JP2007307777A - 液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】個別液室内に液体を加圧する圧力が共通液室側に逃げるとともに、共通液室側から個別液室側への液体の充填性、供給性を確保することが難しい。
【解決手段】流路板１と、この流路板１の下面に接合した振動板部材２と、流路板１の上面に接合したノズル板３とによって液滴を吐出するノズル４が連通する個別液室６を構成するとともに、フレーム部材１７に複数の個別液室６に記録液を供給する共通液室８を形成し、圧電素子１２によって変形されるダイアフラム部２Ａの長さよりも共通液室８からダイアフラム部２Ａまでの長さを長くし、個別液室６と共通液室８との間に個別液室６より開口断面積の小さい流体抵抗部を設けない。
【選択図】図２

Description

本発明は液体吐出ヘッド、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、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体（以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。）を搬送しながら、液体としての記録液（以下、インクともいう。）を用紙に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。）を行なうものがある。

なお、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与することをも意味する。また、液体とは記録液、インクに限るものではなく、画像形成を行うことができる液体であれば特に限定されるものではない。また、液体吐出装置とは、液体吐出ヘッドから液体を吐出する装置を意味し、画像を形成するものに限られない。

このような液体吐出装置や画像形成装置で使用される液体吐出ヘッドとしては、ノズルが連通する個別液室（個別流路、加圧液室、加圧室、圧力室などともいう。）の壁面を変形可能な領域を有する振動板部材で形成し、圧電素子によって変形可能な領域を変形させることで液滴を吐出させる圧力を発生する圧電型ヘッド、個別流路内に配置した発熱抵抗体による膜沸騰で気泡を発生させることで液滴を吐出させる圧力を発生するサーマル型ヘッド、個別液室（個別流路）の壁面を変形可能な領域を有する振動板部材で形成し、振動板部材に対向する電極との間で静電力を発生させて振動板部材の機械的変位によって変形可能な領域を変形させる静電型ヘッドなどが知られている。

ところで、ヘッド内に液体を充填ないし供給するときにノズル、個別液室、複数の個別液室に液体を供給する共通液室（共通流路）内に気泡が残留すると、安定した液滴吐出を行うことができなくなる。また、液滴を吐出するノズル数が増加するに従って共通液室から個別液室に対して速やかに液体を補充供給しなければならなくなり、供給が追いつかないと滴吐出不良が発生しまうことになる。

従来、液体吐出ヘッドにおける充填性や気泡排出性を向上するために、例えば、特許文献１には、インク液室の前面壁のインクノズル部の直後に位置する部分の発熱抵抗体を設けた基板に対する角度６０°以上とすることが記載されている。
特開２００４−０９８４６６号公報

特許文献２には、ノズル及び圧力室の一部を構成するノズル板と、ノズル板のインク吐出面と反対側の面に接してノズル板を支持し、ノズル近傍のノズル板に対して圧電素子による変位を抑止する一方、ノズル近傍以外の圧力室の一部を構成するノズル板に対して圧電素子による変位を妨げない構造を有するノズル板支持部材とを備え、ノズルと圧電素子とを近接配置することで、圧電素子が与える圧力をノズル近傍まで効率よく伝えることができるようにし、また、ノズルから共通流路までの距離を短くすることで圧力室内の残留気泡付着を防ぎ、充填性を確保することが記載されている。
特開２００５−０９６４３８号公報

特許文献３には、インクリザーバタンク２と共通液室１５を連通するインク供給流路１８を、インクリザーバタンク２に連結される親流路２０と、共通液室１５に連結される２Ｍ系統の子流路２１とで構成し、インク供給流路１８から共通液室１５にインクを分散して供給することが記載されている。
特開２００２−３６１８９２号公報

特許文献４には、圧力室となる圧力室空部を、圧力室の全長に亘って形成されて、その一端が液体供給口を介してリザーバに連通された浅溝部と、流路基板を貫通して浅溝部とノズル開口との間を連通する貫通孔部とを有し、貫通孔部を、液体供給口とは反対側の浅溝部先端側とノズル開口との間を連通する第１貫通孔部と、液体供給口側の浅溝部基端側とノズル開口との間を連通する第２貫通孔部とから構成し、第２貫通孔部を流路基板の厚さ方向に対して斜めに延在する斜め貫通孔部とすることが記載されている。
特開２００５−００１２１１号公報

特許文献５には、印字液用の貯蔵器と、この貯蔵器に連通するインク通路とを備え、インク通路は貯蔵器側からノズル側までストレートに形成することが記載されている。
特開昭５９−１５９３５８号公報

ところで、上述した圧電型ヘッドのように振動板部材の変形可能な領域（ダイアフラム部）を変形させて個別液室内の液体を加圧する圧力を発生させるヘッドにおいては、ダイアフラム部を変形させて個別液室内液体を加圧したときに、圧力が共通液室側へ逃げると、圧電素子の変位がノズルから液滴を吐出させるために効率的に利用されなくなる。そこで、一般的には、共通液室から個別液室に至る流路中に流体抵抗部を配置して、個別液室に加えた圧力が共通液室側に逃げることを抑制するようにしている。

しかしながら、共通液室から個別液室に至る流路中に流体抵抗部を配置すると、共通液室から個別液室側に液体を充填するときに流体抵抗部による抵抗を受けて充填性が低下するという課題が生じる。

この点、特許文献５には流体抵抗部を持たないインク通路を有するヘッドが記載されているが、流体抵抗部がないために、上述したように圧電素子による変位で液滴を吐出させる構成とした場合には圧力損失が大きくなるという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、圧力損失を低減しつつ充填性を向上した液体吐出ヘッド、この液体吐出ヘッドを備え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。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルが連通する個別液室の少なくとも一部が変形可能な領域を有する振動板部材で形成され、複数の個別液室に液体を供給する共通液室を有する液体吐出ヘッドにおいて、個別液室は振動板部材の変形可能な領域の長さよりも共通液室から変形可能な領域に至るまでの長さが長く、共通液室から振動板部材の変形可能な領域に至るまでの部分に流体抵抗部がない構成とした。

ここで、個別液室の長さをＬ（μｍ）、幅をＷ（μｍ）、高さをＨ（μｍ）としたとき、２０≦Ｈ−０．０２×Ｌ＋０．１５×Ｗ≦７０、の関係が成り立つことが好ましい。また、４５≦Ｈ−０．００８×Ｌ＋０．２×Ｗの関係が成り立つことが好ましい。また、個別液室の高さＨ（μｍ）は、４０≦Ｈ≦７０の範囲内であることが好ましい。

また、ノズルは個別液室の長さ方向と直交する方向に形成され、直接個別液室に臨んでいる構成、或いは、ノズルは個別液室の長さ方向に沿う方向に形成され、直接個別液室に臨んでいる構成とすることができる。また、個別液室は金属部材により形成されている構成とできる。また、振動板部材の変形可能な領域を変形させる圧電素子を備えていることが好ましい。

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

本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、個別液室は振動板部材の変形可能な領域の長さよりも共通液室から変形可能な領域に至るまでの長さが長く、共通液室から振動板部材の変形可能な領域に至るまでの部分に流体抵抗部がない構成としたので、流体抵抗部をなくしつつ、変形可能な領域を変形させて生じさせる圧力が共通液室側へ逃げるのを低減することができ、圧力損失を低減しつつ充填性を向上することができる。

本発明に係る液体吐出装置及び本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、ノズル数を増加した場合でも、圧力の利用効率が高く、また、個別液室に対する速やかな液体の充填、供給を行うことができ、高密度画像を高速で形成することができる。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る液体吐出ヘッドの一例について図１ないし図４を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの分解斜視説明図、図２は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図、図３は同じく同ヘッドの個別液室の説明に供する断面説明図、図４は同ヘッドの液室短手方向に沿う断面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、流路板（液室基板）１と、この流路板１の下面に接合した振動板部材２と、流路板１の上面に接合したノズル板３とを有し、これらによって液滴（液体の滴）を吐出するノズル４がノズル連通路（連通管）５を介して連通する個別液室（加圧液室、圧力室、加圧室、流路などとも称される。）６を形成し、この個別液室６には各個別液室６に液体としての記録液を供給する後述する共通液室８との間に流体抵抗部となる部分を形成していない。なお、ここでいう「流体抵抗部」とは個別液室６の開口断面積よりも開口断面積が小さい部分を意味する。

ここで、流路板１は、ＳＵＳ基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、あるいは打ち抜きなどの機械加工することで形成したもの、流路板１とノズル板３とを電鋳で一体形成したもの、結晶面方位（１１０）の単結晶シリコン基板を水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）などのアルカリ性エッチング液を用いて異方性エッチングすることで形成したものや、その他感光性樹脂などを用いることもできる。流路板１をＳＵＳ基板、Ｎｉなどの金属部材で形成することによって剛性を上げつつシリコン基板などに比べてコストを低減できる。

振動板部材２は、図２に示すように個別液室６側から第１層２ａ、第２層２ｂ、第３層２ｃの３層構造のニッケルプレートで形成したもので、例えば電鋳によって作製している。なお、この振動板２は、例えば、ポリイミドなどの樹脂部材とＳＵＳ基板などの金属プレートとの積層部材、或いは、樹脂部材から形成したものなどを用いることもできる。

ノズル板３は、各個別液室６に対応して多数のノズル４を形成し、流路板１に接着剤接合している。このノズル板３としては、ステンレス、ニッケルなどの金属、ポリイミド樹脂フィルムなどの樹脂、シリコン、及びそれらの組み合わせからなるものを用いることができる。また、ノズル４の内部形状（内側形状）は、ホーン形状（略円柱形状又は略円錘台形状でもよい。）に形成し、このノズル４の穴径はインク滴出口側の直径で約２０〜３５μｍとしている。さらに、各列のノズルピッチは１５０ｄｐｉとした。

また、ノズル板３のノズル面（吐出方向の表面：吐出面）には、図示しない撥水性の表面処理を施した撥水処理層を設けている。撥水処理層としては、例えば、ＰＴＦＥ−Ｎｉ共析メッキやフッ素樹脂の電着塗装、蒸発性のあるフッ素樹脂（例えばフッ化ピッチなど）を蒸着コートしたもの、シリコーン系樹脂・フッ素系樹脂の溶剤塗布後の焼き付け等、記録液物性に応じて選定した撥水処理膜を設けて、記録液の滴形状、飛翔特性を安定化し、高品位の画像品質を得られるようにしている。

そして、振動板部材２には、図２に示すように、各個別液室６に対応して第１層２ａで形成した変形可能な領域であるダイアフラム部２Ａの中央部に第２層２ｂ、第３層２ｃの２層構造の凸部２Ｂを形成し、この凸部２Ｂに圧力発生手段（アクチュエータ手段）を構成する圧電素子１２をそれぞれ接合している。また、各個別液室６の隔壁６Ａに対応して３層構造部分（厚肉部２Ｂ）に支柱部１３を接合している。

これらの圧電素子１２及び支柱部１３は積層型圧電素子部材１４にハーフカットのダイシングによるスリット加工を施して櫛歯状に分割して形成したもので、支柱部１３も圧電素子であるが駆動電圧を印加しないために単なる支柱となっている。この積層型圧電素子部材１４はベース部材１５に接合している。

なお、圧電素子１２（圧電素子部材１４）は、例えば厚さ１０〜５０μｍ／１層のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の圧電層と、厚さ数μｍ／１層の銀・パラジューム（ＡｇＰｄ）からなる内部電極層とを交互に積層したものであり、内部電極を交互に端面の端面電極（外部電極）である個別電極、共通電極に電気的に接続し、これらの電極にＦＰＣケーブル１６を介して駆動信号を供給するようにしている。

また、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて個別液室６内記録液を加圧する構成とすることも、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３１方向の変位を用いて個別液室６内記録液を加圧する構成とすることもできる。本実施形態ではｄ３３方向の変位を用いた構成をとっている。

さらに、振動板部材２の周囲には例えばエポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成したフレーム部材１７を接着剤で接合している。

このフレーム部材１７には、各個別液室６に記録液を供給する共通液室８を形成し、共通液室８から振動板部材２に形成した供給口９を介して個別液室６に記録液が供給される。なお、フレーム部材１７には共通液室８に外部から記録液を供給するための記録液供給口１９も形成される。この供給口１９は更に図示しないサブタンクや記録液カートリッジなどの記録液供給源に接続される。

ここで、図３に示すように、個別液室６の長さ（ノズル並び方向と交差する方向の長さ）Ｌのうち、振動板部材２の変形可能な領域であるダイアフラム部２Ａの長さＬ３よりも共通液室８から変形可能な領域（ダイアフラム部２Ａ）に至るまでの長さＬ２が長く（Ｌ２＞Ｌ３）、上述したように、共通液室８から振動板部材２の変形可能な領域（ダイアフラム部２Ａ）に至るまでの部分に流体抵抗部がない形状としている。

なお、共通液室８から変形可能な領域（ダイアフラム部２Ａ）に至るまでの長さＬ２は、ダイアフラム部２Ａの上流側部分の長さであり、供給口９は流体に対して影響を与えない十分な開口を有しているので、長さＬ２の共通液室８側の基点は供給口９のダイアフラム部２Ａ側としている。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば圧電素子１２に印加する電圧を基準電位から下げることによって圧電素子１２が収縮し、振動板２が下降して個別液室６の容積が膨張することで、個別液室６内にインクが流入し、その後圧電素子１２に印加する電圧を上げて圧電素子１２を積層方向に伸長させ、振動板部材２のダイアフラム部２をノズル４方向に変形させて個別液室６の容積／体積を収縮させることにより、個別液室６内の記録液が加圧され、ノズル４から記録液の滴が吐出（噴射）される。

そして、圧電素子１２に印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板部材２のダイアフラム部２Ａが初期位置に復元し、個別液室６が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室８から個別液室６内に記録液が充填される。そこで、ノズル４のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のための動作に移行する。

なお、このヘッドの駆動方法については上記の例（引き−押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行うこともできる。

この液体吐出ヘッドにおいては、共通液室８側から連通管５までの個別液室６部分の断面積を同じにして個別液室６と共通液室８との間に流体抵抗部を形成していないが、圧電素子１２で変形させる振動板部材２のダイアフラム部２Ａの長さＬ３よりも個別液室６に記録液を供給する共通液室８からダイアフラム部２Ａまでの長さＬ２が長いので、圧電素子１２でダイアフラム部２Ａを変形させて記録液を加圧したとき、圧力が共通液室８側に逃げる度合いが少なくなり、圧電素子１２の変位を効率的に滴吐出に利用することができる。

一方、個別液室６と共通液室８との間に流体抵抗部を形成していないので、初期充填において外部から共通液室８を通じて個別液室６に記録液を充填するとき、記録液はスムーズに個別液室６に流入することができ、また、これにより気泡の発生が少なく、気泡排出性も向上する。そして、滴吐出後における共通液室８から個別液室６に対する記録液の補充供給を行うときも流体抵抗部がないのでスムーズな供給が行われて、高速駆動した場合であっても十分に間に合うように共通液室８から個別液室６に記録液を供給することができる。

ここで、個別液室６と共通液室８との間に開口断面積が個別流路６よりも狭い流体抵抗部を設けた場合と、本件発明のように流体抵抗部がない場合について、個別液室６の高さＨを２０〜１２０μｍまで変化させてそれぞれの流速を測定した結果を図５に示している。これより、流体抵抗部の無い方が充填性の指標となる流速が相対的に速くなり、充填性が向上することが分かる。

また、この構成を採用することによって、個別液室の高さを相対的に低くすることができる。つまり、個別液室の高さを低くすると、個別液室の高さが相対的に高い場合に比べて、流体抵抗は大きくなるが、流速が速くなり、流速が速くなることで個別液室に対する記録液の充填性が向上することになる。この場合、個別液室と共通液室との間に流体抵抗部を設けていると、個別液室の高さを低くすることで格段に流体抵抗が大きくなってしまい、充填性が悪化することになるが、本発明に係る液体吐出ヘッドのように流体抵抗部を設けないことで、個別液室の高さを低くして流速を速くし、より充填性を向上することができるようになる。

このように流体抵抗部を設けない場合、流速を速くして充填性を高めるための個別液室６の構造について検討した。この点について図６及び図７をも参照して説明する。
先ず、個別液室６の長さＬ（図３に示すように全体の長さ）が、１４７２μｍ、１９７２μｍ、２４７２μｍであるものについて、それぞれ個別液室６の高さＨを２０〜１２０μｍまで変化させたときの流速の変化を測定した結果を図５に示している。なお、流速は、個別液室幅Ｗ（図４参照）の１／２、個別液室高さＨの１／２、個別液室長手方向長さの１／２の位置における流速である。

この結果から、個別液室６の高さＨがある高さにおいて流速が最も速くなること、流速が最も速くなる高さＨは個別液室の長さＬによって異なることが分かる。

また、個別液室の長さＬが１９７２μｍで、個別液室の幅Ｗを１３９μｍ（１５０ｄｐｉ相当）、７０μｍ（３００ｄｐｉ相当）のものについて、それぞれ個別液室６の高さＨを２０〜１２０μｍまで変化させたときの流速の変化を測定した結果を図７に示している。なお、流速の測定位置は前述と同様である。

この結果から、個別液室６の高さＨがある高さにおいて流速が最も速くなること、流速が最も速くなる高さＨは個別液室の幅Ｗによって異なることが分かる。

これらの結果に基づいて、最も速い流速が得られる個別液室６の構造について検討した。ここで、個別液室の長さＬ（μｍ）、幅Ｗ（μｍ）、高さＨ（μｍ）としたとき、
Ｋ＝ａ×Ｌ＋ｂ×Ｗ＋ｃ×Ｈ
で表わされるパラメータＫで流速が最も速くなるときの個別液室の構造を指標化すると、ａ＝−０．０２、ｂ＝０．１５、ｃ＝１であるときに、上述した測定結果が表わされる。

次に、流速が向上する個別液室の構造における充填性について評価した。評価方法は、上述した「Ｋ」を−１０〜１００まで変化させたインク流路が見える可視化したヘッドに対してインクを充填して気泡の有無を確認し、気泡の残留がなく十分な充填性が得られた場合には「○」、気泡の残留があり十分な充填性が得られなかった場合には「×」と評価した。この結果を図８に示している。

この結果から、「Ｋ」が「２０≦Ｋ≦７０」の範囲内であれば、充填性を向上させるのに有効であることが分かる。

これらの結果から、個別液室の長さをＬ（μｍ）、幅をＷ（μｍ）、高さをＨ（μｍ）としたとき、２０≦Ｈ−０．０２×Ｌ＋０．１５×Ｗ≦７０、の関係が成り立つことで、個別液室６の高さＨを相対的に低くしつつ充填性を向上することができる。

次に、個別液室構造と流量との関係について説明する。
先ず、個別液室６の長さＬ（図３に示すように全体の長さ）が、１４７２μｍ、１９７２μｍ、２４７２μｍであるものについて、それぞれ個別液室６の高さＨを２０〜１２０μｍまで変化させたときの流量の変化を測定した結果を図９に示している。

流量は供給性（単位時間でどれだけの量の記録液を供給できるか）の指標であり、流量が多いほど供給性が良い。図９の結果から、個別液室６の高さＨが高くなるほど流量は多くなることが分かる。

また、個別液室の長さＬが１９７２μｍで、個別液室の幅Ｗを１３９μｍ（１５０ｄｐｉ相当）、７０μｍ（３００ｄｐｉ相当）のものについて、それぞれ個別液室６の高さＨを２０〜１２０μｍまで変化させたときの流量の変化を測定した結果を図１０に示している。

この結果からも、個別液室６の高さＨが高くなるほど流量も多くなることが分かる。

これらの結果に基づいて、流量と個別液室６の構造について検討した。ここで、個別液室の長さＬ（μｍ）、幅Ｗ（μｍ）、高さＨ（μｍ）としたとき、
Ｊ＝ｓ×Ｌ＋ｔ×Ｗ＋ｕ×Ｈ
で表わされるパラメータＪで所要の流量が得られる個別液室の構造を指標化すると、ｓ＝０．００８、ｔ＝０．２、ｕ＝１であるときに、必要な流量を確保しつつ、充填性を向上させるのに有効である。

さらに、流量の下限を得るために個別液室の構造と流量の関係について評価した。評価方法は、上述した「Ｊ」を２０〜１００まで変化させた液体吐出ヘッドを画像形成装置に搭載して評価チャートの印字を行ない、印字サンプルの画像異常の発生の有無で判定し、滴不吐出が起こらなかった場合には「○」、滴不吐出が起こった場合には「×」と評価した。この結果を図１１に示している。

この結果から、「Ｊ」が「４５≦Ｊ」の範囲内であれば、流量を確保して充填性を向上させるのに有効であることが分かる。

これらの結果から、個別液室の長さをＬ（μｍ）、幅をＷ（μｍ）、高さをＨ（μｍ）としたとき、４０≦Ｈ−０．００８×Ｌ＋０．２×Ｗ、の関係が成り立つことで、個別液室６の高さＨを相対的に低くしつつ、必要な流量を確保して、充填性を向上することができる。

以上ことから、個別液室の高さＨ（μｍ）は、４０≦Ｈ≦７０、の範囲内にすることで、充填性と供給性を向上することができる。

次に、液体吐出ヘッドの他の例について図１２及び図１３を参照して説明する。なお、各図は同液体吐出ヘッドの模式的断面説明図である。これらの図において、振動板部材は変形可能な領域とそれ以外の部分について区別して図示していないが、前記実施形態と同様である。
図１２に示す液体吐出ヘッドは、ノズル４が個別液室６の長さ方向と直交する方向に形成され、かつ、連通管が無く、直接個別液室６に臨んでいる構成としたものである。また、図１３に示す液体吐出ヘッドは、ノズル４は個別液室６の長さ方向に沿う方向に形成され、かつ、連通管が無く、直接個別液室６に臨んでいる構成としたものである。

前述した実施形態のように個別液室とノズルとの間に連通管（ノズル連通路）５を設けた例（連通管有り）と、図１２及び図１３に示す例のように個別液室とノズルとの間に連通管（ノズル連通路）を設けない例（連通管無し）について、それぞれ流速分布を測定した結果を図１４に示している。

この結果から、連通管が無い方が全体的な流速が速く、連通管がある場合に比べて、充填性の向上に効果があることが分かる。また、連通管がある場合には、連通管部分で極端に流速が遅くなるので、連通管の角に気泡が留まる可能性があったが、連通管が無くなることにより、気泡の滞留のおそれが低減する。

ここで、具体的な実施例について説明する。なお、ヘッド構成はノズルが直接個別液室に臨む構成を採用した例である。
〈実施例１〉
流路板１として高さ６０μｍのシリコン基板を用い、高さ６０μｍ、長さ２０００μｍ、幅１５０μｍの個別液室６を形成した。ノズル４の径はφ３０μｍとした。
〈比較例１〉
個別液室６の高さを１４０μｍとした以外は実施例１と同様である。

実施例１、比較例１の各ヘッドを画像形成装置に搭載して印字試験を行なったところ、実施例１のヘッドを搭載した装置では不良画質を発生することの無い、良好な結果が得られたが、比較例１のヘッドを搭載した装置では印字されるべきところに印字がされずに白スジが発生する等のインク不吐出が発生した。

〈実施例２〉
流路板１として高さ５０μｍのニッケル基板を用いて、高さ５０μｍ、長さ２０００μｍ、幅１５０μｍの個別液室６を形成した。ノズル径はφ３０μｍとした。また、Ｎｉ電鋳により、厚さ３μｍの振動板、及び厚さ６μｍ、長さ８００μｍの連結部（凸部２Ｂ）を圧電素子１２の中央部に形成した。圧電素子１２は、チタン酸ジルコン酸鉛による圧電素子を用いて、銀・パラジュームによる電極を上下に挟んだ１６層積層配置構造とした。各層は２５μｍ厚さとし、１６層の上部に１００μｍ、下部に３００μｍの不活性部を配置し、全体として圧電素子の高さは８００μｍとした。また、活性部の長さは８００μｍ、不活性部の長さは活性部の両側とも３５０μｍとし、全体として圧電素子長さは１５００μｍとした。
〈比較例２〉
個別液室６の高さを１４０μｍとした以外は実施例２と同様である。

実施例２、比較例２の各ヘッドを画像形成装置に搭載して印字試験を行なったところ、実施例２のヘッドを搭載した装置では不良画質を発生することの無い、良好な結果が得られたが、比較例２のヘッドを搭載した装置では印字されるべきところに印字がされずに白スジが発生する等のインク不吐出が発生した。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る液体吐出装置を含む画像形成装置の一例について図１５を参照して説明する。なお、図１５は同装置の機構部の全体構成を説明する概略構成図である。
この画像形成装置は、媒体の印字領域幅以上の長さのノズル列（ノズル４を並べたもの）を有するフルライン型ヘッドからなる記録ヘッドを搭載したライン型画像形成装置である。

この画像形成装置は、例えばブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の液滴を吐出する、フルライン型の４個の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド１０１ｋ、１０１ｃ、１０１ｍ、１０１ｙ（色を区別しないときには「記録ヘッド１０１」という。）を備え、各記録ヘッド１０１はノズル４を形成した面を下方に向けて図示しないヘッドホルダに装着している。また、各記録ヘッド１０１に対応してヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構１０２を備え、パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド１０１と維持回復機構１０２とを相対的に移動させて、記録ヘッド１０１のノズル面に維持回復機構１０２を構成するキャッピング部材などを対向させる。

なお、ここでは、記録ヘッド１０１は、用紙搬送方向上流側から、ブラック、シアン、マゼンダ、イエローの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。また、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた１又は複数のヘッドを用いることもできるし、ヘッドとこのヘッドに記録液を供給する記録液カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。

給紙トレイ１０３は、用紙１０４を載置する底板１０５と、用紙１０４を給送するための給紙コロ（半月コロ）１０６を備えている。底板１０５はベース１０８に取り付けられた回転軸１０９を中心に回転可能であって、加圧ばね１１０によって給紙コロ１０６側に付勢されている。なお、給紙コロ１０６に対向して、用紙１０４の重送を防止するため、摩擦係数の大きい材質からなる図示しない分離パッドが設けられている。また、底板１０５と給紙コロ１０６の当接を解除する図示しないリリースカムが設けられている。

そして、この給紙トレイ１０３から給紙された用紙１０４を搬送ローラ１１２とピンチローラ１１３との間に送り込むために用紙１０４を案内するガイド部材１１０、１１１を設けている。

搬送ローラ１１２は、図示しない駆動源によって回転されて、送り込まれる用紙１０４を記録ヘッド１０１に対向して配置したプラテン１１５に向けて搬送する。プラテン１１５は、記録ヘッド１０１と用紙１０４とのギャップを維持することができるものであれば、剛体構造体でもよいし、搬送ベルトなどを用いることもできる。

プラテン１１５の下流側には、画像が形成された用紙１０４を排紙するための排紙ローラ１１６及びこれに対向する拍車１１７を配置し、排紙ローラ１１６によって画像が形成された用紙１０４を排紙トレイ１１８に排紙する。

また、排紙トレイ１１８と反対側には、用紙１０４を手差し給紙するための手差しトレイ１２１と、手差しトレイ１２１に載置された用紙１０４を給紙する給紙コロ１２２を配置している。この手差しトレイ１２１から給紙される用紙１０４はガイド部材１１１に案内されて搬送ローラ１１２とピンチローラ１１３との間に送り込まれる。

この画像形成装置においては、待機状態では、リリースカムが給紙トレイ１０３底板１０５を所定位置まで押し下げ、底板１０５と給紙コロ１０６との当接を解除している。そして、この状態で、搬送ローラ１１２が回転されることによって、この回転駆動力が図示しないギア等により給紙コロ１０６及び図示しないリリースカムに伝達されて、リリースカムが底板１０５から離れて底板１０５が上昇し、給紙コロ１０６と用紙１０４が当接し、給紙コロ１０６の回転に伴って用紙１０４がピックアップされて給紙が開始され、図示しない分離爪によって一枚ずつ分離される。

そして、給送コロ１０６の回転によって用紙１０４がガイド部材１１０、１１１に案内されて搬送ローラ１１２とピンチローラ１１３との間に送り込まれ、搬送ローラ１１２によって用紙１０４がプラテン１１５上に送り出される。その後、用紙１０４の後端は給紙コロ１０６のＤカット部に対向して当接が解除され、搬送ローラ１１２によってプラテン１１５上に搬送される。なお。給紙コロ１０６と搬送ローラ１１２との間に、補助的に、搬送回転対を設けることもできる。

このようにしてプラテン１１５上を搬送される用紙１０４に対して、記録ヘッド１から液滴を吐出して画像を形成し、画像が形成された用紙１０４は排紙ローラ１１６によって排紙トレイ１１８に排紙される。なお、画像形成時における紙搬送の速度と液滴吐出のタイミングは図示しない制御部によって制御される。

このように、本発明に係るライン型の液体吐出ヘッドを備えることによって、高速で高画質画像を形成することができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る液体吐出装置を含む画像形成装置の他の例について図１６及び図１７を参照して説明する。なお、図１６は同装置の機構部の全体構成を説明する概略構成図、図１７は同機構部の要部平面説明図である。
この画像形成装置はシリアル型画像形成装置であり、左右の側板２０１Ａ、２０１Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド２３１、２３２でキャリッジ２３３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して図１７で矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ２３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッド２３４ａ、２３４ｂ（区別しないときは「記録ヘッド２３４」という。）を複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有し、記録ヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を、記録ヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を、それぞれ吐出する。

また、キャリッジ２３３には、記録ヘッド２３４のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのヘッドタンク２３５ａ、２３５ｂ（区別しないときは「ヘッドタンク３５」という。）を搭載している。このサブタンク２３５には各色の供給チューブ３６を介して、各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド２４４を備え、この分離パッド２４４は給紙コロ２４３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２４２を記録ヘッド２３４の下方側に送り込むために、用紙２４２を案内するガイド部材２４５と、カウンタローラ２４６と、搬送ガイド部材２４７と、先端加圧コロ２４９を有する押さえ部材２４８とを備えるとともに、給送された用紙２４２を静電吸着して記録ヘッド２３４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト２５１を備えている。

この搬送ベルト２５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ２５２とテンションローラ２５３との間に掛け渡されて、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。また、この搬送ベルト２５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ２５６を備えている。この帯電ローラ２５６は、搬送ベルト２５１の表層に接触し、搬送ベルト２５１の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト２５１は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ２５２が回転駆動されることによって図１７のベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、記録ヘッド２３４で記録された用紙２４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト２５１から用紙２４２を分離するための分離爪２６１と、排紙ローラ２６２及び排紙コロ２６３とを備え、排紙ローラ２６２の下方に排紙トレイ２０３を備えている。

また、装置本体１の背面部には両面ユニット２７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット２７１は搬送ベルト２５１の逆方向回転で戻される用紙２４２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ２４６と搬送ベルト２５１との間に給紙する。また、この両面ユニット２７１の上面は手差しトレイ２７２としている。

さらに、図１７に示すように、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構２８１を配置している。

この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード２８３と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８４などを備えている。

また、図１７に示すように、キャリッジ２３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける液体回収容器であるインク回収ユニット（空吐出受け）２８８を配置し、このインク回収ユニット２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ２０２から用紙２４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙２４２はガイド２４５で案内され、搬送ベルト２５１とカウンタローラ２４６との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド２３７で案内されて先端加圧コロ２４９で搬送ベルト２５１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、帯電ローラ２５６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２５１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２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２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２４２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２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このようなシリアル型画像形成装置であっても、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えることによって、安定した滴吐出特性が得られるので、高速で高画質画像を記録できるようになる。

なお、上記実施形態では本発明に係る液体吐出装置をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ／ファックス／コピア複合機などの画像形成装置にも適用することができる。また、記録液以外の液体を用いる液体吐出装置や画像形成装置にも適用することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す分解斜視説明図である。 同液体吐出ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図である。 同じく液室構成の説明に供する説明図である。 同じく液室短手方向に沿う断面説明図である。 液室高さ、流体抵抗部の有無、流速の関係の一例を示す説明図である。 液室高さ、液室長さ、流速の関係の一例を示す説明図である。 液室高さ、液幅、流速の関係の一例を示す説明図である。 充填性に関する評価結果の一例の説明に供する図である。 液室高さ、液室長さ、流量の関係の一例を示す説明図である。 液室高さ、液室幅、流量の関係の一例を示す説明図である。 供給性に関する評価結果の一例の説明に供する図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの他の例を示す模式的説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの更に他の例を示す模式的説明図である。 液室長さ、連通管の有無、流速の関係の一例を示す説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドを含む液体吐出装置を備えた本発明に係る画像形成装置の一例を示す概略構成図である。 本発明に係る液体吐出装置を含む画像形成装置の他の例を示す概略構成図である。 同じく要部平面説明図である。

符号の説明

１…流路板
２…振動板部材
３…ノズル板
４…ノズル
６…個別液室
８…共通液室
１２…圧電素子
１３…支柱部
１０１…記録ヘッド（液体吐出ヘッド）
２３４…記録ヘッド（液体吐出ヘッド）

Claims (10)

1. 液体を吐出するノズルが連通する個別液室の少なくとも一部が変形可能な領域を有する振動板部材で形成され、複数の前記個別液室に液体を供給する共通液室を有する液体吐出ヘッドにおいて、
   前記個別液室は前記振動板部材の変形可能な領域の長さよりも前記共通液室から前記変形可能な領域に至るまでの長さが長く、
   前記共通液室から前記振動板部材の変形可能な領域に至るまでの部分に流体抵抗部がない
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記個別液室の長さをＬ（μｍ）、幅をＷ（μｍ）、高さをＨ（μｍ）としたとき、２０≦Ｈ−０．０２×Ｌ＋０．１５×Ｗ≦７０、の関係が成り立つことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、４５≦Ｈ−０．００８×Ｌ＋０．２×Ｗの関係が成り立つことを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項２又は３に記載の液体吐出ヘッドにおいて、個別液室の高さＨ（μｍ）は、４０≦Ｈ≦７０の範囲内であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルは前記個別液室の長さ方向と直交する方向に形成され、直接前記個別液室に臨んでいることを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズルは前記個別液室の長さ方向に沿う方向に形成され、直接前記個別液室に臨んでいることを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記個別液室は金属部材により形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記振動板部材の変形可能な領域を変形させる圧電素子を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
9. 液体吐出ヘッドから液滴を吐出する液体吐出装置において、前記液体吐出ヘッドが請求項１ないし８のいずれかに記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とする液体吐出装置。
10. 液体吐出ヘッドから液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置において、前記液体吐出ヘッドが請求項１ないし８のいずれかに記載の液体吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
    

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