(57)【要約】【課題】超音波を低出力で発生させ、インク液面からインクミストを高効率で飛翔させて印字品質を向上させることができる音響インクジェットヘッド構造を得る。【解決手段】ライン集束超音波生成器１とエレクトロウエッティング（ＥＷＯＤ）による濡れ性を制御可能な超音波透過率が９０〜７０％の材料で構成されているミスト発生機構２を備える。ミスト発生機構は、液面に対しライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部のエレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されている。【選択図】      図３
2009248545.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ライン集束超音波生成器とエレクトロウエッティングによる濡れ性を制御可能な超音波透過率が９０〜７０％の材料で構成されているミスト発生機構を備え、
ミスト発生機構は、液面に対しライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部の、エレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されていることを特徴とする音響インクジェットヘッド構造。
【請求項２】
ライン集束超音波生成器と２枚の超音波透過材料で電解液剤を挟み込んだ形状のエレクトロウエッティング部材で、移動液剤、電極ともに超音波透過率が９０％以上になるような材料で構成され、
上部大気側の透過材の音響インピーダンスは超音波透過率が９０％から７０％になるように選定されており、
超音波の軸とエレクトロウエッティング電極の位置が重なるように構成されており、
ミスト発生機構は、液面に対しライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部のエレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されていることを特徴とする音響インクジェットヘッド構造。
【請求項３】
ライン集束超音波生成器と２枚の超音波透過材料で電解液剤を挟み込んだ形状のミスト選択機構、つまりエレクトロウエッティング部材で、移動液剤、液側透過材ともに超音波透過率が９０％以上になるような材料で構成され、
集束超音波集束位置にミスト選択機構は液面との角度θで設置されている場合に発生するメニスカスの高さをｍｈとし、移動液剤の厚みをｅｈとしたときに、液剤厚みｅｈはｅｈ≧ｍｈ／２×ｃｏｓθを満たすようにつくられていることを特徴とする音響インクジェットヘッド構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インク自由表面に集束する超音波ビームの圧力によりインク液面から霧状化したインクを飛翔させて記録媒体上に付着させることにより画像を形成する音響インクジェット記録装置における音響インクジェットヘッド構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、インク自由表面に集束する超音波ビームの圧力により、インクの液面から霧状化したインクを飛翔させ、記録媒体上に付着させることにより画像形成する音響インクジェット記録装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開２０００−１０８３３６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、このような従来の音響インクジェット記録装置によれば、インクミストを液面から飛翔させるには高出力の超音波が必要であった。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、低出力で超音波を発生させ、インク液面からインクミストを飛翔させて印字品質を向上させることができる音響インクジェットヘッド構造を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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ヘッド構造は、ライン集束超音波生成器とエレクトロウエッティングによる濡れ性を制御可能な超音波透過率が９０〜７０％の材料で構成されているミスト発生機構を備え、ミスト発生機構は、液面に対しライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部の、エレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されていることを特徴とする。
【０００７】
本発明（請求項２記載の発明）に係る音響インクジェットヘッド構造は、ライン集束超音波生成器と２枚の超音波透過材料で電解液剤を挟み込んだ形状のエレクトロウエッティング部材で、移動液剤、電極ともに超音波透過率が９０％以上になるような材料で構成され、上部大気側の透過材の音響インピーダンスは超音波透過率が９０％から７０％になるように選定されており、超音波の軸とエレクトロウエッティング電極の位置が重なるように構成されており、ミスト発生機構は、液面に対しライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部のエレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されていることを特徴とする。
【０００８】
本発明（請求項３記載の発明）に係る音響インクジェットヘッド構造は、ライン集束超音波生成器と２枚の超音波透過材料で電解液剤を挟み込んだ形状のミスト選択機構、つまりエレクトロウエッティング部材で、移動液剤、液側透過材ともに超音波透過率が９０％以上になるような材料で構成され、集束超音波集束位置にミスト選択機構は液面との角度θで設置されている場合に発生するメニスカスの高さをｍｈとし、移動液剤の厚みをｅｈとしたときに、液剤厚みｅｈはｅｈ≧ｍｈ／２×ｃｏｓθを満たすようにつくられていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
以上説明したように本発明に係る音響インクジェットヘッド構造によれば、集束超音波により薄層インク液面から高効率にミストを発生しｄｏｔ形成する記録ヘッドであって、ＥＷＯＤ効果を使用し、ミスト生成時はＥＷＯＤ基板上にインクを浸透させ、そうでない場合はインク液を浸透させないことにより、インクのミスト化を選択的に行うようにしているから、ライン上に集束する単一の超音波発生器を使用することが可能になると同時に、超音波発生器に印加する電圧の低減を可能とする等の利点がある。
【００１０】
また、本発明によれば、集束超音波により薄層インク液面から高効率にミストを発生させる場合に、ＥＷＯＤ効果を使用し、ミスト生成時はサンドイッチ構造のＥＷＯＤにより挟まれた透過液を超音波通過個所まで移動させ、超音波を透過するようにし、そうでない場合には、ＥＷＯＤ内部の透過液を該当個所まで移動させないことにより超音波を透過させず、これによりインクのミスト化を選択的に行うようにしているから、ライン上に集束する単一の超音波発生器を使用することが可能になると同時に、超音波発生器に印加する電圧の低減を可能とする等の利点がある。
【００１１】
さらに、これに加えて、インク薄層を生成する機能と超音波を照射しミスト化する機能を分離したことにより、安定したミスト生成を容易とする等の利点もある。
【００１２】
また、本発明によれば、集束超音波により薄層インク液面から高効率にミストを発生させる場合に、EWOD効果を使用し、ミスト生成時はサンドイッチ構造のＥＷＯＤにより挟まれた透過液を超音波通過個所まで移動させず、超音波を反射するようにし、そうでない場合には、ＥＷＯＤ内部の透過液を該当個所まで移動させることにより超音波を透過させ、これによりインクのミスト化を選択的に行うようにしているから、ライン上に集束する単一の超音波発生器を使用することが可能になると同時に、超音波発生器に印加する電圧の低減を可能にすることができる。
【００１３】
さらに、インク薄層を生成する機能と超音波を照射しミスト化する機能を分離したことにより、安定したミスト生成を容易にするとともに、ミスト発生時の超音波の減衰を減少させているため、より低エネルギーでのミスト生成を可能にし、ミスト生成の方向の自由度を増大させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１ないし図６は本発明に係る音響インクジェットヘッド構造の一実施形態を示す。
これらの図において、初めに、音響インクジェットヘッドによる作動原理を、図１を用いて説明する。
【００１５】
すなわち、図中符号１は、音響インクジェットヘッドを構成するライン超音波発生器であり、このライン超音波発生器１から照射されたライン超音波はライン状の集束をミスト選択部２の位置で収束している。これにより、ミスト３が発生する。
【００１６】
ここで、ミスト選択部２はエレクトロウエッティング効果（Electro Wetting On Dielectric；ＥＷＯＤ）を利用した構造になっている。
このエレクトロウエッティングは、図４（ａ），（ｂ）に示されるように、誘電体５上の液体（電解液６）と電極７間に電圧を印加すると、液体（６）と誘電体５間の濡れ性が増加し、同図（ｂ）に示すように接触角が小さくなり、液体（６）の厚みが薄くなるのである。
【００１７】
なお、この電極７を、図５に示すように分割し、それぞれを独立に制御できるようにしてもよい。
【００１８】
図２は図１を側方から見た構造を示すものであり、図１では図示されていないが、ライン超音波発生器１とミスト選択部２の間は、液体（インク４または通常は水部＋インク部の二構成）で満たされている。
また、図２ではライン超音波発生器１とＥＷＯＤによるミスト選択部２の間にインク部と図示されていないがインク部と超音波発生器１の間は水で満たされている。
【００１９】
図２のＥＷＯＤによるミスト選択部を、図３に示す。
既に説明したようにＥＷＯＤ電極に電圧を印加していない状態では、図３（ａ）に示すように、インク４はミスト選択部２にこんもりと厚みをもって存在している。
これに対して、電極に電圧を印加した状態では、図３（ｂ）に示すように、インク４は薄層に広がっている。
【００２０】
ここで、このようなインク４の接触角の変化の様子は、図６に示したように、他の論文（J.Appl.Phys,Vol.92,No.7,1；October 2002；4080-4087）においても示されている。なお、この図６は、誘電体厚みによる接触角と印加電圧の理論値と実験値を示すグラフであり、３本の実線は理論値、ブロットは実験値である。
これにより、ミスト３を発生したい個所の電極７にのみ電圧を印加すると、その電極７上の誘電体上のインクの濡れ性が増加することになる。
【００２１】
ここで、ライン超音波発生器１から発射された超音波により、ＥＷＯＤミスト選択部２にはメニスカスによる液のもりあがりが存在するが、電圧を印加した個所は濡れ性の増加に伴い、インク液が力の方向に押され薄層に生成されることになる。
たとえば図５のような複数電極を使用した場合、電圧を印加しない個所（ｏｆｆ）では図３（ａ）の状態、電圧を印加した個所（ｏｎ）では図３（ｂ）の状態にすることができるのである。
【００２２】
ここで、使用するミスト選択部２の電極７は導電性高分子等をその他基材は樹脂等、液体との音響インピーダンスが大きく異ならず、超音波音圧透過率が９０〜７０％になるよう選択するとよい。
また、ミスト化は液を薄層化することにより気界面と透過材との間での定在波により超音波エネルギーが低くてもミスト化することが可能になることが確認されている。
【００２３】
これにより、ＥＷＯＤ効果を利用しインク液を選択的にミスト選択部２に薄膜化することができ、照射している超音波により薄膜化された個所のみがミスト化されることになる。
【００２４】
以上の構成において、ライン集束超音波生成器とＥＷＯＤによる濡れ性を制御可能な超音波透過率が９０〜７０％の材料で構成されているミスト発生機構を、液面に対しライン集束超音波照射によって、ミスト発生機構上部のＥＷＯＤ用電極７の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置するようにしているから、ミスト生成時はＥＷＯＤ基板上にインクを浸透させ、そうでない場合はインク液を浸透させないことにより、インクのミスト化を選択的に行うことができ、ライン上に集束する単一の超音波発生器を使用することが可能になると同時に、超音波発生器に印加する電圧の低減を可能にすることができるのである。
【００２５】
図７ないし図１０は本発明の第２の実施形態を示すものである。
これらの図において、図７はＥＷＯＤによる液移動現象を示すものであり、電極Ａへ電圧を印加することにより濡れ性が変化し、図中右側への液滴移動圧力は、下記式１で与えられることが知られている。
【００２６】
Ｐ＝（γLG／ｄ）・（３cosθt＋cosθb）・・・式１
【００２７】
図８は具体的には図７に示すように電極等が構成されているものである。
同図（ａ）において、エレクトロウエッティング（ＥＷＯＤ）により下部透過材１１は誘電体で構成されており、移動液剤１２（電解質）、電極１３とともにインク１４との音響インピーダンスが透過率９０％以上になるよう選択されており、上部透過材１５の音響インピーダンスは透過率９０〜７０％になるよう選択されている。
【００２８】
これにより、図８（ａ）の状態（電極Ａに電圧が印加された）では、移動液剤１２は電極Ａの位置まで移動しており、発射された集束超音波は電極１３、下部透過材１１、移動液剤１２、上部透過材１５と透過する。
【００２９】
発生するメニスカスは周囲インク１４を上部透過材１５上に乗り上げさせ、上部透過材１５上にインク１４の薄層を生成しており、透過してきた集束超音波により、上部にミストを発生する。
【００３０】
図８（ｂ）の状態（電極Ａに電圧が印加されていない）では、移動液剤１２は電極Ａの位置まで移動せず、電極Ａの位置の移動液剤層部には空気で満たされる。
これにより、発射された集束超音波は空気層で９９％以上反射され、ミストは発生しない。
【００３１】
以上の構成により、電極Ａへの電圧ｏｎ／ｏｆｆで該当位置においてミストの出射ｏｎ／ｏｆｆの制御が可能である。
【００３２】
ここで、図８（ａ）で説明したＥＷＯＤを利用した超音波透過／反射の部材は、インク液材中に、超音波のメニスカスに、インク水平面に角度をもって設置されており、メニスカスによる部材へのインク乗り上げ範囲が、電極Ａの位置と同等になるように設置されている。
【００３３】
すなわち、この実施形態では、ライン集束超音波生成器と２枚の超音波透過材料で電解液剤を挟み込んだ形状のエレクトロウエッティング部材で、移動液剤１２、電極１３ともに超音波透過率が９０％以上になるような材料で構成され、上部大気側の透過材１５の音響インピーダンスは超音波透過率が９０％から７０％になるように選定されており、超音波の軸とエレクトロウエッティング電極の位置が重なるように構成されており、ミスト発生機構は液面に対し、ライン集束超音波照射によってミスト発生機構の上部のエレクトロウエッティング用電極の上部に触れる程度の位置に液がくるように斜めに配置されている。
【００３４】
このような構成によれば、ライン上に集束する単一の超音波発生器１７を使用することが可能になると同時に、超音波発生器１７に印加する電圧を低減することができるのである。これに加え、インク薄層を生成する機能と超音波を照射しミスト化する機能を分離しているから、安定したミスト生成を容易に行える。
【００３５】
なお、上述した図８では、点集束超音波発生器１７を示しているが、図９に示すように超音波選択部をマルチ構成としてもよく、また超音波を線集束の超音波発生器を使用し、前述した図１のような構成にすることも可能である。
【００３６】
図１０は本発明の第３の実施形態を示す。
この実施形態では、集束超音波により薄層インク液面から高効率にミストを発生させる場合に、ＥＷＯＤ効果を使用し、ミスト生成時はサンドイッチ構造のＥＷＯＤにより挟まれた透過液を超音波通過個所まで移動させず、超音波を反射するようにし、そうでない場合には、ＥＷＯＤ内部の透過液を該当個所まで移動させることにより超音波を透過させ、これによりインクのミスト化を選択的に生成するものである。
【００３７】
すなわち、上述した第２の実施形態では、ミスト選択部２の透過材の構成は超音波を透過し上部にミストを発生するよう構成されているが、この第３の実施形態では、図１０において、下部透過材２１の音響インピーダンスは透過率が９０％以上となるようにポリスチレン等を選択し、内部透過液材（移動液剤２２）は水等、透過率が９０％以上になるように選択する。なお、上部透過材２３（誘電体）および電極２４の音響インピーダンスはいかようでもよい。
【００３８】
ここで、上部透過材２３と下部透過材２１の間隔つまり移動液剤２２の厚みは０．７ｍｍ以上とする。
【００３９】
図１１は図１０の拡大図であって、電極等の詳細は図示していない。
この図において、集束超音波集束位置にミスト選択機構を液面との角度θで設置している。ここで発生するメニスカスの高さｍｈは最大で２ｍｍである。
【００４０】
また、液剤の間隔をｅｈとし、移動液剤２２がない場合の超音波反射位置をＡ、移動液剤２２がある場合の超音波反射位置をＢとする。移動液剤２２がない場合に超音波が反射し、図１０（ａ）のようにミストが発生するが、その位置はメニスカス２５の高さｍｈに対しｍｈ／２よりも上部に発生する。
【００４１】
移動液剤２２が存在する場合の反射位置Ｂによるミスト発生位置がｍｈよりも上部になるためには、ａｈ≧ｍｈ／２であればよい。
したがって、液剤の厚さは、
ｅｈ≧（ｍｈ／２）×ｃｏｓθ・・・式２
ミストを発生するためにはπ／４≦θ≦π／２である必要があるため、ｅｈ≧ｃｏｓ（π／４）≒０．７を満たすことが必要である。
【００４２】
以上の構成から、液剤の厚さが式２を満たすことにより、図１１のような構成において選択的にミストを効果的に生成することが可能になる。
【００４３】
すなわち、ミストを選択的に生成する記録装置において、ライン上に集束する単一の超音波発生器を使用することが可能になると同時に、超音波発生器に印加する電圧を低減することができる。さらに、これに加えて、インク薄層を生成する機能と超音波を照射してミスト化する機能を分離したことにより、安定したミスト生成を容易にするとともに、ミスト発生時の超音波の減衰を減少させているため、より低エネルギーでのミスト生成を可能にし、ミスト生成の方向の自由度を増大させることができる。
【００４４】
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ヘッド構造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】
【００４５】
【図１】本発明に係る音響インクジェットヘッド構造の一実施形態を示す概略斜視図である。
【図２】図１を側方から見た概略側面図である。
【図３】（ａ），（ｂ）は音響インクジェットヘッド構造におけるＥＷＯＤによるミスト選択部の要部構造を示す概略説明図である。
【図４】（ａ），（ｂ）はＥＷＯＤによるミスト選択部での作動原理を説明するための説明図である。
【図５】ＥＷＯＤによるミスト選択部での電極の変形例を示す図である。
【図６】誘電体厚みによる接触角と印加電圧の理論値と実験値とを示すグラフである。
【図７】本発明に係る音響インクジェットヘッド構造の第２の実施形態において、ＥＷＯＤによる液移動現象を示す説明図である。
【図８】本発明に係る音響インクジェットヘッド構造の第２の実施形態を示し、（ａ），（ｂ）はその要部構造を示す概略説明図である。
【図９】（ａ），（ｂ）は超音波ミスト選択部の変形例を説明するための図である。
【図１０】本発明に係る音響インクジェットヘッド構造の第３の実施形態を示し、（ａ），（ｂ）はその要部構造を示す概略説明図である。
【図１１】図１０の音響インクジェットヘッド構造の要部拡大図である。
【符号の説明】
【００４６】
１…ライン超音波発生器、２…ミスト選択部、３…ミスト、４…インク、５…誘電体、６…電解液、７…電極、１１…下部透過材、１２…移動液剤、１３…電極、１４…インク、１５…上部透過材、１７…超音波発生器、２１…下部透過材、２２…移動液剤、２３…上部透過材、２４…電極。
【図１】
2009248545.tif 000003
【図２】
2009248545.tif 000004
【図３】
2009248545.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2009248545.tif 000009
【図８】
2009248545.tif 000010
【図９】
2009248545.tif 000011
【図１０】
2009248545.tif 000012
【図１１】
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