(57)【要約】【課題】音波減衰の大きいインク等を使用することができるとともに、従来に比べて、容易に均一にインクを供給することができ、かつ、良好な記録を安定して行うことのできるインクジェット記録装置を提供する。【解決手段】インクジェット記録装置は、インクを飛翔させるための貫通孔２３を有しインクを収容するインク収容領域２１と、インク収容領域２１に収容されたインクを貫通孔２３から飛翔させるヘッドユニット１０を備えている。ヘッドユニット１０は、音波発生手段１１と、音波発生手段１１で発生した音波を貫通孔２３近傍に集束させる音波集束手段１２と、音波集束手段１２を出た音波を進行させる音波伝達部１３と、音波発生手段１１、音波集束手段１２及び音波伝達部１３とを内包する容器部１４とを具備している。【選択図】図１
2008080580.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを飛翔させるための開口部を有し、内部にインクを収容するインク収容領域と、前記インク収容領域に収容されたインクを前記開口部から飛翔させるヘッドユニットを備え、
前記ヘッドユニットは、音波を発生させる音波発生手段と、前記音波発生手段で発生した音波を前記開口部近傍に集束させる音波集束手段と、前記音波集束手段を出た音波を進行させる音波伝達部と、前記音波発生手段、前記音波集束手段及び前記音波伝達部とを内包する容器部と、を具備したことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記容器部は、前記音波集束手段を出た音波が進行する進行方向と略平行に配置された側壁部と、前記音波集束手段で集束された音波の進行路上に位置し、前記開口部に対向して配置され、形状が可変可能な隔離膜と、を具備したことを特徴とする請求項１に記載のインクジュット記録装置。
【請求項３】
前記音波伝達部は、液状の音波伝達物質で構成され、前記音波伝達物質を循環させる第１の循環手段を具備したことを特徴とする請求項１又は２に記載のインクジュット記録装置。
【請求項４】
前記第１の循環手段は、前記音波伝達部内の水圧を調整する水圧調整手段を有し、前記水圧調整手段により、前記隔離膜の形状を変化させて、前記音波発生手段で発生した音波を集束させる位置を可変させることを特徴とする請求項３に記載のインクジュット記録装置。
【請求項５】
前記インク収容領域は、前記インク収容領域に収納されたインクを循環させる第２の循環手段を具備したことを特徴とする請求項１乃至４いずれか１項に記載のインクジュット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク液滴を飛翔させて記録媒体上に画像を記録するインクジェット記録装置に係り、特に音波発生手段から音波を発生させ、この音波を集束させてインク液滴を飛翔させるインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体インクを小さな液滴として記録媒体上に飛翔させて画像を記録するインクジェット記録装置は、普通紙などに直接記録でき、インクなどの材料消費の面で低コスト化が図れ、騒音が少なく、現像や定着などの処理が不要であるなどの多くの利点を有する。そのため、最近では、紙などへの画像の印刷の用途だけでなく、液状電子材料の塗布やダイレクトパターニング等の工業分野へも利用範囲を広げつつある。
【０００３】
インクジェット記録装置としては多く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バブルの圧力を利用して液滴を飛翔させる方式や、圧電体の変位による圧力パルスで液滴を飛翔させる方式などが代表的である。
【０００４】
しかし、これらの方式のインクジェット記録装置は液体インクの溶媒の蒸発や揮発によってインクの濃縮が生じやすく、径の小さなノズルを用いると目詰まりが発生し、インク液滴の飛翔に支障を生じる問題があった。そのため特に高精細な画像記録には、ノズルの目詰まり防止のためノズルを洗浄するなどの付加手段を設ける必要があり、目詰まりの発生が少ないインク材料を選定して使用する必要が生じるなど使用範囲が限定されていた。また、他の方式としては、インク中に浸漬した弾性部材を圧電体によって振動させて、この弾性部材の先端部からその振動によってインク滴を吐出さるようにし、ノズルを用いずに微小なインク滴を吐出できるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
これに対して、振動子から発生する音波を集束させてその音圧で液面から液滴を吐出させる超音波方式の装置が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。また、このような振動子から発生する音波を集束させてその音圧で液面から液滴を吐出させる超音波方式を用いてフェーズドアレイヘッドとして構成した装置も提案されている（例えば、特許文献３参照。）。上記の超音波方式はノズルを必要とせず、非常に小さな径のインク滴を飛翔させることができ高解像度化に適している。また、使用することのできるインク等に対する制約も少ないといった利点を有する。
【０００６】
しかし、インク材料等に制約が少ないとはいえ、音波減衰の大きいインクを使用した場合、音波が集束点に到達するまでに減衰し、インク滴の飛翔に大きなパワーが必要となったり、減衰が大きいインクの場合はインク滴の飛翔できなくなるという問題がある。このため、細孔等を介してインクを圧送し、音波伝達物質の表面にインクの薄層を形成してここからインクを飛翔させるようにした技術も知られている（例えば、特許文献４参照。）。
【特許文献１】特開平１１−２３５８２０号公報
【特許文献２】特開２００５−２７０９２９号公報
【特許文献３】特開平８−９９４０８号公報
【特許文献４】特開平６−９１８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述した従来の技術では、細孔等を介してインクを供給するため、インクを送り込むために圧力が必要となり、ヘッド全体に均一にインクを供給することが困難であるという課題があった。また、インクの飛翔やインクの蒸発による、インクの液面変動のため、安定した飛翔を実現することが困難であるという課題もあった。
【０００８】
本発明は、音波減衰の大きいインク等を使用することができるとともに、従来に比べて、容易に均一にインクを供給することができ、かつ、良好な記録を安定して行うことのできるインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一態様によれば、インクを飛翔させるための開口部を有し、内部にインクを収容するインク収容領域と、前記インク収容領域に収容されたインクを前記開口部から飛翔させるヘッドユニットを備え、前記ヘッドユニットは、音波を発生させる音波発生手段と、前記音波発生手段で発生した音波を前記開口部近傍に集束させる音波集束手段と、前記音波集束手段を出た音波を進行させる音波伝達部と、前記音波発生手段、前記音波集束手段及び前記音波伝達部とを内包する容器部と、を具備したことを特徴とするインクジェット記録装置が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、音波減衰の大きいインク等を使用することができるとともに、従来に比べて、容易に均一にインクを供給することができ、かつ、良好な記録を安定して行うことのできるインクジェット記録装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のシングルヘッドの断面図であり、図２は第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のシングルヘッドの斜視図である。
【００１２】
図１，２に示すように、本実施形態に係るインクジェット記録装置は、インク室２０と、インク室２０内に設けられたヘッドユニット１０とを備えている。このヘッドユニット１０は、音波発生手段１１、音波集束手段１２、音波伝達部１３と、これらを内部に収容する容器部１４とを具備している。
【００１３】
インク室２０内には、インクを収納するインク収納領域２１が設けられている。また、インク室２０の一部には、スリット板２２が設けられ、スリット板２２は貫通孔（開口部）２３を具備し、この貫通孔２３からインク収納領域２１に収納されたインクが吐出される。
【００１４】
音波発生手段１１は、図示しない圧電体及び電極などから構成される。圧電体としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸鉛、チタン酸バリウムなどの圧電セラミックスや、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムなどの圧電単結晶や、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）などの高分子圧電体や、酸化亜鉛などの圧電半導体などを使用することができる。電極としては、例えば、Ａｕ／Ｔｉ、Ａｕ／Ｃｒ、Ａｌなどを使用することができる。また、図示しない電極には、圧電体を駆動し音波を発生させるための図示しない駆動回路が接続され、駆動回路は外部から送られてくる画像記録データに基づき、圧電体を駆動して音波を発生させる。
【００１５】
音波集束手段１２は、音波発生手段１１で発生した音波を、インク室２０の一部に設置されたスリット板２２の貫通孔２３近傍の音波集束点２４に集束させるように、音波発生手段１１上に配置されている。この音波集束手段１２により集束された音波ビームの圧力によってインク収納領域２１に収納されたインクの液面にメニスカスが形成され、インク液滴が分離し飛翔する。図１では、音波集束手段１２として、円形凹レンズを用いた例を示している。円形凹レンズの凹部は、単純な曲率を有した曲面でも良いが、屈折による球面収差を補正して所定の位置に音波が集束するように設計された非球面レンズを使用しても良い。
【００１６】
音波集束手段１２の材質としては、例えばガラス等の無機系材料やエポキシ樹脂等を用いることができる。また、ガラスや樹脂の表面に、金属膜や金属系酸化膜、窒化膜、ポリオレフィン系樹脂膜等の表面処理を施して耐久性を向上させたものでもよい。音波集束手段１２の音響インピーダンスは、音波発生手段１１で使用されている圧電体の音響インピーダンス（ＺＰ）と後述する音波伝達部１３の音響インピーダンス（ＺＬ）の中間値であり、その幾何平均（ＺＰ・ＺＬ）1/2に近いことが音波の効率的な伝播のためには望ましい。また、音波集束手段１２としては、例えばフレネル輪帯理論に基づいたフレネルレンズを用いてもよい。
【００１７】
音波伝達部１３は、音波発生手段１１で発生し、音波集束手段１２で集束された音波が進行する部分であり、音波伝達物質が充填されている。音波伝達物質としては、音波減衰の小さいものが好ましく、例えば水などが好適である。ただし、音波伝達物質は、必ずしも液体である必要はなく、固体の音波伝達物質を使用することもできる。
【００１８】
容器部１４は、音波発生手段１１、音波集束手段１２、音波伝達部１３を内包する。この容器部１４は、実質的に固定され、音波集束手段を出た音波が進行する進行方向と略平行に配置された側壁１５と、形状可変である隔離膜１６とから構成されている。また、容器部１４は、図１，２に示す例では、水平断面形状が円形で、先端側（図１，２中下側）が細くなる形状（切頭円錐形状）とされているが、容器部１４の形状は、横方向の断面積が音波の進行路より大きければ、例えば、円柱状、角柱状等どのような形状でも良い。ただし、インク収容領域２１内のインクの供給を考慮すると、隔離膜１６とスリット板２２との間の狭部（先端部）の面積が、小さくなる形状とすることが好ましい。側壁１５を構成する材料は、剛性を有するものであれば、どのような材料でも良いが、音波が反射し難い材料を使用することが好ましく、例えば、多孔質セラミックが用いられる。  
【００１９】
隔離膜１６は、音波発生手段１１で発生した音波の進路上に位置し、貫通孔２３に対向するように設けられ、形状が可変可能な薄膜（例えば、５〜２０μｍ）で構成されている。隔離膜１６を構成する材料は、音波を透過し、形状が可変可能なものであれば、どのようなものでもよく、例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）が用いられる。隔離膜１６の膜厚は、音波の減衰が大きくならない程度とすることが好ましく、音波発生手段１１で発生される音波の波長以下とすることがさらに好ましい。この隔離膜１６は、変形することによって音波集束点２４の位置を調整可能となっている。詳しい詳細は後述する。
【００２０】
上記第１の実施形態では、音波発生手段１１で発生し、音波集束手段１２によって集束された音波が、音波伝達部１３によって、音波集束点２４の近傍まで伝播するようになっている。このため、インクとして音波減衰の大きいものを使用した場合でも、その影響を抑制することができ、より少ないパワーでインク滴を飛翔させることができる。また、図１に示すように、インク室２０内に設置されたヘッドユニット１０の音波進行方向に対する高さは、インク室２０内の音波進行方向と平行な方向のインク室２０の深さより小さく構成されている。このため、細孔等を介さずに、インク室２０内のインク収納領域２１のインクが音波集束点２４に供給されるので、容易に、かつ、均一にインクを供給することができ、良好な記録を安定的に行うことができる。なお、インク収納領域２１のインクの供給系を設けない場合、インク室２０に充填されたインクは、インク液滴の飛翔により次第に減少する。そして、隔離膜１６よりインクの液面が低くなった時点で交換が必要となる。
【００２１】
図３，４は、上記第１の実施形態を、フェーズドアレイと呼ばれるヘッドに適用した第２の実施形態の構成を示すものであり、図３は断面図、図４は斜視図である。ヘッドユニット１０ａの構成要素は、第１の実施形態と同様であるが、音波発生手段１１ａが、一次元のアレイ状に配列された圧電体３０及び電極３１ａ、３１ｂから構成され、音波集束手段１２ａがガラス３２に溝３３を切った平面フレネルレンズである点が第１の実施形態と異なっている。また、これらの形状に合わせて、図４に示されるように、音波伝達部１３ａ、容器部１４ａ、側壁１５ａ、隔離膜１６ａ、及び、インク室２０ａ、スリット板２２ａ、貫通孔２３ａのそれぞれの形状も、第１の実施形態と異なっている。本発明は、この第２の実施形態のように、フェーズドアレイヘッドに適用することができ、第１の実施形態と同様な作用、効果を得ることができる。
【００２２】
なお、第２の実施形態では、図３，４に示されるように、ヘッドユニット１０ａの容器部１４ａの形状が、先端側（図３，４中下側）が細くなる形状とされているが、先端側が細くなっていない形状としても良い。ただし、インクの供給を考慮すると、隔離膜１６ａとスリット板２２ａとの間の狭部（先端部）の面積が、できるだけ小さくなる形状とすることが好ましい。
【００２３】
図５は、シングルヘッドに係る第３の実施形態の構成を示すもので、図６はフェーズドアレイヘッドに係る第４の実施形態の構成を示すものである。第３の実施形態は、第１の実施形態に、インク循環手段５０を設けたものである。インク循環手段５０は、インク室２０からインク収容領域２１内のインクを引くポンプ５１と、インクタンク５２と、インクタンク５２からインク室２０のインク収容領域２１内にインクを送り込むポンプ５３とから構成されている。インクタンク５２には、インク室２０から引かれてきたインクの温度を所望の温度（例えば、２０℃）に一定に保持する図示しない温度調整手段が設けられている。さらに、インクの濃度を測定し所望の濃度に調整する図示しない濃度調整手段が設けられていても良い。
【００２４】
第４の実施形態は、第２の実施形態に加えて、インク供給手段６０を設けたものである。インク供給手段６０は、インクタンク６１と、このインクタンク６１からインク室２０ａにインクを供給するポンプ６２とから構成されている。
【００２５】
第３の実施形態のように、温度調整可能なインク循環手段５０を設けることで、音波発生手段１１により発せられた熱でヘッド全体の温度が上昇することを防ぐ効果が得られる。また、第４の実施形態では、インク供給手段６０を設けることでインク室２０内のインクの量を常に適量に保つことができる効果が得られる。また、前述したとおり、これらの実施形態においても、インク室２０，２０ａ内に設置されたヘッドユニット１０，１０ａの音波進行方向に対する高さは、インク室２０，２０ａ内の音波進行方向と平行な方向のインク室２０，２０ａの深さより小さく構成されている。このため、細孔等を介さずに、かつ、インクを送り込むために圧力が必要無く、インク室２０，２０ａの中のインクが音波集束点２４部分に供給される構成となっているので、インクを容易に、かつ、均一にインクを供給することができる。さらに、隔離膜１６，１６ａとスリット板２２，２２ａとの間の狭部（先端部）の面積が、小さくなる形状とすると、インク室２０，２０ａにインクを送り込むポンプ５３，６２として、強力なものでなく小型なポンプで対応できる。
【００２６】
上記第３の実施形態では、シングルヘッドにインク循環手段５０を設けているが、シングルヘッドにインク供給手段６０を設けてもよい。また、第４の実施形態では、フェーズドアレイヘッドにインク供給手段６０を設けているが、フェーズドアレイヘッドにインク循環手段５０を設けてもよい。また、図５，６では、ヘッドは下向きにインクを吐出する構成となっているが、９０度回転させて横向き、或いは１８０度回転させて上向きにインクを吐出させるようにしてもよい。
【００２７】
図７は、シングルヘッドに係る第５の実施形態の構成を示すもので、図８はフェーズドアレイヘッドに係る第６の実施形態の構成を示すものである。第５の実施形態は、第１の実施形態に、音波伝達物質循環手段７０を設けたものである。また、第６の実施形態は、第２の実施形態に、音波伝達物質循環手段７０を設けたものである。
【００２８】
音波伝達物質循環手段７０は、図７及び図８に示すように、音波伝達部１３，１３ａ（容器部１４，１４ａ）内から音波伝達物質を引くポンプ７１と、音波伝達物質タンク７２と、音波伝達部１３に音波伝達物質を送り込むポンプ７３とから構成されている。音波伝達物質循環手段７０を設けることで、音波伝達部１３内を常に同じ水圧に保つことができ、音波の進行を同条件に保つことができる。また、音波伝達物質タンク７２に、音波伝達部１３，１３ａから引かれてきた音波伝達物質の温度を所望の温度（例えば、２０℃）に一定に保持する図示しない温度調整手段が設けられていてもよい。それによって、音波発生手段１１により発せられた熱でヘッド全体の温度が上昇することを防ぐ効果も得られる。
【００２９】
なお、図７，８では、ヘッドは下向きにインクを吐出する構成となっているが、９０度回転させて横向き、或いは１８０度回転させて上向きにインクを吐出させるようにしてもよい。
【００３０】
図９は、シングルヘッドに係る第７の実施形態の構成を示すもので、図１０はフェーズドアレイヘッドに係る第８の実施形態の構成を示すものである。第７の実施形態は、第１の実施形態に、インク循環手段５０と、音波伝達物質循環手段７０を設けたものである。また、第８の実施形態は、第２の実施形態に、インク供給手段６０と、音波伝達物質循環手段７０を設けたものである。上記の第７及び第８の実施形態のように、インク循環手段５０又はインク供給手段６０と、音波伝達物質循環手段７０の両方を設けてもよく、前述した作用、効果を得ることができる。
【００３１】
なお、図９，１０では、ヘッドは下向きにインクを吐出する構成となっているが、９０度回転させて横向き、或いは１８０度回転させて上向きにインクを吐出させるようにしてもよい。
【００３２】
次に、図１１を参照して、第５から８の実施形態のインクジェット記録装置におけるヘッド部の音波集束点２４（焦点）の制御方法を説明する。前述したように、ヘッドユニット１０の隔離膜１６は、形状が可変可能な材料（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ））で構成され、隔離膜１６を変形（例えば、図１１の図中下方向、又は、図中上方向）させることで、音波集束点２４（焦点）を制御することができる。
【００３３】
この隔離膜１６の変形の制御は、前記した音波伝達物質循環手段７０の音波伝達部１３に音波伝達物質を送り込むポンプ７３のポンプ圧力を調整することにより実現することができる。すなわち、ポンプ７３のポンプ圧力を強くすることで、音波伝達物質の隔離膜１６に対する水圧が高くなり、これによって隔離膜１６は、図１１中下方向に変形し、これに伴って音波集束点２４（焦点）も下方向に移動する。更に、ポンプ７３のポンプ圧力を低くすることで、音波伝達物質の隔離膜１６に対する水圧が低くなり、隔離膜１６は図１１中上方向に変形し、これに伴って音波集束点２４（焦点）も上方向に移動する。
【００３４】
一般的に、音波伝達部１３内の音波伝達物質の音波減衰に対して、インクの音波減衰は大きい。音速は音波減衰により影響を受けるため、スネルの法則により音波発生機構１１で発生した音波は隔離膜１６で屈折し、焦点位置が変わる。この性質を利用して、インクの飛翔、蒸発などによるインクの変質などに対応して焦点位置を変えることで良好で安定した記録を行うことができる。また、上向き吐出の場合は、微小なインクの液面変動に対しても上記のようにして対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るシングルヘッド部の断面図。
【図２】図１のシングルヘッド部の斜視図。
【図３】本発明の第２の実施形態に係るフェーズドアレイヘッド部の断面図。
【図４】図３のフェーズドアレイヘッド部の斜視図。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るシングルヘッド部の断面図。
【図６】本発明の第４の実施形態に係るフェーズドアレイヘッド部の断面図。
【図７】本発明の第５の実施形態に係るシングルヘッド部の断面図。
【図８】本発明の第６の実施形態に係るフェーズドアレイヘッド部の断面図。
【図９】本発明の第７の実施形態に係るシングルヘッド部の断面図。
【図１０】本発明の第８の実施形態に係るフェーズドアレイヘッド部の断面図。
【図１１】ヘッド部の焦点操作方法を説明するための図。
【符号の説明】
【００３６】
１０……ヘッドユニット、１１……音波発生手段、１２……音波集束手段、１３……音波伝達部、１４……容器部、２０……インク室、２１……インク収容領域、２２……スリット板、２３……貫通孔、２４……音波集束点。
【図１】
2008080580.tif 000003
【図２】
2008080580.tif 000004
【図３】
2008080580.tif 000005
【図４】
2008080580.tif 000006
【図５】
2008080580.tif 000007
【図６】
2008080580.tif 000008
【図７】
2008080580.tif 000009
【図８】
2008080580.tif 000010
【図９】
2008080580.tif 000011
【図１０】
2008080580.tif 000012
【図１１】
2008080580.tif 000013