JPH10328594A - 液滴形成装置および画像形成方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ノズルを用いない方式により、効率よく微小
な液滴を吐出できるとともに、液滴の均一性・方向性に
優れた液滴形成装置および画像記録方法を提供する。 【解決手段】 本発明の液滴形成装置は、振動発生手段
および振動伝達手段を有し、該振動伝達手段に液体を接
触させて先端近傍の液体を飛翔させるものであって、そ
の振動伝達手段が、先端に複数の先鋭端部７ａと一以上
の凹部７ｂよりなる凹凸構造を有する板状の弾性部材７
からなることを特徴とする。振動発生手段および振動伝
達手段をそれぞれ複数個設けて、画像形成装置として使
用することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体を微粒化し液
滴として飛翔させる液滴形成装置および画像形成方法に
関し、特に、被印字面にインクドロップ等の液滴を吐出
して印字を行う記録装置および画像形成装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】液滴形成装置は、加湿器や医療用吸引器
等、様々な用途に応用されているが、代表的な応用例と
して、液体として着色剤を含むインクを使用し、被印字
面に飛翔させて印字を行う記録装置が挙げられる。

【０００３】液滴を飛翔させる記録方式としては、ノズ
ルを用いる方式があり、このノズルを用いる方式の記録
方式は、オンデマンド型と連続流型とに大別される。

【０００４】オンデマンド型は、記録情報に対応してノ
ズルから間欠的にインクを吐出させて印字を行う方式で
あり、代表的なものとして、ピエゾ振動子型とサーマル
型とがある。ピエゾ振動子型は、インク室に付設した圧
電素子にパルス電圧を印加して、圧電素子を変形させる
ことによりインク室内のインク液圧を変化させ、ノズル
からインク液滴を吐出させて、記録紙上にドットを記録
するものである。サーマル型は、インク室内に設けた加
熱素子によりインクを加熱し、それにより発生したバブ
ルにより、ノズルからインク液滴を吐出させて、記録紙
上にドットを記録するものである。また、連続流型は、
インクに圧力を加えてノズルから連続的にインクを吐出
させると同時に、ピエゾ振動子等により振動を加えて突
出インク柱を液滴化し、さらに液滴に対して選択的に帯
電、偏向を行うことによって、記録を行うものである。

【０００５】これらの各方式はいづれも、インクの液滴
径は、主としてノズルの径によって決まる。そして、ノ
ズル径を小さくすると、ゴミやチリによるノズル詰まり
や、ノズル部におけるインク表面の乾燥によるノズル詰
まり、ノズル円周部へのインク残滓の付着によるインク
吐出方向の変化を生じるという問題が発生する。

【０００６】これに対して、ノズルを用いないで、被印
字面にインク液滴を吐出して印字を行う記録方式がいく
つか提案されている。例えば、米国特許第４３０８５４
７号明細書に示されているように、凹状にカーブした球
面形状の圧電体シェルをインク中に配置し、この圧電体
シェルに電極を介して電圧を印加するものが知られてい
る。この方式では、圧電体シェルからインク中に放射さ
れた縦波がインク自由表面の一点に集められ、インク自
由表面から液滴が吐出される。また、特公平６−４５２
３３号公報に示されているように、ガラス等の基板上に
球面状の凹部を設けて、これを音響レンズとし、基板の
裏面に圧電体、およびこれに電圧を印加するための電極
からなる振動子を形成して、この振動子をインク中に配
置するものが知られている。さらに、特開平３−２００
１９９号公報には、より安価で、よりシャープに焦点を
合わせられるレンズとして、凹状レンズの代わりに薄膜
平板状の位相フレネルレンズを基板上に設けることが示
されている。

【０００７】さらに、ノズルを用いない他の例として、
吐出力として静電力を用いる、いわゆる静電吸引方式が
あり、さらにそのインクメニスカス（インク隆起）を形
成するために振動を利用するものが知られている。例え
ば、特開昭６２−２２２８５３号公報には、記録針をイ
ンク表面から突出させて、これに軸方向に伝搬する超音
波エネルギーを与えることが示されている。これによる
と、超音波流動（ａｃｏｕｓｔｉｃ ｓｔｒｅａｍｉｎ
ｇ）現象により、記録針に接するインクは、記録針の先
端方向に移動して、記録針の先端に凸状のインクメニス
カスが形成される。その状態で、記録針と背面電極との
間に静電界を印加してインクを引きちぎり、記録針と背
面電極との間に配置された記録媒体上にインク液滴を着
弾させる。この方式によれば、記録針の先端にインクメ
ニスカスを形成するため、従来の静電吸引方式に比べ
て、より小さいインク液滴を形成できるとされている。
また、特開昭５６−２８８６７号公報にも、針電極と背
面電極との間に静電界を印加した状態で、針電極に画像
信号を印加すると同時に、針電極を振動させる静電吸引
方式が示されている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記ノズルを用いない
方式のうち、縦波をインク自由表面に集束させて、イン
ク自由表面から液滴を吐出させる方式では、液滴径は、
縦波の集束径にほぼ等しく、その集束径ｄは、振動子の
駆動周波数をｆ、レンズのＦ値をＦとすると、ｄ〜Ｆ／
ｆとなる。なお、インク中を伝搬する縦波の波長をλ、
その伝搬速度をｖとすると、これらと振動子の駆動周波
数ｆとの間には、ｖ＝ｆ・λの関係がある。したがっ
て、例えば、液滴径（集束径）ｄが１５μｍ程度の非常
に小さなインク液滴を吐出させようとする場合には、レ
ンズのＦ値を１とすると、従来の低粘度・水性インク中
の縦波の伝搬速度ｖは、ほぼ１５００ｍ／秒であるの
で、振動子の駆動周波数ｆを約１００ＭＨｚというよう
な非常に高い周波数にしなければならない。レンズのＦ
値は、種々の問題から著しく小さくすることが実際上困
難であるため、液滴径ｄをより小さくする場合には、一
般により高い周波数で振動子を駆動することが必要にな
る。したがって、１００ＭＨｚ前後の高い周波数で複数
の振動子を駆動しなければならないため、一般に駆動手
段が高価になるというコスト上の問題を生じるととも
に、吸収による発熱によりインク粘度が変化して液滴径
が変動したり、記録素子内でインク自体の乾燥や固化が
生じて、インクを吐出できなくなるという重大な問題を
生じる。

【０００９】一方、静電吸引方式では、湿度等による記
録媒体の誘電体の厚みの変動や、記録媒体の表面の粗さ
のばらつき等によって、形成される液滴径が変動しやす
いといった欠点がある。

【００１０】そこで、この発明は、ノズルを用いない方
式における上記のような問題点を解決することを目的と
してなされたものである。すなわち、本発明は、ノズル
を用いない方式により、効率よく微小な液滴を吐出でき
るとともに、液滴の均一性・方向性に優れた液滴形成装
置および画像記録方法を提供するものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の液滴形成装置
は、振動発生手段および振動伝達手段を有し、その振動
伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔させ
るものであって、上記振動伝達手段が、先端に複数の先
鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部
材からなることを特徴とする。

【００１２】本発明の液滴形成装置は、画像形成用のも
のとして用いるのが好ましく、その場合、画像形成用液
滴形成装置は、複数の振動発生手段および該振動発生手
段のそれぞれに対応する複数の振動伝達手段を有し、該
振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔
させるものであって、振動伝達手段が、先端に二つの先
鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性部材
からなることを特徴とする。

【００１３】また、本発明の画像形成方法は、画像情報
に基いて振動発生手段から振動を発生させて、振動伝達
手段の先端に伝達し、伝達された振動により振動伝達手
段の先端近傍から液滴を飛翔させて記録媒体に記録を行
うものであって、上記振動伝達手段として、先端に二つ
の先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸構造を有する弾性
部材を用いることを特徴とする。

【００１４】より具体的には、本発明の液滴形成装置
は、振動発生手段と片持ち梁構造の板状の弾性部材とを
有し、前記振動発生手段の励振により、前記弾性部材を
曲げ振動によって共振させ、その曲げ振動により前記弾
性部材の先端近傍の液体が飛翔するように構成されたも
のであって、前記片持ち梁構造の弾性部材自由端が複数
の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸構造を有する。

【００１５】また、本発明の液滴形成装置の他の態様は
画像形成装置であって、所定の間隔で配置された複数の
振動発生手段と、これら振動発生手段にそれぞれ対応す
る複数の片持ち梁構造の板状の弾性部材とを有し、前記
振動発生手段は、画像信号に応じて間欠的に励振し、そ
の励振により前記弾性部材を曲げ振動によって共振さ
せ、その曲げ振動により前記弾性部材の先端近傍の液体
を飛翔させて記録媒体に付着させるものであって、前記
片持ち梁構造の弾性部材自由端が二つの先鋭端部と一つ
の凹部よりなる凹凸構造を有する。

【００１６】本発明の上記液滴形成装置において、前記
液体の表面張力をσ（ｍＮ／ｍ）、密度をρ（ｇ／ｃｍ
³ ）、弾性部材先端近傍の振動周波数をｆ（Ｈｚ）とす
るとき、前記複数の先鋭端部における隣接した先鋭端間
距離、すなわち、凹部の幅が、略｛（８πσ／ρｆ² ）
^1/3 ｝／２（ｃｍ）、またはそれ以上であることが好ま
しい。

【００１７】また、前記液体の表面張力をσ（ｍＮ／
ｍ）、密度をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、弾性部材先端近傍の振
動周波数をｆ（Ｈｚ）、自然数をｎとするとき、前記複
数の先鋭端部における隣接した先鋭端間距離が、略
｛（８πσ／ρｆ² ）^1/3 ・ｎ｝／２（ｃｍ）であるこ
とが好ましい。

【００１８】また、前記液体の表面張力をσ（ｍＮ／
ｍ）、密度をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、弾性部材先端近傍の振
動周波数をｆ（Ｈｚ）とするとき、前記複数の先鋭端部
における少なくとも一つの先鋭端部の最大幅が｛（８π
σ／ρｆ² ）^1/3 ｝／２（ｃｍ）以下であることが好ま
しい。

【００１９】

【発明の実施の形態】本発明は、発明者が実験考察の結
果見い出した液滴飛翔現象を、液滴形成装置に応用した
ものである。各具体的な実施例によって本発明を説明す
る前に、本発明の基本構成および動作原理を示す。

【００２０】図１は、本発明の基本構成の一例を示し、
（Ａ）は液滴形成装置の要部の正面図、（Ｂ）はその側
面図である。この例の液滴形成装置は、振動発生手段と
して基板１上に振動子２を備えたものであって、振動子
２上に、振動伝達手段として、板状の弾性部材７を形成
している。弾性部材７は振動発生手段との接続部を基端
部とする片持ち梁構造を有しており、その先端部は二つ
の先鋭端部７ａおよび７ａと一つの凹部７ｂを有してい
る。液体８は、片持ち梁構造における少なくとも先端近
傍において薄液層として接触させる。この例の構成で
は、その液面８ａが弾性部材７の先端と底面（基端部）
との間に位置するように充填し、液体８と弾性部材７の
濡れと重力の効果により、図１（Ｂ）における弾性部材
側面側での液厚８ｂを数μｍ〜数百μｍの範囲にしてい
る。ここで、液体は弾性部材の少なくとも先端近傍の一
部に接していればよいので、板状の弾性部材の片面のみ
に液体を供給する等の変更が可能である。

【００２１】振動子２は、圧電体３、およびこれに電圧
を印加するための電極４、５から形成され、電極４、５
は駆動手段９に接続されている。また、振動子２と液体
８との絶縁をはかるためにＳｉＯ₂ などからなる保護層
６によって覆う構成となっている。この例では、基板１
上に振動子２を形成しているが、弾性部材７の存在する
面の反対側に作製することも可能である。その場合、弾
性部材７は基板１に直接接続させた構成となる。さら
に、基板１を弾性変形可能な部材としてもよく、振動子
２とのモノモルフ効果によってたわませ、振動振幅を増
幅させることができるので、有効な手段である。また、
振動発生手段として振動子をそれ自体で担持可能なもの
とすれば、基板を用いない構成も可能である。

【００２２】圧電体３としては、水晶、ジルコン酸・チ
タン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃ 、
ニオブ酸鉛ＰｂＮｂ₂ Ｏ₆ 、ビスマスゲルマネートＢｉ
₁₂ＧｅＯ₂₀、ニオブ酸リチウムＬｉＮｂＯ₃ またはタン
タル酸リチウムＬｉＴａＯ₃等の多結晶体や単結晶体、
ＺｎＯまたはＡｌＮ等の圧電薄膜、ポリ尿素、ＰＶＤＦ
（ポリフッ化ビニリデン）またはフッ化ビニリデン共重
合体等の圧電性高分子、およびＰＺＴ等の無機圧電物質
と圧電性高分子との複合体等を用いることができる。も
ちろん、装置を設計する際に設定する駆動周波数に応じ
て、最適な圧電材料を選択しなければならない。印加す
る交流の周波数が数１０ｋＨｚから１ＭＨｚの間であれ
ば、ＰＺＴのようなセラミックでもよいが、より高い周
波数で駆動する場合には、ＺｎＯ等のように高周波に対
応する圧電薄膜等を選択しなければならない。いずれに
しても、振動子２は、安定かつ十分な振動を行うような
振動特性を持つものである必要がある。また、圧電体３
は、圧電基板で構成しても、圧電薄膜で構成してもよ
く、単層で構成されても、また多層で構成されてもよ
い。

【００２３】上記の場合、振動子２は圧電素子を用いて
形成されているが、圧電素子を用いる場合に限定される
ものではなく、各種電歪素子、磁歪素子、機械式アクチ
ュエータ等、本発明の弾性部材７を励振させ得るもので
あれば、如何なるものでも使用することができる。

【００２４】板状の弾性部材７は、振動子２の励振に対
して、図１（Ｂ）中、矢印ｃで示す方向に曲げ振動によ
って共振する部材である。この例では、厚さが一定の板
状の弾性部材７を用いているが、厚さに分布を有しても
よい。好ましくは、基端部より先端部の方が、弾性部材
の（断面２次モーメント）×（ヤング率）で表される曲
げこわさを小さくする構成のものが用いられる。上記断
面２次モーメントは、曲げ振動の曲げ方向に関する断面
２次モーメントであり、それを小さくするためには、基
端部より先端部の方が、曲げ振動の振動方向の幅が小さ
いか、曲げ振動の振動方向と垂直方向の幅が小さければ
よい。同様にヤング率に関しても、基端部より先端部の
方が小さい構成にすればよい。このように、（断面２次
モーメント）×（ヤング率）を基端部より先端部の方が
小さくすることによって、弾性部材の先端近傍ではより
効率よく曲げ振動の振幅を得ることができる。また、上
記の場合、板状の弾性部材を振動子の振動面に対してほ
ぼ垂直に配置しているが、これに限らず、振動子の振動
面と平行に弾性部材を形成するなどの変更も可能であ
る。

【００２５】図２に弾性部材先端部の代表的形状を示
す。先鋭端部とは、図２（Ａ）および（Ｂ）に示すよう
に、突起部の底部断面積ａと比較して、突起部の先端部
断面積ｂが等しいか、または小さい突起部を意味し、そ
して二つの先鋭端部７ａ，７ａによって、弾性部材７の
先端部に凹部７ｂが形成される。

【００２６】弾性部材７の材料としては、ポリイミド、
シアノアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂、フッ素系
樹脂等の各種樹脂を用いることができる。また、弾性部
材は、ＳｉＯ₂ 、ＳｉＯＮ、ＳｉＮ、ＡｌＮ、Ａｌ₂ Ｏ
₃ 等の各種無機材料で形成してもよい。また、弾性部材
は、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、ＴｉＷ等、
またはそれらの合金で形成してもよい。ただし、各種樹
脂や金属と異なり、液体８と接する間に腐食しないよう
に、ＳｉＯ₂ 等の無機膜でそれらの表面を保護すること
が望ましい。もちろん、樹脂、無機材料および金属のう
ち、２つ以上の材料を用いてもよい。また、振動エネル
ギーが効率的に伝搬できるならば、弾性部材７の先端部
と基端部を別々の材料で構成してもよい。

【００２７】次に本発明の動作原理を説明する。駆動手
段９により振動子２に交流信号を印加すると、その交流
信号の周波数によって振動子２が励振される。弾性部材
７は振動子２の振動と共振し、弾性部材７の先端近傍は
大きな振幅を有することになる（図１（Ｂ）中ｃ）。曲
げ振動方向の液厚は、弾性部材７の先端近傍において、
液体８と弾性部材７の濡れと重力の効果により数μｍ〜
数百μｍに形成されているので、液体８は弾性部材７の
振動の作用を強く受けて液滴が飛翔する。

【００２８】交流信号を連続して印加した場合には、連
続したインク柱が吐出され続け、バースト波であると、
微小な液滴が吐出される。ここで、バースト波とは、周
波数は一定のまま、１個から複数個の波からなる交流電
圧が断続的に生じるものであり、その例としてバースト
数を３としたときの波形を図３に示す。バースト波であ
れば、弾性部材７の共振周波数と同じか、またはその整
数倍の周波数を維持して、振動子２に短時間だけ交流電
圧を印加することができる。そのため、振動子２はバー
スト波で駆動する。ただし、バースト波は、サイン波に
限らず、方形波や三角波であってもよい。

【００２９】上記飛翔状態を理解するために、ストロボ
の発光をバースト波のくり返し周期と同調させて観察し
た。飛翔状態の経時変化は、発光タイミングをずらすこ
とにより可能となる。その結果、まず、弾性部材７の曲
げ振動が液体８に作用すると液体表面にキャピラリ波が
生成する。さらに、時間経過とともにキャピラリ波は増
幅・成長され、その波頭より微小液滴が飛翔する様子が
観察される。

【００３０】代表的な飛翔状態を図４に示す。図４
（Ａ）は弾性部材先端部の正面図であり、（Ｂ）はその
側面図である。図４（Ａ）に示すように、キャピラリ波
は先鋭端部７ａ、７ａ間の凹部７ｂにおいて最も強く増
幅され、バースト波条件の調整による弾性部材先端部に
おける液滴飛翔位置の限定を容易にする。また、液滴１
０の代表的な飛翔方向は図４中ｄで示され、弾性部材７
の曲げ振動方向ｅの力に加えて、流動方向ｆに流動によ
る力が働いていることが分かった。流動を引き起こす原
因は明確ではないが、液体８にかかる振動の圧力方向と
表面張力が液体の変形を復元する力の方向とがずれるた
めに、図４に示すような流動方向ｆに平行な成分の力が
生ずるものと推測される。

【００３１】比較のため、複数の先鋭端部による凹部を
備えていない板状の弾性部材を用いて観察したところ、
弾性部材面に多数のキャピラリ波が生成して、液滴飛翔
位置および飛翔方向を安定に制御することができなかっ
た。

【００３２】図５は飛翔条件を変化させたときの液滴の
飛翔状態を示す図である。バースト波の繰り返し周波数
を一定にした条件下において、弾性部材７に接触する液
体の液厚を薄くしバースト数を少なくする方向に条件を
変えると、液滴１０は、図５（Ａ）中ｄ１に示す飛翔方
向に近づき、逆に液厚を厚くしバースト数を多くする
と、図５（Ｂ）中ｄ２に示す飛翔方向に近づく傾向があ
る。これは、図４中ｅおよびｆの方向における力の大き
さおよび比率が変化しているためと考えられる。さら
に、図５（Ｂ）で示した条件では、キャピラリ波の波長
ではなく、凹部の幅、すなわち先鋭端間距離に依存した
直径を有する液滴飛翔も観察される。キャピラリ波は、
表面張力を復元力とする表面波であるので、基本的には
液体表面に垂直方向成分の力がキャピラリ波の生成・成
長に寄与すると考えられる。図５（Ｂ）の条件では、流
動による力成分がキャピラリ波生成に寄与する力に比べ
て非常に大きいため、上述の飛翔形態になったと考えら
れる。いずれにしても、飛翔条件を決定すれば、液滴径
の均一性および飛翔方向の安定性は非常によいので、使
用される用途によって多様な設計が可能である。

【００３３】一般にキャピラリ波の波長は、液体８の表
面張力をσ（ｍＮ／ｍ）、密度をρ（ｇ／ｃｍ³ ）、励
振周波数をｆ（Ｈｚ）とするとき、（８πσ／ρｆ² ）
^1/3（ｃｍ）となることが知られている。したがって、
キャピラリ波の増幅領域を限定する凹部の幅、すなわち
先鋭端間距離（図２中ｇ）は、キャピラリ波が増幅しう
る最小単位の半波長｛（８πσ／ρｆ² ）^1/3 ｝／２
（ｃｍ）より大きいことが望ましい。さらに、先鋭端間
距離（図２中ｇ）を半波長の整数倍にすることにより、
キャピラリ波を限定領域で定在波として生成させること
ができる。それにより効率よくキャピラリ波を増幅させ
ることが可能となる。また、先鋭端部の最大幅（図２中
ｈ）は、キャピラリ波の半波長以下にすることが望まし
い。それにより、先鋭端面におけるキャピラリ波の生成
を抑制し、キャピラリ波の増幅領域を凹部、すなわち先
鋭端部間に限定することがより確実に実現可能になる。

【００３４】

【実施例】以下、実施例に基づいて、本発明を具体的に
説明する。 実施例１ 図６は、本発明の液滴形成装置の実施例の主要部を示す
図であって、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は側面図である。
この実施例では、２００μｍの厚さの黄銅からなる基板
１上に、１μｍの厚さのＡｇ電極４を堆積し、その後、
パターンニングした。続いて、１００μｍの厚さのＰＺ
Ｔ（ジルコン酸・チタン酸鉛）からなる圧電体３を堆積
した後、パターンニングし、さらに、０．０５μｍの厚
さのＣｒと１μｍの厚さのＡｕの２層からなる電極５を
堆積した後、パターンニングして振動子を形成した。Ｐ
ＺＴからなる圧電体３を振動子２の構成要素として、分
極処理して電極間に電圧が印加されたとき、膜面に垂直
な方向に振動するようにした。さらに、圧電体３および
電極４、５からなる振動子２を、１μｍの厚さのＳｉＯ
₂ 等からなる保護層６で被覆し、続いて、振動子２上
に、弾性部材７として、厚さ７μｍのステンレス箔を
「Ｌ字」型に折り曲げ、図６に示すように接着した。弾
性部材の正面形状は、ＹＡＧレーザーにより加工し、図
６に示すような複数の先鋭端部７ａおよび複数の凹部７
ｂを有している。ただし、以下の実施例でも同様である
が、弾性部材の形成方法は、これに限らず、半導体プロ
セスで利用されているリソグラフィー技術を利用した加
工技術、厚膜印刷技術、またはマイクロマシンの作製プ
ロセスに利用されている各種形成技術（異方性エッチン
グ、エキシマレーザー加工、放電加工、メッキ技術等）
を、各種金属材料、無機材料、樹脂等の有機材料からな
る弾性部材の形成に用いることができる。

【００３５】この実施例では、飛翔させる液体８として
水を使用した。その液面８ａが弾性部材７の先端と底面
との間に位置するように充填し、駆動手段９を用いて、
外部から振動子に交流信号を印加して振動子を励振させ
た。交流信号の周波数としては、振動子２および弾性部
材７の固有周波数に一致することが効率上最も好まし
く、この実施例では、１９２ｋＨｚにおいて共振するよ
うに設計した。具体的には、弾性部材７の正面幅を６０
０μｍ、最大高さを５２０μｍとし、水の１９２ｋＨｚ
におけるキャピラリ波の波長は約３０μｍであるので、
先鋭端距離を半波長の３倍である４５μｍに、先鋭端部
幅を１２μｍに設定して作製した。

【００３６】バースト波条件としては、１９２ｋＨｚ、
１０Ｖ_P-P 、２０周期分の交流波を繰り返し周期１ｋＨ
ｚで印加した。これにより、各先鋭端部間から繰り返し
周期ごとに液滴１０が飛翔し、その直径は１５μｍと均
一であり、方向安定性にも優れていることが、ストロボ
を用いた飛翔観察により確認された。

【００３７】この実施例によると、均一な微小液滴を方
向性よく飛翔させ、さらに液滴数の制御も可能となるた
め、医療用薬剤の噴霧等に好適な液滴形成装置として利
用することができる。上記の場合、弾性部材は振動子に
対して複数個設けてもよく、また、複数個作製した弾性
部材に対して個別に振動子を設けてもよい。

【００３８】図７は、本発明の液滴形成装置において、
上記実施例と同様に利用可能な弾性部材の先端部形状の
代表例を示す。（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面図
であり、（Ａ）と（Ｂ）のそれぞれすべての組合せが可
能である。このように、弾性部材形状は本発明の要件を
逸脱しないかぎり多様に変更可能である。

【００３９】実施例２ 図８に本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装置の
一実施例の主要部を示す。（Ａ）は正面図であり、
（Ｂ）は側面図である。この実施例では、２００μｍの
厚さの黄銅からなる基板１上に、１μｍの厚さのＡｇ電
極４を堆積した後、パターンニングし、続いて、１００
μｍの厚さのＰＺＴ（ジルコン酸・チタン酸鉛）からな
る圧電体３を堆積した後、パターンニングし、さらに、
０．０５μｍの厚さのＣｒと１μｍの厚さのＡｕの２層
からなる電極５を堆積した後、パターンニングして振動
子を形成した。ＰＺＴからなる圧電体３を振動子２の構
成要素として、分極処理して、電極間に電圧が印加され
たとき、膜面に垂直な方向に振動するようにした。さら
に、圧電体３および電極４、５からなる振動子２を、１
μｍの厚さのＳｉＯ₂ 等からなる保護層６で被覆し、続
いて、振動子２上に、ステンレス鋼製の弾性部材７を形
成した。弾性部材の正面形状は、図８（Ａ）に示すよう
な二つの先鋭端部と一つの凹部を有していた。共振周波
数の設計値１９２ｋＨｚに対して、弾性部材７の正面最
大幅を６００μｍ、最大高さを５２０μｍとした。ま
た、この実施例では、液体８として水性黒色インクを使
用しており、そして水性黒色インクのキャピラリ波の波
長は約３０μｍであるので、先鋭端距離を半波長の３倍
である４５μｍに、先鋭端部の最大幅を１２μｍに設定
して作製した。

【００４０】この実施例では、振動子２と弾性部材７の
組合わせがインク液滴吐出のためのイジェクタを構成し
ている。また、図８（Ｂ）に示すように弾性部材前後の
液面状態を変えて液滴１０が一方向のみに飛翔するよう
になっている。ここで、一方向の飛翔を実現させる手段
としては、上記の場合に限らず、突起側面形状を非対称
にすることによっても可能である。そして、電極４を複
数のイジェクタに共通なコモン電極、電極５を特定のイ
ジェクタのみ駆動させるアドレス電極として構成しても
よい。それにより画像信号に応じて特定のイジェクタを
駆動させてインク液滴を吐出させ、被印字面に付着させ
ることによって、可視化情報を記録することが可能とな
る。

【００４１】図９は、本発明の液滴形成装置を適用した
画像形成装置の一例の主要部を示す。この例の画像形成
装置は、上述したイジェクタを備えた記録素子１１がキ
ャリッジ１２に固定されている。キャリッジ１２は、ガ
イド１３に案内されて、印字紙１４の紙幅方向に往復移
動し、印字紙１４が送りローラ１５の回転によってガイ
ド１６、１７に沿って送られることによって、印字紙１
４の全面にわたって画像が印字されるようになってい
る。

【００４２】記録素子１１は、図１０に示すように、振
動子と弾性部材からなるイジェクタ１９が、基板上にチ
ドリ状に配列されたもので、これによって、振動子およ
び弾性部材が比較的大きくても、高密度印字ができるよ
うになる。

【００４３】また、図１０に示す例は、いわゆるマトリ
ックス駆動の例であり、リードＡ１〜Ａ５は、一方の電
極のリードであって、各イジェクタ１９と縦方向に接続
され、リードＢ１〜Ｂ６は、他方の電極のリードであっ
て、各イジェクタ１９と横方向に接続されている。そし
て、リードＡ１〜Ａ５のいずれかと、リードＢ１〜Ｂ６
のいずれかとの間に電圧が印加されることによって、一
つのイジェクタが選択され、励振される。

【００４４】図９に示す画像形成装置において、キャリ
ッジ１２の送り速度と記録素子１１内の各振動子の配置
間隔は、６００ｄｐｉ（ドット／インチ）に対応するよ
うになされている。記録素子１１は、黒、イエロー、マ
ゼンタ、シアンの４色に対応した４つの記録素子部によ
って構成され、インク供給部１８と接続されている。イ
ンク供給部１８は、内部に、黒、イエロー、マゼンタ、
シアンの４色のインクを保持した構造を有している。イ
ンク供給部１８に保持された各色のインクは、記録素子
の各色の記録素子部に供給される。そして、画像信号に
対応した振動子に電圧が加わると、その選択された振動
子上のインク面からインク液滴が吐出されて、画像が形
成されていく。なお、図示していないが、記録素子１１
への電気的信号は、キャリッジ１２を介して外部から送
られる。

【００４５】バースト波条件としては、１９２ｋＨｚ、
３０Ｖ_P-P 、５周期分の交流波を繰り返し周期１ｋＨｚ
で印加した。これにより、各先鋭端部間の凹部から繰り
返し周期ごとに一つの液滴が選択的に飛翔可能であり、
その直径は１６μｍと均一であって、方向安定性にも優
れていることが、ストロボを用いた飛翔観察により確認
された。印字後の印字紙１４上に形成されたドットは、
吐出されたインク液滴径のほぼ倍の、ほぼ３０μｍ径の
円状に整った均一ドットであった。なお、印字を続けて
も、ドット径が変動することはなく、またインクが吐出
されなくなることもなかった。

【００４６】この実施例の画像形成装置は、本発明の液
滴形成装置を備えた記録素子１１を有するため、印字紙
１４上に高い解像度に対応する微小ドットを安定に形成
でき、高品位な印字が可能であった。

【００４７】図１１は、上記図９に示す画像形成装置に
おいて、上記の場合と同様に利用可能な弾性部材の形状
の代表例を示す。（Ａ）は正面図であり、（Ｂ）は側面
図であり、（Ａ）および（Ｂ）のそれぞれすべての組合
せが使用可能である。以上述べたように弾性部材の形状
は、本発明の要件を逸脱しないかぎり多様に変更可能で
ある。

【００４８】

【発明の効果】上述したように、本発明の液滴形成装置
は、ノズルを用いることなく、効率よく微小な液滴を吐
出できるとともに、液滴の均一性・方向性に優れてい
る。すなわち、片持ち梁構造の板状の弾性部材の曲げ振
動により、弾性部材の先端近傍の液体表面にキャピラリ
ー波を生成して、液体を飛翔させることができ、かつ、
弾性部材の先端が複数の先鋭端部と一以上の凹部よりな
る凹凸構造を備えることにより、複数の先鋭端部間の凹
部にキャピラリ波の増幅領域を限定させる効果を有す
る。この効果により飛翔される液滴径の均一性および飛
翔方向性が向上し、しかも低周波かつ低電力で駆動する
ことが可能になる。したがって、本発明の液滴形成装置
は、種々の用途、特に画像形成装置に使用するのに適し
ており、それを用いた画像記録方法により優れた画質の
記録画像を形成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の液滴形成装置の基本構成の一例を示
す構成図である。

【図２】 本発明の液滴形成装置における代表的な弾性
部材先端部を示す斜視図である。

【図３】 本発明に使用する駆動信号の代表的バースト
波を示す図である。

【図４】 本発明の液滴形成装置の基本構成における代
表的な飛翔状態を示す説明図である。

【図５】 本発明の液滴形成装置の基本構成において、
飛翔条件を変化させたときの飛翔状態を示す説明図であ
る。

【図６】 本発明の液滴形成装置の実施例の主要部を示
す図である。

【図７】 本発明の液滴形成装置に適用可能な弾性部材
形状の代表例を示す図である。

【図８】 本発明の液滴形成装置を適用した記録素子の
実施例の主要部を示す図である。

【図９】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形成装
置の実施例の斜視図である。

【図１０】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形
成装置の駆動方式を説明する図である。

【図１１】 本発明の液滴形成装置を適用した画像形成
装置に適用可能な弾性部材形状の代表例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１…基板、２…振動子、３…圧電体、４，５…電極、６
…保護層、７…弾性部材、７ａ…先鋭端部、７ｂ…凹
部、８…液体、８ａ…液面、８ｂ…液厚、９…駆動手
段、１０…液滴、１１…記録素子、１２…キャリッジ、
１３…ガイド、１４…印字紙、１５…送りローラ、１
６，１７…ガイド、１８…インク供給部、１９…イジェ
クタ、ａ…突起部の底部断面積、ｂ…突起部の先端部断
面積、ｃ…弾性部材の曲げ振動方向を示す矢印、ｄ…液
滴の飛翔方向、ｅ…弾性部材の曲げ振動方向、ｆ…流動
方向、ｇ…先鋭端間距離、ｈ…先鋭端部の最大幅。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 振動発生手段および振動伝達手段を有
   し、該振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体
   を飛翔させる液滴形成装置において、該振動伝達手段
   が、先端に複数の先鋭端部と一以上の凹部よりなる凹凸
   構造を有する弾性部材からなることを特徴とする液滴形
   成装置。
2. 【請求項２】 複数の振動発生手段および該振動発生手
   段のそれぞれに対応する複数の振動伝達手段を有し、該
   振動伝達手段に液体を接触させて先端近傍の液体を飛翔
   させる画像形成用液滴形成装置において、該振動伝達手
   段が、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部よりなる凹凸
   構造を有する弾性部材からなることを特徴とする画像形
   成用液滴形成装置。
3. 【請求項３】 画像情報に基いて振動発生手段から振動
   を発生させて振動伝達手段の先端に伝達し、伝達された
   振動により該振動伝達手段の先端近傍から液滴を飛翔さ
   せて記録媒体に記録を行う画像形成方法において、該振
   動伝達手段として、先端に二つの先鋭端部と一つの凹部
   よりなる凹凸構造を有する弾性部材を用いることを特徴
   とする画像形成方法。