液滴飛翔評価システムおよび液滴飛翔評価方法
【課題】集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、液滴の吐出および飛翔の簡便な最適化を可能にする。
【解決手段】液滴飛翔評価システムは、第１の位置調整機構１、第２の位置調整機構２、回転ドラム３、撮像装置４、集束超音波発生構造体５、インク保持室６を有する。更に、集束超音波発生構造体５を駆動する駆動回路に接続した超音波反射検知装置を有する。第１の位置調整機構１によりインク液１２の液面と集束超音波発生構造体５の位置関係を調整する。第２の位置調整機構２によりインク保持室６の液面を回転ドラム３の真下に配置させる。回転ドラム３および撮像装置４により吐出する液滴の状態を測定する。超音波反射検知装置により圧電素子とインク液１２の音響的な結合状態を測定する。
【解決手段】液滴飛翔評価システムは、第１の位置調整機構１、第２の位置調整機構２、回転ドラム３、撮像装置４、集束超音波発生構造体５、インク保持室６を有する。更に、集束超音波発生構造体５を駆動する駆動回路に接続した超音波反射検知装置を有する。第１の位置調整機構１によりインク液１２の液面と集束超音波発生構造体５の位置関係を調整する。第２の位置調整機構２によりインク保持室６の液面を回転ドラム３の真下に配置させる。回転ドラム３および撮像装置４により吐出する液滴の状態を測定する。超音波反射検知装置により圧電素子とインク液１２の音響的な結合状態を測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液体インクのような記録液を集束超音波の圧力によって小滴化し、その液滴を記録媒体上に飛翔させ画像を形成するインクジェット記録ヘッドの液滴飛翔評価システムおよび液滴飛翔評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インク液に圧力を及ぼすエネルギー（圧力エネルギーとも称す）を与えインク液を小滴化し、その液滴を記録媒体上に飛翔させて画像を形成するインクジェット記録装置は、インクジェットプリンタとして実用化され広く使用されている。そして、これまで数多くのインクジェット記録装置の方式が考案されている。その中で、特に発熱体の熱により発生する圧力エネルギーで液滴を飛翔させる方式や、圧電素子を用いその振動による超音波の圧力エネルギーで液滴を飛翔させる方式等が代表的である。
【０００３】
上記圧電素子を用いる方式の中に、該素子によって発生する超音波を音響レンズによりインク液面の近傍に集束させ、その集束超音波の圧力を用いて上記インク液面から小液滴を吐出させる方法がある（以下、集束超音波方式と呼称する）。通常の集束超音波方式以外のインクジェット記録ヘッドでは、インク液滴の吐出する細いノズルが必要となり、ノズル内のインク液が溶媒の蒸発等で濃縮してインクの目詰まりを起こし易い。それに対して、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドは、ノズルレスでありインクの目詰まりに対し極めて有効な構造になる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドについて図６を参照して説明する。図６は、上記インクジェット記録ヘッドの模式的な縦断面図である。図６に示すように、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドは、振動子である圧電素子１０の共振振動により発生する超音波を集束する音響レンズ１１が圧電素子１０と結合する構造を有している。そして、上記圧電素子１０と音響レンズ１１とが、インク液１２の液面１３領域に集束超音波１４を集束させ、その液面１３からインク液１２の液滴を吐出するようになっている。
【０００５】
具体的に説明すると、図６（ａ）に示すインクジェット記録ヘッドでは、圧電素子１０が平板状の圧電体１０ａとその対向する上下両面の電極１０ｂおよび１０ｃにより構成される。圧電体１０ａは、例えばチタン酸鉛系セラミックから成る平板である。あるいは、その他に、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３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から成る。そして、その電極１０ｂおよび１０ｃは、例えばＴｉ／Ａｕの積層電極から成る。その他に、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の電極材料から成る。この電極１０ｂおよび１０ｃに駆動回路１５が接続する。ここで、圧電体１０ａは、振動の共振周波数に合わせた厚さであり、電極１０ｂおよび１０ｃは、スパッタ法、蒸着法等で成膜された膜厚が例えば１μｍ未満の薄膜である。
【０００６】
そして、上記音響レンズ１１は、例えば厚さが１ｍｍ程度のガラス板、あるいは、エポキシ樹脂、ポリイミド等の高分子材料を基材としアルミナ、タングステンの粉末を混合したものから成り、凹面レンズの構造になっている。
【０００７】
また、上記インク液１２は、例えば金属製あるいはセラミックス製であり厚さが０．１ｍｍ程度になる上蓋１６を有するインク保持室に供給されるようになっている。ここで、上蓋１６の一部に開口部１７が形成され、この開口部１７にインク液１２の液面１３が露出するようになっている。
【０００８】
図６（ｂ）に示すインクジェット記録ヘッドの場合では、音響レンズ１１は、図６（ａ）の場合と異なり、フレネル輪帯理論に基づき所定のピッチの溝が上記ガラス板あるいは高分子材料に形成されたフレネルレンズから成る。そして、フレネルレンズからなる音響レンズ１１が圧電素子１０と一体に結合した構造になっている。その他の構造は、図６（ａ）の場合とほぼ同じになる。
【０００９】
そして、上記インクジェット記録ヘッドでは、圧電素子１０は、上記駆動回路１５により間欠的な高周波電圧（バースト波）が印加されて振動する。この振動により放射された音波は、音響レンズ１１によってインク液１２の液面１３付近で集束され、集束超音波１４となる。なお、上記高周波電圧の周波数、すなわちインク内での波長は、吐出する液滴の所要の粒径に合わせて設定される。そして、例えばインク液１２の上蓋１６に設けられた開口部１７のインク液１２の液面１３の集束超音波１４の収束点が円錐状に盛り上がりメニスカスが形成され、その頂点が分離吐出して液体インクの小さな液滴が飛翔する。この小滴化したインク液の液滴が記録媒体上に飛翔し画点を形成することになる。
【特許文献１】特開平１０−２５０１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの製造設計では、集束超音波の共振周波数は、上述したような圧電素子１０の圧電材料およびその厚さ等の設計によって高精度に決めることができる。また、集束超音波の焦点距離は、上記音響レンズ１１の材質および形状等の設計により高精度に決められる。このように、集束超音波の特性は、上記結合した圧電素子と音響レンズ（以下、集束超音波発生構造体という）の設計により高精度に決定される。しかしながら、これまで、図６に示したようなインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、該記録ヘッドからの液滴の吐出および液滴の飛翔の簡便な最適化が難しかった。そして、該記録ヘッド構造の評価データの精度が上がらず、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が充分にできないという問題が生じていた。
【００１１】
上述したように、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドでは、集束超音波発生構造体がインク液の液面領域に集束超音波を集束させる。そして、この集束超音波がインク液の液面からインク液の液滴を吐出させる構造になる。このような構造であると、インク液の液滴の吐出とその飛翔は、インク液の液面と上記集束超音波発生構造体との間の相対的な位置関係によって大きく変わってくる。このために、集束超音波発生構造体の微妙な調整が必須になっている。特に、液面と集束超音波の伝播方向の調整、上記液面位置と集束超音波の焦点距離の調整、そして、液面が露出する開口部と集束超音波の集束位置の調整が重要になる。しかも、これ等の調整は、インク液の種類（例えば、顔料インク、染料インク等）とくにその粘度によっても異なってくる。
【００１２】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計において、液滴の吐出及び飛翔の簡便な最適化を可能にする液滴飛翔評価システムおよび液滴飛翔評価方法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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明にかかる液滴飛翔評価システムは、開口部を備えて記録液を保持する記録液保持手段と、前記記録液に音響的に接続する圧電素子と該圧電素子を駆動する駆動回路を備える超音波発生手段と、前記圧電素子から発生する超音波を前記開口部で露出する液面に向けて集束させる音響レンズを備える超音波集束手段と、前記圧電素子および音響レンズの前記記録液内部での配置を変化させて、前記圧電素子および音響レンズと前記液面との位置関係を調整する第１の位置調整手段と、前記駆動回路の電気特性を計測することにより前記集束された超音波の前記液面からの反射状態を検知する超音波反射検知手段と、前記集束した超音波により前記液面から吐出し飛翔する液滴を測定する飛翔液滴測定手段と、を有する構成になっている。
【００１４】
そして、本発明にかかる液滴飛翔評価方法は、記録液の液面に集束超音波を放射し前記液面から前記記録液の液滴を吐出し飛翔させる集束超音波発生手段を前記記録液の内部に配置し、前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じない程度に前記集束超音波の強度を下げた状態で前記液面からの前記集束超音波の反射状態を評価する、という構成になっている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成により、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、液滴の吐出および飛翔の最適化が簡便にできるようになる。そして、上記記録ヘッド構造の評価データの精度が向上し、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の液滴飛翔評価システムの一例を示す概略構成図である。図２は、上記液滴飛翔評価システムを構成する超音波反射検知装置のブロック図である。図３は、インク液の液滴の吐出および飛翔の最適化を説明するための縦断面図である。図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。そして、図５は上記液滴の吐出および飛翔の別の最適化を説明するための縦断面図である。ここで、図６も含めて互いに同一または類似の部分には共通の符号を付している。
【００１７】
本実施形態の液滴飛翔評価システムは、その主要構成として、図１に示した第１の位置調整機構１、第２の位置調整機構２、回転ドラム３、撮像装置４、集束超音波発生構造体５、インク保持室６を有する。更に、図２に示した駆動回路１５に接続し配置される超音波反射検知装置１８を有している。そして、この液滴飛翔評価システムは例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）のような制御装置により一括制御するようになっている。
【００１８】
第１の位置調整機構１は、調整本体１ａ、第１の調整アーム１ｂ、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄを備えている。これ等の調整アームは、例えば筒状のセラミックスから成る、そして、図６で説明した圧電素子１０と音響レンズ１１から成る集束超音波発生構造体５を、第３の調整アーム１ｄにより固定保持して、記録液保持手段であるインク保持室６のインク液１２内でその配置を変化させて位置調整する。
【００１９】
第１の調整アーム１ｂは、調整本体１ａ内にある駆動機構により、集束超音波発生構造体５を図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動変位させ位置調整できるようになっている。同様に、第２の調整アーム１ｃは、Ｘ軸を回転軸とした回転方向αを集束超音波発生構造体５に与え回転変位させて位置調整するようになっている。そして、第３の調整アーム１ｄは、Ｙ軸を回転軸とした回転方向βを集束超音波発生構造体５に与え回転変位させて位置調整できるようになっている。ここで、第１の調整アーム１ｂは、公知のモータおよびボールネジ機構によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に移動変位し、その変位の精度は＋／−１μｍ程度になる。また、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄは、公知のモータおよび回転調整機構により回転変位し、その回転変位の精度は＋／−１ｍｒａｄ（ミリラジアン）程度になる。
【００２０】
第２の位置調整機構２は、例えば金属板あるいはセラミックス板から成るテーブルであり、第１の位置調整機構１およびインク保持室６をその表面で固定保持するようになっている。この第２の位置調整機構２は、第１の位置調整機構１と一緒にインク保持室６を位置調整し、インク保持室６の上蓋に設けた開口部で露出するインク液１２の液面と回転ドラム３の位置関係を調整する。そして、インク液１２の液面が回転ドラムの真下にくるようにし、回転ドラム３に巻きつけた記録媒体との距離を調整する。
【００２１】
回転ドラム３は、所定の速度で回転すると共に図１に示したＹ軸方向に移動できるようになっている。そして、インク液１２表面から突出し飛翔して着弾する多数の液滴によって、回転ドラム３表面に巻きつけられた記憶媒体上に形成される画点は、上記回転ドラム３の回転と移動により記録媒体上でそれぞれ別の箇所に形成される。このようにして、それぞれの画点の形状が弁別されて測定できるようになり、液滴の記録媒体に着弾した後の画点形状が把握できて、最適な液滴の画点形成状態あるいは後述の飛翔状態を評価することが可能になる。
【００２２】
撮像装置４は、例えばストロボ機能を有するＣＣＤカメラ等から構成され、集束超音波発生構造体５によってインク液１２表面から吐出し、回転ドラム３表面の記録媒体に向かって飛翔する液滴を測定する。なおストロボ機能とカメラ部は一体であっても分離され観測対象を挟んで配置されても良い。この飛翔液滴測定手段を用いた測定により、液滴の粒径、単位時間当たりに飛翔する液滴の数、液滴の飛翔方向および飛翔速度等の飛翔状態が把握できて、最適な液滴の飛翔状態を評価することが可能になる。
【００２３】
圧電素子１０は送受信を兼ねており、超音波反射検知装置１８は、図２に示すように、図６で説明した駆動回路１５に内蔵された例えば送受切換回路を介し圧電素子１０で受信した検知信号を取り出し、更にこの検知信号を増幅する、電気特性計測回路を有している。上記検知信号は、圧電素子１０が、駆動回路１５からのバースト波により音響レンズ１１を介してインク液１２に超音波を出射し、その後の僅かな時間遅れで生じる上記超音波の反射波を検知して得た電気信号である。
【００２４】
ここで、インク液内を伝播する上記反射波の強度は、図６に示した開口部１７の液面１３に対して集束超音波１４が垂直に入射し、反射された時に極大となる。更に、上記集束超音波１４の焦点が液面１３領域に合致すると反射波の強度が極大とになる。そして、上記反射波の強度に対応して、上記検知信号が増減する。そこで、超音波反射検知装置１８における電気信号を計測することにより、上記超音波の反射状態が高い精度で検知でき、圧電素子１０とインク液１２の音響的な結合状態を評価することができる。そして、液面１３と音響レンズ１１と間の距離関係、上記液面１３と集束超音波の伝播方向の関係等が極めて簡便に評価できるようになる。
【００２５】
この超音波反射検知装置１８の作動による評価は、高周波電圧の振幅電圧を小さくして超音波の強度を下げ、液滴が飛翔しない状態にして行われと好適である。例えば、飛翔に必要な超音波の強度が生じる高周波電圧の振幅電圧を２０Ｖ程度とすると、例えば５Ｖ程度の小さい振幅電圧にして上記駆動回路１５における電気特性の計測が行われる。ここで、高周波電圧の振幅電圧を大きくして、液滴が飛翔する状態で超音波反射検知装置１８の作動による評価を行うことも可能である。しかし、この場合には、飛翔による変動が上記電気特性に付加されるのでその評価の精度は少し低減する。
【００２６】
このような超音波反射検知装置１８は、駆動回路１５と共に調整本体１ａ内に取り付けられる。そして、その駆動回路１５は、上記第１の調整アーム１ｂ、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄの筒内に配設された給電線により集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に接続される。
【００２７】
上記液滴飛翔評価システムを用いた集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価では、上記第１の位置調整機構１を用いて、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の相対的な位置関係が高精度にしかも自在に変えられる。そして、上記変えられたそれぞれの位置関係において、集束超音波発生構造体５が駆動回路１５により駆動される。そして、例えば、初めに上記小さい振幅電圧の高周波電圧が圧電素子１０に印加され、上記超音波反射検知装置１８が作動する。その後に、上記大きな振幅電圧の高周波電圧が圧電素子１０に印加され、インク液１２の液面１３から液滴が吐出・飛翔されて、上記回転ドラム３上の記録媒体に画点が形成される。
【００２８】
そして、上述したような超音波反射検知装置１８により上記電気特性の計測が行われる。また、回転ドラム３による画点形成状態の測定と、撮像装置４による液滴の飛翔状態の測定が行われ、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の位置関係において精度の高い評価データが得られる。このようにして、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドにおける、インク液の液面１３と集束超音波発生構造体の間の最適な位置関係を得ることができる。
【００２９】
上記第１の位置調整機構１を用いたインク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係の調整、高周波電圧における振幅電圧の切り換え、超音波反射検知装置１８の作動による電気特性の計測、そして集束超音波発生構造体５による液滴の吐出とその飛翔等は、上記ＰＣのような制御装置により制御される。また、上記液滴の画点形成状態および飛翔状態の測定データは、上記ＰＣにより処理され評価される。
【００３０】
次に、上記インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の最適な位置関係を得るための本実施形態の液滴飛翔評価システムの動作機構について、図１ないし５を参照して説明する。
【００３１】
初めに、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係において、図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向移動による位置調整の動作について説明する。第１の位置調整機構１の調整本体１ａ内にある駆動回路１５により、初めに、高周波電圧の小さい振幅電圧（例えば５Ｖ）を集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に印加し、超音波反射検知装置１８の電気特性を計測する。そして、上述した反射波による検知信号が大きくなるように、第１の位置調整機構１により集束超音波発生構造体５に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向移動を与える。
【００３２】
例えば、集束超音波発生構造体５に対してＸ軸、Ｙ軸の方向移動をはじめに与えて、反射波の検知信号の計測においてその強度が増大し、超音波が開口部１７の液面１３に入射するように調整する。その後に、今度はＺ軸の方向移動を与えて、反射波の検知信号の強度が最大になるように調整する。このようにして、液面１７に対する圧電素子１０の相対位置をほぼ決める。
【００３３】
次に、上記高周波電圧を大きな振幅電圧（例えば２０Ｖ）にし、集束超音波発生構造体５によりインク液１２内に集束超音波１４を生成する。このように集束超音波１４が生じている状態において、図１において説明したように、第１の調整アーム１ｂのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の微小移動により集束超音波発生構造体５がμｍ単位で位置調整される。
【００３４】
図３に示すように、上記第１の調整アーム１ｂのＺ軸方向の移動により、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１はＺ軸方向に位置変位する。そして、集束超音波１４の焦点位置と液面１３の位置関係が変化する。このために、集束超音波１４の圧力エネルギーにより液面１３から円錐状に盛り上がるメニスカス７において、その大きさあるいはその高さ等の形状が変わってくる。更に、このメニスカス７の形状変化に伴って、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態（粒径、単位時間当たりに飛翔する液滴の数、液滴の飛翔方向および飛翔速度等）が変化するようになる。
【００３５】
そして、上記液滴８は、回転ドラム３に巻かれた例えば記録用紙のような記録媒体９上に着弾し画点を形成する。このようにして形成された画点は、上述したように回転ドラム３の回転と移動により、記録媒体９のことなった箇所に形成される。このために、それ等の画点の形状は弁別して測定でき、最適な液滴の画点形成状態あるいは飛翔状態を探し出すことができる。また、上述したように撮像装置４により、上記液滴の飛翔状態が測定される。このようにして、最適な液滴を形成するための上記音響レンズ１１と液面１３の間のＺ軸方向の距離が微調整される。この最適なＺ軸方向の距離は、必ずしも集束超音波１４の焦点距離と一致するものではない。この距離は、インク液（記録液）の種類とくにその粘度により大きく異なってくる。
【００３６】
全く同様にして、上記第１の調整アーム１ｂのＸ軸およびＹ軸方向の微小移動により、図４に示すように、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１はＸ軸およびＹ軸方向に変位する。そして、生成されるメニスカス７の開口部１７内でその位置が変化する。ここで、開口部１７の口径は上述したように例えば１．５ｍｍ以下である。この開口部１７におけるメニスカス７の位置の変化により、メニスカスの頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態が変化するようになる。これは、インク液１２の液面１３における表面張力が上蓋１６の影響を受けて開口部１７内の位置で変わってくるからである。
【００３７】
そこで、図４に示す開口部１７が、その有効面の口径が上述したように例えば３ｍｍ程度になる音響レンズ１１に形成された凹面１１ａの中心領域に配置されるように、上記Ｘ軸およびＹ軸方向の移動調整をすると好適になる。このような調整は、上述したような回転ドラム３に巻かれた記録媒体９上に着弾し形成された画点の測定、上記撮像装置４による液滴の飛翔状態の測定を通して容易にできる。通常、メニスカス７が開口部１７の中心部に位置すると、上蓋１６の影響が最小になり液面１３での表面張力が最も低下して、液面１３から吐出し飛翔する液滴の飛翔速度が最も大きくなる。
【００３８】
次に、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係において、図１又は４に示した回転方向αおよび回転方向βの回転変位による位置調整の動作について説明する。この場合も、初めに、高周波電圧の小さい振幅電圧を集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に印加し、超音波反射検知装置１８の電気特性を計測する。そして、上述した反射波による検知信号が増大し、圧電素子１０のインク液１２との音響的な結合が共振状態になるように、第１の位置調整機構１により集束超音波発生構造体５に対して回転方向αおよび回転方向βの回転変位を与える。このようにして、液面１７に対する集束超音波１４の伝播方向の相対位置をほぼ決める。
【００３９】
次に、上記高周波電圧を大きな振幅電圧にし、集束超音波発生構造体５によりインク液１２内に集束超音波１４を生成する。このように集束超音波１４が生じている状態において、図１において説明したように、第２の調整アーム１ｃのＸ軸の回転駆動により集束超音波発生構造体５がｍｒａｄ単位で位置調整される。
【００４０】
図５に示すように、上記第２の調整アーム１ｃのＸ軸の回転駆動により、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１の凹面１１ａは、インク液１２の液面１３に対する相対的な位置関係が変位する。そして、集束超音波１４の伝播方向と液面１３とのなす角度が変わってくるために、液面１３から吐出するメニスカス７の形状が変化する。このメニスカス７の形状変化に伴い、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態のうち特に飛翔方向および飛翔速度が大きく変化するようになる。
【００４１】
そして、これ等の液滴８は、図３で説明したのと全く同様にして、回転ドラム３に巻かれた例記録媒体９上に着弾し画点を形成する。このようにして形成された画点は、その形状が測定されて最適な液滴の画点形成状態かどうかの評価がなされる。また、上述したように撮像装置４により、上記液滴の飛翔状態が測定される。そして、最適な回転方向αは、液滴８が液面１３から垂直に飛翔する回転角度に調整される。
【００４２】
全く同様にして、上記第３の調整アーム１ｄによる回転方向βの駆動により、上記音響レンズ１１の凹面１１ａは、インク液１２の液面１３に対する相対的な位置関係が変位する。そして、回転方向αの駆動の場合と全く同様にして、集束超音波１４の伝播方向と液面１３とのなす角度が変わってくる。このために、液面１３から吐出するメニスカス７の形状が変化する。そして、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態が大きく変化するようになる。
【００４３】
そこで、これ等の液滴８は、上記回転方向αの駆動の場合と同様にして、回転ドラム３に巻かれた例記録媒体９上に着弾し形成された画点および撮像装置４により評価される。そして、最適な回転方向βは、液滴８が液面１３から垂直に飛翔する回転角度に調整される。
【００４４】
このようにして、液滴の粒径が所望の粒径になるように、そして、液滴の単位時間に飛翔する液滴の数が所望の数になるように位置調整する。また、液滴の飛翔方向が液面１３に対して垂直になるように、そして、液滴の飛翔速度が所定の範囲に入るように位置調整する。
【００４５】
上記実施形態では、音響レンズ１１が凹面レンズの場合について説明しているが、音響レンズ１１がフレネルレンズにより構成される場合も全く同様に可能である。また、上記インク液の液面１３と集束超音波構造体５の位置関係の調整では、図３に示した回転方向θの調整を行えるようにしてもよい。そして、第２の位置調整機構２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の移動変位および第１の位置調整機構１と同様な回転変位をする駆動テーブルであると好適である。
【００４６】
上記実施形態では、集束超音波を用いたインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、集束超音波発生構造体５とインク液１２の液面１３との間の相対的配置を極めて容易に変化させることができる。そして、この配置を種々に変化させて、集束超音波発生構造体５における圧電素子１０のインク液１２との音響的な結合を効率的にし、更に、液面１３から吐出し飛翔する液滴８の飛翔状態を詳細に測定することができる。このようにして、上記記録ヘッド構造の評価データはその精度が大きく向上する。そして、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が簡便にできるようになる。
【００４７】
上記実施形態において、超音波反射検知装置１８の使用は、圧電素子１０とインク液１２との音響的な結合を効率的にする場合に限定されない。その他に、上記飛翔液滴測定手段を用いたインク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係の微調整の場合において、上記超音波反射検知装置１８を併用するとよい。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態にかかる液滴飛翔評価システムの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の実施形態にかかる液滴飛翔評価システムを構成する超音波反射検知装置のブロック図。
【図３】本発明の実施形態にかかる液滴の吐出および飛翔の最適化を説明するための縦断面図。
【図４】図３に記したＡ−Ａ矢視図。
【図５】本発明の実施形態にかかる液滴の吐出および飛翔の別の最適化を説明するための縦断面図。
【図６】本発明を説明するためのインクジェット記録ヘッドの縦断面図であって、（ａ）は凹面の音響レンズが圧電素子に結合した集束超音波方式の記憶ヘッドの縦断面図、（ｂ）はフレネルレンズが圧電素子に結合した集束超音波方式の記憶ヘッドの縦断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１…第１の位置調整機構，１ａ…調整本体，１ｂ…第１の調整アーム，１ｃ…第２の調整アーム，１ｄ…第３の調整アーム，２…第２の位置調整機構，３…回転ドラム，４…撮像装置，５…集束超音波発生構造体，６…インク保持室，７…メニスカス，８…液滴，９…記録媒体，１０…圧電素子，１０ａ，１０ｂ…電極，１１…音響レンズ，１１ａ…凹面，１２…インク液，１３…液面，１４…集束超音波，１５…駆動回路，１６…上蓋，１７…開口部，１８…超音波反射検知装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液体インクのような記録液を集束超音波の圧力によって小滴化し、その液滴を記録媒体上に飛翔させ画像を形成するインクジェット記録ヘッドの液滴飛翔評価システムおよび液滴飛翔評価方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
インク液に圧力を及ぼすエネルギー（圧力エネルギーとも称す）を与えインク液を小滴化し、その液滴を記録媒体上に飛翔させて画像を形成するインクジェット記録装置は、インクジェットプリンタとして実用化され広く使用されている。そして、これまで数多くのインクジェット記録装置の方式が考案されている。その中で、特に発熱体の熱により発生する圧力エネルギーで液滴を飛翔させる方式や、圧電素子を用いその振動による超音波の圧力エネルギーで液滴を飛翔させる方式等が代表的である。
【０００３】
上記圧電素子を用いる方式の中に、該素子によって発生する超音波を音響レンズによりインク液面の近傍に集束させ、その集束超音波の圧力を用いて上記インク液面から小液滴を吐出させる方法がある（以下、集束超音波方式と呼称する）。通常の集束超音波方式以外のインクジェット記録ヘッドでは、インク液滴の吐出する細いノズルが必要となり、ノズル内のインク液が溶媒の蒸発等で濃縮してインクの目詰まりを起こし易い。それに対して、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドは、ノズルレスでありインクの目詰まりに対し極めて有効な構造になる（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドについて図６を参照して説明する。図６は、上記インクジェット記録ヘッドの模式的な縦断面図である。図６に示すように、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドは、振動子である圧電素子１０の共振振動により発生する超音波を集束する音響レンズ１１が圧電素子１０と結合する構造を有している。そして、上記圧電素子１０と音響レンズ１１とが、インク液１２の液面１３領域に集束超音波１４を集束させ、その液面１３からインク液１２の液滴を吐出するようになっている。
【０００５】
具体的に説明すると、図６（ａ）に示すインクジェット記録ヘッドでは、圧電素子１０が平板状の圧電体１０ａとその対向する上下両面の電極１０ｂおよび１０ｃにより構成される。圧電体１０ａは、例えばチタン酸鉛系セラミックから成る平板である。あるいは、その他に、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ３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から成る。そして、その電極１０ｂおよび１０ｃは、例えばＴｉ／Ａｕの積層電極から成る。その他に、Ｎｉ、Ａｌ、Ｃｕ等の電極材料から成る。この電極１０ｂおよび１０ｃに駆動回路１５が接続する。ここで、圧電体１０ａは、振動の共振周波数に合わせた厚さであり、電極１０ｂおよび１０ｃは、スパッタ法、蒸着法等で成膜された膜厚が例えば１μｍ未満の薄膜である。
【０００６】
そして、上記音響レンズ１１は、例えば厚さが１ｍｍ程度のガラス板、あるいは、エポキシ樹脂、ポリイミド等の高分子材料を基材としアルミナ、タングステンの粉末を混合したものから成り、凹面レンズの構造になっている。
【０００７】
また、上記インク液１２は、例えば金属製あるいはセラミックス製であり厚さが０．１ｍｍ程度になる上蓋１６を有するインク保持室に供給されるようになっている。ここで、上蓋１６の一部に開口部１７が形成され、この開口部１７にインク液１２の液面１３が露出するようになっている。
【０００８】
図６（ｂ）に示すインクジェット記録ヘッドの場合では、音響レンズ１１は、図６（ａ）の場合と異なり、フレネル輪帯理論に基づき所定のピッチの溝が上記ガラス板あるいは高分子材料に形成されたフレネルレンズから成る。そして、フレネルレンズからなる音響レンズ１１が圧電素子１０と一体に結合した構造になっている。その他の構造は、図６（ａ）の場合とほぼ同じになる。
【０００９】
そして、上記インクジェット記録ヘッドでは、圧電素子１０は、上記駆動回路１５により間欠的な高周波電圧（バースト波）が印加されて振動する。この振動により放射された音波は、音響レンズ１１によってインク液１２の液面１３付近で集束され、集束超音波１４となる。なお、上記高周波電圧の周波数、すなわちインク内での波長は、吐出する液滴の所要の粒径に合わせて設定される。そして、例えばインク液１２の上蓋１６に設けられた開口部１７のインク液１２の液面１３の集束超音波１４の収束点が円錐状に盛り上がりメニスカスが形成され、その頂点が分離吐出して液体インクの小さな液滴が飛翔する。この小滴化したインク液の液滴が記録媒体上に飛翔し画点を形成することになる。
【特許文献１】特開平１０−２５０１１０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの製造設計では、集束超音波の共振周波数は、上述したような圧電素子１０の圧電材料およびその厚さ等の設計によって高精度に決めることができる。また、集束超音波の焦点距離は、上記音響レンズ１１の材質および形状等の設計により高精度に決められる。このように、集束超音波の特性は、上記結合した圧電素子と音響レンズ（以下、集束超音波発生構造体という）の設計により高精度に決定される。しかしながら、これまで、図６に示したようなインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、該記録ヘッドからの液滴の吐出および液滴の飛翔の簡便な最適化が難しかった。そして、該記録ヘッド構造の評価データの精度が上がらず、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が充分にできないという問題が生じていた。
【００１１】
上述したように、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドでは、集束超音波発生構造体がインク液の液面領域に集束超音波を集束させる。そして、この集束超音波がインク液の液面からインク液の液滴を吐出させる構造になる。このような構造であると、インク液の液滴の吐出とその飛翔は、インク液の液面と上記集束超音波発生構造体との間の相対的な位置関係によって大きく変わってくる。このために、集束超音波発生構造体の微妙な調整が必須になっている。特に、液面と集束超音波の伝播方向の調整、上記液面位置と集束超音波の焦点距離の調整、そして、液面が露出する開口部と集束超音波の集束位置の調整が重要になる。しかも、これ等の調整は、インク液の種類（例えば、顔料インク、染料インク等）とくにその粘度によっても異なってくる。
【００１２】
本発明は、上述の事情に鑑みてなされたもので、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計において、液滴の吐出及び飛翔の簡便な最適化を可能にする液滴飛翔評価システムおよび液滴飛翔評価方法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】
【００１３】
上記目的を達成するために、本発明にかかる液滴飛翔評価システムは、開口部を備えて記録液を保持する記録液保持手段と、前記記録液に音響的に接続する圧電素子と該圧電素子を駆動する駆動回路を備える超音波発生手段と、前記圧電素子から発生する超音波を前記開口部で露出する液面に向けて集束させる音響レンズを備える超音波集束手段と、前記圧電素子および音響レンズの前記記録液内部での配置を変化させて、前記圧電素子および音響レンズと前記液面との位置関係を調整する第１の位置調整手段と、前記駆動回路の電気特性を計測することにより前記集束された超音波の前記液面からの反射状態を検知する超音波反射検知手段と、前記集束した超音波により前記液面から吐出し飛翔する液滴を測定する飛翔液滴測定手段と、を有する構成になっている。
【００１４】
そして、本発明にかかる液滴飛翔評価方法は、記録液の液面に集束超音波を放射し前記液面から前記記録液の液滴を吐出し飛翔させる集束超音波発生手段を前記記録液の内部に配置し、前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じない程度に前記集束超音波の強度を下げた状態で前記液面からの前記集束超音波の反射状態を評価する、という構成になっている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の構成により、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、液滴の吐出および飛翔の最適化が簡便にできるようになる。そして、上記記録ヘッド構造の評価データの精度が向上し、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の液滴飛翔評価システムの一例を示す概略構成図である。図２は、上記液滴飛翔評価システムを構成する超音波反射検知装置のブロック図である。図３は、インク液の液滴の吐出および飛翔の最適化を説明するための縦断面図である。図４は図３のＡ−Ａ矢視図である。そして、図５は上記液滴の吐出および飛翔の別の最適化を説明するための縦断面図である。ここで、図６も含めて互いに同一または類似の部分には共通の符号を付している。
【００１７】
本実施形態の液滴飛翔評価システムは、その主要構成として、図１に示した第１の位置調整機構１、第２の位置調整機構２、回転ドラム３、撮像装置４、集束超音波発生構造体５、インク保持室６を有する。更に、図２に示した駆動回路１５に接続し配置される超音波反射検知装置１８を有している。そして、この液滴飛翔評価システムは例えばパーソナルコンピュータ（ＰＣ）のような制御装置により一括制御するようになっている。
【００１８】
第１の位置調整機構１は、調整本体１ａ、第１の調整アーム１ｂ、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄを備えている。これ等の調整アームは、例えば筒状のセラミックスから成る、そして、図６で説明した圧電素子１０と音響レンズ１１から成る集束超音波発生構造体５を、第３の調整アーム１ｄにより固定保持して、記録液保持手段であるインク保持室６のインク液１２内でその配置を変化させて位置調整する。
【００１９】
第１の調整アーム１ｂは、調整本体１ａ内にある駆動機構により、集束超音波発生構造体５を図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に移動変位させ位置調整できるようになっている。同様に、第２の調整アーム１ｃは、Ｘ軸を回転軸とした回転方向αを集束超音波発生構造体５に与え回転変位させて位置調整するようになっている。そして、第３の調整アーム１ｄは、Ｙ軸を回転軸とした回転方向βを集束超音波発生構造体５に与え回転変位させて位置調整できるようになっている。ここで、第１の調整アーム１ｂは、公知のモータおよびボールネジ機構によりＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に移動変位し、その変位の精度は＋／−１μｍ程度になる。また、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄは、公知のモータおよび回転調整機構により回転変位し、その回転変位の精度は＋／−１ｍｒａｄ（ミリラジアン）程度になる。
【００２０】
第２の位置調整機構２は、例えば金属板あるいはセラミックス板から成るテーブルであり、第１の位置調整機構１およびインク保持室６をその表面で固定保持するようになっている。この第２の位置調整機構２は、第１の位置調整機構１と一緒にインク保持室６を位置調整し、インク保持室６の上蓋に設けた開口部で露出するインク液１２の液面と回転ドラム３の位置関係を調整する。そして、インク液１２の液面が回転ドラムの真下にくるようにし、回転ドラム３に巻きつけた記録媒体との距離を調整する。
【００２１】
回転ドラム３は、所定の速度で回転すると共に図１に示したＹ軸方向に移動できるようになっている。そして、インク液１２表面から突出し飛翔して着弾する多数の液滴によって、回転ドラム３表面に巻きつけられた記憶媒体上に形成される画点は、上記回転ドラム３の回転と移動により記録媒体上でそれぞれ別の箇所に形成される。このようにして、それぞれの画点の形状が弁別されて測定できるようになり、液滴の記録媒体に着弾した後の画点形状が把握できて、最適な液滴の画点形成状態あるいは後述の飛翔状態を評価することが可能になる。
【００２２】
撮像装置４は、例えばストロボ機能を有するＣＣＤカメラ等から構成され、集束超音波発生構造体５によってインク液１２表面から吐出し、回転ドラム３表面の記録媒体に向かって飛翔する液滴を測定する。なおストロボ機能とカメラ部は一体であっても分離され観測対象を挟んで配置されても良い。この飛翔液滴測定手段を用いた測定により、液滴の粒径、単位時間当たりに飛翔する液滴の数、液滴の飛翔方向および飛翔速度等の飛翔状態が把握できて、最適な液滴の飛翔状態を評価することが可能になる。
【００２３】
圧電素子１０は送受信を兼ねており、超音波反射検知装置１８は、図２に示すように、図６で説明した駆動回路１５に内蔵された例えば送受切換回路を介し圧電素子１０で受信した検知信号を取り出し、更にこの検知信号を増幅する、電気特性計測回路を有している。上記検知信号は、圧電素子１０が、駆動回路１５からのバースト波により音響レンズ１１を介してインク液１２に超音波を出射し、その後の僅かな時間遅れで生じる上記超音波の反射波を検知して得た電気信号である。
【００２４】
ここで、インク液内を伝播する上記反射波の強度は、図６に示した開口部１７の液面１３に対して集束超音波１４が垂直に入射し、反射された時に極大となる。更に、上記集束超音波１４の焦点が液面１３領域に合致すると反射波の強度が極大とになる。そして、上記反射波の強度に対応して、上記検知信号が増減する。そこで、超音波反射検知装置１８における電気信号を計測することにより、上記超音波の反射状態が高い精度で検知でき、圧電素子１０とインク液１２の音響的な結合状態を評価することができる。そして、液面１３と音響レンズ１１と間の距離関係、上記液面１３と集束超音波の伝播方向の関係等が極めて簡便に評価できるようになる。
【００２５】
この超音波反射検知装置１８の作動による評価は、高周波電圧の振幅電圧を小さくして超音波の強度を下げ、液滴が飛翔しない状態にして行われと好適である。例えば、飛翔に必要な超音波の強度が生じる高周波電圧の振幅電圧を２０Ｖ程度とすると、例えば５Ｖ程度の小さい振幅電圧にして上記駆動回路１５における電気特性の計測が行われる。ここで、高周波電圧の振幅電圧を大きくして、液滴が飛翔する状態で超音波反射検知装置１８の作動による評価を行うことも可能である。しかし、この場合には、飛翔による変動が上記電気特性に付加されるのでその評価の精度は少し低減する。
【００２６】
このような超音波反射検知装置１８は、駆動回路１５と共に調整本体１ａ内に取り付けられる。そして、その駆動回路１５は、上記第１の調整アーム１ｂ、第２の調整アーム１ｃおよび第３の調整アーム１ｄの筒内に配設された給電線により集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に接続される。
【００２７】
上記液滴飛翔評価システムを用いた集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価では、上記第１の位置調整機構１を用いて、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の相対的な位置関係が高精度にしかも自在に変えられる。そして、上記変えられたそれぞれの位置関係において、集束超音波発生構造体５が駆動回路１５により駆動される。そして、例えば、初めに上記小さい振幅電圧の高周波電圧が圧電素子１０に印加され、上記超音波反射検知装置１８が作動する。その後に、上記大きな振幅電圧の高周波電圧が圧電素子１０に印加され、インク液１２の液面１３から液滴が吐出・飛翔されて、上記回転ドラム３上の記録媒体に画点が形成される。
【００２８】
そして、上述したような超音波反射検知装置１８により上記電気特性の計測が行われる。また、回転ドラム３による画点形成状態の測定と、撮像装置４による液滴の飛翔状態の測定が行われ、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の位置関係において精度の高い評価データが得られる。このようにして、集束超音波方式のインクジェット記録ヘッドにおける、インク液の液面１３と集束超音波発生構造体の間の最適な位置関係を得ることができる。
【００２９】
上記第１の位置調整機構１を用いたインク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係の調整、高周波電圧における振幅電圧の切り換え、超音波反射検知装置１８の作動による電気特性の計測、そして集束超音波発生構造体５による液滴の吐出とその飛翔等は、上記ＰＣのような制御装置により制御される。また、上記液滴の画点形成状態および飛翔状態の測定データは、上記ＰＣにより処理され評価される。
【００３０】
次に、上記インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の間の最適な位置関係を得るための本実施形態の液滴飛翔評価システムの動作機構について、図１ないし５を参照して説明する。
【００３１】
初めに、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係において、図１に示すＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向移動による位置調整の動作について説明する。第１の位置調整機構１の調整本体１ａ内にある駆動回路１５により、初めに、高周波電圧の小さい振幅電圧（例えば５Ｖ）を集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に印加し、超音波反射検知装置１８の電気特性を計測する。そして、上述した反射波による検知信号が大きくなるように、第１の位置調整機構１により集束超音波発生構造体５に対してＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向移動を与える。
【００３２】
例えば、集束超音波発生構造体５に対してＸ軸、Ｙ軸の方向移動をはじめに与えて、反射波の検知信号の計測においてその強度が増大し、超音波が開口部１７の液面１３に入射するように調整する。その後に、今度はＺ軸の方向移動を与えて、反射波の検知信号の強度が最大になるように調整する。このようにして、液面１７に対する圧電素子１０の相対位置をほぼ決める。
【００３３】
次に、上記高周波電圧を大きな振幅電圧（例えば２０Ｖ）にし、集束超音波発生構造体５によりインク液１２内に集束超音波１４を生成する。このように集束超音波１４が生じている状態において、図１において説明したように、第１の調整アーム１ｂのＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向の微小移動により集束超音波発生構造体５がμｍ単位で位置調整される。
【００３４】
図３に示すように、上記第１の調整アーム１ｂのＺ軸方向の移動により、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１はＺ軸方向に位置変位する。そして、集束超音波１４の焦点位置と液面１３の位置関係が変化する。このために、集束超音波１４の圧力エネルギーにより液面１３から円錐状に盛り上がるメニスカス７において、その大きさあるいはその高さ等の形状が変わってくる。更に、このメニスカス７の形状変化に伴って、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態（粒径、単位時間当たりに飛翔する液滴の数、液滴の飛翔方向および飛翔速度等）が変化するようになる。
【００３５】
そして、上記液滴８は、回転ドラム３に巻かれた例えば記録用紙のような記録媒体９上に着弾し画点を形成する。このようにして形成された画点は、上述したように回転ドラム３の回転と移動により、記録媒体９のことなった箇所に形成される。このために、それ等の画点の形状は弁別して測定でき、最適な液滴の画点形成状態あるいは飛翔状態を探し出すことができる。また、上述したように撮像装置４により、上記液滴の飛翔状態が測定される。このようにして、最適な液滴を形成するための上記音響レンズ１１と液面１３の間のＺ軸方向の距離が微調整される。この最適なＺ軸方向の距離は、必ずしも集束超音波１４の焦点距離と一致するものではない。この距離は、インク液（記録液）の種類とくにその粘度により大きく異なってくる。
【００３６】
全く同様にして、上記第１の調整アーム１ｂのＸ軸およびＹ軸方向の微小移動により、図４に示すように、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１はＸ軸およびＹ軸方向に変位する。そして、生成されるメニスカス７の開口部１７内でその位置が変化する。ここで、開口部１７の口径は上述したように例えば１．５ｍｍ以下である。この開口部１７におけるメニスカス７の位置の変化により、メニスカスの頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態が変化するようになる。これは、インク液１２の液面１３における表面張力が上蓋１６の影響を受けて開口部１７内の位置で変わってくるからである。
【００３７】
そこで、図４に示す開口部１７が、その有効面の口径が上述したように例えば３ｍｍ程度になる音響レンズ１１に形成された凹面１１ａの中心領域に配置されるように、上記Ｘ軸およびＹ軸方向の移動調整をすると好適になる。このような調整は、上述したような回転ドラム３に巻かれた記録媒体９上に着弾し形成された画点の測定、上記撮像装置４による液滴の飛翔状態の測定を通して容易にできる。通常、メニスカス７が開口部１７の中心部に位置すると、上蓋１６の影響が最小になり液面１３での表面張力が最も低下して、液面１３から吐出し飛翔する液滴の飛翔速度が最も大きくなる。
【００３８】
次に、インク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係において、図１又は４に示した回転方向αおよび回転方向βの回転変位による位置調整の動作について説明する。この場合も、初めに、高周波電圧の小さい振幅電圧を集束超音波発生構造体５の圧電素子１０に印加し、超音波反射検知装置１８の電気特性を計測する。そして、上述した反射波による検知信号が増大し、圧電素子１０のインク液１２との音響的な結合が共振状態になるように、第１の位置調整機構１により集束超音波発生構造体５に対して回転方向αおよび回転方向βの回転変位を与える。このようにして、液面１７に対する集束超音波１４の伝播方向の相対位置をほぼ決める。
【００３９】
次に、上記高周波電圧を大きな振幅電圧にし、集束超音波発生構造体５によりインク液１２内に集束超音波１４を生成する。このように集束超音波１４が生じている状態において、図１において説明したように、第２の調整アーム１ｃのＸ軸の回転駆動により集束超音波発生構造体５がｍｒａｄ単位で位置調整される。
【００４０】
図５に示すように、上記第２の調整アーム１ｃのＸ軸の回転駆動により、第３の調整アーム１ｄ上に固定保持した集束超音波発生構造体５を構成する音響レンズ１１の凹面１１ａは、インク液１２の液面１３に対する相対的な位置関係が変位する。そして、集束超音波１４の伝播方向と液面１３とのなす角度が変わってくるために、液面１３から吐出するメニスカス７の形状が変化する。このメニスカス７の形状変化に伴い、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態のうち特に飛翔方向および飛翔速度が大きく変化するようになる。
【００４１】
そして、これ等の液滴８は、図３で説明したのと全く同様にして、回転ドラム３に巻かれた例記録媒体９上に着弾し画点を形成する。このようにして形成された画点は、その形状が測定されて最適な液滴の画点形成状態かどうかの評価がなされる。また、上述したように撮像装置４により、上記液滴の飛翔状態が測定される。そして、最適な回転方向αは、液滴８が液面１３から垂直に飛翔する回転角度に調整される。
【００４２】
全く同様にして、上記第３の調整アーム１ｄによる回転方向βの駆動により、上記音響レンズ１１の凹面１１ａは、インク液１２の液面１３に対する相対的な位置関係が変位する。そして、回転方向αの駆動の場合と全く同様にして、集束超音波１４の伝播方向と液面１３とのなす角度が変わってくる。このために、液面１３から吐出するメニスカス７の形状が変化する。そして、そのメニスカス７の頂点から分離吐出して飛翔する液滴８の飛翔状態が大きく変化するようになる。
【００４３】
そこで、これ等の液滴８は、上記回転方向αの駆動の場合と同様にして、回転ドラム３に巻かれた例記録媒体９上に着弾し形成された画点および撮像装置４により評価される。そして、最適な回転方向βは、液滴８が液面１３から垂直に飛翔する回転角度に調整される。
【００４４】
このようにして、液滴の粒径が所望の粒径になるように、そして、液滴の単位時間に飛翔する液滴の数が所望の数になるように位置調整する。また、液滴の飛翔方向が液面１３に対して垂直になるように、そして、液滴の飛翔速度が所定の範囲に入るように位置調整する。
【００４５】
上記実施形態では、音響レンズ１１が凹面レンズの場合について説明しているが、音響レンズ１１がフレネルレンズにより構成される場合も全く同様に可能である。また、上記インク液の液面１３と集束超音波構造体５の位置関係の調整では、図３に示した回転方向θの調整を行えるようにしてもよい。そして、第２の位置調整機構２は、Ｘ、Ｙ、Ｚ軸方向の移動変位および第１の位置調整機構１と同様な回転変位をする駆動テーブルであると好適である。
【００４６】
上記実施形態では、集束超音波を用いたインクジェット記録ヘッドの設計段階の評価において、集束超音波発生構造体５とインク液１２の液面１３との間の相対的配置を極めて容易に変化させることができる。そして、この配置を種々に変化させて、集束超音波発生構造体５における圧電素子１０のインク液１２との音響的な結合を効率的にし、更に、液面１３から吐出し飛翔する液滴８の飛翔状態を詳細に測定することができる。このようにして、上記記録ヘッド構造の評価データはその精度が大きく向上する。そして、上記記録ヘッドの製造設計におけるヘッド構造の最適化が簡便にできるようになる。
【００４７】
上記実施形態において、超音波反射検知装置１８の使用は、圧電素子１０とインク液１２との音響的な結合を効率的にする場合に限定されない。その他に、上記飛翔液滴測定手段を用いたインク液１２の液面１３と集束超音波発生構造体５の位置関係の微調整の場合において、上記超音波反射検知装置１８を併用するとよい。
【００４８】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の実施形態にかかる液滴飛翔評価システムの一例を示す概略構成図。
【図２】本発明の実施形態にかかる液滴飛翔評価システムを構成する超音波反射検知装置のブロック図。
【図３】本発明の実施形態にかかる液滴の吐出および飛翔の最適化を説明するための縦断面図。
【図４】図３に記したＡ−Ａ矢視図。
【図５】本発明の実施形態にかかる液滴の吐出および飛翔の別の最適化を説明するための縦断面図。
【図６】本発明を説明するためのインクジェット記録ヘッドの縦断面図であって、（ａ）は凹面の音響レンズが圧電素子に結合した集束超音波方式の記憶ヘッドの縦断面図、（ｂ）はフレネルレンズが圧電素子に結合した集束超音波方式の記憶ヘッドの縦断面図。
【符号の説明】
【００５０】
１…第１の位置調整機構，１ａ…調整本体，１ｂ…第１の調整アーム，１ｃ…第２の調整アーム，１ｄ…第３の調整アーム，２…第２の位置調整機構，３…回転ドラム，４…撮像装置，５…集束超音波発生構造体，６…インク保持室，７…メニスカス，８…液滴，９…記録媒体，１０…圧電素子，１０ａ，１０ｂ…電極，１１…音響レンズ，１１ａ…凹面，１２…インク液，１３…液面，１４…集束超音波，１５…駆動回路，１６…上蓋，１７…開口部，１８…超音波反射検知装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口部を備えて記録液を保持する記録液保持手段と、
前記記録液に音響的に接続する圧電素子と該圧電素子を駆動する駆動回路を備える超音波発生手段と、
前記圧電素子から発生する超音波を前記開口部で露出する液面に向けて集束させる音響レンズを備える超音波集束手段と、
前記圧電素子および音響レンズの前記記録液内部での配置を変化させて、前記圧電素子および音響レンズと前記液面との位置関係を調整する第１の位置調整手段と、
前記駆動回路の電気特性を計測することにより前記集束された超音波の前記液面からの反射状態を検知する超音波反射検知手段と、
前記集束した超音波により前記液面から吐出し飛翔する液滴を測定する飛翔液滴測定手段と、
を有することを特徴とする液滴飛翔評価システム。
【請求項２】
前記第１の位置調整手段は、前記記録液の液面に対する前記集束した超音波の放射方向を調整することを特徴とする請求項１に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項３】
前記飛翔液滴測定手段は、ストロボ機能を有する撮像装置からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項４】
前記液面から吐出し飛翔した液滴が着弾する記録媒体の巻きつけられた回転ドラムを備えていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項５】
前記回転ドラムは、回転軸の方向に移動するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項６】
前記記録液保持手段と前記第１の位置調整手段との位置関係を固定したまま、前記記録液保持手段の前記開口部で露出する液面と前記回転ドラムの位置関係を調整する第２の位置調整手段を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項７】
記録液の液面に集束超音波を放射し前記液面から前記記録液の液滴を吐出し飛翔させる集束超音波発生手段を前記記録液の内部に配置し、
前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じない程度に前記集束超音波の強度を下げた状態で前記液面からの前記集束超音波の反射状態を評価することを特徴とする液滴飛翔評価方法。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴飛翔評価方法において、
前記集束超音波の反射状態を評価すると共に、
前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じるように前記集束超音波の強度を上げた状態で前記液滴の飛翔状態を評価することを特徴とする液滴飛翔評価方法。
【請求項１】
開口部を備えて記録液を保持する記録液保持手段と、
前記記録液に音響的に接続する圧電素子と該圧電素子を駆動する駆動回路を備える超音波発生手段と、
前記圧電素子から発生する超音波を前記開口部で露出する液面に向けて集束させる音響レンズを備える超音波集束手段と、
前記圧電素子および音響レンズの前記記録液内部での配置を変化させて、前記圧電素子および音響レンズと前記液面との位置関係を調整する第１の位置調整手段と、
前記駆動回路の電気特性を計測することにより前記集束された超音波の前記液面からの反射状態を検知する超音波反射検知手段と、
前記集束した超音波により前記液面から吐出し飛翔する液滴を測定する飛翔液滴測定手段と、
を有することを特徴とする液滴飛翔評価システム。
【請求項２】
前記第１の位置調整手段は、前記記録液の液面に対する前記集束した超音波の放射方向を調整することを特徴とする請求項１に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項３】
前記飛翔液滴測定手段は、ストロボ機能を有する撮像装置からなることを特徴とする請求項１又は２に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項４】
前記液面から吐出し飛翔した液滴が着弾する記録媒体の巻きつけられた回転ドラムを備えていることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項５】
前記回転ドラムは、回転軸の方向に移動するようになっていることを特徴とする請求項４に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項６】
前記記録液保持手段と前記第１の位置調整手段との位置関係を固定したまま、前記記録液保持手段の前記開口部で露出する液面と前記回転ドラムの位置関係を調整する第２の位置調整手段を備えていることを特徴とする請求項４又は５に記載の液滴飛翔評価システム。
【請求項７】
記録液の液面に集束超音波を放射し前記液面から前記記録液の液滴を吐出し飛翔させる集束超音波発生手段を前記記録液の内部に配置し、
前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じない程度に前記集束超音波の強度を下げた状態で前記液面からの前記集束超音波の反射状態を評価することを特徴とする液滴飛翔評価方法。
【請求項８】
請求項７に記載の液滴飛翔評価方法において、
前記集束超音波の反射状態を評価すると共に、
前記集束超音波発生手段の前記記録液内部での配置を変化させ、前記液滴の飛翔が生じるように前記集束超音波の強度を上げた状態で前記液滴の飛翔状態を評価することを特徴とする液滴飛翔評価方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００７−２２３１７０（Ｐ２００７−２２３１７０Ａ）
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−４７１０４（Ｐ２００６−４７１０４）
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【出願人】（０００１１３３２２）東芝ホクト電子株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年９月６日（２００７．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年２月２３日（２００６．２．２３）
【出願人】（０００１１３３２２）東芝ホクト電子株式会社 (172)
【Ｆターム（参考）】
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