JPH09226111A

JPH09226111A - 記録方法および記録装置

Info

Publication number: JPH09226111A
Application number: JP3856296A
Authority: JP
Inventors: Koichi Haga; 浩一羽賀; Yoshiyuki Shiratsuki; 好之白附; Ichiro Asai; 市郎浅井; Keizo Abe; 敬三阿部; Yasushi Suwabe; 恭史諏訪部
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1996-02-26
Filing date: 1996-02-26
Publication date: 1997-09-02
Anticipated expiration: 2016-02-26
Also published as: JP3427608B2

Abstract

(57)【要約】【課題】微小なノズルを必要とせず、効率よく小径の
インク滴を飛翔可能なインクジェット記録方法および記
録装置を提供する。【解決手段】円筒状のノズル１に圧電材料等の振動部
材２が設けられており、ノズル１の内部にはインク３が
供給されている。振動部材２にある周波数で電界を与
え、ノズル１の壁面と垂直方向に振動させると、インク
３の液面下では、円筒の中心に向かって縦波が発生す
る。あるいは、円筒状のノズル１の中心軸に並行は方向
に振動させると、インク３の表面に表面張力波が発生す
る。この縦波あるいは表面張力波はノズル１の壁面全体
から同心円状に中心に集中し、円筒状のノズル１の中心
近傍のインクの表面から液滴が吐出する。この液滴を被
記録媒体に付着させることによって記録を行なうことが
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、振動を利用してイ
ンクを飛翔させるインクジェット記録方法および記録装
置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来よりノズルからインク滴を必要に応
じて吐出させて印字を行なう、いわゆるオンデマンド型
のインクジェット式記録方式があり、代表的な方式とし
てピエゾ振動子型とサーマル型がある。ピエゾ振動子型
はインク室に付設された圧電素子にパルス電圧を印加
し、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、ノズルからインク滴を吐出させて記
録用紙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手段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滴を吐
出させて記録用紙にドットを記録するものである。

【０００３】これらインクジェット技術においては、従
来、解像度が３００ｄｐｉ程度であったが、昨今その解
像度が６００から７２０ｄｐｉ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
る必要がある。従来の方式においてドット径を小さくす
る方法として、ノズル径を小さくする方法がある。しか
しながら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の詰まりや、ノズル円周部
への残滓の付着によるインク吐出方向の変化が発生しや
すくなる。そのため、記録紙上の画質に欠陥が発生し、
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
なノズル径を採用出来ないという問題があった。

【０００４】これに対し、近年、表面弾性波を用いたイ
ンクジェット記録方式が提案されている。例えば、特開
昭５４−１０７３１号公報には、液室内に設けた交差指
電極により表面弾性波を形成し、その漏洩レイリー波に
よりインクを振動させ、スリットまたはノズルからイン
ク滴を吐出させる構成が記載されている。また、特開昭
６２−６６９４３号公報においては、液室底部に交差指
電極を同心円状に形成し、インク中に漏洩レーリー波を
コーン状に形成し、その焦点近傍にインク表面を設ける
ことにより、インク中を伝播した振動エネルギーをイン
ク表面に集中させ、インク滴を吐出させるものが提案さ
れている。

【０００５】これら方式においては、形成されるインク
滴の大きさはノズル径に直接影響されることがないた
め、インクの吐出口を小さくする必要はなく、またスリ
ット形状でも本質的に問題はない。しかし、表面弾性波
を発生させる交差指電極がインク中に配置されているた
め、高周波振動により電極材料とインク中の成分が反応
して電極が溶出したり、インク成分の電極への付着等の
問題が発生する。また漏洩レーリー波がインク中を伝搬
する際に減衰し、エネルギー効率が低いといった問題が
ある。

【０００６】これら問題に対し、表面弾性波を用いた新
しいインクジェット記録方式が提案されている。特開平
２−２６９０５８号公報に記載されている装置はその一
例である。図１１は、従来の表面弾性波を用いたインク
ジェット記録方式の原理説明図である。図中、４１は圧
電基板表面、４２は交差指電極、４３は圧電基板、４４
はインク、４５は液滴、４６は高周波電源である。圧電
基板表面４１には交差指電極４２が形成されている。こ
の交差指電極４２に高周波電源４６から高周波電圧を印
加し、発生した表面弾性波の伝搬路上にインク４４を置
く。すると、表面弾性波はインク４４と接触することに
より振動エネルギーがインク４４に漏洩し（漏洩レーリ
ー波の発生）、これによりインク４４の一部が液滴４５
となって飛翔する。この方式においては、交差指電極４
２は直接インク４４と接することはなく、また小さなノ
ズルを形成する必要もないため、上述の方式のような信
頼性に関する問題が発生することがない。

【０００７】しかしながらこの構成においては、電極と
して平行な交差指電極を用いているため、表面弾性波が
多方向に伝搬しやすく、エネルギー効率が悪くまたクロ
ストークの原因となっており、インクから飛翔する液滴
の方向やサイズは前述の従来例に比べて極めて不安定で
ある。表面弾性波の伝搬の指向性を高くするためには、
交差指電極の幅ｄを少なくとも波長λの１０倍以上とす
る必要がある。また、液滴の径は交差指電極の幅ｄに依
存しているため、小径の液滴を形成するには波長λを短
くする必要がある。しかしながら波長λを短くすること
は発振周波数を高くすることになり、高価な電源を必要
とするため、むやみに発振周波数を高くすることができ
ないといった問題がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上述した事
情に鑑みてなされたもので、微小なノズルを必要とせ
ず、効率よく小径のインク滴を飛翔可能なインクジェッ
ト記録方法および記録装置を提供することを目的とする
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明
は、記録方法において、振動発生手段により液体インク
の表面および表面近傍に振動を加え、前記液体インクの
表面または表面近傍を伝播する振動を集中させて液滴を
飛翔させ、被記録媒体へ液滴を付着させることにより記
録を行なうことを特徴とするものである。

【００１０】請求項２に記載の発明は、請求項１に記載
の記録方法において、前記振動発生手段は前記液体イン
クの表面近傍に縦波を発生させ、前記液体インクの表面
近傍を伝播する前記縦波を集中させて液滴を飛翔させる
ことを特徴とするものである。

【００１１】請求項３に記載の発明は、請求項１に記載
の記録方法において、前記振動発生手段は前記液体イン
クに表面張力波を発生させ、前記表面張力波を集中させ
て液滴を飛翔させることを特徴とするものである。

【００１２】請求項４に記載の発明は、記録装置におい
て、内側に液体インクを保持させた円筒形ノズルと、該
円筒形ノズルに形成された振動発生手段を有し、該振動
発生手段を前記液体インクの表面と略平行な平面方向に
振動させることにより前記液体インクに縦波を発生さ
せ、前記縦波を前記円筒形ノズルの中心軸方向に集中さ
せることで前記液体インクの表面から液滴を飛翔させる
ことを特徴とするものである。

【００１３】請求項５に記載の発明は、記録装置におい
て、内側に液体インクを保持させた円筒形ノズルと、該
円筒形ノズルに形成された振動発生手段を有し、該振動
発生手段を前記液体インクの表面に対して垂直方向に振
動させることにより前記液体インクに表面張力波を発生
させ、前記表面張力波を液体インク表面中央で波高が最
も高くなるように干渉させ、前記液体インクの表面中央
部から液滴を飛翔させることを特徴とするものである。

【００１４】請求項６に記載の発明は、請求項４または
５に記載の記録装置において、振動発生手段は、圧電性
円筒状部材または複数の圧電性部材によって構成されて
いることを特徴とするものである。

【００１５】請求項７に記載の発明は、請求項４または
５または６に記載の記録装置において、前記振動発生手
段と前記ノズルの組をライン状に配置したことを特徴と
するものである。

【００１６】請求項８に記載の発明は、請求項４または
５または６に記載の記録装置において、前記ノズルと前
記振動発生手段の組をマトリクス状に配置し、各行また
は列に並ぶ前記ノズルおよび前記振動発生手段の組を列
または行方向に異なった位置に配置したことを特徴とす
るものである。

【００１７】

【発明の実施の形態】図１は、本発明の記録装置の第１
の実施の形態を示す断面図、図２は、同じく平面図であ
る。図中、１はノズル、２は振動部材、３はインクであ
る。図２は図１をＡ方向から見た図である。ノズル１は
円筒状をしており、その内部にはインク３が供給されて
いる。ノズル１に供給されたインク３の液面付近に振動
部材２が設けられている。

【００１８】振動部材２は、電界により機械歪みを生じ
る材料で構成され、例えば、チタン酸バリウム、ニオブ
酸リチウム、チタン酸ジルコン酸鉛、酸化亜鉛などの圧
電材料が用いられる。振動部材２はノズル１の面に垂直
な方向に収縮または膨張するように変形する。ここで
は、振動部材２は一体の円筒状の圧電材料を用いてお
り、ノズル１の円周上に配置している。これに限らず、
いくつかの部材に分割して複数の円弧状の振動部材をノ
ズル１の全周に配置したり、ノズル１の円周上に間欠的
に配置することもできる。また、ノズル１の断面形状は
円に限らず、正ｎ角形など、種々の形状とすることがで
き、振動部材によって発生した縦波が１点に集中するよ
うに、振動部材を配置すればよい。

【００１９】なお、ここではノズル１の部分しか示して
いないが、ノズル１はインク３を供給する図示しないイ
ンク供給機構に直接接続されていたり、供給されたイン
クを一時的に貯蔵する図示しないインク室に接続される
構成とすることができる。また、ノズル１の長さは、ノ
ズル１にインク３の液面が位置制御可能な長さ以上であ
ればよい。

【００２０】図３は、本発明の記録装置の第１の実施の
形態における動作原理を説明する平面図、図４は、同じ
く断面図である。振動部材２に電界を与え、図３に示す
ようにノズル１の壁面と垂直方向にある周波数で振動さ
せると、インク３の液面下では、円筒の中心に向かって
縦波が発生する。この縦波はノズル１の壁面全体から同
心円状に中心に集まってくるため、ノズル壁面から与え
られた振動エネルギーは円筒の中心に集中する。このた
め、ある周波数で十分な振動強度を与えると、図４に示
すように円筒状のノズル１の中心近傍のインクの表面か
ら液滴が吐出する。この液滴を被記録媒体に付着させる
ことによって記録を行なうことができる。

【００２１】具体例としては、振動部材２に６０ＭＨｚ
の振動を与えることによって、直径約５０μｍの液滴が
生じた。また、振動部材２を分割して複数の円弧状振動
部材にした場合も、振動させる位相を合わせることによ
り、同様に円筒形のノズル１の中心部よりインク３の吐
出が可能であった。

【００２２】次に、本発明の記録装置の第２の実施の形
態について説明する。この第２の実施の形態における構
成は、図１、図２に示す上述の第１の実施の形態とほぼ
同様である。この第２の実施の形態では、振動部材２は
ノズル１の軸方向に振動する。

【００２３】図５、図６は、本発明の記録装置の第２の
実施の形態における原理を説明する断面図である。振動
部材２をノズル１の軸方向にある周波数で振動させる
と、図５（Ａ）に示すように１波長分の定在波が生じ
る。振動部材２の周波数を上げていくと、ある周波数で
図５（Ｂ）に示すように２波長分の定在波が生じる。同
様にして振動部材２の周波数を上げていくと、ある周波
数で円筒状ノズル内にｎ波長（ｎは整数）の定在波が生
じる。一方、円筒状振動部材の振動強度（振幅）を増加
していくと、図６（Ａ）〜（Ｃ）に示すように定在波の
振幅は増加していき、振動がある強度に達すると、図６
（Ｄ）に示すように最も振幅の大きな円筒の中心部の波
頭がちぎれて小さな液滴が飛翔する。この液滴を被記録
媒体に付着させることによって記録を行なうことができ
る。

【００２４】具体例として、２００μｍ径の円筒状のノ
ズル１の先端近傍に、一体の円筒状の振動部材２を取り
付け、その中に表面張力０．０４０Ｎ／ｍ、密度１０５
０ｋｇ／ｍ³のインクを保持して実験を行なった。定在
波が現れる周波数は以下に示す原理で求められる。振動
はインク表面を伝わるものであり、２００μｍのノズル
内で生じるものであるから、扱う波の波長は２００μｍ
以下のものである。

【００２５】この波の進行を支配するのは表面張力であ
る。そこで、液体表面張力をσ（ｍＮ／ｍ）、液体密度
をρ（ｇ／ｃｍ３）、波長をλ（μｍ）とするとき、表
面張力波（横波）の進行速度ｖはｖ＝（２πσ／ρλ）^1/2・・・（１）と表わすことができる。一方、波の周波数ｆ_kは進行速
度、波長により次のように与えられる。ｆ_k＝ｖ／λ・・・・（２）（１）式、（２）式より λ＝｛２πσ／（ρｆ_k ²）｝^1/3・・・（３）となる。また、発信周波数をｆｅ（Ｈｚ）とするとき、ｆ_k＝ｆ_e／２・・・（４）であるから、（３）式と（４）式より λ＝｛８πσ／（ρｆ_e ²）｝^1/3・・・（５）となる。（５）式より、ｆ_e＝（８πσ／ρ）^1/2λ^-3/2・・・（６）となる。

【００２６】上述の具体例のように、σ＝０．０４０Ｎ
／ｍ、ρ＝１０５０ｋｇ／ｍ₃のインクを用いた場合、
これらの値を（６）式に代入して計算すると、ｆ_e＝０．０３１λ^-3/2・・・（７）となる。一方、円筒中に生じる波の波長は、円筒の径を
Ｄとすると、 λ＝Ｄ／ｎ・・・（８）で与えられる。ただし、ｎは円筒中に生じる波の波数で
あり、整数である。（７）式、（８）式より、ｆ_e＝０．０３１（Ｄ／ｎ）^-3/2・・・（９）となる。具体例では、Ｄ＝２００μｍのノズルを用いた
ので、ｆ_e＝１０９６０ｎ^3/2・・・（１０）と求められる。

【００２７】図７は、本発明の記録装置の第２の実施の
形態における円筒状ノズル中に生ずる波頭数と与える周
波数の関係を説明するためのグラフである。上述のよう
に、２００μｍ径のノズルにσ＝０．０４０Ｎ／ｍ、ρ
＝１０５０ｋｇ／ｍ³のインクを満たして振動を与えた
場合、ノズル内に生じる波の波数と周波数の関係は、図
７に示すようになる。例えば、８８ｋＨｚの振動を振動
部材２より与えることによって、図７から円筒中に生ず
る波の波頭数は４であると求められる。すなわち、８８
ｋＨｚの振動を振動部材２より与えることによって、図
６に示すように１波長５０μｍの定在波を４波長分をノ
ズル１内のインクの表面に生じさせることができる。そ
して、振動部材２に印加する電圧がある値に達すると、
図６（Ｄ）に示すように、ノズル１の中心よりインク液
滴の飛翔が始まる。このとき、インク液滴の粒子径は約
２０μｍであった。

【００２８】この第２の実施の形態においても、複数の
振動部材を用いて構成することができる。その場合に
は、複数の振動部材が振動する位相を合わせることによ
り、同様にノズル１の中心よりインク液滴の飛翔が可能
であった。

【００２９】この第２の実施の形態では、上述のように
振動部材２によってインク３を振動させたが、これに限
らず、振動部材２によってノズル１を振動させ、その振
動によってインク３を振動させることも可能である。図
８は、本発明の記録装置の第２の実施の形態における変
形例の説明図である。図中、１１，１２は基板である。
この例では、特性の異なる２枚の基板１１，１２を接合
し、開口を設けてノズル１を形成している。基板１２の
下面はインク室の一部を構成することができ、インクは
ノズル１まで満たされている。

【００３０】この構成において、２枚の基板１１，１２
の一方をノズル１の周囲において収縮または伸張させる
ことによって２枚の基板１１，１２は湾曲し、端部であ
るノズル１の部分が上または下に移動することになる。
この原理は、熱膨張率の異なる２種の金属を接合したバ
イメタルに加温した際の動作原理と同様である。この動
作を繰り返し行なうことによって、インク３に振動を与
えることができる。振動部材２としては、基板１１，１
２の物理的特性に応じた構成にすればよく、例えば、基
板１１または１２として圧電基板を用いた場合、その圧
電基板に電気信号を与える手段で構成することができ
る。また、例えば、基板１１，１２がバイメタルの構成
や形状記憶合金等の構成であり、高速な湾曲および復元
動作が可能であれば、振動部材２を加温手段などにより
構成すればよい。

【００３１】図９は、複数のノズルを配置した構成例の
説明図である。図中、２１は基板、２２はインク室、２
３はインク供給管である。上述の各例は、一つのノズル
についてのみ示しているが、これらを複数配置すること
もできる。図９に示す例では、ノズル１をマトリックス
状に配置した例である。

【００３２】基板２１には、ノズル１となる開口をマト
リックス状に穿設してある。この開口の形成は、例えば
レーザーにより行なうことができる。このとき、コスト
を重視する場合にはスループットのよいＣＯ₂レーザ
ー、熱のダメージやクラックの発生に配慮する場合には
エキシマレーザーによる加工がよい。さらにコストを低
減したい場合にはドリル加工やパンチングを用いること
も可能である。

【００３３】ノズル１は、図９（Ａ）に示した例では、
横方向に直線状に配列し、その配列方向と直交する方向
には他のノズルが配置されないように、他のノズルを少
しずつ横方向にずらして配置している。このような配置
の記録ヘッドと被記録媒体とを上下方向に相対的に移動
させながら記録を行なうことによって、ノズル１の横方
向の配列間隔よりも記録密度の高い記録を行なうことが
できる。

【００３４】各ノズル１には、それぞれ振動部材２が設
けられている。この振動部材２に電気的エネルギーを供
給するため、図９（Ａ）に示すように、縦方向のリード
Ａ１〜Ａ５と、横方向のリードＢ１〜Ｂ６が配設されて
いる。ここで一方のリードＡ１〜５のいずれかと、他方
のリードＢ１〜６のいずれかを選択して電気的エネルギ
ーを供給することにより、一つのノズル１に対応する振
動部材２が選択的に動作し、励振することが可能とな
る。この選択動作と動作タイミングおよび被記録媒体と
の相対的移動を画像データに応じて制御することによっ
て、被記録媒体への画像の記録を行なうことができる。

【００３５】また、各ノズル１においては、インクを飛
翔させた後、飛翔させた分のインクを供給し、次のイン
クの飛翔に備える必要がある。そのため、この例では図
９（Ｂ）に示すように、基板２１の下部にインク室２２
を設け、インクを貯留しておくとともに、インク供給管
２３を介して図示しないインクタンクから一定の圧力で
インク室２２へインクを供給するように構成することが
できる。これにより、ノズル１におけるインク面の位置
を常に一定に保ち、被記録媒体との距離を一定に保って
記録されるドットをそろえることができるので、高品質
の記録を行なうことができる。

【００３６】図１０は、複数のノズルをスリットによっ
て構成した例を示す平面図である。図中、３１はスリッ
トである。図９に示した例では、各ノズルを開口によっ
て形成したが、図１０に示すように複数のノズルに共通
のスリット３１として形成することもできる。図１０に
示した例では、横方向にスリット３１を設け、スリット
３１上のノズルに対応する位置の両側に、円弧状の振動
部材を配置している。両側に配置した振動部材の円弧の
中心を同じ位置とすることにより、その円弧の中心部か
らインクの液滴が飛翔することになる。この円弧状の振
動部材は、片側のみでもよい。

【００３７】図９、図１０にはマトリクスの配置構成を
示したが、これに限らず、１ラインのみの構成も可能で
ある。

【００３８】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば、振動エネルギーを液体インクの表面近傍に加
え、振動エネルギーを伝播集中させる構成であるため、
エネルギー効率が高く、更には振動エネルギーを微小領
域に集中させることができるので、小さな液滴を液体イ
ンクの表面に垂直な方向に精度よく吐出させることがで
きるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の記録装置の第１の実施の形態を示す
断面図である。

【図２】本発明の記録装置の第１の実施の形態を示す
平面図である。

【図３】本発明の記録装置の第１の実施の形態におけ
る動作原理を説明する平面図である。

【図４】本発明の記録装置の第１の実施の形態におけ
る動作原理を説明する断面図である。

【図５】本発明の記録装置の第２の実施の形態におけ
る発生する波頭数を説明する断面図である。

【図６】本発明の記録装置の第２の実施の形態におけ
る発生する波高を説明する断面図である。

【図７】本発明の記録装置の第２の実施の形態におけ
る円筒状ノズル中に生ずる波頭数と与える周波数の関係
を説明するためのグラフである。

【図８】本発明の記録装置の第２の実施の形態におけ
る変形例の説明図である。

【図９】複数のノズルを配置した構成例の説明図であ
る。

【図１０】複数のノズルをスリットによって構成した
例を示す平面図である。

【図１１】従来の表面弾性波を用いたインクジェット
記録方式の原理説明図である。

【符号の説明】

１…ノズル、２…振動部材、３…インク、１１，１２，
２１…基板、２２…インク室、２３…インク供給管、３
１…スリット。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者阿部敬三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 (72)発明者諏訪部恭史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】振動発生手段により液体インクの表面お
よび表面近傍に振動を加え、前記液体インクの表面また
は表面近傍を伝播する振動を集中させて液滴を飛翔さ
せ、被記録媒体へ液滴を付着させることにより記録を行
なうことを特徴とする記録方法。
【請求項２】前記振動発生手段は前記液体インクの表
面近傍に縦波を発生させ、前記液体インクの表面近傍を
伝播する前記縦波を集中させて液滴を飛翔させることを
特徴とする請求項１に記載の記録方法。
【請求項３】前記振動発生手段は前記液体インクに表
面張力波を発生させ、前記表面張力波を集中させて液滴
を飛翔させることを特徴とする請求項１に記載の記録方
法。
【請求項４】内側に液体インクを保持させた円筒形ノ
ズルと、該円筒形ノズルに形成された振動発生手段を有
し、該振動発生手段を前記液体インクの表面と略平行な
平面方向に振動させることにより前記液体インクに縦波
を発生させ、前記縦波を前記円筒形ノズルの中心軸方向
に集中させることで前記液体インクの表面から液滴を飛
翔させることを特徴とする記録装置。
【請求項５】内側に液体インクを保持させた円筒形ノ
ズルと、該円筒形ノズルに形成された振動発生手段を有
し、該振動発生手段を前記液体インクの表面に対して垂
直方向に振動させることにより前記液体インクに表面張
力波を発生させ、前記表面張力波を液体インク表面中央
で波高が最も高くなるように干渉させ、前記液体インク
の表面中央部から液滴を飛翔させることを特徴とする記
録装置。
【請求項６】振動発生手段は、圧電性円筒状部材また
は複数の圧電性部材によって構成されていることを特徴
とする請求項４または５に記載の記録装置。
【請求項７】前記振動発生手段と前記ノズルの組をラ
イン状に配置したことを特徴とする請求項４または５ま
たは６に記載の記録装置。
【請求項８】前記ノズルと前記振動発生手段の組をマ
トリクス状に配置し、各行または列に並ぶ前記ノズルお
よび前記振動発生手段の組を列または行方向に異なった
位置に配置したことを特徴とする請求項４または５また
は６に記載の記録装置。