ミスト吐出ヘッド及び画像形成装置
【課題】 放物面で反射される超音波に対する直接波の影響を排除して、エネルギー効率を向上させること。
【解決手段】 霧状の液体を吐出するノズル５１と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２の側壁に配置され、超音波を発生して液室５２内の液体に超音波を与える超音波発生素子５８と、液室５２の中央方向に向かう超音波発生素子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に集束させる反射面８０ｐを有するリフレクタ８０を備えた。液室５２は、焦点Ｆを通る軸線を有する円筒形状であり、リフレクタ８０は、液室５２の軸線と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反射面８０ａを有する凸形状とした。
【解決手段】 霧状の液体を吐出するノズル５１と、ノズル５１に連通する液室５２と、液室５２の側壁に配置され、超音波を発生して液室５２内の液体に超音波を与える超音波発生素子５８と、液室５２の中央方向に向かう超音波発生素子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に集束させる反射面８０ｐを有するリフレクタ８０を備えた。液室５２は、焦点Ｆを通る軸線を有する円筒形状であり、リフレクタ８０は、液室５２の軸線と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反射面８０ａを有する凸形状とした。
【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係り、特にミストを吐出するミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
群（クラスタ）の微液滴、すなわちミストを吐出するミスト吐出ヘッドが知られている（例えば特許文献１、２、３、４を参照）。
【０００３】
ミストの吐出は、簡単に言うと、超音波により液体の表面張力を減少させ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。自由液面に向って平面波を印加することでキャピラリ波が発生するが、平面波がある一定以上の周波数及び振幅である場合、キャピラリ波は発振を起こす。この結果、成長したキャピラリ波の波頭からミストが分裂する。
【０００４】
また、図１１にも示すように、超音波発生素子９５８によって発生して液室９５２内の液体に導入された超音波を、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐによって反射し、ノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束させることにより、エネルギー効率を上げるようにしたものが知られている（特許文献３、４）。
【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】特開平１０−２７８２５３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、図１１に示すような従来のミスト吐出ヘッド９５０においては、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射された超音波（反射波）に対して、放物面９８０ｐで反射されなかった超音波（直進波）が影響を及ぼし、エネルギー効率が下がるという問題がある。また、高密度化に伴ってリフレクタ９８０のサイズが小さくなるほど、直進波が反射波に及ぼす影響が無視できなくなり、ノズル５１のメニスカス（液面）に印加される超音波のコヒーレント性が損なわれてしまい、粒径がばらつくなど、吐出性能が劣化するという問題もある。
【０００６】
図１１を用いて詳細に説明すると、超音波発生素子９５８から液室９５２内の液体に導入された超音波は、平面波として液室９５２内を進み、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射されると、反射された超音波（反射波）は、ノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束する。一方で、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射されなかった超音波（直進波）は、直進して、ノズル５１のメニスカスに到達する。これらの反射波及び直進波の同一位相である波面間には、ギャップｇ（空間ギャップと称する）が生じ、このような空間ギャップｇは液室９５２内を超音波が進むにしたがって大きくなる。
【０００７】
ところで、放物面９８０ｐ上の任意の点Ｑは、焦点Ｆとの距離ＱＦが準線Ｄとの距離ＱＤと等しい。このような放物線の性質より、反射面９８０ｐで反射された反射波が焦点Ｆに到達した時には、反射波及び直進波の同一位相である波面間の距離は、焦点Ｆと準線Ｄとの間の距離に等しくなることがわかる。したがって、焦点Ｆ及び準線Ｄの間隔を超音波の波長の整数倍になるようなピンポイントの設計をしない限り、コヒーレント性を損なうとともに、エネルギー効率を下げてしまうことになる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、直接波の影響を排除して、エネルギー効率を向上させることができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、霧状の液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する液室と、前記液室の側壁に配置され、超音波を発生して前記液室内の液体に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液室内の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するリフレクタを備えたことを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１０】
この発明によれば、液室内の液体に対して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与えられて、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集束されるので、焦点に達する超音波は概ね反射波となり、焦点に集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することになる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、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ミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１２】
このように、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ことになる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、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て成る前記反射面を有する凸形状であることを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１４】
このように、液室を円筒形状とし、リフレクタを液室の軸線を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、容易に製造できることとなる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のミスト吐出ヘッドを備え、前記ノズルから吐出した霧状の液体によって所定の記録媒体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１６】
この発明によれば、高品質の画像がエネルギー効率良く形成されることになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、直接波の影響を排除して、エネルギー効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
［ミスト吐出ヘッドの基本構成］
図１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。
【００２０】
図１において、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５６に配置され、超音波を発生して、液室５２内のインクに超音波を与える超音波発生素子５８と、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。
【００２１】
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電極５８ｂ、５８ｃとによって構成されている。
【００２２】
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及び超音波発生素子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。
【００２３】
液室５２の側壁５６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５６を振動板として、この液室５２の側壁５６を介して液室５２内の液体に導入され、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。
【００２４】
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８０ａ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。
【００２５】
ノズル５１から霧状の液体が吐出される方向（図１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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１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２に示し、要部を模式的に示す斜視透視図を図３に示す。なお、図２中の１−１線に沿った断面は図１に示されている通りである。
【００３１】
図２及び図３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。
【００３２】
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。
【００３３】
なお、図１〜図３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。
［従来のミスト吐出ヘッドとの比較］
図１２は、従来のミスト吐出ヘッド９５０における超音波の集束倍率の説明のため、その従来のミスト吐出ヘッド９５０を簡略化して示す説明図である。
【００３４】
図１２におけるｈ、ｆ、ｌ、ｇ、ｓ、ｗは、それぞれ数式１、２、３、４、５、６で表される。
【００３５】
（数式１）
ｈ＝ａＤ／２
（数式２）
ｆ＝Ｄ／８ａ
（数式３）
ｌ＝（ａ／２Ｄ）×（Ｄ２−ｄ２）
（数式４）
ｇ＝ｈ−（ｆ＋ｌ）
（数式５）
ｓ＝ｈ−ｆ
（数式６）
ｗ＝（Ｄ−ｖ）／２
なお、ａは、放物線の曲率である。Ｄは、放物面９８０ｐの開口断面積が最大となる開口部の直径である。ｄは、放物面９８０ｐの開口断面積が最小となる部分の直径である。図１２におけるｖは、数式４で表されるｇについて、ｇ＝０として解いて得られ、数式７で表される。
【００３６】
（数式７）
ｖ＝Ｄ／２ａ
また、ｇを設けた場合（ｇ＞０）、超音波の集束に寄与する面積Ｓと超音波の集束倍率ｍは、数式８で表される。
【００３７】
（数式８）
Ｓ＝π（Ｄ２−ｄ２）／４、ｍ＝（Ｄ２−ｄ２）／λ２
ここで、λは超音波の波長である。
【００３８】
ｇ＝０（すなわちｄ＝ｖ）である場合、超音波の集束に寄与する面積Ｓと超音波の集束倍率ｍは、数式７、８より、数式９で表される。
【００３９】
（数式９）
Ｓ＝π（Ｄ２−ｖ２）／４＝πＤ２（４ａ２−１）／１６ａ２、ｍ＝（Ｄ２−ｖ２）／λ２
以上、従来のミスト吐出ヘッド９５０における超音波の集束倍率について説明した。
【００４０】
図４は、本発明に係る一実施形態のミスト吐出ヘッド５０による超音波の集束倍率の説明のために、そのミスト吐出ヘッド５０を簡略化して示す説明図である。
【００４１】
図４のミスト吐出ヘッド５０において、超音波の集束に寄与するリフレクタ８０の面積Ｓ´は、数式１０で表される。
【００４２】
（数式１０）
Ｓ´＝πＰ´ｗ´
ここで、Ｐ´およびｗ´は、図４に示されている距離である。すなわち、Ｐ´は、円筒形状の液室５２の内部の直径である。ｗ´は、図１２のｗに相当し、図４では放物面８０ｐを液室５２の側壁５６に投影した幅、すなわち放物面８０ｐの高さである。
【００４３】
Ｐ´及びｗ´は、それぞれ数式１１、１２で表される。
【００４４】
（数式１１）
Ｐ´＝２ｓ´
ここで、ｓ´は、図１２のｓに相当し、図４では液室５２の側壁５６から焦点Ｆまでの距離である。
【００４５】
（数式１２）
ｗ´＝（Ｄ´−ｖ´）／２＝（Ｄ´／２）×（１−１／２ａ´）
ここで、Ｄ´は、図１２のＤに相当し、図４では放物線が液室５２の側壁５６を含む垂線で切断されたその放物線の垂直方向の切断点間の距離である。ｖ´は、図１２のｖに相当し、図４では放物線が焦点Ｆを通る垂線で切断されたその放物線の垂直方向の切断点間の距離である。ａ´は放物線の曲率である。
【００４６】
これらの数式１０、１１、１２より、本実施形態のミスト吐出ヘッド５０において、リフレクタ８０の集束に寄与する面積Ｓ´は、数式１３で表される。
【００４７】
（数式１３）
Ｓ´＝πＤ´２（１＋２ａ´）（１―２ａ´）２／１６ａ´２
従来のミスト吐出ヘッド９５０と本実施形態のミスト吐出ヘッド５０とにおける、超音波の集束に寄与する面積の比Ｓ´／Ｓは、ａ＝ａ´、Ｄ＝Ｄ´とした場合、数式９および数式１３より、数式１４で表される。
【００４８】
（数式１４）
Ｓ´／Ｓ＝２ａ−１
すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、（２ａ−１）倍となる。
【００４９】
例えば、数式１４において、ａ＝１．５とした場合、Ｓ´／Ｓ＝２となる。すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、２倍になる。
【００５０】
また、例えば、Ｐ´＝Ｄとした場合、数式１５が成立する。
【００５１】
（数式１５）
Ｐ´＝Ｄ＝２ｓ´
この数式１５をＤ´について解くと、数式１６が得られる。
【００５２】
（数式１６）
Ｄ´＝４ａＤ／（４ａ´２−１）
この数式１６と数式１２とにより、数式１７が得られる。
【００５３】
（数式１７）
Ｓ´＝πＤｗ´＝πＤ２／（２ａ´＋１）
この数式１７において、ａ´＝ａとすると、数式１８が得られる。
【００５４】
（数式１８）
Ｓ´／Ｓ＝１６ａ２／（２ａ−１）（２ａ´＋１）２
この数式１８において、ａ＝１．５とした場合、Ｓ´／Ｓ＝１．１２５となる。すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、１．１２５倍になる。
【００５５】
〔画像形成装置の全体構成〕
本実施形態のミスト吐出ヘッド５０を適用した画像形成装置の例について説明する。
【００５６】
図５は、本発明に係る一実施形態の画像形成装置の全体構成図である。図５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（以下、「ヘッド」という）１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有する印字部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、記録媒体たる記録紙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、印字部１１２のノズル面（インク噴射面）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を搬送するベルト搬送部１２２と、印字部１１２による印字結果を読み取る印字検出部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。
【００５７】
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。
【００５８】
図５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。
【００５９】
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。
【００６０】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図５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、該カッター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。
【００６１】
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（印字部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。
【００６２】
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５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、少なくとも印字部１１２のノズル面及び印字検出部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。
【００６３】
記録紙１１６の搬送経路において、印字部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、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙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。
【００６４】
印字部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）にわたりインク噴射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６参照）。
【００６５】
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。
【００６６】
ベルト搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを噴射することにより記録紙１１６上にカラー画像を形成し得る。
【００６７】
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と印字部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、記録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印字が可能であり、生産性を向上させることができる。
【００６８】
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噴射するヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。
【００６９】
図５に示した印字検出部１２４は、印字部１１２の打滴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、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりや着弾位置ずれなどの噴射不良をチェックする手段として機能する。各色のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙにより印字されたテストパターン又は実技画像が印字検出部１２４により読み取られ、印字結果が検査される。
【００７０】
印字検出部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、印字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。
【００７１】
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。
【００７２】
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）とテスト印字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、テスト印字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印字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によってテスト印字の部分を切り離す。また、図５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。
【００７３】
〔ヘッドの全体構造〕
次に、ヘッドの全体構造について説明する。色別の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号１５０によってヘッドを示すものとする。
【００７４】
図７はヘッド１５０の平面透視図である。記録紙１１６上に形成されるドットのピッチを高密度化するためには、ヘッド１５０におけるノズルのピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド１５０は、図７に示すように、インクの噴射口であるノズル１５１と、各ノズル１５１に対応するインク室１５２等からなる複数のインク室ユニット（ミスト噴射素子）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、ヘッド長手方向（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７では、作図便宜上、一部のインク室ユニット１５３は省略して描いてある。
【００７５】
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７中不図示、図５で説明したインク貯蔵／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７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７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。
【００７６】
図７に示したヘッド１５０の構成と、図１乃至図３で説明した構成との対応関係を簡単に説明すると、図７におけるノズル１５１、インク室１５２及び個別供給路１５４が図１乃至図３で説明したノズル５１、インク室５２及びインク供給口５３にそれぞれ相当している。また、図７において符号１５５Ｄで示した共通流路の支流が図１で説明した共通流路５５に相当している。
【００７７】
図７における各インク室ユニット１５３の詳細な構造については、図１乃至図３で説明したとおりである。
【００７８】
図８は、図７に示したヘッド１５０の一部を拡大して示す拡大図である。図８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。
【００７９】
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。
【００８０】
本発明の実施に際してノズルの配置構造は図７及び図８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紙１１６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７に例示した構成に代えて、例えば、図９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紙１１６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。
【００８１】
〔制御系の説明〕
図１０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１０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、ヒータドライバ１７８、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等を備えている。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、ヒータドライバ１７８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やヒータ１８９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、図５で説明した搬送用ローラ対１３１、１３３の駆動ローラに動力を与えるモータである。また、ヒータ１８９とは、例えば、図５で説明した加熱ドラム１３０、加熱ファン１４０或いは後乾燥部１４２などに用いられる加熱手段である。
【００８５】
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。
【００８６】
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。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示に従ってヒータ１８９を駆動するドライバである。
【００８７】
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噴射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。
【００８８】
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１０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。
【００８９】
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。
【００９０】
画像形成装置１１０では、インク（色材) による微細なドットの打滴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、該プリント制御部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。
【００９１】
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。
【００９２】
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、ヘッド１５０の各ノズル１５１に対応する電磁石５６を駆動するための駆動信号を出力する。つまり、ヘッドドライバ１８４が本発明における「駆動部」に相当する。なお、ヘッドドライバ１８４には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。
【００９３】
ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１５１からインクミストが噴射される。記録紙１１６の搬送速度に同期してヘッド１５０からのインク噴射を制御することにより、記録紙１１６上に画像が形成される。
【００９４】
また、リフレクタ８０の形状は図示したものに限定されず、適宜、形状を改良してもよい。
【００９５】
その他、本発明は、実施形態において説明した例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】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。
【図２】図１のミスト吐出ヘッドの要部を示す平面透視図である。
【図３】図２のミスト吐出ヘッドの要部を示す斜視透視図である。
【図４】本発明のミスト吐出ヘッドにおけるエネルギー効率の向上の説明に用いる説明図である。
【図５】本発明に係るミスト吐出ヘッドを適用した画像形成装置の例を示す全体構成図である。
【図６】図５に示した画像形成装置の印字部周辺の要部平面図である。
【図７】ミスト吐出ヘッドの一例の全体構造を示す平面透視図である。
【図８】図７の一部を拡大して示す拡大図である。
【図９】ミスト吐出ヘッドの他の例の全体構造を示す平面透視図である。
【図１０】画像形成装置のシステム構成例を示す要部ブロック図である。
【図１１】従来のミスト吐出ヘッドの要部を示す断面図である。
【図１２】従来のミスト吐出ヘッドの集束倍率における直接波の影響の説明に用いる説明図である。
【符号の説明】
【００９７】
５１…ノズル（噴射口）、５２…液室、５３…インク供給口、５５…共通流路、５６…液室の側壁、５８…超音波発生素子、５８ａ…圧電体、５８ｂ、５８ｃ…電極、８０…リフレクタ、８０ａ…リフレクタの放物面、１８４…ヘッドドライバ（駆動部）、５１０…ノズルプレート、Ｆ…焦点
【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係り、特にミストを吐出するミスト吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
群（クラスタ）の微液滴、すなわちミストを吐出するミスト吐出ヘッドが知られている（例えば特許文献１、２、３、４を参照）。
【０００３】
ミストの吐出は、簡単に言うと、超音波により液体の表面張力を減少させ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。自由液面に向って平面波を印加することでキャピラリ波が発生するが、平面波がある一定以上の周波数及び振幅である場合、キャピラリ波は発振を起こす。この結果、成長したキャピラリ波の波頭からミストが分裂する。
【０００４】
また、図１１にも示すように、超音波発生素子９５８によって発生して液室９５２内の液体に導入された超音波を、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐによって反射し、ノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束させることにより、エネルギー効率を上げるようにしたものが知られている（特許文献３、４）。
【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】特開平１０−２７８２５３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、図１１に示すような従来のミスト吐出ヘッド９５０においては、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射された超音波（反射波）に対して、放物面９８０ｐで反射されなかった超音波（直進波）が影響を及ぼし、エネルギー効率が下がるという問題がある。また、高密度化に伴ってリフレクタ９８０のサイズが小さくなるほど、直進波が反射波に及ぼす影響が無視できなくなり、ノズル５１のメニスカス（液面）に印加される超音波のコヒーレント性が損なわれてしまい、粒径がばらつくなど、吐出性能が劣化するという問題もある。
【０００６】
図１１を用いて詳細に説明すると、超音波発生素子９５８から液室９５２内の液体に導入された超音波は、平面波として液室９５２内を進み、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射されると、反射された超音波（反射波）は、ノズル５１の近傍に位置する焦点Ｆに集束する。一方で、リフレクタ９８０の放物面９８０ｐで反射されなかった超音波（直進波）は、直進して、ノズル５１のメニスカスに到達する。これらの反射波及び直進波の同一位相である波面間には、ギャップｇ（空間ギャップと称する）が生じ、このような空間ギャップｇは液室９５２内を超音波が進むにしたがって大きくなる。
【０００７】
ところで、放物面９８０ｐ上の任意の点Ｑは、焦点Ｆとの距離ＱＦが準線Ｄとの距離ＱＤと等しい。このような放物線の性質より、反射面９８０ｐで反射された反射波が焦点Ｆに到達した時には、反射波及び直進波の同一位相である波面間の距離は、焦点Ｆと準線Ｄとの間の距離に等しくなることがわかる。したがって、焦点Ｆ及び準線Ｄの間隔を超音波の波長の整数倍になるようなピンポイントの設計をしない限り、コヒーレント性を損なうとともに、エネルギー効率を下げてしまうことになる。
【０００８】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、直接波の影響を排除して、エネルギー効率を向上させることができる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。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、霧状の液体を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する液室と、前記液室の側壁に配置され、超音波を発生して前記液室内の液体に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液室内の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するリフレクタを備えたことを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１０】
この発明によれば、液室内の液体に対して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与えられて、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集束されるので、焦点に達する超音波は概ね反射波となり、焦点に集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することになる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、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ミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１２】
このように、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ことになる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の発明において、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て成る前記反射面を有する凸形状であることを特徴とするミスト吐出ヘッドを提供する。
【００１４】
このように、液室を円筒形状とし、リフレクタを液室の軸線を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、容易に製造できることとなる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１乃至３の何れか１項に記載のミスト吐出ヘッドを備え、前記ノズルから吐出した霧状の液体によって所定の記録媒体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置を提供する。
【００１６】
この発明によれば、高品質の画像がエネルギー効率良く形成されることになる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、直接波の影響を排除して、エネルギー効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、添付図面を用いて、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１９】
［ミスト吐出ヘッドの基本構成］
図１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。
【００２０】
図１において、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５６に配置され、超音波を発生して、液室５２内のインクに超音波を与える超音波発生素子５８と、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。
【００２１】
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電極５８ｂ、５８ｃとによって構成されている。
【００２２】
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及び超音波発生素子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。
【００２３】
液室５２の側壁５６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５６を振動板として、この液室５２の側壁５６を介して液室５２内の液体に導入され、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。
【００２４】
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８０ａ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。
【００２５】
ノズル５１から霧状の液体が吐出される方向（図１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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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１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２に示し、要部を模式的に示す斜視透視図を図３に示す。なお、図２中の１−１線に沿った断面は図１に示されている通りである。
【００３１】
図２及び図３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。
【００３２】
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。
【００３３】
なお、図１〜図３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。
［従来のミスト吐出ヘッドとの比較］
図１２は、従来のミスト吐出ヘッド９５０における超音波の集束倍率の説明のため、その従来のミスト吐出ヘッド９５０を簡略化して示す説明図である。
【００３４】
図１２におけるｈ、ｆ、ｌ、ｇ、ｓ、ｗは、それぞれ数式１、２、３、４、５、６で表される。
【００３５】
（数式１）
ｈ＝ａＤ／２
（数式２）
ｆ＝Ｄ／８ａ
（数式３）
ｌ＝（ａ／２Ｄ）×（Ｄ２−ｄ２）
（数式４）
ｇ＝ｈ−（ｆ＋ｌ）
（数式５）
ｓ＝ｈ−ｆ
（数式６）
ｗ＝（Ｄ−ｖ）／２
なお、ａは、放物線の曲率である。Ｄは、放物面９８０ｐの開口断面積が最大となる開口部の直径である。ｄは、放物面９８０ｐの開口断面積が最小となる部分の直径である。図１２におけるｖは、数式４で表されるｇについて、ｇ＝０として解いて得られ、数式７で表される。
【００３６】
（数式７）
ｖ＝Ｄ／２ａ
また、ｇを設けた場合（ｇ＞０）、超音波の集束に寄与する面積Ｓと超音波の集束倍率ｍは、数式８で表される。
【００３７】
（数式８）
Ｓ＝π（Ｄ２−ｄ２）／４、ｍ＝（Ｄ２−ｄ２）／λ２
ここで、λは超音波の波長である。
【００３８】
ｇ＝０（すなわちｄ＝ｖ）である場合、超音波の集束に寄与する面積Ｓと超音波の集束倍率ｍは、数式７、８より、数式９で表される。
【００３９】
（数式９）
Ｓ＝π（Ｄ２−ｖ２）／４＝πＤ２（４ａ２−１）／１６ａ２、ｍ＝（Ｄ２−ｖ２）／λ２
以上、従来のミスト吐出ヘッド９５０における超音波の集束倍率について説明した。
【００４０】
図４は、本発明に係る一実施形態のミスト吐出ヘッド５０による超音波の集束倍率の説明のために、そのミスト吐出ヘッド５０を簡略化して示す説明図である。
【００４１】
図４のミスト吐出ヘッド５０において、超音波の集束に寄与するリフレクタ８０の面積Ｓ´は、数式１０で表される。
【００４２】
（数式１０）
Ｓ´＝πＰ´ｗ´
ここで、Ｐ´およびｗ´は、図４に示されている距離である。すなわち、Ｐ´は、円筒形状の液室５２の内部の直径である。ｗ´は、図１２のｗに相当し、図４では放物面８０ｐを液室５２の側壁５６に投影した幅、すなわち放物面８０ｐの高さである。
【００４３】
Ｐ´及びｗ´は、それぞれ数式１１、１２で表される。
【００４４】
（数式１１）
Ｐ´＝２ｓ´
ここで、ｓ´は、図１２のｓに相当し、図４では液室５２の側壁５６から焦点Ｆまでの距離である。
【００４５】
（数式１２）
ｗ´＝（Ｄ´−ｖ´）／２＝（Ｄ´／２）×（１−１／２ａ´）
ここで、Ｄ´は、図１２のＤに相当し、図４では放物線が液室５２の側壁５６を含む垂線で切断されたその放物線の垂直方向の切断点間の距離である。ｖ´は、図１２のｖに相当し、図４では放物線が焦点Ｆを通る垂線で切断されたその放物線の垂直方向の切断点間の距離である。ａ´は放物線の曲率である。
【００４６】
これらの数式１０、１１、１２より、本実施形態のミスト吐出ヘッド５０において、リフレクタ８０の集束に寄与する面積Ｓ´は、数式１３で表される。
【００４７】
（数式１３）
Ｓ´＝πＤ´２（１＋２ａ´）（１―２ａ´）２／１６ａ´２
従来のミスト吐出ヘッド９５０と本実施形態のミスト吐出ヘッド５０とにおける、超音波の集束に寄与する面積の比Ｓ´／Ｓは、ａ＝ａ´、Ｄ＝Ｄ´とした場合、数式９および数式１３より、数式１４で表される。
【００４８】
（数式１４）
Ｓ´／Ｓ＝２ａ−１
すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、（２ａ−１）倍となる。
【００４９】
例えば、数式１４において、ａ＝１．５とした場合、Ｓ´／Ｓ＝２となる。すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、２倍になる。
【００５０】
また、例えば、Ｐ´＝Ｄとした場合、数式１５が成立する。
【００５１】
（数式１５）
Ｐ´＝Ｄ＝２ｓ´
この数式１５をＤ´について解くと、数式１６が得られる。
【００５２】
（数式１６）
Ｄ´＝４ａＤ／（４ａ´２−１）
この数式１６と数式１２とにより、数式１７が得られる。
【００５３】
（数式１７）
Ｓ´＝πＤｗ´＝πＤ２／（２ａ´＋１）
この数式１７において、ａ´＝ａとすると、数式１８が得られる。
【００５４】
（数式１８）
Ｓ´／Ｓ＝１６ａ２／（２ａ−１）（２ａ´＋１）２
この数式１８において、ａ＝１．５とした場合、Ｓ´／Ｓ＝１．１２５となる。すなわち、超音波の集束倍率は、従来と比較して、１．１２５倍になる。
【００５５】
〔画像形成装置の全体構成〕
本実施形態のミスト吐出ヘッド５０を適用した画像形成装置の例について説明する。
【００５６】
図５は、本発明に係る一実施形態の画像形成装置の全体構成図である。図５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（以下、「ヘッド」という）１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙを有する印字部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、記録媒体たる記録紙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、印字部１１２のノズル面（インク噴射面）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を搬送するベルト搬送部１２２と、印字部１１２による印字結果を読み取る印字検出部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。
【００５７】
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。
【００５８】
図５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。
【００５９】
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。
【００６０】
ロール紙を使用する装置構成の場合、図５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、該カッター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。
【００６１】
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（印字部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。
【００６２】
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５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、少なくとも印字部１１２のノズル面及び印字検出部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。
【００６３】
記録紙１１６の搬送経路において、印字部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、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙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。
【００６４】
印字部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）にわたりインク噴射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６参照）。
【００６５】
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。
【００６６】
ベルト搬送部１２２により記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙからそれぞれ異色のインクを噴射することにより記録紙１１６上にカラー画像を形成し得る。
【００６７】
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と印字部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、記録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印字が可能であり、生産性を向上させることができる。
【００６８】
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噴射するヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。
【００６９】
図５に示した印字検出部１２４は、印字部１１２の打滴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、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりや着弾位置ずれなどの噴射不良をチェックする手段として機能する。各色のヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙにより印字されたテストパターン又は実技画像が印字検出部１２４により読み取られ、印字結果が検査される。
【００７０】
印字検出部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、印字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。
【００７１】
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。
【００７２】
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）とテスト印字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、テスト印字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印字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によってテスト印字の部分を切り離す。また、図５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。
【００７３】
〔ヘッドの全体構造〕
次に、ヘッドの全体構造について説明する。色別の各ヘッド１１２Ｋ，１１２Ｃ，１１２Ｍ，１１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号１５０によってヘッドを示すものとする。
【００７４】
図７はヘッド１５０の平面透視図である。記録紙１１６上に形成されるドットのピッチを高密度化するためには、ヘッド１５０におけるノズルのピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド１５０は、図７に示すように、インクの噴射口であるノズル１５１と、各ノズル１５１に対応するインク室１５２等からなる複数のインク室ユニット（ミスト噴射素子）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、ヘッド長手方向（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７では、作図便宜上、一部のインク室ユニット１５３は省略して描いてある。
【００７５】
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７中不図示、図５で説明したインク貯蔵／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７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７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。
【００７６】
図７に示したヘッド１５０の構成と、図１乃至図３で説明した構成との対応関係を簡単に説明すると、図７におけるノズル１５１、インク室１５２及び個別供給路１５４が図１乃至図３で説明したノズル５１、インク室５２及びインク供給口５３にそれぞれ相当している。また、図７において符号１５５Ｄで示した共通流路の支流が図１で説明した共通流路５５に相当している。
【００７７】
図７における各インク室ユニット１５３の詳細な構造については、図１乃至図３で説明したとおりである。
【００７８】
図８は、図７に示したヘッド１５０の一部を拡大して示す拡大図である。図８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。
【００７９】
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。
【００８０】
本発明の実施に際してノズルの配置構造は図７及び図８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紙１１６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７に例示した構成に代えて、例えば、図９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紙１１６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。
【００８１】
〔制御系の説明〕
図１０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１０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、ヒータドライバ１７８、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等を備えている。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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、ヒータドライバ１７８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やヒータ１８９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、図５で説明した搬送用ローラ対１３１、１３３の駆動ローラに動力を与えるモータである。また、ヒータ１８９とは、例えば、図５で説明した加熱ドラム１３０、加熱ファン１４０或いは後乾燥部１４２などに用いられる加熱手段である。
【００８５】
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。
【００８６】
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。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示に従ってヒータ１８９を駆動するドライバである。
【００８７】
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噴射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。
【００８８】
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１０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。
【００８９】
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。
【００９０】
画像形成装置１１０では、インク（色材) による微細なドットの打滴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、該プリント制御部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。
【００９１】
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。
【００９２】
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、ヘッド１５０の各ノズル１５１に対応する電磁石５６を駆動するための駆動信号を出力する。つまり、ヘッドドライバ１８４が本発明における「駆動部」に相当する。なお、ヘッドドライバ１８４には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。
【００９３】
ヘッドドライバ１８４から出力された駆動信号がヘッド１５０に加えられることによって、該当するノズル１５１からインクミストが噴射される。記録紙１１６の搬送速度に同期してヘッド１５０からのインク噴射を制御することにより、記録紙１１６上に画像が形成される。
【００９４】
また、リフレクタ８０の形状は図示したものに限定されず、適宜、形状を改良してもよい。
【００９５】
その他、本発明は、実施形態において説明した例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の設計変更や改良を行ってもよいのはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】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。
【図２】図１のミスト吐出ヘッドの要部を示す平面透視図である。
【図３】図２のミスト吐出ヘッドの要部を示す斜視透視図である。
【図４】本発明のミスト吐出ヘッドにおけるエネルギー効率の向上の説明に用いる説明図である。
【図５】本発明に係るミスト吐出ヘッドを適用した画像形成装置の例を示す全体構成図である。
【図６】図５に示した画像形成装置の印字部周辺の要部平面図である。
【図７】ミスト吐出ヘッドの一例の全体構造を示す平面透視図である。
【図８】図７の一部を拡大して示す拡大図である。
【図９】ミスト吐出ヘッドの他の例の全体構造を示す平面透視図である。
【図１０】画像形成装置のシステム構成例を示す要部ブロック図である。
【図１１】従来のミスト吐出ヘッドの要部を示す断面図である。
【図１２】従来のミスト吐出ヘッドの集束倍率における直接波の影響の説明に用いる説明図である。
【符号の説明】
【００９７】
５１…ノズル（噴射口）、５２…液室、５３…インク供給口、５５…共通流路、５６…液室の側壁、５８…超音波発生素子、５８ａ…圧電体、５８ｂ、５８ｃ…電極、８０…リフレクタ、８０ａ…リフレクタの放物面、１８４…ヘッドドライバ（駆動部）、５１０…ノズルプレート、Ｆ…焦点
【特許請求の範囲】
【請求項１】
霧状の液体を吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する液室と、
前記液室の側壁に配置され、超音波を発生して前記液室内の液体に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液室内の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するリフレクタと、
を備えたことを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項２】
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１に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項３】
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て成る前記反射面を有する凸形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のミスト吐出ヘッドを備え、前記ノズルから吐出した霧状の液体によって所定の記録媒体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【請求項１】
霧状の液体を吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する液室と、
前記液室の側壁に配置され、超音波を発生して前記液室内の液体に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液室内の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するリフレクタと、
を備えたことを特徴とするミスト吐出ヘッド。
【請求項２】
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１に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項３】
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て成る前記反射面を有する凸形状であることを特徴とする請求項１又は２に記載のミスト吐出ヘッド。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか１項に記載のミスト吐出ヘッドを備え、前記ノズルから吐出した霧状の液体によって所定の記録媒体に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
【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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−５０５８４（Ｐ２００７−５０５８４Ａ）
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２３６５５５（Ｐ２００５−２３６５５５）
【出願日】平成１７年８月１７日（２００５．８．１７）
【出願人】（０００００５２０１）富士フイルムホールディングス株式会社 (7,609)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月１日（２００７．３．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年８月１７日（２００５．８．１７）
【出願人】（０００００５２０１）富士フイルムホールディングス株式会社 (7,609)
【Ｆターム（参考）】
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