(57)【要約】      （修正有）【課題】装置の大型化を招くことなく、しかも微小液滴の飛翔を必要かつ充分な状態で行わせることができる液滴飛翔装置を得る。【解決手段】圧電材からなる超音波生成部４と超音波伝播する伝播部を兼ねたインク層３と、インク出射用の穴２の開いているインク層の液厚を規制する規制板１からなる音響放射圧による液滴飛翔装置において、超音波生成部からインク層液面までの距離ｄが、振動部の半径をｒとし、超音波周波数はｆ、インクの音速をｃとしたときに、2010046857.tif 000008となり、そのときの音圧をＰ（ｄ１）としたときに、Ｐ（ｄ２）＝Ｐ（ｄ１）×０．８、Ｐ（ｄ３）＝Ｐ（ｄ１）×０．８となるｄ２、ｄ３に対しｄ２≦ｄ≦ｄ３を満たすように構成する。【選択図】図２
2010046857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧電材からなる超音波生成部と、超音波伝播する伝播部を兼ねたインク層と、インク出射用の穴の開いているインク層の液厚を規制する規制板からなる音響放射圧による液滴飛翔装置において、
超音波生成部からインク層液面までの距離ｄが、振動部の半径をｒとし、超音波周波数はｆ、インクの音速をｃとしたときに、
【数１】
2010046857.tif 000007
となり、
そのときの音圧をＰ（ｄ１）としたときに、Ｐ（ｄ２）＝Ｐ（ｄ１）×０．８、Ｐ（ｄ３）＝Ｐ（ｄ１）×０．８となるｄ２、ｄ３に対し、ｄ２≦ｄ≦ｄ３を満たすように構成したことを特徴とする液滴飛翔装置。
【請求項２】
請求項１記載の液滴飛翔装置において、
ｄ２の厚さの伝播部を設け、
インクの厚さをｄ３−ｄ２の厚さにする装置を設けたことを特徴とする液滴飛翔装置。
【請求項３】
請求項２記載の液滴飛翔装置において、
インクの厚さをｄ３−ｄ２の厚さにする装置を規制板で構成し、この規制板の厚さでインクを規制するように構成したことを特徴とする液滴飛翔装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、たとえば音響式インクジェット記録装置などにおける液滴飛翔装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば２０ＭＨｚ程度の低周波超音波を使用し、副走査方向はフレネルレンズで、主走査方向は位相ずらしによる電子式集束方式により超音波をインク液面に集束させ、インク滴を飛翔させる方式による装置において、インク液面の高さを中心軸上の音圧から規定するために、液厚と使用する複数の圧電素子の数で定義する方法が、従来から提案されている（例えば特許文献１参照）。
【０００３】
このような構成による従来装置では、主走査方向に配置されている分離された圧電素子の１滴あたりの使用個数を減らす効果がある。
【０００４】
【特許文献１】特許第３４６６８２９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、このような従来装置にあっては、圧電素子の大きさを微小にすることはできず、また複数個の圧電素子を使って１滴を飛翔させるために、その一つの圧電素子群の大きさは小さくでも数百μｍ単位となる。
さらに、このような圧電素子を使い、かつ集束装置なしで飛翔させようとした場合、その液滴は圧電素子の大きさから大きく小さくなるものではない。
【０００６】
仮の１／５程度の液滴が飛翔できるとしても、その大きさはΦ１００μｍ程度となり、一般的なインクジェットプリンタで必要な液滴を実現することは不可能であった。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、装置の大型化を招くことなく、しかも微小液滴の飛翔を必要かつ充分な状態で行わせることができる液滴飛翔装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このような目的に応えるために本発明（請求項１記載の発明）に係る液滴飛翔装置は、ＰＺＴ、ＺｎＯ等の圧電材からなる超音波生成部と、超音波伝播する伝播部を兼ねたインク層と、インク出射用の穴の開いているインク層の液厚を規制する規制板からなる音響放射圧による液滴飛翔装置において、超音波生成部からインク層液面までの距離ｄが、振動部の半径をｒとし、超音波周波数はｆ、インクの音速をｃとしたときに、
【数１】
2010046857.tif 000003
となり、そのときの音圧をＰ（ｄ１）としたときに、Ｐ（ｄ２）＝Ｐ（ｄ１）×０．８、Ｐ（ｄ３）＝Ｐ（ｄ１）×０．８となるｄ２、ｄ３に対し、ｄ２≦ｄ≦ｄ３を満たすように構成したことを特徴とする。
【０００９】
本発明（請求項２記載の発明）に係る液滴飛翔装置は、請求項１において、ｄ２の厚さの伝播部を設け、インクの厚さをｄ３−ｄ２の厚さにする装置を設けたことを特徴とする。
【００１０】
本発明（請求項３記載の発明）に係る液滴飛翔装置は、請求項２において、インクの厚さをｄ３−ｄ２の厚さにする装置を規制板で構成し、この規制板の厚さでインクを規制するように構成したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明したように本発明に係る液滴飛翔装置によれば、音響レンズ等の集束装置を使用することなく、平面振動子から出射される超音波により、保持されたインクをインク滴化して飛翔させる際に、そのインク液面の高さを平行超音波の中心軸上の音圧が強くなる高さとしているから、液面の位置を、伝播超音波の中心軸上の音圧が安定的にピークとなり、その位置での音圧分布が中心軸を中心に山型の音圧分布をしている位置に合わせることにより、音響レンズ等の集束部材を設置することなく、微小液滴の飛翔を可能にすることができる。
【００１２】
また、本発明によれば、インクと振動子の間にインクと同等の音速をもつ液剤とその液剤とインク分離するための膜をもち、液剤の厚さが伝播超音波の音圧の安定領域のピーク値の８０％となる振動面からのピーク距離に対する直前距離とし、分離膜を挟んでインク規制板の表面までの距離を、伝播超音波の音圧の安定領域のピーク値の８０％となる振動面からのピーク位置を過ぎた個所の距離とすることができる。したがって、このような本発明によれば、伝播部とインク層を分離し、伝播部の厚さを必要な超音波伝播距離の最少距離とし、インクの厚さを最少距離から最大距離までの厚さとしたことにより、適正なインク厚の制御を可能とすることができる。
【００１３】
さらに、本発明によれば、インク規制板の厚さをインクの厚さ範囲としたことにより、適正なインク厚の制御をより容易なものとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１ないし図９は本発明に係る液滴飛翔装置の第１実施形態を示す。
これらの図において、図１に示す液滴飛翔装置の概要を簡単に説明すると、シリコン／ガラスを基板とし、ＰＺＴまたはＺｎＯ等の圧電薄膜を成膜し、その圧電膜は図示されていないＰｔやＡｕ等の電極で挟まれており、振動部４を形成し、同様に図示されていない駆動部により駆動される。
【００１５】
振動部４はＳｉｏ２等のインク保護膜によりインク３から保護されており、インク３は規制板１によりインク厚を規制されており、振動部４に応じた位置に規制板１の穴２が設けられている。
【００１６】
ここで、振動部４の形状は方形、円形等が考えられるが、ここでは円形として説明する。また、図２に示すように、振動部の半径をｒとし、振動部から液面までの距離をｄとする。超音波周波数はｆとする。このときのインクの音速をｃとする。
このとき、中心軸上の音圧が安定して高域となる位置は丸善（株）発行の“超音波便覧”によれば、
このとき液面までの距離ｄは、（膜の厚さはｄに比べ非常に薄いために無視可能であり）
【数１】
2010046857.tif 000004
を中心とした位置にあることがわかる。
【００１７】
ここで、周波数ｆを２５０ＭＨｚ、振動部４の半径を２０μｍ、インク３として音速１５００ｍの液剤の場合について、具体的に説明する。
【００１８】
図３に中心軸上の音圧を計算したグラフを示す。
値は最大値を１としてその相対値を示す。
上記の式（１）によれば、音圧の高域となる位置は７０μｍ程度になるが、図３においても同等の値を示していることがわかる。
音圧が設定値に対し８０％以上あれば、安定した液滴飛翔が得られるために、図３から液面の高さｄは５５μｍ〜１００μｍに設定する。
【００１９】
この時の液面の放射圧の分布を、図４に示す。
この図４により５５〜１００μｍの範囲であればセンターに集中した放射圧が得られていることがわかる。
【００２０】
観察と液面までの厚さを容易に設定するために、図５に示す実験装置を用い、周波数２５０ＭＨｚ、Φ１２０μｍの振動子を振動部４に使用し、１５０μｍの石英ガラスを伝播材（伝播部５）としてインク飛翔の実験を行った。
【００２１】
このような実験装置では、振動部４にて生成された２５０ＭＨｚ超音波はガラス（伝潘部５）を伝播しインク３へ到達するが、Φ１２０μｍの振動部４の場合、ガラス（伝潘部５）の伝播時には中心音圧の分布はおよそ１５０μｍで式（１）を満たす安定音圧領域となる。
ここで、ガラス（伝潘部５）の表面に薄層のインク層３を規制板１を使用して設置している。
【００２２】
そして、実験の結果、超音波照射バースト長５０μｓでΦ４０μｍ程度の液滴の飛翔が確認された（図６）。
また、駆動電圧を初期値に対し８０％程度まで下げても飛翔液滴に変化がないことを確認した（図７）。
【００２３】
中心軸上の音圧は次式であらわされる（参考：超音波便覧）。
【数２】
2010046857.tif 000005
ここで、Ｐ：音圧、ρ：伝播媒質の密度、Ｃ：伝播媒質の音速、Ｖ：振動速度、ｘ：距離、ｒ：振動半径である。
【００２４】
また、図８および図９は図１に示す液滴飛翔装置によるヘッドの概略構成を示す。
このような液滴飛翔装置において、ヘッドのインク飛翔部である出射口６としては、たとえば図８に示すように、複数の丸い出射口６をもつ場合やライン状に長さをもつ出射口６をもつ場合等がある。
【００２５】
このようなインク飛翔部の詳細は、図９に示す通りである。
すなわち、図中７はＰＺＴやＺｎＯ等の圧電材からなる超音波発生材である。この超音波発生材７は図示されていない電極で上下に挟まれており、基材８にスパッタ等の成膜技術で生成されている。
【００２６】
超音波発生材７は、図示されていない駆動部により高周波駆動されて超音波を出射する。出射された超音波は液材層９を伝搬し、規制板１の穴２で規制されている液面で発生する放射圧により液剤を液滴として噴射する。このとき、規制板１は、液面の電極から空気までの高さを一定にする役割りや液が垂れない役割を持っている。規制板１の穴２は、規制板１に電極の位置と同じ位置に電極から出射された超音波を塞がないような位置に設けられている。
【００２７】
以上の構成によれば、音響レンズ等の集束装置を使用することなく、振動子から出射される超音波により、保持されたインクをインク滴化し飛翔させるにあたって、そのインク液面の高さを平行超音波の中心軸上の音圧が強くなる高さとすることができる。そして、液面の位置を伝播超音波の中心軸上の音圧が安定的にピークとなり、その位置での音圧分布が中心軸を中心に山型の音圧分布をしている位置に合わせることができ、これにより集束部材を設置することなく、微小液滴の飛翔を可能にすることができるものである。
【００２８】
図１０は本発明の第２実施形態を示す。
同図において、振動部４から出射された超音波は伝播液１２を透過し、隔膜１１を透過してインク３に達し、インク液滴を飛翔させる。この時、伝播液１２は水等インクの音速と同等とする。また、隔膜１１はインク音速に近い材料を選択し、その厚さもインク厚に比べ薄い膜とする。
【００２９】
圧電材部からインク液面までの距離ｄ１が、振動部の半径をｒとし、超音波周波数はｆ、インクの音速をｃとした時に、
【数３】
2010046857.tif 000006
となる。
【００３０】
そのときの音圧をＰ（ｄ１）としたときに、ｄ１は安定した高域のピークを示す位置である。
ここで、Ｐ（ｄ２）＝Ｐ（ｄ１）×０．８、Ｐ（ｄ３）＝Ｐ（ｄ１）×０．８となるｄ１前後に位置する位置ｄ２、ｄ３に対し、図１１の伝播部（伝搬液１２）の厚さをｄ２とし、インク厚ｄ４を、ｄ４≦ｄ３−ｄ２を満たすように設定する。
【００３１】
また、インクの渇き、あるいは供給が困難になることから、インク厚は１０μｍ以上あることがのぞましい。
これにより、圧電部からインクの液面までの距離ｄは、図３におけるｄ２、ｄ３に対し必ずｄ２＜ｄ≦ｄ３の範囲に入り  液面における音圧は、安定した高域の範囲内、つまりピーク値Ｐに対し８０％以上の音圧領域を確保できる。
【００３２】
ｆ＝２５０ＭＨｚ、Φ＝４０μｍの時、安定ピーク位置の前側の８０％位置ｄ２はおよそ５５μｍ、後ろ側８０％の位置はおよそ１００μｍとなる。これより伝播部の厚さｄ２は５５μｍ、インク層の厚さｄ４は、１０≦ｄ４≦（１００−５５）、つまり１０μｍ≦インク層厚≦４５μｍであれば、良好なインク飛翔が可能となる。
【００３３】
したがって、規制板１の厚さを４５μｍとすればあふれない範囲でインク３が存在すれば、必ず正しい液面を確保することが可能である。
【００３４】
そして、このような実施形態によれば、インク３と振動子４の間にインクと同等の音速をもつ液剤１２とその液剤１２とインク分離する為のためをもち、液剤１２の厚さが伝播超音波の音圧の安定領域のピーク値の８０％となる振動面からのピーク距離に対する直前距離とし、分離膜１１を挟んでインク規制板１の表面までの距離を、伝播超音波の音圧の安定領域のピーク値の８０％となる振動面からのピーク位置を過ぎた個所の距離とすることができる。
【００３５】
したがって、この実施形態によれば、伝播部１２とインク層３を分離し、伝播部１２の厚さを必要な超音波伝播距離の最少距離とし、インク層３の厚さを最少距離から最大距離までの厚さとしたことにより、適正なインク厚の制御が可能となるものである。
【００３６】
また、インク規制板１の厚さをインク層３の厚さ範囲としたことにより、適正なインク厚の制御をより容易なものとすることができるものである。
【００３７】
なお、本発明は上述した実施の形態で説明した構造には限定されず、液滴飛翔装置を構成する各部の形状、構造等を適宜変形、変更し得ることはいうまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明に係る液滴飛翔装置の第１実施形態を示す概略構成図である。
【図２】図１の要部構成を示す概略図である。
【図３】中心軸上の音圧を計算したグラフである。
【図４】液面の放射圧の分布を示す図である。
【図５】実験装置を示す概略構成図である。
【図６】バースト長に対する液滴の飛翔状態を示す表である。
【図７】照射エネルギに対する液滴飛翔量の割合を示す表である。
【図８】本発明に係る液滴飛翔装置のヘッドの概略構成図である。
【図９】図８のヘッドの概略分解図である。
【図１０】本発明に係る液滴飛翔装置の第２実施形態を示す概略構成図である。
【図１１】図１０の液滴飛翔装置の説明図である。
【符号の説明】
【００３９】
１…インク規制板、２…規制板の穴、３…インク、４…振動部、５…伝潘部、６…出射口、７…超音波発生材、８…基材、９…液材層、１１…隔膜、１２…伝潘液。
【図１】
2010046857.tif 000009
【図２】
2010046857.tif 000010
【図３】
2010046857.tif 000011
【図４】
2010046857.tif 000012
【図５】
2010046857.tif 000013
【図６】
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【図７】
2010046857.tif 000015
【図８】
2010046857.tif 000016
【図９】
2010046857.tif 000017
【図１０】
2010046857.tif 000018
【図１１】
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