら、静電吸引方式では、湿度な
ど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などによって、形成されるドロッ
プ径が変動するという問題を生じる。さらに、静電吸引
方式では、帯電したインク滴を吐出させることで、記録
媒体上の先行ドットの残留電荷によりドット位置ばらつ
きが大きくなるという問題を生じる。

【００２５】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、新規の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。

【００２６】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ヘッド
には応用し得ない。

【００２７】

【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。また、同時に、画像記録の高速化も強く
求められている。

【００２８】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
像度の画像を高速に記録できる記録装置を提供すること
を課題とする。

【００２９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の本発明
は、画像情報に対応して信号を出力する信号発生手段
と、前記信号が入力されることにより振動する振動発生
手段と、前記振動発生手段の励振に応じて振動する片持
ち梁構造であるとともに、インクに接触している弾性部
材と、を備え、前記信号発生手段は、前記振動発生手段
を振動させて弾性部材の表面に形成されたインク薄膜か
らインク滴を飛翔させる駆動信号の前に、前記駆動信号
の周波数と同一またはその整数倍の周波数であり、前記
駆動信号と同期する予備信号を出力することを特徴とす
る。

【００３０】請求項１記載の本発明の作用について説明
する。画像情報に対応して信号発生手段から振動発生手
段に駆動信号が入力されて振動発生手段が振動し、この
振動発生手段の励振によって弾性部材が振動する。この
弾性部材の振動によって前記弾性部材に形成されたイン
ク薄膜からインク滴が飛翔する。このように、ノズルを
使わずに微小なインク滴を生成できるため、目詰まりな
どなく、安定してインク滴を飛翔させることができる。
この結果、高解像度の画像記録が可能になる。

【００３１】この際、信号発生手段は、駆動信号の前に
駆動信号の周波数と同一またはその整数倍の周波数であ
り、駆動信号と同期する予備信号を振動発生手段に入力
する。したがって、振動発生手段が駆動信号が入力され
る前に予備信号により予め振動させられており、駆動信
号が入力された時に所定の振動状態まで素早く立ち上が
る。すなわち、インク薄膜にインク滴吐出のためのエネ
ルギーを伝える信号の入力時間が短くて済み、画像記録
の高速化が図れる。

【００３２】

【発明の実施の形態】［第１実施形態］本発明の第１の
実施形態に係る記録装置について図１〜図４を用いて説
明する。

【００３３】まず、本実施形態に係る記録装置の概略説
明を行う。図１および図２は、記録装置１１の側面図お
よび正面図である。図２は、理解を容易にするため、図
１に示したインク室壁３０ａ、３０ｂは図示を省略して
いる。

【００３４】記録装置１１は、記録ヘッド１０と信号発
生手段４４から構成されている。記録ヘッド１０には、
弾性部材１２が基端部１４で振動発生手段１６に支持さ
れ、先端部１８が自由端となる片持ち梁構造に配設され
ている。振動発生手段１６は、信号発生手段４４からの
駆動信号に基づいて励振し、この励振により弾性部材１
２が共振する。この際、弾性部材１２には、図示しない
インク供給源からインク室２０に供給されたインク２２
が表面張力により先端部１８まで到達している。したが
って、弾性部材１２の曲げ振動により先端部１８近傍に
形成されたインク２２の薄膜からインク滴４８が飛翔し
て記録媒体である記録用紙にドットを記録する。

【００３５】次に、記録装置１１を構成する各部材につ
いて詳細に説明する。弾性部材１２は、正面からみる
と、先端部１８近傍が先細の略三角形状になっており、
側面からみると板厚が均一な板体である。弾性部材１２
は、セラミック基板２４ａ、２４ｂの間に基端部１４が
挟持固定された片持ち梁構造となっているため、振動発
生手段１６の励振によって曲げ振動を行うと、自由端で
ある先端部１８が最も大きな振幅を有することになる。
また、弾性部材１２の一部は、インク室２０に保持され
たインク２２に接触するように構成されている。

【００３６】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、先端部１８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、SiO₂、Al₂O₃等の
無機材料、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。

【００３７】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。

【００３８】振動発生手段１６はＰＺＴ（ジルコン酸チ
タン酸鉛）からなる圧電セラミック薄膜２６と、これに
電圧を印加するための電極２８ａ、２８ｂから構成され
る。振動発生手段１６は、セラミック基板２４ａ、２４
ｂの下側（インク室２０側と反対側）の面（以下、下面
という）に固着され、弾性部材１２の基端部１４と当接
している。ＰＺＴからなる圧電セラミック薄膜２６は分
極処理が施されており、電極２８ａ、２８ｂ間に電圧が
印加されたとき、セラミック基板２４ａ、２４ｂの下面
に対して垂直な方向に振動する。

【００３９】また、本実施形態の圧電セラミック薄膜２
６は圧電材料としてＰＺＴを選択したが、他に水晶、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ＰＶＤＦ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もできる。もちろん、記
録ヘッドの設計する際に、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〜１ＭＨｚ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。

【００４０】振動発生手段１６は圧電材料に限定され
ず、画像情報を受け取った信号発生手段４４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が適用可能である。

【００４１】インク室２０は、セラミック基板２４ａ、
２４ｂに上にセラミック材料で作成されたインク室壁３
０ａ、３０ｂ、隔壁４２および天板３２により構成され
る。インク２２はインク供給路３４を通して、図示しな
いインク供給源からインク室２０に供給される。このと
き、インク２２によって弾性部材１２の先端部１８まで
濡れるように、インク２２の表面張力や粘性等の物性、
あるいは弾性部材１２の濡れ性を調整する。なお、イン
ク室壁３０ａ、隔壁４２および天板３２によって形成さ
れる孔部がインク滴吐出口３６となる。

【００４２】各インク室２０の下部（セラミック基板２
４ａ、２４ｂの下面）には、各弾性部材１２には対応す
る振動発生手段１６がそれぞれ設けられている。この振
動発生手段１６における圧電セラミック薄膜２６は、個
別に形成して駆動してもよいが、本実施形態では図２に
示すように共通化している。共通化した場合には、各電
極２８ａ間に絶縁部材３８を設けて絶縁するとともに、
いずれかの振動発生手段１６で発生する振動が他の振動
発生手段１６上の弾性部材１２を励振させてしまうこと
がないように、アルミ板からなる支持基板４０により圧
電セラミック薄膜２６を固定することが望ましい。ま
た、各インク室２０は、隔壁４２によって隔てられ、弾
性部材１２によるインク液面の振動が隣接するインク室
２０のインク液面に影響しないように構成されている。

【００４３】インク室２０を構成するセラミック基板２
４ａ、２４ｂ、インク室壁３０ａ、３０ｂ、天板３２、
隔壁４２は、全て同一のセラミック材料で作製すること
が望ましく、一体成形、または個別に形成してから接着
するいずれかの方法で作製することができる。また、セ
ラミック基板の代わりにプラスチック基板を用いてもよ
い。

【００４４】次に、記録装置１１の動作について図３〜
図９を用いて説明する。図３は振動発生手段１６で振動
を発生させたときの弾性部材１２の様子を示した側面図
である。図４は曲げ振動している弾性部材１２の先端部
１８の側面拡大図である。

【００４５】先ず、画像信号が１画素ずつ信号発生手段
４４に入力される。これにより、信号発生手段４４から
振動発生手段１６に駆動周波数ｆの交番電圧波形である
駆動信号が印加され、この駆動信号で振動発生手段１６
が励振される。

【００４６】ここで、駆動周波数ｆはいかなる値でもよ
いが、振動発生手段１６の共振周波数ｆ_Oまたはその整
数倍の周波数ｆで駆動すると効率よく振動させられるの
で好ましい。ここで、共振周波数ｆ_Oは、セラミック基
板２４ａ、２４ｂの剛性、圧電セラミック薄膜２６の厚
さ、圧電特性から決まる。

【００４７】振動発生手段１６の励振は、信号発生手段
４４から入力される駆動信号に応じて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。

【００４８】すなわち、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（図５（ａ）参照）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。

【００４９】インク滴４８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。振動発
生手段１６に印加する交番電圧の電圧値Ｖやバースト波
の数は、使用するインクの粘度、インク薄膜の厚さ（以
下、インク液厚みという）ｔ（図４参照）等の条件によ
って決まる。

【００５０】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、セラミック基板２
４ａ、２４ｂに挟持された基端部１４を中心にして矢印
Ａ方向（図３参照、以下Ａ方向という）に曲げ振動を行
う。

【００５１】ここで、弾性部材１２は、その剛性、大き
さ、インクとの接触の仕方などから決まる固有の共振周
波数ｆ_eを有する。したがって、固有の共振周波数ｆ_e
またはこの整数倍の値が、振動発生手段１６を励振する
駆動周波数ｆと一致するように、弾性部材１２の剛性、
大きさ、インクとの接触の仕方などを調整しておけば、
弾性部材１２を効率よく曲げ振動させることができる。

【００５２】このように弾性部材１２が曲げ振動するこ
とによって、先端部１８の振動方向に垂直な面（以下、
振動面という）４５におけるインク液厚みｔが所定範囲
（数μｍ〜数百μｍ）になると、インク表面にキャピラ
リ波４６が発生する（図４参照）。インク２２は例え
ば、粘度２ｍＰａ・ｓの黒色水性インクである。インク
液厚みｔは弾性部材１２の先端部１８の形状、インク室
２０におけるインク２２の液面高さ、先端部１８のイン
ク２２に対する濡れ性などを制御することによって調整
可能である。

【００５３】キャピラリ波４６が発生する状態を図６〜
図８を参照して説明する。図６は弾性部材１２の先端部
１８近傍の正面拡大図であり、図７および図８は、図６
のＸ−Ｘ線断面図である。

【００５４】キャピラリ波４６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７
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４６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８に示すように、２山のキャピラリ波４６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。

【００５５】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４８が
飛翔する。

【００５６】このように、一滴ずつインク滴４８を安定
的に飛翔させるためには、弾性部材１２の先端部１８近
傍において、弾性部材１２の振動面４５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、先端部１
８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。

【００５７】 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。

【００５８】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４８は、振動発
生手段１６に入力された適切な波形の駆動信号により弾
性部材１２の先端部１８近傍のインク飛翔点Ｐから振動
面４５に垂直な方向に安定して飛翔し、記録用紙にドッ
トを記録する。

【００５９】なお、先端部１８近傍における振動面４５
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。

【００６０】また、振動面４５の幅Ｗが３λ程度以上の
場合も、キャピラリ波は発生しにくい。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。

【００６１】このように、信号発生手段４４から入力さ
れる駆動信号により振動発生手段１６を励振させて弾性
部材１２を曲げ振動させる記録装置１１は、先端部１８
近傍の幅Ｗ＝２λ付近の振動面４５から記録用紙にイン
ク滴４８を一滴ずつ安定的に飛翔させる。

【００６２】このように記録装置１１では、弾性部材１
２の先端部１８の振幅を十分大きくすることによって、
キャピラリ波４６のインク隆起部がインク滴４８となっ
て飛翔する。インク滴４８の直径は典型的には約２０μ
ｍである。

【００６３】また、記録装置１１では、先端部１８にお
いて一方向（インク滴吐出口３６側）のみに飛翔させる
ため、飛翔させない側（インク室壁３０ｂ側）のインク
液厚みｔを厚くするようにしてキャピラリ波の発生を抑
制した。インク液厚みｔを厚くする方法としては、イン
ク室壁３０ｂのインクの濡れ性を制御してもよいし、イ
ンク室壁３０ｂのインク室２０側壁面に凸部を設けてイ
ンクの液面高さを規定してもよい。

【００６４】インク滴４８を一方向のみに飛翔させるた
めの他の方法として、飛翔させない側の先端部１８にイ
ンク２２が全く供給されない構成も考えられる。

【００６５】さらに、振動面４５においてキャピラリ波
４６が発生する領域を制限するため、先端部１８の形状
は図２に示すような先鋭状である三角形状とし、１ヵ所
のキャピラリ波４６のみからインク滴４８が吐出するよ
うな構成とした。

【００６６】このように構成された記録装置１１は、弾
性部材１２からインク滴４８を飛翔させる駆動信号の前
に弾性部材１２を予備振動させる予備信号をつけた入力
信号を信号発生手段４４から振動発生手段１６に入力す
ることによって、画像記録の高速化を図っている。

【００６７】そこで、予備信号付き駆動信号と予備信号
無し駆動信号をそれぞれ振動発生手段１６に印加した場
合について比較して、本実施形態の作用を説明する。

【００６８】予備信号無しの駆動信号（以下、第１入力
信号という）を信号発生手段４４から振動発生手段１６
に対して印加した場合について、先ず説明する。

【００６９】第１入力信号の交番電圧波形を図５（ａ）
に示す。本実施形態においては、駆動周波数ｆ、印加電
圧Ｖ１（最高最低振幅）の正弦波状の交番電圧をバース
ト波として振動発生手段１６に印加時間ｔ１だけ印加す
る。すなわち、駆動周波数ｆの正弦波状の交番電圧を１
０バースト分印加したことになる。

【００７０】また、この第１入力信号（交番電圧）の印
加はインク滴４８が吐出した後に停止され、所定の時間
（間隔）ｔ２の経過後、再び第１入力信号（交番電圧）
を印加して次のインク滴４８を吐出させる。すなわち、
時間ｔ２の間隔で繰り返し印加される。

【００７１】この場合の振動発生手段１６の振動状態を
図５（ｂ）に示す。これは第１入力信号（交番電圧）を
振動発生手段１６に印加すると、停止していた振動発生
手段１６が所定の振幅まで瞬時に立ち上がらず、徐々に
振動が安定していく（振幅が大きくなっていく）様子を
示している。この結果、弾性部材１２の振動の立ち上げ
にも時間を要するため、インク滴４８を吐出するまでの
第１入力信号の印加時間を長くしなければならなくな
る。したがって、画像記録の高速化が難しい。

【００７２】次に、予備信号と駆動信号からなる入力信
号（以下、第２入力信号という）を印加した場合につい
て説明する。

【００７３】第２入力信号の交番電圧波形を図９（ａ）
に示す。振動発生手段１６に入力される第２入力信号の
中、駆動信号は第１入力信号と波形が同一でバースト数
のみ異なる。すなわち、第１入力信号の５バースト分、
印加時間ｔ４（ｔ４＜ｔ１）だけ印加するものである。
この駆動信号の前に振動発生手段１６を振動させる予備
信号を印加する。予備信号は、駆動周波数ｆ、印加電圧
Ｖ２（最高最低振幅）（＜Ｖ１）で印加時間ｔ３だけ印
加するものである。

【００７４】ここで重要なのは、予備信号の周波数が駆
動信号の周波数と同一またはその整数倍であることと、
予備信号を駆動信号と同期させることである。このよう
に予備信号を設定することにより、予備信号による振動
発生手段１６の振動状態が減衰することなく駆動信号に
よる振動状態に引き継がれることになる。

【００７５】このように設定された予備信号が振動発生
手段１６に印加されると、振動発生手段１６が小さい振
幅で予備振動を行う。この後に駆動信号が印加される
と、振動発生手段１６の振動が瞬時に立ち上がり安定す
る（図９（ｂ）参照）。したがって、駆動信号の印加時
間が短く（ｔ４＜ｔ１）てすみ、しかも予備信号を含め
た第２入力信号全体の印加時間が第１入力信号より短い
（ｔ３＋ｔ４＜ｔ１）。

【００７６】このように、駆動信号の前に予備信号を振
動発生手段に印加しておくことによって、駆動信号入力
後の振動発生手段１６の振動が瞬時に立ち上がる（振動
が安定する）。したがって、第２入力信号（駆動信号）
を短くできる。これにより、画像記録の高速化が可能と
なる。

【００７７】なお、入力信号（予備信号＋駆動信号）の
印加時間を短くするためには、予備信号が少なくとも駆
動信号の１周期以上の時間、印加されることが好まし
い。また、予備信号の印加電圧は、予備信号の印加だけ
でインク滴が吐出しないものでなければならない。［実施例］本発明の実施例について説明する。なお、記
録装置１１の構成は第１実施形態と同様である。

【００７８】弾性部材１２の寸法は、図１、図２および
図６に示すように、基端部１４の幅ａが３００μｍ、イ
ンク室内の高さｂが２８０μｍ、先端部１８近傍の幅Ｗ
が６０μｍ、厚さＤが１０μｍである。本実施例の弾性
部材１２は、ニッケルを用いてエレクトロフォーミング
によって形成される。また、弾性部材１２は約１００μ
ｍ厚のセラミック基板２４ａ、２４ｂとの間に挟まれる
ように固着されている。

【００７９】なお、インク２２には以下の物性（密度ρ
および表面張力σ）を備えている。 ρ＝１．１０ｇ／ｃｍ³ σ＝３７ｍＮ／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＝１９２ｋＨｚとして励振すると、弾性部材１２
の先端部１８が曲げ振動し、先端部１８近傍の振動面４
５（インク飛翔点Ｐ）からインク２２がインク滴４８と
して安定して一滴ずつ飛翔する。

【００８０】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の値を上記（式
１）に代入して得られる値は、λ＝２８μｍとなる。従
って、安定的にインク滴２４が飛翔した振動面４５の先
端部１８近傍の幅Ｗ（＝６０μｍ）は、Ｗ＝２．１λと
なり、ほぼ２λに等しい。

【００８１】このように構成された記録装置１１におい
て、予備信号付きの第２入力信号が振動発生手段１６に
入力されることにより、画像記録の高速化が行われる作
用を以下のようにして確認した。

【００８２】まず、予備信号無しの第１入力信号で振動
発生手段１６を励振させた場合について説明する。

【００８３】第１入力信号は、図５（ａ）に示すよう
に、駆動周波数ｆ＝１９２ｋＨｚ、印加電圧Ｖ＝３０Ｖ
_p-p（最高最低振幅）の正弦波状の交番電圧をバースト
波として印加時間ｔ１＝５２μ秒だけ振動発生手段１６
に印加するものである。

【００８４】この第１入力信号を印加することによる振
動発生手段１６の振動波形を図１０（ａ）に示す。この
ように振動発生手段１６は、第１入力信号が入力された
直後は立ち上げのため振動が安定せず、安定するまでの
時間分、余計に振動発生手段１６に駆動信号を入力しな
ければならない。そこで、印加時間ｔ１＝５２μ秒（１
０バースト分）にわたって第１入力信号を印加すること
によって、飛翔方向の安定したインク滴が吐出した。

【００８５】次に、第１入力信号を２６μ秒（５バース
ト分）として画像記録実験を行ったときの振動発生手段
１６の振動波形を図１０（ｂ）に示す。この場合も、第
１入力信号が入力された直後は振動発生手段１６の振動
が立ち上げのため安定せず、インク滴は吐出するものの
飛翔方向がばらつく結果になった。

【００８６】最後に、インク滴が飛翔しない程度の予備
信号が付いた第２入力信号を用いて画像記録実験を行っ
た。第２入力信号を印加した場合の振動発生手段１６の
振動波形を図１０（ｃ）に示す。

【００８７】第２入力信号は、図９（ａ）に示すよう
に、駆動信号が駆動周波数ｆ＝１９２ｋＨｚ、印加電圧
Ｖ１＝３５Ｖ_p-p（最高最低振幅）、予備信号が駆動周
波数ｆ＝１９２ｋＨｚ、印加電圧Ｖ２＝１０Ｖ_p-p（最
高最低振幅）の正弦波状の交番電圧をバースト波として
それぞれ印加時間ｔ４＝２６μ秒、ｔ３＝１０μ秒だけ
振動発生手段１６に印加するものである。

【００８８】このように、駆動信号入力直後から振動発
生手段１６の振動が瞬時に立ち上がって安定し、飛翔方
向が安定したインク滴４８が吐出した。

【００８９】図１０（ａ）と図１０（ｃ）を比較する
と、予備振動が無い第１入力信号の場合には、安定した
インク滴４８を吐出するために必要な印加時間ｔ１が５
２μ秒とかかるのに対し、予備振動がある第２入力信号
の場合には予備信号（印加時間ｔ３）と駆動信号（印加
時間ｔ４）を加えた第２入力信号全体（ｔ３＋ｔ４）で
も３６μ秒しかかからず、画像記録の高速化を確認する
ことできた。

【００９０】また、図１０（ａ）と図１０（ｃ）を比較
すると、駆動信号の印加時間が同じであっても予備信号
が付いた第２入力信号を印加した場合の方が安定してイ
ンク滴を吐出することが観察された。

【００９１】さらに、予備信号は振動発生手段１６の励
振周波数と同じでなくてもよく、インク滴を吐出する間
隔（以下、吐出周波数という）と同期がとれていれば、
飛翔方向の安定したインク滴４８を吐出できることを確
認した。

【００９２】それに伴い、振動発生手段１６を常時振動
させておくことによってインク滴４８を吐出する周波数
は３０ｋＨｚ程度に高速化できることを確認した。一
方、予備振動なしの第１入力信号で画像記録した場合の
吐出周波数は数ｋＨｚ程度であった。

【００９３】以上、駆動信号の前に予備信号を加えた第
２入力信号を振動発生手段１６に入力することで、画像
記録の高速化が可能になった。［第２実施形態］次に、第１の実施形態と同様の記録ヘ
ッドを設置した記録装置について説明する。第１実施形
態と同様な構成要素には、同一の参照符号を付し、その
詳細な説明を省略する。

【００９４】先ず、記録装置の主要部であるアレイヘッ
ドについて説明する。図１１は、アレイヘッドの斜視図
である。

【００９５】アレイヘッド５０は、上下方向に４段に重
ねられた記録ヘッド部５２ａ〜５２ｄ（第１実施形態の
記録ヘッド１０を各インク室に格納）と、記録ヘッド部
５２ａ〜５２ｄの背面に取り付けられたインク供給部５
４ａ〜５４ｄとを有している。記録ヘッド部５２ａ〜５
２ｄの間、およびインク供給部５４ａ〜５４ｄの間に
は、支持基板４０が設けられている。それぞれの記録ヘ
ッド部５２ａ〜５２ｄには、インク供給部５４ａ〜５４
ｄに一色ずつ格納された黒、イエロー、マゼンタ、シア
ンのインク２２がそれぞれ供給され、第１実施形態で説
明した動作に基づいて、インク滴吐出口３６から所定の
色のインク滴４８を飛翔させる。

【００９６】このアレイヘッド５０を設置した記録装置
６０を図１２に示す。記録装置６０には、図１１で示し
たアレイヘッド５０がキャリッジ６２に固定され、イン
クカートリッジ６４と接続される。インクカートリッジ
６４はその内部に黒、イエロー、マゼンタ、シアンの４
色のインク２２を保持したものである。キャリッジ６２
はガイド６６に案内されて往復運動する。記録用紙６８
はローラ７０に巻き付けられ、ローラ７０の回転とキャ
リッジ６２の動きによって、記録用紙６８の全面にわた
って画像が記録される。

【００９７】この場合、本実施形態の記録装置６０で
は、キャリッジ６２によってアレイヘッド５０が紙幅方
向へ移動し、第１の実施形態の記録ヘッド１０からイン
ク滴が記録用紙６８に安定的に飛翔することで、高解像
度の画像記録を行うことができる。

【００９８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、ノズル
を用いずに微小なインク滴を吐出することが可能となる
ため、ノズルの目詰まりなどの問題を生じることなく、
高解像度の画像を記録することができる。

【００９９】さらに、信号発生手段が駆動信号の前に予
備信号を振動発生手段に入力することにより、信号入力
からインク滴飛翔までの時間を短縮でき、画像記録の高
速化が可能となる。

【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装置の側面図
である。

【図２】本発明の第１実施形態に係る記録装置の正面図
である。

【図３】本発明の第１実施形態に係る記録装置の振動発
生手段により弾性部材を振動させたときの様子を示した
側面図である。

【図４】本発明の第１実施形態に係る弾性部材が曲げ振
動しているときの側面の拡大図である。

【図５】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る振動発
生手段に対して信号発生手段から印加される第１入力信
号の交番電圧波形を示す図であり、（ｂ）は、振動発生
手段が前記第１入力信号に基づいて振動する振動状態を
示す図である。

【図６】本発明の第１実施形態に係る弾性部材の先端部
近傍の正面拡大図である。

【図７】キャピラリ波の状態を示す図６におけるＸ−Ｘ
線断面図である。

【図８】キャピラリ波の状態を示す図６におけるＸ−Ｘ
線断面図である。

【図９】（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る振動発
生手段に対して信号発生手段から印加される第２入力信
号の交番電圧波形を示す図であり、（ｂ）は、振動発生
手段が前記第２入力信号に基づいて振動する振動状態を
示す図である。

【図１０】（ａ）は、本発明の第１実施例に係る記録装
置において第１入力信号による振動発生手段の振動状態
を説明する図であり、（ｂ）は、第１入力信号による振
動発生手段の振動状態を説明する図であり、（ｃ）は、
第２入力信号による振動発生手段の振動状態を説明する
図である。

【図１１】本発明の第２実施形態に係る記録装置のアレ
イヘッドを示す斜視図である。

【図１２】本発明の第２実施形態に係る記録装置を示す
斜視図である。

【図１３】従来例に係るノズルを用いない記録装置を示
す図である。

【符号の説明】

１０記録ヘッド１１記録装置１２弾性部材１６振動発生手段２２インク４４信号発生手段６０記録装置

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)発明者平潟進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

【特許請求の範囲】

【請求項１】画像情報に対応して信号を出力する信号
発生手段と、前記信号が入力されることにより振動する振動発生手段
と、前記振動発生手段の励振に応じて振動する片持ち梁構造
であるとともに、インクに接触している弾性部材と、を備え、前記信号発生手段は、前記振動発生手段を振動
させて弾性部材の表面に形成されたインク薄膜からイン
ク滴を飛翔させる駆動信号の前に、前記駆動信号の周波
数と同一またはその整数倍の周波数であり、前記駆動信
号と同期する予備信号を出力することを特徴とする記録
装置。