JP2004066652A - 液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】ノズル4に連通する吐出室6の一部の壁を形成する振動板2に圧電体15が積層され、振動板2を屈曲変位させてノズル4から液滴を吐出させるヘッドであって、振動板2の幅が80μm以下であり、かつ、振動板2には部分的に剛性が小さくなる構造部分12としてヒンジ構造を有する。
【選択図】 図1
Description
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及びインクジェット記録装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用するインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室(インク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。)と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔からインク滴を吐出させる液滴吐出ヘッドが知られている。
【0003】
なお、液滴吐出ヘッドとしては、例えば液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどもあるが、以下ではインクジェットヘッドを中心に説明する。
【0004】
従来の液滴吐出ヘッドとしては、圧力発生手段として圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させる圧電型のものとして、圧電体の伸縮の力を振動板の面に垂直に加えて振動板を変形させる構成、あるいは、いわゆるユニモルフやバイモルフといった屈曲の力で振動板を変形する構成のものがある。
【0005】
ここでユニモルフやバイモルフの構成は、振動板に薄い圧電体を形成しただけの構成であるので、小型化、低コスト化の点で有利である。ユニモルフ型の例として、たとえば特開平6−198895号公報や特開2001−146014号公報に記載されたものなどがある。前者の特開平6−198895号公報に記載のものは、圧電体をスクリーン印刷で形成する方法で、圧電体の厚さが厚いものに向いている。一方、特開2001−146014号公報に記載のものは、圧電体をゾルゲル法、スパッタ法、CVD法、MOD法、レーザーアブレーション法などで形成するもので、圧電体の厚さが薄いものに向いている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、インクジェットヘッドにおいて、高密度印字、高速印字を行うためには吐出室やノズルを高密度に並べる必要がある。そのため、幅の狭い振動板を高密度で並べる必要が出てくるが、振動板の幅を狭くすると、振動板の剛性が大きくなるので撓みづらくなり、インク吐出に必要な振動板の変位が得られなくなる。
【0007】
すなわち、振動板の幅が大きい場合は、振動板面積も大きくなるので、わずかな振動板変位量であっても、振動板変位によって押し出すインクの体積(排除体積)は大きくすることができる。これに対し、振動板の幅が小さくなると、必要な排除体積を得るためには、より大きな振動板変位量を得なければならないが、振動板の幅が狭くなることによって振動板剛性が大きくなり撓みづらくなることが問題となる。
【0008】
ここで、振動板の剛性は、(振動板厚さの3乗)/(振動板幅の4乗)、に比例する。インクを吐出する時の力は振動板の剛性に依存し、振動板の剛性を同じに保とうとした場合、振動板幅を狭くしていくとその比率以上に振動板の厚さを薄くしなければならない。
【0009】
このように、高密度で並べるために振動板の幅を狭くすると、振動板の剛性が大きくなるので撓みづらくなるため、振動板の厚さを薄くするのであるが、振動板の厚さを薄くしていくと、ピンホールなどの発生による不良が増加し、精度良く、歩留まり良く作製するのが困難になる。
【0010】
また、インクジェットヘッドのインクの吐出には振動板の変位量と発生力が必要となってくるが、振動板の幅が大きいときには、振動板が厚くても、幅が大きいために剛性は小さく、必要となる変位量も小さいのでインク吐出のための振動板変位量と発生力を得ることが可能であるが、振動板幅が小さくなると、圧電体、電極、振動板を薄くするのに限界があり、発生力は得やすいが変位量を得ることが困難になる。
【0011】
さらに、圧電体は内部応力が発生しやすく、振動板との積層構造とした場合に、その応力のために振動板に撓みが生じて、振動変位が小さくなってしまったり、変位にばらつきが生じるという問題も生じる。特に、振動板、吐出室、ノズルを高密度に並べた高密度ヘッドでは、振動板も小さくなり、インク滴も小さくなり、より高精度に変位を制御しなければならない。そのため、高密度ヘッドにおいては特に圧電体の応力による振動板の撓みも大きな問題となる。
【0012】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、吐出特性のバラツキの少ない高密度な液滴吐出ヘッド、この液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジ、これらの液滴吐出ヘッド或いはインクカートリッジを備えて高画質記録を可能にしたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズルに連通する吐出室の一部の壁を形成する振動板に圧電体が積層され、振動板を屈曲変位させてノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、振動板の幅が80μm以下であり、かつ、振動板は部分的に剛性が小さくなる構造を有する構成としたものである。
【0014】
ここで、振動板は長手方向の固定端近傍に長手方向と略平行に剛性が小さくなる構造部分を有することが好ましい。また、剛性が小さくなる構造はヒンジ構造とすることができる。さらに、振動板は成膜技術で形成されたものであることが好ましい。さらにまた、剛性が小さくなる構造部分にも下部電極が形成され、あるいは、剛性が小さくなる構造部分にも圧電体が形成されている構成とすることができる。
【0015】
本発明に係るインクカートリッジは、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとこのヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化した構成としたものである。
【0016】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載したものである。
【0017】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。本発明に係る液滴吐出ヘッドの第1実施形態であるインクジェットヘッドについて図1及び図2を参照して説明する。なお、図1は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図、図2は同ヘッドの振動板長辺方向に沿う断面説明図である。
【0018】
このインクジェットヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプのものであり、流路板1と、流路板1の下面に接合した振動板2と、流路板1の上面に接合したノズル板3とを有し、これらによってインク滴を吐出する複数のノズル孔4が連通する吐出室6、各吐出室6に流体抵抗部7を介してインクを供給する共通液室(共通インク室)8などを形成している。なお、エッジシュータタイプとすることもできる。
【0019】
流路板1は、例えばシリコン基板からなり、吐出室6を形成するための凹部と、流体抵抗部7を形成するための溝部、共通液室8を形成するための凹部を有する。この第1基板1の底面に吐出室6及び共通液室8などの底壁ともなる薄膜である振動板2を設けている。
【0020】
この振動板2には、部分的に剛性が小さくなる構造部分12としてのヒンジ構造を形成している。ここで、部分的に剛性が小さくなる構造部分12は、振動板2の長手方向に、後述の圧電体活性部(圧電体が電極間に挟まれた部分)と振動板2の固定端との間に設けるのが、振動変位をより大きくする上で好ましい。また、この例の部分的に剛性が小さくなる構造部分12としてのヒンジ構造は、断面形状で吐出室6側に突き出た略V字形状に形成している。さらに、このヘッドの振動板2の短辺方向の幅aは80μm以下としている。
【0021】
そして、この振動板2の外面側には電極14a、14bで電圧が与えられる圧電体薄膜(薄膜圧電体)15が積層形成されている。圧電体15は、スパッタ法、ゾルゲル法、真空蒸着法、CVD法、水熱法、イオンプレーティング法、パルスレーザーアブレーション法などで形成した薄膜であり、スクリーン印刷などで形成する圧電体に比べて低温で形成できる。
【0022】
また、ノズル板3は、例えば厚さ50μmのニッケル基板を用い、吐出室6と連通するようにそれぞれノズル孔4を形成し、また共通液室8と連通するようにインク供給口を設けている。
【0023】
次に、このように構成したインクジェットヘッドの動作について説明する。まず、インク供給口(図示しない)を経てインクが共通液室8に充填されており、流体抵抗部7を経て各吐出室6にインクが供給される。
【0024】
ここで、駆動回路10から電極14a,14b間に圧電体の分極方向の電圧を印加すると、圧電効果により圧電体15は、面内方向に収縮する(d31変位)。そのため、振動板2に屈曲する方向の力が働き、振動板2は図3に示すように変形する。この振動板2の変位により吐出室6の容積が減少し、吐出室6内の圧力が上昇し、インクがノズル4から吐出される。印加電圧をオフにすると、振動板2及び圧電体15の弾性力によりもとの状態に復帰する。このときインクが共通液室8から供給される。
【0025】
このとき、振動板2には剛性が小さくなる構造部分12(ここではヒンジ)を設けているので、振動板2の幅が80μm以下の場合でも吐出体積と吐出速度とを確保することができる。
【0026】
この点について、ヒンジを持たないヘッド(これを「従来例のヘッド」という。)とヒンジを持つヘッド(本発明のヘッド)との比較結果に基づいて説明する。
【0027】
先ず、従来例のヘッドにおいて、振動板幅(吐出室幅)120μmの場合の圧電体厚さ(PZT厚さ)とインク滴吐出速度Vj及び吐出体積Mjとの関係の一例を図4及び図5に示している。ここでは、圧電体の圧電定数d31は150E−12(m/V)、圧電体の電極はPtを用い厚さは0.05μm、印加電圧25V、振動板長さ2.4mm、振動板はシリコン酸化膜で形成したものを用いた。また、この例では、振動板厚2.0μm、3.0μmの場合を示している。
【0028】
これらの図4及び図5から分かるように、インク滴吐出速度、吐出体積ともに十分な数値が得られている。インク吐出速度は、主に振動板の発生力に依存し、吐出体積は、主に振動板の排除体積に依存する。
【0029】
同様に、従来例のヘッドにおいて、振動板幅(吐出室幅)80μmの場合の圧電体厚さ(PZT厚さ)とインク滴吐出速度Vj及び吐出体積Mjとの関係の一例を図6及び図7に示している。この例では、振動板の長さは1.6mmとし、振動板厚0.3μm、0.5μm、0.7μm、0.9μmの場合を示している。
【0030】
同様に、従来例のヘッドにおいて、振動板幅(吐出室幅)40μmの場合の圧電体厚さ(PZT厚さ)とインク滴吐出速度Vj及び吐出体積Mjとの関係の一例を図8及び図9に示している。この例では、振動板の長さは0.8mmとし、振動板厚0.1μm、0.3μm、0.5μmの場合を示している。
【0031】
振動板の長さを長くすると、吐出体積が大きくなる傾向にあるが、このように狭い振動板幅の場合、吐出室幅も狭くなる。吐出室の長さも長くなると、インクの流れが悪くなり、高周波数駆動についていけなくなるという不具合が生じる。このような幅の狭い吐出室の場合、吐出室幅に対する吐出室長さの比が20以上では高周波数駆動が困難になってくる。したがって、振動板の長さは吐出室の形状から最大値が決定される。
【0032】
振動板幅80μmは、1列に配列すると300dpi相当となる。記録紙上で300dpiで記録ドットを埋め尽くすためには、1パルスでのインク滴吐出体積は8pl以上あれば、複数パルスでの多滴技術を使って可能であるが、8pl未満では、パルス数が増えるために印字速度が低下してしまい現実的ではない。
【0033】
他方、インク滴吐出速度は8m/sec以上が必要である。吐出速度が8m/sec未満になると、着弾位置ずれによる記録紙上での色ずれなどが大きくなり、高画質が得られなくなる。
【0034】
上述した図6及び図7から、従来例のヘッドにおいて、振動板幅80μmとした場合、PZT厚さを0.5〜1μm程度以下にすれば吐出体積は8pl以上得られるが、吐出速度8m/sec以上が得られなくなる。
【0035】
また、振動板幅40μmは、1列に配列すると600dpi相当となる。600dpiで記録ドットを埋め尽くすには、1パルスでのインク吐出体積は4pl以上必要である。この振動板幅40μmでは、図8からは吐出速度8m/sec以上が十分に得られるが、図9から分かるように吐出体積は4plを得ることはできない。
【0036】
このように、従来のユニモルフ型の振動板を屈曲させるインクジェットヘッドにおいては、振動板幅が80μm以下になると、インク吐出速度と吐出体積とを両立することが困難になる。
【0037】
これに対し、ヒンジを設けた本発明に係るヘッドにおいて、振動板幅80μmの場合の圧電体厚さ(PZT厚さ)とインク滴吐出速度Vj及び吐出体積Mjとの関係の一例を図10及び図11に示している。この例では、振動板厚0.5μm、0.7μmの場合を示している。
【0038】
これらの図から分かるように、振動板厚さ0.5μmの場合、圧電体の厚さを0.75〜1.8μmの範囲内とすることによって、吐出速度8m/sec以上、吐出体積8pl以上の両方を得ることができる。また、振動板厚さ0.7μmの場合、圧電体厚さを0.6〜1.6μmの範囲内とすることによって、同様に、吐出速度8m/sec以上、吐出体積8pl以上の両方を得ることができる。
【0039】
また、振動板幅40μmの場合の圧電体厚さ(PZT厚さ)とインク滴吐出速度Vj及び吐出体積Mjとの関係の一例を図12及び図13に示している。この例では、振動板厚0.3μm、0.5μmの場合を示している。
【0040】
これらの図から分かるように、振動板厚さ0.3μmの場合、圧電体の厚さを0.85μm以下とすることによって、吐出速度8m/sec以上、吐出体積8pl以上の両方を得ることができる。また、振動板厚さ0.5μmの場合、圧電体厚さを0.7μm以下とすることによって、同様に、吐出速度8m/sec以上、吐出体積8pl以上の両方を得ることができる。
【0041】
以上のように、振動板幅が広い場合はヒンジがなくても、吐出速度、吐出体積ともに満たすことができるが、振動板の幅が狭くなると、振動板の剛性が大きくなり、振動板が撓みづらくなり、変位がとれなくなってくるので、振動板を薄くしなければならない。300dpi相当のヘッドにおいて必要な振動板幅80μm以下になると、作製工程上、あるいは歩留まりの観点から振動板を薄くする限界になり、必要なインク吐出体積を得るだけの振動板の変位がとれなくなってくる。
【0042】
そこで、本発明のように振動板幅が80μm以下としてヒンジ(部分的に剛性の小さくなる構造部分)を設けることによって、300dpi以上のヘッドにおいても吐出速度と吐出体積の両者を満足する特性が得られ、高密度記録、高画質記録が可能になる。
【0043】
ここで、図3に示すように、圧電体15の変位により振動板2の曲げの力Aと、振動板2の引張りの力Bが働く。ヒンジ構造は、その両方の力に対して有効に働くので、振動板の剛性を小さくする構造のなかでも特に優れている。
【0044】
また、圧電体は内部応力が大きく、薄い振動板と積層すると、その応力によって振動板が撓んでしまうといった問題が生じ、特に、振動板が高密度で並んだ高密度ヘッドにおいては、振動板変位を高精度に制御して、微小インク滴を吐出するので、そのような問題の影響は大きくなる。本発明に係る液滴吐出ヘッドのように剛性の小さい構造部分、例えば、ヒンジを設けることによって、圧電体の応力をヒンジで吸収することができ、応力による撓みの少ない振動板を作製することができる。そのため、振動変位が小さくなったり、ばらついたりして、吐出特性にバラツキが生じるという問題も解決することができる。
【0045】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの作製方法の一例を図14及び図15を参照して説明する。
先ず、図14(a)に示すように、シリコン基板31にヒンジ形状を決めるレジストパターン32を形成する。パターン開口幅はここでは2μmとした。そして、同図(b)に示すように、レジストパターン32をマスクとして、深さ2μmのドライエッチングを行い、凹部33を形成する。
【0046】
その後、レジストを除去し、同図(c)に示すように、熱酸化膜34を0.5μm厚みに形成する。この熱酸化膜34は、後に振動板となるものであり、厚さは振動板の厚さの設計に合わせて適宜選択する。また、熱酸化膜は一般的に圧縮応力をもつ膜である。振動板としたときに圧縮応力が問題となる場合は、引張り応力の膜、例えばシリコン窒化膜などを積層することによって応力緩和することができる。
【0047】
次いで、同図(d)に示すように、凹部33を形成した面に下部電極14aとなるPt層35aを密着層となるTi層を介してスパッタなどで0.05μm厚みに成膜する。
【0048】
その後、図15(a)に示すように、Pt層35a表面にゾル・ゲル法で圧電体膜前駆体をコーティングし、700℃で焼成して圧電体15となる圧電体膜36を形成する。ゾル・ゲル法以外にはスパッタ法、CVD法、MOD法、レーザアブレーション法などの薄膜成膜法で圧電膜を形成してもよい。また、スクリーン印刷法などによっても圧電体膜を形成することが可能であるが、微細で薄い圧電体膜を形成するには薄膜成膜法のほうが好ましい。さらに、同図(b)に示すように、圧電体膜36表面に上部電極14bとなるPt層35bを0.05μm厚みに成膜する。
【0049】
次いで、同図(c)に示すように、吐出室6が形成されるべき位置に合わせて適当なエッチングマスクを施す。そして、ドライエッチング法を用いて、Pt層35b、圧電体膜36、Pt膜35aを所定の分離形状に形成して、各吐出室6に対応する下部電極14a、圧電体15、上部電極14bを形成する。
【0050】
その後、同図(d)に示すように、基板31の吐出室を形成する側の面に吐出室6や共通液室8のレジストパターンを形成し、熱酸化膜34をエッチング除去し、続いて、ICPによってシリコン基板31にエッチングを施す。圧電体側の熱酸化膜34に到達するとエッチングが停止し、振動板2が形成される。このとき、振動板2には凹部33に対応する部分でヒンジ12が形成される。
【0051】
なお、ICP以外にもKOHやTMAHなどによる異方性ウェットエッチの方法でも可能である。異方性ウェットエッチでは吐出室6や共通液室8の内壁にテーパーが形成されてスペースがロスしたり、エッチング時に圧電体側をエッチングから保護する手段が必要なので、ICPが好ましい。
【0052】
ヒンジを振動板に設けるためには、以上に説明した作製方法のように振動板を成膜による方法で作製することが好ましい。本作製方法によれば、シリコン基板31に凹部33を形成し、振動板2となる膜を成膜することによって、凹部33の形状が振動板2に転写されて容易にヒンジ12を形成することができる。
【0053】
なお、ここでは、振動板材料として熱酸化膜を例としたが、プラズマCVD、熱CVD、スパッタ、HTO、LTOなどその他の成膜法で形成されたシリコン酸化膜やシリコン窒化膜、あるいはスパッタ、抵抗加熱蒸着、EB蒸着などで形成された金属膜、あるいはそれらの積層膜でもよい。金属膜を用いた場合は、金属膜を下部電極として用いることもできる。
【0054】
本作製方法によれば、凹部を作製するマスクパターン形状を変えたり、異方性ウェットエッチング、等方性ウェットエッチ、異方性ドライエッチ、等方性ドライエッチといったエッチング方法を変えたり、エッチング条件を変えたりすることによって、種々の形状のヒンジ構造を形成することが可能である。
【0055】
ここで、部分的に剛性が小さくなる構造部分12としてのヒンジ構造の他の異なる例について図16ないし図21を参照して説明する。
図16に示す他の第1例の構造部分12は、断面形状で吐出室6側と反対側に突き出た略V字形状に形成している。図17に示す他の第2例の構造部分42は、断面形状で略W字形状に形成している。図18に示す他の第3例の構造部分52は、断面形状で吐出室6側と反対側に突き出た湾曲形状に形成している。図19に示す他の第4例の構造部分52は、断面形状で吐出室6側に突き出た湾曲形状に形成している。図20に示す他の第5例の構造部分62は、断面形状で吐出室6側に向かう方向の段差部を有する形状に形成している。図21に示す他の第6例の構造部分62は、断面形状で吐出室6側と反対側に向かう方向の段差部を有する形状に形成している。
【0056】
次に、本発明の第2実施形態に係るインクジェットヘッドについて図22を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板2に断面形状で吐出室6側に向かう凸状のヒンジ構造である部分的に剛性が小さくなる構造部分72を形成するとともに、下部電極14aを形成する電極材料の層をパターニングしないで、そのまま振動板2と下部電極14aとの積層構造としている。
【0057】
この場合、ヒンジ構造(部分的に剛性が小さくなる構造部分72)があるために全面に下部電極14aが形成されていると、振動板2の厚さは下部電極14aの分だけ厚くなるが、ヒンジ構造(部分的に剛性が小さくなる構造部分72)によって振動板2の剛性を部分的に小さくすることができ、下部電極14aがあるために振動板2が撓まなくなるのを避けることができる。
【0058】
このようにすれば、下部電極14aのパターニングがないために、製造工程を少なくでき、製造コストも低くすることができる。
【0059】
次に、本発明の第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図23を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板2に断面形状で吐出室6側に向かう凸状のヒンジ構造である部分的に剛性が小さくなる構造部分72を形成するとともに、圧電体15を形成する圧電体層をパターニングしないで、そのまま振動板2と圧電体15を形成する圧電体層との積層構造としている。
【0060】
圧電体のエッチングは時間がかかるので、圧電体のパターニング工程を除くことによって製造コストを下げることができる。なお、本実施形態では、圧電体がパターニングされていなく、その分振動板の厚さが厚くなるが、ヒンジ構造によって振動板の剛性を下げて振動板が撓みやすくできる。
【0061】
なお、下部電極14aを形成する電極材料層と圧電体15を形成する圧電体層の両方がパターニングされていない構造とすることもできる。
【0062】
次に、本発明の第4実施形態の異なる例に係るインクジェットヘッドについて図24及び図25を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板2に部分的に厚みが薄くなる構造を形成して部分的に剛性が小さくなる構造部分82を形成しており、図24は片面から掘り込んだ例、図25は両面から掘り込んだ例である。
【0063】
次に、本発明の第5実施形態の異なる例に係るインクジェットヘッドについて図26を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図である。
この実施形態では、振動板2に部分的にヤング率の小さな材料を設けて部分的に剛性が小さくなる構造部分92を形成した例である。
【0064】
なお、上記実施形態においては、伸縮する圧電体と振動板の伸縮の差によって屈曲させるユニモルフ型を例としたが、圧電体自体の厚さ方向で伸縮率に分布を持っていて、圧電体自体で屈曲を起こすモノモルフ型、互いに逆方向に伸縮する圧電体を積層したバイモルフ型を使ったインクジェットヘッドなどの液滴吐出ヘッドにも同様に適用することができる。
【0065】
次に、本発明に係るインクカートリッジの一例について図27を参照して説明する。
このインクカートリッジ100は、ノズル孔101等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド102と、このインクジェットヘッド102に対してインクを供給するインクタンク103とを一体化したものである。
【0066】
このように本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドとインクタンクとを一体化したインクカートリッジを構成することで、高密度に吐出室を並べることができてヘッドの大きさを小さくでき、その結果、インクカートリッジ全体の大きさも小さくなって、小型化、低コスト化を図れる。
【0067】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の一例について図28及び図29を参照して説明する。なお、図28は同記録装置の斜視説明図、図29は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【0068】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部112等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙113を手差しで給紙するための手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カセット114或いは手差しトレイ115から給送される用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ116に排紙する。
【0069】
印字機構部112は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方向(図22で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、このキャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123にはヘッド124に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ125を交換可能に装着している。なお、ここではヘッドとインクカートリッジとを別体とした構成で説明しているが、本発明に係るタンク一体型ヘッドであるインクカートリッジを搭載するようにすることもできる。
【0070】
インクカートリッジ125は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【0071】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
【0072】
ここで、キャリッジ123は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド122に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動プーリ129との間にタイミングベルト130を張装し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に固定しており、主走査モーター127の正逆回転によりキャリッジ123が往復駆動される。
【0073】
一方、給紙カセット114にセットした用紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ローラ131及びフリクションパッド132と、用紙113を案内するガイド部材133と、給紙された用紙113を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ134は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転駆動される。
【0074】
そして、キャリッジ123の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材139を設けている。この印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車144と、排紙経路を形成するガイド部材145,146とを配設している。
【0075】
記録時には、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動することにより、停止している用紙113にインクを吐出して1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙113を排紙する。この場合、ヘッド124を構成する本発明に係るインクジェットヘッドは高密度に吐出室、ノズルを配置した300dpi以上の密度を有するヘッドであるので、高い画像品質の画像を記録することができる。
【0076】
また、キャリッジ123の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良を回復するための回復装置147を配置している。回復装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこの回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【0077】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【0078】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドを搭載しているので、高密度でインク滴を吐出することができて、印字速度が高速で、高い画像品質を記録できる小型の記録装置とすることができる。
【0079】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【0080】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、振動板の幅が80μm以下であり、かつ、振動板は部分的に剛性が小さくなる構造を有する構成としたので、吐出特性のバラツキの少ない高密度な液滴吐出ヘッドが得られる。
【0081】
本発明に係るインクカートリッジによれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドとこのヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したので、吐出特性のバラツキの少ない高密度なヘッド部を有する小型のインクカートリッジを得ることができる。
【0082】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、高速で高画質記録を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液滴吐出ヘッドの第1実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図2】同ヘッドの振動板長辺方向に沿う断面説明図
【図3】同ヘッドの作動説明に供する説明図
【図4】従来のヘッドにおける振動板幅120μmでの圧電体厚さと吐出速度特性との関係の一例を示す説明図
【図5】従来のヘッドにおける振動板幅120μmでの圧電体厚さと吐出体積特性との関係の一例を示す説明図
【図6】従来のヘッドにおける振動板幅80μmでの圧電体厚さと吐出速度特性との関係の一例を示す説明図
【図7】従来のヘッドにおける振動板幅80μmでの圧電体厚さと吐出体積特性との関係の一例を示す説明図
【図8】従来のヘッドにおける振動板幅40μmでの圧電体厚さと吐出速度特性との関係の一例を示す説明図
【図9】従来のヘッドにおける振動板幅40μmでの圧電体厚さと吐出体積特性との関係の一例を示す説明図
【図10】本発明のヘッドにおける振動板幅80μmでの圧電体厚さと吐出速度特性との関係の一例を示す説明図
【図11】本発明のヘッドにおける振動板幅80μmでの圧電体厚さと吐出体積特性との関係の一例を示す説明図
【図12】本発明のヘッドにおける振動板幅40μmでの圧電体厚さと吐出速度特性との関係の一例を示す説明図
【図13】本発明のヘッドにおける振動板幅40μmでの圧電体厚さと吐出体積特性との関係の一例を示す説明図
【図14】本発明に係るヘッドの製作工程の一例を説明する断面説明図
【図15】図14に続く工程を説明する断面説明図
【図16】同実施形態の他の第1例の説明に供する断面説明図
【図17】同実施形態の他の第2例の説明に供する断面説明図
【図18】同実施形態の他の第3例の説明に供する断面説明図
【図19】同実施形態の他の第4例の説明に供する断面説明図
【図20】同実施形態の他の第5例の説明に供する断面説明図
【図21】同実施形態の他の第6例の説明に供する断面説明図
【図22】本発明の液滴吐出ヘッドの第2実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図23】本発明の液滴吐出ヘッドの第3実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図24】本発明の液滴吐出ヘッドの第4実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図25】同実施形態の他の例に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図26】本発明の液滴吐出ヘッドの第5実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板短辺方向に沿う断面説明図
【図27】本発明に係るインクカートリッジの説明に供する斜視説明図
【図28】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図29】同記録装置の機構部の説明図
【符号の説明】
1…流路板、2…振動板、3…ノズル板、4…ノズル孔、6…吐出室、7…流体抵抗部、8…共通液室、12…部分的に剛性が小さくなる構造部分、14a、14b…電極、15…圧電体、100…インクカートリッジ、124…ヘッド。
Claims (8)
- ノズルに連通する吐出室の一部の壁を形成する振動板に圧電体が積層され、前記振動板を屈曲変位させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の幅が80μm以下であり、かつ、前記振動板は部分的に剛性が小さくなる構造を有すること特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は長手方向の固定端近傍に長手方向と略平行に前記剛性が小さくなる構造部分を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記剛性が小さくなる構造はヒンジ構造であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項1ないし3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は成膜技術で形成されたものであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項1ないし4のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記剛性が小さくなる構造部分にも下部電極が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- 請求項1ないし5のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記剛性が小さくなる構造部分にも前記圧電体が形成されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
- インク滴を吐出するインクジェットヘッドとこのヘッドにインクを供給するインクタンクとを一体化したインクカートリッジにおいて、前記インクジェットヘッドが請求項1ないし6のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクカートリッジ。
- インク滴を吐出するインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドが請求項1ないし6のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。
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