JPH1110865A

JPH1110865A - 記録ヘッド

Info

Publication number: JPH1110865A
Application number: JP9183118A
Authority: JP
Inventors: Koichi Haga; 浩一羽賀; Hiroaki Sato; 博昭佐藤; Ichiro Asai; 市郎浅井; Jiro Mitsunabe; 治郎三鍋
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-06-23
Filing date: 1997-06-23
Publication date: 1999-01-19
Anticipated expiration: 2017-06-23
Also published as: US6283579B1; JP3438535B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、インク滴を飛翔させ記録媒体の所定
の位置に着弾させることによって印字する記録ヘッドに
関し、ノズルを用いずに微小なドロップを吐出可能と
し、高精細な画像を記録できる記録ヘッドを提供するこ
とを目的とする。【解決手段】画素信号に対応して振動する振動発生部２
の励振に応じて振動する弾性部材１を備え、弾性部材１
の振動によりインク３の表面にキャピラリ波を発生さ
せ、インク３を飛翔させて記録媒体に付着させる。弾性
部材１は、励振により曲げ振動をする片持ち梁構造を有
している。また、弾性部材１は、片持ち梁構造の自由端
の先端部４近傍における曲げ振動の振動方向に対して垂
直な面の幅が、ほぼ２λの長さを有している。但し、λ
は以下の式で与えられる。λ＝｛８πσ／（ρｆ
ｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）；ここで、σは、インク表
面張力（ｍＮ／ｍ）、ρは、インク密度（ｇ／ｃ
ｍ³）、ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク滴を飛翔さ
せ記録媒体の所定の位置に着弾させることによって印字
する記録ヘッドに関する。

【０００２】

【従来の技術】被印字面に液滴、特にインクドロップを
吐出して印字を行うインクジェット記録方式の代表的な
ものとして、ノズルを用いる方式があり、そのノズル式
の記録方式として、従来、オンデマンド型と連続流型と
が知られている。

【０００３】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
インクドロップ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、これにより発生したバブル
によりノズルからインクドロップを吐出させて、記録紙
上にドットを記録するものである。

【０００４】一方、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
ゾ振動子など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ずれも、インクのドロ
ップ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、ノズル部の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った問題が発生する。

【０００６】これに対して、ノズルを用いないで、被印
字面にインクドロップ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４３０８
５４７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記録方式があ
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
由表面からドロップが吐出される。

【０００７】また、特公平６−４５２３３号公報に示さ
れているように、ガラスなど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記録方式も
ある。

【０００８】さらに、特開平３−２００１９９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た記録方式が示されてい
る。

【０００９】上述における、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ドロップを吐出させる方式
では、ドロップ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。

【００１０】したがって、例えば、ドロップ径（集束
径）ｄが１５μｍ程度の非常に小さなインクドロップを
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は実際上困難であるため、ドロッ
プ径ｄをより小さくしようとすると、一般にはより高い
周波数で振動子を駆動させなければならないことにな
る。

【００１１】このように、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ドロップを吐出させる方式で
は、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ドロップ径が変動した
り、記録素子内でインク自体の乾燥や固化を生じてイン
クを吐出できなくなることがあるという重大な問題を生
じる。

【００１２】上記以外の従来技術として、特開平６−３
４００７０号公報において、新規なオンデマンド型の記
録方式が開示されている。これは、片持ち梁構造の梁を
曲げ振動で共振させて、梁の先端に十分な振幅を発生さ
せ、インクを飛翔させるものであり、比較的低い励振周
波数および低い電圧でインクを吐出できる可能性を有す
る記録方式である。しかしながらこの記録方式は、梁先
端に設けられたノズルを介してインクドロップを形成す
る機構を用いており、前述したノズル式の各種記録方式
と同様、ドロップ径はノズル径で決定され、ノズル径を
小さくすると、ノズル詰まりや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っ
た課題を有している。この特開平６−３４００７０号公
報に開示された技術は、従来方式に比べノズル詰まりの
問題が生じる可能性を少なくすることを解決すべき技術
的課題の一つとしているが、ドロップ径がノズル径で決
まる以上、根本的な解決とはなり得ない。

【００１３】さらに別の従来技術として、インクジェッ
ト記録方式ではないものの、振動エネルギーを作用させ
て液体を微粒子化する方法が、特開平３−１５４６６５
号公報に記載されている。この方法は霧化装置に適用す
べくなされたものであって、圧電磁器を含む振動子と、
振動子に固着され片持ち梁の形で曲げ振動する振動部か
らなり、振動部の一部を液体に漬けて、超音波の放射に
より霧状の液滴を発生させるものである。しかしながら
この霧化装置に用いられている技術では、ノズルを用い
ずに微小径のドロップを生成することができるものの、
時間的、空間的に制御されていない多数のドロップが生
成されてしまうので、記録媒体の所定位置に正確にイン
ク滴を着弾させる必要があるインクジェット記録装置に
は応用し得ない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このように、従来のい
ずれの記録方式、あるいは霧化装置等の他の分野におけ
る技術を用いても、近年益々高精細化が要求されている
画像を紙等の記録媒体上に正確に記録することが困難に
なってきているという問題が生じている。

【００１５】本発明の目的は、上記従来の技術では解決
できなかった課題を解決すべく、ノズルを用いずに微小
なドロップを吐出可能とし、高精細な画像を記録できる
記録ヘッドを提供することにある。さらに本発明の目的
は、発熱などを生じにくい、低周波、低電圧駆動によっ
て印字可能な記録ヘッドを提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記目的は、画素信号に
対応して振動する振動発生手段と、振動発生手段の励振
に応じて振動する弾性部材とを備え、弾性部材の振動に
よりインクの表面にキャピラリ波を発生させ、インクを
飛翔させて記録媒体に付着させることを特徴とする記録
ヘッドによって達成される。本発明の記録ヘッドにおい
て、弾性部材は、励振により曲げ振動をする片持ち梁構
造を有していることを特徴とする。また、弾性部材は、
片持ち梁構造の自由端の先端部近傍における曲げ振動の
振動方向に対して垂直な面の幅が、ほぼ２λの長さを有
していることを特徴とする。但し、λは以下の式１で与
えられる。

【００１７】 λ＝｛８πσ／（ρｆｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）・・・式１ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³）ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の第１の実施の形態による
記録ヘッドを図１および図２を用いて説明する。まず、
本実施の形態による記録ヘッドの概略の構成を図１を用
いて説明する。図１（ａ）および図１（ｂ）は、弾性部
材１と振動発生部２とインク３の関係を示す正面図およ
び側面図であり、図１（ｃ）は、画像信号と振動発生部
２の励振の関係を示している。本実施の形態による記録
ヘッドは、弾性部材１が振動発生部２に接続され、その
接続部を基端部５とする片持ち梁構造をしており、少な
くとも先端部４近傍がインク３と接触している。弾性部
材１は、正面からみると基端部５を底辺とする三角形形
状であり、側面からみると板厚がほぼ等しい長方形形状
となる片持ち梁構造となっている。振動発生部２は、弾
性部材１が曲げ振動で共振する周波数で励振し、この共
振により弾性部材１の先端部４近傍は大きな振幅を有す
ることになる。これによって、インク３は振動の作用を
強く受け、その表面にキャピラリ波を生じる。そのキャ
ピラリ波の作用により、微小滴の生成が可能となる。

【００１９】この構成において１滴の微小ドロップを安
定に吐出させるためには、弾性部材１の先端部４近傍に
キャピラリ波が発生しうる状態のインク３を、あるサイ
ズの領域で存在させることが重要である。そのために、
弾性部材１の曲げ振動方向に対して垂直な面における幅
をｗとし、上述の（式１）で算出される値をλとしたと
きに、先端部４近傍の少なくとも一部の幅ｗがほぼ２λ
となるようにしている。幅ｗは、１．２λ〜２．４λの
範囲となるようにするのが好ましい。なお、上記（式
１）は、一般の参考書、例えば、千葉近著『超音波噴
霧』（山海堂）第７章第２節に、キャピラリ波の波長を
与える式として記載されているものである。

【００２０】弾性部材１は、上記先端部４近傍の特徴を
除けば、振動発生部２の振動を曲げ振動に変換可能であ
り、先端部４近傍にドロップ吐出に十分な振幅を発生可
能な部材であればよく、材質、形状等は特に限定されな
いが、加工性やコスト等の面から、ＳＵＳ、Ｎｉ等の金
属材料、ポリイミド樹脂、ＰＥＴ、エポキシ樹脂、シア
ノアクリレート樹脂等の高分子材料が好適である。ま
た、弾性部材１を変質、腐食、異物付着等から保護する
目的で、金、白金、パラジウム、ロジウム等の金属及び
ＰＴＦＥ等の薄膜で表面を被覆することは効果的であ
る。

【００２１】振動発生部２は、図示しない駆動回路から
入力される電気信号に応じて振動を発生するものであれ
ばよく、圧電材料、磁歪材料、機械式アクチュエータ、
静電気力を応用したアクチュエータ等を適用可能であ
る。中でも圧電材料は、インクジェットプリンタの機能
材料としても広く使われており、高度な製造技術が確立
しているので最適である。

【００２２】圧電材料としては、水晶、ＰＺＴ、チタン
酸バリウムＢａＴｉＯ₃、ニオブ酸鉛ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、ビ
スマスゲルマネイトＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、ニオブ酸リチウム
ＬｉＮｂＯ₃、タンタル酸リチウムＬｉＴａＯ₃などの多
結晶体や単結晶体、またはＺｎＯやＡｌＮなどの圧電薄
膜、またはポリ尿素、ＰＶＤＦ（ポリフッ化ビニリデ
ン）やＰＶＤＦの共重合体などの圧電性高分子、または
ＰＺＴなどの無機圧電物質と圧電性高分子との複合体な
どを用いることができる。もちろん、記録ヘッドを設計
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
十ｋＨｚから１ＭＨｚの間であれば、ＰＺＴのようなセ
ラミックがよく、より高い周波数で駆動する場合にはＺ
ｎＯなどのように高周波に対応する圧電薄膜が選択され
る。いずれにしろ、安定し、かつ十分な振動を発揮する
振動特性を持つものである必要がある。なお、振動発生
部２を構成する圧電材料自体で弾性部材１を形成するよ
うにしてもよい。

【００２３】振動発生部２の励振は１画素信号に応じて
１インク滴の飛翔を実現するように、１インク滴の飛翔
に必要な励振数を終了するごとに間欠的に励振を区切る
ものである。

【００２４】図１（ｃ）に示すように、本実施の形態に
おける励振では、励振周期を１周期とする波形が少なく
とも１つ以上連なった波形信号を持ち、これらを画像信
号に応じて断続的に印加するバースト波を用いる。ただ
し、バースト波は、図示した矩形波に限らず、サイン波
や三角波等でもよい。

【００２５】インク３を吐出させるためのエネルギは、
振動発生部２の励振周期を１周期とする波形の数（バー
スト数という）と印加電圧で決まる。バースト数を増や
せば比較的低電圧でインク吐出が可能であり、バースト
数を減らせば電圧は若干高くなるものの、より飛翔速度
の早いインク吐出が可能となる。

【００２６】次に、図２を用いて弾性部材１の先端部４
近傍におけるインク３の吐出動作を説明する。図２
（ａ）は、図１（ａ）、（ｂ）に示した弾性部材１の正
面図の先端部４近傍の拡大図であり、図中破線で示す円
形領域はインク飛翔点を示している。図２（ｂ）および
図２（ｃ）は、図２（ａ）に示したインク飛翔点を横切
る直線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図であり、インク飛翔直前
の様子を示している。図２（ｂ）は振動発生部２が励振
を始めてからの、ある時間ｔにおけるインク３の状態を
示しており、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動方向
に対して垂直な面において約２λの幅の領域で、２山の
キャピラリ波６が生じる瞬間を示している。図２（ｃ）
は図２（ｂ）から時間がΔｔだけ経過した瞬間のインク
３の状態を示しており、図２（ｂ）で示す２山のキャピ
ラリ波６の間より、１山のインク隆起部が形成され、次
の瞬間これが分離して１インク滴が飛翔する。

【００２７】弾性部材１の先端部４近傍の、曲げ振動方
向に対して垂直な面の幅が１λ程度以下であると、キャ
ピラリ波６が発生しにくくなり、振動発生部２の励振電
圧を大きくするか、バースト数を増やすかしないとドロ
ップが飛翔しない。また、飛翔させた場合も、安定なド
ロップ飛翔とはならない。

【００２８】一方、曲げ振動方向に対して垂直な面の幅
が３λ程度以上の場合も、キャピラリ波６は発生しにく
い。上述と同様に、振動発生部２の励振電圧を大きくす
るか、あるいはバースト数を増やすことによってキャピ
ラリ波を発生させることができるが、その場合は、キャ
ピラリ波が３山以上生成されて、複数のドロップが飛翔
するようになり、安定した１インク滴の飛翔が困難とな
る。以上述べたとおり、弾性部材１の先端部４近傍の曲
げ振動方向に対して垂直な面において約２λの幅を有す
る領域を備えた本実施の形態の記録ヘッドによれば、ノ
ズルなしで微小滴が生成され、かつ、インク目詰まりが
なく高画質の記録を行うことができるようになる。

【００２９】次に、本発明の第２の実施の形態による記
録ヘッドを図３および図４を用いて説明する。第１の実
施の形態の記録ヘッドと同一の機能を有する構成部材に
は同一の符号を付している。図３（ａ）は本実施の形態
による記録ヘッドの正面図、図３（ｂ）は同側面図を示
している。本実施の形態における弾性部材１は、基端部
５から先端部４方向に延びる平行平板の端部ほぼ中央に
さらに突出する長方形形状の先端部４が形成された構造
となっている。例えばこの弾性部材１の寸法は図３
（ｃ）に示すように、平行平板部の寸法が、基端部５側
底辺の長さが６００μｍ、高さ５００μｍ、厚さ７μｍ
であり、先端部４の寸法は、幅ｗが５０μｍ、高さ１０
０μｍ、厚さ７μｍである。弾性部材１の材料として
は、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、ＴｉＷ等、
あるいはそれらの各種合金、またはＳｉＯ₂、ＳｉＯ
Ｎ、ＳｉＮ、ＡｌＮや、Ａｌ₂Ｏ₃などの各種無機材料、
またシアノアクリレート系樹脂、エポキシ系樹脂、フッ
素系樹脂などの各種樹脂を用いることができるが、本実
施の形態では弾性部材１の材料としてＳＵＳを用いてい
る。

【００３０】インク３には以下の物性（密度ρおよび表
面張力σ）を備えたインクを用いている。 ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝３０ｍＮ／ｍこの構成において、振動発生部２の励振周波数ｆｅをｆ
ｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性部材１の先端
部４は図３（ｂ）に矢印で示すように曲げ振動し、図３
（ａ）に示す正面図の先端部４中央付近（インク飛翔
点）から、インク３が安定して単一飛翔する。

【００３１】図４はインク飛翔時の様子を示している。
図４（ｂ）および図４（ｃ）は、図４（ａ）に破線で示
した円形のインク飛翔点を横切る直線Ｘ−Ｘ’に沿った
断面図であり、安定な単一飛翔をする場合のインク飛翔
直前の様子を示している。

【００３２】図４（ｂ）は振動発生部２が励振を始めて
からのある時間ｔにおけるインク３の状態を示してお
り、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動の振動方向に
対して垂直な面のＸ−Ｘ’断面において２山のキャピラ
リ波６が生じる瞬間を示している。

【００３３】図４（ｃ）は図４（ｂ）から時間がΔｔ経
過した瞬間のインク３の状態を示しており、図４（ｂ）
で示す２山のキャピラリ波６の間より、１山のインク隆
起部が形成され、次の瞬間これが分離して１インク滴が
飛翔する。この様子は非常に安定しており、１インク滴
が飛翔する直前は必ず２山のキャピラリ波６が生じる。

【００３４】一方、本実施の形態におけるインク３の密
度ρおよび表面張力σと励振周波数ｆｅの値を上記（式
１）に代入して得られる値は、λ＝２７μｍとなる。従
って、安定飛翔した弾性部材１の先端部４の幅ｗ（＝５
０μｍ）は、ｗ＝１．９λとなり、ほぼ２λに等しい。
なお、このときの振動発生部２に印加した印加電圧は３
７Ｖである。

【００３５】ここで比較のために、先端部４の幅ｗがｗ
＝８０μｍの弾性部材１と、ｗ＝３０μｍの弾性部材１
を用意してインク飛翔の様子を比較した。それぞれの弾
性部材１は、ｆｅ＝１９３ｋＨｚで曲げ振動の共振状態
になるよう設計され、それぞれの弾性部材１の先端部４
が十分な振幅をもって振動するよう調整されたものであ
る。その結果、ｗ＝８０μｍの弾性部材１は、複数のイ
ンク滴を飛翔してしまい、ｗ＝３０μｍの弾性部材１
は、インク飛翔が非常に不安定であった。これらの弾性
部材１の先端部４の幅ｗを式１によるλで表すと、ｗ
（＝８０μｍ）＝２．９６λ、およびｗ（＝３０μｍ）
＝１．１１λのインク飛翔は、記録ヘッドとしては不適
当であることがわかる。

【００３６】また、上述の物性を示すインク３を用い、
先端部４の幅ｗが３０、４０、８０μｍの３種類の弾性
部材１を用いて、振動発生部２の励振周波数ｆｅをｆｅ
＝１１５ｋＨｚとしたときのインク飛翔を観察すると次
のようになる。３種類の弾性部材１は、それぞれ、ｆｅ
＝１１５ｋＨｚで共振するように設計されている。この
中で、安定に単一飛翔するのは先端部４の幅ｗが８０μ
ｍの弾性部材１のみである。この場合も、図４に示すよ
うに、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動方向に対し
て垂直な面のＸ−Ｘ’断面において、１インク滴が飛翔
する直前は必ず２山のキャピラリ波６が生じる。

【００３７】また、（式１）に上記インク３の物性値と
励振周波数を代入して得られる値は、λ＝３８μｍとな
る。従って、安定飛翔した弾性部材１の先端部４の幅ｗ
は、ｗ＝２．１λとなり、ほぼ２λ近傍の値となる。こ
のときの振動発生部２に印加した印加電圧は２７Ｖであ
る。

【００３８】一方、式１から先端部４の幅ｗが３０μｍ
の場合はｗ＝０．７９λとなり、また先端部４の幅ｗが
４０μｍの場合はｗ＝１．０５λとなるが、これらの弾
性部材１はインク飛翔が不安定になってしまうことがわ
かる。

【００３９】次に、インク３の密度ρおよび表面張力σ
を変更して、 ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝４４ｍＮ／ｍの物性を有するインク３を用いた場合の例を示す。それ
ぞれ先端部の幅ｗが３０、５０、８０μｍであり、１１
３ＫＨｚで共振する３種類の弾性部材１を用い、振動発
生部２に励振周波数ｆｅ＝１１３ｋＨｚを発生させて実
験したところ、安定に単一飛翔したのは、先端部４の幅
ｗが８０μｍの弾性部材１のみであった。

【００４０】この場合も、図４に示すように、弾性部材
１の先端部４近傍の曲げ振動方向に対して垂直な面のＸ
−Ｘ’断面において、１インク滴が飛翔する直前は必ず
２山のキャピラリ波６が生じた。

【００４１】一方、この場合におけるインク３の物性値
（密度ρ、表面張力σ）および励振周波数ｆｅを（式
１）に代入してλを求めると、λ＝４４μｍとなる。従
って、安定飛翔した弾性部材１の先端部の幅ｗ（＝８０
μｍ）は、ｗ＝１．８λとなり、やはりほぼ２λ近傍の
値となる。このときの振動発生部２に印加した印加電圧
は２５Ｖである。ところが先端部４の幅ｗの値が０．６
８λ（＝３０μｍ）や、１．１４λ（＝５０μｍ）の弾
性部材１はインク飛翔が不安定となる。

【００４２】このように、インク３の安定な単一飛翔に
は、その直前に２山のキャピラリ波６が形成されること
が重要であり、先端部４近傍の曲げ振動方向に対して垂
直な面において、ほぼ２λの幅の領域で、安定な単一飛
翔の直前に２山のキャピラリ波６が形成されている。従
って、このように先端部４近傍の曲げ振動方向に対して
垂直な面において、ほぼ２λの幅の領域を有する本実施
の形態の記録ヘッドにより、ノズルなしで微小滴が生成
され、かつ、インク目詰まりのない高画質の記録を行う
ことができるようになる。

【００４３】次に、本発明の第３の実施の形態による記
録ヘッドを図５および図６を用いて説明する。本実施の
形態においても、第１の実施の形態と同一の機能を有す
る構成部材には同一の符号を付している。図５（ａ）
は、本実施の形態による記録ヘッドの正面図を示し、図
５（ｂ）は同側面図である。本実施の形態における弾性
部材１は、図５（ａ）、図５（ｃ）に示すように、基端
部５側の長さが５９０μｍ、高さが２８０μｍの長方形
形状の先端側に底辺が同じく５９０μｍ、高さが２１０
μｍの二等辺三角形を載せた正面形状を有し、厚さがほ
ぼ一様に７μｍである片持ち梁構造である。従って、本
実施の形態による弾性部材１は、その先端部が先鋭状と
なっている。本実施の形態では弾性部材１の材質として
ＳＵＳを用いている。また、インク３には、以下の物性
（密度ρおよび表面張力σ）を備えたインクを用いてい
る。

【００４４】ρ＝１．０５ｇ／ｃｍ³ σ＝３０ｍＮ／ｍこの構成において、振動発生部２の励振周波数ｆｅをｆ
ｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性部材１の先端
部４は図５（ｂ）に示す矢印方向に曲げ振動し、図５
（ａ）に示す正面図の先端部４中央付近より、インク３
が安定した単一飛翔をする。

【００４５】図６は本実施の形態による記録ヘッドによ
るインク飛翔時の様子を示している。図６（ａ）は、本
実施の形態による記録ヘッドの弾性部材１の先端部４近
傍の正面図を示している。図６（ａ）において、図中破
線で示す円形領域はインクの飛翔点近傍を示している。
図６（ｂ）、図６（ｃ）は、図６（ａ）のインク飛翔点
を横切る直線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図であり、インク３
が安定な単一飛翔を行う場合のインク飛翔直前の様子を
示している。

【００４６】図６（ｂ）は振動発生部２が励振を始めて
からのある時間ｔにおけるインク３の状態を示してお
り、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動方向に対して
垂直な面のＸ−Ｘ’断面において２山のキャピラリ波６
が生じる瞬間を示している。

【００４７】図６（ｃ）は図６（ｂ）から時間がΔｔ経
過した瞬間のインク３の状態を示しており、図６（ｂ）
で示す２山のキャピラリ波６の間より、１山のインク隆
起部が形成され、次の瞬間これが分離して１インク滴が
飛翔する。第１の実施の形態と同様、この様子は非常に
安定しており、１インク滴が飛翔する直前は必ず２山の
キャピラリ波６を生じる。

【００４８】ここで、振動発生部２に印加する印加電圧
を１２Ｖから２３Ｖまで変化させると、図６（ａ）で破
線の円形で示した飛翔するインク３の飛翔点が、若干上
下に移動する。このときの、インク飛翔点を横切るＸ−
Ｘ’断面の幅をｗとし、（式１）で求められる値をλと
すると、安定に１インク滴飛翔が実現したｗの値は、ｗ
＝１．６〜２．４λとなり、ほぼ２λ近傍の値をとる。

【００４９】なお、印加電圧を１２Ｖより小さくした場
合は、弾性部材１のどの位置からもインク３が飛翔せ
ず、また、振動発生部２へ印加する印加電圧を２３Ｖよ
り大きくした場合は、最初のインク滴は上記ｗの位置か
ら飛翔するが、その後、２発目、３発目のインク飛翔が
連続して起こるようになり、記録ヘッドとしては不適当
となる。

【００５０】このように、弾性部材１の先端部４の形状
を図６（ａ）に示すような先鋭状にすれば、弾性部材１
の先端部４近傍の曲げ振動方向に対して垂直な面の幅が
ほぼ２λとなる領域を必ず存在させることができる。従
って、本実施の形態による記録ヘッドによれば、第１及
び第２の実施の形態と同様にノズルなしで微小滴を生成
し、かつインク目詰まりがなく高画質の記録が可能とな
ることに加えて、弾性部材１の先端部４を加工するに際
し、第２の実施の形態における弾性部材１より低い作製
精度でインク３を安定に単一飛翔させることができる弾
性部材１を作製することができるようになる。

【００５１】次に、本発明の第４の実施の形態による記
録ヘッドを図７及び図８を用いて説明する。本実施の形
態においても、第１の実施の形態と同一の機能を有する
構成部材には同一の符号を付している。図７（ａ）は、
本実施の形態による記録ヘッドの正面図を示し、図７
（ｂ）は同側面図である。本実施の形態における弾性部
材１は、図７（ａ）、図７（ｃ）に示すように、基端部
５側の長さが６００μｍ、高さが２５０μｍの長方形形
状の先端側に、底辺が同じく６００μｍで合計の高さが
２４０μｍとなる２つの二等辺三角形を重ねて載せた正
面形状を有し、厚さがほぼ一様に７μｍである片持ち梁
構造である。従って、本実施の形態による弾性部材１
は、第３の実施の形態による弾性部材１よりその先端部
４がより先鋭となり、また先端部４から基端部５に至る
までに不連続な点を有する形状をしている。本実施の形
態でも弾性部材１の材質としてＳＵＳを用いている。ま
た、インク３には、第３の実施の形態と同一の物性を備
えたインクを用いている。

【００５２】この構成において、振動発生部２の励振周
波数ｆｅをｆｅ＝１９３ｋＨｚとして励振すると、弾性
部材１の先端部４は図７（ｂ）に示す矢印方向に曲げ振
動し、図７（ａ）に示す正面図の先端部４中央付近よ
り、インク３が安定して単一飛翔する。

【００５３】図８は本実施の形態による記録ヘッドによ
るインク飛翔時の様子を示している。図８（ａ）は、本
実施の形態による記録ヘッドの弾性部材１の先端部４近
傍の正面図を示している。図８（ａ）において、図中破
線で示す円形領域はインクの飛翔点近傍を示している。
図８（ｂ）、図８（ｃ）は、図８（ａ）のインク飛翔点
を横切る直線Ｘ−Ｘ’に沿った断面図であり、インク３
が安定な単一飛翔を行う場合のインク飛翔直前の様子を
示している。

【００５４】図８（ｂ）は振動発生部２が励振を始めて
からのある時間ｔにおけるインク３の状態を示してお
り、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動方向に対して
垂直な面のＸ−Ｘ’断面において２山のキャピラリ波６
が生じる瞬間を示している。

【００５５】図８（ｃ）は図８（ｂ）から時間がΔｔ経
過した瞬間のインク３の状態を示しており、図８（ｂ）
で示す２山のキャピラリ波６の間より、１山のインク隆
起部が形成され、次の瞬間これが分離して１インク滴が
飛翔する。第１の実施の形態と同様、この様子は非常に
安定しており、１インク滴が飛翔する直前は必ず２山の
キャピラリ波６を生じる。

【００５６】ここで、振動発生部２に印加する印加電圧
を１８Ｖから３９Ｖまで変化させると、図８（ａ）で破
線の円形で示したインク３の飛翔点が若干上下に移動す
る。このときのインク飛翔点を横切るＸ−Ｘ’断面の幅
をｗとし、（式１）で求められる値をλとすると、安定
に１インク滴飛翔が実現したｗの値は、ｗ＝１．２〜
２．３λとなり、ほぼ２λ近傍の値をとる。

【００５７】なお、印加電圧を１８Ｖより小さくした場
合は、弾性部材１のどの位置からもインク３が飛翔せ
ず、また、振動発生部２へ印加する印加電圧を３９Ｖよ
り大きくした場合は、最初のインク滴は上記ｗの位置か
ら飛翔するが、その後、２発目、３発目のインク飛翔が
連続して起こるようになり、記録ヘッドとしては不適当
となる。

【００５８】このように、弾性部材１の先端部４の形状
を図８（ａ）に示すような先鋭状にすれば、第３の実施
の形態と同様に、弾性部材１の先端部４近傍の曲げ振動
方向に対して垂直な面の幅がほぼ２λとなる領域が必ず
存在する。従って、本実施の形態による記録ヘッドによ
っても、第１乃至第３の実施の形態と同様にノズルなし
で微小滴を生成し、かつインク目詰まりがなく高画質の
記録が可能となることに加えて、弾性部材１の先端部４
を加工するに際し、第２の実施の形態における弾性部材
１より低い作製精度でインク３を安定に単一飛翔させる
ことができる弾性部材１を作製することが可能になる。

【００５９】また、弾性部材１の先端部４から基端部５
に至るまでに存在する不連続な点は、インク液面を保持
する役割を担うので、本実施の形態による記録ヘッドに
よれば、弾性部材１周辺のインク液量が多少変化して
も、先端部４付近のインク液量を一定に保つことがで
き、より安定したドロップ吐出が可能となる。

【００６０】本発明は、上記実施の形態に限らず、種々
の変形が可能である。例えば、上記第１乃至第４の実施
の形態では、異なる正面形状の４種類の弾性部材１を例
にとって説明したが、本発明はそれらに限られず、例え
ば図９（ａ）〜（ｆ）に例示するように、先端部４近傍
の少なくとも一部に、曲げ振動方向に対して垂直な面に
おいてほぼ２λの幅の領域を有する弾性部材１を用い、
先端部４近傍に十分な曲げ振動を伝達させることによ
り、安定した１インク滴の飛翔を行わせることができ
る。

【００６１】さらに、弾性部材１の側面形状すなわち板
厚に関しても、先端部４近傍に十分な曲げ振動を得るこ
とができればよいので、本発明を適用可能な弾性部材１
は、上記第１乃至第４の実施の形態で用いた均一な板厚
の板状構造に限るものではない。例えば、図１０（ａ）
〜（ｃ）に例示するような先端部４から基端部５に向か
って裾広がりの側面形状を有する弾性部材１でももちろ
んよく、この図１０に示すような裾広がり構造にすると
弾性部材１の先端部４近傍では十分な曲げ振動の振幅を
得ながら、基端部５近傍では十分な機械的強度が得るこ
とができるので好適である。

【００６２】以上のように、弾性部材１は、均一な厚み
の板状に限らず、棒状、錘形状等さまざまな形状が可能
であるが、振動の安定性、ドロップ飛翔方向の安定性、
インク保持の安定性において、少なくとも先端部４近傍
を舌片状に形成することが好ましい。

【００６３】さらに、弾性部材１は、単一材料、単一部
材から構成される必要はなく、複数の材料、部材からな
る複合構造であってもよい。また、物性（密度、ヤング
率等）が部材の位置によって徐々に変化している傾斜材
料を用いることも、複数の異なる性能を両立させる方法
として有効である。

【００６４】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、ノズルを
用いずに微小なドロップを吐出することが可能となり、
高精細な画像を記録できる記録ヘッドを提供することが
できる。さらに、発熱などを生じにくい、低周波、低電
圧駆動によって印字可能な記録ヘッドを提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による記録ヘッドの
概略の構成を示す図である。

【図２】本発明の第１の実施の形態による記録ヘッドに
おける弾性部材１の先端部４近傍におけるインク３の吐
出動作を説明する図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態による記録ヘッドの
概略の構成を示す図である。

【図４】本発明の第２の実施の形態による記録ヘッドに
おける弾性部材１の先端部４近傍におけるインク３の吐
出動作を説明する図である。

【図５】本発明の第３の実施の形態による記録ヘッドの
概略の構成を示す図である。

【図６】本発明の第３の実施の形態による記録ヘッドに
おける弾性部材１の先端部４近傍におけるインク３の吐
出動作を説明する図である。

【図７】本発明の第４の実施の形態による記録ヘッドの
概略の構成を示す図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態による記録ヘッドに
おける弾性部材１の先端部４近傍におけるインク３の吐
出動作を説明する図である。

【図９】本発明における弾性部材の形状の変形例を示す
図である。

【図１０】本発明における弾性部材の形状の変形例を示
す図である。

【符号の説明】

１弾性部材２振動発生部３インク４先端部５基端部６キャピラリ波

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者三鍋治郎神奈川県足柄上郡中井町境430 グリーンテクなかい富士ゼロックス株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】画素信号に対応して振動する振動発生手段
と、前記振動発生手段の励振に応じて振動する弾性部材とを
備え、前記弾性部材の振動によりインクの表面にキャピラリ波
を発生させ、前記インクを飛翔させて記録媒体に付着さ
せることを特徴とする記録ヘッド。
【請求項２】請求項１記載の記録ヘッドにおいて、前記弾性部材は、励振により曲げ振動をする片持ち梁構
造を有していることを特徴とする記録ヘッド。
【請求項３】請求項２記載の記録ヘッドにおいて、前記弾性部材は、前記片持ち梁構造の自由端の先端部近
傍における前記曲げ振動の振動方向に対して垂直な面の
幅が、ほぼ２λの長さを有していることを特徴とする記
録ヘッド。但し、λは以下の式で与えられる。 λ＝｛８πσ／（ρｆｅ²）｝^1/3×１０⁴（μｍ）ここで、σは、インク表面張力（ｍＮ／ｍ） ρは、インク密度（ｇ／ｃｍ³）ｆｅは、励振周波数（Ｈｚ）である。