JP3740791B2

JP3740791B2 - 液滴形成装置および画像形成方法

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Publication number: JP3740791B2
Application number: JP13948197A
Authority: JP
Inventors: 治郎三鍋
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 1997-05-29
Filing date: 1997-05-29
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2017-05-29
Also published as: JPH10328594A

Description

【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４３０８５４７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６−４５２３３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３−２００１９９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（ａｃｏｕｓｔｉｃｓｔｒｅａｍｉｎｇ）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、単一の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ものであって、前記単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振動伝達手段より液滴を飛翔させ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り、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ものであって、それぞれ対応する単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振動伝達手段のそれぞれより液滴を飛翔させ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ものであり、上記振動伝達手段が、単一の振動発生手段上に形成されたものであって、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からなり、液体の液面が、前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置した状態で、前記振動伝達手段より液滴を飛翔させ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／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｛（８πσ／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ＰｂＮｂ₂Ｏ₆、ビスマスゲルマネートＢｉ₁₂ＧｅＯ₂₀、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、Ａｌ₂Ｏ₃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１０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、１μｍ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、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７ｂ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６００μｍ、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１ｋＨｚ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、１００μｍ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、１μｍ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１４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、１６，１７…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

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ものであって、単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振動伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする液滴形成装置。
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ものであって、それぞれ対応する単一の振動発生手段上に形成されており、液体の液面を前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置させて、前記振動伝達手段のそれぞれより液滴を飛翔させることを特徴とする画像形成用液滴形成装置。
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、該振動伝達手段が、単一の振動発生手段上に形成されたものであって、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からなり、液体の液面が前記振動伝達手段の先端と底面の間に位置した状態で、前記振動伝達手段より液滴を飛翔させることを特徴とする画像形成方法。