ミスト吐出ヘッド及びこれを備えた画像形成装置
【課題】粘性の高い液体であってもミスト化可能なミスト吐出ヘッド並びにこれを備えた画像形成装置を提供する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル１１と、ノズルが形成された導電性を有するノズルプレート１０と、ノズルに連通する液室１２と、超音波を発生しノズル近傍の液体に超音波を与える超音波発生素子１８と、液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、ノズルプレートに対する電界を印加するための電極を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【解決手段】液滴を吐出するノズル１１と、ノズルが形成された導電性を有するノズルプレート１０と、ノズルに連通する液室１２と、超音波を発生しノズル近傍の液体に超音波を与える超音波発生素子１８と、液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、ノズルプレートに対する電界を印加するための電極を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものであり、特に、粘度の高い液体を用いたミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、霧状の微液滴、すなわちミストを吐出する液体吐出装置が知られている（特許文献１、２、３、４）。
【０００３】
ミストの吐出は、超音波を用いて液体を霧化することにより行う。具体的には、一般に、キャビテーション（空洞現象）によるキャビテーション霧化、あるいは、キャピラリ波（毛細表面波）によるキャピラリ霧化が用いられる。後者を用いた方が、粒径の揃ったミストを生成でき、かつエネルギー効率も良い。
【０００４】
キャピラリ霧化では、自由液面に向って平面波を印加する際、超音波（平面波）の振動数とメニスカスの振幅（オンセット振幅）が、液体の物性に対してある条件を満たすと、メニスカスにおける表面張力波は時系列に発振し、その結果、ある時点でメニスカスにおける表面張力波の波頭から微小な液滴（ミスト）が分裂することになる。
【特許文献１】特開昭６２−８６９４８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１１７５７号公報
【特許文献３】特開２００２−５９５４９号公報
【特許文献４】特開２００２−１６６５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなミストを吐出する従来のミスト吐出ヘッドでは、液体の粘度と毛管効果の比である毛管数が示唆するように、原理的に粘度の高い液体を吐出することができず、１０ＭＨｚ以上の超音波発生素子を用いた場合では、ミスト化の限界粘度は高々２〜３ｃＰである。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粘度の高い液体、具体的には、１０〜３０ｃＰ程度の液体であってもミストの吐出可能なミスト吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、前記液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【０００８】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子を有し、前記液室の壁面のうち液体を介してノズルプレートとは反対側の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【００１０】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、前記液室のノズルプレートと接する側壁に配置され、超音波を発生し前記液室内の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、前記液室の中央方向に向かう前記超音波発生素子からの超音波を反射して前記ノズルの近傍に位置する焦点に集束させる反射面を有し、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための導電性を有するリフレクタと、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【００１２】
これにより、液室内の液体に対し、その液室の側壁に配置された超音波発生素子から超音波が生じ、リフレクタの反射面によってノズルの近傍の焦点に超音波が収束されるので、焦点に達する超音波は概ね反射波となり、焦点に収束した反射波に対する直接波の影響は排除され、エネルギー効率が向上させることが可能になるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記リフレクタの前記反射面の断面形状は、前記焦点を共焦点とする２本の放物線からなることを特徴とする請求項３に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１４】
これにより、リフレクタの反射面の断面形状が共焦点を有する２本の放物線によって構成された形状であれば、共焦点に反射波が効率よく集束されるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記液室は、前記焦点を通る軸線を有する円筒形状であり、前記リフレクタは、前記液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を前記液室の軸線を中心に回転させることにより形成される凸形状の前記反射面を有するものであることを特徴とする請求項３または４に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１６】
これにより、液室を円筒形状とし、リフレクタを液室の軸線の中心に回転させて成る回転体形状とし、かつ、液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を液室の軸線を中心に回転させて成る反射面を有する凸形状としたことにより、直接波を確実に排除し、かつ、反射波の集束効率が極めて高い構造のミスト吐出ヘッドを容易に製造することができるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、前記ノズルプレートと前記電極との間、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電界が交流電界であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１８】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力をより一層上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、前記交流電界の周波数が、前記超音波発生素子を駆動する周波数の１/２であることを特徴とする請求項６に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２０】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力をより一層上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となるとき、前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が反対の極性を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２２】
これにより、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となったとき、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となるとき、前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が同じ極性を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２４】
これにより、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となったとき、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドを備えた画像形成装置である。
【００２６】
これにより、粘度の高い液体であっても液滴径のばらつきの少ない微細なミストを発生させることが可能な、高精細な画像形成装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、粘度の高い液体であっても液体に所定の電界を印加することにより、見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。これにより、粘度の高い液体をインクとして用いた場合であっても、インクミストを用いた高精細で品質の高い画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
〔発明の原理〕
最初に本発明の原理について説明する。
【００２９】
本発明は、超音波発生素子によりノズル近傍の液体のメニスカス面を振動させた際に、インクである液体に電界を印加することにより、ノズル近傍の液体のメニスカス面の曲率半径を大きくし、見かけ上の液体の表面張力を上昇させるものである。これにより、毛管数を下げることができ、粘度の高い液体であっても、均一なミストの発生が可能となる。
【００３０】
具体的には、毛管数（Ｃａ：Capillarity Number）は、以下の数式１で表される。
【００３１】
（数式１）
Ｃａ＝μＶ／γ
ここで、μは液体の粘度、γは液体の表面張力係数、Ｖは表面張力波の伝播速度を示す。この毛管数Ｃａが、一定の値よりも大きくなると１０ＭＨｚ以上の超音波発生素子を用いた場合でも、液体をミスト化することができなくなってしまう。従って、液体をミスト化するためには、毛管数Ｃａを一定の値以下にしなければならない。
【００３２】
粘度の高い液体はμの値が大きいため、これによりＣａの値が大きくなり均一なミスト化を妨げている。本発明では、μの値が大きな場合であっても、γの値を大きくすることにより、相対的にＣａの値が大きくならないようにするものである。このためγの値を大きくなるように液体に電界を印加して、見かけ上の表面張力を上昇させるものである。
【００３３】
本発明のこの原理について図面に基づき説明する。
【００３４】
図１は、液面が静止した状態における液体に電界を印加した場合の概念図である。
【００３５】
液室２３には水等の極性を持った液体が入れられており、ノズルプレート２１にはノズル２５が設けられ、液体の液面（メニスカス面）２４が形成されている。液室２３は、ノズルプレート２１、背面板２２、側面板（不図示）により囲まれている。
【００３６】
図１（ａ）では、ノズルプレート２１に正の電荷を背面板２２には負の電荷が印加されるように電界が印加した場合を示す。ノズルプレート２１に印加された正の電荷により、極性を持った液体分子は、ノズルプレート２１方向に負極が向いている。このため、極性を持った液体分子の正極はノズル中心方向を向く。ノズル２５中心部は、中心方向に正極が向いている液体分子が集まっているため、背面板２２に負の電荷を印加することにより、ノズル２５中心部の液体分子の正極は背面板２２の負の電荷に引き寄せられる。これにより、ノズル２５中心部の液体分子は、図面上、下向きの力が働く、即ち、ノズル２５近傍の液体の液面（メニスカス面）２４が凹状態になるように力が働く。
【００３７】
一方、図１（ｂ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷を印加し、背面板２２にも正の電荷を印加すると、ノズル２５中心部の液体分子の正極と背面板２２の正の電荷とが反発し、ノズル２５中心部の液体分子は、図面上、上向きに力が働く、即ち、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）２４が凸状態になるように力が働く。
【００３８】
尚、説明の関係上ノズルプレート２１に正の電荷を印加した場合について説明したが、ノズルプレート２１に負の電荷を印加した場合も同様である。具体的には、ノズルプレート２１に負の電荷を背面板２２に正の電荷を印加することにより、液面２４は図面上、下向きに力が働き、ノズルプレート２１に負の電荷を背面板にも負の電荷を印加することにより、液面２４は図面上、上向きに力を働かせることができる。このとき、液体分子の極性の向きは図１に示した向きとは逆向きとなる。
【００３９】
次に、超音波発生素子によりノズル近傍の液体が振動しているときの力の関係について図２に基づき説明する。
【００４０】
図２（ａ）は、超音波発生素子により、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）３１が凸になった場合の力の関係を示す。このときに働く力は、液体に電界を印加しない場合には、ＰＧ：大気圧、ＰＬ：静水圧、ＰＣ：液体表面張力圧であり、図２（ａ）に示すように、ＰＧ、ＰＣは液体内側方向（図面上、下向き）、ＰＬは液体外側方向（図面上、上向き）に働いている。本発明では、粘度の高い液体であっても表面張力を上昇させることにより、毛管数を低下させ、均一なミスト化が可能とするものである。よって、液体表面張力圧であるＰＣと同じ方向に力が働くように液体に電界を印加する。
【００４１】
具体的には、図１（ａ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷、背面板２２に負の電荷を印加することにより、ノズル２５近傍の液体に、図面上、下向きの力を働かせることができる。よって、同様の電界の印加を行うことにより液体表面張力圧の働く方向と一致させることができる。
【００４２】
このように電界を印加することによって、図２（ａ）に示すように、液体内側方向（図面上、下向き）には、ＰＧ、ＰＣ，ＰＥの力が働き、ＰＥがないときよりも、液面の曲率半径が大きくなり（液面が平坦に近くなり）、液体の見かけ上の表面張力を上昇させることができる。
【００４３】
図２（ｂ）は、超音波発生素子により、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）３２が凹になった場合の力の関係を示す。このときに働く力は、図２（ａ）と同様に、液体に電界を印加しない場合、ＰＧ：大気圧、ＰＬ：静水圧、ＰＣ：液体表面張力圧であり、図２（ｂ）に示すように、ＰＧは液体内側方向（図面上、下向き）、ＰＬ、ＰＣは液体外側方向（図面上、上向き）に働いている。これに液体表面張力圧であるＰＣと同じ方向に力が働くように液体に電界を印加する。
【００４４】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷、背面板２２にも正の電荷を印加することにより、ノズル２５近傍の液体に、液面が液体外側方向（図面上、上向き）に向くような力を働かせることができ、液体表面張力圧の働く方向と一致させることができる。
【００４５】
このように電界を印加することによって、図２（ｂ）に示すように、液体外側方向（図面上、上向き）には、ＰＬ、ＰＣ，ＰＥの力が働き、ＰＥがないときよりも、液面の曲率半径が大きくなり（液面が平坦に近くなり）、液体の見かけ上の表面張力を上昇させることができる。
【００４６】
以上のように、超音波発生素子によりノズルの液体のメニスカス面は、液面が凹凸になるような振動をするが、これにあわせて液体に電界を印加することにより、即ち、液面の凹凸の振動にあわせて、図１に示す背面板２２の電荷を正負と切り替えることにより、見かけ上の液体の表面張力を上昇させることができ、液体の粘性が高い場合であっても、超音波発生素子により発生させた１０ＭＨｚ程度の超音波によりミスト化が可能となる。
【００４７】
具体的には、超音波発生素子により、ノズルにおける液面が凸状態になった場合には、背面板に負の電荷を印加し、ノズルにおける液面が凹状態になった場合には、背面板に正の電荷を印加することにより、連続的に見かけ上の液体の表面張力を上昇させることができるため、粘度の高い液体であっても、均一性の高いミストを発生させることができる。
【００４８】
〔ミスト吐出ヘッド〕
以上の原理に基づく本発明に係る第１の実施の形態のミスト吐出ヘッドについて、図３に基づき説明する。
【００４９】
ミスト吐出ヘッドは、図３に示すように液体を吐出する開口部としてのノズル１１（吐出口）が形成されたノズルプレート１０と、ノズル１１に連通する液室１２と、液室１２に液体が供給される開口部としての液体供給口１３と、液室１２の底面に配置された振動板１５と、振動板１５の液室１２の反対面に設けられた背面電極層１６、分離層１７、超音波を発生して液室１２内の液体に超音波を与え得るアクチュエータとしての超音波発生素子１８で構成されている。
【００５０】
超音波発生素子１８は、圧電体層１８ａ、及び、ミスト吐出ヘッドの外部（具体的には後に説明する図８のヘッドドライバ１８４）から駆動信号が与えられる上部電極１８ｂ、下部電極１８ｃによって構成されている。
【００５１】
また、ミスト吐出ヘッドの液室１２は、天面板としてのノズルプレート１０と、底面板としての振動板１５と、側面板としての隔壁１４とによって構成されている。
【００５２】
超音波発生素子１８の圧電体層１８ａはＰＺＴ、超音波発生素子１８の上部電極１８ｂ、下部電極１８ｃはＮｉ、振動板１５はポリイミドによって、それぞれ形成されている。
【００５３】
超音波発生素子１８によって発生された超音波は、振動板１５を介して液室１２内の液体に伝達され、ノズルプレート１０の方向に向かって平行に平面波として進む。このような平面波により、ノズル１１のメニスカスに表面張力波が発生する。このような表面張力波は、液体の表面張力に依存する。
【００５４】
図３（ａ）は、超音波発生素子１８によりノズル１１のメニスカス面が凸になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート１０には正の電荷が、背面電極層１６には負の電荷が印加されるよう電界が印加されており、図１、図２での説明のとおりノズル１１の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【００５５】
図３（ｂ）は、超音波発生素子１８によりノズル１１のメニスカス面が凹になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート１０には正の電荷が、背面電極層１６にも正の電荷が印加されるよう電界が印加されており、図１、図２での説明のとおりノズル１１近傍の液体には、液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【００５６】
このように、ノズル１１の液体のメニスカス面は超音波発生素子１８により凹凸振動するが、粘度の高い液体の場合、特にこの凹凸の振動の振幅が大きい。本発明では、ノズル１１の液体のメニスカス面の凹凸状態に合わせて、背面電極層１６に与える電界の極性を変えることにより、ノズル１１の液体のメニスカス面の凹凸の振動振幅を低下させることができ、表面張力を増加させることができる。一般に、表面張力波の周波数は、超音波発生素子１８に印加される周波数の１／２であることから、背面電極層１６に印加される交流電界の周波数は、超音波発生素子１８に印加される周波数の１／２である。
【００５７】
次に、ミスト吐出ヘッドの具体例の全体構造について説明する。
【００５８】
図４はミスト吐出ヘッド１５０の一例の平面透視図である。本例のミスト吐出ヘッド１５０は、図４に示すように、インクの吐出口であるノズル１５１と、各ノズル１５１に対応するインク室１５２、個別供給路１５４からなる複数のインク室ユニット（ミスト吐出素子）１５３を２次元マトリクス状に配置させた構造を有し、これにより、ミスト吐出ヘッド１５０の長手方向（紙送り方向と直交する方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。なお、図４では、便宜上、一部のインク室ユニット１５３は省略して描いてある。
【００５９】
各インク室１５２は個別供給路１５４を介して共通流路１５５に連通している。共通流路１５５は、接続口１５５Ａ，１５５Ｂを介してインク供給源たるインクタンク（図４中不図示、後に説明する図８のインク貯蔵／装填部１１４と等価なもの）と連通しており、インクタンクから供給されるインクは、図４の共通流路１５５を介して各チャンネルのインク室１５２に分配供給される。なお、図４中の符号１５５Ｃは共通流路１５５の本流、１５５Ｄは本流１５５Ｃから分岐された支流である。
【００６０】
図４に示したミスと吐出ヘッド１５０の構成と、図３で説明したミスト吐出ヘッドの構成との対応関係を簡単に説明すると、図５におけるノズル１５１、インク室１５２及び個別供給路１５４が、図３で説明したノズル１１、液室１２及び液体供給口１３にそれぞれ相当している。
【００６１】
図５は、図４に示したミスト吐出ヘッド１５０の一部を拡大して示す拡大図である。図５に示されるように、多数のインク室ユニット１５３は、主走査方向と主走査方向に対して所定の角度θをなす斜め方向との２方向に沿って格子状に配列されている。すなわち多数のノズル１５１は２次元マトリクス状に配列されている。このような２次元マトリクス状の配列により、ノズル密度の実質的な高密度化が実現されている。
【００６２】
具体的には、主走査方向に対して一定の角度θをなす斜め方向に沿ってインク室ユニット１５３が一定のピッチｄで複数配列されていることにより、各ノズル１５１が主走査方向に沿った一直線上にピッチＰ（＝ｄ×cosθ）で配列されたものと等価的に取り扱うことができる。これにより、主走査方向に沿って１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル配列と実質的に同等の構成を実現することが可能になる。
【００６３】
本発明の実施に際してノズルの配置構造は図４及び図５に示した例に限定されない。記録紙１１６の送り方向と略直交する方向に記録媒体の全幅に対応する長さにわたるノズル列を備えるフルライン型ヘッドの形態として、図５に例示した構成に代えて、例えば、図６に示すように、複数のノズル１５１が２次元に配列された短尺のヘッドブロック１５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。
【００６４】
〔画像形成装置の全体構成〕
図７は、画像形成装置１１０のシステム構成例を示すブロック図である。図７に示すように、画像形成装置１１０は、通信インターフェース１７０、システムコントローラ１７２、画像メモリ１７４、ＲＯＭ１７５、モータドライバ１７６、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４、電界印加ドライバ１９２等を備えている。
【００６５】
通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６から送られてくる画像データを受信する画像入力手段である。通信インターフェース１７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、無線ネットワークなどの有線又は無線のインターフェースを適用することができる。
【００６６】
ホストコンピュータ１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介して画像形成装置１１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１７４に記憶される。
【００６７】
システムコントローラ１７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って画像形成装置１１０の全体を制御する。すなわち、システムコントローラ１７２は、通信インターフェース１７０、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６等の各部を制御し、ホストコンピュータ１８６との間の通信制御、画像メモリ１７４及びＲＯＭ１７５の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８を制御する制御信号を生成する。搬送系のモータ１８８とは、例えば、後述する図９における搬送用ローラ対１３１、１３３の駆動ローラに動力を与えるモータである。
【００６８】
ＲＯＭ１７５には、システムコントローラ１７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。ＲＯＭ１７５は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。画像メモリ１７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。
【００６９】
モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示に従って搬送系のモータ１８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。
【００７０】
プリント制御部１８０は、入力画像に基づいて各色インクのドットデータを生成する信号処理手段として機能する。すなわち、プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、画像メモリ１７４内の画像データからインク吐出制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行い、生成したデータ（ドットデータ）をヘッドドライバ１８４に供給する制御部である。
【００７１】
吐出検出部１２４は、ミスト吐出ヘッド１５０の吐出結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ又はエリアセンサ）を含み、イメージセンサによって読み取った画像からノズルの目詰まりや着弾位置ずれなどの吐出不良をチェックする手段として機能する。
【００７２】
プリント制御部１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０における画像処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ１８２に一時的に格納される。なお、図７において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。
【００７３】
画像入力から画像形成までの処理の流れを概説すると、形成すべき画像のデータは、通信インターフェース１７０を介して外部から入力され、画像メモリ１７４に蓄えられる。この段階では、例えば、ＲＧＢの画像データが画像メモリ１７４に記憶される。
【００７４】
画像形成装置１１０では、インク（色材）による微細なドットの密度やドットサイズを変えることによって、人の目に疑似的な連続階調の画像を形成するため、入力されたデジタル画像の階調（画像の濃淡）をできるだけ忠実に再現するようなドットパターンに変換する必要がある。そのため、画像メモリ１７４に蓄えられた元画像（ＲＧＢ）のデータは、システムコントローラ１７２を介してプリント制御部１８０に送られ、プリント制御部１８０においてディザ法や誤差拡散法などを用いたハーフトーン化処理によってインク色ごとのドットデータに変換される。
【００７５】
すなわち、プリント制御部１８０は、入力されたＲＧＢ画像データをＫ，Ｃ，Ｍ，Ｙの４色のドットデータに変換する処理を行う。こうして、プリント制御部１８０で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ１８２に蓄えられる。
【００７６】
ヘッドドライバ１８４は、プリント制御部１８０から与えられるドットデータ（すなわち、画像バッファメモリ１８２に記憶されたドットデータ）に基づき、ミスト吐出ヘッド１５０の各ノズル１５１に対応する図３に示す超音波発生素子１８を駆動するための駆動信号を出力する。なお、ヘッドドライバ１８４にはミスト吐出ヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。
【００７７】
ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がミスト吐出ヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１５１から液体が吐出される。記録媒体の搬送速度に同期してミスト吐出ヘッド１５０からのインク吐出を制御することにより、記録媒体上に画像が形成される。
【００７８】
電界印加ドライバ１９２は、図３に示すノズルプレート１０と背面電極層１６との間、或いは、後述する図１３に示すノズルプレート５１０とリフレクタ８０との間に電界を印加するための制御がなされる。
【００７９】
図８は、画像形成装置１１０の機構的な構成例の概略を示す全体構成図である。図８に示す画像形成装置１１０は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有するミスト吐出部１１２と、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録媒体である記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、ミスト吐出部１１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する搬送部１２２と、ミスト吐出部１１２による吐出結果を読み取る吐出検出部１２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とを備えている。
【００８０】
インク貯蔵／装填部１１４は、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインクタンクを有し、各タンクは所要の管路を介してヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙと連通されている。
【００８１】
図８では、給紙部１１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。
【００８２】
給紙部１１８から送り出される記録紙１１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部１２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム１３０で記録紙１１６に熱を与える。
【００８３】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図８のように、裁断用のカッター（第１のカッター）１２８が設けられており、カッター１２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。なお、カット紙を使用する場合には、カッター１２８は不要である。
【００８４】
デカール処理後、カットされた記録紙１１６は、搬送用ローラ対１３１によってニップ搬送され、プラテン１３２上へと送られる。プラテン１３２の後段（ミスト吐出部１１２の下流側）にも搬送用ローラ対１３３が配置されており、前段の搬送用ローラ対１３１と後段の搬送用ローラ対１３３とが連動して記録紙１１６を所定の速度で搬送する。
【００８５】
プラテン１３２は記録紙１１６の平面性を保ちつつ記録紙１１６を保持（支持）する部材（記録媒体の保持手段）として機能するとともに、背面電極として機能する部材である。図８におけるプラテン１３２は記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有し、少なくともミスト吐出部１１２のノズル面及び吐出検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。
【００８６】
記録紙１１６の搬送経路において、ミスト吐出部１１２の上流側には、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、インクが吐出される前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。インク吐出直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
【００８７】
ミスト吐出部１１２の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、当該画像形成装置１１０が対象とする記録紙１１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録紙の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図９参照）。
【００８８】
ミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の色順に配置され、それぞれのミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙが記録紙１１６の搬送方向と略直交する方向に沿って延在するように固定設置される。
【００８９】
搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙１１６上にカラー画像を形成し得る。
【００９０】
このように、紙幅の全域をカバーするノズル列を有するフルライン型のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向（副走査方向）について記録紙１１６とミスト吐出部１１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１１６の全面に画像を記録することができる。これにより、ミスト吐出ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速プリントが可能であり、生産性を向上させることができる。
【００９１】
本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組合せについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するミスト吐出ヘッドを追加する構成も可能である。また、各色のミスト吐出ヘッドの配置順序も特に限定はない。
【００９２】
各色のミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙにより形成されたテストパターン又は実画像が吐出検出部１２４により読み取られ、吐出結果が検査される。
【００９３】
吐出検出部１２４の後段には後乾燥部１４２が設けられている。後乾燥部１４２は、形成された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。
【００９４】
後乾燥部１４２の後段には、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
【００９５】
こうして生成されたプリント物は排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト画像とは分けて排出することが好ましい。この画像形成装置１１０では、本画像のプリント物と、テスト画像のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト画像とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）１４８によってテスト画像の部分を切り離す。また、図８には示さないが、本画像の排出部１２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。
【００９６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９７】
本発明の第２の実施の形態は、液室側面に超音波発生素子を設けた構造のミスト吐出ヘッドである。
【００９８】
まず第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの基本構造について説明する。
【００９９】
図１０は、本発明に係る一実施形態のミスト吐出ヘッドの基本構成を示す断面図である。本実施の形態のミスト吐出ヘッド５０は、霧状のインクを吐出する開口部としてのノズル５１と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２にインクが供給される開口部としてのインク供給口５３と、インク供給口５３を介して液室５２に供給されるインクが流動する共通流路５５と、液室５２の側壁に配置され、超音波発生素子５８により発生した超音波を液室５２内のインクに伝達する振動板５６と、この超音波発生素子５８からの超音波を反射して、液室５２内のノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束させるリフレクタ８０を含んで構成されている。
【０１００】
超音波発生素子５８は、ピエゾなどの圧電体５８ａと、駆動信号が与えられる上部電極５８ｂ、下部電極５８ｃとによって構成されている。
【０１０１】
また、ミスト吐出ヘッド５０は、リフレクタ８０が形成されているリフレクタプレート５３０と、液室５２側面に超音波発生素子５８が形成されている液室プレート５２０と、ノズル５１が形成されているノズルプレート５１０とが積層された、積層構造になっている。
【０１０２】
液室５２の側壁に配置された超音波発生素子５８によって発生された超音波は、液室５２の側壁に設けられた振動板５６により、液室５２内の液体に伝達され、液室５２の中央方向に向かって平行に進む。すなわち、焦点Ｆを通る液室５２の軸線に向っていくように、この液室５２の軸線に対して直交する方向で面状に進んでいく。
【０１０３】
このようにして液室５２の軸線に向って進んだ超音波は、リフレクタ８０の放物面８０ｐによって反射される。放物面８０ｐの焦点Ｆは、液室５２内のノズル５１の近傍に位置しているので、リフレクタ８０の放物面８０ｐによって反射された超音波（反射波）は、液室５２内を焦点Ｆに向かって進み、焦点Ｆに集束される。
【０１０４】
ノズル５１から霧状の液体が吐出される方向（図１０中に矢印で示す）は、概ね焦点Ｆを通る液室５２の軸線方向である。
【０１０５】
リフレクタ８０の反射面としての放物面８０ｐの断面形状、具体的には焦点Ｆを通り吐出方向に平行な面で切断したときの一断面形状は、ひとつの焦点Ｆを共焦点とする２本の放物線からなる。
【０１０６】
このような構造により、焦点Ｆに反射波を効率よく集束させることができる。すなわち、超音波発生素子５８によって発生されて、液室５２の側壁の振動板５６を介して液室５２内の液体に導入され、液室５２の軸線に対して向っていくようにして面状に進んだ超音波は、リフレクタ８０の放物面８０ｐに鈍角で反射することにより、エネルギー損失が少なく反射されて、しかも、焦点Ｆに効率よく集束することになる。
【０１０７】
また、リフレクタ８０の頂点８０ｔ（すなわち放物面８０ｐの最上端部）は、液室５２の側壁５６に配置されている超音波発生素子５８の最上端部と同じ（又はそれ以上）の高さとしてある。
【０１０８】
このような構造により、超音波発生素子５８によって発生されて、液室５２の側壁の振動板５６を介して液室５２内の液体に導入され、液室５２の軸線に対して向っていくように面状に進んだ超音波は、直接波となることはなく、焦点Ｆに到達する超音波は概ね反射波となるので、減衰や干渉などの悪影響が低減され、エネルギー効率が向上する。
【０１０９】
なお、好ましい構造について、すなわちエネルギー効率が最大になる構造について、理解を容易にするために、図１０に示す基本構成のミスト吐出ヘッド５０の平面透視図を図１１に示し、要部を模式的に示す斜視透視図を図１２に示す。なお、図１１中の１０Ａ−１０Ｂ線に沿った断面は図１０に示されている通りである。
【０１１０】
図１１及び図１２において、液室５２は、焦点Ｆを通る軸線を有する円筒形状である。また、リフレクタ８０は、凸形状である。このような凸形状のリフレクタ８０の放物面８０ｐは、液室５２の焦点Ｆを通る軸線と焦点Ｆにて直交する中心軸を有する放物線を、液室５２の軸線を中心に回転させて成る。
【０１１１】
ノズル５１が形成されているノズルプレート５１０と液室５２が形成されている液室プレート５２０とは、水平断面を示す図２において、液室５２の外側で支柱８５１を介して接合されており、液室５２の内側には接合部がない。このような構造であるから、ノズルプレート５１０とリフレクタとの接合部の角に気泡がたまり易かった従来のミスト吐出ヘッドと比較して、ノズル５１の周囲に気泡がたまり難く、気泡排除性が良いことになり、吐出の安定性が良い。
【０１１２】
なお、図１０〜図１２では、１つのノズル５１に対応した１つの液室ユニット（１単位のミスト吐出素子）が示されているが、紙等の記録媒体に対して相対的に移動して記録媒体上に画像を形成させるためのミスト吐出ヘッドの場合、複数の液室ユニットが１次元（列状）又は２次元（面状）に配列された構造となる。このようなミスト吐出ヘッドにおいて、実際には、ノズルプレート５１０には複数のノズル５１が形成されており、液室プレート５２０には複数の液室５２が形成されており、これらの液室５２に対応して超音波発生素子５８及びリフレクタ８０が設けられる。
【０１１３】
以上の基本構造を有する第２の実施の形態のミスト吐出ヘッドにおいて、液体に電界を印加した場合についてさらに具体的に説明する。
【０１１４】
本実施の形態のミスト吐出ヘッドは、図１３に示すように液体のミストを吐出する開口部としてのノズル５１（吐出口）が形成されたノズルプレート５１０と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２に液体が供給される開口部としての液体供給口５３と、液室５２の側面に配置された振動板５６と、振動板５６の液室５２の反対面に設けられた超音波を発生して液室５２内の液体に超音波を与え得るアクチュエータとしての超音波発生素子５８、リフレクタ８０により構成されている。
【０１１５】
超音波発生素子５８は、圧電体層５８ａ、及び、ミスト吐出ヘッドの外部（具体的には後に説明する図８のヘッドドライバ１８４）から駆動信号が与えられる上部電極５８ｂ、下部電極５８ｃによって構成されている。
【０１１６】
また、ミスト吐出ヘッドの液室５２は、天面板としてのノズルプレート５１０と、側面板として超音波発生素子５８が形成されている液室プレート５２０、底面板としてリフレクタが形成されたリフレクタプレート５３０とによって構成されている。
【０１１７】
超音波発生素子５８の圧電体層５８ａはＰＺＴ、超音波発生素子５８の電極層５８ｂ、５８ｃはＮｉ、振動板５６はポリイミドによって、それぞれ形成されている。
【０１１８】
超音波発生素子５８によって発生された超音波は、振動板５６を介して液室５２内の液体に伝達され、ノズルプレート５１０の方向に向かって平行に平面波として進む。このような平面波により、ノズル５１のメニスカスに表面張力波が発生する。このような表面張力波は、液体の表面張力に依存する。
【０１１９】
図１３（ａ）は、超音波発生素子５８によりノズル５１のメニスカスが凸になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート５１０には正の電荷が、リフレクタ８０には負の電荷が印加されるよう電界が印加する、これによりノズル５１近傍の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【０１２０】
図１３（ｂ）は、超音波発生素子５８によりノズル５１のメニスカスが凹になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート５１０には正の電荷が、リフレクタ８０にも正の電荷が印加されるよう電界が印加する、これによりノズル５１近傍の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【０１２１】
このように、リフレクタ８０に印加する電界をノズル５１の液体のメニスカス面が超音波発生素子により凹凸の振動が発生し、粘度の高い液体の場合、特にこの凹凸の振動の振幅が大きくなるが、本発明のように、ノズル５１の液体のメニスカス面の凹凸状態に合わせて、リフレクタ８０に印加する電界の極性を変えることにより、ノズル５１の液体のメニスカス面の凹凸の振幅を下げることができ、表面張力を増加させることができる。
【０１２２】
これにより粘度の高い液体であっても１０ＭＨｚ程度の超音波発生素子によりミスト化が可能となる。
【０１２３】
以上、本発明のミスト吐出ヘッド並びに画像形成装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に係るミスト吐出ヘッドの原理の説明図
【図２】ノズル近傍の液面に働く力関係を示す図
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のミスト吐出ヘッドの断面図
【図４】ミスト吐出ヘッドの具体例の全体構造を示す平面透視図
【図５】図４の一部を拡大して示す拡大図
【図６】ミスト吐出ヘッドの他の具体例の全体構造を示す平面透視図
【図７】本発明に係る画像形成装置の全体構成の概略を示す要部ブロック図
【図８】本発明に係る画像形成装置の機構的な構成を示す全体構成図
【図９】図８に示した画像形成装置の印字部周辺の要部平面図
【図１０】本発明に係る第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの基本構成の断面図
【図１１】図１０のミスト吐出ヘッドの要部を示す平面透視図
【図１２】図１１のミスト吐出ヘッドの要部を示す斜視透視図
【図１３】本発明に係る第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの断面図
【符号の説明】
【０１２５】
１０…ノズルプレート、１１…ノズル（吐出口）、１２…液室、１３…液体供給口、１４…側面板、１５…振動板、１６…背面電極層、１７…分離層、１８…超音波発生素子、１８ａ…圧電体、１８ｂ…超音波発生素子の上部電極、１８ｃ…超音波発生素子の下部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明はミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものであり、特に、粘度の高い液体を用いたミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、霧状の微液滴、すなわちミストを吐出する液体吐出装置が知られている（特許文献１、２、３、４）。
【０００３】
ミストの吐出は、超音波を用いて液体を霧化することにより行う。具体的には、一般に、キャビテーション（空洞現象）によるキャビテーション霧化、あるいは、キャピラリ波（毛細表面波）によるキャピラリ霧化が用いられる。後者を用いた方が、粒径の揃ったミストを生成でき、かつエネルギー効率も良い。
【０００４】
キャピラリ霧化では、自由液面に向って平面波を印加する際、超音波（平面波）の振動数とメニスカスの振幅（オンセット振幅）が、液体の物性に対してある条件を満たすと、メニスカスにおける表面張力波は時系列に発振し、その結果、ある時点でメニスカスにおける表面張力波の波頭から微小な液滴（ミスト）が分裂することになる。
【特許文献１】特開昭６２−８６９４８号公報
【特許文献２】特開昭６２−１１１７５７号公報
【特許文献３】特開２００２−５９５４９号公報
【特許文献４】特開２００２−１６６５４１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、このようなミストを吐出する従来のミスト吐出ヘッドでは、液体の粘度と毛管効果の比である毛管数が示唆するように、原理的に粘度の高い液体を吐出することができず、１０ＭＨｚ以上の超音波発生素子を用いた場合では、ミスト化の限界粘度は高々２〜３ｃＰである。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、粘度の高い液体、具体的には、１０〜３０ｃＰ程度の液体であってもミストの吐出可能なミスト吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、前記液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【０００８】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子を有し、前記液室の壁面のうち液体を介してノズルプレートとは反対側の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【００１０】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００１１】
請求項３に記載の発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、前記ノズルに連通する液室と、前記液室のノズルプレートと接する側壁に配置され、超音波を発生し前記液室内の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、前記液室の中央方向に向かう前記超音波発生素子からの超音波を反射して前記ノズルの近傍に位置する焦点に集束させる反射面を有し、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための導電性を有するリフレクタと、を有することを特徴とするミスト吐出ヘッドである。
【００１２】
これにより、液室内の液体に対し、その液室の側壁に配置された超音波発生素子から超音波が生じ、リフレクタの反射面によってノズルの近傍の焦点に超音波が収束されるので、焦点に達する超音波は概ね反射波となり、焦点に収束した反射波に対する直接波の影響は排除され、エネルギー効率が向上させることが可能になるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記リフレクタの前記反射面の断面形状は、前記焦点を共焦点とする２本の放物線からなることを特徴とする請求項３に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１４】
これにより、リフレクタの反射面の断面形状が共焦点を有する２本の放物線によって構成された形状であれば、共焦点に反射波が効率よく集束されるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１５】
請求項５に記載の発明は、前記液室は、前記焦点を通る軸線を有する円筒形状であり、前記リフレクタは、前記液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を前記液室の軸線を中心に回転させることにより形成される凸形状の前記反射面を有するものであることを特徴とする請求項３または４に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１６】
これにより、液室を円筒形状とし、リフレクタを液室の軸線の中心に回転させて成る回転体形状とし、かつ、液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を液室の軸線を中心に回転させて成る反射面を有する凸形状としたことにより、直接波を確実に排除し、かつ、反射波の集束効率が極めて高い構造のミスト吐出ヘッドを容易に製造することができるとともに、このリフレクタを電極と兼用することにより、別途電極を設ける必要がないという効果がある。
【００１７】
請求項６に記載の発明は、前記ノズルプレートと前記電極との間、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電界が交流電界であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００１８】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力をより一層上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、前記交流電界の周波数が、前記超音波発生素子を駆動する周波数の１/２であることを特徴とする請求項６に記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２０】
これにより、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力をより一層上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となるとき、前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が反対の極性を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２２】
これにより、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となったとき、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２３】
請求項９に記載の発明は、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となるとき、前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が同じ極性を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドである。
【００２４】
これにより、前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となったとき、粘度の高い液体であっても見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。
【００２５】
請求項１０に記載の発明は、請求項１から９のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドを備えた画像形成装置である。
【００２６】
これにより、粘度の高い液体であっても液滴径のばらつきの少ない微細なミストを発生させることが可能な、高精細な画像形成装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、粘度の高い液体であっても液体に所定の電界を印加することにより、見かけ上の表面張力を上昇させることができ、液滴径のばらつきの少ないミストを発生させ吐出することができる。これにより、粘度の高い液体をインクとして用いた場合であっても、インクミストを用いた高精細で品質の高い画像を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
〔発明の原理〕
最初に本発明の原理について説明する。
【００２９】
本発明は、超音波発生素子によりノズル近傍の液体のメニスカス面を振動させた際に、インクである液体に電界を印加することにより、ノズル近傍の液体のメニスカス面の曲率半径を大きくし、見かけ上の液体の表面張力を上昇させるものである。これにより、毛管数を下げることができ、粘度の高い液体であっても、均一なミストの発生が可能となる。
【００３０】
具体的には、毛管数（Ｃａ：Capillarity Number）は、以下の数式１で表される。
【００３１】
（数式１）
Ｃａ＝μＶ／γ
ここで、μは液体の粘度、γは液体の表面張力係数、Ｖは表面張力波の伝播速度を示す。この毛管数Ｃａが、一定の値よりも大きくなると１０ＭＨｚ以上の超音波発生素子を用いた場合でも、液体をミスト化することができなくなってしまう。従って、液体をミスト化するためには、毛管数Ｃａを一定の値以下にしなければならない。
【００３２】
粘度の高い液体はμの値が大きいため、これによりＣａの値が大きくなり均一なミスト化を妨げている。本発明では、μの値が大きな場合であっても、γの値を大きくすることにより、相対的にＣａの値が大きくならないようにするものである。このためγの値を大きくなるように液体に電界を印加して、見かけ上の表面張力を上昇させるものである。
【００３３】
本発明のこの原理について図面に基づき説明する。
【００３４】
図１は、液面が静止した状態における液体に電界を印加した場合の概念図である。
【００３５】
液室２３には水等の極性を持った液体が入れられており、ノズルプレート２１にはノズル２５が設けられ、液体の液面（メニスカス面）２４が形成されている。液室２３は、ノズルプレート２１、背面板２２、側面板（不図示）により囲まれている。
【００３６】
図１（ａ）では、ノズルプレート２１に正の電荷を背面板２２には負の電荷が印加されるように電界が印加した場合を示す。ノズルプレート２１に印加された正の電荷により、極性を持った液体分子は、ノズルプレート２１方向に負極が向いている。このため、極性を持った液体分子の正極はノズル中心方向を向く。ノズル２５中心部は、中心方向に正極が向いている液体分子が集まっているため、背面板２２に負の電荷を印加することにより、ノズル２５中心部の液体分子の正極は背面板２２の負の電荷に引き寄せられる。これにより、ノズル２５中心部の液体分子は、図面上、下向きの力が働く、即ち、ノズル２５近傍の液体の液面（メニスカス面）２４が凹状態になるように力が働く。
【００３７】
一方、図１（ｂ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷を印加し、背面板２２にも正の電荷を印加すると、ノズル２５中心部の液体分子の正極と背面板２２の正の電荷とが反発し、ノズル２５中心部の液体分子は、図面上、上向きに力が働く、即ち、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）２４が凸状態になるように力が働く。
【００３８】
尚、説明の関係上ノズルプレート２１に正の電荷を印加した場合について説明したが、ノズルプレート２１に負の電荷を印加した場合も同様である。具体的には、ノズルプレート２１に負の電荷を背面板２２に正の電荷を印加することにより、液面２４は図面上、下向きに力が働き、ノズルプレート２１に負の電荷を背面板にも負の電荷を印加することにより、液面２４は図面上、上向きに力を働かせることができる。このとき、液体分子の極性の向きは図１に示した向きとは逆向きとなる。
【００３９】
次に、超音波発生素子によりノズル近傍の液体が振動しているときの力の関係について図２に基づき説明する。
【００４０】
図２（ａ）は、超音波発生素子により、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）３１が凸になった場合の力の関係を示す。このときに働く力は、液体に電界を印加しない場合には、ＰＧ：大気圧、ＰＬ：静水圧、ＰＣ：液体表面張力圧であり、図２（ａ）に示すように、ＰＧ、ＰＣは液体内側方向（図面上、下向き）、ＰＬは液体外側方向（図面上、上向き）に働いている。本発明では、粘度の高い液体であっても表面張力を上昇させることにより、毛管数を低下させ、均一なミスト化が可能とするものである。よって、液体表面張力圧であるＰＣと同じ方向に力が働くように液体に電界を印加する。
【００４１】
具体的には、図１（ａ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷、背面板２２に負の電荷を印加することにより、ノズル２５近傍の液体に、図面上、下向きの力を働かせることができる。よって、同様の電界の印加を行うことにより液体表面張力圧の働く方向と一致させることができる。
【００４２】
このように電界を印加することによって、図２（ａ）に示すように、液体内側方向（図面上、下向き）には、ＰＧ、ＰＣ，ＰＥの力が働き、ＰＥがないときよりも、液面の曲率半径が大きくなり（液面が平坦に近くなり）、液体の見かけ上の表面張力を上昇させることができる。
【００４３】
図２（ｂ）は、超音波発生素子により、ノズル近傍の液体の液面（メニスカス面）３２が凹になった場合の力の関係を示す。このときに働く力は、図２（ａ）と同様に、液体に電界を印加しない場合、ＰＧ：大気圧、ＰＬ：静水圧、ＰＣ：液体表面張力圧であり、図２（ｂ）に示すように、ＰＧは液体内側方向（図面上、下向き）、ＰＬ、ＰＣは液体外側方向（図面上、上向き）に働いている。これに液体表面張力圧であるＰＣと同じ方向に力が働くように液体に電界を印加する。
【００４４】
具体的には、図１（ｂ）に示すように、ノズルプレート２１に正の電荷、背面板２２にも正の電荷を印加することにより、ノズル２５近傍の液体に、液面が液体外側方向（図面上、上向き）に向くような力を働かせることができ、液体表面張力圧の働く方向と一致させることができる。
【００４５】
このように電界を印加することによって、図２（ｂ）に示すように、液体外側方向（図面上、上向き）には、ＰＬ、ＰＣ，ＰＥの力が働き、ＰＥがないときよりも、液面の曲率半径が大きくなり（液面が平坦に近くなり）、液体の見かけ上の表面張力を上昇させることができる。
【００４６】
以上のように、超音波発生素子によりノズルの液体のメニスカス面は、液面が凹凸になるような振動をするが、これにあわせて液体に電界を印加することにより、即ち、液面の凹凸の振動にあわせて、図１に示す背面板２２の電荷を正負と切り替えることにより、見かけ上の液体の表面張力を上昇させることができ、液体の粘性が高い場合であっても、超音波発生素子により発生させた１０ＭＨｚ程度の超音波によりミスト化が可能となる。
【００４７】
具体的には、超音波発生素子により、ノズルにおける液面が凸状態になった場合には、背面板に負の電荷を印加し、ノズルにおける液面が凹状態になった場合には、背面板に正の電荷を印加することにより、連続的に見かけ上の液体の表面張力を上昇させることができるため、粘度の高い液体であっても、均一性の高いミストを発生させることができる。
【００４８】
〔ミスト吐出ヘッド〕
以上の原理に基づく本発明に係る第１の実施の形態のミスト吐出ヘッドについて、図３に基づき説明する。
【００４９】
ミスト吐出ヘッドは、図３に示すように液体を吐出する開口部としてのノズル１１（吐出口）が形成されたノズルプレート１０と、ノズル１１に連通する液室１２と、液室１２に液体が供給される開口部としての液体供給口１３と、液室１２の底面に配置された振動板１５と、振動板１５の液室１２の反対面に設けられた背面電極層１６、分離層１７、超音波を発生して液室１２内の液体に超音波を与え得るアクチュエータとしての超音波発生素子１８で構成されている。
【００５０】
超音波発生素子１８は、圧電体層１８ａ、及び、ミスト吐出ヘッドの外部（具体的には後に説明する図８のヘッドドライバ１８４）から駆動信号が与えられる上部電極１８ｂ、下部電極１８ｃによって構成されている。
【００５１】
また、ミスト吐出ヘッドの液室１２は、天面板としてのノズルプレート１０と、底面板としての振動板１５と、側面板としての隔壁１４とによって構成されている。
【００５２】
超音波発生素子１８の圧電体層１８ａはＰＺＴ、超音波発生素子１８の上部電極１８ｂ、下部電極１８ｃはＮｉ、振動板１５はポリイミドによって、それぞれ形成されている。
【００５３】
超音波発生素子１８によって発生された超音波は、振動板１５を介して液室１２内の液体に伝達され、ノズルプレート１０の方向に向かって平行に平面波として進む。このような平面波により、ノズル１１のメニスカスに表面張力波が発生する。このような表面張力波は、液体の表面張力に依存する。
【００５４】
図３（ａ）は、超音波発生素子１８によりノズル１１のメニスカス面が凸になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート１０には正の電荷が、背面電極層１６には負の電荷が印加されるよう電界が印加されており、図１、図２での説明のとおりノズル１１の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【００５５】
図３（ｂ）は、超音波発生素子１８によりノズル１１のメニスカス面が凹になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート１０には正の電荷が、背面電極層１６にも正の電荷が印加されるよう電界が印加されており、図１、図２での説明のとおりノズル１１近傍の液体には、液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【００５６】
このように、ノズル１１の液体のメニスカス面は超音波発生素子１８により凹凸振動するが、粘度の高い液体の場合、特にこの凹凸の振動の振幅が大きい。本発明では、ノズル１１の液体のメニスカス面の凹凸状態に合わせて、背面電極層１６に与える電界の極性を変えることにより、ノズル１１の液体のメニスカス面の凹凸の振動振幅を低下させることができ、表面張力を増加させることができる。一般に、表面張力波の周波数は、超音波発生素子１８に印加される周波数の１／２であることから、背面電極層１６に印加される交流電界の周波数は、超音波発生素子１８に印加される周波数の１／２である。
【００５７】
次に、ミスト吐出ヘッドの具体例の全体構造について説明する。
【００５８】
図４はミスト吐出ヘッド１５０の一例の平面透視図である。本例のミスト吐出ヘッド１５０は、図４に示すように、インクの吐出口であるノズル１５１と、各ノズル１５１に対応するインク室１５２、個別供給路１５４からなる複数のインク室ユニット（ミスト吐出素子）１５３を２次元マトリクス状に配置させた構造を有し、これにより、ミスト吐出ヘッド１５０の長手方向（紙送り方向と直交する方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。なお、図４では、便宜上、一部のインク室ユニット１５３は省略して描いてある。
【００５９】
各インク室１５２は個別供給路１５４を介して共通流路１５５に連通している。共通流路１５５は、接続口１５５Ａ，１５５Ｂを介してインク供給源たるインクタンク（図４中不図示、後に説明する図８のインク貯蔵／装填部１１４と等価なもの）と連通しており、インクタンクから供給されるインクは、図４の共通流路１５５を介して各チャンネルのインク室１５２に分配供給される。なお、図４中の符号１５５Ｃは共通流路１５５の本流、１５５Ｄは本流１５５Ｃから分岐された支流である。
【００６０】
図４に示したミスと吐出ヘッド１５０の構成と、図３で説明したミスト吐出ヘッドの構成との対応関係を簡単に説明すると、図５におけるノズル１５１、インク室１５２及び個別供給路１５４が、図３で説明したノズル１１、液室１２及び液体供給口１３にそれぞれ相当している。
【００６１】
図５は、図４に示したミスト吐出ヘッド１５０の一部を拡大して示す拡大図である。図５に示されるように、多数のインク室ユニット１５３は、主走査方向と主走査方向に対して所定の角度θをなす斜め方向との２方向に沿って格子状に配列されている。すなわち多数のノズル１５１は２次元マトリクス状に配列されている。このような２次元マトリクス状の配列により、ノズル密度の実質的な高密度化が実現されている。
【００６２】
具体的には、主走査方向に対して一定の角度θをなす斜め方向に沿ってインク室ユニット１５３が一定のピッチｄで複数配列されていることにより、各ノズル１５１が主走査方向に沿った一直線上にピッチＰ（＝ｄ×cosθ）で配列されたものと等価的に取り扱うことができる。これにより、主走査方向に沿って１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル配列と実質的に同等の構成を実現することが可能になる。
【００６３】
本発明の実施に際してノズルの配置構造は図４及び図５に示した例に限定されない。記録紙１１６の送り方向と略直交する方向に記録媒体の全幅に対応する長さにわたるノズル列を備えるフルライン型ヘッドの形態として、図５に例示した構成に代えて、例えば、図６に示すように、複数のノズル１５１が２次元に配列された短尺のヘッドブロック１５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。
【００６４】
〔画像形成装置の全体構成〕
図７は、画像形成装置１１０のシステム構成例を示すブロック図である。図７に示すように、画像形成装置１１０は、通信インターフェース１７０、システムコントローラ１７２、画像メモリ１７４、ＲＯＭ１７５、モータドライバ１７６、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４、電界印加ドライバ１９２等を備えている。
【００６５】
通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６から送られてくる画像データを受信する画像入力手段である。通信インターフェース１７０にはＵＳＢ（Universal Serial Bus）、ＩＥＥＥ１３９４、無線ネットワークなどの有線又は無線のインターフェースを適用することができる。
【００６６】
ホストコンピュータ１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介して画像形成装置１１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１７４に記憶される。
【００６７】
システムコントローラ１７２は、中央演算処理装置（ＣＰＵ）及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従って画像形成装置１１０の全体を制御する。すなわち、システムコントローラ１７２は、通信インターフェース１７０、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６等の各部を制御し、ホストコンピュータ１８６との間の通信制御、画像メモリ１７４及びＲＯＭ１７５の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８を制御する制御信号を生成する。搬送系のモータ１８８とは、例えば、後述する図９における搬送用ローラ対１３１、１３３の駆動ローラに動力を与えるモータである。
【００６８】
ＲＯＭ１７５には、システムコントローラ１７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。ＲＯＭ１７５は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。画像メモリ１７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。
【００６９】
モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示に従って搬送系のモータ１８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。
【００７０】
プリント制御部１８０は、入力画像に基づいて各色インクのドットデータを生成する信号処理手段として機能する。すなわち、プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、画像メモリ１７４内の画像データからインク吐出制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行い、生成したデータ（ドットデータ）をヘッドドライバ１８４に供給する制御部である。
【００７１】
吐出検出部１２４は、ミスト吐出ヘッド１５０の吐出結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ又はエリアセンサ）を含み、イメージセンサによって読み取った画像からノズルの目詰まりや着弾位置ずれなどの吐出不良をチェックする手段として機能する。
【００７２】
プリント制御部１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０における画像処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ１８２に一時的に格納される。なお、図７において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２とを統合して１つのプロセッサで構成する態様も可能である。
【００７３】
画像入力から画像形成までの処理の流れを概説すると、形成すべき画像のデータは、通信インターフェース１７０を介して外部から入力され、画像メモリ１７４に蓄えられる。この段階では、例えば、ＲＧＢの画像データが画像メモリ１７４に記憶される。
【００７４】
画像形成装置１１０では、インク（色材）による微細なドットの密度やドットサイズを変えることによって、人の目に疑似的な連続階調の画像を形成するため、入力されたデジタル画像の階調（画像の濃淡）をできるだけ忠実に再現するようなドットパターンに変換する必要がある。そのため、画像メモリ１７４に蓄えられた元画像（ＲＧＢ）のデータは、システムコントローラ１７２を介してプリント制御部１８０に送られ、プリント制御部１８０においてディザ法や誤差拡散法などを用いたハーフトーン化処理によってインク色ごとのドットデータに変換される。
【００７５】
すなわち、プリント制御部１８０は、入力されたＲＧＢ画像データをＫ，Ｃ，Ｍ，Ｙの４色のドットデータに変換する処理を行う。こうして、プリント制御部１８０で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ１８２に蓄えられる。
【００７６】
ヘッドドライバ１８４は、プリント制御部１８０から与えられるドットデータ（すなわち、画像バッファメモリ１８２に記憶されたドットデータ）に基づき、ミスト吐出ヘッド１５０の各ノズル１５１に対応する図３に示す超音波発生素子１８を駆動するための駆動信号を出力する。なお、ヘッドドライバ１８４にはミスト吐出ヘッドの駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。
【００７７】
ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がミスト吐出ヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１５１から液体が吐出される。記録媒体の搬送速度に同期してミスト吐出ヘッド１５０からのインク吐出を制御することにより、記録媒体上に画像が形成される。
【００７８】
電界印加ドライバ１９２は、図３に示すノズルプレート１０と背面電極層１６との間、或いは、後述する図１３に示すノズルプレート５１０とリフレクタ８０との間に電界を印加するための制御がなされる。
【００７９】
図８は、画像形成装置１１０の機構的な構成例の概略を示す全体構成図である。図８に示す画像形成装置１１０は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有するミスト吐出部１１２と、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録媒体である記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、ミスト吐出部１１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する搬送部１２２と、ミスト吐出部１１２による吐出結果を読み取る吐出検出部１２４と、記録済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とを備えている。
【００８０】
インク貯蔵／装填部１１４は、各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインクタンクを有し、各タンクは所要の管路を介してヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙと連通されている。
【００８１】
図８では、給紙部１１８の一例としてロール紙（連続用紙）のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。
【００８２】
給紙部１１８から送り出される記録紙１１６はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部１２０においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム１３０で記録紙１１６に熱を与える。
【００８３】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図８のように、裁断用のカッター（第１のカッター）１２８が設けられており、カッター１２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。なお、カット紙を使用する場合には、カッター１２８は不要である。
【００８４】
デカール処理後、カットされた記録紙１１６は、搬送用ローラ対１３１によってニップ搬送され、プラテン１３２上へと送られる。プラテン１３２の後段（ミスト吐出部１１２の下流側）にも搬送用ローラ対１３３が配置されており、前段の搬送用ローラ対１３１と後段の搬送用ローラ対１３３とが連動して記録紙１１６を所定の速度で搬送する。
【００８５】
プラテン１３２は記録紙１１６の平面性を保ちつつ記録紙１１６を保持（支持）する部材（記録媒体の保持手段）として機能するとともに、背面電極として機能する部材である。図８におけるプラテン１３２は記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有し、少なくともミスト吐出部１１２のノズル面及び吐出検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）をなすように構成されている。
【００８６】
記録紙１１６の搬送経路において、ミスト吐出部１１２の上流側には、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、インクが吐出される前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。インク吐出直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
【００８７】
ミスト吐出部１１２の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、当該画像形成装置１１０が対象とする記録紙１１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録紙の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図９参照）。
【００８８】
ミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙは、記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の色順に配置され、それぞれのミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙが記録紙１１６の搬送方向と略直交する方向に沿って延在するように固定設置される。
【００８９】
搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙１１６上にカラー画像を形成し得る。
【００９０】
このように、紙幅の全域をカバーするノズル列を有するフルライン型のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向（副走査方向）について記録紙１１６とミスト吐出部１１２を相対的に移動させる動作を１回行うだけで（すなわち１回の副走査で）、記録紙１１６の全面に画像を記録することができる。これにより、ミスト吐出ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速プリントが可能であり、生産性を向上させることができる。
【００９１】
本例では、ＫＣＭＹの標準色（４色）の構成を例示したが、インク色や色数の組合せについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するミスト吐出ヘッドを追加する構成も可能である。また、各色のミスト吐出ヘッドの配置順序も特に限定はない。
【００９２】
各色のミスト吐出ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙにより形成されたテストパターン又は実画像が吐出検出部１２４により読み取られ、吐出結果が検査される。
【００９３】
吐出検出部１２４の後段には後乾燥部１４２が設けられている。後乾燥部１４２は、形成された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。
【００９４】
後乾燥部１４２の後段には、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
【００９５】
こうして生成されたプリント物は排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト画像とは分けて排出することが好ましい。この画像形成装置１１０では、本画像のプリント物と、テスト画像のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト画像とを同時に並列に形成する場合は、カッター（第２のカッター）１４８によってテスト画像の部分を切り離す。また、図８には示さないが、本画像の排出部１２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。
【００９６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。
【００９７】
本発明の第２の実施の形態は、液室側面に超音波発生素子を設けた構造のミスト吐出ヘッドである。
【００９８】
まず第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの基本構造について説明する。
【００９９】
図１０は、本発明に係る一実施形態のミスト吐出ヘッドの基本構成を示す断面図である。本実施の形態のミスト吐出ヘッド５０は、霧状のインクを吐出する開口部としてのノズル５１と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２にインクが供給される開口部としてのインク供給口５３と、インク供給口５３を介して液室５２に供給されるインクが流動する共通流路５５と、液室５２の側壁に配置され、超音波発生素子５８により発生した超音波を液室５２内のインクに伝達する振動板５６と、この超音波発生素子５８からの超音波を反射して、液室５２内のノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束させるリフレクタ８０を含んで構成されている。
【０１００】
超音波発生素子５８は、ピエゾなどの圧電体５８ａと、駆動信号が与えられる上部電極５８ｂ、下部電極５８ｃとによって構成されている。
【０１０１】
また、ミスト吐出ヘッド５０は、リフレクタ８０が形成されているリフレクタプレート５３０と、液室５２側面に超音波発生素子５８が形成されている液室プレート５２０と、ノズル５１が形成されているノズルプレート５１０とが積層された、積層構造になっている。
【０１０２】
液室５２の側壁に配置された超音波発生素子５８によって発生された超音波は、液室５２の側壁に設けられた振動板５６により、液室５２内の液体に伝達され、液室５２の中央方向に向かって平行に進む。すなわち、焦点Ｆを通る液室５２の軸線に向っていくように、この液室５２の軸線に対して直交する方向で面状に進んでいく。
【０１０３】
このようにして液室５２の軸線に向って進んだ超音波は、リフレクタ８０の放物面８０ｐによって反射される。放物面８０ｐの焦点Ｆは、液室５２内のノズル５１の近傍に位置しているので、リフレクタ８０の放物面８０ｐによって反射された超音波（反射波）は、液室５２内を焦点Ｆに向かって進み、焦点Ｆに集束される。
【０１０４】
ノズル５１から霧状の液体が吐出される方向（図１０中に矢印で示す）は、概ね焦点Ｆを通る液室５２の軸線方向である。
【０１０５】
リフレクタ８０の反射面としての放物面８０ｐの断面形状、具体的には焦点Ｆを通り吐出方向に平行な面で切断したときの一断面形状は、ひとつの焦点Ｆを共焦点とする２本の放物線からなる。
【０１０６】
このような構造により、焦点Ｆに反射波を効率よく集束させることができる。すなわち、超音波発生素子５８によって発生されて、液室５２の側壁の振動板５６を介して液室５２内の液体に導入され、液室５２の軸線に対して向っていくようにして面状に進んだ超音波は、リフレクタ８０の放物面８０ｐに鈍角で反射することにより、エネルギー損失が少なく反射されて、しかも、焦点Ｆに効率よく集束することになる。
【０１０７】
また、リフレクタ８０の頂点８０ｔ（すなわち放物面８０ｐの最上端部）は、液室５２の側壁５６に配置されている超音波発生素子５８の最上端部と同じ（又はそれ以上）の高さとしてある。
【０１０８】
このような構造により、超音波発生素子５８によって発生されて、液室５２の側壁の振動板５６を介して液室５２内の液体に導入され、液室５２の軸線に対して向っていくように面状に進んだ超音波は、直接波となることはなく、焦点Ｆに到達する超音波は概ね反射波となるので、減衰や干渉などの悪影響が低減され、エネルギー効率が向上する。
【０１０９】
なお、好ましい構造について、すなわちエネルギー効率が最大になる構造について、理解を容易にするために、図１０に示す基本構成のミスト吐出ヘッド５０の平面透視図を図１１に示し、要部を模式的に示す斜視透視図を図１２に示す。なお、図１１中の１０Ａ−１０Ｂ線に沿った断面は図１０に示されている通りである。
【０１１０】
図１１及び図１２において、液室５２は、焦点Ｆを通る軸線を有する円筒形状である。また、リフレクタ８０は、凸形状である。このような凸形状のリフレクタ８０の放物面８０ｐは、液室５２の焦点Ｆを通る軸線と焦点Ｆにて直交する中心軸を有する放物線を、液室５２の軸線を中心に回転させて成る。
【０１１１】
ノズル５１が形成されているノズルプレート５１０と液室５２が形成されている液室プレート５２０とは、水平断面を示す図２において、液室５２の外側で支柱８５１を介して接合されており、液室５２の内側には接合部がない。このような構造であるから、ノズルプレート５１０とリフレクタとの接合部の角に気泡がたまり易かった従来のミスト吐出ヘッドと比較して、ノズル５１の周囲に気泡がたまり難く、気泡排除性が良いことになり、吐出の安定性が良い。
【０１１２】
なお、図１０〜図１２では、１つのノズル５１に対応した１つの液室ユニット（１単位のミスト吐出素子）が示されているが、紙等の記録媒体に対して相対的に移動して記録媒体上に画像を形成させるためのミスト吐出ヘッドの場合、複数の液室ユニットが１次元（列状）又は２次元（面状）に配列された構造となる。このようなミスト吐出ヘッドにおいて、実際には、ノズルプレート５１０には複数のノズル５１が形成されており、液室プレート５２０には複数の液室５２が形成されており、これらの液室５２に対応して超音波発生素子５８及びリフレクタ８０が設けられる。
【０１１３】
以上の基本構造を有する第２の実施の形態のミスト吐出ヘッドにおいて、液体に電界を印加した場合についてさらに具体的に説明する。
【０１１４】
本実施の形態のミスト吐出ヘッドは、図１３に示すように液体のミストを吐出する開口部としてのノズル５１（吐出口）が形成されたノズルプレート５１０と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２に液体が供給される開口部としての液体供給口５３と、液室５２の側面に配置された振動板５６と、振動板５６の液室５２の反対面に設けられた超音波を発生して液室５２内の液体に超音波を与え得るアクチュエータとしての超音波発生素子５８、リフレクタ８０により構成されている。
【０１１５】
超音波発生素子５８は、圧電体層５８ａ、及び、ミスト吐出ヘッドの外部（具体的には後に説明する図８のヘッドドライバ１８４）から駆動信号が与えられる上部電極５８ｂ、下部電極５８ｃによって構成されている。
【０１１６】
また、ミスト吐出ヘッドの液室５２は、天面板としてのノズルプレート５１０と、側面板として超音波発生素子５８が形成されている液室プレート５２０、底面板としてリフレクタが形成されたリフレクタプレート５３０とによって構成されている。
【０１１７】
超音波発生素子５８の圧電体層５８ａはＰＺＴ、超音波発生素子５８の電極層５８ｂ、５８ｃはＮｉ、振動板５６はポリイミドによって、それぞれ形成されている。
【０１１８】
超音波発生素子５８によって発生された超音波は、振動板５６を介して液室５２内の液体に伝達され、ノズルプレート５１０の方向に向かって平行に平面波として進む。このような平面波により、ノズル５１のメニスカスに表面張力波が発生する。このような表面張力波は、液体の表面張力に依存する。
【０１１９】
図１３（ａ）は、超音波発生素子５８によりノズル５１のメニスカスが凸になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート５１０には正の電荷が、リフレクタ８０には負の電荷が印加されるよう電界が印加する、これによりノズル５１近傍の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【０１２０】
図１３（ｂ）は、超音波発生素子５８によりノズル５１のメニスカスが凹になったときの場合を示す。この際、ノズルプレート５１０には正の電荷が、リフレクタ８０にも正の電荷が印加されるよう電界が印加する、これによりノズル５１近傍の液体の液面（メニスカス面）を平坦にする（曲率半径を大きくする）方向に力が働く。
【０１２１】
このように、リフレクタ８０に印加する電界をノズル５１の液体のメニスカス面が超音波発生素子により凹凸の振動が発生し、粘度の高い液体の場合、特にこの凹凸の振動の振幅が大きくなるが、本発明のように、ノズル５１の液体のメニスカス面の凹凸状態に合わせて、リフレクタ８０に印加する電界の極性を変えることにより、ノズル５１の液体のメニスカス面の凹凸の振幅を下げることができ、表面張力を増加させることができる。
【０１２２】
これにより粘度の高い液体であっても１０ＭＨｚ程度の超音波発生素子によりミスト化が可能となる。
【０１２３】
以上、本発明のミスト吐出ヘッド並びに画像形成装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行うことは可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１２４】
【図１】本発明に係るミスト吐出ヘッドの原理の説明図
【図２】ノズル近傍の液面に働く力関係を示す図
【図３】本発明に係る第１の実施の形態のミスト吐出ヘッドの断面図
【図４】ミスト吐出ヘッドの具体例の全体構造を示す平面透視図
【図５】図４の一部を拡大して示す拡大図
【図６】ミスト吐出ヘッドの他の具体例の全体構造を示す平面透視図
【図７】本発明に係る画像形成装置の全体構成の概略を示す要部ブロック図
【図８】本発明に係る画像形成装置の機構的な構成を示す全体構成図
【図９】図８に示した画像形成装置の印字部周辺の要部平面図
【図１０】本発明に係る第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの基本構成の断面図
【図１１】図１０のミスト吐出ヘッドの要部を示す平面透視図
【図１２】図１１のミスト吐出ヘッドの要部を示す斜視透視図
【図１３】本発明に係る第２の実施の形態に係るミスト吐出ヘッドの断面図
【符号の説明】
【０１２５】
１０…ノズルプレート、１１…ノズル（吐出口）、１２…液室、１３…液体供給口、１４…側面板、１５…振動板、１６…背面電極層、１７…分離層、１８…超音波発生素子、１８ａ…圧電体、１８ｂ…超音波発生素子の上部電極、１８ｃ…超音波発生素子の下部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、
前記液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項２】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子を有し、
前記液室の壁面のうち液体を介してノズルプレートとは反対側の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項３】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
前記液室のノズルプレートと接する側壁に配置され、超音波を発生し前記液室内の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、
前記液室の中央方向に向かう前記超音波発生素子からの超音波を反射して前記ノズルの近傍に位置する焦点に集束させる反射面を有し、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための導電性を有するリフレクタと、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項４】
前記リフレクタの前記反射面の断面形状は、前記焦点を共焦点とする２本の放物線からなることを特徴とする請求項３に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液室は、前記焦点を通る軸線を有する円筒形状であり、
前記リフレクタは、前記液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を前記液室の軸線を中心に回転させることにより形成される凸形状の前記反射面を有するものであることを特徴とする請求項３または４に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項６】
前記ノズルプレートと前記電極との間、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電界が交流電界であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項７】
前記交流電界の周波数が、前記超音波発生素子を駆動する周波数の１/２であることを特徴とする請求項６に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項８】
前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となるとき、
前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が反対の極性を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項９】
前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となるとき、
前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が同じ極性を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドを備えた画像形成装置。
【請求項１】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、
前記液室の壁面のうちノズルプレート以外の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項２】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
超音波を発生し前記ノズル近傍の液体に前記超音波を与える超音波発生素子を有し、
前記液室の壁面のうち液体を介してノズルプレートとは反対側の壁面に設けられ、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための電極と、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項３】
液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルが形成された導電性を有するノズルプレートと、
前記ノズルに連通する液室と、
前記液室のノズルプレートと接する側壁に配置され、超音波を発生し前記液室内の液体に前記超音波を与える超音波発生素子と、
前記液室の中央方向に向かう前記超音波発生素子からの超音波を反射して前記ノズルの近傍に位置する焦点に集束させる反射面を有し、前記ノズルプレートに対する電界を印加するための導電性を有するリフレクタと、
を有することを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項４】
前記リフレクタの前記反射面の断面形状は、前記焦点を共焦点とする２本の放物線からなることを特徴とする請求項３に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項５】
前記液室は、前記焦点を通る軸線を有する円筒形状であり、
前記リフレクタは、前記液室の軸線と直交する中心軸を有する放物線を前記液室の軸線を中心に回転させることにより形成される凸形状の前記反射面を有するものであることを特徴とする請求項３または４に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項６】
前記ノズルプレートと前記電極との間、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電界が交流電界であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項７】
前記交流電界の周波数が、前記超音波発生素子を駆動する周波数の１/２であることを特徴とする請求項６に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項８】
前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凸形状となるとき、
前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が反対の極性を有していることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項９】
前記ノズルにおける液体のメニスカス面が、前記ノズルプレートの液体吐出方向の面よりも凹形状となるとき、
前記ノズルプレートと前記電極、或いは、前記ノズルプレートと前記リフレクタとの間に印加される電荷が同じ極性を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれかに記載のミスト吐出ヘッドを備えた画像形成装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２００７−２４５５１２（Ｐ２００７−２４５５１２Ａ）
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−７１５５１（Ｐ２００６−７１５５１）
【出願日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月２７日（２００７．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年３月１５日（２００６．３．１５）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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