JP2015174333A - 液体吐出ヘッド、画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共通液室と個別液室の形成される領域が保護部材を介して積層方向で重なり合う構造において、圧電素子を駆動したときに保護部材の個別液室供給側の変形を抑制し、滴吐出特性の変動を低減した液体吐出ヘッドを提供する。【解決手段】ノズル４が通じる個別液室６に対応して振動板部材３に設けられた第１圧電素子１１とを有し、振動板部材３上には、第１圧電素子１１を保護する凹部５０が形成された保護部材５１が配置され、保護部材５１上には複数の個別液室６に液体を供給する共通液室１０を形成する共通液室部材７０が配置され、共通液室１０は保護部材５１を介して複数の個別液室６と反対側に配置され、保護部材５１には共通液室１０の一部をなす開口部１０Ａが設けられ、振動板部材３には開口部１０Ａと個別液室６とを通じる供給口９が形成され、供給口９，９の間に第２圧電素子３１が配置されている。【選択図】図１

Description

本発明は液体吐出ヘッド、画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば液滴を吐出する液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）からなる記録ヘッドを用いた液体吐出記録方式の画像形成装置としてインクジェット記録装置などが知られている。

液体吐出ヘッドとしては、共通液室と個別液室の形成される領域が保護部材（保持基板）を介して積層方向で重なり合う構造としたものが知られている（特許文献１）。

また、個別液室を区画する隔壁上に圧電素子を設けたものも知られている（特許文献２）。

特開２０１１−０００７２９号公報 特開２０１２−０７６４４９号公報

上述した特許文献１に記載されている液体吐出ヘッドのように、共通液室と個別液室の形成される領域が保護部材（保持基板）を介して積層方向で重なり合う構造とした場合、保護部材が個別液室長手方向で片持ち状態となる。

そのため、圧電素子を駆動したとき、保護部材の個別液室供給側が変形変位して、流路板などの積層部材が変形し、滴吐出特性が変動す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、滴吐出特性の変動を低減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、
液滴を吐出する複数のノズルが形成されたノズル板と、
前記ノズルが通じる複数の個別液室を形成する流路板と、
前記個別液室の一部の壁面を形成する振動板部材と、
前記個別液室に対応して前記振動板部材に設けられた第１圧電素子と、を有し、
前記振動板部材上には、前記第１圧電素子を保護する凹部が形成された保護部材が配置され、
前記保護部材上には、前記複数の個別液室に液体を供給する共通液室を形成する共通液室部材が配置され、
前記共通液室は前記保護部材を介して前記複数の個別液室と反対側に配置され、
前記保護部材には、前記共通液室の一部をなす開口部が設けられ、
前記振動板部材には、
前記開口部と前記個別液室とを通じる供給口が形成され、
前記供給口の間に第２圧電素子が配置されている
構成とした。

本発明によれば、滴吐出特性の変動を低減することができる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの一例の図３のＣ−Ｃ線に相当するノズル配列方向と直交する方向に沿う断面説明図である。 図１の要部拡大断面説明図である。 同ヘッドの共通液室部材を除いた状態の平面説明図である。 同ヘッドの共通液室部材及び保護部材を除いた状態の平面説明図である。 同ヘッドのノズル板の平面説明図である。 同実施形態の作用説明に供する説明図である。 比較例の説明に供する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの共通液室部材及び保護部材を除いた状態の平面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の平面説明図である。

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。本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの一例について図１ないし図５を参照して説明する。図１は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向に沿う図３のＣ−Ｃ線に相当する断面説明図、図2は図１の要部拡大断面説明図、図３は同ヘッドの共通液室部材を除いた状態の平面説明図、図４は同ヘッドの保護部材を除いた状態の平面説明図、図５は同ヘッドのノズル板の平面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、ノズル板１と流路板２とを接着接合し、流路板２と一体に振動板部材３を形成している。これにより、ノズル４が通じる個別液室６、個別液室６に通じる流体抵抗部７、流体抵抗部７が通じる液導入部８、液導入部８を形成し、液導入部８は振動板部材３の供給口９を介して共通液室１０に通じている。

ここで、振動板部材３は、個別液室６の壁面の一部をなす変形可能な振動領域（これを「振動板」という。）３０を形成している。そして、この振動板部材３の振動板３０の個別液室６と反対側の面には、振動板３０と一体的に第１圧電素子１１が設けられ、振動板３０と第１圧電素子１１によって圧電アクチュエータ構成している。

第１圧電素子１１は、振動板３０側から下部電極１３、圧電層（圧電体層、圧電体）１２及び上部電極１４を順次積層形成して構成している。なお、第１圧電素子１１上には層間絶縁膜が形成されているが図示を簡略化している。

第１圧電素子１１の下部電極１３は図示しない共通配線を介して引き出されている。上部電極１４は個別配線１６を介して駆動ＩＣ５０９に接続され、駆動ＩＣ５０９は引出し配線を介して引き出されている。

第１圧電素子１１は、上部電極１４と下部電極１３の間に電圧を与えることで、圧電体層１２が電極積層方向、すなわち電界方向に伸張し、振動板３０と平行な方向に収縮する。このとき、下部電極１３側は振動板３０で拘束されているため、振動板３０の下部電極１３側に引っ張り応力が発生し、振動板３０が個別液室６側に撓み、内部の液体を加圧することで、ノズル４から液滴が吐出される。

そして、振動板部材３上には振動板３０及び第１圧電素子１１を収容する凹部（振動室）５０を形成する保護部材５１を設けている。さらに、この保護部材５１を内包して共通液室１０を形成する共通液室部材７０を設けている。共通液室部材７０には共通液室１０に外部から液体を供給する供給口７１が設けられている。

ここで、共通液室１０は、保護部材５１を介して圧電素子１１及び個別液室６と反対側に配置されている。つまり、部材の積層方向で、共通液室１０、第１圧電素子１１、個別液室６が重なる構造としている。

保護部材５１には、共通液室１０の一部をなす開口部１０Ａが設けられている。この開口部１０Ａは、ノズル配列方向にわたって形成されている。

また、振動板部材３には保護部材５１の開口部１０Ａと個別液室６とを通じる供給口９が形成され、供給口９の間に第２圧電素子３１が配置されている。ここで、供給口９、９間には液導入部８をノズル配列方向で個別液室６に対応して区画している隔壁部６１（図４）が位置している。

第２圧電素子３１は、下部電極３３、圧電層３２及び上部電極３４で構成されている。ここで、第２圧電素子３１の下部電極３３、圧電層３２及び上部電極３４は、第１圧電素子１１の下部電極１３、圧電層１２、上部電極３４と同じ層で形成したものである。

そして、第２圧電素子３１の上部電極３４と第１圧電素子１１の上部電極１４とは接続配線３５によって接続されている。

次に、各部の具体例について説明する。

ノズル板１は、液滴を吐出する複数のノズル４を有している。ノズル板１は、例えば、ＳＵＳ板にプレス加工と研磨加工によってノズル４を形成しているが、これに限るものではない。例えば、ニッケル（Ｎｉ）の金属プレートをエレクトロフォーミング法（電鋳）で製造したもの、その他の金属部材、樹脂部材、樹脂層と金属層の積層部材などを用いることができる。また、ノズル板１の液滴吐出側面（吐出方向の表面：吐出面）には撥液層を設けている。

流路板２は、シリコン基板上のシリコン酸化膜を介してシリコンが貼り合されたＳＯＩ基板を用いて、シリコン酸化膜をエッチングストップ層としてエッチングし、個別液室６、流体抵抗部７、液導入部８などを構成する溝部及び貫通穴を形成したものである。

流路板２の材料はこれに限るものではない。例えば、シリコン以外のガラス、セラミックスなどの無機材料、ＳＵＳなどの合金材料、樹脂などで形成することができる。

流路板２に一体に設けた振動板部材３の振動板３０上に第１圧電素子１１を形成することによりユニモルフ型の圧電アクチュエータを構成している。

また、振動板３０（振動板部材３）の材質は、無機材料を用いることが好ましい。例えば、半導体、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物を挙げることができる。半導体としては、多結晶Ｓｉ、アモルファスＳｉ，Ｇｅなどを挙げることができ、金属酸化物や金属窒化物は一般的なセラミックスに用いられるＳｉ化合物、Ａｌ化合物、Ｚｒ化合物、Ｔｉ化合物、Ｙ化合物、Ｔａ化合物、Ｓｎ化合物、Ｉｎ化合物などが挙げられる。

振動板３０は、単一膜でも多層膜のいずれでもよい。前述のＳＯＩ基板を流路板２とする場合は、貼り合わされたシリコン活性層を振動板とすることができる。また、シリコン基板を用いて流路板２に振動板３０を形成する場合には、ＣＶＤやスパッタリングなどの気相法によって成膜することもできる。これらの成膜方法を用いることで、表面粗さの少ない振動板とすることができ、振動板３０上に形成される電極１３、１４や圧電層１２の信頼性を高めることができる。

圧電素子１１の上部電極１４及び下部電極１３の材料としては、導電性材料である金属及び合金、導電性化合物などを用いることができる。材料は、振動板３０及び圧電層１２との密着性の高い材料を用いる必要があるが、各界面に密着性を高める密着層を形成することで対応することもできる。

上部電極１４及び下部電極１３の材料としては、例えば、Ａｇ，Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，Ｐｄ，Ｗ，Ｔａなどの高融点金属が好ましい。

また、上部電極１４及び下部電極１３と圧電層１２との界面、下部電極１３と振動板３０との界面には、相互拡散を防止するために、耐熱性が高く、電極材料と相互拡散しづらい化学的安定性の高い材料を用いることが好ましい。例えば、金属酸化物、金属窒化物、金属炭化物などが利用でき、さらにこれらの複合化合物を用いることもできる。また、導電性をもつ化合物を用いることで電極としての機能を持たせても良い。

圧電層１２を形成する圧電材料としては、公知の材料を用いることができる。圧電材料としては、高い圧電定数と高い信頼性、安定した温度特性をもつチタン酸ジルコン酸鉛を用いることが好ましい。圧電体の組成は、所望の圧電性能、信頼性から任意に設定することができる。

次に、このように構成した実施形態の作用について図６及び図７も参照して説明する。図６は同実施形態の作用説明に供する説明図、図７は比較例の説明に供する説明図である。なお、見易くするために断面ハッチングは省略している。

まず、図７の比較例について説明する。この比較例は、実施形態の第２圧電素子３１を備えないヘッドである。

この比較例の構成にあっては、圧電素子１１を駆動したときに圧電素子１１が振動板３０面内に収縮して応力が発生する。このとき、流路板２と保護部材５１の剛性の関係から、ノズル板１、流路板２、保護部材５１の積層構造体の曲げ中心（仮想的な剛性の中心線）は厚さ方向で保護部材５１内となり、圧電素子１１より上方となる。

そして、共通液室１０を保護部材５１の上部に配置した構成であることから、圧電素子１１の裏側を補強する構造がないため、ノズル板１、流路板２、振動板部材３及び保護部材５が破線図示のように変形する。

特に、保護部材５１の開口部１０Ａはノズル配列方向に連続して形成された貫通穴であることから、開口部１０Ａで剛性が低下するため、保護部材５１の開口部１０Ａの部分で大きく変形することになる。

この変形量は、同時に駆動する圧電素子１１の数に応じて増大するため、印刷する画像によって変形量が大きく変化することになる。このような変形が発生した場合、個別液室６及び共通液室１０の圧力を変動させ、滴吐出特性が変動して、画質が低下することになる。

これに対し、本実施形態では、振動板部材３の供給口９の間に第２圧電素子３１を配置している。

そこで、第１圧電素子１１とともに第２圧電素子３１を駆動すると、図６に示すように第１圧電素子１１は上述した同様に収縮し、第２圧電素子３１も振動板部材３の面内で収縮する。

このとき、開口部１０Ａ内では第２圧電素子３１上方に保護部材５１が存在しないので、曲げ中心は流路板２内にある。そのため、第２圧電素子３１が駆動されて収縮することで、開口部１０Ａに対応する部分では振動板部材３、流路板２、ノズル板１を持ち上げようとする矢印方向の変位が生じる。

これにより、第１圧電素子１１が駆動されて収縮することで生じる、ノズル板１、流路板２、振動板部材３及び保護部材５１の変位方向と逆方向の変位が作用するので、ノズル板１、流路板２、振動板部材３及び保護部材５１の変位が抑制される。

さらに、本実施形態では各第１圧電素子１１に対して第２圧電素子３１が接続されているため、吐出チャネル数の増加に合わせて、変形抑制効果も増加するので、駆動チャネル数の増減の影響を低減することが可能である。

その結果、比較例で説明したような変形を抑制することができて、滴吐出特性の変動を低減することができる。

この場合、本実施形態のように第１圧電素子１１の上部電極１４と第２圧電素子３１の上部電極３４とを電気的に接続しておくことで、第１圧電素子１１と第２圧電素子を簡単な構成で同時に駆動することができる。ただし、第１圧電素子１１と第２圧電素子３１とを別々の駆動回路で駆動することもできる。

第２圧電素子３１の大きさを、ノズル配列方向と直交する方向で保護部材５１の開口部１０Ａに収まり、ノズル配列方向で個別液室６を区画する隔壁の範囲内とすることによって、効率的に、変位抑制効果を得ることができる。

すなわち、開口部１０Ａを外れて形成した場合、例えば保護部材５１と振動板部材３との接合領域まで延びていると、第１圧電素子１１と同じ変形が生じて、変形を増大することになるため好ましくない。

また、保護部材５１の開口部１０Ａ内であっても、個別液室６の隔壁より広い範囲に形成すると、個別液室６の隔壁で強度が確保されていない供給口９周りの振動板部材３を振動させることとなり、他の圧力振動や共振現象を誘発するため好ましくない。

第２圧電素子３１の大きさは大きいほど変位の発生力が強くなるため、上記の配置の制約が許容する範囲で大きくすることが好ましい。また、第２圧電素子３１及び接続配線３５は液体に接触するため、液体からの腐食を防止するために保護膜を圧電素子３１及び配線３５上に形成してもよい。

次に、本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図８を参照して説明する。図８は同ヘッドの共通液室部材及び保護部材を除いた状態の平面説明図である。

本実施形態では、ノズル配列方向に置いて、保護部材５１の開口部１０Ａの端部側の第２圧電素子３１の大きさ（平面で見た面積）を、開口部１０Ａの中央部側の第２圧電素子３１の大きさよりも小さくしている。

すなわち、第２圧電素子３１の変形量は圧電素子の面積に依存し、面積を大きくすることで変形量を大きくすることができる。一方、保護部材５１のスリット状の開口部１０Ａの中央部側では、基板（ノズル板１、保護部材５１、流路板２、振動板部材３の積層部材）の剛性が弱いため、変形量は大きくなる。一方、開口部１０Ａの両端部では基板の剛性が強いため変形量が小さくなる。

そこで、保護部材５１の開口部１０Ａの中央部付近の第２圧電素子３１の大きさを大きくし、端部付近の第２圧電素子３１の大きさを小さくすることで、効率的に基板の変形を抑制し、消費電力の低減、発熱の抑制を図っている。

次に、本発明に係る画像形成装置の一例について図９を参照して説明する。図９は同画像形成装置の平面説明図である。

この画像形成装置は、シリアル型インクジェット記録装置であり、図示しない左右の側板に横架した主ガイド部材４０１及び図示しない従ガイド部材でキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して主走査方向（キャリッジ移動方向）に往復移動する。

このキャリッジ４０３には、本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッド４０４を搭載している。記録ヘッド４０４は、例えば、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４列のノズル列４０４ｎを有している。また、記録ヘッド４０４は、複数のノズルからなるノズル列４０４ｎを主走査方向と直交する副走査方向に配置し、滴吐出方向を下方に向けて装着している。

一方、用紙４１０を搬送するために、用紙を静電吸着して記録ヘッド４０４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４１２を備えている。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３とテンションローラ４１４との間に掛け渡されている。

そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。この搬送ベルト４１２は、周回移動しながら図示しない帯電ローラによって帯電（電荷付与）される。

さらに、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に記録ヘッド４０４の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置され、他方側には搬送ベルト４１２の側方に記録ヘッド４０４から空吐出を行う空吐出受け４２１がそれぞれ配置されている。

維持回復機構４２０は、例えば記録ヘッド４０４のノズル面（ノズル４が形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２０ａ、ノズル面を払拭するワイパ部材４２０ｂなどで構成されている。

また、キャリッジ４０３の主走査方向に沿って両側板間に、所定のパターンを形成したエンコーダスケール４２３を張装し、キャリッジ４０３にはエンコーダスケール４２３のパターンを読取る透過型フォトセンサからなるエンコーダセンサ４２４を設けている。これらのエンコーダスケール４２３とエンコーダセンサ４２４によってキャリッジ４０３の移動を検知するリニアエンコーダ（主走査エンコーダ）を構成している。

また、搬送ローラ４１３の軸にはコードホイール４２５を取り付け、このコードホイール４２５に形成したパターンを検出する透過型フォトセンサからなるエンコーダセンサ４２６を設けている。これらのコードホイール４２５とエンコーダセンサ４２６によって搬送ベルト４１２の移動量及び移動位置を検出するロータリエンコーダ（副走査エンコーダ）を構成している。

このように構成したこの画像形成装置においては、図示しない給紙トレイから用紙４１０が帯電された搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド４を駆動することにより、停止している用紙４１０にインク滴を吐出して１行分を記録する。そして、用紙４１０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４１０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４１０を図示しない排紙トレイに排紙する。

なお、本願において、「用紙」とは材質を紙に限定するものではなく、ＯＨＰ、布、ガラス、基板などを含み、インク滴、その他の液体などが付着可能なものの意味であり、被記録媒体、記録媒体、記録紙、記録用紙などと称されるものを含む。また、画像形成、記録、印字、印写、印刷はいずれも同義語とする。

また、「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する。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（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。

また、「インク」とは、特に限定しない限り、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用いる。

また、「画像」とは平面的なものに限らず、立体的に形成されたものに付与された画像、また立体自体を三次元的に造形して形成された像も含まれる。

また、画像形成装置には、特に限定しない限り、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。

１ ノズル板
２ 流路板
３ 振動板部材
４ ノズル
６ 個別液室
９ 供給口
１０ 共通液室
１０Ａ 開口部
１１ 第１圧電素子
３１ 第２圧電素子
５１ 保護部材
７０ 共通液室部材
４０３ キャリッジ
４０４ 記録ヘッド（液体吐出ヘッド）

Claims (6)

1. 液滴を吐出する複数のノズルが形成されたノズル板と、
   前記ノズルが通じる複数の個別液室を形成する流路板と、
   前記個別液室の一部の壁面を形成する振動板部材と、
   前記個別液室に対応して前記振動板部材に設けられた第１圧電素子と、を有し、
   前記振動板部材上には、前記第１圧電素子を保護する凹部が形成された保護部材が配置され、
   前記保護部材上には、前記複数の個別液室に液体を供給する共通液室を形成する共通液室部材が配置され、
   前記共通液室は前記保護部材を介して前記複数の個別液室と反対側に配置され、
   前記保護部材には、前記共通液室の一部をなす開口部が設けられ、
   前記振動板部材には、
   前記開口部と前記個別液室とを通じる供給口が形成され、
   前記供給口の間に第２圧電素子が配置されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記第１圧電素子の電極と前記第２圧電素子の電極とが電気的に接続されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記流路板には、前記供給口の間に対応して隔壁が設けられている
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 平面視で大きさの異なる複数の前記第２圧電素子が配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. ノズル配列方向において、端部側の前記第２圧電素子の大きさが中央部側の前記第２圧電素子の大きさより小さい
   ことを特徴とする請求項４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載の液体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。

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