JP3450703B2 - Ink jet recording device - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、液体インクを液滴
化して被記録体上に飛翔させることにより画像を記録す
るインクジェット記録装置に係り、特には、圧電素子に
より放射される超音波ビームの音圧によりインク滴を吐
出させて被記録体上に飛翔させるインクジェット記録装
置に関する。 【０００２】 【従来の技術】液体インクを液滴と呼ばれる小さな粒状
にして記録媒体上に飛翔させることにより画点を形成し
て画像を記録する装置は、インクジェットプリンタとし
て実用化されている。このインクジェットプリンタは、
他の記録方法と比べて騒音が少なく、現像や定着などの
処理が不要であるという利点を有し、普通紙記録技術と
して普及している。 【０００３】現在までに数多くのインクジェットプリン
タの方式が考案されているが、特に発熱体の熱により発
生する蒸気の圧力でインク滴を飛翔させる方式（例えば
特公昭５６−９４２９号公報や特公昭６１−５９９１１
号公報参照）、圧電体の変位による圧力パルスによりイ
ンク滴を飛翔させる方式（例えば特公昭５３−１２１３
８号公報参照）が代表的なものである。 【０００４】しかしながら、これらのインクジェットプ
リンタはノズルの先端からインクを飛翔させ方式である
ため、インク中の溶媒の蒸発や揮発によって局所的なイ
ンクの濃縮が生じ、ノズルでの目詰まりという問題があ
る。さらにこれらのインクジェットプリンタは、飛翔さ
せるインク滴の粒径を小さく（直径２０μｍ以下）する
ことが困難であり、解像度を上げることが困難であっ
た。 【０００５】これらの欠点を克服するため、薄膜圧電体
層として構成された圧電素子によって発生する超音波ビ
ームの音圧を用いてインク液面からインクを飛翔させる
方式が提案されている（例えば、ＩＢＭ ＴＤＢ，Ｖｏ
ｌ．１６，Ｎｏ．４，１１６８頁（１９７３−１０）、
米国特許第４，３０８，５４７号、特開昭６３−１６６
５４８号公報、特開昭６３−１６６５４８号公報、特開
昭６３−３１２１５７号公報、特開平２−１８４４４３
号公報等を参照）。しかしながら、これら従来の圧電素
子を用いたインクジェット記録装置は、画像記録速度を
向上させることができないという問題があった。 【０００６】そこで、本発明者らは、特願平６−２３８
１０２号公報その他に、複数の個別電極により形成され
た圧電素子アレイの一部の複数素子群を順次電子的スイ
ッチの切り替えにより移動させることにより印字速度の
高速化を図ったリニア電子走査方式のインクジェット記
録装置を提案している。この方式の記録装置は、高い記
録速度を達成し得る。しかしながら、圧電素子を駆動す
るバースト信号の波数によってはインク滴が飛翔しない
場合があったり、予定とは異なり複数個のインク滴が同
時に飛翔してしまうという問題が本発明者らにより見出
された。 【０００７】 【発明が解決しようとする課題】上述したように超音波
を用いたインクジェット記録装置は、ノズル目詰まりが
なく高画質を達成でき、さらにリニア電子走査方式によ
れば記録速度の高速化を達成できるものの、圧電素子駆
動信号によってはインク滴が飛翔しない場合や所定以上
の数のインク滴が同時に飛翔してしまう場合があるとい
う問題がある。 【０００８】本発明はこのような問題を解決しようとす
るものであり、圧電素子を駆動するバースト信号の波数
を所定の範囲に設定することにより安定にインクを１滴
飛翔させることができるインクジェット記録装置を提供
することを課題とする。 【０００９】 【課題を解決するための手段】上記課題は、インク液を
保持するためのインク液保持室と、前記インク液と音響
的に接続され、波数Ｎで波高値Ｖ［Ｖｐｐ］のバースト
信号電圧を印加することにより駆動される圧電素子を含
む超音波発生手段と、前記超音波発生手段から発生され
る超音波を前記インク液の液面近傍に集束させるための
超音波集束手段とを具備し、前記超音波発生手段の主走
査方向の口径（以下の定義の通り）をＤｓとし、その副
走査方向の口径（以下の定義の通り）をＤｆとし、焦点
距離をＦｐとし、インク液中の超音波の波長をλ［μ
ｍ］、超音波放射面とインク液面までの超音波減衰量を
ａ［ｄＢ］とし、｛（Ｆｐ／Ｄｓ）×（Ｆｐ／Ｄｆ）｝
^1/2をＦｒとしたとき、前記波数Ｎが、次の２式： ４Ｆｒ・λ＜Ｎ＜２００Ｆｒ・λ … （１）と ２×１０⁴ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ）＜Ｎ＜１×１０⁶ ／
（１０^-a/10 ・Ｖ² ）… （２） を同時に満たすことを特徴とするインクジェット記録装
置。 【００１０】本発明において、主走査方向は、超音波発
生手段がアレイ状に配列された複数の圧電素子を含む場
合には、その複数の圧電素子の配列方向をいい、超音波
発生手段が単一の圧電素子からなる場合には、記録紙の
紙送り方向と直交する方向に相当する。また、副走査方
向は、主走査方向に直交する方向に相当する。 【００１１】本発明において、超音波発生手段の主走査
方向の口径とは、超音波発生手段がアレイ状に配列され
た複数の圧電素子を含む場合には、その一部として同時
駆動される圧電素子群の主走査方向両端部に位置する圧
電素子のそれぞれの最外側端部間の距離をいい、超音波
発生手段が単一の圧電素子からなる場合には、その主走
査方向の長さをいう。また、本発明において、超音波発
生手段の副走査方向の口径とは、超音波発生手段がアレ
イ状に配列された複数の圧電素子を含む場合には、圧電
素子の副走査方向の長さをいい、通常超音波集束手段の
口径に相当し、超音波発生手段が単一の圧電素子からな
る場合には、その副走査方向の長さをいい、通常主走査
方向の口径と一致する。また、焦点距離とは、超音波放
射面からの距離をいい、例えば具体的には、超音波収束
レンズの表面からの距離に相当する。 【００１２】 【発明の実施の形態】以下、本発明を図面を参照してよ
り詳しく説明する。図１は本発明の一実施形態に係るイ
ンクジェット記録装置を示す斜視図である。 【００１３】図１に示す記録装置において、超音波発生
手段を構成する長尺の平板状圧電体１２が、支持基板
（バッキング部材）１１上に設けられている。圧電体１
２は、これに印加された所定のバースト波電圧駆動信号
により超音波を発生し得る材料で形成されるが、実際に
は、例えば超音波の周波数や圧電素子の大きさ等に応じ
て、誘電率、周波数定数、加工性、製造方法（成長方法
等）等を考慮して決定される。具体的には、圧電体１２
は、ジルコン・チタン酸鉛（ＰＺＴ）やチタン酸鉛（Ｐ
Ｔ）等のセラミック圧電材料、フッ化ビニリデンと三フ
ッ化エチレンとの共重合体等の高分子圧電材料、ニオブ
酸リチウムなどの単結晶圧電材料、酸化亜鉛などの圧電
性半導体材料で形成することができる。 【００１４】圧電体１２の下面には、複数のストライプ
状個別電極１３が、圧電体１２の長さ方向に相互に離間
して配列されている。圧電体１２は、これら個別電極１
３により、機能的に複数の圧電素子に区分される。他
方、圧電体１２の上面には、全体にわたって一体の共通
電極が１４が形成されている。これら電極１３および１
４は、通常、Ｔｉ、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ、Ａｕ等の金属材
料を蒸着やスパッタ法により、薄膜として形成される。
あるいは、これら電極１３および１４は、ガラスフリッ
トを銀ペースト等に混合したものをスクリーン印刷法に
より所定形状に印刷し、これを焼き付けることによって
も形成することができる。 【００１５】支持基板１１の一端部側には、圧電体１２
の下面に形成された個別電極１３と同じ間隔で複数のア
レイ電極２１が形成されており、この支持基板１１上の
各アレイ電極２１と圧電体１２の下面に形成された各個
別電極１３とは、導電性接着剤（図示せず）を介して整
合して圧着され、電気的に接続されている。また、支持
基板１１上のアレイ電極２１は、支持基板１１の端部領
域に配置された各駆動回路２２にボンディングワイヤ
（図示せず）によって接続され、他方、圧電体１２の上
面に形成された共通電極１４も、図示しない配線によ
り、駆動回路２２に接続されている。 【００１６】共通電極１４を介して圧電体１２の上に
は、音響レンズとしての一次元フレネルレンズ１５が設
けられている。フレネルレンズ１５は、フレネルの輪帯
理論に基づいて所定のピッチで溝を形成することにより
形成される。これら溝は、それぞれ個別電極１３により
区分された圧電素子の配列方向（主走査方向）に延び、
互いに平行に形成されている。 【００１７】ところで、圧電素子とインク液１７との音
響マッチングを取るために、音響マッチング層を形成す
ることが望ましい。音響マッチング層の音響インピーダ
ンスは、圧電素子の音響インピーダンスＺｐとインクＺ
ｉとの積の平方根に近いものを用いる。そのようなマッ
チング材料として、エポキシ樹脂やポリイミド、それら
に音響インピーダンスを変化させるために繊維などを混
入したもの、もしくはアルミナ粉末やタングステンなど
の粉末との混合物などが用いられる。さらに二酸化ケイ
素膜等をスパッタ法やＣＶＤ法などで形成してもよい。
図１に示す例では、フレネルレンズ１５が音響マッチン
グ層をも兼ねているので、フレネルレンズ１５は、その
ような音響マッチング材料で形成される。また音響マッ
チング層の厚さｔ_m は、式：ｔ_m ＝（２ｎ＋１）λ_m ／
４（ここでｎは０以上の整数、λ_m は超音波周波数で決
まる音響マッチング層内の超音波の波長）を満足するこ
とが好ましい。実際上、この計算値の±２０％以内の厚
さは許容される。 【００１８】なお、図１に示すように、フレネルレンズ
１５が音響マッチング層を兼ねる場合は、その厚さは、
式：１／（１／λ_ink −１／λ_m ）＝（２ｎ＋１）λ_m
／２（ここで、λ_ink はインク液中での超音波の波長）
をも満足することが好ましい。 【００１９】再び図１を参照すると、支持基板１１上に
は、フレネルレンズ１５に接してインク液１７を収容・
保持するインク液保持室１６が設けられている。このイ
ンク液保持室１６は、その上面にスリット１６ａが形成
されている。インク滴は、インク液１７から、このスリ
ット１６ａを通じて飛翔する。 【００２０】図１に関して説明したインクジェット記録
装置を動作させるには、個別電極１３によってアレイ状
に区分された複数の圧電素子のうちの一部の複数素子を
同時に駆動させ（このとき、同時駆動する複数素子を同
時駆動素子群という）、この同時駆動素子群を主走査方
向に例えば１素子毎ずらして走査しながら、超音波を発
生させる。同時駆動素子群から発生された超音波は、主
走査方向にインク液面近傍に集束する。そして、副走査
方向における超音波の集束をフレネルレンズ１５により
行い、かくして１滴ずつインク液滴をスリット１６ａを
通して飛翔させる。なお、同時駆動素子群は一箇所では
なく複数箇所設けてもよい。同時駆動素子群を複数箇所
設ける場合、いうまでもなく、各同時駆動素子群毎に前
記式（１）および（２）を同時に満足させるようにす
る。 【００２１】本発明者らは試作したインクジェット記録
装置を用いて、印字品質や印字スピードを始めとする様
々な評価を行ってきた。その結果、圧電素子に印加され
る駆動電圧は消費電力や実用的な価格を考慮すると該記
録装置の耐電圧等の制限からあまり高くすることはでき
ず、インク滴の飛翔にはバースト信号の波数Ｎとその駆
動電圧の波高値が大きく影響することが分かった。また
同時駆動素子数はそれほど広範囲に設定できるわけでは
なく、駆動周波数と駆動電圧が決まれば数通りの組合せ
が存在する程度であった。圧電素子を駆動するために印
加されるバースト信号は、図２に示すように正弦波（図
２（ａ））や短形波（図２（ｂ））を始め、のこぎり波
等を用いることができる。さらに極性は、図２（ａ）に
示すように正極側と負極側の両方に振ってもよいし、図
２（ｂ）に示すように正極側だけでもよい。 【００２２】本発明者等は、最適なバースト信号の波数
Ｎの範囲は、特に圧電素子の正副両走査方向のＦナンバ
ー（すなわち、主走査方向の口径に対する焦点距離の比
（Ｆｓ）と副走査方向の口径に対する焦点距離の比（Ｆ
ｆ）と、インク液中の超音波の波長（λ［μｍ］）と、
圧電素子の駆動電圧の波高値（Ｖ（Ｖｐｐ））と、イン
ク液面と超音波放射面間での超音波減衰量（ａ［ｄ
Ｂ］）に影響されることを見出した。さらに、これらの
パラメータについて検討した結果、バースト信号の波数
Ｎが、次の２式： ４Ｆｒ・λ＜Ｎ＜２００Ｆｒ・λ…（１）、および ２×１０⁴ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ）＜Ｎ＜１×１０⁶ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ） …（２） （ここで、Ｆｒは、ＦｆとＦｓとの積の平方根）を同時
に満足する時に、安定にインク滴が飛翔することがわか
った。 【００２３】上式でＮが４Ｆｒ・λよりも小さいとき
は、インク液面でのメニスカスの成長が不十分となって
インク滴が飛翔しない場合がある。一方Ｎが２００Ｆｒ
・λよりも大きい場合は、メニスカスが異常に高くなっ
たり、インク液滴が２滴以上同時に飛翔してしまう場合
がある。またＮが２×１０⁴ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ）よ
りも小さいときは、インク液滴が飛翔しない場合があ
り、他方Ｎが１×１０⁶ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ）よりも
大きいときは、インク液滴が２滴以上飛翔してしまう場
合がある。 【００２４】なお、（２）式は、 ｛２×１０⁴ ／（１０^-a/10 ・Ｎ）｝^1/2 ＜Ｖ＜｛１×１０⁶ ／（１０^-a/10 ・ Ｎ）｝^1/2 …（３） と変形させることができ、この（３）式は、Ｎを一定と
したときのＶの範囲を規定するものとなる。 【００２５】副走査方向の超音波集束手段は、図１では
フレネル輪帯理論に基づく所定のピッチで所定の幅の溝
を形成するフレネルレンズの他に、図３および図４に示
すように凹面レンズを形成してもよい。 【００２６】すなわち、図３は、共通電極１４の上に、
音響レンズとしてフレネルレンズの代りに通常の凹面音
響レンズ３１を設け、その上にフレネルレンズ１５に関
して説明した音響マッチング材料で形成されたを音響マ
ッチング層３２を設けたものである。 【００２７】図５は、支持基板１１自体を凹面形状に形
成し、これに沿って個別電極１３、圧電体１２、共通電
極１４、音響マッチング層３２を設けた構造を示す。こ
の場合、凹面を形成する音響マッチング層３２が音響レ
ンズとしても作用する。 【００２８】 【実施例】実施例１ 本実施例では、図1 に示す構造を有するインクジェット
記録装置を作製した。圧電体１２としては比誘電率２０
０のチタン酸鉛系セラミックを用い、周波数は５０ＭＨ
ｚ（厚さ５０μｍ）とした。この圧電体１２の両面にＴ
ｉ／Ａｕ積層電極をスパッタ法によりＴｉとＡｕの厚さ
がそれぞれ０．０５μｍおよび０．５μｍになるように
形成し、２ｋＶ／ｍｍの電界を印加して分極処理を行っ
た。その後一方のＴｉ／Ａｕ積層電極をエッチング処理
して個別電極１３を形成し、１素子の幅６５μｍ、電極
間隔２０μｍ（個別電極の配列ピッチ８５μｍ）とし
た。この圧電素子アレイを、アレイ電極２１および駆動
回路２２を設けたガラスからなる支持基板１１にエポキ
シ樹脂で接着した。その後厚さが５０μｍになるように
圧電体１２を研磨した後、副走査方向の有効口径Ｄｆが
２ｍｍとなるようにＴｉ／Ａｕの共通電極１４をスパッ
タ法によりＴｉとＡｕの厚さをそれぞれ０．０５μｍお
よび０．５μｍに形成した。共通電極１４のリード引き
出しは、主走査方向の両端で支持基板に形成してある配
線パターンと接続して導通をとった。 【００２９】音響マッチング層兼音響レンズの材料とし
て、エポキシ樹脂とアルミナ粉末の混合物を用いた。ま
ず音速が３×１０³ ｍ／ｓ（秒）近傍になるように混合
比を調整し、密度２．２０×１０³ ｋｇ／ｍ³、 音速
２．９５×１０³ ｍ／ｓを得た。これを共通電極１４の
表面上に塗布して硬化させ、厚さが４５μｍになるよう
に研磨した。その後、焦点距離が２．７ｍｍになるよう
に深さ１／２波長（約３０μｍ。この場合、１波長は約
６０μｍ。）の複数の溝を主走査方向に互いに平行に形
成してフレネルレンズ１５を形成した。ついで、図１に
示すように超音波放射面とインク液面との距離がほぼ
２．７ｍｍとなるようにインク液保持室１６を設け、イ
ンク液１７を充填し、さらに駆動回路を構成して、イン
クジェット記録装置を完成した。 【００３０】このインクジェット記録装置を用いて、印
字実験を行った。まず同時駆動素子数を１６とし、これ
ら同時駆動素子に与える信号の位相を０とπ（０とπと
は逆位相である）で表せば、「π０π０ππ００００π
π０π０π」となる。この場合、主走査方向の口径Ｄｓ
は８５μｍ×１６＝１．３６ｍｍとなる。バースト信号
は図２（a ）に示すサインバーストであり、駆動電圧は
３０Ｖｐｐ以下の範囲で制御できるものである。上に述
べたように、超音波放射面とインク液面との距離がほぼ
２．７ｍｍであり、周波数５０ＭＨｚにおけるインク液
１７中の超音波減衰量は２．３ｄＢであった。 【００３１】まず（１）式を満たすようにＮを１０００
とした。これによりＶの範囲は５．８〜４０Ｖｐｐであ
る（（３）式から）。３０Ｖｐｐで繰返し周期５００μ
ｓにて１秒間印字（２０００ドット）したところ、１０
０% １滴ずつ飛翔することが確認できた。しかし５Ｖｐ
ｐで駆動したところ、約１８００ドットの飛翔しか確認
できなかった。なお前述のように３０Ｖｐｐを超える駆
動電圧は印加できなかった。 【００３２】次に（１）式を満たすようにＮを４０００
とした。Ｖの範囲は２．９〜２０Ｖｐｐである（（３）
式から）。１０Ｖｐｐを印加した場合は、１００% １滴
ずつ飛翔したが、２Ｖｐｐでは約１７００ドットしか飛
翔しなかった。また３０Ｖｐｐを印加した場合は２滴以
上の飛翔が起こる場合があり、しかも再現性がなく不安
定であった。 【００３３】次に（１）式を満たさないようにＮを１０
０００とした。この場合で（２）式を満足するＶの範囲
は１．８〜１３Ｖｐｐとなる（（３）式から）。しかし
この範囲の電圧においても安定に１滴飛翔する電圧は存
在しなかった。高速度カメラでメニスカスを観察したと
ころ、メニスカスの高さが先の１００% １滴飛翔した実
施例に比べて高くなり、飛翔時のメニスカスの高さと飛
翔直後のインク滴の形状と速度の再現性がなかった。そ
の結果、安定に記録ドットが得られなかった。 【００３４】実施例２ 本実施例では、実施例１と同様の構造であるが、異なる
仕様のインクジェット記録装置を作製して飛翔実験を行
った。圧電素子と駆動周波数は実施例１と同じにした。
ただし、本実施例では、１素子の幅を３０μｍ、電極間
隔１３μｍ（個別電極の配列ピッチ４３μｍ）と実施例
１の約１／２になるようにした。この圧電素子アレイを
実施例１と同様のガラスからなる支持基板１１にエポキ
シ樹脂で接着した。有効口径が１．８ｍｍになるように
し、共通電極と音響レンズ兼音響マッチング層は実施例
１と同一材料、同一プロセスで形成した。その後、焦点
距離が０．８ｍｍになるように深さ約３０μｍの溝を主
走査方向に形成してフレネルレンズを作製し、以下実施
例１と同様にしてインクジェット記録装置を完成した。
インク液中の５０ＭＨｚにおける距離０．８ｍｍでの超
音波減衰量は０．７ｄＢであった。 【００３５】駆動条件として（１）式を満たすようにＮ
を５００とした。これによりＶの範囲は６．９〜４９Ｖ
ｐｐになる（（３）式から）。２５Ｖｐｐで繰返し周期
５００μｓにて１秒間印字（２０００ドット）したとこ
ろ、１００% １滴ずつ飛翔することが確認できた。しか
し５Ｖｐｐで駆動したところ、約１７００ドットの飛翔
しか確認できなかった。 【００３６】次の駆動条件として（１）式を満たすよう
にＮを２０００とした。Ｖの範囲は３．４〜２４Ｖｐｐ
である（（３）式から）。２０Ｖｐｐを印加した場合
は、１００% １滴ずつ飛翔したが、３Ｖｐｐでは約１８
００ドットした飛翔しなかった。 【００３７】次に（１）式を満たさないようにＮを５０
００とした。この場合で（２）式を満足するＶの範囲は
２．２〜１５Ｖｐｐとなる（（３）式から）。しかしこ
の範囲の電圧においても安定に１滴飛翔する電圧は存在
しなかった。高速度カメラでメニスカスを観察したとこ
ろ、メニスカスの高さが先の１００% １滴飛翔した実施
例に比べて、不安定に高くなっており、実施例１の場合
と同様であった。その結果、安定な記録ドットが得られ
なかったといえる。なお、以上と同様の結果は、図３ま
たは図４に示す凹面レンズを用いた場合にも確認され
た。 【００３８】 【発明の効果】以上述べたように、本発明においては最
適なバースト信号の波数Ｎの範囲を決定するパラメータ
としての、主走査と副走査の両方向のＦナンバーと、イ
ンク液中の超音波の波長（λ）と、駆動電圧の波高値
（Ｖ）と、インク液面と超音波放射面間の超音波減衰量
（ａ）との間に、（１）式と（２）式を同時に満足する
関係を持たせることにより、安定にインク１滴が飛翔す
るインクジェット記録装置を提供することができる。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to an ink jet recording apparatus for recording an image by forming liquid ink into droplets and flying them onto a recording medium. The present invention relates to an ink jet recording apparatus that ejects ink droplets by sound pressure of an ultrasonic beam radiated by a piezoelectric element and flies over a recording medium. 2. Description of the Related Art An apparatus for recording an image by forming an image point by making liquid ink into small particles called droplets and flying on a recording medium has been put to practical use as an ink jet printer. This inkjet printer is
Compared to other recording methods, it has the advantage of less noise and does not require processing such as development and fixing, and is widely used as plain paper recording technology. A number of ink jet printer systems have been devised up to now. In particular, a system in which ink droplets are ejected by the pressure of steam generated by the heat of a heating element (for example, JP-B-56-9429 and JP-B-61). -59911
And Japanese Patent Application Laid-Open No. 53-1213.
No. 8) is a typical example. However, since these ink jet printers are of the type in which ink is ejected from the tip of a nozzle, local concentration of the ink occurs due to evaporation or volatilization of a solvent in the ink, and there is a problem that the nozzle is clogged. . Furthermore, it is difficult for these ink jet printers to reduce the diameter of the ink droplet to be ejected (diameter of 20 μm or less), and it is difficult to increase the resolution. In order to overcome these drawbacks, a method has been proposed in which ink is ejected from an ink liquid surface by using the sound pressure of an ultrasonic beam generated by a piezoelectric element constituted as a thin film piezoelectric layer (for example, see, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-157,979). IBM TDB, Vo
l. 16, No. 4,1168 (1973-10),
U.S. Pat. No. 4,308,547, JP-A-63-166
548, JP-A-63-166548, JP-A-63-31157, JP-A-2-184443
Reference). However, these conventional inkjet recording apparatuses using piezoelectric elements have a problem that the image recording speed cannot be improved. Accordingly, the present inventors have made Japanese Patent Application No. Hei 6-238.
Japanese Patent Application Laid-open No. 102-102 and others, a linear electronic scanning type ink jet system in which a plurality of element groups of a piezoelectric element array formed by a plurality of individual electrodes are sequentially moved by switching electronic switches to increase a printing speed. A recording device is proposed. This type of recording apparatus can achieve a high recording speed. However, the present inventors have found that the ink droplets may not fly depending on the wave number of the burst signal for driving the piezoelectric element, or that a plurality of ink droplets may fly at the same time differently than expected. . As described above, an ink jet recording apparatus using ultrasonic waves can achieve high image quality without nozzle clogging, and further increases the recording speed according to the linear electronic scanning method. However, there is a problem that, depending on the piezoelectric element drive signal, the ink droplet may not fly or a predetermined number or more of the ink droplets may fly at the same time. An object of the present invention is to solve such a problem. Ink jet recording in which one drop of ink can be stably ejected by setting the wave number of a burst signal for driving a piezoelectric element within a predetermined range. It is an object to provide a device. SUMMARY OF THE INVENTION The object of the present invention is to provide an ink liquid holding chamber for holding an ink liquid and a burst of a peak value V [Vpp] at a wave number N acoustically connected to the ink liquid. Ultrasonic wave generating means including a piezoelectric element driven by applying a signal voltage, and ultrasonic wave focusing means for focusing the ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generating means near the surface of the ink liquid The diameter of the ultrasonic generating means in the main scanning direction (as defined below) is Ds, the diameter in the sub-scanning direction (as defined below) is Df, the focal length is Fp, and the ink liquid is The wavelength of the ultrasonic wave inside is λ [μ
m], and the amount of ultrasonic attenuation between the ultrasonic radiation surface and the ink liquid surface is a [dB], and {(Fp / Ds) × (Fp / Df)}
^{When 1/2} is Fr, the wave number N is expressed by the following two formulas: 4Fr · λ <N <200Fr · λ (1) and 2 × 10 ⁴ / (10 ^{−a / 10} .V ² ) <N <1 × 10 ⁶ /
(10− ^{a / 10} · V ² ) An ink jet recording apparatus characterized by simultaneously satisfying (2) . In the present invention, when the ultrasonic wave generating means includes a plurality of piezoelectric elements arranged in an array, the main scanning direction refers to the arrangement direction of the plurality of piezoelectric elements. When it is composed of one piezoelectric element, it corresponds to a direction orthogonal to the paper feed direction of the recording paper. The sub-scanning direction corresponds to a direction orthogonal to the main scanning direction. In the present invention, the aperture in the main scanning direction of the ultrasonic wave generating means means that when the ultrasonic wave generating means includes a plurality of piezoelectric elements arranged in an array, a part thereof is driven simultaneously. Pressure at both ends of element group in main scanning direction
It refers to the distance between the outermost ends of the electric elements, and when the ultrasonic wave generating means comprises a single piezoelectric element, it refers to the length in the main scanning direction. In the present invention, the diameter of the ultrasonic wave generating means in the sub-scanning direction is the length of the piezoelectric element in the sub-scanning direction when the ultrasonic wave generating means includes a plurality of piezoelectric elements arranged in an array. In other words, it generally corresponds to the diameter of the ultrasonic focusing means. When the ultrasonic wave generating means is formed of a single piezoelectric element, it refers to the length in the sub-scanning direction, and usually coincides with the diameter in the main scanning direction. Further, the focal length refers to a distance from the ultrasonic wave emitting surface, for example, specifically, corresponds to a distance from the surface of the ultrasonic converging lens. Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing an ink jet recording apparatus according to one embodiment of the present invention. In the recording apparatus shown in FIG. 1, a long flat plate-like piezoelectric body 12 constituting an ultrasonic wave generating means is provided on a support substrate (backing member) 11. Piezoelectric body 1
2 is made of a material capable of generating an ultrasonic wave by a predetermined burst wave voltage driving signal applied thereto, but actually, for example, the dielectric material is changed according to the frequency of the ultrasonic wave and the size of the piezoelectric element. It is determined in consideration of the rate, frequency constant, workability, manufacturing method (such as growth method), and the like. Specifically, the piezoelectric body 12
Are lead zircon / titanate (PZT) and lead titanate (P
T) or the like, formed of a polymer piezoelectric material such as a copolymer of vinylidene fluoride and ethylene trifluoride, a single crystal piezoelectric material such as lithium niobate, or a piezoelectric semiconductor material such as zinc oxide. Can be. A plurality of stripe-shaped individual electrodes 13 are arranged on the lower surface of the piezoelectric body 12 so as to be separated from each other in the longitudinal direction of the piezoelectric body 12. The piezoelectric body 12 is connected to these individual electrodes 1
3 functionally divides into a plurality of piezoelectric elements. On the other hand, on the upper surface of the piezoelectric body 12, a common electrode 14 formed integrally therewith is formed. These electrodes 13 and 1
No. 4 is usually formed as a thin film from a metal material such as Ti, Ni, Al, Cu, or Au by vapor deposition or sputtering.
Alternatively, the electrodes 13 and 14 can also be formed by printing a mixture of glass frit in a silver paste or the like in a predetermined shape by a screen printing method and baking it. A piezoelectric body 12 is provided at one end of the support substrate 11.
A plurality of array electrodes 21 are formed at the same interval as the individual electrodes 13 formed on the lower surface of the piezoelectric substrate 12. Each array electrode 21 on the support substrate 11 and each individual electrode 13 formed on the lower surface of the piezoelectric body 12 , Are aligned and crimped via a conductive adhesive (not shown), and are electrically connected. The array electrode 21 on the support substrate 11 is connected to each drive circuit 22 disposed in an end region of the support substrate 11 by a bonding wire (not shown), and is formed on the upper surface of the piezoelectric body 12. The common electrode 14 is also connected to the drive circuit 22 by a wiring (not shown). A one-dimensional Fresnel lens 15 as an acoustic lens is provided on the piezoelectric body 12 via the common electrode 14. The Fresnel lens 15 is formed by forming grooves at a predetermined pitch based on Fresnel's ring zone theory. These grooves extend in the arrangement direction (main scanning direction) of the piezoelectric elements divided by the individual electrodes 13, respectively.
They are formed parallel to each other. Incidentally, it is desirable to form an acoustic matching layer in order to perform acoustic matching between the piezoelectric element and the ink liquid 17. The acoustic impedance of the acoustic matching layer is the acoustic impedance Zp of the piezoelectric element and the ink Z
Use the one close to the square root of the product with i. As such a matching material, an epoxy resin, a polyimide, a material mixed with a fiber or the like for changing the acoustic impedance, a mixture with a powder such as an alumina powder or a tungsten, or the like is used. Further, a silicon dioxide film or the like may be formed by a sputtering method, a CVD method, or the like.
In the example shown in FIG. 1, since the Fresnel lens 15 also serves as the acoustic matching layer, the Fresnel lens 15 is formed of such an acoustic matching material. The thickness t _m of the acoustic matching layer is calculated by the following formula: t _m = (2n + 1) λ _m /
4 (where n is an integer of 0 or more, lambda _m the ultrasonic wavelength in the acoustic matching layer which is determined by the ultrasound frequency) is preferably satisfied. In practice, thicknesses within ± 20% of this calculated value are acceptable. When the Fresnel lens 15 also functions as an acoustic matching layer as shown in FIG.
Formula: 1 / (1 / λ _ink −1 / λ _m ) = (2n + 1) λ _m
/ 2 (where λ _ink is the wavelength of the ultrasonic wave in the ink liquid)
Is preferably satisfied. Referring again to FIG. 1, an ink liquid 17 is stored on the support substrate 11 in contact with the Fresnel lens 15.
An ink liquid holding chamber 16 for holding is provided. The ink liquid holding chamber 16 has a slit 16a formed on the upper surface thereof. The ink droplet flies from the ink liquid 17 through the slit 16a. In order to operate the ink jet recording apparatus described with reference to FIG. 1, some of the plurality of piezoelectric elements divided into an array by the individual electrodes 13 are simultaneously driven (at this time, simultaneous driving is performed). A plurality of elements are referred to as a simultaneous driving element group), and ultrasonic waves are generated while scanning the simultaneous driving element group in the main scanning direction while shifting each element, for example. The ultrasonic waves generated from the group of simultaneous driving elements are focused near the ink surface in the main scanning direction. Then, the focusing of the ultrasonic waves in the sub-scanning direction is performed by the Fresnel lens 15, and the ink droplets are made to fly one by one through the slit 16a. The simultaneous driving element group may be provided at a plurality of places instead of one place. Multiple simultaneous drive element groups
If provided, it goes without saying that the
The expressions (1) and (2) should be satisfied at the same time.
You. The present inventors have made various evaluations, such as printing quality and printing speed, using a prototype ink jet recording apparatus. As a result, the drive voltage applied to the piezoelectric element cannot be made too high due to the limitation of the withstand voltage of the recording apparatus in consideration of power consumption and practical price, and the wave number of the burst signal is required for the ink droplet to fly. It has been found that the peak value of N and its driving voltage has a great effect. In addition, the number of simultaneously driven elements cannot be set in a wide range, and several combinations exist when the drive frequency and the drive voltage are determined. As shown in FIG. 2, a burst signal applied to drive the piezoelectric element may be a sine wave (FIG. 2A), a short wave (FIG. 2B), or a sawtooth wave. it can. Further, the polarity may be applied to both the positive electrode side and the negative electrode side as shown in FIG. 2A, or may be applied only to the positive electrode side as shown in FIG. 2B. The present inventors have determined that the optimal range of the wave number N of the burst signal is, in particular, the F number of the piezoelectric element in both the forward and sub scanning directions (ie, the ratio of the focal length to the aperture in the main scanning direction (Fs) and the sub scanning). Of the focal length to the aperture in the direction (F
f), the wavelength of the ultrasonic wave in the ink liquid (λ [μm]),
The peak value (V (Vpp)) of the driving voltage of the piezoelectric element and the amount of ultrasonic attenuation (a [d) between the ink liquid surface and the ultrasonic radiation surface
B]). Further, as a result of examining these parameters, the wave number N of the burst signal is expressed by the following two equations: 4Fr · λ <N <200Fr · λ (1) and 2 × 10 ⁴ / (10 ^{−a / 10} · V ² ) <N <1 × 10 ⁶ / (10 ^{−a / 10} · V ² ) (2) (where Fr is the square root of the product of Ff and Fs) at the same time, the ink droplet is stably formed. Was found to fly. When N is smaller than 4Fr.lambda. In the above equation, the growth of the meniscus on the ink surface may be insufficient and the ink droplet may not fly. On the other hand, N is 200 Fr
If the value is larger than λ, the meniscus may become abnormally high, or two or more ink droplets may fly at the same time. When N is smaller than 2 × 10 ⁴ / (10 ^{−a / 10} · V ² ), the ink droplets may not fly, while N is 1 × 10 ⁶ / (10 ^{-a / 10} · V 2). ^If it is larger than ² ), two or more ink droplets may fly. Equation (2) is given by {2 × 10 ⁴ / (10 ^{−a / 10 .N} )} ^1/2 <V <{1 × 10 ⁶ / (10 ^{−a / 10 .N} )} ^{1 / 2} ... (3) and can be deformed, the equation (3), the one that defines the range of V of when the N is constant. In FIG. 1, the ultrasonic focusing means in the sub-scanning direction has a concave surface as shown in FIGS. 3 and 4 in addition to a Fresnel lens which forms grooves of a predetermined width at a predetermined pitch based on the Fresnel zone theory. A lens may be formed. That is, FIG. 3 shows that the common electrode 14
An ordinary concave acoustic lens 31 is provided instead of a Fresnel lens as an acoustic lens, and an acoustic matching layer 32 formed of the acoustic matching material described for the Fresnel lens 15 is provided thereon. FIG. 5 shows a structure in which the supporting substrate 11 itself is formed in a concave shape and the individual electrodes 13, the piezoelectric body 12, the common electrode 14, and the acoustic matching layer 32 are provided along the concave shape. In this case, the acoustic matching layer 32 forming the concave surface also functions as an acoustic lens. Example 1 In this example, an ink jet recording apparatus having the structure shown in FIG. 1 was manufactured. The piezoelectric body 12 has a relative dielectric constant of 20.
0 lead titanate-based ceramic, frequency 50MHZ
z (thickness: 50 μm). Both sides of the piezoelectric body 12 have T
An i / Au laminated electrode was formed by sputtering so that the thicknesses of Ti and Au were 0.05 μm and 0.5 μm, respectively, and polarization treatment was performed by applying an electric field of 2 kV / mm. Thereafter, one Ti / Au laminated electrode was etched to form an individual electrode 13, and the width of one element was 65 μm, and the electrode interval was 20 μm (the arrangement pitch of the individual electrodes was 85 μm). This piezoelectric element array was bonded to a support substrate 11 made of glass provided with an array electrode 21 and a drive circuit 22 with an epoxy resin. Thereafter, the piezoelectric body 12 is polished so as to have a thickness of 50 μm, and then the Ti / Au common electrode 14 is sputtered to reduce the thickness of each of Ti and Au to 0 so that the effective aperture Df in the sub-scanning direction becomes 2 mm. It was formed to 0.05 μm and 0.5 μm. The lead out of the common electrode 14 was connected to the wiring pattern formed on the support substrate at both ends in the main scanning direction to establish conduction. As a material of the acoustic matching layer and the acoustic lens, a mixture of epoxy resin and alumina powder was used. First, the mixing ratio was adjusted so that the sound speed was around 3 × 10 ³ m / s (seconds), and a density of 2.20 × 10 ³ kg / m ³ and a sound speed of 2.95 × 10 ³ m / s were obtained. This was applied and cured on the surface of the common electrode 14 and polished to a thickness of 45 μm. Thereafter, a plurality of grooves having a half wavelength (about 30 μm, in this case, one wavelength is about 60 μm) are formed parallel to each other in the main scanning direction so that the focal length becomes 2.7 mm. Was formed. Then, as shown in FIG. 1, the ink liquid holding chamber 16 is provided so that the distance between the ultrasonic wave emitting surface and the ink liquid surface is approximately 2.7 mm, the ink liquid 17 is filled, and a drive circuit is further configured. Thus, an ink jet recording apparatus was completed. A printing experiment was performed using this ink jet recording apparatus. First, assuming that the number of simultaneous driving elements is 16, and the phases of signals given to these simultaneous driving elements are represented by 0 and π (0 and π are opposite phases), “π0π0ππ0000π
π0π0π ”. In this case, the aperture Ds in the main scanning direction
Is 85 μm × 16 = 1.36 mm. The burst signal is a sine burst shown in FIG. 2A, and the driving voltage can be controlled within a range of 30 Vpp or less. As described above, the distance between the ultrasonic radiation surface and the ink liquid surface was approximately 2.7 mm, and the ultrasonic attenuation in the ink liquid 17 at a frequency of 50 MHz was 2.3 dB. First, N is set to 1000 so as to satisfy the expression (1).
And Thus, the range of V is 5.8 to 40 Vpp (from equation (3)). Repetition cycle 500μ at 30Vpp
s for 1 second (2000 dots)
It was confirmed that the droplets fly 0% one drop at a time. But 5Vp
When driven at p, only about 1800 dots of flight could be confirmed. As described above, a drive voltage exceeding 30 Vpp could not be applied. Next, N is set to 4000 so as to satisfy the expression (1).
And The range of V is 2.9 to 20 Vpp ((3)
From the formula). When 10 Vpp was applied, 100% of the droplet flies one drop at a time, but at 2 Vpp, only about 1700 dots fly. Further, when 30 Vpp was applied, two or more drops could fly, and the reproducibility was not sufficient, resulting in instability. Next, N is set to 10 so as not to satisfy the expression (1).
000. In this case, the range of V satisfying the expression (2) is 1.8 to 13 Vpp (from the expression (3)). However, even at a voltage in this range, there was no voltage at which one droplet stably flies. Observation of the meniscus with a high-speed camera revealed that the height of the meniscus was higher than that of the example in which one drop of 100% was flying. There was no. As a result, recording dots could not be obtained stably. Embodiment 2 In this embodiment, an ink jet recording apparatus having the same structure as that of Embodiment 1 but having different specifications was manufactured, and a flying experiment was performed. The piezoelectric element and the driving frequency were the same as in the first embodiment.
However, in the present embodiment, the width of one element is set to 30 μm, and the electrode interval is set to 13 μm (the arrangement pitch of the individual electrodes is 43 μm), which is about の of that of the first embodiment. This piezoelectric element array was bonded to a support substrate 11 made of glass as in Example 1 with an epoxy resin. The effective aperture was 1.8 mm, and the common electrode and the acoustic lens / acoustic matching layer were formed of the same material and the same process as in Example 1. Thereafter, a groove having a depth of about 30 μm was formed in the main scanning direction so that the focal length became 0.8 mm, and a Fresnel lens was manufactured. Thereafter, an ink jet recording apparatus was completed in the same manner as in Example 1.
The ultrasonic attenuation at a distance of 0.8 mm at 50 MHz in the ink liquid was 0.7 dB. As driving conditions, N is set so as to satisfy equation (1).
Was set to 500. Thereby, the range of V is 6.9-49V.
pp (from equation (3)). When printing (2,000 dots) was performed at 25 Vpp at a repetition cycle of 500 μs for 1 second, it was confirmed that 100% of the ink droplets flies one by one. However, when the device was driven at 5 Vpp, only a flight of about 1700 dots could be confirmed. As the next driving condition, N was set to 2000 so as to satisfy the expression (1). V ranges from 3.4 to 24 Vpp
(From equation (3)). When 20 Vpp was applied, 100% of each droplet flies, but at 3 Vpp, about 18 drops.
00 dots did not fly. Next, N is set to 50 so as not to satisfy the expression (1).
00. In this case, the range of V that satisfies the expression (2) is 2.2 to 15 Vpp (from the expression (3)). However, even at a voltage in this range, there was no voltage at which one droplet stably flies. Observation of the meniscus with a high-speed camera revealed that the height of the meniscus was unstable and higher than that of the example in which one drop of the meniscus flew 100%. As a result, it can be said that stable recording dots could not be obtained. Note that the same result as above was also confirmed when the concave lens shown in FIG. 3 or FIG. 4 was used. As described above, according to the present invention, the F number in both the main scanning direction and the sub-scanning direction as parameters for determining the optimum range of the wave number N of the burst signal, Equations (1) and (2) are expressed between the wavelength (λ) of the ultrasonic wave, the peak value (V) of the drive voltage, and the ultrasonic attenuation (a) between the ink liquid surface and the ultrasonic radiation surface. Are simultaneously satisfied, it is possible to provide an ink jet recording apparatus in which one ink droplet stably flies.

【図面の簡単な説明】 【図１】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を
示す斜視図。 【図２】本発明のインクジェット記録装置を駆動させる
ための駆動信号の波形図。 【図３】本発明に係るインクジェット記録装置の他の例
を説明するための断面図。 【図４】本発明に係るインクジェット記録装置のさらに
他の例を説明するための断面図。 【符号の説明】 １１…支持基板 １２…圧電体 １３…個別電極 １４…共通電極 １５…超音波集束手段（フレネルレンズ） １６…インク液保持室 １６ａ…スリット １７…インク液 ２１…アレイ電極 ２２…駆動回路 ３１…凹面音響レンズ ３２…音響マッチング層BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a perspective view showing an example of an ink jet recording apparatus according to the present invention. FIG. 2 is a waveform diagram of a drive signal for driving the ink jet recording apparatus of the present invention. FIG. 3 is a cross-sectional view for explaining another example of the ink jet recording apparatus according to the present invention. FIG. 4 is a sectional view for explaining still another example of the ink jet recording apparatus according to the present invention. DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Support substrate 12 ... Piezoelectric 13 ... Individual electrode 14 ... Common electrode 15 ... Ultrasonic focusing means (Fresnel lens) 16 ... Ink liquid holding chamber 16a ... Slit 17 ... Ink liquid 21 ... Array electrode 22 ... Drive circuit 31 ... concave acoustic lens 32 ... acoustic matching layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 三木 武郎 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会 社東芝柳町工場内 (56)参考文献 特開 平９−254377（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−290504（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B41J 2/01 - 2/015 B41J 2/045 B41J 2/055 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (72) Inventor Takeo Miki 70, Yanagimachi, Saiwai-ku, Kawasaki-shi, Kanagawa Prefecture Inside the Toshiba Yanagicho Plant (56) References JP-A-9-254377 (JP, A) JP-A-9 −290504 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. ⁷ , DB name) B41J 2/01-2/015 B41J 2/045 B41J 2/055

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 インク液を保持するためのインク液保持
室と、前記インク液と音響的に接続され、波数Ｎで波高
値Ｖ［Ｖｐｐ］のバースト信号電圧を印加することによ
り駆動される超音波発生手段と、前記超音波発生手段か
ら発生される超音波を前記インク液の液面近傍に集束さ
せるための超音波集束手段とを具備し、前記超音波発生
手段は、一方向にアレイ状に配置された複数の圧電素子
を含むとともにその内の一部の圧電素子からなる圧電素
子群が同時に駆動されるものであるか、または単一の圧
電素子からなり、前記波数Ｎは、下記２つの式（１）お
よび式（２）を同時に満足することを特徴とするインク
ジェット記録装置。 ４Ｆｒ・λ＜Ｎ＜２００Ｆｒ・λ … （１） ２×１０⁴ ／（１０^-a/10 ・Ｖ² ）＜Ｎ＜１×１０⁶ ／
（１０^-a/10 ・Ｖ² ）… （２） （上記各式において、 Ｆｒは、｛（Ｆｐ／Ｄｓ）×（Ｆｐ／Ｄｆ）｝ ^1/2 であ
り、 Ｆｐは、焦点距離を表し、 λは、インク液中の超音波の波長［μｍ］を表し、 Ｄｓは、前記超音波発生手段が前記アレイ状に配列され
た複数の圧電素子を含むものであるときは、前記同時駆
動圧電素子群の主走査方向両端部に位置する圧電素子の
それぞれの最外側端部間の距離を表し、前記超音波発生
手段が前記単一の圧電素子からなるときは、該圧電素子
の主走査方向の長さを表し、 Ｄｆは、前記超音波発生手段を構成する圧電素子の副走
査方向の長さを表し、 ａは、超音波放射面とインク液面までの超音波減衰量
［ｄＢ］を表す） 。(57) Claims 1. An ink liquid holding chamber for holding an ink liquid, and a burst signal voltage acoustically connected to the ink liquid and having a wave number N and a peak value V [Vpp]. An ultrasonic wave generating means driven by applying an ultrasonic wave, and an ultrasonic wave focusing means for focusing an ultrasonic wave generated from the ultrasonic wave generating means near a liquid surface of the ink liquid. The generating means includes a plurality of piezoelectric elements arranged in an array in one direction, and a group of piezoelectric elements including some of the piezoelectric elements are simultaneously driven, or a single piezoelectric element is used. And the wave number N is expressed by the following two equations (1) and
And an ink jet recording apparatus that satisfies the formula (2) at the same time. 4Fr · λ <N <200Fr · λ (1) 2 × 10 ⁴ / (10 ^{−a / 10} .V ² ) <N <1 × 10 ⁶ /
In ^{(10 -a / 10 · V 2} ) ... (2) ( the above formulas, Fr is, {(Fp / Ds) × (Fp / Df)} 1/2 der
Ri, Fp represents the focal length, lambda represents the ultrasonic wave in the ink liquid in [[mu] m], Ds, the ultrasonic wave generating means is arranged in said array
When the device includes a plurality of piezoelectric elements,
The piezoelectric elements located at both ends in the main scanning direction of the dynamic piezoelectric element group
The distance between the outermost ends of each
When the means comprises the single piezoelectric element, the piezoelectric element
Represents the length in the main scanning direction, and Df represents the length of the piezoelectric element constituting the ultrasonic wave generating means.
Represents the length in the scanning direction, a is the amount of ultrasonic attenuation between the ultrasonic radiation surface and the ink liquid surface
[Indicating [dB]) .