JPH1148471A

JPH1148471A - インクジェット記録ヘッド

Info

Publication number: JPH1148471A
Application number: JP22582397A
Authority: JP
Inventors: Ichiro Asai; 市郎浅井
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-08-07
Filing date: 1997-08-07
Publication date: 1999-02-23

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、インク飛翔滴を被印字面に吐出させ
て印字を行うインクジェット記録ヘッドに関し、ノズル
を用いずに小径インクドロップを安定して吐出できるイ
ンクジェット記録ヘッドを提供することを目的とする。【解決手段】振動板１の一面に振動発生部２００を形成
し振動支持部材２０１に接着し、振動板１の他面に弾性
部材５を配置する。これに、インク６の入ったインクリ
ザーバー１０３、インク室形成部材２６で構成され吐出
開口２７を有するインク室２５を接続する。振動発生部
２００を振動し、これに接続された弾性部材５を曲げ振
動させる。弾性部材５の先端近傍からインクドロップ８
が吐出する。インク室２５内のインク面７上の空間の弾
性部材５の近傍に蒸気発生部２０２を配置する。蒸気発
生部２０２は、インク成分の少なくとも１つ以上の成分
の蒸気をこの空間に供給する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、インク飛翔滴を被
印字面に吐出させて印字を行うインクジェット記録ヘッ
ドに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、ノズルからインク滴を吐出させて
印字を行なうインクジェット式記録方式が知られてお
り、吐出するインクのドロップ径は主にノズル径によっ
て決まる。これらインクジェット技術においては従来解
像度が３００ドット／インチ程度であったが、昨今その
解像度が６００乃至７２０ドット／インチと高解像度化
されてきた。それに伴い、高解像度化による効果を有効
に発揮するためには解像度に応じて印字するドット径を
小さくする必要が生じている。そこで上記従来の方式で
ドット径を小さくする手段として、ノズル径を小さくし
て吐出ドロップ径を小さくする方法があるが、ノズル径
を小さくすると、ゴミやノズル内のインク表面の乾燥に
よるノズル詰まり、あるいはノズル円周部へのインク残
滓の付着によりインク吐出方向の変化が発生しやすくな
り、記録紙上の画質に欠陥が発生してしまう。このた
め、本来の解像度に対応したドット径を印字するために
必要なノズル径を採用できないという問題があった。

【０００３】一方、このようなノズルに起因する問題を
解決する方法として、吐出ドロップ径がノズル径で支配
されない振動や音響波などを用いたノズルレスのインク
ジェット記録方法が提案されている。

【０００４】ノズルを用いない第１の従来技術の一例と
しては、例えば米国特許第４３０８５４７号があり、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通して電圧を印加する
ものがある。この圧電体シェルからインク中に放射され
た縦波は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。さらに、この種の従来
技術の生産性や構造の精密さを向上できるものとして特
公平６−４５２３３号公報や特開平３−２００１９９号
公報が知られている。このような従来技術においては、
振動子で発生した振動を音響レンズでインク自由表面の
一点に集束しドロップを吐出させている。しかし、小さ
なドロップを吐出させるためには１００ＭＨｚ前後の高
周波数で駆動するため、駆動手段が一般に高価になると
いうコスト上の問題とともに、発熱によりインク粘度が
上昇しドロップ径が変動したり、印字ヘッド内でインク
自体の乾燥・固化が起こり吐出できなくなるという重大
な問題が生じやすかった。

【０００５】これは、インク中を伝搬する縦波は高周波
数駆動ほどインク中で減衰しやすく、インク中に吸収さ
れるエネルギー量が増大し、発熱量も増加するからであ
る。従って、この問題を解決するためにヘッドに冷却機
構を設けるなどするしかなく、インクジェット記録ヘッ
ドのコストやサイズが大きくなり問題であった。

【０００６】さらにノズルを用いない第２のインクジェ
ット記録技術としては、振動子で発生した振動を音響ホ
ーンでインク自由表面の一点に集束しドロップを吐出さ
せる方法がある。米国特許第４３０８５４７号は、凹状
レンズのかわりに振動子の上に形成された音響ホーンに
より振動を集束し、音響ホーン先端に接触したベルト上
を搬送されてくるインク薄膜にこの振動が作用してイン
クドロップを吐出させるものである。

【０００７】また、特開平４−１６８０５０号公報で
は、集音体を圧電体上に設けた構成が提案されている。
集音体は、圧電体およびこれに電圧を印加するための電
極からなる振動子の上に形成され、インクを保持したイ
ンクリザーバー中に配置されている。集音体は先細りの
形状で、集音体の底部から入射した歪みが集音体内部を
伝搬するに伴ってその振幅を増幅し、集音体で集められ
た大振幅の波がインクをたたき、そこで生じた縦波がイ
ンク自由表面を押し上げインクドロップ吐出させるよう
にしている。音響学の分野においては一般に、共振によ
り集音体（もしくは音響ホーン）の先端を大振幅に振動
させて吐出力を得ようとした場合、集音体中を振動波が
伝搬するためには、集音体の垂直断面方向の長さ（高
さ）は振動波の波長の１／２波長の整数倍の大きさを持
つものでなければならないことが知られている。従っ
て、集音体の大きさを小さくし高密度なインクジェット
ヘッドを作製するためには、振動波の波長も小さく、つ
まり振動子を振動させる駆動周波数を大きくしなければ
ならない。

【０００８】従って、このような従来技術においては、
インク中のエネルギー減衰を抑え、かつ比較的安価な駆
動回路ですむように低周波数で駆動させようとすると集
音体が著しく大きくなり高密度なインクジェットヘッド
を作製できないという問題があった。従って、現実的な
密度のインクジェットヘッドを作製するためには、先の
第１の従来技術同様に数１０Ｍから数１００ＭＨｚとい
う高い周波数で駆動させる必要があった。また、音響ホ
ーンに接触したベルトでインク薄膜を安定に搬送するこ
とは実際上は困難であり、吐出ドロップ径がばらつきや
すく問題であった。

【０００９】さらにノズルを用いない第３のインクジェ
ット記録技術としては、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るが、さらにそのインクメニ
スカスを形成するために振動を用いるものが知られてい
る。例えば、特開昭６２−２２２８５３号公報では、記
録針をインク表面から突出させ、これに軸方向に伝搬す
る超音波エネルギーを与える。超音波流動（ａｃｏｕｓ
ｔｉｃｓｔｒｅａｍｉｎｇ）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、記録針の先端
に凸状のインク隆起（インクメニスカス）を形成する。
そこで、記録針と背面電極との間に静電界を印加し、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滴を着弾させる。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、より小さいインクドロップを形成できる。ま
た、特開昭５６−２８８６７号公報でも、針電極と背面
電極との間に静電界を印加しておき、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
が提案されている。このようにすると、インクジェット
の粒子化が安定にできる。しかし、静電吸引方式では、
湿度などによる記録媒体の誘電体厚みの変動や記録媒体
の表面荒さのばらつきなどによって、形成されるドロッ
プ径が変動しやすく、さらにこのような構成では、静電
界のみならず、超音波も生成する必要があるため装置が
大きくかつ高価になりやすいという欠点があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、ノズ
ルを用いずに小径インクドロップを吐出でき、かつ、発
熱などが生じにくくコストも安価な低周波数駆動でエネ
ルギー効率の良いインクジェット記録ヘッドを提供する
ことにある。つまり、高解像度化に対応した微少ドロッ
プを吐出でき、インク詰まりやドロップ径の変動などと
いったインク吐出の不安定さがない高信頼で高画質な印
字が可能である新規なインクジェット記録ヘッドを提供
することにある。

【００１１】

【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
に応じて曲げ振動する片持ち梁構造の弾性部材と、弾性
部材近傍に配置される蒸気発生手段とを備え、蒸気発生
手段によりインクの蒸発を抑制しつつ、弾性部材の振動
によりインク表面にキャピラリ波を生成してインクを飛
翔させて記録媒体に付着させることを特徴とするインク
ジェット記録ヘッドによって達成される。蒸気発生手段
は、インクの少なくとも１成分を含む蒸気を発生するこ
とを特徴とする。また、インクが水性インクであれば、
蒸気発生手段から水蒸気を発生するようにしてもよい。
また、蒸気発生手段は、多孔性部材を含むことを特徴と
する。さらに、蒸気発生手段は、蒸気を発生する表面の
少なくとも一部に凹凸が形成されているようにしてもよ
い。

【００１２】

【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態によるイン
クジェット記録ヘッドを図１乃至図１４を用いて説明す
る。まずはじめに、本実施の形態によるインクジェット
記録ヘッドの基本的構成および基本的動作原理を説明す
る。

【００１３】本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドはキャピラリ波によるドロップ吐出現象を用いてい
る。キャピラリ波による液滴形成は、例えば『超音波噴
霧』、山海堂、ｐ１６８、１９９０年に述べられている
いるように、超音波噴霧などの発生機構として知られて
いる。図１に示すように、キャピラリ（毛細表面）波は
振動面上の薄い液膜に見られる現象であり、液体６の表
面張力を復元力とする振動体９上の薄液層の表面波であ
る。振動体９の振動振幅が十分にあれば、徐々に波頭が
成長してゆき波頭から液滴が引きちぎれる形態をとる。
波頭と波頭の間隔はキャピラリー波の波長λであり次の
ように求まる。

【００１４】λ＝（８πσ／ρｆｅ²）^1/3

【００１５】ここでσ、ρは液体の表面張力、および密
度であり、ｆｅは励振（駆動）周波数である。励振周波
数ｆｅが高いほど、波長λは小さく、いわゆるキャピラ
リ波は細かくなり、その波頭から分裂する液滴径も小さ
くなる傾向がある。キャピラリ波の作用により飛翔する
液滴はその波長以下の微小滴とすることができる。数ｋ
Ｈｚから数ＭＨｚと比較的駆動周波数が低くても小さな
ドロップを吐出できるため従来インクジェット記録ヘッ
ドへの適応が検討されてきた。しかし、複数滴が発生し
やすい、各滴の直径がばらつくなどの理由から単一滴に
よる印字は実現されておらず、このため複数滴発生を前
提として、上部に配したノズル孔で印字ドット径を制御
する方式がとられていた。なお、ノズル孔に起因する問
題のみならず、複数滴を発生させるため印字ドット径が
広がり（大きくなり）やすく、またドット周辺にも飛沫
が飛び画像を劣化させやすかった。

【００１６】図２、図３は本実施の形態によるインクジ
ェット記録ヘッドのドロップ吐出機構の概要について説
明するもので、図２は吐出ヘッドの断面図であり、図３
はその正面図である（吐出ドロップは省略している）。

【００１７】振動発生部（振動子）９は電歪素子、磁歪
素子、機械式アクチュエータなどが適用可能であり、こ
こでは基板１上に圧電セラミック薄膜２、およびこれを
駆動するための電極３、４を形成し振動子９として用い
ている。振動子９の上に、金属薄膜などから成る弾性部
材５を形成し配置してある。

【００１８】振動子９は、基板１の剛性や圧電セラミッ
ク薄膜２の厚さなどから決まる固有の共振周波数ｆ０を
持つため、外部駆動部１２０からこの振動子９に共振周
波数ｆ０と同じもしくはその整数倍の周波数ｆで電圧を
印加して励振する（以下の実施例ではこの外部駆動部は
省略している）。このとき、振動子９に接続された弾性
部材の共振周波数ｆ１がｆ０と同じになるように弾性部
材の大きさや剛性、インク６の高さや量などを調整して
おくと、振動子９の振動に共振し、片持ち梁構造の弾性
部材５を曲げ振動させることができる。ここでは、弾性
部材５は、振動子９の主たる振動方向（ａ−ａ’）と略
垂直方向（ｂ−ｂ’）に曲げ振動させた。片持ち梁構造
の弾性部材は、基端部より先端部の方が、曲げこわさを
小さくすることによって、弾性部材の先端近傍でより効
率よく曲げ振動し振幅を得ることができる。曲げこわさ
は、弾性部材の（断面２次モーメント）×（ヤング率）
で表されるものである。

【００１９】サイン波状の交流電圧を一定期間だけバー
スト波として振動子９に印加して図２のようにａ−ａ’
方向に振動させ、弾性部材５に曲げ振動させる。なお、
振動子をａ−ａ’方向以外に振動させて弾性部材を曲げ
振動させてももちろんよい。バースト波とは、振動子を
駆動する際、周波数は一定のまま、１個から複数個の波
から成る交流電圧が断続的に振動子に印加されるものを
いう。バースト波駆動により振動子を一定時間駆動し印
字する。

【００２０】駆動電圧が適当に大きいと、弾性部材の先
端付近にインクの薄液層６’が下から持ち上げられて形
成される。さらに引き続く弾性部材の振動によりその薄
液層６’にキャピラリ波が形成され、最終的には、キャ
ピラリ波の波頭から微小なインク・ドロップ８が形成さ
れる。弾性部材の先端近傍表面におけるインク厚は、そ
の表面にキャピラリ波を生じるためには、インクと弾性
部材の濡れと重力の効果および流動作用を勘案して数μ
ｍ〜数百μｍに形成されるべきである。また、１ｋＨｚ
から１０ＭＨｚの範囲の駆動周波数においてキャピラリ
波によるドロップ飛翔ができる。

【００２１】弾性部材の材料としてはシアノアクリレー
ト系樹脂やエポキシ系樹脂あるいはフッ素系樹脂やポリ
イミドなどの各種樹脂を用いることができる。特にポリ
イミドなどのように精密に形状を加工できる樹脂を用い
ることは重要である。共振を用いて弾性部材先端に大き
な変位を実現したい場合には、その寸法を精密に形成で
きる材質と加工方法を選択すべきであり、先のポリイミ
ドなどではエキシマレーザーやフォトリソグラフィー技
術を使ってこれを実現できる。また、ＳｉＯ₂、ＳｉＯ
ＮあるいはＳｉＮやＡｌＮやＡｌ₂Ｏ₃などといった各種
無機材料で弾性部材を形成してもよい。また、Ａｌ、Ｆ
ｅ、Ｔｉ、Ｃｒ、Ａｕ、Ｍｏ、ＴｉＷなど、あるいはそ
れらの各種合金で弾性部材を形成してもよい。ただし、
インクと接する間に腐食しないようにＳｉＯ₂などの無
機膜でそれらの表面を保護してもよい。もちろん、樹脂
と無機材料と金属のうち、２つ以上の材料を用いて構成
してもよいのはもちろんである。また、振動エネルギー
が効率的に伝搬できるのなら、弾性部材の先端と基端部
を別な材料で構成してよいのはもちろんである。

【００２２】また、振動子として圧電体を用いる場合に
は、圧電基板で構成しても圧電薄膜で構成してもよい。
また、圧電体として、水晶、ジルコン酸・チタン酸鉛
（ＰＺＴ）やチタン酸バリウムＢａＴｉＯ₃、ニオブ酸
鉛ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、ビスマスゲルマネートＢｉ₁₂Ｇｅ
Ｏ₂₀、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、あるいは
ＺｎＯやＡｌＮなどの圧電薄膜、あるいはポリ尿素、Ｐ
ＶＤＦ（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でもよい。

【００２３】以上の説明から明らかなように、本実施の
形態によるインクジェット記録ヘッドは、駆動周波数が
比較的低いこともあり発熱は少なく安定した印字が可能
となり、また、ドロップ径を規定するためにいわゆるノ
ズルを用いる必要はなく、さらには単一で小さなインク
ドロップを吐出することができるので像保持体上に安定
に高い画質を形成することができる。

【００２４】ところが以上の構成だけの記録ヘッドを印
字装置として用いると、次のような点に留意する必要が
ある。弾性部材が静止している状態でも、弾性部材の先
端近傍には表面張力によりインクの厚さが薄い部位があ
る。静止状態が比較的長時間にわたると、特にこの弾性
部材先端近傍ではインクの乾きによりインクの物性に変
化が生じやすい。インクの乾きが激しい場合や乾きやす
いインクを用いる場合には、先端近傍にインクが固化し
付着する場合があり、弾性部材の先端の振動量が変わ
り、吐出ドロップ径や吐出方向が著しく変化し画質が劣
化してしまう、あるいは吐出できなくなる。印字が完了
し記録ヘッドを停止した際には、インク面を弾性部材の
先端より上に配置したり、あるいはインクドロップが吐
出する装置の吐出開口部にキャップ材を押し当ててキャ
ッピングしインク成分の蒸発を押さえることでこの問題
は回避できる。しかし、印字中には先の問題が発生しや
すい。これは、印字中であっても画像信号によってはた
またま比較的長い間吐出せずに待機状態となるイジェク
タが存在するためである。

【００２５】そこで、インクジェット記録ヘッドにおい
ては、一連の印字動作が完了する前に１回もしくは複数
回にわたって、あるいは一連の印字動作が完了した後
に、弾性部材の先端を洗浄し、弾性部材の先端近傍に付
着した固化物あるいは粘度上昇したインク物を除去する
ことが望ましい。しかし、ノズル径によってインク吐出
径が支配される従来の記録ヘッドでは、ノズル孔周辺に
付着したインクやその固化物を比較的容易にワイピング
などにより除去できるが、図２乃至図３に示した記録ヘ
ッドにおいては、弾性部材の曲げ振動がインク吐出径を
支配しており、この繊細な構造の弾性部材を変形させた
り破損することなしにワイピングするなどしてクリーニ
ングすることはかなり困難である。従って、図２乃至図
３に示した構造の記録ヘッドでは、弾性部材先端近傍で
生じたインク物性の変化により画質が劣化する可能性が
残されている。

【００２６】本実施の形態では、本実施の形態によるイ
ンクジェット記録ヘッドがノズル径によってインク吐出
径が支配されないという吐出原理に基づいて上記留意点
を解決している。具体的には、エジェクタの各インク室
に蒸気発生部を設け、インク室内のインクからのインク
成分の蒸発を抑制するものである。特に、蒸気発生部
が、インクの少なくとも１成分以上の蒸気を供給するこ
とが効果的である。以下に、その機能と基本的な構成に
ついて述べる。

【００２７】図４、図５は本実施の形態によるインクジ
ェット記録ヘッドの主要構成図である。図４は装置の断
面図を、図５は正面図（吐出ドロップは図示を省略して
いる）を示している。振動板１の一面に振動発生部２０
０を形成し振動支持部材２０１に接着し、振動板１の他
面に弾性部材５を配置する。これに、インク６の入った
インクリザーバー１０３、インク室形成部材２６で構成
され吐出開口２７を有するインク室２５を接続する。振
動発生部２００を振動し、これに接続された弾性部材５
を曲げ振動させる。弾性部材５の先端近傍からインクド
ロップ８が吐出する。なお、吐出ドロップ径がノズルを
用いずに決まるため、吐出開口２７は吐出ドロップ径よ
り大きければよい。

【００２８】本実施の形態によるインクジェット記録ヘ
ッドでは、吐出ドロップ径がノズルを用いずに決まるた
め、インク室２５内ではインク面７上に空間を持つ。そ
こで、この空間を利用して弾性部材の近傍に蒸気発生部
２０２を配置することができる。蒸気発生部２０２は、
インク成分の少なくとも１つ以上の成分の蒸気をこの空
間に供給することができる。インク室２５内の飽和蒸気
圧はインク６からの分圧Ｐ１と蒸気発生部から供給され
る分圧Ｐ２の和であるから、インク６のインク面７から
の蒸発が抑制され、その結果、弾性部材先端近傍でのイ
ンクの乾きによるインク物性の変化が起こりにくくな
る。従って、本実施の形態のインクジェット記録ヘッド
によれば、吐出ドロップ径や吐出方向が安定し、高画質
を印字することができる。また、より高画質にするため
に、蒸発しやすい成分を持つインクを支障なく用いるこ
とができる。

【００２９】まず、蒸気発生部２０２の構成について図
６を用いて説明する。図６（ａ）は蒸気発生部が多孔質
の部材からなる場合で、図６（ｂ）は中空物の表面に多
数の穴を有する場合である。ともに直方体の場合であ
り、その断面図を示している。もちろん、蒸気発生部２
０２の形状はこれに限るものではない。

【００３０】図６（ａ）の多孔質部材は、スポンジ様の
構造であり、樹脂に限らず、セラミックを焼き固めた焼
結体や金属粉を固めたものなどが適用できる。供給すべ
き成分液は毛管力によって多孔質部材の内部を浸透し、
各インク室では、多孔質部材の表面積と温度に応じて蒸
発し供給されることになる。図６（ｂ）の中空物の場合
は、中空物の内部を通って供給すべき成分液（例えば水
など）が各インク室まで運ばれ、多数の穴を通して各イ
ンク室で、多数の穴の総面積と温度に応じて蒸発し供給
される。ただし、穴が大きすぎると、液滴としてインク
面７に滴下され不都合を生じる。なお、蒸気発生部は、
インク室の多孔質部材や中空物表面の多数の穴から蒸気
成分を蒸発する構成に限らない。例えば、蒸気状態にし
て伝達し、直接、インク室にそのまま蒸気を供給しても
よい。いずれにしろ、蒸気発生部の構成はインク室内に
主たる蒸気成分を供給できるものであればよく、インク
ドロップの吐出に支障がない限りにおいて、かつ安価に
提供できるものであればどのようなものでもよい。

【００３１】蒸気発生部と各インク室との関係の一例を
図７に示す。これは先の図５の記録ヘッドの正面図と同
じものであるが、記録ヘッドのより広い部分、特にその
端部を示している。この場合、蒸気発生部２０２は一体
型で全てのインク室２５を貫通して配置されている。こ
の蒸気発生部２０２は、記録ヘッドの端部において供給
すべき成分液２０６と成分液リザーバー２０５の内部で
接触している。なお、蒸気発生部２０２への蒸発成分を
どのように供給するかについては、このように一体型で
各インク室を貫通する構造に限るものではない。しか
し、このようにすると、蒸気発生部の端部で成分を容易
に送り込むことができるとともに、蒸気発生部および記
録ヘッドも安価に形成できる。なお、図６（ｂ）の中空
物の場合は、供給される成分液にかける圧力を供給側で
勘案しておく必要があるが、図６（ａ）の多孔質部材の
場合は、毛管力によって成分液が自然に浸透するためそ
の必要はなくより簡易な構成となりやすい。

【００３２】インク６のインク面７からの蒸発が抑制さ
れる程度は、注目する成分のインク６からの分圧Ｐ１と
蒸気発生部から供給される分圧Ｐ２の比でほぼ与えられ
る。例えば、Ｐ１＝Ｐ２なら、インク６からの蒸発は半
分に低減され、Ｐ１＝（１／１０）・Ｐ２なら、１／１
０に低減される。従って、蒸気発生部から供給される分
圧Ｐ２の量をなるべく多くするほど効果があることにな
る。

【００３３】ここで、インク面７からの蒸発量は、１つ
には、インク内に含まれる蒸発抑制成分の濃度で決ま
る。そこで、ドロップ吐出に支障がない限りにおいて、
インクにエチレングリコールなどの保湿材を含有させて
おくことができる。さらに、インク面７および蒸気発生
部２０２からの注目する成分の蒸発量は、インク室２５
内の空間における対流の存在や温度あるいは気圧といっ
たもので決まる。蒸気発生部２０２内に圧電体を配置し
これを振動させ、成分液を霧化し蒸気として供給するこ
とも有効である。

【００３４】そこで、インク面７からの分圧Ｐ１に比べ
て蒸気発生部から供給される分圧Ｐ２を増加させ大きく
するには、インク面７の面積に比べて蒸気発生部の蒸気
発生面積を相対的に大きなものにすることが効果的であ
る。そこで、次の２つの方法が有効である。

【００３５】第１の方法としては、図８の印字ヘッド断
面に示すように、インク面７に蒸発抑制部材２０３を配
置することでインク面７の蒸発面積を小さくできる。も
ちろん、インク面７に配置された蒸発抑制部材２０３の
形状はインク吐出に支障がないようにしておかなければ
ならず制限がある。第２には、蒸気発生部２０２自身の
蒸気発生を行う部位の面積をインク面７の面積に比べ大
きくすることである。第２の方法を実現するための構成
例を図９に示す。図９は蒸気発生部の断面図であるが、
図９の（ａ）、（ｂ）共に蒸気発生部の表面積を、その
表面に凹凸をつけることにより実現している。図９
（ａ）は蒸気発生部の表面に突起を、図９（ｂ）は凹部
を形成したものである。このように、インク面７の蒸発
面積に比べて蒸気発生部の表面積を凹凸をつけて増加さ
せることにより著しい効果が期待できる。

【００３６】なお、インクジェット記録ヘッドにおいて
は、人体などの環境への配慮から、インクとしては主に
水性インクが用いられる。水性インクを用いて印字する
場合には、蒸気発生部からは水を供給して水蒸気を発生
させればよい。蒸気発生部の端部は水が入った水リザー
バーに接続されることになるが、供給する水および蒸気
発生部自体が安価なものであるから、本実施の形態によ
り印字装置のコストおよびその維持費が著しく増加する
ことはない。

【００３７】以上のように、駆動周波数という観点から
は、レンズなどを用い数百ＭＨｚを必要とした従来技術
に比べ、本実施の形態では数百ｋＨｚ前後と大幅に低い
周波数で微小インク滴を吐出でき、高周波駆動のための
高価な駆動系が不要になるとともに、インク中で発生す
る発熱量も低減され吐出ドロップ径の変動やヘッド内の
インク固化による信頼性低下といった問題も起こりにく
くなり、安定に印字できるとともに、小型で安価な印字
装置を提供できるようになる。

【００３８】以上説明した本実施の形態によるインクジ
ェット記録装置の基本的構成、および基本的動作原理に
基づき、より詳細で具体的な実施例を次に説明する。

【００３９】〔実施例１〕図１０、図１１は本実施の形
態における実施例１を示すインクジェット記録ヘッドの
主要構成図である。概略を説明した先の図４、図５と同
じ部材には同じ番号を付している。図１０は装置の断面
図を、図１１は正面図（インクドロップの図示は省略し
ている）を示している。記録ヘッドは、主にはインクタ
ンク１０３と印字ヘッド３３から構成される。

【００４０】１０μｍの厚さのジルコニアからなる振動
板１上に０．５μｍの厚さのＡｇ電極３を堆積後パター
ンニングし、続いて３０μｍの厚さのジルコン酸・チタ
ン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック薄膜２を堆積
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層から成る電極４を堆積後パ
ターンニングし形成した。ＰＺＴ薄膜は分極処理され、
両電極間に電圧が印加された場合に振動板に対して水平
方向に振動するが、振動板との関係において、結果的に
は圧電セラミック薄膜２および電極３、４から成る振動
子９は振動板に対して垂直方向に振動する。なお、電極
３は各振動子に共通するコモン電極であり、電極４は特
定の振動子のみを振動させるためのアドレス電極であ
る。図では省略されているが、これらの電極配線は振動
板の端部から接続コネクタ１０４を介して図示していな
い外部の駆動電源に接続されている。さらに、振動子９
を１μｍの厚さのＳｉＯ₂などからなる保護膜１０で被
覆した。保護膜を被覆することにより、環境からもたら
されうる水分がＰＺＴ薄膜の分極率に変化を引き起こな
いようにしてある。なお、振動子へのインクからの悪影
響を生じなくできるのならば、弾性部材が形成される振
動板の一面と同一の面にこの振動子を形成してももちろ
んよい。

【００４１】次に、振動子９が形成された振動板１の一
面をアルミナから成る保持部材２０とその支持部２１を
介して接着した。弾性部材５を持つ各振動子が吐出のた
めの一つのイジェクタを構成するが、印字時に各イジェ
クタが発生する振動が隣接イジェクタに影響を及ぼさな
いように、この支持部２１で各イジェクタの振動をその
部位に限定する。

【００４２】さらに、各振動子９が形成された振動板１
の面とは異なる他面の上に、厚さ５μｍ、底辺が５０μ
ｍで高さが２５０μｍの図５のような形状のステンレス
合金からなる先鋭状の弾性部材５を形成した。弾性部材
５は、長方形板において先端から４０μｍまで７０°に
先鋭化した。この作製工程は次のようである。長方形の
ステンレス合金を８５°に折り曲げ、接着層厚が２μｍ
となるようエポキシ系樹脂を振動板１に塗布し、Ｌ字と
なったフィルムの１面を振動板１に接着する。続いて、
振動板１上に立った他面をその面に垂直となる方向から
ＹＡＧレーザを照射し先程の形状に加工した。

【００４３】続いて、吐出開口２７を有するインク室２
５をプラスチック２６により形成した。吐出開口２７は
プラスチック２６にエキシマレーザを照射して形成し
た。また、インク室２５上部に蒸気発生部２０２を配置
した。蒸気発生部２０２はスポンジからできており、一
体型で全てのインク室２５を貫通して配置されている。
この蒸気発生部２０２は、記録ヘッドの端部において、
供給すべき成分液２０６と図示していない成分液リザー
バーの内部で接触している。使用するインクが水性イン
クであるため、ここでは成分液２０６は水である。蒸気
発生部２０２によりインク室２５上部に水蒸気が供給さ
れ、各インク室２５はその温度と圧力で決まる飽和蒸気
圧になる。さらに、プラスチック２６にはインク供給口
２８が開けられており、異物を除去し供給を安定化する
インクフィルタ１０２を介してインク６が充填されたイ
ンクタンク１０３に接続されている。弾性部材５の先端
５０μｍがインク面７より突出するように、図示してい
ない外部のインク供給圧調製器によりインク圧を調整し
た。また、インク室２５を形成するプラスチック２６に
は、図のように、インク面７の高さを固定するようにイ
ンク室２５の底面から約２００μｍの位置にインク面固
定部材２９を取り付けてある。この材質はインクに侵さ
れずインク面を固定できるものならなんでもよいが、こ
こではインク室を構成する材質と同一のプラスチックを
用い安価に一体形成した。

【００４４】印字時には、図示していない交流電源を用
いて、外部からこの振動子９に振動板１の剛性や形状な
どから決まる固有の共振周波数ｆ０と同じ、もしくはそ
の整数倍の周波数ｆで、画像信号に応じて電圧を印加し
て励振した。印字時には、複数のイジェクタのうち一つ
もしくは複数のイジェクタに選択的に電圧を印加してい
る。本実施例では、一つの画素を形成するために、選択
したイジェクタに対して、２００ｋＨｚで１０Ｖｐ−ｐ
（最高最低振幅）の電圧を印加時間５０μｓｅｃの間バ
ースト的に印加した（バースト数は１０）。アドレス電
極で選択されたイジェクタの弾性部材５の先端のみか
ら、弾性部材５にほぼ直角に１５μｍ直径のインク・ド
ロップが吐出した。インク・ドロップは１ｍｍ離して配
置された印字紙３６上に達し、画像信号に応じて複数の
ドット（画素）を生成し画像が形成される。

【００４５】図１２は本実施例のインクジェット記録装
置の主要部の構成図を示す。インクジェット記録装置３
７は、後述する各色に対応した数の複数のインクジェッ
ト記録ヘッド３３がキャリッジ３４に固定され、キャリ
ッジ３４は印字紙３６の紙幅方向に往復移動し、印字紙
３６が移動することにより印字紙全面に文字および絵を
印字できるようになっている（図では成分液リザーバー
は省略してある）。なお、各インクジェット記録ヘッド
３３内では振動子および弾性部材から成る複数のイジェ
クタが振動板上に配置されているが、外部から与えられ
る画像信号に応じてその時々で選択されたイジェクタの
みが駆動されインク・ドロップを吐出する。

【００４６】さらに、印字紙３６の移動はローラー３５
を回転させることにより行った。キャリッジ３４の送り
速度とインクジェット記録ヘッド３３内の各振動子の配
置間隔は６００ｄｐｉ（ｄｏｔｐｅｒｉｎｃｈ）に
対応するようにした。キャリッジ３４に固定された各イ
ンクジェット記録ヘッド３３は、黒、イエロー、マゼン
タ、シアンのインクタンク３８のどれかに接続されてい
る。各インクは各インクジェット記録ヘッド３３へ供給
され、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ドロップが
吐出され画像が形成される。なお、図示していないがイ
ンクジェット記録ヘッド３３への電気的信号はキャリッ
ジ３４を介して外部から送られる。インクジェット記録
ヘッド３３の印字駆動条件は先に述べた。

【００４７】印字後の印字紙３６上に形成された各ドッ
トは、各色インクともほぼ３０μｍ径の円状に整った均
一小径ドットであった。蒸気発生部を設けたことによ
り、ドット径やドットの着弾位置精度に各色とも変動は
なく、小径ドロップを安定に吐出し印字することができ
ていた。

【００４８】また、駆動周波数も低いので発熱もなく、
発熱によるインクの粘度変化や固化といった問題も生じ
なかった。特に、蒸気発生部を設けたことにより、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。また、小型で安価な記録装置を実
現できた。

【００４９】〔実施例２〕図１３、図１４は本実施の形
態の実施例２を示すインクジェット記録ヘッドの主要構
成図である。先の図１０、図１１と同じ部材には同じ番
号を付している。図１３は装置の断面図を、図１４は正
面図（インクドロップの図示は省略している）を示して
いる。記録ヘッドの印字ヘッド部は、主にはインクタン
ク１０３と印字ヘッド３３から構成される。実施例１と
は蒸気発生部の構成、特に各インク室への接続方法が異
なる。

【００５０】１０μｍの厚さのジルコニアから成る振動
板１上に０．５μｍの厚さのＡｇ電極３を堆積後パター
ンニングし、続いて３０μｍの厚さのジルコン酸・チタ
ン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電セラミック薄膜２を堆積
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層から成る電極４を堆積後パ
ターンニングし形成した。ＰＺＴ薄膜は分極処理され、
両電極間に電圧が印加された場合に振動板に対して水平
方向に振動するが、振動板との関係において、結果的に
は圧電セラミック薄膜２および電極３、４から成る振動
子９は振動板に対して垂直方向に振動する。なお、電極
３は各振動子に共通するコモン電極であり、電極４は特
定の振動子のみを振動させるためのアドレス電極であ
る。図では省略されているが、これらの電極配線は振動
板の端部から接続コネクタ１０４を介して図示していな
い外部の駆動電源に接続されている。さらに、振動子９
を１μｍの厚さのＳｉＯ₂などからなる保護膜１０で被
覆した。保護膜を被覆することにより、環境からもたら
される水分がＰＺＴ薄膜の分極率に変化を引き起こない
ようにした。

【００５１】次に、振動子９が形成された振動板１の一
面をアルミナから成る保持部材２０とその支持部２１を
介して接着した。弾性部材５を持つ各振動子が吐出のた
めの一つのイジェクタを構成するが、印字時に各イジェ
クタが発生する振動が隣接イジェクタに影響を及ぼさな
いように、この支持部２１で各イジェクタの振動をその
部位に限定する。

【００５２】さらに、各振動子９が形成された振動板１
の面とは異なる他面の上に、厚さ５μｍ、底辺が５０μ
ｍで高さが２５０μｍの図５のような形状のステンレス
合金からなる先鋭状の弾性部材５を形成した。弾性部材
５は、長方形板において先端から４０μｍまで７０°に
先鋭化した。この作製工程は次のようである。長方形の
ステンレス合金を８５°に折り曲げ、接着層厚が２μｍ
となるようエポキシ系樹脂を振動板１に塗布し、Ｌ字と
なったフィルムの１面を振動板１に接着する。続いて、
振動板１上に立った他面をその面に垂直となる方向から
ＹＡＧレーザを照射し先程の形状に加工した。

【００５３】続いて、吐出開口２７を有するインク室２
５をプラスチック２６により形成した。吐出開口２７は
プラスチック２６にエキシマレーザを照射して形成し
た。また、インク室２５内の上部に蒸気発生部２０２を
配置した。蒸気発生部２０２はスポンジからできてお
り、各インク室２５内の配置され、インク室２５の外部
にあり供給すべき成分液２０６がはいっている供給管２
０８と開口２０７を貫通して接続されている。供給管２
０８は、記録ヘッドの端部において、図示していない成
分液リザーバーに接続されている。使用するインクが水
性インクであるため、ここでは成分液２０６は水であ
る。蒸気発生部２０２によりインク室２５上部に水蒸気
が供給され、各インク室２５はその温度と圧力で決まる
飽和蒸気圧になる。もちろん、非水性インクを用いる場
合には、そのインクにおいて蒸発しやすい成分を成分液
２０６として選択する。蒸気発生部２０２への成分液２
０６の供給方法をこのようにすると、供給管２０８の流
路抵抗を断面積を大きくするなどして十分大きくしてお
けば、蒸気発生部２０２への成分液２０６の供給がスム
ーズに行われその効果が安定したものになる。また、成
分液２０６の供給がスムーズに行われるため、蒸気発生
部２０２があらかじめ保持しておくべき成分液が少なく
てもかまわない。従って、表面積は変わらずとも蒸気発
生部２０２の体積を実施例１に比べて小さくできるの
で、インク室をより小さく構成でき印字装置を設計する
上での自由度が増える。なお、本実施例の場合、蒸気発
生部を、インク室内部の成分液蒸発部と成分液供給管の
両者で構成したものと見なしてもよい。

【００５４】さらに、プラスチック２６にはインク供給
口２８が開けられており、異物を除去し供給を安定化す
るインクフィルタ１０２を介してインク６が充填された
インクタンク１０３に接続されている。弾性部材５の先
端５０μｍがインク面７より突出するように、図示して
いない外部のインク供給圧調製器によりインク圧を調整
した。また、インク室２５を形成するプラスチック２６
には、図のように、インク面７の高さを固定するように
インク室２５の底面から約２００μｍの位置にインク面
固定部材２９を取り付けてある。この材質はインクに侵
されずインク面を固定できるものならなんでもよいが、
ここではインク室を構成する材質と同一のプラスチック
を用い安価に一体形成した。

【００５５】印字時には、図示していない交流電源を用
いて、外部からこの振動子９に振動板１の剛性や形状な
どともから決まる固有の共振周波数ｆ０と同じ、もしく
はその整数倍の周波数ｆで、画像信号に応じて電圧を印
加して励振した。印字時には、複数のイジェクタのうち
一つもしくは複数のイジェクタに選択的に電圧を印加し
ている。本実施例では、一つの画素を形成するために、
選択したイジェクタに対して、２００ｋＨｚで１０Ｖｐ
−ｐの電圧を印加時間５０μｓｅｃの間バースト的に印
加した（バースト数は１０）。アドレス電極で選択され
たイジェクタの弾性部材５の先端のみから、弾性部材５
にほぼ直角に１５μｍ直径のインク・ドロップが吐出し
た。インク・ドロップは１ｍｍ離して配置された印字紙
３６上に達し、画像信号に応じて複数のドット（画素）
を生成し画像が形成される。

【００５６】このときの記録装置全体の概要は実施例１
と同様であり、図１２を用いて説明する。インクジェッ
ト記録装置３７は、後述する各色に対応した数の複数の
インクジェット記録ヘッド３３がキャリッジ３４に固定
され、キャリッジ３４は印字紙３６の紙幅方向に往復移
動し、印字紙３６が移動することにより印字紙全面に文
字および絵を印字できるようになっている（図では成分
液リザーバーの図示は省略している）。なお、各インク
ジェット記録ヘッド３３内では振動子および弾性部材か
ら成る複数のイジェクタが振動板上に配置されている
が、外部から与えられる画像信号に応じてその時々で選
択されたイジェクタのみが駆動されインク・ドロップを
吐出する。

【００５７】さらに、印字紙３６の移動はローラー３５
を回転させることにより行った。キャリッジ３４の送り
速度とインクジェット記録ヘッド３３内の各振動子の配
置間隔は６００ｄｐｉに対応するようにした。キャリッ
ジ３４に固定された各インクジェット記録ヘッド３３
は、黒、イエロー、マゼンタ、シアンのインクタンク３
８のどれかに接続されている。各インクは各インクジェ
ット記録ヘッド３３へ供給され、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
ク面からインクドロップが吐出され画像が形成される。
なお、図示していないがインクジェット記録ヘッド３３
への電気的信号はキャリッジ３４を介して外部から送ら
れる。インクジェット記録ヘッド３３の印字駆動条件は
先に述べた。

【００５８】印字後の印字紙３６上に形成された各ドッ
トは、各色インクともほぼ３０μｍ径の円状に整った均
一小径ドットであった。蒸気発生部を設けたことによ
り、ドット径やドットの着弾位置精度に各色とも変動は
なく、小径ドロップを安定に吐出し印字することができ
ていた。

【００５９】また、駆動周波数も低いので発熱もなく、
発熱によるインクの粘度変化や固化といった問題も生じ
なかった。特に、蒸気発生部を設けたことにより、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。また、小型で安価な記録装置を実
現できた。

【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、弾性部材５の片持ち梁構造
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Ｗが、ほぼＷ＝２λの長さとなる領域
を有するようにしてもよい。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。こうすることにより、幅Ｗにおいて２山のキャ
ピラリ波を生成でき、その後１山のインク隆起部が形成
されて次の瞬間これが分離してより正確に１インク滴を
飛翔させることができるようになる。

【００６１】

【発明の効果】以上の通り、本発明によれば、従来のイ
ンクジェット技術とは異なりノズルを用いずに微小なド
ロップを吐出でき、かつ従来のノズルレスのインクジェ
ット技術に比べ低周波で駆動する吐出機構により、高解
像度化に対応した微少ドロップを吐出することができ、
インク詰まりやインク突出方向の変動といったインク吐
出の不安定さを無くしたインクジェット記録ヘッドを実
現できる。さらに、蒸気発生部を設けたことにより高信
頼で高画質な印字が可能なインクジェット記録ヘッドを
実現できる。また、小型で安価な記録ヘッドを実現でき
るようにもなる。また、低周波で駆動できるためエネル
ギー効率が良く、よって使用できるインクの物性範囲を
広くでき、各種の印字用途に適用することができるイン
クジェット記録ヘッドを実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドで用いるキャピラリ波による吐出機構を説明す
るための断面図である。

【図２】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの基本的構成を説明する断面図である。

【図３】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの基本的構成を説明する正面図である。

【図４】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの概略の構成を説明する断面図である。

【図５】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの概略の構成を説明する正面図である。

【図６】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの蒸気発生部の断面図である。

【図７】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの蒸気発生部の断面図である。

【図８】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの構成の変形例を示す図である。

【図９】本発明の一実施の形態によるインクジェット記
録ヘッドの蒸気発生部の変形例を示す図である。

【図１０】本発明の一実施の形態による実施例１のイン
クジェット記録ヘッドの概略の構成を説明する断面図で
ある。

【図１１】本発明の一実施の形態による実施例１のイン
クジェット記録ヘッドの概略の構成を説明する正面図で
ある。

【図１２】本発明の一実施の形態による実施例１のイン
クジェット記録装置の概略の構成を説明する斜視図であ
る。

【図１３】本発明の一実施の形態による実施例２のイン
クジェット記録ヘッドの概略の構成を説明する断面図で
ある。

【図１４】本発明の一実施の形態による実施例２のイン
クジェット記録ヘッドの概略の構成を説明する正面図で
ある。

【符号の説明】

１振動板２圧電セラミック薄膜３、４電極５弾性部材６インク７インク面８吐出ドロップ９振動子１０保護膜２０保持部材２１支持部２５インク室２６インク室構成部材２７吐出開口部２８インク供給開口部２９インク面保持部材３３記録ヘッド３４キャリッジ３５ローラー３６印字紙３７記録装置３８インクタンク１０２フィルター１０３インクタンク１０４信号接続コネクタ１２０外部駆動部２００振動発生部２０１振動支持部材２０２蒸気発生部２０３蒸発抑制部材２０５成分液リザーバー２０６成分液２０７開口２０８供給管

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曲げ振動する片持ち梁
構造の弾性部材と、前記弾性部材近傍に配置される蒸気発生手段とを備え、前記蒸気発生手段によりインクの蒸発を抑制しつつ、前
記弾性部材の振動により前記インク表面にキャピラリ波
を生成して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インクジェット記録ヘッド。
【請求項２】請求項１記載のインクジェット記録ヘッド
において、前記蒸気発生手段は、前記インクの少なくとも１成分を
含む蒸気を発生することを特徴とするインクジェット記
録ヘッド。
【請求項３】請求項１または２に記載のインクジェット
記録ヘッドにおいて、前記インクは水性インクであり、前記蒸気発生手段は、
水蒸気を発生することを特徴とするインクジェット記録
ヘッド。
【請求項４】請求項１乃至３のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記蒸気発生手段は、多孔性部材を含むことを特徴とす
るインクジェット記録ヘッド。
【請求項５】請求項１乃至４のいずれかに記載のインク
ジェット記録ヘッドにおいて、前記蒸気発生手段は、蒸気を発生する表面の少なくとも
一部に凹凸が形成されていることを特徴とするインクジ
ェット記録ヘッド。