(57)【要約】【課題】超音波方式において、液滴の吐出効率と繰り返し吐出周波数の向上を図り、更にヘッドの高密度配置を実現できる連続吐出式の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用の記録液を保持する記録液保持室と、圧電体と、圧電体の対向面に一対形成される電極とを有する振動子を含む音波発生手段と、音波発生手段から発生した音波を記録液の液面近傍に集束させる音波集束手段と、音波発生手段を駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段とを具備し、振動子は、駆動信号発生手段に接続された主振動子と、主振動子よりも小さく、画像記録情報に従って駆動信号が供給される副振動子とを有することを特徴とするインクジェット記録装置を提供する。【選択図】  図１
2004291563.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクジェット記録用の記録液を保持する記録液保持室と、
圧電体と、前記圧電体の対向面に一対形成される電極とを有する振動子を含む音波発生手段と、
前記音波発生手段から発生した音波を前記記録液の液面近傍に集束させる音波集束手段と、
前記音波発生手段を駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段と
を具備し、
前記振動子は、前記駆動信号発生手段に接続された主振動子と、前記主振動子よりも小さく、画像記録情報に従って前記駆動信号が供給される副振動子とを有することを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項２】
前記音波発生手段に対する前記駆動信号の印加を前記画像記録情報に従って制御する駆動信号制御手段をさらに具備し、
前記副振動子は前記駆動信号制御手段を介して前記駆動信号発生手段に接続されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項３】
前記音波集束手段が、フレネルレンズもしくは球面収差の補正された凹レンズからなることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項４】
前記副振動子の動作によって前記記録液の液面からの液滴の吐出方向を制御し、記録に用いられなかった液滴を前記記録液保持室に回収する液滴回収手段をさらに具備することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項５】
前記記録液の液面に対して垂直な方向に液滴を吐出する第１の吐出モードと、前記垂直な方向に傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードとを具備し、
前記第１の吐出モードと前記第２の吐出モードの一方においては、前記主振動子のみを駆動し、
前記第１の吐出モードと前記第２の吐出モードの他方においては、前記主振動子と前記副振動子とを駆動することを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項６】
前記副振動子が、ほぼ同じ音波放射面積を有する第１副振動子と第２副振動子とを具備し、前記主振動子に対して対称な位置にそれぞれ配置されることを特徴とする請求項１記載のインクジェット記録装置。
【請求項７】
前記記録液の液面に対して垂直な方向に液滴を吐出する第１の吐出モードと、前記垂直な方向に傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードとを具備し、
前記第１の吐出モードにおいては、前記第１副振動子と前記主振動子とを駆動し、
前記第２の吐出モードにおいては、前記第２副振動子と前記主振動子とを駆動することを特徴とする請求項６記載のインクジェット記録装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体材料を小滴化して記録媒体上に飛翔させることにより画像を記録するインクジェット記録装置に関し、特に振動子により放射される集束超音波の圧力により液滴を連続的に吐出させるインクジェット記録装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
記録液滴を記録媒体上に飛翔させて記録ドットを形成するインクジェット記録装置は、他の記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着などの処理が不要であるという利点を有し、普通紙記録技術として広く普及している。また、非接触記録、必要最低限の材料消費、低コスト装置等の特長を生かし、その応用分野は紙媒体への画像記録という従来の印刷分野の範囲を超え、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プロセス分野にも範囲を広げつつある。このような工業プロセス分野ならびに産業印刷分野においては、高速なスループットが最大の要求であり、高速な液滴吐出周波数の実現とノズルの高密度配置、さらには高い吐出信頼性が求められている。
【０００３】
現在、数多くのインクジェット記録装置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蒸気の圧力で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等が代表的である。
【０００４】
これらの方式はいずれも、記録液の圧力室内部の圧力変動を利用して、先端のノズルから液滴を吐出するものあり、画像記録情報に従って液滴を吐出するオンデマンド方式のインクジェット記録装置として一般に実用化されている。このような記録液圧力室全体の圧力変動を利用するオンデマンド方式の場合、一度液滴を吐出すると、吐出液面のメニスカスが後退して、記録液タンク側からの記録液の補給によってメニスカスが最初の位置に戻るまでに時間が必要であるため、高い周波数で液滴を吐出することが難しいという問題があった。また、記録液圧力室内に残留する振動の影響も高速な連続吐出を困難にしてしまう。その結果、高い周波数で液滴を連続吐出しようとした場合、不吐出や余分なサテライト（副滴）を発生するなど、不安定な吐出を起こしてしまう問題があった。
【０００５】
このような画像記録情報に従って液滴を吐出し記録するオンデマンド方式に対し、常に連続して液滴を吐出し、画像記録情報に従って液滴の軌道を偏向するコンティニアス方式（連続吐出式）があり、高速印字が可能であるという特長を有する。その代表例である荷電制御型は、ノズルより先に液滴を画像記録情報に応じて選択的に帯電させる帯電電極と、電界によって通過する記録液滴の飛翔軌道を偏向する偏向電極とを備えた構造を取る。このようなコンティニアス方式は高速に液滴を連続吐出できる反面、構造が複雑で高電圧が必要なため、ノズルの高密度配置が困難であり、記録液物性に対する制約もあるなどの問題があった。
【０００６】
一方、振動子から発生する超音波を集束させてその音圧で記録液面から液滴を吐出させる、超音波方式のインクジェット記録装置が提案されている。この方式は個別のドット毎のノズルや記録液流路の隔壁を必要としないノズルレスの方式であるために、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な構造を持っている。また、非常に小さな液滴を安定に飛翔させることができ、高解像度化にも適している。更に、液滴のサイズは音波の波長で決まり、記録液材料に対する制約も少ないと言った特長を持つ。しかし、超音波方式では液面に形成されたメニスカスを液滴吐出後に高速に引き戻す力を積極的に発生することができず、高速に繰り返して液滴を吐出することが難しいという問題があった。
【０００７】
超音波方式の例としては、超音波の集束ビームを用いた液滴吐出を行うコンティニアス方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。しかし、この方式では、前述した荷電制御型のコンティニアス方式と同様に、液滴の飛翔軌道の制御に電界を使用するため、大型となる。また、隣接する液滴吐出部間の電界の干渉を防止するため、高密度に液滴吐出部を配置することができなかった。
【０００８】
また、超音波方式の他の例として、超音波を発生する振動子を複数組み合わせることにより、複数の方向に記録液を吐出するオンデマンド方式が提案されている（例えば、特許文献２参照）。しかし、液滴を飛翔させる方向によって液面に集束する超音波ビームの音圧にばらつきを生じ、液滴のサイズにばらつきが生じやすく、安定な吐出が難しいという問題があった。
【０００９】
【特許文献１】
特開平０９−２４８９１３号公報（第２−５頁、第１図）
【特許文献２】
米国特許第４３０８５４７号明細書
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、超音波方式において、液滴の吐出効率と繰り返し吐出周波数の向上を図り、更にヘッドの高密度配置を実現できる連続吐出式のインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は、インクジェット記録用の記録液を保持する記録液保持室と、圧電体と、圧電体の対向面に一対形成される電極とを有する振動子を含む音波発生手段と、音波発生手段から発生した音波を記録液の液面近傍に集束させる音波集束手段と、音波発生手段を駆動する駆動信号を発生する駆動信号発生手段とを具備し、振動子は、駆動信号発生手段に接続された主振動子と、主振動子よりも小さく、画像記録情報に従って駆動信号が供給される副振動子とを有することを特徴とするインクジェット記録装置を提供する。
【００１２】
本発明においては、音波発生手段に対する駆動信号の印加を画像記録情報に従って制御する駆動信号制御手段をさらに具備し、副振動子は駆動信号制御手段を介して駆動信号発生手段に接続されても良い。
【００１３】
また本発明においては、音波集束手段が、フレネルレンズもしくは球面収差の補正された凹レンズからなっても良い。
【００１４】
また本発明においては、副振動子の動作によって記録液の液面からの液滴の吐出方向を制御し、記録に用いられなかった液滴を記録液保持室に回収する液滴回収手段をさらに具備しても良い。
【００１５】
また本発明においては、記録液の液面に対して垂直な方向に液滴を吐出する第１の吐出モードと、垂直な方向に傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードとを具備し、第１の吐出モードと第２の吐出モードの一方においては、主振動子のみを駆動し、第１の吐出モードと第２の吐出モードの他方においては、主振動子と副振動子とを駆動しても良い。
【００１６】
また本発明においては、副振動子が、ほぼ同じ音波放射面積を有する第１副振動子と第２副振動子とを具備し、主振動子に対して対称な位置にそれぞれ配置されても良い。さらに本発明においては、記録液の液面に対して垂直な方向に液滴を吐出する第１の吐出モードと、垂直な方向に傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードとを具備し、第１の吐出モードにおいては、第１副振動子と主振動子とを駆動し、第２の吐出モードにおいては、第２副振動子と主振動子とを駆動しても良い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の各実施形態に係るインクジェット記録装置について詳細に説明するが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。
【００１８】
（第１の実施形態）
まず、本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置について説明する。本実施形態のインクジェット記録装置は、発生する超音波の位相を揃えて、かつ、記録に用いる液滴の大きさと記録に用いない液滴の大きさとをほぼ揃えることにより、ヘッドを高密度に配置出来、液滴の吐出効率や繰り返し吐出周波数の向上を可能としたものである。
【００１９】
図１は、本実施形態の連続吐出式の超音波インクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【００２０】
図１に示したように、超音波発生手段である主振動子１１とその両側に配置された２つの副振動子１２ａ、１２ｂとが、音波集束手段である平凹形状で球面収差を補正した音響レンズ１３の平面部側に接続されている。音響レンズ１３の凹面側は記録液保持室１４の底面に接している。なお、図１では記録液保持室１４は一部のみ図示している。また、記録液保持室１４の液面上に設けられた板状部材であり、液面開口部１から上面開口部２に至る貫通孔を有して、記録液保持室１４から吐出され記録には使用しない液滴を捕獲して回収する液滴回収板（液滴回収手段）１５が記録液保持室１４の上方に配置されている。液面開口部１から上面開口部２に至る貫通孔は、上面開口部２近傍で液滴回収板１５の上面と貫通孔内部の内壁面とが成す角が鋭角となっている。記録液保持室１４の液面で液滴が吐出される領域の周囲には、中心に開口部を有した円形（ドーナツ状）であり、液面の位置を一定に保ち外乱の影響を防ぐ液面制動板１６が配置されている。
【００２１】
本実施形態では、音波集束手段として、平凹形状で球面収差を補正した音響レンズ１３を用いている。このような音響レンズ１３を用いることにより、一方の面が平面であることから、振動子の形成・貼り付けが容易となり、球面収差を補正していることから、平面側の各振動子から放射された超音波の位相を、記録液の、液面近傍の所定の焦点位置に正確にそろえることができる。ここで、球面収差とは、凹面側が単純な球面形状であった場合に中央部に比べて周辺部になるほど音波の屈折が大きくなり焦点位置での位相ずれを発生してしまう問題のことである。そして、球面収差を補正するとは、これを解決するものであり、この屈折の影響を考慮して音響レンズの凹面部の形状を高次関数で表される非球面形状にしたことを言う。また、フレネルレンズは平面形状であることから、上記平凹レンズのような周辺部での屈折の問題は発生しない。
【００２２】
また、本実施形態においては、主振動子１１ならびに副振動子１２ａ、１２ｂには同一の駆動信号発生源（駆動信号発生手段）１７が配線接続されている。副振動子１２ａ、１２ｂと駆動信号発生源１７の間には、画像記録情報に従って振動子を駆動するか否かを制御する駆動信号制御手段であるセレクタ１８が配置されている。したがって、主振動子１１は、常に駆動信号発生源１７によって駆動され、副振動子１２ａ、１２ｂは、セレクタ１８によって駆動信号が印加される。主振動子１１と副振動子１２ａ、１２ｂとを組み合わせて駆動することにより放射された音波は、音響レンズ１３を介して記録液保持室１４の記録液中に放射されて液面制動板１６に囲われた液面に集束され、その集束した音波ビームの圧力によって液面にメニスカスが形成されて、その先端から液滴が分離し飛翔する。このとき、主振動子１１と副振動子１２ａ、１２ｂとは、同一の駆動信号発生源１７に接続されていることから、組み合わせて同時に駆動した場合には、同サイズの１つの振動子を駆動したごとく位相をそろえることが出来、効率的な音波集束が実現可能となる。
【００２３】
そして、本実施形態では、記録液保持室１４上面である液面に対して垂直方向に液滴を吐出する第１の吐出モードと、この垂直方向に対して傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードを具備している。図１では、主振動子１１と副振動子１２ａを合わせた領域の中心位置が、音響レンズ１２の中心と一致するように配置されている。そして、音響レンズの集束点を、記録液保持室１４の液面にある液面制動板１６の中央の開口部としている。すなわち、第１の吐出モードでは、この主振動子１１と副振動子１２ａを同時に駆動することにより、液滴吐出部に対して音波を左右対称に集束させて、液面に対して垂直方向に液滴１９ａを吐出し、液滴回収板１５の上面開口部２を通過して記録媒体へ飛翔させる。一方、副振動子１２ｂは、副振動子１２ａとほぼ同じ音波放射面積を有しており、主振動子１１を挟んで反対側に対称な位置となるように配置されている。ここで、音波放射面積とは圧電体の対向面に形成された一対の電極により挟まれた領域の面積のことを言う。第２の吐出モードでは、副振動子１２ａは駆動せず、主振動子１１と副振動子１２ｂを同時に駆動することにより、図１中、音波ビームを右側に偏った分布にして液面に集束させて、記録液保持室１４の液面の垂直方向に対して左に傾いた方向に液滴１９ｂを飛翔させる。角度を持って吐出された液滴１９ｂは、液滴回収板１５の内壁に当たり、内壁の円弧状の曲面に沿って重力に従って滑り落ち、記録液保持室１４の液面に戻される。
【００２４】
本実施形態では、副振動子１２ａと１２ｂとは、音波放射面積をほぼ同一としていることから、２つの吐出モードにおける液面での音圧レベルを一定に保ったまま音圧分布（集束音波ビームの方向）を変化させることが可能となり、液滴１９ａの大きさと１９ｂの大きさとをほぼ同一とすることが出来る。つまり、いずれの吐出モードでも液面に形成さえるメニスカスの状態に大きな変動を与えずに液滴の吐出方向を変えることが可能となるのである。
【００２５】
以上に示したように、本実施形態のインクジェット記録装置を用いることにより、主振動子１１と副振動子１２ａ、１２ｂが同一の駆動信号発生源１７に接続されていることから、これらの振動子が振動する際に位相を揃えることが出来る。また、振動子からの振動は、球面収差の補正された凹面のレンズ若しくはフレネルレンズを音響レンズ１３として用いていることから、やはり位相が揃えられる。したがって、画像記録情報に従って液滴の吐出方向が変わっても、液面に形成されるメニスカスの状態に大きな変動を与えないことから、超音波方式の連続吐出型のインクジェット記録装置として安定した液滴の供給が出来る。また、本実施形態においては、副振動子１２ａと１２ｂの音波放射面積をほぼ等しくしていることから、音圧レベルもほぼ一定に保つことが出来、位相をそろえた場合と同様な理由からさらに安定した液滴の供給が出来る。
【００２６】
次に、ヘッドの各部について詳しく説明する。
【００２７】
主振動子１１ならびに副振動子１２ａ、１２ｂは、圧電体とそれを挟み込んだ電極により構成される圧電素子である。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出来る。また、図１の各振動子は物理的に分割されて、図示していないが、夫々の圧電体が電極に挟まれた配置となっている。しかしながら、図２に示したように１枚の連続した圧電体２１を用いて個別電極２２ａ、２２ｂ、２２ｃのみを所望の形状で分離形成し、共通電極２３と組み合わせて個々に駆動する構造であってもよい。この場合、個別電極２２ａの形成された部分が副振動子１２ａとなり、個別電極２２ｃ部分が主振動子１１、個別電極２２ｂ部分が副振動子１２ｂとなる。このような電極のみを分離形成する構造は、機械加工が不要で作製が容易であるため、高解像度記録向けの微小な振動子形成に有利で、また、電界の回り込み効果により電極の無い部分の圧電体も振動させることができるため効率的である。
【００２８】
図３は、各振動子の形状と音響レンズ１３に対する配置について示した平面図である。主振動子１１に対して、副振動子１２ａと副振動子１２ｂは音波放射面積が小さく三日月形の形状を採っており、主振動子１１の両側に対称となるよう、それぞれ配置されている。また、主振動子と片方の副振動子を組み合わせることにより、ほぼ円になる形状をそれぞれが採っており、主振動子１１と副振動子１２ａを組み合わせた時の音波放射面積と、主振動子１１と副振動子１２ｂを組み合わせた時の音波放射面積はほぼ等しい。更に、記録液保持室１４の液面に対して垂直方向に液滴を吐出する第１の吐出モードで使用する主振動子１１と副振動子１２ａを組み合わせた丸い音波発生領域の中心は、音響レンズ１３の中心と一致して配置されている。従って、放射された音波はレンズの中心軸に対し対称な分布を持って集束され、液面に対して垂直方向に液滴が吐出される。一方、主振動子１１と副振動子１２ｂを組み合わせた丸い音波発生領域の中心は、音響レンズ１３の中心から横にずれるよう副振動子１２ｂが配置されており、集束される超音波ビームの中心軸は液面に対して傾きを持っており、液滴も傾いた方向に吐出される。しかしながら、それぞれの振動子の形状は図３に示した形状に限られるものではなく、２つの振動子１２ａ、１２ｂがそれぞれ主振動子１１を挟んで配置されていればよく、形状も三日月形に限られるものではない。種々の形状の中でも、主振動子１１と副振動子１２ａ、もしくは主振動子１１と副振動子１２ｂとを組み合わせて形成される形状は、安定なメニスカスの効率的形成やサテライト（副滴）の発生防止ために、超音波ビームの形状（音圧分布）がその中心軸に対して対称形であることが望ましいことから円形や楕円形であることが好ましい。また、副振動子１２ａ、１２ｂの形状は同様に超音波ビームの形状が対称形であることが望ましいことから三日月型や、それに類似した、円形の一部を切り出した形であることが好ましい。
【００２９】
図４は図３のＡ−Ａ’断面図である。上述のように、音響レンズ１３の中心から副振動子１２ａの端部までの距離も、音響レンズ１３の中心から副振動子１２ｂ側の主振動子１１の端部までの距離も、等しくＤとなるよう配置されている。また、主振動子の幅Ａに対し、副振動子１２ａの幅Ｂ、副振動子１２ｂの幅Ｃは小さい。更に、主振動子と副振動子１２ａの合わせた幅（Ａ＋Ｂ）は、主振動子と副振動子１２ｂの合わせた幅（Ａ＋Ｃ）とほぼ等しい。望ましくは、第２の吐出モードでの液滴が垂直方向から角度θだけ傾いて吐出させる場合、（Ａ＋Ｃ）の幅は、（Ａ＋Ｂ）・ｃｏｓθ≦（Ａ＋Ｃ）≦（Ａ＋Ｂ）であれば、第１と第２の吐出モードでの超音波ビームの集束音圧とビーム幅がほぼ等しくなり、液面に形成さえるメニスカスの状態に大きな変動を与えずに液滴の吐出方向のみを変えることが可能となる。
【００３０】
音響レンズ１３の材料としては、例えばガラス等無機系材料やエポキシ樹脂等の、記録液等の薬品に対して耐久性の高い材料、あるいは金属膜や金属系酸化膜、窒化膜、ポリオレフィン系樹脂膜などの、記録液に対して耐久性を持たせる表面処理が施されたガラスや樹脂を使用する。図１では音響レンズ１３の凹部は単純な曲率を有した曲面として図示してあるが、実際には屈折による曲面収差を補正した非球面レンズを使用する。また、音響レンズ１３の音響インピーダンスは、圧電体の音響インピーダンス（ＺＰ）と記録液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）に近いことが音波の効率的な伝播のために望ましい。更に、図１では平凹レンズの使用例を示しているが、上述したように、図５に示したようなフレネル輪帯理論に基づいた平面レンズ（フレネルレンズ）５１を用いてもよい。本実施形態の音響レンズでは、Ｆナンバー（＝焦点距離／口径）は約１となっている。液滴の吐出方向を切り替えながら高速に液滴を吐出させるためには、第１と第２の吐出モードの超音波ビームが重なる領域、すなわち、常に音波が伝播する領域の割合が大きいことが望ましい。言い換えれば、より小さな面積の副振動子１２ａ、１２ｂの切り替えで、より大きな吐出方向変化を発生させることが望ましい。従って、副振動子１２ａ、１２ｂの幅が主振動子１１に比べて小さく、かつ、角度が１０度以上の吐出方向変化を実現するためには、音響レンズ１３のＦナンバーは２以下の近焦点レンズであることが望ましい。更に、音響レンズ１３の焦点位置は、静止時の液面よりわずかに上の、液滴吐出時に形成されるメニスカスの頂点位置付近に合わせて設定することが望ましく、より少ないエネルギーで高速な液滴吐出を可能にする。
【００３１】
図６は、液面制動板１６を図１の上方向から見た平面図である。メニスカスを形成してその先端から液滴を吐出する液面領域６１の周囲に、円形の開口を有した液面制動板１６が配置されおり、液滴回収板１５に四方から橋渡しされ支持されている。この液面制動板１６の周囲には、記録に使用されない記録液の吐出液滴が液滴回収板１５を経て記録液保持室へ回収される回収領域６２が存在する。液面制動板１６は、この回収された液滴が記録液保持室に戻る際に引き起こす液面の振動を液面領域６１に伝えない効果があり、また、表面張力を利用してメニスカスの動作を安定化させる効果がある。液面制動板１６の表面は撥水（または撥油）処理が施されることが好ましく、これにより、不要な記録液の付着を防止して、常に安定な表面張力の発生を実現出来る。液面制動板１６の材料としては剛性のある金属板や樹脂板を使用することが出来る。
【００３２】
液滴回収板１５は、図１に示したように、液滴吐出部近傍にある液面開口部１から上面開口部２に至る貫通孔を有し、この貫通孔は、お椀を逆さにしたような円弧状の内壁面を有する。記録に使用されない吐出液滴は、液面に斜めに飛翔することから、液滴回収板１５の内側で捉えられ内壁面を伝わって直下の記録液保持室１４へ戻される。このような形状により、回収された記録液が直ちに記録液保持室１４の液面に戻されるため、高速に連続吐出を行って記録液を消費しても、記録液の補給は必要最低限の量で済み、液滴吐出部の液面位置変動を抑えることができる。液滴回収板１５の材料としては、金属、樹脂、セラミックスなどが使用でき、切削やプレス成型、射出成型などの機械的な加工やエッチングなどの化学的な加工などにより円弧状の内壁面を有する貫通孔を形成できる。また、液滴回収板１５の内壁面は、記録に使用されない吐出液滴が記録液保持室１４へ円滑に戻るように、表面を親水（または親油）化されている。更に、図７に示したように、内壁面を伝わって回収される記録液が誤って飛散や滴下をしても他の飛翔液滴や液滴吐出部に干渉してしまわないよう、内壁の更に内側に中空構造に成型した金属や樹脂などによる隔壁７１を設けてもよい。図８は、ヘッドを横向きにして使用する場合の液滴回収板の別の例を示したものである。横向きで使用する場合は、円弧状の内壁部は下方側だけでよく、下方側では液滴回収板１５の記録液に接しない側の面と内壁面とが成す角は鋭角となっている。図１、７、８において、内壁面は円弧状としているが液滴が重力の作用により記録液保持室１４に戻るような形状であればこれに限られるものではなく、内壁面が円錐状であっても良いし多角形形状であっても良い。また、図９は、ヘッドを下向きにして使用する場合の液滴回収板１５の更に別の例を示したものであり、記録に用いない記録液は図中横方向に移動させてから記録液保持室へと戻す。下向きの場合は、記録に使用されない吐出液滴を重力のみで記録液保持室へ戻すことは難しいが、別途ポンプ等を用いて記録液保持室へ戻せば良い。
【００３３】
本実施形態での振動子の駆動手段を説明する。主振動子１１ならびに副振動子１２ａ、１２ｂには同一の駆動信号発生源１７が配線接続されており、副振動子１２ａ、１２ｂと駆動信号発生源１７の間には、画像記録データに従って振動子を駆動するか否かを制御する駆動信号制御手段であるセレクタ１８が配置されている。液面から連続的に液滴を吐出させるための駆動信号としては、振動子の共振周波数に依存した一定周期の連続波を一定電圧で印加する方法と、一定周期で一定電圧のバースト波を一定の周期で間欠的に印加する方法と、更に一定周期の連続波を規則的に電圧変調して印加する方法とがある。より高速で安定な吐出を行うためには、電圧変調した連続波を印加する方法、あるいは、バースト波を間欠印加する方法が望ましい。
【００３４】
図１０は、本実施形態に係るアレイヘッドの斜視図である。圧電体と電極とを有する振動子１０１はレンズアレイ基板１０２に接続され、その上に記録液保持室１０３（詳細図示せず）、液面制動板１６、液滴回収板１５を配置した構造を有する。レンズアレイ基板１０２には、図１１に示したような配置で平凹レンズ１３が配列されている。つまり、平凹レンズ１３はまずピッチＸで等間隔に一列配置されており、その列がわすかにピッチＹだけ順番に横にずれながら、列のピッチＺとなるよう並べられている。図１１では６列が順番に横にずれながら並べられており、そのずれピッチＹはレンズの隣接間ピッチＸの６分の１に等しく設計されている。このような配列構造により、高解像度な記録が一回のパスで可能となる。
【００３５】
図１２に本実施形態に係るインクジェット記録装置のアレイの一部の断面図を示す。アレイヘッドにおける各振動子は共通の圧電体１２６を使って形成されている。平凹レンズに対応した位置に主振動子とこれを挟む２つの副振動子を、パターニングした主振動子用電極１２２、副振動子用電極１２３ａ、１２３ｂにより形成しており、対向電極には共通電極１２１を使用する。圧電体１２６は、隣接するヘッド毎、つまり主振動子とこれを挟む２つの副振動子毎に、機械的に溝を入れて分離されている。これは隣接間のクロストーク低減に有効である。また、音響レンズとして用いる平凹レンズ１３の真上には、それぞれ対応する液面制動板１６と液滴回収板１５の開口部とが位置している。更に、記録液保持室１４の、ヘッド間、つまり主振動子とこれを挟む２つの副振動子同士の間には、隔壁１２４が設けられており、隣接間の音波や対流の干渉を防止する効果がある。また、隔壁１２４の一部には隔壁開口部１２５が設けられており、ヘッド間の記録液の連絡を保っている。
【００３６】
次に、ヘッドの具体的な作製方法について図１０及び１２を用いて説明する。
【００３７】
各振動子の圧電体１２６としては、予め分極処理した厚さが約０．３ｍｍのチタン酸鉛系圧電セラミックスを利用した。このチタン酸鉛系圧電セラミックスの片面全面に、共通電極１２１としてＴｉ／Ａｕ電極をスパッタで形成し、ガラス製平凹レンズ１３からなるアレイ基板の平面部側に接着剤で貼り付けた。
【００３８】
その後、圧電体１２６を共振周波数が５０ＭＨｚになる厚みである５０μｍにまで機械研磨し、研磨面全面にＴｉ／Ａｕ電極をスパッタしてから、フォトリソグラフィ技術により、主振動子用電極１２２とこれを挟む２つの副振動子用電極１２３ａ、１２３ｂの形状に対応したパターンにエッチングした。更に、平凹レンズ１３の一つの凹面ごと（主振動子とこれを挟む２つの副振動子のセットごと）にダイシングブレードで圧電体１２６に深さ４５μｍの溝を入れて分離した。
【００３９】
平凹レンズアレイ基板１３の凹面部は、曲面収差を補正した非球面形状をしたもので、材質はコーニング＃７０５９、全体厚１．５ｍｍのものを使用した。一つのレンズの有効口径は０．４５ｍｍで、焦点距離は０．５ｍｍであり、Ｆナンバーは約１であった。レンズアレイ基板１３の凹面部は、０．５１ｍｍのピッチで一列に５０個配列され、このレンズの列がそれぞれ０．０８５ｍｍずつ位置をシフトさせて列間隔０．５１ｍｍで６列並べられており、計３００個のレンズアレイを構成している。このアレイ構成では、１回のパスで３００ｄｐｉの解像度で記録が可能である。次に、レンズ１３表面から記録液液面までの距離が０．５ｍｍになるように設計され、隔壁１２４を設けた射出成型樹脂の記録液保持室１４と、エッチングで円形加工されたステンレス製の液面制動板１６とを、液面制動板１６がインク保持室１４の上面となるよう接着剤で取り付けた。更にその上に射出成型樹脂により形成した液滴回収板１５を接着剤で取り付けて、ヘッドを完成した。レンズアレイ基板１３とインク保持室１４と液面制動板１６との位置決めは、各レンズの間にインク保持室１４の隔壁１２４を配置し、各レンズの中心軸に液面制動板１６の液滴吐出領域の中心が一致するよう液面制動板を上方に配置する。同様に液滴回収板１５の上面開口部の中心もレンズの中心軸に一致することが望ましい。図１に示す液面制動板１６の上面開口部１の開口径は約０．１ｍｍであり、液滴回収板１６の中心の開口径は約０．２ｍｍである。また、図３における主振動子の幅、つまりＡは約０．３４ｍｍで、２つの副振動子のそれぞれの幅、つまりＢとＣは等しく０．１１ｍｍとした。この振動子に高周波ドライバＩＣ１７とセレクタ１８を配線して５０ＭＨｚの振幅変調連続波を印加した結果、約２５μｍ径の液滴を３０ｋＨｚの周波数で高速に連続吐出することができた。また、副振動子の切り替えによって、液滴の吐出方向を約１５度変化させることができ、液滴回収板１５で回収することができた。
【００４０】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るインクジェット記録装置について説明する。本実施形態については、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、同様の部分は省略する。本実施形態のインクジェット記録装置は、発生する超音波の位相を揃える点については第１の実施形態と同様である。つまり、主振動子１１と副振動子１２が同一の駆動信号発生源１７に接続され、球面収差の補正された凹面のレンズ若しくはフレネルレンズを音響レンズ１３として用いていることから、やはり位相が揃えられる。そして、画像記録情報に従って液滴の吐出方向が変わっても、液面に形成されるメニスカスの状態に大きな変動を与えないことから、超音波方式の連続吐出型のインクジェット記録装置として安定した液滴の供給が出来る。本実施形態において第１の実施形態と異なるのは、画像記録情報に従って動作して液滴の吐出方向を偏向させる副振動子を１つのみ設けた点である。
【００４１】
図１３に本実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図を、図１４に各振動子の形状や音響レンズに対する配置について示した平面図を、図１５に図１４のＢ−Ｂ´間の断面図を示す。
【００４２】
主振動子１１は、図１４に示したように丸い形状をして、音響レンズ１３の中心に配置されている。一方、副振動子１２は三日月形の形状とし、円形の主振動子１１のサイドに囲い込むように配置されている。第１の吐出モードでは主振動子のみを駆動することにより、放射された音波は音響レンズ１３の中心軸に対し対称な分布を持って集束され、記録液保持室１４の液面に対して垂直方向に液滴１９ａが吐出される。一方、第２の吐出モードでは、主振動子１１と副振動子１２を同時に駆動することにより、図１３中では音響レンズ１３の中心軸に対して右側に偏って音波を放射して液面に集束させ、液滴の吐出方向を液面の垂直方向に対して左側に傾いた方向として液滴１９ｂを飛翔させる。
【００４３】
本実施形態の場合、第２の吐出モードは、第１の吐出モードに比べて液面での超音波ビーム音圧が上昇し、液滴の初速度や液滴径が増加する可能性があるが、記録に使用しない液滴では大きな問題とはならない。また、２つの吐出モードでの液滴飛翔状態をほぼ同じくするためには、両モード間の超音波ビーム強度の差を約２０％以下とすることが好ましく、副振動子１２の音波放射面積が主振動子１１のそれの５分の１以下であることが望ましい。
【００４４】
次に、図１６に本実施形態の変形例に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図を、図１７に各振動子の形状や音響レンズに対する配置について示した平面図を、図１８に図１７のＣ−Ｃ’間の断面図を示す。
【００４５】
本変形例のヘッド構造においては、第２の実施形態と同様に、画像記録情報に従って動作して液滴の吐出方向を偏向させる副振動子は１つである。しかし、その配置と形状が異なり、主振動子１１と副振動子１２を組み合わせた領域が丸い形状をして、音響レンズ１３の中心に配置されている。つまり、主振動子１１の形状は円から円の一部である三日月形状が欠けた形状である。そして、第１の吐出モードでは、主振動子１１と副振動子１２を同時に駆動することにより、放射された音波は音響レンズ１３の中心軸に対し対称な分布を持って集束され、記録液の保持室１４の液面に対して垂直方向に液滴１９ａが吐出される。一方、第２の吐出モードでは、副振動子１２は駆動せず、主振動子１１のみを駆動することにより、図１６中、音響レンズ１３の中心軸に対して右側に偏って音波を放射して液面に集束させ、記録液保持室１４の液面の垂直方向に対して左側に傾いた方向に液滴１９ｂを飛翔させる。
【００４６】
本変形例の場合、第２の吐出モードは、第１の吐出モードに比べて液面での超音波ビーム音圧が低下し、液滴の初速度や液滴径が減少する可能性があるが、かえって液滴の回収を容易にする効果がある。また、２つの吐出モードでの液滴飛翔状態をほぼ同じくするためには、両モード間の超音波ビーム強度の差を約２５％以下とすることが好ましく、副振動子１２の音波放射面積が主振動子１１のそれの４分の１以下であることが望ましい。
【００４７】
以上説明したように、本実施形態及びその変形例に示すように、画像記録情報に従って動作して液滴の吐出方向を偏向させる副振動子が１つであっても、主振動子と副振動子の振動の位相を揃えることにより、２つの吐出モードでの液面のメニスカスの変動を抑えることができ、高速で安定した液滴吐出を実現できる。
【００４８】
（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るインクジェット記録装置について説明する。本実施形態については、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、同様の部分は省略する。本実施形態のインクジェット記録装置は、発生する超音波の位相を揃える点については第１の実施形態と同様である。つまり、主振動子１１と副振動子１２が同一の駆動信号発生源１７に接続され、球面収差の補正された凹面のレンズ若しくはフレネルレンズを音響レンズ１３として用いていることから、やはり位相が揃えられる。そして、画像記録情報に従って液滴の吐出方向が変わっても、液面に形成されるメニスカスの状態に大きな変動を与えないことから、超音波方式の連続吐出型のインクジェット記録装置として安定した液滴の供給が出来る。本実施形態において第１の実施形態と異なるのは、画像記録情報に従って動作して液滴の吐出方向を偏向させる副振動子を３つ以上設けた点である。
【００４９】
図１９に本実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図を、図２０に各振動子の形状や音響レンズに対する配置について示した平面図を示す。
【００５０】
音響レンズ１３の中心位置には、丸い主振動子１１が配置され、主振動子１１の周囲にはこれを囲むような輪を等しく四分割した形状の第１の副振動子グループ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄが配置され、更にそれを囲むように輪を等しく四分割した形状の第２の副振動子グループ２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄが配置されている。
【００５１】
記録液保持室１４の液面に対して垂直方向に液滴を吐出する第１の吐出モードでは、主振動子１１と第１の副振動子のグループ２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃ，２０１ｄを同時に駆動する。一方、液面に対して傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードでは、その吐出方向を切り替えることが可能である。例えば、主振動子１１と第１の副振動子のグループの２０１ａ，２０１ｂ，２０１ｃの３つと、第２の副振動子のグループの２０２ｄとを同時に駆動することにより、液滴を第１の副振動子２０１ｂの方位に傾けて吐出させることができる。同様に、第１の吐出モードの駆動組み合わせは同様とし、第２の吐出モードでは副振動子として２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ、２０２ａを駆動すれば、液滴を副振動子２０１ｃの方位に、副振動子として２０１ａ、２０１ｃ、２０１ｄ、２０２ｂを駆動すれば、液滴を副振動子２０１ｄの方位に、副振動子として２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｄ、２０２ｃを駆動すれば、液滴を副振動子２０１ａの方位に、傾けて吐出させることができる。この４方向以外にも、他の組み合わせにより更に吐出方向を切り替えることができる。
【００５２】
例えば、第１の吐出モードの駆動組み合わせは同様とし、第２の吐出モードでは副振動子として２０１ｃ、２０１ｄ、２０２ａ、２０２ｂを駆動すれば、液滴を副振動子２０１ｃと２０１ｄの中間の方位に傾けて吐出させることができる。このように、図２０で示した副振動子の構造では８方向以上に吐出方向を切り替えることができる。
【００５３】
本実施形態では、第１の副振動子グループと第２の副振動子グループの各振動子の音波放射面積を同じくすれば、第１と第２の吐出モードにおける液面での超音波ビーム音圧をほぼ等しくすることができ、さらに安定で高速な液滴吐出が実現できる。
【００５４】
（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るインクジェット記録装置について説明する。本実施形態については、第１の実施形態と異なる点のみ説明し、同様の部分は省略する。本実施形態のインクジェット記録装置は、発生する超音波の位相を揃える点については第１の実施形態と同様である。つまり、主振動子１１と副振動子１２が同一の駆動信号発生源１７に接続され、球面収差の補正された凹面のレンズ若しくはフレネルレンズを音響レンズ１３として用いていることから、やはり位相が揃えられる。そして、画像記録情報に従って液滴の吐出方向が変わっても、液面に形成されるメニスカスの状態に大きな変動を与えないことから、超音波方式の連続吐出型のインクジェット記録装置として安定した液滴の供給が出来る。本実施形態において第１の実施形態と異なるのは、振動子を貼り付けた音響レンズが、液面に傾斜して形成された点である。
【００５５】
図２１に本実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図を示す。
【００５６】
図２１に示したように、本実施形態では音響レンズ１３ならびにこれに貼り付けた主振動子１１と副振動子１２ａ、１２ｂは、記録液保持室１４の液面に対して傾斜して設置されている。音響レンズ１３に対する各振動子の配置は、図４に示した第１の実施形態の配置を左右逆転したものとなっている。すなわち、液面に対して垂直方向に液滴を吐出する第１の吐出モードでは、主振動子１１と副振動子１２ａを組み合わせて駆動し、液面に対して傾きを持って液滴を吐出する第２の吐出モードでは、主振動子１１と副振動子１２ｂを組み合わせて駆動する。第１の実施形態と異なるのは、主振動子１１と副振動子１２ａを組み合わせた音波放射領域の中心は、音響レンズの中心からずれており、振動子１１と副振動子１２ｂを組み合わせた音波放射領域の中心が音響レンズの中心と一致している。従って、音響レンズの中心軸から見て傾いた超音波ビームが第１の吐出モードに使われ、音響レンズの中心軸から見て左右対称な超音波ビームが第２の吐出モードが使われる。このような構造は記録密度の低い、言い換えれば液滴記録頻度の低い画像を印刷する場合に向いており、液滴回収を行う第２の吐出モードの吐出安定性を優位に図ることができる。
【００５７】
以上に示した各実施形態は限定されるものではなく、種々組み合わせて用いることも出来る。
【００５８】
【発明の効果】
以上詳述したように、本発明によれば、超音波方式において、液滴の吐出効率と繰り返し吐出周波数の向上を図り、更にヘッドの高密度配置を実現できる連続吐出式のインクジェット記録装置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の実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置の別の振動子を有した構造を示す断面図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置の音響レンズと振動子の配置を示す平面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ´間の断面図である。
【図５】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置の別の音響レンズを有した構造を示す断面図である。
【図６】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置の液面制動板を示す平面図である。
【図７】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置の別の液滴回収板を有した構造を示す断面図である。
【図８】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のさらに別の液滴回収板を有した構造を示す断面図である。
【図９】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のさらにまた別の液滴回収板を有した構造を示す断面図である。
【図１０】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のアレイヘッドの斜視図である。
【図１１】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のアレイヘッドのレンズ配列を説明する平面図である。
【図１２】本発明の第１の実施形態に係るインクジェット記録装置のアレイヘッドの一部の断面図である。
【図１３】本発明の第２の実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【図１４】本発明の第２の実施形態に係るインクジェット記録装置の音響レンズと振動子の配置を示す平面図である。
【図１５】図１４のＢ−Ｂ´間の断面図である。
【図１６】本発明の第２の実施形態の変形例に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【図１７】本発明の第２の実施形態の変形例に係るインクジェット記録装置の音響レンズと振動子の配置を示す平面図である。
【図１８】図１７のＣ−Ｃ´間の断面図である。
【図１９】本発明の第３の実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【図２０】本発明の第３の実施形態に係るインクジェット記録装置の音響レンズと振動子の配置を示す平面図である。
【図２１】本発明の第４の実施形態に係る連続吐出式のインクジェット記録装置のヘッド部の断面図である。
【符号の説明】
１…液面開口部
２…上面開口部
１１…主振動子
１２、１２ａ、１２ｂ…副振動子
１３…音響レンズ
１４、１０３…記録液保持室
１５…液滴回収板
１６…液面制動板
１７…駆動信号発生源
１８…セレクタ
１９ａ…液面に対して垂直方向に吐出される液滴
１９ｂ…液面に対する垂直方向に傾きを持って吐出される液滴
２１、１２６…圧電体
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…個別電極
２３…共通電極
５１…フレネルレンズ
６１…液面領域
６２…回収領域
７１…隔壁
１０１…振動子
１０２…レンズアレイ基板
１２１…共通電極
１２２…主振動子用電極
１２３ａ、１２３ｂ…副振動子用電極
１２４…隔壁
１２５…隔壁開口部
２０１ａ、２０１ｂ、２０１ｃ、２０１ｄ…第１の副振動子グループ
２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃ、２０２ｄ…第２の副振動子グループ
【図１】
2004291563.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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