JP2007069489A - 液体吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高い吐出性能を維持するとともに、ノズルの高集積化及びヘッドの小型化を実現する液体吐出ヘッド及び画像形成装置を提供する。
【解決手段】インクを吐出させるノズル５１と、前記ノズル５１と連通する吐出側流路５２と、前記吐出側流路５２へインクを供給するインク主流５５と、前記吐出側流路５２と前記インク主流５５とを連通させる供給口５４と、変位部分が前記供給口５４と接触する位置に設けられる圧電素子５８と、を有する印字ヘッド５０と、前記印字ヘッド５０内のインクを加圧する加圧機構（１２４）と、前記圧電素子５８に所定の駆動電圧を与えるヘッドドライバ（１１４）と、を備え、前記ヘッドドライバ（１１４）から前記圧電素子５８に所定の駆動電圧を与えて該圧電素子５８を変形させて、前記供給口５４を開閉することを特徴とする。
【選択図】 図３

Description

本発明は、液体吐出装置及び画像形成装置に係り、特に、ノズルから液体を吐出する液体吐出ヘッドの構造に関する。

従来より、圧電素子の変位を利用して、圧力室の一壁面を変化させ、圧力室内のインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出するヘッド（液体吐出ヘッド）を搭載したインクジェット記録装置が知られている。

例えば、特許文献１には、インク流路内のインクを常時加圧する圧力とノズル先端の撥水作用のバランスを取ることによりインクを常時加圧してもノズルからインクが漏れないように構成されるヘッドが開示されている。インク流路内を常時加圧することで印字速度の高速化及び印字品質の高品質化を可能にしている。

また、特許文献２には、電圧を印加することによって粘度が上昇するインクを用いて、加圧機構によりインクを常時加圧することでインクに作用する圧力を適正値に調節することができる記録装置が開示されている。インクの吐出性能を向上させることで、印字速度の高速化と画質向上とを図り、装置の小型化を実現している。
実開平５−２８６３９号公報 特開平２−３２８５１号公報

しかしながら、特許文献１では、撥水処理のバラつきや経時変化の観点から撥水処理とインクへの加圧の均衡を保つことは難しく、実用的ではない。

また、特許文献２では、電圧を印加することにより粘度が変化する性質を持ったインクを用いなければならず、インクの選択肢が限られてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高い吐出性能を維持するとともに、ノズルの高集積化及びヘッドの小型化を実現する液体吐出装置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に記載の液体吐出装置は、液体を吐出させるノズルと、前記ノズルと連通する吐出側流路と、前記吐出側流路へ液体を供給する供給側流路と、前記吐出側流路と前記供給側流路とを連通させる供給口と、変位部分が前記供給口を閉塞可能な位置に設けられる圧電素子と、を有する液体吐出ヘッドと、前記供給側流路内の液体を加圧する加圧手段と、前記圧電素子に所定の駆動信号を与える駆動信号供給手段と、を備え、前記駆動信号供給手段から前記圧電素子に所定の駆動信号を与えて該圧電素子を変形させて、前記供給口を開閉することを特徴とする。

本発明によれば、吐出側流路と供給側流路とを連通させる供給口の開閉を圧電素子により行い、該圧電素子を変位させて供給口の少なくとも一部を開放するとノズルから液体が吐出されるように構成されるので、該圧電素子の個体差や経時変化による吐出特性の変化を抑制することができ、吐出安定性が確保され好ましい液体吐出が実現される。また、該圧電素子の変形量を制御することで、供給口の開放部分の大きさを変えることができ、液体の吐出量を可変（変調）させることが可能になる。

ここでいう供給口とは、吐出側流路と供給側流路とをつなぐ流路（管路）と該流路の開口部とを含んでいる。即ち、圧電素子の変位部分が供給口を塞ぐ位置に設けられる態様には、供給口の吐出側流路側の開口部或いは供給側流路側の開口部を塞ぐ態様や、管路の内部を塞ぐ態様がある。供給口の開口部を塞ぐ一例を挙げると、該開口部に圧電素子の変位部分の表面を接触させる態様がある。

圧電素子が供給口の開口部に接触するように設けられる態様では、圧電素子の変位部分が開口部と接触する面積は開口部の面積と略同一又は開口部の面積を超える。また、供給口の一部が開放された状態では、圧電素子の変位部分が開口部と接触する面積は該開口部の面積よりも小さくなる。更に、供給口が完全に開放された状態では、圧電素子の変位部分が開口部と接触する面積はゼロとなる。

加圧手段及び駆動信号供給手段は、液体吐出ヘッドに内蔵されていてもよいし、液体吐出ヘッドの外部に設けられていてもよい。

液体吐出ヘッドには、記録媒体の全幅（記録媒体の画像形成可能幅）に対応した長さのノズル列を有するライン型ヘッドや、記録媒体の全幅に満たない長さのノズル列を有する短尺ヘッドを記録媒体の幅の方向へ走査させるシリアル型ヘッドがある。

ライン型の液体吐出ヘッドには、記録媒体の全幅に対応する長さに満たない短尺のノズル列を有する短尺ヘッドを千鳥状に配列して繋ぎ合わせて、記録媒体の全幅に対応する長さとしてもよい。

液体には、インクジェット記録装置に用いられるインクやレジストなどの薬液、処理液などがある。この液体は、液体吐出ヘッドに設けられたノズルから吐出可能な物性（粘度など）を有している。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電素子は、前記駆動信号供給手段から駆動電圧が印加されない駆動電圧の非印加時には、該圧電素子の変位部分が前記供給口と略同一又は前記供給口を超える大きさを有することを特徴とする。

請求項２の態様は、駆動信号の非印加時には圧電素子は静定状態となり、この圧電素子の静定状態で供給口を閉塞するように構成されるので、電源オフ時には確実に供給口を閉じて吐出側流路への液体の流入が防止される。

なお、駆動信号の非印加時には、圧電素子の変形によって供給口の少なくとも一部が開放されない程度に該圧電素子を変形させる程度の電圧が印加されていてもよい。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出時に、前記供給側流路内の液体を加圧するように前記加圧手段を制御する加圧制御手段を備えたことを特徴とする。

加圧制御手段は、加圧手段のオンオフ制御の他に液体に与える圧力を可変制御する態様が好ましい。加圧制御手段により液体に与える圧力を可変させる態様では、液体の種類（例えば、粘度等の物性）に応じて圧力を可変させることで、吐出特性の安定性を確保することができる。

加圧制御手段は、吐出時に液体を加圧するように加圧手段を制御してもよいし、常時液体を加圧するように加圧手段を制御してもよい。

請求項４に記載の発明は、請求項１、２又は３記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電素子は、前記吐出側流路の内部に設けられることを特徴とする。

請求項４の態様は、吐出側流路の内部に圧電素子を設けることで、ノズル及び吐出側流路の構造を簡素化することができ、多数のノズルを有する場合には、ノズルを高密度に配置することができ、液体吐出ヘッドの小型化が可能になる。

請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電素子は、筒状の圧電体の内周側に内部電極を有するとともに外周側に外部電極を有し、前記内部電極及び前記外部電極間に所定の駆動電圧が印加されると該圧電素子の長さ方向に変形することを特徴とする。

請求項５の態様は、内周側に内部電極を有し、外周側に外部電極を有する円柱状の圧電素子を供給口の開閉部材に適用し、内部電極と外部電極との間に所定の駆動電圧を印加することで該円柱状圧電素子をその長さ方向に変形させて供給口の開閉を行うので、簡易な構成で供給口の開閉を行うことができる。

液体吐出ヘッドに複数のノズルを備える態様では、各ノズルに対応する圧電素子の外部電極を共通電極（基準電位電極）とし、内部電極を個別電極とする態様がある。

請求項６に記載の発明は、請求項５記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電素子は、外周側の少なくとも一部に所定の柔軟性を有する被覆部材を備えたことを特徴とする。

請求項６の態様は、圧電素子の外周側に柔軟性を有する被覆部材を備えることで、圧電素子の径方向の変形に対して、圧電素子と該圧電素子の外周面に接触する部材との間の密閉性が確保される。また、該被覆部材が所定の絶縁性能を有する場合には、圧電素子が液体と接触する部分に該被覆部材を備えるとよい。

請求項７に記載の発明は、請求項５又は６記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電素子の内周側は、前記内部電極で埋められていることを特徴とする。

請求項７の態様は、圧電素子の剛性が高くなり、圧電体の肉厚を薄く構成することが可能になり、圧電素子の変位特性を向上させることができる。

また、上記目的を達成するために、請求項８に記載の画像形成装置は、請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の液体吐出装置を用いて記録媒体上の所望の画像を形成することを特徴とする。

画像形成装置には、ノズルから色インクを吐出させて記録媒体上に所望の画像を形成するインクジェット記録装置がある。

記録媒体は、吐出孔から打滴される液体を付着させる媒体であり、連続用紙、カット紙、シール用紙、ＯＨＰシート等の樹脂シート、フィルム、布、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含む。

本発明によれば、吐出側流路と供給側流路とを連通させる供給口の開閉を行う開閉部材に圧電素子を適用し、該供給口の少なくとも一部を開放するとノズルから液体が吐出されるように構成されるので、該圧電素子の個体差や経時変化による吐出特性の変化を抑制することができ、吐出安定性が確保される。また、該圧電素子の変形量を制御することで、供給口の開放部分の大きさを変えることができ、液体の吐出量を可変（変調）させることが可能になる。また、加圧手段から液体に与える圧力を可変可能に構成することで、例えば、高い粘度を持った液体を用いる場合にも圧力を大きくすることで吐出安定性が確保され好ましい液体吐出が実現される。

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の全体構成〕
図１は、本発明の実施形態に係るインクジェット記録装置（液体吐出装置、画像形成装置）の概略を示す全体構成図である。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（液体吐出ヘッド）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（記録媒体）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（図１中不図示、図６に符号８８で図示）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吐出口（ノズル）が複数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。

〔印字ヘッドの構造〕
次に、印字ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造について説明する。なお、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。

図２は、印字ヘッド５０の構造の一部を簡略的に表示した平面透視図である。図２に示すように、本例の印字ヘッド５０は、インク滴を吐出する複数のノズル５１が千鳥状に配置された構造を有している。即ち、印字ヘッド５０は、ノズル５１を印字ヘッド５０の長手方向に沿って並べた２つのノズル列５１Ａ、５１Ｂを有し、ノズル列５１Ａに属するノズルとノズル列５１Ｂに属するノズルとを印字ヘッド５０の長手方向に位相をずらして配置された構成となっている。

また、印字ヘッド５０は、各ノズル５１に対応して設けられる複数の吐出側流路５２と、各吐出側流路５２のインク流入口である供給口５４と、各供給口５４を介して吐出側流路５２と連通するインク主流５５（供給側流路）と、印字ヘッド５０（インク主流５５）へ不図示のインク供給系からのインクが充填されるインク充填口６０と、を有して構成され、吐出側流路５２の内部には圧電素子５８が設けられている（図３参照）。

なお、本例には２列のノズル列５１Ａ，５１Ｂを有する印字ヘッド５０を示したが、印字ヘッド５０が有するノズル列は１列でもよいし、３列以上でもよい。

図３は、印字ヘッド５０の立体構造を示す断面図（図２中３−３線に沿う断面図）である。図３に示すように、ノズル５１と連通する吐出側流路５２の内部には、略円筒状（略円柱形状）の圧電素子５８が設けられている。圧電素子５８は、略円筒状の圧電体７０、外周側に配置される外部電極７２、及び、内周側に配置される内部電極７４から構成される。また、外部電極７２は共通電極（共通電極層）５６と導通するように構成され、共通電極５６は、印字ヘッド５０が有するすべての圧電素子５８の外部電極と導通するように、印字ヘッド５０の全面にわたって形成されている。更に、内部電極７４のノズル５１側と反対の端部は、個別電極８０（図５参照）と導通する構造を有している。

本例に示す印字ヘッド５０は、図３に示す圧電素子５８の静定状態（駆動電圧が印加されていない状態）では、圧電素子５８によって供給口５４が閉じられており、インク主流５５のインクは吐出側流路５２へは流れない。即ち、圧電素子５８は、その表面が供給口５４の開口部と接触することで供給口５４の開口部を閉塞する。

一方、インク主流５５内のインクを加圧機構（加圧手段、図３中不図示、図９に符号１２４で図示）によって加圧した状態で圧電素子５８に駆動電圧を印加すると、圧電素子５８が収縮して供給口５４が開放されて供給口５４から吐出側流路５２へインクが押し出され、該加圧機構の加圧力によりノズル５１からインクが吐出される。即ち、印字ヘッド５０は、圧電素子５８を、その長さ方向（図３における上下方向）に変位（伸縮）させることで供給口５４を開閉する構造を有し、圧電素子５８は供給口５４の開閉機構（開閉弁）として機能している。なお、圧電素子５８の上部（ノズル５１と反対側、例えば、共通電極５６よりも図３における上側部分）は吐出側流路５２の内壁面に接合される固定部分となっている。

図４(a),(b)には、圧電素子５８の概略構造を示す。図４(a)に示すように、圧電素子５８は、略円筒状の圧電体７０と、圧電体７０の外周側に配置される外部電極７２と、圧電体７０の内周側に配置される内部電極７４と、から構成される。また、外部電極７２のインクと接触する部分（外部電極７２の表面及び、圧電素子５８のノズル５１側の端部）は有機フィルム７６（被覆部材）により覆われている。この有機フィルム７６は、所定の絶縁性と柔軟性を有した材料が用いられる。即ち、有機フィルム７６は外部電極７２とインクとの絶縁部材として機能するとともに、圧電素子５８と吐出側流路５２との間にできるスペースを埋める部材として機能し、吐出側流路５２へのインクもれを防止する。

特に、本例の圧電素子５８は、略円筒状の圧電体７０の内周側を内部電極７４で埋めた構造となっている。圧電体７０は径方向に分極処理されており、分極方向（図４(b)に矢印線で図示）に略平行な電界が印加されると、該分極方向に略垂直な方向に変位する。即ち、外部電極７２と内部電極７４の間に所定の電界（駆動電圧）が印加されると、図４(a)の鉛直方向（矢印線で図示）に圧電体７０が変位（収縮）する。

本例の圧電素子５８は、有機フィルム７６に覆われていない非被覆部分が吐出側流路５２に固定され、外部電極７２と内部電極７４との間に駆動電圧が印加されると有機フィルム７６に覆われている被覆部分が収縮するように構成されている。

なお、本実施形態では、略円筒状の圧電体７０を例示したが、本発明の実施に際してはこれに限定されず、圧電体７０が筒状（例えば、多角筒状、楕円筒状など）もしくは棒状に構成されていればよい。

このように構成される圧電素子５８における図３の鉛直方向の変位量Ｎは、次式〔数１〕のようになる。

〔数１〕
Ｎ＝ｄ_３１×Ｖ×Ｌ／ｔ
但し、ｄ_３１は圧電歪定数、Ｖは印加電圧（駆動電圧）、Ｌは圧電体７０の鉛直方向の長さ（可動部の有効長さ）、ｔは圧電体７０の肉厚（電極間距離）である。上記〔数１〕で示されるように、同一材料で同一長さの圧電素子に同一電圧を印加する場合、圧電素子５８のｄ_３１駆動モードを利用したときの圧電体７０の鉛直方向の変位量Ｎを大きくするためには、圧電体７０の肉厚ｔを薄く構成することが必要である。本例の圧電素子５８は、前述したように、略円筒状の圧電体７０の内周側を内部電極７４で埋めた構造となっており（図４参照）、従来に比べて圧電素子５８の剛性が高くなる。これにより、圧電体７０の肉厚ｔをより薄く構成することができ、圧電素子５８の変位特性が向上する。

なお、ここでいう圧電素子５８の変位量Ｎとは、有機フィルム７６に覆われた部分の変位量を示している。

本例に示す印字ヘッド５０は、複数のキャビティプレートが積層された構造を有している。図５に示す個別電極８０及びリード電極８２は、印字ヘッド５０を構成する１つのキャビティプレートに形成され、個別電極８０は内部電極７４と導電性接合部材（はんだ、導電性接着剤等）により電気的に接合される。

図５は、印字ヘッド５０の個別電極８０が形成される個別電極形成面８０Ａの表面を表した平面図である。この個別電極形成面８０Ａには、圧電素子５８の内部電極７４と導通する導電部（個別電極）８０が形成される。また、個別電極８０を個別電極形成面８０Ａの端部に引き出すリード電極８２が形成される。即ち、駆動電圧生成部（図６のヘッドドライバ）で生成された駆動電圧は、不図示のフレキシブル基板、リード電極８２、個別電極８０を介して内部電極７４に伝送される。

なお、図４(a)に示すように、圧電素子５８の外部電極７２の（鉛直方向の）高さは、内部電極７４（若しくは圧電体７０）よりも低く構成されている。これにより、外部電極７２と個別電極８０（又はリード電極８２）が電気的に絶縁された状態で、内部電極７４と個別電極８０の電気的な導通を確保することができる。本例では、略四角形形状の個別電極８０を示したが、内部電極７４の形状に合わせて略円形でもよい。

〔制御系の説明〕
図６はインクジェット記録装置１０のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置１０は、通信インターフェース１００、システムコントローラ１０２、メモリ１０４、モータドライバ１０６、ヒータドライバ１０８、プリント制御部１１０、画像バッファメモリ１１２、ヘッドドライバ１１４（駆動信号供給手段）、加圧制御部１１５（加圧制御手段）等を備えている。

通信インターフェース１００は、ホストコンピュータ１１６から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース１００にはＵＳＢ（Universal serial bus）、ＩＥＥＥ１３９４、イーサネット（登録商標）、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ（不図示）を搭載してもよい。ホストコンピュータ１１６から送出された画像データは通信インターフェース１００を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦メモリ１０４に記憶される。メモリ１０４は、通信インターフェース１００を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ１０２を通じてデータの読み書きが行われる。メモリ１０４は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。

システムコントローラ１０２は、通信インターフェース１００、メモリ１０４、モータドライバ１０６、ヒータドライバ１０８、加圧制御部１１５等の各部を制御する制御部である。システムコントローラ１０２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、ホストコンピュータ１１６との間の通信制御、メモリ１０４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１１８やヒータ１１９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ１０６は、システムコントローラ１０２からの指示にしたがってモータ１１８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ１０８は、システムコントローラ１０２からの指示にしたがって後乾燥部４２（図１に図示）等のヒータ１１９を駆動するドライバである。

プリント制御部１１０は、システムコントローラ１０２の制御に従い、メモリ１０４内の画像データから印字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う信号処理機能を有し、生成した印字制御信号（印字データ）をヘッドドライバ１１４に供給する制御部である。プリント制御部１１０において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいてヘッドドライバ（駆動電圧生成部）１１４を介して印字ヘッド５０のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御（打滴制御）が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。

プリント制御部１１０には画像バッファメモリ１１２が備えられており、プリント制御部１１０における画像データ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１１２に一時的に格納される。なお、図６において画像バッファメモリ１１２はプリント制御部１１０に付随する態様で示されているが、メモリ１０４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１１０とシステムコントローラ１０２とを統合して一つのプロセッサで構成する態様も可能である。

ヘッドドライバ１１４はプリント制御部１１０から与えられる印字データに基づいて各色の印字ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙの圧電素子５８を駆動する。ヘッドドライバ１１４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。

プログラム格納部１２０には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ１０２の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。プログラム格納部１２０はＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。外部インターフェースを備え、メモリカードやＰＣカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。なお、プログラム格納部１２０は動作パラメータ等の記録手段（不図示）と兼用してもよい。

印字検出部２４は、図１で説明したように、ラインセンサを含むブロックであり、記録紙１６に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況（吐出の有無、打滴のばらつきなど）を検出し、その検出結果をプリント制御部１１０に提供する。

プリント制御部１１０は、必要に応じて印字検出部２４から得られる情報に基づいて印字ヘッド５０に対する各種補正を行う。

加圧制御部１１５は、システムコントローラ１０２から送られた加圧制御信号に基づいて、インク主流５５内のインクを加圧する加圧機構１２４のオンオフや加圧力の大きさを制御する制御ブロックである。該加圧制御部は、加圧機構１２４のオンオフを制御するとともに、インク情報などの情報を参照して加圧機構１２４の圧力を可変させるように加圧機構１２４を制御する。本例では、インクジェット記録装置１０の電源オン時にはインク主流５５内のインクを常時加圧する態様を例示するが、印字データに応じて加圧手段１２４をオンオフ制御してもよい。

〔インク吐出の説明〕
次に、図７〜図９を用いて、本例に示す印字ヘッド５０のインク吐出について説明する。上述したように、本例の印字ヘッド５０は吐出側流路５２の内部に設けられた略円筒状の圧電素子５８を伸縮させて供給口５４の開閉を行い、図７、図８に示すように、加圧機構（図６に符号１２４で図示）によりインク主流５５内のインクを加圧した状態で供給口５４を開放するとノズル５１からインク１２６，１２６’が吐出される。

図７は、供給口５４が完全に開放された状態を示し、図８は、供給口５４が略半分だけ開放された状態を示す。上記〔数１〕に示すように、圧電素子５８の変位量Ｎは圧電素子５８に印加される駆動電圧Ｖに比例する。したがって、この駆動電圧Ｖを適宜可変させることで圧電素子５８の変位量Ｎをｎｍ（ナノメートル）オーダーで制御することができ、供給口５４の開口部の長さ（面積）をｎｍオーダー設定可能である。

即ち、図７に示す状態では、供給口５４が完全に開放されており、供給口５４の開口部の長さは供給口５４の長さＤとなっている。また、図８に示す状態では、供給口５４が略半分だけ開放されており、供給口５４の開口部の長さはＤ’（≒Ｄ／２）となっている。

このように、供給口５４の開口部の長さを適宜可変させることで、単位時間当たりにインク主流５５から吐出側流路５２へ流れるインク量を変えることができる。このようにインク吐出量（本例では、数ｐｌ〜数十ｐｌ）を可変させると、記録紙１６上に形成されるドットのサイズ変調が可能になり、高精細な画像形成を実現することができる。

即ち、図６に示す加圧機構１２４からインク主流５５内のインクに付与される圧力が一定の場合、供給口５４の開口部の長さと供給口５４の開口面積を制御することで、ノズル５１から吐出されるインク量の制御が可能となり、記録紙１６上に形成されるドットの微妙なサイズ変調が可能になる。本例では、供給口５４の開口部を全開及び半開の２段階に可変させる態様を示したが、更に、供給口５４の開口部の長さを細かく設定する態様が好ましい。なお、供給口５４の開口面積を一定（圧力一定）として、供給口５４の開放期間を制御してインク吐出量を可変させてもよい。

また、駆動電圧の変化に対して応答性のよい圧電素子５８を用いて供給口５４の開口部の大きさを可変させるので、数十ｋＨｚ程度（例えば、２０ｋＨｚ〜４０ｋＨｚ）の高い吐出周波数を維持しながら、安定してインクを吐出させることが可能である。

図９には、図６に図示した加圧機構１２４の一例を示す。図９に示す加圧機構１２４は、空気による加圧方式システムによりインク主流５５内のインクを加圧するように構成される。即ち、加圧機構１２４はインク充填口６０などに連通され、インク１３２が収容されている加圧タンク１３０と、該加圧タンク１３０内の圧力を可変させる加圧部材１３４と、を含んで構成される。

なお、加圧機構１２４によるインク主流５５内のインクの加圧は、少なくともインク吐出時（印字実行時）に実行されればよい。もちろん、インクが吐出されない非印字実行時にインク主流５５内のインクを加圧してもよい。また、粘度が高いインクを用いる場合には通常の粘度を有するインクを用いる場合に比べて加圧機構１２４から付与される圧力を大きくすることで、安定したインク吐出が実現される。

〔圧電素子の製造方法〕
次に、圧電素子５８の製造方法について説明する。

圧電素子５８は、図４(a)に示すように、円柱状（芯状）の内部電極７４の外周に圧電体７０を形成する。内部電極７４には、圧電体７０の焼成時に溶融しない材料、例えば、白金などを用いることが好ましい。圧電体７０の形成には公知の方法を用いる。例えば、特開平８−２０１０９号公報、特開平９−３００６１４号公報に記載されるディップ法や、特開２００４−２００４８４号公報に記載されるＡＤ（エアロゾルデポジション）法や、特開平８−３３６９６７号公報に記載される成膜法や、射出成形などがある。圧電体７０の外径は、例えば、１０μｍ〜２００μｍである。続いて、圧電体７０の外周側に外部電極７２をディップ法、成膜法により形成する。このとき、図４(a)に示すように、外部電極７２の（鉛直方向の）高さが内部電極７４及び圧電体７０より低くなるように形成する。外部電極７２と個別電極８０（若しくはリード電極８２）が電気的に絶縁された状態となるようにするためである。更に、圧電素子５８のインクと接触する部分には有機フィルム７６が形成される。この有機フィルム７６の厚みは１μｍから２０μｍ程度である。

このようにして形成された圧電素子５８は、別途作製された流路構造体の吐出側流路５２となる穴部に挿入され、圧電素子５８の外部電極７２が共通電極５６と導電性接合部材によって電気的に接合されるとともに、圧電素子５８の非変形部分（固定部分）が吐出側流路５２となる穴部に接合（固定）される。

また、個別電極８０が形成されるキャビティプレートには、内部電極７４が接触する部分に対して、薄膜状の導電部（個別電極）８０をスクリーン印刷やスパッタリング等で形成され、同様にして、リード電極８２も形成される。このようにして作製された該キャビティプレートの個別電極８０は、圧電素子５８の内部電極７４と電気的に接合される。

上記の如く構成されたインクジェット記録装置１０によれば、印字ヘッド５０は略円筒状の圧電体７０と、圧電体７０の外周側に配置される外部電極７２と、圧電体７０の内周側に配置される内部電極７４と、から構成される円柱状の圧電素子５８を吐出側流路５２内に備え、圧電素子５８を変位させて吐出側流路５２とインク主流５５とをつなぐ供給口５４の開口部を開閉するように構成されるので、非吐出時に供給口５４を閉じる部材に個体差や経時変化の少ない圧電素子５８を用いることで、非吐出時に吐出側流路５２へのインクの流入を確実に防ぐことができる。

また、加圧機構によってインクに吐出力が付与されるので、粘度の高いインクを使用する場合にも吐出安定性を確保することができ、供給口５４の開口部の大きさを圧電素子５８に印加する駆動電圧によって精度よくコントロールできるので、記録紙１６上に形成されるドットの微妙なサイズ変調が可能である。

本実施形態では、記録紙１６上にインクを吐出させて所望の画像を形成するインクジェット記録装置（画像形成装置）を示したが、本発明は、媒体上に液体（処理液、薬液、水等）を吐出させる液体吐出装置にも適用可能である。

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の概略を示す全体構成図である。 印字ヘッドの一部を簡略化して表示した平面透視図 図２中３−３線に沿う断面図 圧電素子の構造を説明する図 個別電極形成面の構造を示す平面図 図１に示すインクジェット記録装置の制御系の概略構成を示すブロック図 供給口の全開状態を説明する図 供給口の半開状態を説明する図 図６に示す加圧機構の一例を説明する図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、５０…印字ヘッド、５１…ノズル、５２…吐出側流路、５４…供給口、５５…インク主流、５６…共通電極、５８…圧電素子、７０…圧電体、７２…外部電極、７４…内部電極、７６…有機フィルム、８０…個別電極、８２…リード電極、１１４…ヘッドドライバ、１２４…加圧機構

Claims (8)

1. 液体を吐出させるノズルと、
   前記ノズルと連通する吐出側流路と、
   前記吐出側流路へ液体を供給する供給側流路と、
   前記吐出側流路と前記供給側流路とを連通させる供給口と、
   変位部分が前記供給口を閉塞可能な位置に設けられる圧電素子と、
   を有する液体吐出ヘッドと、
   前記供給側流路内の液体を加圧する加圧手段と、
   前記圧電素子に所定の駆動信号を与える駆動信号供給手段と、
   を備え、
   前記駆動信号供給手段から前記圧電素子に所定の駆動信号を与えて該圧電素子を変形させて、前記供給口を開閉することを特徴とする液体吐出装置。
2. 前記圧電素子は、前記駆動信号供給手段から駆動電圧が印加されない駆動電圧の非印加時には、該圧電素子の変位部分が前記供給口と略同一又は前記供給口を超える大きさを有することを特徴とする請求項１記載の液体吐出装置。
3. 前記ノズルから液体を吐出させる液体吐出時に、前記供給側流路内の液体を加圧するように前記加圧手段を制御する加圧制御手段を備えたことを特徴とする請求項１又は２記載の液体吐出装置。
4. 前記圧電素子は、前記吐出側流路の内部に設けられることを特徴とする請求項１、２又は３記載の液体吐出装置。
5. 前記圧電素子は、筒状の圧電体の内周側に内部電極を有するとともに外周側に外部電極を有し、前記内部電極及び前記外部電極間に所定の駆動電圧が印加されると該圧電素子の長さ方向に変形することを特徴とする請求項１乃至４のうち何れか１項に記載の液体吐出装置。
6. 前記圧電素子は、外周側の少なくとも一部に所定の柔軟性を有する被覆部材を備えたことを特徴とする請求項５記載の液体吐出装置。
7. 前記圧電素子の内周側は、前記内部電極で埋められていることを特徴とする請求項５又は６記載の液体吐出装置。
8. 請求項１乃至請求項７のうち何れか１項に記載の液体吐出装置を用いて記録媒体上の所望の画像を形成することを特徴とする画像形成装置。
   

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