JP2005246656A

JP2005246656A - 液滴吐出ヘッド、液体吐出装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2005246656A
Application number: JP2004057044A
Authority: JP
Inventors: Kiyoshi Yamaguchi; 清山口; Takafumi Sasaki; 隆文佐々木
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2004-03-02
Filing date: 2004-03-02
Publication date: 2005-09-15
Also published as: CN1771130A; US20070008388A1; WO2005082628A1; KR20060008956A; EP1720708A4; EP1720708A1

Abstract

【課題】圧電素子に鉛を含有するＰＺＴが用いられているため、環境に対する配慮が十分でない。
【解決手段】液滴を吐出するノズル１と、ノズル１が連通する圧力室２と、圧力室２の少なくとも一部の壁面を形成する振動板３と、この振動板３を介して圧力室２内の液体を加圧するための圧電素子４とを備え、圧電素子４の圧電材料として、鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料を主成分とする、ジルコン酸バリウム（ＢａＺｒＯ_３）を固溶させたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を用いた。
【選択図】図２

Description

本発明は液滴吐出ヘッド、液体吐出装置及び画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プリンタ／ファックス／複写機の複合機等の画像形成装置として、液滴吐出ヘッドを含む液体吐出装置を備えたインクジェット記録装置が知られている。インクジェット記録装置は、記録ヘッドから被記録媒体（用紙、記録媒体、記録紙などとも称される。）に記録液の液滴を吐出して画像形成（記録、印字、印刷、印写も同義で使用する。）を行うものであり、高精細な画像を高速で記録することができ、ランニングコストが安く、騒音が少なく、しかも、多色のインクを使用してカラー画像を記録するのが容易であるなどの利点を有している。

このようなインクジェット記録装置に用いるインクジェットヘッドとして、液滴を吐出するノズルが連通する液室（加圧室、加圧液室、圧力室などとも称される。）と、この液室の壁面の一部を形成する振動板と、この振動板を変形させる電気機械変換素子としての圧電素子を備えたものが知られている。

このようなインクジェットにおいて用いる圧電素子を構成する圧電材料としては、従来、例えば特許文献１、２、３などに記載されているように、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸鉛(ＰｂＴｉＯ_３)の固溶体に酸化ニオブ(Ｎｂ_２Ｏ_５)などの添加物を少量加えた、いわゆるＰＺＴ系や、これらとは別にＰＺＴにＰｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３などの鉛系複合ペロブスカイトを固溶させた、いわゆる「三成分系」と一般に呼ばれる固溶体が主に使用されている。
特開２００３−０９４６５２号公報特開２００３−２３７０６５号公報特許第３１７８４１４号公報

ＰＺＴはキュリー点が３６０℃と高いため、ヘッド製造過程での熱の影響を受けにくく、また焼結温度が９００〜１２００℃と比較的低いため、内層電極に低コストな金属を使用可能であるなどの利点を有している。

しかしながら、上述した圧電セラミック材料は、生態系に対して好ましくない酸化鉛を重量にして７０％程度含んでいる。このため、これらが不法廃棄された場合、酸性雨により自然環境へ鉛化合物が拡散し、人体や生態系への影響を与えることが懸念される。

また、圧電素子を用いるインクジェット記録装置特有の問題として次のようなことがある。つまり、インクジェットプリンタは他の作像方式を持つプリンタと比較して安価であり、一般家庭用途向けなどに大量に消費されている。このような安価なプリンタに鉛を含む圧電素子が使用されている場合、販売時の利益に対する鉛の回収コストの割合が大きい。また、使用されているヘッド部分は機械的に非常に高精度な位置出しが行われているため、分解のコストも大きくなる。その結果、鉛の回収に対する製造者側の負担が非常に大きくなる。

本発明は上記の課題を鑑みてなされたものであり、環境汚染リスクが低くかつ破棄コストも低い液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた液体吐出装置、画像形成装置を提供することを目的とする。

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、鉛成分を含有していない圧電素子を用いてノズルから液滴を吐出させる構成とした。

ここで、圧電素子は主成分が鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料で形成することができる。この場合、圧電素子の主成分はチタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、ニッケルチタン酸ビスマスのいずれかであることが好ましい。

また、圧電素子は主成分がタングステン・ブロンズ型結晶構造を持つ材料で形成することができる。この場合、圧電素子の主成分がＢａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５であることが好ましい。

さらに、圧電素子は主成分がビスマス層状化合物を持つ材料で形成することができる。この場合、圧電素子の主成分がＢｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２であることが好ましい。

本発明に係る液体吐出装置及び画像形成装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッド、液体吐出装置及び画像形成装置によれば、鉛成分を含有しない圧電素子を用いて液滴を吐出させるので、環境汚染リスクが低く、しかも、破棄コストも低くなる。

以下、本発明の実施の形態について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実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの外観斜視説明図、図２は同ヘッドの分解斜視説明図、図３は同ヘッドの断面説明図である。

この液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル１と、ノズル１が連通する圧力室２と、圧力室２の一部の壁面を形成する振動板３と、この振動板３を介して圧力室２内の液体を加圧するためのアクチュエータ手段（圧力発生手段、駆動手段などとも称する）としての圧電素子４と、複数の圧力室２に記録液であるインクを液体供給路６及び液体供給口７を介して供給するための共通液室８と、この共通液室８に外部からインクを供給する供給口９などを有している。

ノズル１はノズル板１１に直線状に２列に並べて形成されている。このノズル板１１は例えばＮｉ電鋳などで形成したものを用いているが、これに限るものではない。個々の圧力室２は例えばシリコン基板からなる流路板１２に形成され、この流路板１２の底面側に振動板３を形成する振動板部材１３が接合されている。

これにより、共通液室８に外部から供給された記録液であるインクは、液体供給口７及び液体供給路６を通じて圧力室２に供給され、振動板３を介して圧電素子４の変位によって圧力室２内が加圧されることによってノズル１から液滴が吐出される。

圧電素子４はノズル１の列に対応するようにベース１４上に接合配置している。具体的には、図４及び図５に示すように、ベース１４上に接合した２つの圧電素子部材１５に対してノズル１の各々に対応するように溝１６を形成することで櫛歯状に溝加工して形成している。

この圧電素子４は鉛を含有しない圧電材料（圧電セラミック）からなる圧電層と内部電極層とを交互に積層した積層型圧電素子であり、内部電極は交互に端面に引き出して端面電極（外部電極）に接続している。そして、個別電極となる一方の端面電極（外部電極）１７及び図示しない共通電極となる他方の端面電極には駆動信号を与えるためのＦＰＣ１８が異方性導電膜を介して接続される。

共通液室８はフレーム部材２０に形成し、このフレーム部材２０には外部の液体供給手段、例えばインクカートリッジやサブタンクからインクを供給するための供給口９を形成し、また、上述した圧電素子４、ベース１４及びＦＰＣ１８を含む圧電ユニット２５（図４参照）を収納するための開口部２１を形成している。さらに、フレーム部材２０には振動板部材１３の周縁部を接合している。

このヘッドにおける圧電素子４の圧電材料しては、鉛成分を含まない圧電材料、具体的には、鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料を主成分とする、例えば、ジルコン酸バリウム（ＢａＺｒＯ_３）を固溶させたチタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）を用いている。

このジルコン酸バリウムを固溶させたチタン酸バリウムは、電気機械結合係数が０．５とＰＺＴに近い値を持ち、また、ペロブスカイト結晶構造であるために結晶異方性が小さいなどの良好な圧電特性が得られる。

ただし、キュリー点が１３０℃程度と低く、このため、半田付けに比べて低温での接続が可能な異方性導電膜によって電気的な接合を行うようにしているが、ワイヤービンディングなどの方法でも可能である。

なお、ここでは、ジルコン酸バリウムを固溶させたチタン酸バリウムを用いているが、これとは別に微量なＦｅもしくはＫを含有したチタン酸バリウムを用いることもできる。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいてはアクチュエータ手段としての圧電素子内に鉛を全く含有していないので、環境汚染リスクが低く、かつ、破棄コストも低くなる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態について説明する。なお、構造は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
この実施形態では、圧電素子４の圧電材料（圧電セラミックス）として、鉛成分を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料である、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）を主成分としたセラミックを用いている。

このニオブ酸カリウムを主成分としたセラミックでは電気機械結合係数が０．５とＰＺＴに近い値を得ることが可能であり、また、ペロブスカイト型結晶構造であるために結晶異方性が小さいなどの良好な圧電特性が得られる。また、キュリー点が４３５℃と非常に高いため、ＰＺＴと同様に半田付けによるＦＰＣの実装も可能となる。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいてもアクチュエータ手段としての圧電素子内に鉛を全く含有していないので、環境汚染リスクが低く、かつ、破棄コストも低くなることは前記第１実施形態と同様である。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第３実施形態について説明する。なお、構造は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
この実施形態では、圧電素子４の圧電材料（圧電セラミックス）として、鉛成分を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料である、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_０．５Ｎａ_０．５）ＴｉＯ_３）を主成分としたセラミックを用いている。

このチタン酸ビスマスナトリウムを主成分としたセラミックでは焼結温度が１２００℃以下であるため、きわめて高価な金属である内層電極内のパラジウムの含有量を下げることが可能となり、低コストでの製造が可能となる。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいてもアクチュエータ手段としての圧電素子内に鉛を全く含有していないので、環境汚染リスクが低く、かつ、破棄コストも低くなることは前記各実施形態と同様である。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第４実施形態について説明する。なお、構造は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
この実施形態では、圧電素子４の圧電材料（圧電セラミックス）として、鉛成分を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料である、ニッケルチタン酸ビスマス（ＢＢｉ（Ｎｉ_０．５Ｔｉ_０．５）Ｏ_３）を主成分としたセラミックを用いている。

このニッケルチタン酸ビスマスを主成分としたセラミックではキュリー点が２５０℃程度と比較的に高いため、ＰＺＴと同様に半田付けによるＦＰＣの実装が可能となる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第５実施形態について説明する。なお、構造は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
この実施形態では、圧電素子４の圧電材料（圧電セラミックス）として、タングステン・ブロンズ型結晶構造を持つ材料である、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５を主成分としたセラミックを用いている。

このタングステン・ブロンズ型結晶構造を持つ材料であるＢａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５を主成分とした材料系では、圧電歪ｄ３３定数が２５０ｐＣ／Ｎと大きくて、低電圧での駆動が可能であり、駆動回路系などのコストを抑えることができ、安価に高機能な画像形成装置を構築することが可能である。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第６実施形態について説明する。なお、構造は第１実施形態と同様であるので説明を省略する。
この実施形態では、圧電素子４の圧電材料（圧電セラミックス）としてとして、ビスマス層状化合物を持つ材料である、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２を主成分としたセラミックを用いている。

このビスマス層状化合物を持つ材料であるＢｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２を主成分とした材料系では、圧電歪ｄ３３定数が比較的大きく、低電圧での駆動が可能であり、駆動回路系などのコストを抑えることができ、安価に高機能な画像形成装置を構築することが可能である。また、構成元素としてアルカリ金属を用いていないため、焼成時の組成制御性も良く量産性が優れている。

なお、主成分が鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料としては、上記各実施形態で説明した、チタン酸バリウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、ニッケルチタン酸ビスマスに限るものではなく、同様に、主成分がタングステン・ブロンズ型結晶構造を持つ材料としては、上記実施形態で説明した、Ｂａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５に限るものではなく、同様に、主成分がビスマス層状化合物を持つ材料としては、上記実施形態で説明した、Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２に限るものではない。

また、上記実施形態では積層型圧電素子を用いたヘッドで説明しているが、バイモルフ型圧電素子を用いたヘッドにも適用することができ、積層型圧電素子でもｄ３３方向の変位を利用するもの、ｄ３１方向の変位を利用するもののいずれにも適用することができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えた液体吐出装置としての本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置について図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は同画像形成装置の機構部の全体構成を説明する構成図、図７は同装置の要部平面説明図である。

この画像形成装置は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材であるガイドロッド１０１とステー１０２とでキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持し、主走査モータ１０４に取り付けたプーリ１０６ａと他方側に配置したプーリ１０６ｂとの間にタイミングベルト１０５にキャリッジ１０３を取り付けて、主走査モータ１０４でタイミングベルト１０５を介してキャリッジ１０３をキャリッジ主走査方向に移動走査する。

このキャリッジ１０３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４個のインクジェットヘッドからなる記録ヘッド１０７を複数の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１０３には、記録ヘッド１０７に各色のインクを供給するための各色のサブタンク１０８を搭載している。このサブタンク１０８には図示しないインク供給チューブを介してメインタンク（インクカートリッジ）からインクが補充供給される。

一方、給紙カセット１１０などの用紙積載部（圧板）１１１上に積載した用紙１１２を給紙するための給紙部として、用紙積載部１１１から用紙１１２を１枚づつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）１１３及び給紙コロ１１３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド１１４を備え、この分離パッド１１４は給紙コロ１１３側に付勢されている。

そして、この給紙部から給紙された用紙１１２を記録ヘッド１０７の下方側で搬送するための搬送部として、用紙１１２を静電吸着して搬送するための搬送ベルト１２１と、給紙部からガイド１１５を介して送られる用紙１１２を搬送ベルト１２１との間で挟んで搬送するためのカウンタローラ１２２と、略鉛直上方に送られる用紙１１２を略９０°方向転換させて搬送ベルト１２１上に倣わせるための搬送ガイド１２３と、押さえ部材１２４で搬送ベルト１２１側に付勢された先端加圧コロ１２５とを備えている。また、搬送ベルト１２１表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ１２６を備えている。

ここで、搬送ベルト１２１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８との間に掛け渡されて、副走査モータ１３１からタイミングベルト１３２及びタイミングローラ１３３を介して搬送ローラ１２７が回転されることで、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成している。

この搬送ベルト１２１は、抵抗制御を行っていない純粋な厚さ４０μｍ程度の樹脂材、例えばＥＴＦＥピュア材で形成した用紙吸着面となる表層２１ａと、この表層と同材質でカーボンによる抵抗制御を行った裏層（中抵抗層、アース層）とを有している。

帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１の表層に接触し、搬送ベルト２１の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各２．５Ｎをかけている。また、搬送ローラ１２７はアースローラの役目も担っており、搬送ベルト１２１の中抵抗層（裏層）と接触配置され接地している。

また、搬送ベルト２１の裏側には、記録ヘッド１０７による印写領域に対応してガイド部材１３６を配置している。このガイド部材１３６は、上面が搬送ベルト１２１を支持する２つのローラ（搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８）の接線よりも記録ヘッド１０７側に突出している。これにより、搬送ベルト１２１は印写領域ではガイド部材１３６の上面にて押し上げられてガイドされる。

さらに、記録ヘッド１０７で記録された用紙１１２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２１から用紙１１２を分離するための分離部と、排紙ローラ１４２及び排紙コロ１４３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１４４とを備えている。また、背部には両面給紙ユニット１５１が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５１は搬送ベルト１２１の逆方向回転で戻される用紙１１２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙する。

このように構成した画像形成装置においては、給紙部から用紙１１２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１２はガイド１１５で案内され、搬送ベルト１２１とカウンタローラ１２２との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド１２３で案内されて先端加圧コロ１２５で搬送ベルト１２１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、図示しない制御回路によって高圧電源から帯電ローラ１２６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト１２１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト１２１上に用紙１１２が給送されることで、用紙１１２が搬送ベルト１２１に静電的に吸着され、搬送ベルト１２１の周回移動によって用紙１１２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ１０３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０７を駆動することにより、停止している用紙１１２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙１１２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙１１２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙１２を排紙トレイ１４４に排紙する。

このように、この画像形成装置は本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているのでヘッドに鉛成分が含まれず、不法投棄などされた場合に鉛成分が環境に拡散することがなく、また回収、分解コストも廉価になり、再利用が容易になる。

なお、ここでは液体吐出装置として画像形成装置であるインクジェット記録装置について説明しているが、これに限るものではない。インク等の液体の付与が行われる被記録媒体としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板等に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポンジ等の三次元構造体等を用いることができる。

また、液体吐出装置としては、各種の紙やＯＨＰシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、または布帛に記録を行う捺染装置等をも含むものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの第１実施形態を説明する外観斜視説明図である。同ヘッドの分解斜視説明図である。同ヘッドの断面説明図である。同ヘッドの圧電アクチュエータの斜視説明図である。図４の要部拡大斜視説明図である。本発明に係る液体吐出装置を含む画像形成装置の機構部の一例を示す全体構成図である。同画像形成装置の要部平面説明図である。

符号の説明

１…ノズル
２…圧力室
３…振動板
４…圧電素子
６…液体供給路
７…液体供給口
８…共通液室
１１…ノズル板
１２…流路板
１３…振動板部材
１４…ベース
１８…ＦＰＣ
２０…フレーム部材
１０７…記録ヘッド

Claims

圧電素子を用い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、前記圧電素子には鉛成分を含有していないことを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、前記圧電素子の主成分が鉛を含有しないペロブスカイト型結晶構造を持つ材料であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がチタン酸バリウムであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がニオブ酸カリウムであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がチタン酸ビスマスナトリウムであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がニッケルチタン酸ビスマスであることを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、前記圧電素子の主成分がタングステン・ブロンズ型結晶構造を持つ材料であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項７に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がＢａ_２ＮａＮｂ_５Ｏ_１５であることを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、前記圧電素子の主成分がビスマス層状化合物を持つ材料であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記圧電素子の主成分がＢｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２であることを特徴とする液滴吐出ヘッド
液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えた液体吐出装置において、請求項１ないし１０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液体吐出装置。
記録液の液滴を吐出して被記録媒体に画像を形成する画像形成装置において、請求項１ないし１０のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。