(57)【要約】【課題】  効果的で安定な音響波ビーム整形を可能とし、超音波伝播を効果的に実現させ、安定した記録品質を得ることができる音響インクジェット記録装置を得る。【解決手段】  超音波出射部、音響レンズ５が一体構成とされたヘッド駆動・回路部１２−Ａと、その超音波伝播下流側に密着配設され、所望のインクを供給し、該インク滴を出射するノズルを有するカートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂを備える。その音響波伝播経路に、収束超音波を所望収束波位置で平行ビーム化する第２の音響レンズ８を配設し、その収束ビーム形成後に、飛翔液面に照射することにより液滴飛翔させる。ヘッド駆動・回路部とカートリッヂ・ノズル一体構成部とを分離可能な構成とし、カートリッヂ・ノズル一体構成部のインク目詰まり等による印字不能状態では、前記ノズル部を廃棄し、新規ノズル部と交換可能に構成する。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
超音波出射部、超音波収束レンズが一体構成とされたヘッド駆動・回路部と、その超音波伝播下流側に密着配設され、所望のインクを供給し、該インク滴を出射するノズルを有するカートリッヂ・ノズル一体構成部とを備え、
かつその音響波伝播経路に、前記収束超音波を所望収束波位置で平行ビーム化する第２の音響レンズを配設し、
その収束ビーム形成後に、飛翔液面に照射することにより液滴飛翔させるように構成されており、
前記第２の音響レンズを含むヘッド駆動・回路部と前記カートリッヂ・ノズル一体構成部とを分離可能な構成とし、
前記カートリッヂ・ノズル一体構成部のインク目詰まり等による印字不能状態では、前記ノズル部を廃棄し、新規ノズル部と交換可能に構成したことを特徴とする音響インクジェット記録装置。
【請求項２】
請求項１記載の音響インクジェット記録装置において、
前記収束超音波を所望収束位置で平行ビーム化する第２の音響レンズは、ロッドレンズ形状で、かつ前記ヘッド駆動・回路部の音響波部材の下流側部材の一部に埋め込み形成されていることを特徴とする音響インクジェット記録装置。
【請求項３】
請求項２記載の音響インクジェット記録装置において、
前記第２の音響レンズは、前記ロッドレンズの超音波振動子側のレンズ曲面が前記第１の音響収束レンズと該ロッドレンズ曲面との間に配在する音響伝播液材の中に露呈し、効果的に音響波の伝播収束を可能とする構造をもつことを特徴とする音響インクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、収束超音波によりインク液面より液滴を飛翔させて記録を行う音響インクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来からこの種の音響インクジェット記録装置としては、種々の構造を有するものが提案されている。
たとえば、画像信号に応じて超音波振動を生じさせ、インク層の微小部分に超音波エネルギを付与することにより、局所的に帯電インクミストを発生させて、記録印字を行うようにしたインクジェット記録装置が知られている。
【０００３】
すなわち、特許文献１には、超音波を液面付近に収束させ、インク霧滴発生とガイド電極による帯電化の条件で電界飛翔させる音響インクジェット方式が開示されている。しかし、この特許文献１では、飛翔させる液滴ごとにガイドノズルが必要で、高密度化が難しいという問題がある。
【０００４】
これに対し、特許文献２には、ライン型の音響スリットジェット方式として呼ばれるものが提案されており、これは個別のドットごとのノズルやインク流路の隔壁を必要としない、いわゆるノズルレスの方式であるため、ラインヘッド化する上での大きな障害であった目詰まりの防止と復旧に対して有効である。
【０００５】
さらに、この特許文献２では、複数の圧電素子の超音波印加タイミングに時間差をつけ、あたかも音響レンズのようにライン方向で超音波を重ね合わせ収束させることも可能となっている。
【０００６】
また、この特許文献２では、所定の解像度を得るために、それよりも低解像度なアレイ素子の重ね合わせ収束を利用するため実装素子数は従来のインクジェット方式のノズル数よりも大幅に削減できるという利点を有している。
【０００７】
さらに、特許文献３にも、超音波発生素子が凹面型構造を有し、これにより液面に超音波を収束させるようにした構造が記載されている。この従来構造でも、液面に超音波を収束させて、液面の表面張力に音響圧が打ち勝って液滴を飛翔させるようになっている。
【０００８】
【特許文献１】特開昭６２−８５９４８号公報
【特許文献２】特開平１１−９１０９４号公報
【特許文献３】米国特許第４３０８５４７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述したような従来方式の音響インクジェット記録装置では、その液滴飛翔生成のため、液滴表面に超音波が収束し、強力な音響圧を生じさせねばならず、音響波発生振動子からの音響面波を振動板自身を湾曲させるか、直後に収束型の凹面型音響レンズを配置させることが必要であった。
【００１０】
しかし、この収束波は焦点を最大ピークとし、その前後では収束前の不十分な音響圧レベルであるので、たとえば使用中に液滴飛翔面が変動した場合、その音響波焦点が前後にずれ、その結果、不十分な圧力となり、液滴飛翔が大きくばらつくといった課題が内在している。そのため、高精度な液面制御部材、機器、技術が必要となり、高価な記録装置となっていた。
【００１１】
さらに、この高精度なレンズ群を含む音響波インクジェットヘッドは、そのノズル部でのインク凝集による不具合が原因で、高価なヘッド全体を使用不能とし、廃棄せざるを得なかった。
【００１２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、高価な部材・技術を採用することなく、安定して高精度な収束音響ビームを採用することができ、これにより効果的で安定な音響波ビーム整形を可能とし、超音波伝播を効果的に実現させ、安定した記録品質を得ることができる音響インクジェット記録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】
【００１３】
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）に係る音響インクジェット記録装置は、超音波出射部、超音波収束用音響レンズが一体構成とされたヘッド駆動・回路部と、その超音波伝播下流側に密着配設され、所望のインクを供給し、該インク滴を出射するノズルを有するカートリッヂ・ノズル一体構成部とを備え、かつその音響波伝播経路に、前記収束超音波を所望収束波位置で平行ビーム化する第２の音響レンズを配設し、その収束ビーム形成後に、飛翔液面に照射することにより液滴飛翔させるように構成されており、前記第２の音響レンズを含むヘッド駆動・回路部と前記カートリッヂ・ノズル一体構成部とを分離可能な構成とし、前記カートリッヂ・ノズル一体構成部のインク目詰まり等による印字不能状態では、前記ノズル部を廃棄し、新規ノズル部と交換可能に構成したことを特徴とする。
【００１４】
本発明（請求項２記載の発明）に係る音響インクジェット記録装置は、請求項１において、前記収束超音波を所望収束位置で平行ビーム化する第２の音響レンズは、ロッドレンズ形状で、かつ前記ヘッド駆動・回路部の音響波部材の下流側部材の一部に埋め込み形成されていることを特徴とする。
【００１５】
本発明（請求項３記載の発明）に係る音響インクジェット記録装置は、請求項２において、前記第２の音響レンズは、前記ロッドレンズの超音波振動子側のレンズ曲面が前記第１の音響収束レンズと該ロッドレンズ曲面との間に配在する音響伝播液材の中に露呈し、効果的に音響波の伝播収束を可能とする構造をもつことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
以上説明したように本発明に係る音響インクジェット記録装置によれば、従来装置での音響インクジェット駆動に比べて、液面に入射する音響波のばらつきを解消でき、安定した記録品質を得ることができる。
【００１７】
また、本発明によれば、高価なレンズ群を含むヘッド駆動部と消耗的なインクノズル部を分離可能とし、インクノズル部のみを交換廃棄することを可能としたことにより、ヘッド寿命を大幅に延長させることができる。
【００１８】
さらに、本発明によれば、駆動回路部とノズル部とで構成された装置において、その境界部の部材に第２の音響レンズを同時形成でき、結合と分離に支障がなく、かつ効果的で安定な音響波ビーム整形を可能とすることができるとともに、第２の音響レンズの上流面を直接、音響伝播液材に露呈させ、超音波伝播を効果的に実現させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１ないし図３は本発明に係る音響インクジェット記録装置の一実施形態を示す。
これらの図において、本発明による音響インクジェット記録装置におけるカラーインクジェットヘッドの構成は、図１および図２等に示すようになっている。
【００２０】
これを簡単に説明すると、図１中１２−Ａは超音波出射部、超音波収束用音響レンズが一体構成とされたヘッド駆動・回路部、１２−Ｂはその超音波伝播下流側に密着配設され、所望のインクを供給し、該インク滴を出射するノズルを有するカートリッヂ・ノズル一体構成部である。
【００２１】
ここで、上述したヘッド駆動・回路部１２−Ａにおいて、符号１７は超音波発生素子群、１８はＵＳ（Ultrasonic）駆動パルス、２０はＵＳ（Ultrasonic）駆動部、５は音響レンズ、２１は超音波伝播液材である。
【００２２】
また、上述したカートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂにおいて、符号１４は記録用紙等の受像担持体１３に対向するスリットノズル、１５はインクチャンバである。
【００２３】
ここで、従来一般的な音響インクジェット記録装置のヘッド構成では、インクチャンバ１５内に入射する音響波は収束段階の途中の波形密度であり、前述のごとく、スリットノズル１４位置での音響エネルギにばらつきが内在する要因を有していた。
【００２４】
本発明によればこのような問題を解消するための部材として、ヘッド駆動・回路部１２−Ａの天井板材（音響レンズ支持板９）中でその音響波伝播経路に、所定の第２の音響レンズ８を配設し、その位置で前記収束音響波を平行ビーム化するように波形整形させている。
【００２５】
その結果、カートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂへ入射する音響波は安定した高収束ビームとなっており、液面のばらつきにかかわらず安定した液滴飛翔を実現させることが可能となっている。
【００２６】
また、上述したような構成によるヘッドにおいて、本発明によれば、図２に示すように、第２の音響レンズ８を含むヘッド駆動・回路部１２−Ａと前記カートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂとが分離可能な構成（分離線Ａで分離可能）となっており、カートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂのインク目詰まり等による印字不能状態では、前記ノズル部（１２−Ｂ）を廃棄し、新規ノズル部（１２−Ｂ）と交換可能に構成している。
【００２７】
すなわち、本発明によれば、従来インクジェット記録装置の不具合の大半はインクノズル部でのインクの凝集固化によるインク滴射出不能状態がインクジェットヘッド本体の寿命となり、高価な部品全体を廃棄せざるを得なかった状況を効果的に解決し得る手段を提供しようとするものである。
【００２８】
換言すると、分離線Ａ部より、前記構成部１２−Ａと１２−Ｂを分離構造とすることにより、前記不具合部ノズル部のみを交換し、新規なノズル部とする、すなわち高価なヘッド・駆動部を温存し、記録を再開することを可能とすることができるのである。
【００２９】
なお、図３（ａ１）、（ａ２）は本発明の特徴的な構成要素の音響波ビーム化レンズ特性を説明するための概要図である。
これを簡単に説明すると、平板の圧電振動子３は、音響収束レンズ５と密着して、そのレンズ面より収束音響波が出射されるように構成されている。
【００３０】
そして、本発明の第２の音響レンズ８を備えていない従来装置によれば、図３（ｂ１）、（ｂ２）に示す従来装置での収束音響波の伝播収束特性から明らかなように、前記収束音響波は、初期液面位置６ａでその音響収束率が最大Ｐとなるように第１の音響波集束レンズ５がレンズ設計されており、図示の通り、その前後では収束率が不十分なものとなっている。
上記の図３（ｂ２）に音響波伝播路にそって、その音響圧力が収束するにつれて上昇する特性を示している。
【００３１】
図中７ｃが縦軸の音響圧力を示し、一点鎖線７ｃ_thが液滴飛翔に対して、その液面での表面張力とほぼ等しい強さを表している。この７ｃ_thレベルよりも大なる強さの音響収束圧力があって初めて、液面より液滴が飛翔する力をもつこととなる。
図３（ｂ１）、（ｂ２）により、収束音響波が６ａの位置にきて初めて、閾値７ｃ_thをこえる音響圧力が発生し、液滴生成する設定となっていることが判る。
【００３２】
しかし、上述した第２の音響レンズ８を備えていない従来構造では、液面レベルの制御が不安定であったり、液滴飛翔が増大し、液使用量が増加し、その結果、たとえば液面がＺ量だけ下降して、液面６ｂの位置に変動した場合、その位置での音響圧は飛翔設計値に不十分な量であり、液滴量が不足か、液滴速度不足などの不都合な液滴条件で飛翔することとなり、その結果による記録濃度不足、濃度ばらつきなどの低品質な印字記録となっていた。
【００３３】
そして、本発明装置によれば、このような不均一な音響圧、収束音響波エネルギの不具合を解消することを課題としてなされている。
すなわち、図３（ａ１），（ａ２）に示すように、第１の音響波収束レンズ５と液面６ａとの間に、音響波修正用の第２の音響レンズ８を配置する。この第２の音響レンズ８は前記収束音響波をコリメート（平行ビーム化）するような凸レンズ形状の音響レンズである。
【００３４】
そして、超音波振動子３より出射された音響平面波は密接された第１の音響波収束レンズ５に入射して、その第１の音響波収束レンズ５の出射面より出射されるときにそのレンズ凹面形状に対応して、収束波型の音響波となる。この伝播液中に出射された収束音響波は、その凹面波面のまま下流に配設された第２の音響レンズ８に反射することなく、入射される。これは、前記凹面波面と第２の音響レンズ８の凸レンズの外面が進行軸方向に対して垂直波面どうしとなっているように形状設定されているからである。
【００３５】
さらに、前記第２の音響レンズ８内を伝播収束している音響波は第２の音響レンズ８の外面７ａ点に到達する。そして、レンズ外面７ａ位置で、前記音響波の収束量が最大ピークとなるよう、そのレンズ形状を予め設計配置しておくことにより、図３（ａ２）に示すように、音響圧力は７ａ位置で最大値に到達していることが判る。
【００３６】
次に、この第２の音響レンズ８の材質設計に関し、その密度ρと体積弾性率Ｋを特定することにより、そのレンズ内の音響波の音速ＶｓはＶｓ＝（Ｋ／ρ）1/2と定義される音響波速度を有している。さらに、固体と液体の界面での音響波の屈折特性でスネルの法則という特性がある。
【００３７】
今、レンズ８から超音波伝播液材２１に音波が進行するときの界面での特性として、レンズ８内での音速をＶ1、界面への入射角をθ1、超音波伝播液材２１内の音速をＶ2、界面からの出射角をθ2とした時、スネルの法則は
Ｓｉｎθ2／Ｖ2=Ｓｉｎθ1／Ｖ1    ・・・・・（１）
であらわされる特性をもつ。
【００３８】
したがって、（１）式より、図３（ａ１）に示すように、第２の音響レンズ８の音速Ｖ1と伝播液材２１の音速Ｖ2とではＶ1＞Ｖ2が成り立つことより、レンズ内での収束波は界面に対し、図３（ａ１）に示すように入射角θ1となり、スネルの法則より、界面より出射する音響波の出射角度は図３（ａ１）に示すようにθ2というθ1＞θ2なる屈折が生ずることとなる。
【００３９】
＜材料採用値例＞
第２の音響レンズ８：ガラスＳｉＯ2、密度２．３、音速Ｖ1＝５４４０ｍ／ｓｅｃ
伝播液材２１：蒸留水、密度１．０、音速Ｖ2＝１５００ｍ／ｓｅｃ
【００４０】
したがって、たとえば出射角が垂直軸に対し２度となるようにコリメート（平行ビーム化）したい時は前記パラメータ値を（１）式より導いて、入射角度を７．３度となるように第１音響レンズ凹面曲率を調整すればよい。
【００４１】
以上のように、前記材料値を選定して角度を設定することは、第２の音響レンズ８界面で音響波を拡散する方向であり、今７ａ点で、収束最大となる音響波は出射時その収束方向を拡散方向にコリメート（平行化）されていることを意味する。
【００４２】
この拡散（屈折率）は収束角度θ1,音速Ｖ1，Ｖ2に依存することより、逆に、このパラメータを適正設計値として設計採用することにより、所望の平行ビーム化を達成することが可能となる。
【００４３】
ここで、界面７ａで最高音響圧力となった音響波は図３（ａ２）に示すように、そのビーム形状を維持したまま、伝播液材２１中を進行することとなり、そのまま液面６ａに到達する。
前記従来例で説明したような液面変動に伴う音響圧力の変動は、図３（ａ２）に示すように、液面６ａから６ｂに変動しても、平行ビームであるため、その音響圧力は変化・減少することなく、到達できるため、従来に比し、格段の安定した飛翔圧力を形成することが可能となり、それにより安定した液滴飛翔を達成することが可能となるのである。
【００４４】
以上の構成によれば、従来の音響インクジェット駆動構成に比し、液面に入射する音響波のぱらつきを解消でき、安定した記録品質を得ることが可能となった高価なレンズ群を含むヘッド駆動・回路部１２−Ａと消耗的なカートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂを分離可能とし、カートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂのみを交換廃棄することを可能としたことにより、ヘッド寿命を大幅に延長させることができる。
【００４５】
また、ヘッド駆動・回路部１２−Ａとカートリッヂ・ノズル一体構成部１２−Ｂとで構成された装置において、その境界部Ａの部材に第２の音響レンズ８を同時形成でき、結合と分離に支障がなく、かつ効果的で安定な音響波ビーム整形を可能とすることができるとともに、第２のレンズ８の上流面を直接、音響伝播液材に露呈させ、超音波伝播を効果的に実現させることができるのである。
【００４６】
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、音響インクジェット記録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。
【００４７】
たとえば、図４は本発明による装置において、さらに記録を効果的にするための変形例を示す。すなわち、この例では、ヘッド・駆動回路部１２−Ａでの上部音響レンズ支持板材９に、前記音響波ビーム化ロッドレンズを内蔵化させるとともに、そのレンズ下面の表面を直接、前記音響波伝播液材２１内に露呈させる構造とすることにより、前記音響振動子から出射された収束音響波を効果的に第２のロッドレンズ８内に伝播させることが可能となっている。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に係る音響インクジェット記録装置の一実施形態を示すインクジェットヘッドの概略構成図である。
【図２】本発明に係る音響インクジェット記録装置の要部を示す拡大図である。
【図３】（ａ１），（ａ２）は本発明の特徴的な構成要素の音響波ビーム化レンズ特性を説明するための概要図および特性図、（ｂ１），（ｂ２）は従来装置での不具合を説明するための概要図および特性図である。
【図４】本発明に係る音響インクジェット記録装置の変形例を示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
３…超音波振動子列、４…スリット開口部、５…（第１の）音響波収束レンズ、６ａ…液面ａ、６ｂ…液面ｂ、Ｚ…液面変動量、７ａ…音響波収束焦点、７ｂ…音響波収束巾、７ｃ…音響波強度、７ｃ_th…液滴飛翔強度閾値、８…第２の音響レンズ、θ1…入射角、θ2…屈折角、９…音響レンズ支持板、１２−Ａ…ヘッド駆動・回路部、１２−Ｂ…カートリッヂ・ノズル一体構成部、１３…受像担持体、１４…スリットノズル、１５…インクチャンバ、１７…超音波発生素子群、１８…ＵＳ駆動パルス、２０…ＵＳ駆動部、２１…超音波伝播液材。
【図１】
2010069697.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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