JP2006347070A - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高密度化されたヘッドのスジムラの視認性を低減させる。
【解決手段】液体が充填される圧力室毎に設けられる略薄板状の複数の圧電素子の変位を利用して、前記圧力室内の前記液体を加圧し、前記圧力室に連通するノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電素子の厚さ方向は、前記ノズルの液体吐出方向に略垂直であり、且つ、前記圧電素子は前記圧電素子の厚さ方向に複数配列されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供することにより、前記課題を解決する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、液体吐出ヘッド及び画像形成装置に係り、特に、ノズルが高密度に配置された液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。

従来より、印字ヘッド（単に、「ヘッド」ともいう）と記録媒体を相対的に移動させながら、ヘッドに形成される複数のノズルから液滴（インク滴）を吐出して記録媒体上にドットを形成して画像を記録する、いわゆるインクジェット方式の画像記録を行うインクジェット記録装置（インクジェットプリンタ）が知られている。

ヘッドのインク吐出方式には、ノズル近傍に発熱素子（電気／熱エネルギー変換手段）を設け、この発熱素子に電気信号を印加することによりインクを局所的に加熱して圧力変化を起こさせ、ノズルからインク滴を吐出するサーマル方式や、圧電素子（ピエゾ素子）などの電気／圧力変換手段を用いて、インクに機械的圧力を付与して、ノズルからインク滴を吐出する圧電方式（ピエゾ方式）がある。

圧電方式のヘッドにおいて所望の液滴（量）を吐出できるようにするために、圧電素子を構成する圧電体の面積を所定の大きさにしなければならない。例えば、数ｐｌ（ピコリットル）の液滴を吐出するためには、圧電体の面積を略０．１〜０．数ｍｍ^２程度となるように設計することが必要である。そのため、圧電方式のヘッドで１列に配列できるノズル密度はサーマル方式と比較して低く、例えば、１インチあたり１８０個（１８０ｎｐｉ（ノズル／インチ））である。

そこで、２次元状（マトリクス状）にノズルを配列したヘッドが提案されている（例えば、特許文献１乃至特許文献３参照）。圧電体の平面形状を略菱形又は略正方形として、３０ｎｐｉオーダの中密度のノズル列を多列化することにより、実質的なノズル密度（ノズル列方向に投影される投影ノズル列のノズル密度）を高密度化し、例えば、１２００〜２４００ｎｐｉとしている。
特開２００１−３３４６６１号公報 特開２００２−１６６５４３号公報 特開２０００−７９６８３号公報

しかしながら、特許文献１乃至特許文献３に記載されたような従来のヘッドには、次のような問題がある。

図２０は、従来のヘッドの一例を表す平面透視図である。図２０に示すように、従来のヘッド１５０は、ノズル１５１、ノズル１５１に対応する圧力室１５１、及び圧力室１５２と略同じ形状の圧電素子１５８が主走査方向及び主走査方向に直交しない斜めの方向に沿って、２次元状に配列された構成となっている。このとき、主走査方向に並ぶように投影された投影ノズル列は一定のノズルピッチＰ０で配列される。一方、投影ノズル列において隣接するノズル１５１同士のうち、斜めの方向に並ぶノズル列１５４内のノズル１５１同士（例えは、ノズル列１５４-1のノズル１５１-11、１５１-12やノズル１５１-15、１５１-16など）では副走査方向のノズルピッチがＰ１であるのに対して、主走査方向に隣接するノズル列１５４同士のつなぎ目（折り返し位置）に位置するノズル１５１同士（例えば、ノズル列１５４-1のノズル１５１-16とノズル列１５４-2のノズル１５１-21）の副走査方向のノズルピッチはＰ１より大きなＰ２となっている（即ち、Ｐ２＞Ｐ１）。

このようなヘッド１５０を高密度化させるためには、上述したように圧電素子を構成する圧電体の面積を所定サイズにしなければならないため、ヘッド１５０の副走査方向のサイズが大きくせざるを得ない。即ち、副走査方向のノズルピッチＰ１が大きくなり、この結果、折り返し点における副走査方向のノズルピッチＰ２が大きくなってしまう。そのため、ヘッドの取付位置の誤差、紙送り方向のずれ、又は、コックリングによる記録媒体の伸縮などが生じると、ヘッドの折り返し位置近傍において紙送り方向（副走査方向）に延びるスジムラが視認されやすいという問題がある。

尚、ヘッドのノズル配置などを工夫することによって、前記折り返し位置近傍におけるスジムラを目立たないようにする提案もなされているが、ヘッド内の流路構造が複雑になってしまう等の制約が生じてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高密度化されたヘッドのスジムラの視認性を低減させる液体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。

上記目的を達成するために請求項１に係る発明は、液体が充填される圧力室毎に設けられる略薄板状の複数の圧電素子の変位を利用して、前記圧力室内の前記液体を加圧し、前記圧力室に連通するノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電素子の厚さ方向は、前記ノズルの液体吐出方向に略垂直であり、且つ、前記圧電素子は前記圧電素子の厚さ方向に複数配列されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。

本発明によれば、圧電素子が配置される面とノズルが配列される面が直交し、圧電素子の面積を大きく確保しても、ノズルピッチを高密度にすることが可能になる。これにより、複数の圧電素子をその厚さ方向に複数配列することが可能となり、高密度化された液体吐出ヘッドの圧電素子の厚さ方向のヘッドサイズを小さく構成でき、スジムラの視認性を低減することができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液体吐出ヘッドであって、前記圧電素子の分極方向は、前記圧電素子の厚さ方向であり、前記圧電素子の厚さ方向に電界が印加されると、前記圧電素子は変位することを特徴とする。

請求項２の態様によれば、圧電素子の厚さ方向のヘッドサイズを小さく構成しつつ、圧電素子の面積を所定（の大きな）サイズにした状態で、電界強度あたりの印加電圧を変える（大きくする）ことなく、圧電素子の（大）変位を得ることができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の液体吐出ヘッドであって、前記圧電素子の厚さ方向に対して略垂直な方向に複数の前記圧電素子が配列された圧電素子列を、前記圧電素子の厚さ方向に複数設けたことを特徴とする。

請求項３の態様によれば、複数の圧電素子を２次元状に高密度に配置することができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記液体吐出ヘッドは、記録媒体の全幅に対応する長さにわたって複数の前記ノズルが２次元状に配列されたラインヘッドであって、前記圧電素子の厚さ方向は、前記液体吐出ヘッドに対する記録媒体の相対的紙搬送方向であることを特徴とする。

請求項４の態様によれば、ラインヘッドの相対的紙搬送方向のノズルピッチが小さくなり、折り返し位置による相対的紙搬送方向に延びるスジムラの視認性を低減することができる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、少なくとも前記圧電素子及び前記圧力室を含む略薄板状のユニット部材が前記圧電素子の厚さ方向に複数積層されていることを特徴とする。

請求項５の態様によれば、液体吐出ヘッドの製造が容易になる。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ユニット部材の積層方向に対して平行な側面に前記ノズルに相当する孔部が形成されたノズルプレートが設けられていることを特徴とする。

請求項６の態様によれば、ユニット部材の積層組立誤差に伴うノズル形成位置の精度低下を防止することができる。

請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ユニット部材は、前記圧力室に相当する孔部が形成されるキャビティプレートと、前記孔部の一方の面を塞ぎ、前記孔部と反対側に前記圧電素子を配置する振動プレートと、前記孔部の他方の面を塞ぐベースプレートと、を少なくとも含むことを特徴とする。

請求項７の態様によれば、ユニット部材の製造が容易となる。

請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の液体吐出ヘッドであって、前記圧力室に液体を供給するための供給口が前記キャビティプレートに形成されていることを特徴とする。

請求項８の態様によれば、振動プレートに対して供給口を設ける必要がなくなるので、振動プレートの材質自由度が向上する。

請求項９に記載の発明は、請求項７又は請求項８に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ユニット部材は、さらに、前記圧電素子の変位を拘束しない凹部又は溝部が形成された保護プレートを含むことを特徴とする。

請求項９の態様によれば、液体吐出ヘッドの吐出性能が向上する。

請求項１０に記載の発明は、請求項９に記載の液体吐出ヘッドであって、前記保護プレート若しくは前記キャビティプレートには、前記圧電素子を駆動するための電気配線が設けられていることを特徴とする。

請求項１０の態様によれば、電気配線スペースを十分確保でき、配線難易度が低減する。

請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の液体吐出ヘッドであって、前記保護プレート若しくは前記キャビティプレートには、さらに、前記圧電素子を駆動するための駆動回路が設けられていることを特徴とする。

請求項１１の態様によれば、流路ユニット毎に閉じた回路構成とすることができる。

請求項１２に記載の発明は、請求項５乃至請求項１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ユニット部材には、前記液体を循環させるための流路が形成されていることを特徴とする。

請求項１２の態様によれば、液体吐出ヘッド内の液体の増粘が防止され、吐出品質が向上する。

請求項１３に記載の発明は、請求項５乃至請求項１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記ユニット部材には、前記圧力室内に充填される液体の圧力変動を検出する圧力センサが設けられていることを特徴とする。

請求項１３の態様によれば、気泡の混入等による圧力変動を検出できるので、吐出品質が向上する。

請求項１４に記載の発明は、請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像形成装置を提供する。

本発明によれば、圧電素子が配置される面とノズルが配列される面が直交し、圧電素子の面積を大きく確保しても、ノズルピッチを高密度にすることが可能になる。これにより、複数の圧電素子をその厚さ方向に複数配列することが可能となり、高密度化された液体吐出ヘッドの圧電素子の厚さ方向のヘッドサイズを小さく構成でき、スジムラの視認性を低減することができる。

以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔インクジェット記録装置〕
図１は、本発明が適用される画像形成装置としての一実施形態であるインクジェット記録装置の全体概略図である。図１に示すように、このインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙを有する印字部１２と、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１４と、記録紙１６を供給する給紙部１８と、記録紙１６のカールを除去するデカール処理部２０と、前記印字部１２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１６の平面性を保持しながら記録紙１６を搬送する吸着ベルト搬送部２２と、印字部１２による印字結果を読み取る印字検出部２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部２６と、を備えている。

図１では、給紙部１８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。

ロール紙を使用する装置構成の場合、図１のように、裁断用のカッター２８が設けられており、該カッター２８によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター２８は、記録紙１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃２８Ａと、該固定刃２８Ａに沿って移動する丸刃２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃２８Ｂが配置されている。なお、カット紙を使用する場合には、カッター２８は不要である。

複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコードあるいは無線タグ等の情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。

給紙部１８から送り出される記録紙１６はマガジンに装填されていたことによる巻き癖が残り、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２０においてマガジンの巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム３０で記録紙１６に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。

デカール処理後、カットされた記録紙１６は、吸着ベルト搬送部２２へと送られる。吸着ベルト搬送部２２は、ローラー３１、３２間に無端状のベルト３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する部分が平面（フラット面）をなすように構成されている。

ベルト３３は、記録紙１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラー３１、３２間に掛け渡されたベルト３３の内側において印字部１２のノズル面及び印字検出部２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバー３４が設けられており、この吸着チャンバー３４をファン３５で吸引して負圧にすることによってベルト３３上の記録紙１６が吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（不図示）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、時計回り方向に駆動され、ベルト３３上に保持された記録紙１６は、図１の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト３３上にもインクが付着するので、ベルト３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部３６が設けられている。ベルト清掃部３６の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアーを吹き掛けるエアーブロー方式、あるいはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラー線速度を変えると清掃効果が大きい。

なお、吸着ベルト搬送部２２に代えて、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。従って、本例のように、印字領域では画像面と接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。

吸着ベルト搬送部２２により形成される用紙搬送路上において印字部１２の上流側には、加熱ファン４０が設けられている。加熱ファン４０は、印字前の記録紙１６に加熱空気を吹きつけ、記録紙１６を加熱する。印字直前に記録紙１６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。

印字部１２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている。印字部１２を構成する各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインクの吐出口（ノズル）が1列に配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応した印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより記録紙１６上にカラー画像を形成し得る。

このように、紙幅の全域をカバーするフルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向（副走査方向）について記録紙１６と印字部１２を相対的に移動させる動作を一回行うだけで（すなわち、一回の副走査で）記録紙１６の全面に画像を記録することができる。これにより、印字ヘッドが紙搬送方向と直交する方向（主走査方向）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。

なお、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み合わせについては本実施形態には限定されず、必要に応じて淡インク、濃インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出する印字ヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、インク貯蔵／装填部１４は、各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するタンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙと連通されている。また、インク貯蔵／装填部１４は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段（表示手段、警告音発生手段等）を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。

印字検出部２４は、印字部１２の打滴結果を撮像するためのイメージセンサ（ラインセンサ等）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その他の吐出不良をチェックする手段として機能する。

本例の印字検出部２４は、少なくとも各印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙによるインク吐出幅（画像記録幅）よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤（Ｒ）の色フィルタが設けられた光電変換素子（画素）がライン状に配列されたＲセンサ列と、緑（Ｇ）の色フィルタが設けられたＧセンサ列と、青（Ｂ）の色フィルタが設けられたＢセンサ列とからなる色分解ラインＣＣＤセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が二次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。

印字検出部２４は、各色の印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドット着弾位置の測定等で構成される。

印字検出部２４の後段には、後乾燥部４２が設けられている。後乾燥部４２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。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。

後乾燥部４２の後段には、加熱・加圧部４４が設けられている。加熱・加圧部４４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ー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このようにして生成されたプリント物は、排紙部２６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。このインクジェット記録装置１０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２６Ａ、２６Ｂへと送るために排紙経路を切り換える選別手段（不図示）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）４８によってテスト印字の部分を切り離す。カッター４８は、排紙部２６の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に、本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター４８の構造は前述した第１のカッター２８と同様であり、固定刃４８Ａと丸刃４８Ｂとから構成されている。

また、図示を省略したが、本画像の排出部２６Ａには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられている。

〔印字ヘッド〕
次に、本発明が適用される印字ヘッド（液体吐出ヘッド）の各実施形態について説明する。インク色ごとに設けられている各印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号５０によって印字ヘッドを示すものとする。

＜第１実施形態＞
図２は、第１実施形態に係る印字ヘッド５０の一部を分解した斜視図である。同図の印字ヘッド５０は、薄板状の複数（本例では６つ）の流路ユニット６０と、２枚の隔壁プレート６２、６４と、多数のノズル５１が穿孔されたノズルプレート６６とから主に構成される。複数の流路ユニット６０はその厚み方向に積層され、本実施例では記録紙１６の搬送方向である副走査方向に積層され、その両側を挟むようにして２枚の隔壁プレート６２、６４が配置される。ノズルプレート６６は、流路ユニット６０及び２枚の隔壁プレート６２、６４に対して略垂直に配置され、印字ヘッド５０の記録紙１６と対向する面（インク吐出面）を構成する。

図３は、印字ヘッド５０のインク吐出面の平面透視図であり、ノズル５１等の配置関係の理解を容易にするために簡略的に表示している。図３に示すように、ノズル５１、圧力室５２及び圧電素子５８を含んで構成される液滴吐出素子５３が記録紙１６の搬送方向と直交する主走査方向及び主走査方向に対して直交しない斜めの方向に沿って２次元状（マトリクス状）に配置される。これにより、主走査方向に並ぶように投影される投影ノズル列がノズルピッチＰ０で等間隔に配列され、実質的な高密度化が達成されている。

インク吐出側から印字ヘッド５０を見たときの圧力室５２の形状は、図３に示すように、主走査方向に比べて副走査方向の長さが短く構成された（主走査方向に細長い）略矩形状である。同様に、圧電素子５８の形状も主走査方向に比べて副走査方向の長さが短く構成された（主走査方向に細長い）略矩形状となっている。

主走査方向に並ぶように投影される投影ノズル列で隣接するノズル同士のうち、前記斜めの方向に並ぶノズル列５４内のノズル５１同士（例えば、ノズル列５４-1のノズル５１-11、５１-12やノズル５１-15、５１-16など）のノズルピッチＰ１’は従来のノズルピッチＰ１（図２０参照）より小さく（即ち、Ｐ１’＜Ｐ１）、これにより、主走査方向に隣接するノズル列５４同士のつなぎ目（折り返し位置）に位置するノズル５１同士（例えば、ノズル列５４-1のノズル５１-16とノズル列５４-2のノズル５１-21）のノズルピッチＰ２’も従来のノズルピッチＰ２（図２０参照）より小さい（即ち、Ｐ２’＜Ｐ２）。即ち、本例の副走査方向のヘッドサイズは、従来のヘッドに比べて短く構成される。以下では、このような構成を実現するための圧力室５２や圧電素子５８の構成について詳説する。

図４は、図３中４−４線に沿う断面図である。前述したように、第１実施形態に係る印字ヘッド５０は、複数の流路ユニット６０から成る積層体の両面を２枚の隔壁プレート６２、６４で挟んで構成され、さらに、各流路ユニット６０及び隔壁プレート６２、６４に対して略垂直にノズルプレート６６が配置された構成となっている。

尚、本実施形態では好ましい態様として、ノズルプレート６６が設けられる構成としたが、これに限定されず、後で後述するように（図１４参照）、流路ユニット６０にノズル５１を直接設けてもよい。本実施形態の如く、ノズルプレート６６を設ける場合、ノズル形成位置の精度低下を防止することができ、印字ヘッド５０の吐出性能が向上する。
印字ヘッド５０の内部には、図４の水平方向に延びる共通流路６８、共通流路６８に連通する複数の圧力室５２、及び、各圧力室５２に対応する薄板状の圧電素子５８が設けられている。共通流路６８の一端（図４の左端）は隔壁プレート６２で封止され、その他端（図４の右端）には隔壁プレート６４に形成されたインク供給口９２が設けられる。共通流路６８には、インク供給口９２を介して、図１に示したインク貯蔵／装填部１４のタンク（不図示）からインクが供給される。
各圧力室５２は、供給口７０を介して共通流路６８に連通しており、図４の鉛直方向に細長い形状となっている。各圧力室５２は、供給口７０が形成される側とは反対側（図４の下側）でノズル流路７２を介してノズル５１に連通している。ノズル５１から吐出されるインク滴の吐出方向（インク吐出方向）は、流路ユニット６０の積層方向に対して略垂直な方向となっている。
薄板状の圧電素子５８の厚さ方向は流路ユニット６０の積層方向（図４の水平方向）となっており、その積層方向（圧電素子５８の厚さ方向）に複数（本例では６つ）の圧力室５２（圧電素子５８）が配列された構成となっている。そのため、圧電素子５８の厚さ方向のヘッドサイズを小さく構成することができる。本例では、流路ユニット６０の積層方向は副走査方向であるため（図２参照）、副走査方向のヘッドサイズが短くなる。

各流路ユニット６０は４つのプレート部材（８０、８２、８４、８６）を積層して構成され、それぞれ圧力室５２及び圧電素子５８を備える。圧電素子５８は、圧力室５２の一壁面を構成する振動プレート８２上に配置され、薄板状の圧電体５５の両面を電極５６、５７（共通電極５６、個別電極５７）で挟んだ構造となっている。圧電素子５８はその厚み方向となる図４の水平方向に分極処理されており、その分極方向に平行に電界を印加すると、圧電素子５８はいわゆる伸縮モード（縦方向振動モード）の変形を発生させ、圧電素子５８が配置される振動プレート８２を圧力室５２側に凹むように変形させる。

図５は、流路ユニット６０の平面透視図であり、図４の左側より流路ユニット６０を見た様子を表している。流路ユニット６０には、両面を貫通する略長方形状の共通流路６８が（流路ユニット６０の）長手方向に沿って複数形成される。各共通流路６８は供給口７０を介して略正方形状の圧力室５２に連通する。各圧力室５２は、共通流路６８に連通する側と反対側の端部（図５の下側）でノズル流路７２を介してノズル５１（不図示）に連通する。

各圧力室５２に対応する位置には、圧力室５２と略同様の平面形状を有する圧電素子５８が設けられる。また、圧電素子５８を駆動するための駆動回路７４が設けられており、各圧電素子５８の個別電極５７はそれぞれ電気配線（内部配線）７６を介して駆動回路７４に電気的に接続される。

図６は、図５中６−６線に沿う断面図である。流路ユニット６０は、図６の下側から順番に、ベースプレート８６、キャビティプレート８４、振動プレート８２、保護プレート８０が積層された構造である。圧力室５２は、側壁面がキャビティプレート８４で構成され、下壁面がベースプレート８６で構成され、上壁面が振動プレート８２で構成される。

振動プレート８２の表面（圧力室側と反対側の面）全体には共通電極５６が形成され、共通電極５６上の各圧力室５２に対応する位置には圧電体５５がそれぞれ設けられ、さらに各圧電体５５の上面に個別電極５７が形成される。本例では、圧力室５２毎に圧電体５５が分断された構成となっており、各圧電素子５８間のクロストークが防止されている。

保護プレート８０には、各圧電素子５８を保護するための凹部８０ｂが形成される。凹部８０ｂは、圧電素子５８の厚さ（図６の鉛直方向の長さ）より深く、且つ、圧電素子５８の幅（図６の水平方向の長さ）より広く形成され、圧電素子５８の周辺部に空隙８８ができるように構成されている。これにより、圧電素子５８の変形に対する拘束が防止され、印字ヘッド５０の吐出性能が向上する。また、保護プレート８０には駆動回路７４（図５参照）から延びる電気配線７６が設けられており、はんだ等で構成される電気接続部９０を介して、圧電素子５８の個別電極５７に電気的に接続される。尚、圧電素子５８の共通電極５６は接地される。

図７は、図５中７−７線に沿う断面図である。共通流路６８は流路ユニット６０の両面を貫通するようにして形成される。流路ユニット６０を構成する各プレート部材８０、８２、８４、８６にはそれぞれ共通流路６８の一部を構成する孔部８０ａ、８２ａ、８４ａ、８６ａが形成される。共通流路６８は、供給口７０を介して圧力室５２に連通し、さらに、圧力室５２はノズル流路７２を介してノズル５１（不図示）に連通する。

図８（ａ）〜（ｄ）は、流路ユニット６０を構成する各プレート部材８０、８２、８４、８６の平面図である。図８（ａ）は保護プレート８０、図８（ｂ）は振動プレート８２、図８（ｃ）はキャビティプレート８４、図８（ｄ）はベースプレート８６である。各プレート部材８０、８２、８４、８６には、上述したように、共通流路６８の一部を構成する孔部８０ａ、８２ａ、８４ａ、８６ａがそれぞれ形成される。また、保護プレート８０には、駆動回路７４や電気配線７６が設けられ、さらに、圧電素子５８の変位を拘束しないようにするための凹部８０ｂが形成される。振動プレート８２には、圧電素子５８が設けられる。キャビティプレート８４には、圧力室５２、供給口７０、ノズル流路７２にそれぞれ相当する孔部８４ｂ、８４ｃ、８４ｄが形成される。尚、キャビティプレート８４に形成される各孔部８４ｂ、８４ｃ、８４ｄは、キャビティプレート８４の厚さ方向に貫通しないハーフエッチング等により形成した溝形状であってもよい。

次に、第１実施形態に係る印字ヘッド５０の製造方法について、図９（ａ）〜（ｇ）を用いて説明する。

まず、図９（ａ）に示すように、孔部８４ａ、８４ｂ，８４ｃ，８４ｄ（図９では孔部８４ｂのみ図示）が形成されたキャビティプレート８４を用意する。キャビティプレート８４は、例えば、ＳＵＳなどで構成され、エッチングなどの方法により孔部８４ａ、８４ｂ，８４ｃ，８４ｄを加工する。

次に、図９（ｂ）に示すように、キャビティプレート８４の表面側（図９（ｂ）の上側）に振動プレート８２を接合する。例えば、１０００℃以下の拡散接合によって接合する。また、振動プレート８２の表面全体に共通電極５６をスパッタリング、スクリーン印刷などの方法で形成する。電極材料としては、例えば、Ｃｒ、Ｎｉ、Ａｕ、Ｗなどが用いられる。

次に、振動プレート８２上の共通電極５６の表面全体に対して、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛やチタン酸バリウムなどから成る圧電体５５をスパッタ又はエアロゾル法などで形成する（図９（ｃ）参照）。続いて、圧電体５５に対して６００℃でアニールを行うか、又は８００℃で焼成を行い、ドライエッチングにより孔部８４ｂに対応する部分の圧電体５５のみを残すようにパターニングを行う（図９（ｄ）参照）。尚、スチンジルマスク法などを用いて、共通電極５６上にパターニングされた圧電体５５を形成するようにして、図９（ｃ）の工程を省いてもよい。その後、図９（ｅ）に示すように、パターニングされた圧電体５５の表面（上面）に個別電極５７をスパッタリング、スクリーン印刷などの方法で形成する。個別電極５７の電極材料は共通電極５６と同様である。このようにして、圧電体５５の表裏面が個別電極５７及び共通電極５６で挟まれた構成から成る圧電素子５８が孔部８４ｂに対応して設けられる。

次に、図９（ｆ）に示すように、圧電素子５８の変位を拘束しない凹部８０ｂと所定のパターンを有する電気配線７６が形成された保護プレート８０を用意する。本例の保護プレート８０は、電気配線７６を有する多層ＦＰＣ８０Ａと、凹部８０ｂの側壁を構成するＰＩ樹脂層８０Ｂとから一体的に構成される。この凹部８０ｂの壁面隅部には、電気配線７６の一端と電気的に接続した電気接続部９０を設けておく。電気接続部９０は、例えば、はんだなどで構成する。電気接続部９０と個別電極５７が電気的に接続されるように、保護プレート８０を振動プレート８２の表面側に（共通電極５６を挟むようにして）積層し、例えば、接着剤などを用いて接合する。尚、振動プレート８２の表面側に公知のフォトリソグラフィ技術等を用いて所定形状のＰＩ樹脂層８０Ｂを形成した後に、多層ＦＰＣ８０Ａを積層して接着するようにしてもよい。

次に、図９（ｇ）に示すように、キャビティプレート８４の裏面側（振動プレート８２側の反対側）に、例えば、ＳＵＳなどで構成されるベースプレート８６を接着剤などで接合する。尚、図９（ｂ）の工程で、振動プレート８２、キャビティプレート８４及びベースプレート８６を拡散接合しておいてもよい。このようにして、保護プレート８０、振動プレート８２、キャビティプレート８４、ベースプレート８６から成る流路ユニット６０を作製することができる。

このような流路ユニット６０を更に複数作製した後、図４に示したように複数の流路ユニット６０を積層し、さらに、その両面を隔壁プレート６２、６４で挟むようにして、これらを接合する。そして最後に、ノズルプレート６６の各ノズル５１と各流路ユニット６０のノズル流路７２との位置合わせを行ってからノズルプレート６６を接合する。このようにして、第１実施形態に係る印字ヘッド５０を製造することができる。

次に、第１実施形態に係る印字ヘッド５０の作用について説明する。共通流路６８内のインクが供給口７０を介して圧力室５２に供給され、画像データに応じた駆動信号（駆動電圧）が圧電素子５８の個別電極５７に印加されると、圧電素子５８は振動プレート８２を圧力室５２側に凹ませるように変形する。これにより、圧力室５２内のインクは加圧され、ノズル５１からインク滴が吐出される。インク吐出後、圧電素子５８は元の状態に戻り、共通流路６８から圧力室５２に対してインクがリフィルされる。このようなインク吐出動作及びリフィル動作が繰り返される。

第１実施形態に係る印字ヘッド５０では、薄板状の圧電素子５８の厚さ方向（副走査方向）に対して略垂直な方向（主走査方向）に複数の圧電素子５８が配列された圧電素子列を、圧電素子５８の厚さ方向（副走査方向）に複数設けているので、同一平面上に圧電素子が２次元状に配置される従来のヘッド（図２０参照）と比較して、圧電素子５８の厚さ方向、即ち、副走査方向のヘッドサイズが小さくなる。これにより、印字ヘッド５０の折り返し位置近傍に生じるスジムラの視認性を低減することができる。

また、副走査方向のヘッドサイズが小さくなることによって、設計時において見込むべき記録媒体の最大バタツキ量が減少するので、図１０に示すように、本発明が適用されるヘッドでは従来に比べて記録媒体との距離（スローディスタンス）を短くすることができる。これにより、ノズル５１から吐出されるインク滴の着弾精度が向上し、着弾位置誤差、色内・色間誤差が低減する。

また、圧電素子５８を駆動するための電気配線７６を圧電素子５８が配置される面（振動プレート８２）とは異なる保護プレート８０に設けたことによって、電気配線スペースを十分に確保でき、配線難易度が低下する。従来のヘッドでは、上述したように同一平面上に複数の圧電素子が２次元状に配列されるため、例えば、その平面上に圧電素子を駆動するための電気配線（内部配線）を配設しなければならず、電気配線スペースが不足したり配線難易度が高くなったりする等の問題があったが、本例の印字ヘッド５０では、このような問題が解消され、高密度化に適した構成となっている。

尚、第１実施形態では、各流路ユニット６０にそれぞれ駆動回路７４を設ける構成を例示したが、これに限定されない。例えば、駆動回路数を減らすため、複数の流路ユニット６０の電気配線（外部配線７６）を束ねるようなビア配線を利用してもよい。また、各流路ユニット６０に外部配線接続部を設け、低密度ＦＰＣ等の外部配線を介して、流路ユニット６０の外部に設けられた駆動回路に電気的に接続するようにしてもよい。

また、第１実施形態に係る印字ヘッド５０では、振動プレート８２に対して、例えば、ノズル５１のような精密で微細な孔加工が不要となる。尚、共通流路６８に相当する孔部８２ａの加工は必要となるが、これはプレス等で容易に加工できる。このため、振動プレート８２の材質自由度が高まるので、熱処理可能な振動板（例えば、ＹＳＺなど）を採用でき、エアロゾル法で形成された圧電体５５の高温アニールが可能となり、圧電素子５８の性能が向上する。

＜第２実施形態＞
図１１は、第２実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路ユニット６０の平面透視図であり、図１２は、図１１中１２−１２線に沿う断面図である。第２実施形態では、流路ユニット６０に主走査方向に延びる共通流路６８が形成されており、この共通流路６８は主走査方向に配列される各圧力室５２に供給口７０を介して連通する。共通流路６８の主走査方向の両端にはインク供給口９４、９４が形成される。ヘッド内にインクを初期充填するような場合には両方のインク供給口９４、９４からインクが供給される。また、印刷待機時のような場合には、インクの増粘を防止するため、一方のインク供給口９４からインクを供給し、他方のインク供給口９４からインクを排出して、ヘッド内のインクを循環させる。このような共通流路６８は、図１２に示すように、キャビティプレート８４に形成される孔部８４ａの両面が振動プレート８２及びベースプレート８６で挟まれ、流路ユニット６０内に閉じた構造となっている。即ち、第１実施形態の共通流路６８は流路ユニット６０の両面を貫通するように形成され、複数の流路ユニット６０をまたがるように構成されていたのに対して、第２実施形態では流路ユニット６０毎に主走査方向に延びる共通流路６８が形成される。他の構成については、第１実施形態と共通するので説明を省略する。

図１３は、第２実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路ユニット６０の変形例である。図１３の流路ユニット６０は、キャビティプレート（第１キャビティプレート）８４とベースプレート８６の間に第２キャビティプレート９６が設けられる。第２のキャビティプレート９６には、第２流路９８が形成されており、第２流路９８の一端（図１３の下端）はノズル流路７２に連通し、その他端（図１３の上端）は共通流路６８に連通する。また、第２流路９８の壁面にはサーミスタ１００と不図示のヒータが配置される。これにより、図１３の点線で示した矢印の如く、流路ユニット６０内のインクは第２流路９８を経由して循環し、さらに、サーミスタ１００を用いた温度コントロールによりインク温度が一定に保たれるので、インクの増粘が防止される。従って、高粘度インクを使用する場合においても安定吐出が可能になる。

図１４は、第２実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路ユニット６０の他の変形例である。同図では、同一の圧力室５２に対する異なる２つの断面を左右に表している。図１４に示した印字ヘッド５０では、図１４左側の断面図に示すように第２流路９８が設けられると共に、図１４右側の断面図に示すように第３流路９９が設けられる。第２流路９８はノズル流路７２内のインクを排出する排出側流路であり、一方、第３流路９９はノズル流路７２に対してインクを供給する供給側流路である。各圧力室５２に対応する第２流路９８及び第３流路９９は、例えば、図６の上側で全部又はその一部が連通するように構成されていてもよい。また、一の圧力室５２に対応する第２流路９８が一方に隣接する他の圧力室５２に対応する第３流路９９に連通し、一の圧力室５２に対応する第３流路９９が他方に隣接する他の圧力室５２に対応する第２流路９８に連通する、いわゆる一筆書き構造となるように構成されていてもよい。このような印字ヘッド５０では、ノズル流路７２での圧力相互作用により、リフィル回復時間が短縮化し、吐出周波数が向上する。

＜第３実施形態＞
図１５は、第３実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路ユニット６０の断面図である。第３実施形態では、流路ユニット６０にノズル５１及び供給絞り１０２が設けられる。いずれもキャビティプレート８４に形成された孔部又は溝部から構成されており、ノズル５１は圧力室５２の図１５の下側の隔壁を鉛直方向に貫通するように形成された孔部であり、供給絞り１０２は圧力室５２の図１５の上側の隔壁に形成された溝部であり、例えば、ウェットエッチングにより形成される。尚、第３実施形態では、第１実施形態のノズルプレート６６（図２参照）は不要となる。他の構成については、第１実施形態と共通するので説明を省略する。

＜第４実施形態＞
図１６は、第４実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路ユニット６０の平面透視図である。第４実施形態の流路ユニット６０には、第３実施形態と同様に、ノズル５１と供給絞り１０２が設けられ、さらに、圧力室５２及びそれに対応する圧電素子５８が図１６の鉛直方向に細長く形成される。これにより、所望の吐出力を得るのに十分な圧電素子５８の面積を確保できるとともに、圧電素子５８及び圧力室５２の主走査方向のピッチを短くでき、流路ユニット６０に形成されるノズル列を２００ｎｐｉ以上のノズルピッチで高密度に配置することができる
図１７は、図１６の流路ユニット６０の積層例を表す平面図であり、ノズル５１が形成される側から見たときの様子を表している。図１７の積層例では、各流路ユニット６０はそれぞれの配置が主走査方向に所定量ずつシフトされている。上述したように、各流路ユニット６０のノズル列が高密度に配置されるため、各流路ユニット６０の主走査方向の位置ズレが視認できる空間周波数から遠ざかり、流路ユニット６０毎の多少の位置ズレがあっても許容される効果がある。

尚、図１７では、隣接する流路ユニット６０に対する各流路ユニット６０の主走査方向のシフト量が均一である構成を示したが、これに限定されず、主走査方向に投影される投影ノズル列のノズルピッチが均一となるように構成されていればよい。例えば、図１８に示した他の積層例のように、前記シフト量が不均一となるような構成も可能である。

＜第５実施形態＞
図１９は、第５実施形態に係る印字ヘッド５０を構成する流路プレート６０の断面図である。第５実施形態では、キャビティプレート８４とベースプレート８６の間に圧電センサ層１０４が設けられる。圧電センサ層１０４は、例えば、圧電樹脂で主に構成され、圧力室５２内に混入した気泡等を要因とするインクの圧力変動を検出することができる。これにより、印字ヘッド５０の吐出品質が向上する。尚、他の構成については第１実施形態と共通するので説明を省略する。

尚、第２実施形態〜第５実施形態のいずれにおいても、第１実施形態と同様の効果を奏し、副走査方向のヘッドサイズを従来のヘッドに比べて小さく構成することができ、印字ヘッド５０の折り返し位置近傍に生じるスジムラの視認性を低減することができる。

以上、本発明の液体吐出ヘッド及び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ってもよいのはもちろんである。

インクジェット記録装置の全体概略図 第１実施形態に係る印字ヘッドの一部を分解した斜視図 第１実施形態に係る印字ヘッドのインク吐出面の平面透視図 図３中４−４線に沿う断面図 流路ユニットの平面透視図 図５中６−６線に沿う断面図 図５中７−７線に沿う断面図 流路ユニットを構成する各プレート部材の平面図 印字ヘッドの製造工程を表した説明図 本発明の効果を説明するための説明図 第２実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路ユニットの平面透視図 図１１中１２−１２線に沿う断面図 第２実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路ユニットの変形例 第２実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路ユニットの他の変形例 第３実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路ユニットの断面図 第４実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路ユニットの平面透視図 図１６の流路ユニットの積層例を表す平面図 図１６の流路ユニットの他の積層例を表す平面図 第５実施形態に係る印字ヘッドを構成する流路プレートの断面図 従来のヘッドの一例を表す平面透視図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１６…記録紙、５０…印字ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５５…圧電体、５６…共通電極、５７…個別電極、５８…圧電素子、６０…流路ユニット、６２、６４…隔壁プレート、６６…ノズルプレート、６８…共通流路、７０…供給口、７２…ノズル流路、７４…駆動回路、７６…電気配線、８０…保護プレート、８２…振動プレート、８４…キャビティプレート、８６…ベースプレート、８８…空隙、９０…電気接続部、９２、９４…インク供給口、９６…第２キャビティプレート、９８…第２流路、９９…第３流路、１００…サーミスタ、１０２…供給絞り、１０４…圧電センサ層

Claims (14)

1. 液体が充填される圧力室毎に設けられる略薄板状の複数の圧電素子の変位を利用して、前記圧力室内の前記液体を加圧し、前記圧力室に連通するノズルから前記液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、
   前記圧電素子の厚さ方向は、前記ノズルの液体吐出方向に略垂直であり、且つ、前記圧電素子は前記圧電素子の厚さ方向に複数配列されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記圧電素子の分極方向は、前記圧電素子の厚さ方向であり、
   前記圧電素子の厚さ方向に電界が印加されると、前記圧電素子は変位することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記圧電素子の厚さ方向に対して略垂直な方向に複数の前記圧電素子が配列された圧電素子列を、前記圧電素子の厚さ方向に複数設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体吐出ヘッドは、記録媒体の全幅に対応する長さにわたって複数の前記ノズルが２次元状に配列されたラインヘッドであって、
   前記圧電素子の厚さ方向は、前記液体吐出ヘッドに対する記録媒体の相対的紙搬送方向であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
5. 少なくとも前記圧電素子及び前記圧力室を含む略薄板状のユニット部材が前記圧電素子の厚さ方向に複数積層されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記ユニット部材の積層方向に対して平行な側面に前記ノズルに相当する孔部が形成されたノズルプレートが設けられていることを特徴とする請求項５に記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記ユニット部材は、
   前記圧力室に相当する孔部が形成されるキャビティプレートと、
   前記孔部の一方の面を塞ぎ、前記孔部と反対側に前記圧電素子を配置する振動プレートと、
   前記孔部の他方の面を塞ぐベースプレートと、を少なくとも含むことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ヘッド。
8. 前記圧力室に液体を供給するための供給口が前記キャビティプレートに形成されていることを特徴とする請求項７に記載の液体吐出ヘッド。
9. 前記ユニット部材は、さらに、前記圧電素子の変位を拘束しない凹部又は溝部が形成された保護プレートを含むことを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の液体吐出ヘッド。
10. 前記保護プレート若しくは前記キャビティプレートには、前記圧電素子を駆動するための電気配線が設けられていることを特徴とする請求項９に記載の液体吐出ヘッド。
11. 前記保護プレート若しくは前記キャビティプレートには、さらに、前記圧電素子を駆動するための駆動回路が設けられていることを特徴とする請求項１０に記載の液体吐出ヘッド。
12. 前記ユニット部材には、前記液体を循環させるための流路が形成されていることを特徴とする請求項５乃至請求項１１のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
13. 前記ユニット部材には、前記圧力室内に充填される液体の圧力変動を検出する圧力センサが設けられていることを特徴とする請求項５乃至請求項１２のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッド。
14. 請求項１乃至請求項１３のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像形成装置。

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