JPH08132607A - インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一次元の圧電素子アレイを用いて所要解像度
の記録を行うことができるインクジェット記録装置を提
供する。 【解決手段】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
から粒子化したインク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であって、超音波ビー
ムを放射する複数の圧電素子を一列に配列して構成され
る圧電素子アレイ１０と、この圧電素子アレイ１０の各
圧電素子から放射される超音波ビームを内部で互いに干
渉させてインク１６内に該圧電素子アレイ１０のアレイ
方向に集束させる超音波干渉層１１と、圧電素子アレイ
１０のアレイ方向と同方向に延びた複数本の平行な直線
帯状パタ−ンからなり、超音波干渉層１１を通過した超
音波ビームをインク１６内にアレイ方向と直交する方向
に集束させるフレネル回折帯板１７とを有する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを粒子
化して記録媒体上に飛翔させることで画像を記録するイ
ンクジェット記録装置に係り、特に超音波発生素子アレ
イから発生される超音波ビームの圧力によりインク粒を
飛翔させるインクジェット記録装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液体インクをインク粒とよばれる小さな
液滴として記録媒体上に飛翔させて記録ドットを形成し
画像を記録する装置は、インクジェットプリンタとして
実用化されている。このインクジェットプリンタは、他
の記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着等の処理
が不要であるという利点を有し、普通紙に対する記録技
術として注目されている。インクジェットプリンタのイ
ンクを飛翔させる方式は現在までに数多く考案されてい
る。特に、（ａ）発熱体の熱により発生する蒸気の圧力
でインク滴を飛翔させる方式（例えば特公昭５６−９４
２９ 、特公昭６１−５９９１１等）、（ｂ）圧電素子
によって発生される機械的な圧力パルスによりインク滴
を飛翔させる方式（例えば特公昭５３−１２１３８
等）、が代表的なものである。

【０００３】インクジェットプリンタに使用される記録
ヘッドとして、キャリッジに搭載されて記録紙の搬送方
向（以下、「副走査方向」と称する）に対して直交する
方向（以下、「主走査方向」と称する）に移動しながら
記録を行うシリアル走査型ヘッドが実用されている。こ
のシリアル走査型ヘッドでは、機械的に移動しながら記
録を行うため、記録スピードを早くすることが難しい。
そこで、記録ヘッドを記録紙の幅と同じサイズの長尺ヘ
ッドとして機械的な可動部分を減らし、記録スピードを
上げることができる、いわゆるライン走査型ヘッドも考
えられているが、このようなライン走査型ヘッドを実現
することは、次の理由から簡単ではない。

【０００４】インクジェット記録方式は本質的に、溶媒
の蒸発や揮発によって局部的なインクの濃縮が生じやす
く、これが解像度に対応した個別の細いノズルでの目詰
まりの原因となる。このため、インクジェットの形成に
蒸気の圧力を使う方式では、インクとの熱的又は化学的
な反応等による不溶物の付着が、圧電素子による圧力を
使う方式では、インク流路等における複雑な構造が、更
に目詰まりを誘起し易くする。数十〜百数十個程度のノ
ズルを使用するシリアル走査型ヘッドでは、目詰まりの
頻度を低く抑えることができるようになっているが、数
千もの多数のノズルを必要とするライン走査型ヘッドで
は、確率的にかなり高い頻度で目詰まりが発生し、信頼
性の点で大きな問題となる。

【０００５】更に、従来のインクジェット記録装置は、
解像度の向上には適していないという問題点もある。つ
まり蒸気の圧力を使う方法では、直径２０μｍ（これは
記録紙上に直径５０数μｍくらいの記録ドットに相当す
る）以下の粒径のインク粒を生成するのが難しく、また
圧電素子が発生する圧力を使う方式では、記録ヘッドが
複雑な構造となるために加工技術上の問題で解像度の高
いヘッドが作りにくいからである。

【０００６】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
により構成された圧電素子アレイによって発生する超音
波ビームの圧力を用いてインク液面からインクを飛翔さ
せる方式がＩＢＭ ＴＤＢ、ｖｏｌ．１６、Ｎｏ．４、
ｐｐ．１１６８（１９７３−１０）、ＵＳＰ−４３０８
５４７（１９８１）、ＵＳＰ−４６９７１９５（１９８
７）、ＵＳＰ−４７５１５２９（１９８８） 、ＵＳＰ
−４７５１５３０（１９８８） 、ＵＳＰ−５０４１８
４９（１９９１） 、特開昭６２−６６９４３、特開昭
６３−１６２２５３ 、特開昭６３−１６６５４５ 、
特開昭６３−１６６５４６ 、特開昭６３−１６６５４
８ 、特開昭６３−３１２１５７ 、特開平３−２００
１９９、特開平４−２９６５６２、特開平４−２９６５
６３、特開平４−３５６３２８、特開平５−２７８２１
８等により提案されている。この方式は個別のドット毎
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。また、非常に小さい径のインク粒を安定に生
成し飛翔させることができるため、高解像度化にも適し
ている。

【０００７】しかし、この方式の欠点は、記録画点或い
は解像度よりも大きな（例えば記録画点の３０倍の）直
径の音響レンズを用いて超音波ビームをインク内に集束
させるため、記録ヘッドとしては１本の圧電素子アレイ
だけで必要な解像度を得ることができず、複数本の圧電
素子アレイを千鳥状に配列して構成される記録ヘッドを
使って合間を埋める必要があることである。このような
千鳥配列の構造をとる記録ヘッドは、周期的な濃度むら
や隣接ドットとのわずかな位置ずれ等、画質の面から見
て問題が多い。

【０００８】記録ヘッドを千鳥状に配列することなく超
音波ビームを集束させるために、複数の圧電素子を一列
に配列した一次元の圧電素子アレイを用い、隣接する複
数の超音波ビームを互いにインク室内で干渉させて集束
させる、いわゆるフェーズドアレイ走査を行う方法（特
開平２−１８４４４３）も提案されている。しかし、こ
のような方法では以下に述べるような不都合を生じる。
これを理解するためには、（１）超音波ビームを用いて
インクを粒子状に飛翔させる方法では、飛翔するインク
粒の粒径がほぼインク中での超音波波長に一致すること
と、（２）平行する複数の超音波ビームどうしの干渉に
は、少なくとも超音波波長はビーム間隔より長いという
条件が要ること、の二つの事実を知っておかなければな
らない。

【０００９】すなわち、ある程度の解像度を得るために
は、それに応じた短い波長の超音波を使う必要がある
が、そうすると超音波ビームどうしの干渉をインク内で
起こすにはビームの間隔に比べて波長が短かすぎること
になって、フェーズドアレイ走査は難しくなる。逆に、
フェーズドアレイ走査を行うことができるような長い波
長の超音波ビームを使うと、今度は飛翔するインク粒が
大きすぎて必要な解像度が得られなくなる。従って、こ
の方法では、フェーズドアレイ走査が可能な超音波波長
と、必要な解像度を実現できるような粒径の飛翔インク
粒を得る超音波波長の両方を同時に満足させることが不
可能である。

【００１０】また、フェーズドアレイを形成する超音波
発生素子を分割駆動する場合には、次のような問題が認
められる。音響ビームを集束して、液滴を発生させる音
響モード利用の液滴発生機構では、音響ビームの集束方
向に沿って液滴が飛翔する。例えば、インク液面の垂直
方向に対して数度の角度をもった音響ビームがインク液
面に集束されると、インク液滴は、前記角度をもった方
向に飛翔することが実験で確認されている。つまり、フ
ェーズドアレイ方式で音響ビームをスキャンしたとき
は、音響ビームの集束される位置によって、インク液滴
の飛翔角度が変わり、インク液面から垂直方向にインク
液滴が飛翔しないことがある。このことは、記録紙面に
画素ピッチの異なる画点を形成することを意味する。こ
こで、記録紙面の画点ピッチを一定に保つためには、イ
ンク液滴が飛翔する角度をあらかじめ予測し、超音波発
生素子の位相制御を行う必要がある。そして、この位相
制御は、画点の位置によって僅かづつ異なり、精度よく
位相を無断階に制御し得ることを要するので、回路構成
が複雑化するとともに、補正用のデータを多量蓄積し得
るメモリーを要する等の問題がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】上記のように、複数の
圧電素子を一列に配列した一次元の圧電素子アレイから
発生される超音波ビームをインク内で干渉させてフェー
ズドアレイ走査を行うことによりインク粒を飛翔させよ
うとする従来のインクジェット記録技術では、フェーズ
ドアレイ走査が可能な超音波波長と、必要な解像度に相
当する粒径の飛翔インク粒を得る超音波波長の両方を同
時に満足することができないため、必要な解像度の記録
を行うことができないという問題があった。

【００１２】加えて、フェーズドアレイを形成する超音
波発生素子を分割駆動する場合には、回路構成が複雑化
し、補正用のデータを多量に蓄積するためのメモリを要
するという問題を有する。

【００１３】本発明の目的は、一次元の圧電素子アレイ
を用いて所要解像度の記録を行うことができるインクジ
ェット記録装置を提供することである。本発明の他の目
的は、周期的な濃度むらや隣接ドット同士の僅かな位置
ずれ等を解消し、均一な間隔でインク液滴を飛翔するこ
とが可能で、高画質の画像記録をなし得る音波モード利
用のインクジェット記録装置を提供することである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の課題を
解決するために次のような手段を講じた。第１発明（請
求項１に対応）は、超音波ビームの圧力によりインクの
液面から粒子化したインク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おいて、複数の
超音波発生素子を一列に配列して構成される超音波発生
素子アレイの各超音波発生素子から放射される超音波ビ
ームを内部で互いに干渉させてインク内に集束させる超
音波干渉層を設けたことを特徴とする。

【００１５】第１発明の他の発明（請求項２に対応）で
は、超音波干渉層に替えて、超音波発生素子アレイの一
部を同時駆動することによって超音波発生素子から放射
された複数の超音波が互いに干渉することにより主走査
方向に超音波が集束するように、位相の異なる複数のパ
ルス列を前記超音波発生素子に与えながら、同時駆動素
子を主走査方向に順次ずらしていくことを特徴とする。

【００１６】第１発明では、超音波ビームを用いて記録
に必要な飛翔インク粒を生成する際に、バルクレンズで
は大きな面積を必要とするレンズ効果の発現を、必要な
解像度に相当するピッチで複数の超音波発生素子を一列
に並べた超音波発生素子アレイで実現するために、主走
査方向（すなわち超音波発生素子配列方向）において隣
接する複数の超音波ビーム間の干渉によりレンズと等価
の作用を呈するフェーズドアレイ走査を行い、バルクレ
ンズでは不可能だった部分的に重畳した異なるレンズと
して動作させる。この場合、必要な解像度に相当する飛
翔インク粒を得る超音波波長ではフェーズドアレイ走査
が可能な波長としては短かすぎるという前述の課題は、
超超音波発生素子である超音波発生素子アレイとインク
を蓄えておくインク室との間に超音波干渉層を設け、そ
の内部で集束動作を行わせることで解決する。

【００１７】すなわち、超音波ビームがインクに伝わる
前に、インクに比べて超音波伝搬速度（音速）がはるか
に速い超音波伝搬媒質、つまり超音波波長が長くなるよ
うな媒質を超音波干渉層として設け、この超音波干渉層
の内部で超音波ビ−ムを集束することにより、フェーズ
ドアレイ走査の実現と、必要な解像度に相当する粒径の
飛翔インク粒の形成の両方を同時に満足させることがで
きる。

【００１８】また、超音波干渉層を設けない場合であっ
ても、一部の超音波発生素子を同時駆動することによっ
て、超音波の主走査方向への集束ができると共に、この
同時駆動する超音波発生素子を順次ずらすことで、連続
的に超音波の集束点を変化させることが可能となる。

【００１９】第２発明（請求項３、請求項４に対応）
は、超音波ビームの圧力によりインクの液面から粒子化
したインク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おいて、複数の超音波発生素子
を一列に配列して構成される超音波発生素子アレイの超
音波発生素子配列方向と同方向に延びた複数本の平行な
直線帯状パタ−ンからなり、各超音波発生素子から放射
される超音波ビームをインク内に集束させるフレネル回
折帯板を設けたことを特徴とする。

【００２０】第２発明では、副走査方向（超音波発生素
子配列方向と直交する方向）では光リソグラフィ等の信
頼性が高く均一性が良い面内製造プロセスにより、構造
的に大きな凹凸や曲面が無く、ばらつきや収差が少ない
音響レンズ系として、バルクのシリンドリカルレンズに
代えて１次元のフレネル回折帯板（フレネル回折格子或
いはフレネルレンズとも呼ばれる）を用いる。

【００２１】このフレネル回折帯板は、その断面のパタ
ーンが中心からある規則に基づいた比率の幅で波の通過
する部分と、波の不通過或いは半波長分の位相シフトを
起こす部分とが交互に並んだものであり、超音波発生素
子アレイの超音波発生素子配列方向には単に複数本の直
線帯状パターンとして延びている。従って、直線帯状に
延びている方向に対する超音波ビームの入射角が変わる
場合でも、バルクのシリンドリカルレンズのように焦点
距離が変わるという現象は起こらない。

【００２２】更に、この様な１次元のフレネル回折帯板
は、構造的に曲面を含んだ凹凸を微細な構造の中に形成
するバルクのシリンドリカルレンズとは異なり、平面内
に形成することができるため、光リソグラフィ等の信頼
性が高く均一性の良い製造プロセスによって形成でき、
精度の良い超音波の集束が可能である。

【００２３】また、第１発明〜第２発明における超音波
発生素子アレイを駆動するための駆動回路（請求項５に
対応）は、例えば、入力される画像データを転送するシ
フトレジスタと、このシフトレジスタから並列に出力さ
れる画像データを一時記憶するラッチと、このラッチに
一時記憶された画像データに応じて、複数の共通信号線
から入力される位相の異なる複数のパルス列のいずれか
を選択し、該パルス列に応じて超音波発生素子アレイを
駆動するデータセレクタ／ドライバとにより構成され
る。

【００２４】第３発明（請求項６に対応）は、音響ビー
ムの持つ指向性を有効に利用するため、インク液面に向
けて平面的に自己集束するように超音波発生素子（振動
子、音波発生素子）及びインク液室を配置すること、前
記超音波発生素子ｎ個（ｎ≧４）をアレイ状に配置する
こと、前記ｎ個の超音波発生素子をｍ個（３≦ｍ＜ｎ）
から成る超音波発生素子をグループ化し、前記ｍ個超音
波発生素子から超音波ビームをインク液面の１点に集束
制御すること、更に、超音波発生素子のグループを組み
替えてインク液面における音響エネルギーの１点集束位
置を切り替えることを骨子としている。

【００２５】上記の構成により、第３発明に係るインク
ジェット記録装置は、規格化された制御機構もしくは信
号群によって、アレイ状に配列されている超音波発生素
子をグループ化して駆動することにより、インク液面に
対する音響ビームの集束方向・位置が定形化される。し
たがって、インク液面から飛翔するインク液滴の大き
さ、飛翔方向が一様となって、画素ピッチやインク液滴
径が均一化するため、濃度むら及びドットの位置ずれ等
が回避されることになり、常に高品質な画像の記録がな
される。

【００２６】

【発明の実施の形態】図面を参照して本発明の実施の形
態を説明する。 （第１実施形態）図１は、第１実施形態に係るインクジ
ェット記録装置における記録ヘッド部の一部を模式的に
示した図である。

【００２７】図１において、超音波干渉層１１は記録ヘ
ッドの支持体と超音波発生素子アレイ１０とインク１６
間の音響的整合層を兼ねる層であり、例えばガラスによ
り作られている。超音波発生素子アレイ１０は、圧電素
子で構成される場合と磁歪素子で構成される場合等とが
考えられるが、本実施形態においては圧電素子で超音波
発生素子１０が構成される場合を説明する。

【００２８】超音波干渉層１１の裏面側には、金属薄膜
からなる共通電極１２を介して圧電体層１３が形成され
ている。圧電体層１３は、ＺｎＯ或いはＰＺＴ等の材料
をスパッタリングのような膜の厚みを任意にコントロー
ルできる成膜方法により、超音波干渉層１１の裏面全面
に或いは帯状に形成したものである。超音波干渉層１１
の表面には、複数の個別電極１４が記録ドットに相当す
るピッチで形成されている。圧電体層１３の厚みは、使
用する超音波の波長によって決まり、圧電体層１３を挟
む金属の共通電極１２及び個別電極１４の等価的厚みと
の合計が超音波波長の半分となるように設計されてい
る。

【００２９】共通電極１２と圧電体層１３及び個別電極
１４により、圧電素子アレイ１０が構成されている。図
１では、圧電素子アレイ１０は圧電素子が８素子分しか
示されていないが、実際のインクジェット記録装置、例
えば解像度４００ｄｐｉでＡ４サイズの長手方向の寸法
に相当する長さを持つライン型ヘッドの場合には、約４
８００素子の圧電素子を一列に配列する。

【００３０】超音波干渉層１１の表面側には、断面台形
のスリット状のノズル孔兼インク室を形成したノズル基
板１５が、圧電素子アレイ１０の真上にノズル孔兼イン
ク室が位置するように張り合わされている。ノズル孔兼
インク室には、液状のインク１６が満たされている。

【００３１】更に、圧電体素子アレイ１０とインク１６
との境界には、１次元のフレネル回折帯板１７が形成さ
れている。このフレネル回折帯板１７は、回折中心から
の距離をｘとすると、ｘ＝０〜１Ｋ、３^1/2 Ｋ〜５^1/2
Ｋ、７^1/2 Ｋ〜９^1/2 Ｋ、１１^1/2 Ｋ〜１３^1/2 Ｋ、…
で超音波を通過する第１層と、ｘ＝１Ｋ〜３^1/2 Ｋ、５
^1/2 Ｋ〜７^1/2 Ｋ、９^1/2 Ｋ〜１１^1/2 Ｋ、１３^1/2 Ｋ
〜…で超音波の位相が半波長シフトする第２層を交互に
並べて構成される。但し、Ｐは焦点距離つまりノズル基
板１５の厚み、λは使用する超音波の波長、そしてＫ＝
（λp ／２）^1/2 である。第１層及び第２層は、いずれ
か一方の層だけを金属蒸着膜の光リソグラフィで形成す
れば良く、その厚みはインク内の遅い音速との差により
半波長の位相シフトが生じる約数μｍ〜十数μｍ程度に
選ばれる。

【００３２】次に、図２を用いて本実施形態の動作を説
明する。フェーズドアレイ走査の代表的な方式として、
圧電素子アレイの隣接する所定数個の圧電素子を一単位
とし、これらをそれぞれから放射される超音波ビームが
互いに干渉するように位相を適当にずらせて駆動する動
作を、駆動する圧電素子を１個ずつ順次ずらせて行うリ
ニア走査がある。ここでは、４つの圧電素子を一単位と
してリニア走査を行う場合について述べる。この場合、
図２に示すように所定の周波数の交流或いはパルス列か
らなるバースト電圧が４つの圧電素子の個別電極１４
₃ 、１４₄ 、１４₅ 、１４₆ に印加される。このとき印
加されるバースト電圧の周波数は、少なくとも超音波干
渉層１１内での波長が、圧電素子アレイ１０の配列ピッ
チよりも長くなるように設定される必要があり、更には
超音波干渉層１１の厚みもある値以上であることが要請
される。

【００３３】このような条件の下で、４つの圧電素子の
うち内側の２つの圧電素子の個別電極１４₄ 、１４₅ に
対して所定の位相のバースト電圧を印加し、かつ外側の
２つの圧電素子の個別電極１４₃ 、１４₆ に対して、内
側の２つの圧電素子の個別電極１４₄ 、１４₅ に印加す
るバースト電圧より位相が進んだバースト電圧を印加す
ると、それぞれの圧電素子から放射される超音波ビーム
が互いに干渉することにより、圧電素子アレイ１０の圧
電素子配列方向（以下、「アレイ方向」という）、つま
り主走査方向でのレンズ効果が生じる。ただし、この超
音波干渉層１１内では、超音波ビームが圧電素子アレイ
１０のアレイ方向と直交する方向（副走査方向）には集
束しない。

【００３４】超音波干渉層１１とインク室との境界面に
到達した超音波ビームは、フレネル回折帯板１７によっ
て圧電素子アレイ１０のアレイ方向と直交する方向、つ
まり副走査方向へ求心的に集束するようなレンズ効果を
受ける。すなわち、超音波ビームの主走査方向の集束は
音響的整合層でもある超音波干渉層１１の内部から始ま
ってノズル基板１５のインク１６にまで及ぶ。超音波ビ
ームの副走査方向の集束は、ノズル基板１５のインク１
６の中だけで行なわれる。主走査方向及び副走査方向の
両方向とも、超音波ビームの焦点はノズル基板１５の上
面のスリット状の開口で表面張力により止まっているイ
ンクの表面に合わされている。

【００３５】このようにして、集束した超音波ビームの
圧力によってインク表面からインク粒を飛翔させ、図示
しない記録紙等の記録媒体上に画像を記録することがで
きる。この記録方法では、図３に示すように４つの圧電
素子を使って超音波ビームを１ドットに集束させる場合
には、１ラインを少なくとも１／４ずつのタイミング或
いはそれ以上に分割する分割駆動となる。つまり、４素
子の圧電素子を一単位とするリニア走査により、主走査
方向にシフトすることが必要となる。

【００３６】図３（ａ）〜図３（ｅ）の各動作を簡単に
説明する。図３（ａ）は、グループ化された個別電極１
４2 〜１４5 のうち、内側２個の個別電極１４3 、１４
4 にはバースト電圧を印加し、外側２個の個別電極１４
2、１４5 へは、前記したように内側２個の個別電極１
４3 、１４4 よりも位相の進んだバースト電圧を印加し
た場合の模式図である。

【００３７】図３（ｂ）は、次にグループ化された個別
電極１４3 〜１４6 のうち、内側２個の個別電極１４4
、１４5 にはバースト電圧を印加し、外側２個の個別
電極１４3 、１４6 へは、内側２個の個別電極１４4 、
１４5 よりも位相の進んだバースト電圧を印加した場合
の模式図である。

【００３８】図３（ｃ）は、更に、グループ化が進めら
れた個別電極１４4 〜１４7 のうち、内側２個の個別電
極１４5 、１４6 にはバースト電圧を印加し、外側２個
の個別電極１４4 、１４7 へは、内側２個の個別電極１
４5 、１４6 よりも位相の進んだバースト電圧を印加し
た場合の模式図である。

【００３９】図３（ｄ）は、個別電極１４1 〜１４8
を、個別電極１４1 〜１４4 のグループと、個別電極１
４5 〜１４8 のグループに分け、各グループを同時に駆
動して、所定のピッチで２個のインク液滴を飛翔させた
ときの模式図である。

【００４０】図３（ｅ）は、図３（ａ）と同じ状態を示
す。具体的には、グループを成す音波発生素子群２の数
を２０以上にすることが望ましい。

【００４１】また、ここでは４つの圧電素子を一単位と
するリニア走査を述べたが、リニア走査において圧電素
子アレイを駆動する一単位の素子数、つまり１画点を記
録するのに使用する圧電素子の数は、これに限定される
ものではない。１画点を記録するのに更に多くの圧電素
子を使用すれば、求心的に集束する超音波ビームの波面
は滑らかになり、エネルギー密度も高くなるので、イン
ク粒のばらつきを小さくし、圧電素子アレイ１０の駆動
電圧も低くすることができる。

【００４２】上記のように、アレイ状の配置されている
圧電素子アレイ１０をグループ化し、かつこのグループ
化を順次組み替えるとともに、グループ化内における圧
電素子アレイ１０位置によってバースト電圧を切り替え
印加する構成を採ったことにより、常に大きさが一定の
インク液滴が一定方向に飛翔されるので、インク液滴の
飛翔方向の制御機構等も不要で、記録装置の簡略化等に
も大きく寄与する。

【００４３】これに対して、圧電素子アレイ１０のグル
ープを順次組み替え、かつグループ内の位置に対応して
圧電素子アレイ１０に、所定の交流もしくはバースト電
圧を選択的に印加する構成としたことにより、超音波ビ
ームのエネルギー密度の向上、インク液滴の大きさのば
らつき低減等が図られ、高品質な記録ができる。

【００４４】本実施形態の第１特徴は、圧電素子アレイ
１０から放射される隣接した複数の超音波ビームを、音
響的整合層でもあるガラスのような材質の超音波干渉層
１１の内部で干渉させて主走査方向の集束を行う点であ
る。

【００４５】図４を参照して、超音波干渉層１１内で複
数の超音波ビームを互いに干渉させて主走査方向での集
束を行うことによる効果を説明する。図４は、圧電素子
アレイ１０から放射される超音波ビームの波長と記録媒
体上の記録ドット径の関係をガラス内及びインク内波長
の場合について示したものである。また、図４中には超
音波どうしの干渉が起こってフェーズドアレイ走査が行
われるような超音波波長と記録ドット径との関係を示す
領域をフェーズドアレイ可能領域として示している。

【００４６】先に従来の技術で挙げた特開平２−１８４
４４３では、超音波ビームの集束動作をインク内部で行
うという提案がなされている。しかし、図４に示される
ようにインク内では超音波の波長が短く、超音波ビーム
どうしの干渉が起こりにくい。従って、現実にはインク
内でフェーズドアレイ走査を行うことはできず、従って
必要な解像度に相応した記録画点が得られない。これに
対して、インクよりも音響的伝搬特性（音速）の速い媒
質、例えばガラス（３．７倍）の中では波長が長くなる
ため、複数の超音波ビームが互いに干渉し合うようにな
り、フェーズドアレイ走査が可能になる。

【００４７】そこで、本実施形態のようにインク室と圧
電体素子アレイ１０の間に介在する音響的整合層でもあ
る超音波干渉層１１を例えばガラスにより作製してその
厚みを大きくし、先ず超音波干渉層１１の中で超音波ビ
ームどうしの干渉を行わせてある程度までビームを集束
させてからインク１６内に導くようにすれば、超音波ビ
ームは超音波干渉層１１とインク１６との境界面で屈折
を起こした後も、そのままインク１６内で集束を続け、
インク１６内またはインク１６の表面に焦点を結ぶこと
が可能になる。

【００４８】本実施形態において、超音波干渉層１１の
厚みと音速については、以下のように設定することが望
ましい。超音波干渉層１１の厚みｄと圧電素子アレイ１
０のピッチ（〜記録解像度＝記録画点の大きさ）Ｐs と
の間には、インク１６中に伝わった超音波ビームがシャ
ープな焦点を結ぶようにするために、少なくとも ｄ≧０．５Ｐs …（１） の関係が成立することが要求される。これは、次の様な
推論に基づいている。

【００４９】超音波干渉層１１の厚みｄとインク１６内
の超音波波長λi との間には、次の関係がある。 ・圧電素子アレイ１０のピッチＰs ＝２０×（λi ／１
０）^1.5 ・超音波干渉層１１とインク１６との界面における超音
波ビームのピッチＰi〜λi ・Ｆ＝１の条件で必要となる超音波干渉層１１の厚み ｄ≧Ｐs −Ｐi ＝０．６３３λi ^1.5 −λi ≧０．５Ｐs （ａｔ３００ｄｐｉ〜１２５０ｄｐｉ） 更に、超音波干渉層１１内での音速とインク１６中での
音速との比（Ｒｖ）は、圧電素子アレイ１０のピッチＰ
s に対して、 Ｒｖ≧Ａ・Ｐs ^-1/3 …（２） ただし、Ｐs が［ｄｏｔ／ｉｎｃｈ］表現の場合は, Ａ
＝２２、Ｐs が［ｄｏｔ／ｍｍ］表現の場合は, Ａ＝
７．４という条件でなければ、超音波ビームの集束作用
そのものが発現しない。

【００５０】本実施形態の第２特徴は、圧電素子アレイ
１０から放射される超音波ビームを副走査方向へ集束す
る手段として１次元のフレネル回折帯板１７を用いたこ
とである。このように１次元のフレネル回折帯板１７を
用いて副走査方向での超音波ビームの集束を行うことに
よる効果は、次の通りである。

【００５１】従来では、副走査方向の超音波ビーム集束
手段として、副走査方向では単に圧電素子アレイのアレ
イ方向のどの断面をとっても同じ形となるバルクの音響
的シリンドリカルレンズが用いられていた。しかし、フ
ェーズドアレイ走査により求心的波面を持って集束され
る超音波ビームのうち、その中心付近ではレンズ面或い
はレンズ表面に向かって垂直に入射するのに対し、超音
波ビームの両端部分では斜めの角度をもって入射するこ
とになる。特に、焦点でのビーム幅をなるべく狭く絞
り、エネルギー効率を高くするために、Ｆナンバー（＝
焦点距離／レンズ口径）を１程度にまで小さくすると、
両端部での入射角の垂直軸に対する傾きは３０°近くに
まで大きくなる。入射角の垂直軸からの傾きが大きくな
ると、入射ビームの進行方向に対するレンズ面の曲率は
実効的に大きくなり、従ってその部分に入射した超音波
ビームに対する焦点距離が短くなる。その結果、超音波
ビームは１点で焦点を結ぶことができなくなる。そのた
め非常に効率が悪い、或いはインク粒の大きさが不揃い
かつ不安定であるために画質が悪い、更にはインクジェ
ットプリンタとしての動作自体が困難という状況を来た
していた。

【００５２】これに対し、本実施形態のように１次元の
フレネル回折帯板１７を超音波ビームの副走査方向の集
束に用いると、直線帯状に延びている方向に対して超音
波ビームの入射角が変化しても、焦点距離が変化するこ
とはないため、バルクの音響的シリンドリカルレンズを
用いた場合の上記のような問題点は解消される。

【００５３】また、このような直線状パターンからなる
フレネル回折帯板１７は、製造工程の上で有利であると
いう利点がある。すなわち、本実施形態では図５に示す
ように、音響的整合層を兼ねる超音波干渉層１１である
ガラス基板の表面に、主走査方向に延びた直線状パター
ンのフレネル回折帯板１７が形成され、ガラス基板の裏
面には副走査方向に延びた直線状パターンの個別電極１
４が共通電極１２と圧電体層１３を積層した上に形成さ
れる。それぞれのパターンは角の無い直線だけであるた
め、独立に、細かく、かつ精度良く製作することができ
る。そして、ガラス基板の表裏のパタ−ンどうしを組み
合わせるための位置合わせ精度は、それぞれのパターン
形成の精度よりはるかに緩いもので良い。従って、高解
像度に向いたパターニングを扱いやすい製造プロセスを
用いて作ることができる。

【００５４】更に、１次元のフレネル回折帯板１７を用
いることによるもう一つの利点としては、曲面構造のバ
ルク材料を使うシリンドリカルレンズの場合のように、
超音波ビームの入射角により焦点位置が変動したり、収
差を発生したりすることが無いという点があげられる。

【００５５】（第２実施形態）第２実施形態の基本的な
構成は、第１実施形態と同様であるが、本実施形態にお
いては、超音波発生素子として圧電素子ではなく磁歪振
動子を用いたことを特徴とする。第２実施形態におい
て、記録ヘッド部の主要構成は図１と同様であるので、
図示及び重複した詳細な説明は省略する。第２実施形態
では、第１実施形態と異なり、超音波発生素子として電
極で分離された磁歪振動子を用い、これを一次元のアレ
イ状に配列している。

【００５６】磁歪振動子１３は、Ｔｅ_0.3 Ｄｙ_0.7 Ｆｅ
₂ 又はＴｅ_0.3 Ｄｙ_0.7 （Ｆｅ_0.9Ｍｎ_0.1 ）₂ 等の材
料をスパッタリングのような膜の厚みを任意にコントロ
ールできる成膜方法により、超音波干渉層１１の裏面全
面に又は帯状に形成される。磁歪振動子１３の両端には
バイアス磁界を与える磁界印加素子（図示しない）が設
けられている。磁界印加素子は、消費電力、発熱等の問
題がない永久磁石が好適に用いられる。磁歪振動子１３
の表面には、共通電極１２と対をなす個別励磁コイル１
４が記録ドットに相当するピッチで形成されている。な
お、磁歪振動子アレイのアレイ状形成は、磁歪振動子１
３を形成する段階で、島状の磁歪振動子を記録ビットに
相当するピッチに形成する工程を採ってもよく、磁歪振
動子１３の厚みは使用する超音波の波長に合わせて整合
出来るように設計されている。

【００５７】共通電極１２、磁歪振動子１３、磁界印加
素子及び励磁コイル１４により、超音波発生素子アレイ
である磁歪振動子アレイ１０が構成されている。また、
実際のインクジェットヘッド、例えば解像度６００ｄｐ
ｉでＡ４サイズの長手方向の寸法に相当する長さを持つ
ライン型ヘッドの場合には、約５０００素子の磁歪振動
子を一列に配列する。この場合、磁歪振動子アレイ１０
は要求される記録密度で定まる等間隔で一列に配列され
る。他の構成は、第１実施形態と同様であるので、説明
を省略する。

【００５８】図６（ａ）及び図６（ｂ）を参照して、第
２実施形態に係るインクジェットヘッドの動作例を説明
する。図６（ａ）は磁歪振動子アレイに直交する方向の
断面図、図６（ｂ）は磁歪振動子アレイに沿った方向の
断面図である。図６（ａ）には、前記磁歪振動子１３の
両端に設けられ、磁歪振動子１３にバイアス磁界を与え
る磁界印加手段１４ａが記載されている。

【００５９】所定周波数の交流（又はパルス列）からな
るバースト電圧が、アレイ状の磁歪振動子アレイ１０の
うちの一部、例えば個別励磁コイル１４1 〜１４4 に印
加される。ここで、印加する交流周波数は、少なくとも
超音波干渉層（音響整合層）として機能するガラス板１
内での波長が、超音波発生素子（磁歪振動子１３）アレ
イのピッチよりも長いものである。そして、前記個別励
磁コイル１４1 〜１４4 のうち、内側２個の個別励磁コ
イル１４2 、１４3 には交流を印加し、外側２個の個別
励磁コイル１４1 、１４4 へは、内側２個の個別励磁コ
イル１４2 、１４3 よりも位相の進んだ（本実施例では
１／４）バースト電圧を印加すると、実施例３−３と同
様に、相互の超音波ビーム同士が干渉しあって、圧電素
子アレイ１０が並ぶアレイ方向（主走査方向）でのレン
ズ効果が生じる。なお、このガラス板１内では、圧電素
子アレイ１０のアレイ方向と直交する方向（副走査方
向）に集束することはない。

【００６０】インク１６との境界面に到達した超音波ビ
ームは、フレネル回折帯板１７によって、圧電素子アレ
イ１０が並ぶアレイ方向と直交する方向（副走査方向）
へ求心的に集束するようなレンズ効果を受ける。つま
り、主走査方向の集束は、音響整合層（超音波干渉層）
として機能するガラス板１内から始まり、副走査方向の
集束は、インク１６内のみで行われる。この時、前記ノ
ズル基板１５は、その厚さが予め焦点に合うように選択
・設定されているので、ノズル孔を形成するスリット状
の開口部に、表面張力によって止まっているインク液表
面に焦点合わされることになる。従って、前記主走査方
向及び副走査方向に集束した超音波ビーム圧により、イ
ンク液表面からインク粒が容易に飛翔し、記録媒体面に
濃度むら等のない鮮明な記録がなされる。

【００６１】上記のように、第２実施形態では、４個の
超音波発生素子（磁歪振動子）を１グループとして、１
ラインを少なくとも１／４づつのタイミングで、又は分
割する分割駆動し、複数の前記個別励磁コイル１４をリ
ニアスキャン動作によって、主走査方向にシフトするこ
とを骨子とする。

【００６２】図７は、４個の超音波発生素子（磁歪振動
子）２を１グループとして、１ドットに集束させる場合
を模式的に示したものである。図７の（ａ）〜（ｄ）
は、それぞれ次の動作を示す。

【００６３】図７（ａ）は、グループされた個別励磁コ
イル１４2 、１４3 、１４4 、１４5 のうち、内側２個
の個別励磁コイル１４3 、１４4 には交流を印加し、外
側２個の個別励磁コイル１４2 、１４5 へは、内側２個
の個別励磁コイル１４3 、１４4 よりも位相の進んだバ
ースト電圧を印加した場合の模式図である。

【００６４】図７（ｂ）は、次にグループ化された個別
励磁コイル１４3 、１４4 、１４5、１４6 のうち、内
側２個の個別励磁コイル１４4 、１４5 には交流を印加
し、外側２個の個別励磁コイル１４3 、１４6 へは、内
側２個の個別コイル１４4 、１４5 よりも位相の進んだ
バースト電圧を印加した場合の模式図である。

【００６５】図７（ｃ）は、更に、グループ化が進めら
れた個別励磁コイル１４4 、１４5、１４6 、１４7 の
うち、内側２個の個別励磁コイル１４5 、１４6 には交
流を印加し、外側２個の個別励磁コイル１４4 、１４7
へは、内側２個の個別励磁コイル１４5 、１４6 よりも
位相の進んだバースト電圧を印加した場合の模式図であ
る。

【００６６】図７（ｄ）は、個別励磁コイル１４1 、１
４2 、１４3 、１４4 、１４5 、１４6 、１４7 、１４
8 を、個別励磁コイル１４1 、１４2 、１４3 、１４4
のグループと、個別励磁コイル１４5 、１４6 、１４7
、１４8 のグループに分け、各グループを同時に駆動
して、所定のピッチで２個のインク液滴を飛翔させたと
きの模式図である。

【００６７】本実施形態では、１画点を記録するため、
４個の磁歪振動子アレイで１グループとしたが、１グル
ープを成す磁歪振動子アレイの数を増加すれば、求心的
に集束する超音波ビームのサイドローブを防ぎ、エネル
ギー密度も高くなるので、インク液粒のばらつき低減と
磁歪振動子アレイの駆動電流の低減を図り得る。

【００６８】また、本実施形態においては、超音波ビー
ムの集束位置をグルーピングした超音波発生素子群の中
心に対する液面にし、液滴を超音波発生素子群と垂直な
方向に飛翔させたが、バースト電圧を印加するタイミン
グを変えることにより飛翔位置をずらすことも可能にな
る。

【００６９】（第３実施形態）図８に、第３実施形態に
よる記録ヘッド部の構成を示す。本実施形態では、超音
波ビームを主走査方向に集束する手段については第１実
施形態と同じようにフェーズドアレイ走査を用いるが、
副走査方向へ集束する手段としては、従来と同じ曲面構
造のバルクによるシリンドリカルレンズ１９を用いてい
る。

【００７０】本実施形態の場合には、図９に示すように
レンズ１９に対して垂直に入射する中心部（Ａ−Ａ′）
のビ−ムの焦点距離（ｆａ）と、レンズ１９に対して斜
めの方向から入射する端部（Ｂ−Ｂ′）のビームの焦点
距離（ｆｂ）とが異なるため、第１実施形態よりは集束
特性が劣化し、また両端部からのビームは複雑な３次元
面での屈折となるため、収差も発生する。

【００７１】従って、本実施形態の記録ヘッドでは飛翔
するインク粒を生成するためのエネルギー効率や、イン
ク粒の均一性等の点で第１実施形態よりは不利である
が、反面、シリンドリカルレンズ１９の凹面側がそのま
まインク室となる構造のため、断面の大きなインク流路
を形成できるという利点がある。従って、高速記録の動
作をさせたいという場合に限れば、そのスピードを賄う
のに充分な量のインクを供給でき、ノズルからのインク
溶媒の蒸発によるインク濃度の変化も遅く、目詰まりを
起こしにくいという利点がある。

【００７２】（第４実施形態）図１０に、本実施形態に
よる記録ヘッド部の構成を示す。本実施形態はフェーズ
ドアレイ走査は行わず、１次元のフレネル回折帯板１７
のみを使用して超音波ビームの集束を行うようにした例
である。

【００７３】本実施形態においては、圧電素子アレイ１
０から放射される超音波ビームの波長を圧電素子アレイ
１０のピッチに比べて充分短い値に設定する。このよう
な短い波長の超音波超音波ビームは、拡がらずに圧電体
層１３の面と垂直の方向へ真っ直ぐに進み、そのままイ
ンク室の中を通過し、インク１６の表面を叩いてインク
１６内での波長に近い直径、すなわち必要とする解像度
に対して充分小さい（又は小さすぎる）粒径のインク粒
２０を飛翔させる。

【００７４】発明者らの実験によれば、本実施形態のよ
うに超音波ビームの波長サイズに相当する飛翔インク粒
２０に比べて比較的波長の長い超音波ビームでインク１
６の表面を叩く場合でも、超音波ビーム内には半径方向
外側へ減衰する強度分布があるため、インク粒２０は正
確に、かつ安定して超音波ビームの中心部分から飛び出
す。

【００７５】また、飛翔インク粒２０が解像度に比べて
小さ過ぎる問題については、同一の画点上に連続して何
回もインク粒を飛翔させる多重記録、いわゆる重ね書き
を行うことで画点を太らせることにより解決することが
できる。この重ね書きにより画点を太らせる操作は、先
行する飛翔インクが記録紙に吸収される前に後続の飛翔
インクを到達させて、インク滴の状態でドットを融合さ
せることが可能な高速の繰り返し周期でインク滴を発生
できる方法によって初めて実用できることである。従っ
て、これは高速に記録できる特性を保有するインクジェ
ット記録装置ならではの特有の効果といえる。

【００７６】更に、本実施形態によれば非常に細かいイ
ンク粒を連続的に生成することが可能な特性を利用する
ことにより、圧電素子に印加するバースト電圧のバース
ト幅を制御することで、従来のインクジェットプリンタ
では実現しにくかった実用的で画質の良い階調記録をも
可能にすることができる。また、本実施形態はインク粒
の細かい動作領域を使う方法なので、解像度の高い記録
に向いている。

【００７７】第１実施形態でも述べたように、フレネル
回折帯板１７の直線パターンは、それと直交する個別電
極１４の直線パターンとの組み合わせにより、高解像度
の素子アレイを実現できる。従って、このフレネル回折
帯板１７は高解像度記録に向いた本実施形態の能力を充
分に引き出す効果を持つ。

【００７８】（第５実施形態）第１実施形態でも述べた
ように、リニア走査のようなフェーズドアレイ走査を実
現するためにはいくつかの制限が必要になる。しかし、
記録解像度（記録密度）或いは圧電素子アレイ１０のピ
ッチが細かくなるほど、そのような制限が緩くなってく
る。このような関係を示したのが図１１と図１２であ
る。図１１は圧電素子アレイ１０のピッチの１．５倍の
密度でリニア走査記録を行う場合のフェーズドアレイ可
能領域、図１２は圧電素子アレイ１０のピッチの２倍の
密度でリニア走査記録を行う場合のフェーズドアレイ可
能領域をそれぞれ示している。

【００７９】図１３及び図１４は、圧電素子アレイ１０
のピッチを変えた場合の記録媒体上の記録画点の位置の
変化を示したもので、符号２１は圧電素子アレイ１０の
ピッチを表わすスケール、符号２２は記録画点の解像度
を表わすスケールをそれぞれ示している。圧電素子アレ
イ１０のピッチが３３０線／インチ以上になると、図１
３のように圧電素子アレイ１０のピッチの１．５倍、す
なわち解像度５００ｄｐｉのリニア走査記録が可能とな
る。更に、圧電素子アレイ１０のピッチが４００線／イ
ンチ以上になると、図１４のように圧電素子アレイ１０
のピッチの２倍の記録密度、すなわち８００ｄｐｉのリ
ニア走査記録が可能となる。

【００８０】（第６実施形態）本実施形態では、本発明
のインクジェット記録装置に使用される記録ヘッドの駆
動回路の構成法について説明する。

【００８１】本発明のインクジェット記録装置では、圧
電素子アレイ１０がバースト的に印加される一定周波数
の交流電圧或いはパルス電圧によってその周波数に同期
した周波数の超音波ビームを発生する。この場合、前述
したフェーズドアレイ走査を行うには、隣接する圧電素
子から発生される超音波ビームの位相をそれぞれ所定の
位置に焦点を結ぶように設定する必要がある。

【００８２】複数の圧電素子から放射された超音波ビー
ムの焦点を一定の深さ位置に結ばせてリニア走査を行う
ための駆動回路は、医用機器の分野で超音波診断装置と
して既に実用化されており、例えば特公昭６２−１５２
１５等で提案されている。一方、緻密に並んだ発熱素子
を駆動するサーマルプリンタヘッドや、前述した蒸気の
圧力を用いる方式のインクジェットプリンタヘッドにお
いて、ヘッド基板上にリニア走査のための駆動回路を一
体化して搭載する構成も公知であり、例えば特開昭６２
−２１４６５等が提案されている。しかし、超音波ビー
ムを発生する圧電素子アレイが形成されたヘッド基板上
に、リニア走査等のフェーズドアレイ走査を行うための
駆動回路を一体化して搭載する構成に関しては、新規で
かつ特有の効果のある構成法は特に見当たらない。

【００８３】ところで、超音波ビームを用いたインクジ
ェット記録装置において、飛翔するインク粒は超音波の
周波数に強く依存することが分かっており、プリンタと
して必要な解像度を得ようとすると、駆動電圧の周波数
は数十ＭＨｚ〜数百ＭＨｚ程度の範囲のものが必要とな
る。このような高い周波数の電圧を各圧電素子に印加し
て圧電素子アレイを駆動し、かつフェーズドアレイ走査
を行うのに必要な精度でその駆動位相を制御するために
は、長い配線距離による遅延の大きさと、走査回路内で
の遅延のばらつきの２点について、ナノセコンド（１０
^-9秒）のオーダで配慮をする必要がある。この課題に対
して、発明者らは次のような回路を実際に作ってその性
能を比較する実験を行った。すなわち、使用周波数を得
るための発振器に関しては、 （Ａ１）各ＩＣチップ内のコンデンサと抵抗からなる遅
延回路と、バッファ回路とによるＣＲ発振回路 （Ａ２）複数個のバッファ回路を縦列接続にしたリング
オッシレータ （Ａ３）外部の水晶発振回路からの信号をヘッド基板上
のプリント配線を介してＩＣへ導く構成 の３つについて、また、フェーズドアレイ走査を行うの
に必要な各圧電素子の駆動に位相差を与えるための遅延
制御に関しては、 （Ｂ１）各ＩＣチップ内のコンデンサと抵抗からなる遅
延回路 （Ｂ２）複数個のバッファ回路を縦列接続にした遅延回
路 （Ｂ３）外部の回路で遅延させた複数の信号ヘッド基板
上の複数のプリント配線を介してＩＣへ導く構成につい
ての３つについて、それぞれ性能を比較した。 この比較実験の結果、個別回路内及び隣接回路間の誤差
を最も小さくでき、必要な精度が得られる方法は（Ａ
３）と（Ｂ３）であった。

【００８４】この実験結果は、個別の圧電素子を駆動す
る回路にはデータセレクタ回路が必要となることを示唆
している。すなわち、実際にはＩＣ化されてヘッド基板
上に並べられる駆動回路は、それに近接して平行に走り
それぞれの位相が異なるパルス列を供給する複数本のプ
リント配線から、それぞれのタイミングに応じて必要と
なる位相のパルスを選択する動作が要求され、従ってデ
ータセレクタ回路が必要となることがわかった。このデ
ータセレクタ回路を設けることにより、フェーズドアレ
イ走査を行うのに必要な正確な所定の位相差を持つバー
スト状パルス電圧を圧電素子アレイに印加する機能を有
するコンパクトでかつ簡単な駆動回路を実現することが
できる。

【００８５】ヘッド基板に搭載するコンパクトな構成の
駆動回路ＩＣの最も典型的な例としては、サーマルヘッ
ド駆動用ＩＣがある。サーマルヘッド駆動用ＩＣは、一
般的には図１６に示すように、他のチップへの入出力も
可能な画像データ転送用のシフトレジスタ４１と、シフ
トレジスタ４１を通じて送られてきた画像データを並列
に取り込むラッチ４２と、ラッチ回路４２に保持された
画像データに応じてタイミング及び幅を決定する共通パ
ルスの通過を制御するゲート／ドライバ４３から構成さ
れ、ゲート／ドライバ４３の出力パルス電圧により、サ
ーマルヘッドＴＰＨの発熱ドット（発熱抵抗素子）を通
電駆動する構成となっている。

【００８６】超音波ビームを用いるインクジェット記録
装置における圧電素子アレイを駆動してフェーズドアレ
イ走査を行わせるためには、図１６のゲ−ト／ドライバ
４３の部分を他の回路に置き換える必要がある。フェー
ズドアレイ走査を実現するためには、位相が異なるいく
つかの種類の連続パルス列から必要なパルス列を選択す
る構成が良いことは上述した通りである。すなわち、最
終段をゲートでなくデータセレクタにする必要がある。
従って、超音波ビームを用いるインクジェット記録装置
の記録ヘッド駆動用ＩＣは、図１５にその一例を示すよ
うに、シフトレジスタ３１とラッチ３２及びデータセレ
クタ／ドライバ３３で構成すればよい。

【００８７】すなわち、図１５においてシフトレジスタ
３１はシリアルに入力される画像データをクロックパル
スに従って順次転送する。このシフトレジスタ３１に取
り込まれた画像データはラッチ３２に並列に転送され、
一時記憶される。ラッチ３２に一時記憶された画像デー
タは、隣接する２つの圧電素子に対応するデータが、各
圧電素子３４を駆動するためのデータセレクタ／ドライ
バ３３に制御信号コードＳ１１、Ｓ２１、Ｓ１２、Ｓ２
２、Ｓ１３、Ｓ２３、Ｓ１４、Ｓ２４、…（但し、Ｓ１
４、Ｓ２４は図示せず）として与えられる。データセレ
クタ／ドライバ３３は、位相の異なる複数のパルス列φ
１、φ２、φ３、…が入力として与えられており、ラッ
チ３２から供給される制御信号コードに従ってφ１、φ
２、φ３、…のいずれかの位相のパルス列を選択し、そ
のパルス列を適当な電圧値まで増幅して、対応する圧電
素子の個別電極に印加することにより、その圧電素子を
駆動する。このような動作により、フェーズドアレイ走
査が可能となる。

【００８８】この記録ヘッド駆動回路の動作を図２及び
図３に示すように隣接する４つの圧電素子を一単位とし
て、それらを位相をずらせて駆動することによりリニア
走査を行う場合を例にとり、具体的に説明する。この場
合、ラッチ３２からデータセレクタ／ドライバ３３に供
給される制御信号コードをＳ１１＝０、Ｓ１２＝１、Ｓ
２１＝１、Ｓ２２＝０、Ｓ１３＝１、Ｓ２３＝０、Ｓ１
４＝０、Ｓ２４＝１に設定すると、例えば４つの圧電素
子のうち外側の２つの圧電素子にφ２より進んだ位相φ
１のバースト電圧が印加され、内側の２つの圧電素子に
位相φ２のバースト電圧が印加されることにより、図２
（ｂ）と同様にして超音波ビームが主走査方向に集束さ
れてインクに照射される。シフトレジスタ３１に入力さ
れる画像データは、記録画点を形成するときに制御コー
ドＳ１１、Ｓ２１、Ｓ１２、Ｓ２２、Ｓ１３、Ｓ２３、
Ｓ１４、Ｓ２４、…が上記のような値となるように、原
画像データを図示しない画像データ処理回路により変換
処理したしたデータが入力される。原画像データが０、
つまり記録画点を形成しないデータであるときは、シフ
トレジスタ３１に入力される画像データはＳ１１、Ｓ２
１、Ｓ１２、Ｓ２２、Ｓ１３、Ｓ２３、Ｓ１４、Ｓ２
４、…が全て０となるように画像データ処理回路により
変換処理される。

【００８９】この図１５に示した駆動回路の構成は、次
のような点で新規である。 （１）最終段が単純なゲートではなくデータセレクタ
（データセレクタ／ドライバ３３）であること。

【００９０】（２）データセレクタ／ドライバ３３で選
択されるパルス列を供給する複数本の信号配線は、ヘッ
ド基板内に各圧電素子に対して共通のラインとして配線
されること。

【００９１】（３）シフトレジスタ３１に画像データを
入力するシリアル入力ラインには、データセレクタ／ド
ライバ３３の制御を行うための多ビット信号が入力され
ること。

【００９２】なお、（３）については、図１５のような
シリアル入力の他に、パラレル入力を使うこともでき
る。前者は駆動用ＩＣの入出力端子数が少なくて済むメ
リットがあり、後者は転送スピードを落とさなくて済む
メリットがある。

【００９３】また、このような記録ヘッド駆動回路によ
れば、飛翔インク粒の大きさを制御する必要がある場
合、周波数が異なる連続パルス列から必要な周波数のパ
ルスを選択する構成とすることにより、その制御を容易
に実現することもできる。本発明は、上記実施形態に限
定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲
で種々変形して実施できるのは勿論である。

【００９４】

【発明の効果】本発明によれば次のような効果が得られ
る。第１発明のインクジェット記録装置では、高解像度
記録のための小さなインク粒を飛翔させるためには短い
超音波波長が要求され、フェーズドアレイ走査を実現す
るためには長い超音波波長が要求されるという従来の相
容れない条件を取り払うことができる。その結果、従来
の千鳥状配列の圧電素子アレイではヘッドの構造に起因
する画像ノイズが大きかったのに対して、本発明では圧
電素子を一列に配列した圧電素子アレイを用いることで
画像ノイズを低く抑制することができ、同時に目詰まり
等の故障が起きにくく、ライン走査型のノズルレスの記
録ヘッドを実現することができる。

【００９５】また、第１発明のインクジェット記録装置
は、曲面レンズを使わない構成にすることができるの
で、平面内での光リソグラフィ等の精度や信頼性の良い
製造プロセスの使用が可能になり、その結果、曲面構造
を有するバルクの音響レンズでフェーズドアレイ或いは
リニアアレイ走査を行なう際に生じていた特有の収差等
を回避することができた。

【００９６】更に、本発明によれば超音波ビームでフェ
ーズドアレイ走査を行うためのシンプルな回路構成を有
する記録ヘッド駆動回路を得ることができ、これにより
記録ヘッド駆動回路をヘッド基板上に搭載したコンパク
トなインクジェット記録用記録ヘッドの実現を可能とす
ることができる。

【００９７】第３発明によれば、電子的にフォーカスを
行うことにより、容易にリニアアレイヘッドが可能とな
る。このことは、高画素密度化のときも、複数のアレイ
を並べ千鳥状に配置した構成を採る必要もなくなること
を意味し、複数のアレイを並べ千鳥状に配置した構成に
起因する画像ノイズも大幅な低減、抑制される。

【００９８】また、スリット状のノズル孔から飛翔する
インク液滴も一様で、かつ一定の方向が常に確保される
ため、濃度むらのないシャープな画像が記録されること
になる。つまり、インク液滴の目詰まり等発生すること
なく、更に、フェーズドアレイ走査の場合のごとく、イ
ンク液滴の飛翔方向のずれによる画素ピッチの不均一さ
も解消されるので、インク液滴の飛翔方向の補正・制御
機構等を不要としながら、インクジェットのライン化に
向かったノズルレスヘッドとして、十分に機能する。従
って、本発明は記録装置の構造、システムの簡略化、或
いはコンパクト化及び保守管理の容易さ等と相俟って実
用上多くの利点をもたらす。また、高画質で高速のライ
ン走査型のインクジェット記録装置を実現することが可
能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の第１実施形態に係るインクジェット
記録装置の記録ヘッド部の構成図。

【図２】 同実施形態の動作説明図。

【図３】 同実施形態におけるフェーズドアレイ走査の
説明図。

【図４】 超音波の波長と記録画点の大きさとの関係を
示す図。

【図５】 同実施形態におけるフレネル回折帯板と圧電
素子アレイとの位置関係を示す図。

【図６】 第２実施形態に係るインクジェットヘッドの
動作例を説明するための図。

【図７】 同実施形態におけるフェーズドアレイ走査の
説明図。

【図８】 本発明の第３実施形態に係るインクジェット
記録装置の記録ヘッド部の構成図。

【図９】 同実施形態における変動する焦点位置を示す
図。

【図１０】 本発明の第４実施形態に係るインクジェッ
ト記録装置の記録ヘッド部の構成図。

【図１１】 第５実施形態に係る圧電素子アレイのピッ
チの１．５倍の記録密度が可能な領域を示す図。

【図１２】 同実施形態に係る圧電素子アレイのピッチ
の２倍の記録密度が可能な領域を示す図。

【図１３】 同実施形態に係る１．５倍密度記録時の記
録画点位置を示す図。

【図１４】 同実施形態に係る２倍密度記録時の記録画
点位置を示す図。

【図１５】 本発明の第６実施形態に係るインクジェッ
ト記録ヘッド駆動回路の回路図。

【図１６】 従来のヘッド基板上に搭載されるサーマル
ヘッド駆動回路の回路図。

【符号の説明】

１０…圧電素子アレイ １１…超音波干渉層 １２…共通電極 １３…圧電体層（磁歪振動子） １４…個別電極 １５…ノズル基板 １６…インク １７…フレネル回折帯板 １８…駆動回路 １９…シリンドリカルレンズ ２０…飛翔インク粒 ２１…圧電素子アレイのピッチを表わすスケール ２２…記録画点の解像度を表わすスケール ３１…シフトレジスタ ３２…ラッチ ３３…ゲート／ドライバ ４１…シフトレジスタ ４２…ラッチ ４３…データセレクタ／ドライバ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号 庁内整理番号 ＦＩ 技術表示箇所 Ｈ０４Ｎ 1/23 １０１ Ｚ (72)発明者 額田 秀記 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 高山 暁 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 工藤 紀子 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 斉藤 史郎 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 斎藤 勉 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 村上 文彦 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 杉内 政美 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会社 東芝柳町工場内 (72)発明者 田沼 千秋 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
   から粒子化したインク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おいて、 超音波ビームを放射する複数の超音波発生素子を一列に
   配列して構成される超音波発生素子アレイと、 この超音波発生素子アレイの各超音波発生素子から放射
   される超音波ビームを内部で互いに干渉させて前記イン
   ク内に集束させる超音波干渉層と、を具備することを特
   徴とするインクジェット記録装置。
2. 【請求項２】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
   から粒子化したインク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おいて、 超音波ビームを放射する複数の超音波発生素子がアレイ
   状に配置された超音波発生素子アレイと、 前記超音波発生素子アレイの一部を同時駆動することに
   よって超音波発生素子から放射された複数の超音波が互
   いに干渉することにより主走査方向に超音波が集束する
   ように、位相の異なる複数のパルス列を前記超音波発生
   素子に与え、前記同時駆動素子を主走査方向に順次ずら
   していく駆動手段と、 前記主走査方向と垂直な方向に超音波を集束させる集束
   手段と、を具備することを特徴とするインクジェット記
   録装置。
3. 【請求項３】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
   から粒子化したインク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おいて、 超音波ビームを放射する複数の超音波発生素子を一列に
   配列して構成される超音波発生素子アレイと、 前記超音波発生素子アレイの一部を同時駆動することに
   よって超音波発生素子から放射された複数の超音波が互
   いに干渉することにより主走査方向に超音波が集束する
   ように、位相の異なる複数のパルス列を前記超音波発生
   素子に与え、前記同時駆動素子を主走査方向に順次ずら
   していく駆動手段と、 前記主走査方向と垂直な方向に超音波を集束させる集束
   手段と、を具備し、 前記集束手段は、前記主走査方向と同方向に延びた複数
   本の平行な直線帯状パタ−ンからなり、前記超音波発生
   素子から放射される超音波ビームを前記インク内に集束
   させるフレネル回折帯板を含むことを特徴とするインク
   ジェット記録装置。
4. 【請求項４】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
   から粒子化したインク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おいて、 超音波ビームを放射する複数の超音波発生素子を一列に
   配列して構成される超音波発生素子アレイと、 前記超音波発生素子アレイの超音波発生素子配列方向と
   同方向に延びた複数本の平行な直線帯状パタ−ンからな
   り、前記超音波発生素子アレイの各超音波発生素子から
   放射される超音波ビームを前記インク内に集束させるフ
   レネル回折帯板と、を具備することを特徴とするインク
   ジェット記録装置。
5. 【請求項５】 入力される画像データを転送するシフト
   レジスタと、このシフトレジスタから並列に出力される
   画像データを一時記憶するラッチと、このラッチに一時
   記憶された画像データに応じて、複数の共通信号線から
   入力される位相の異なる複数のパルス列のいずれかを選
   択し、該パルス列に応じて前記圧電素子アレイを駆動す
   るデータセレクタ／ドライバとからなる駆動回路を有す
   ることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１
   項に記載のインクジェット記録装置。
6. 【請求項６】 超音波ビームの圧力によりインクの液面
   から粒子化したインク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おいて、 アレイ状に配置された超音波発生素子群と、 前記超音波発生素子群から放射される超音波ビームを受
   けてインク液面から粒子化したインクを飛翔させるスリ
   ット状のインク飛翔ノズル孔と、 前記アレイ状に配置された超音波発生素子群の一部をグ
   ループ化し、前記グループごとに、スリット状のインク
   飛翔ノズル孔に対向するインク液面の１点に超音波ビー
   ムを集束させる超音波ビーム集束手段と、 前記グループ化させた超音波発生素子群のグループ組み
   合わせを順次切り替えて、前記スリット状のインク飛翔
   ノズル孔に対向するインク液面への超音波ビームの集束
   点を制御する制御手段と、を具備することを特徴とする
   インクジェット記録装置。