JP2019127030A - 液体吐出ヘッドおよび液体を吐出する装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吐出特性のばらつきを小さくし、ヘッド内の吐出特性を均一にする液体吐出ヘッドを提供すること。【解決手段】液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数のノズルが配列されたノズル板と、複数のノズルと連通する個別液室を形成する隔壁を有する流路板と、流路板と接合され、個別液室の内壁の一部を構成する振動板と、振動板と接合され、振動板を変形させて個別液室に圧力発生をさせる電気機械変換素子と、を有し、個別液室が複数のノズルの配列方向に直交する方向に長い形状であり、個別液室内の前記液体に生じる固有振動の振動周期が、電気機械変換素子の個別液室の短手方向における横振動の一次モードの周期以上である。【選択図】図１３

Description

本発明は、液体吐出ヘッドおよび液体を吐出する装置に関する。

積層圧電素子を用いたインクジェットヘッド（液体吐出ヘッド、液滴吐出ヘッド）とは、各ノズルに対向するように伸縮方向を一致させて圧電素子を配設し、駆動信号を圧電素子に印加することで圧電素子を伸縮させてインクに圧力を印加し、ノズルから液滴を吐出させる技術である。

しかし、今までの積層圧電素子を用いたインクジェットヘッドではノズル毎のインク滴の吐出速度にばらつき、特に隣接間等で発生する周波数特性によるばらつきがあり、インクジェットヘッド内で均一な特性を得ることが難しいという問題があった。

例えば、特許文献１には、吐出安定性（特に残留振動抑制による高周波での吐出安定性）の向上のための方法として、積層圧電素子の寸法に関しての規定が開示されている。しかし、上述したインク滴の吐出速度にばらつきにより、ヘッド内で均一な特性を得ることが難しいという問題は解消できていない。

本発明は、液体吐出ヘッドにおいて、吐出特性のばらつきを小さくし、ヘッド内の吐出特性を均一にすることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明にかかる液体吐出ヘッドは、液体を吐出する複数のノズルが配列されたノズル板と、前記複数のノズルと連通する個別液室を形成する隔壁を有する流路板と、前記流路板と接合され、前記個別液室の内壁の一部を構成する振動板と、前記振動板と接合され、前記振動板を変形させて前記個別液室に圧力を発生させる電気機械変換素子と、を有する液体吐出ヘッドであって、前記個別液室が前記複数のノズルの配列方向に直交する方向に長い形状であり、前記個別液室内の前記液体に生じる固有振動の振動周期が、前記電気機械変換素子の個別液室の短手方向における横振動の一次モードの周期以上であることを特徴とする。

本発明によれば、液体吐出ヘッドにおいて、吐出特性のばらつきを小さくし、ヘッド内の吐出特性を均一にすることができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一例の説明に供する同ヘッドの外観斜視説明図である。 図１のＡ−Ａ線に沿うノズル配列方向と直交する方向（液室長手方向）の断面説明図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿うノズル配列方向（液室短手方向）の断面説明図である。 液体吐出ヘッドのノズル配列方向（液室短手方向）に沿う一例の断面説明図である。 同ヘッドのノズル配列方向（液室短手方向）に沿う駆動時の断面説明図である。 液体吐出ヘッドの他の構成例を説明するノズル配列方向（液室短手方向）に沿う部分断面図である。 図６に示す液体吐出ヘッドの液室長手方向に沿う部分断面図である。 ノズルのメニスカス振動例を説明するグラフである。 図８に示す残留振動部分をフーリエ変換にて周波数分解した結果を説明するグラフである。 電気機械変換素子の加圧液室短手方向での横振動の１次モードの周期を、液体の吐出速度を用いて推定する一例を説明するグラフである。 式１によるＰＺＴ加工寸法と固有振動周期との関係を説明するグラフである。 柱の寸法変化による残留振動の周波数分布を説明するグラフである。 柱の寸法変化によるメニスカス残留振動の比較結果を説明するグラフである。 本発明に係る画像形成装置の一例の機構部の全体構成を説明する側面説明図である。 同機構部の要部平面説明図である。

以下、本発明に係る液体吐出ヘッドおよび液体を吐出する装置について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。また、説明の明確化のため、以下の記載および図面は、適宜、省略または簡略化がなされている。各図面において同一の構成または機能を有する構成要素および相当部分には、同一の符号を付し、その説明を省略する。

液体吐出ヘッド（以降適宜「ヘッド」とも称する）の一実施形態について図１から図３を参照して説明する。図１は同ヘッドの外観斜視説明図、図２は図１のＡ−Ａ線に沿うノズル配列方向と直交する方向（液室長手方向）の断面説明図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿うノズル配列方向（液室短手方向）の断面説明図である。

液体吐出ヘッドは、ノズル板１と、流路板（液室基板）２と、薄膜部材としての振動板部材３とを積層接合している。そして、振動板部材３を変位させる圧電アクチュエータ１１と、このヘッドのフレームを構成する共通流路部材としてフレーム部材２０とを備えている。

ノズル板１、流路板２及び振動板部材３によって、液滴を吐出する複数のノズル４に連なって通じる個別流路としての液室（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、液室６に液体を供給する流体抵抗部を兼ねた液体供給路７と、液体供給路７に連なる液体導入部８とを形成している。

そして、フレーム部材２０の共通流路としての共通液室１０から振動板部材３に形成したフィルタ部９を通じて、液体導入部８、液体供給路７を経て複数の液室６に液体を供給する。

ここで、ノズル板１は、ニッケル（Ｎｉ）の金属プレートから形成したもので、エレクトロフォーミング法（電鋳）で製造したものを用いている。これに限らず、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。ノズル板１には、各液室６に対応して例えば直径１０〜３５μｍのノズル４を形成し、流路板２と接着剤接合している。また、このノズル板１の液滴吐出側面（吐出方向の表面：吐出面、又は液室６側と反対の面）には撥水層を設けている。

流路板２は、単結晶シリコン基板をエッチングして、液室６、液体供給路７、液体導入部８などを構成する溝部を形成している。なお、流路板２は、例えばＳＵＳ基板などの金属板を酸性エッチング液でエッチングし、あるいはプレスなどの機械加工を行って形成することもできる。

振動板部材３は、流路板２の液室６の壁面を形成する壁面部材を兼ね、液室６に対応する部分に変形可能な振動領域３０を有している。

そして、この振動板部材３の液室６とは反対側に、振動板部材３の振動領域３０を変形させる駆動手段（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ１１を配置している。

この圧電アクチュエータ１１は、ベース部材１３上に接着剤接合した複数の積層型圧電部材１２を有し、圧電部材１２にはハーフカットダイシングによって溝加工して１つの圧電部材１２に対して所要数の圧電柱１２Ａ、１２Ｂを所定の間隔で櫛歯状に形成している。

圧電部材１２の圧電柱１２Ａ、１２Ｂは、同じものであるが、駆動波形を与えて駆動させる圧電柱を駆動圧電柱（駆動柱）１２Ａ、駆動波形を与えないで単なる支柱として使用する圧電柱を非駆動圧電柱（非駆動柱）１２Ｂとして区別している。

そして、駆動柱１２Ａを振動板部材３の振動領域３０に形成した島状の凸部３ａに接合している。また、非駆動柱１２Ｂを振動板部材３の凸部３ｂに接合している。

この圧電部材１２は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極が設けられ、駆動柱１２Ａの外部電極に駆動信号を与えるための可撓性を有するフレキシブル配線基板としてのＦＰＣ１５が接続されている。

フレーム部材２０は、例えばエポキシ系樹脂あるいは熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイト等で射出成形により形成し、図示しないヘッドタンクや液体カートリッジから液体が供給される共通液室１０が形成されている。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば駆動柱１２Ａに印加する電圧を基準電位から下げることによって駆動柱１２Ａが収縮し、振動板部材３の振動領域３０が下降して液室６の容積が膨張することで、液室６内に液体が流入し、その後駆動柱１２Ａに印加する電圧を上げて駆動柱１２Ａを積層方向に伸長させ、振動板部材３の振動領域３０をノズル４方向に変形させて液室６の容積を収縮させることにより、液室６内の液体が加圧され、ノズル４から液滴が吐出（噴射）される。

そして、駆動柱１２Ａ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３の振動領域３０が初期位置に復元し、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１０から液体供給路７を通じて液室６内に液体が充填される。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。

次に、振動板部材３および圧電部材１２の詳細を、図４、図５を参照して説明する。図４は、上記実施形態における液体吐出ヘッドのノズル配列方向（液室短手方向）に沿う一例の断面説明図である。図５は、同ヘッドのノズル配列方向（液室短手方向）に沿う断面説明図において、駆動時の様子を模式的に説明した図である。

図４では、上記と同様に、ノズル板１、流路板２、振動板部材３、圧電部材１２、ベース部材１３等が図示されており、流路板２には液室６が設けられている。圧電部材１２は、液室６内に圧力を発生させる駆動柱１２Ａと液室６の隔壁に位置する非駆動柱１２Ｂとを有している。そして、上述したように駆動柱１２Ａを振動板部材３の振動領域３０に形成した島状の凸部３ａに接合している。また、非駆動柱１２Ｂを振動板部材３の凸部３ｂに接合している。

図５に示されるように、駆動柱１２Ａが駆動することによって、ダイアフラム駆動部３ｃが撓み、液室６に圧力が発生する。これにより、液室６内の液体がノズル４から液滴１６として吐出される。

図５において、振動板部材３は、液室６に圧力を発生させるダイアフラム駆動部３ｃと、該ダイアフラム駆動部３ｃ以外の領域であるダイアフラム非駆動部３ｄとを有している。また、ダイアフラム駆動部３ｃとダイアフラム非駆動部３ｄは異なる金属であり、ダイアフラム駆動部３ｃはダイアフラム非駆動部３ｄよりも低硬度となっていることが好ましい。

ダイアフラム駆動部３ｃとダイアフラム非駆動部３ｄを異なる金属とし、ダイアフラム駆動部３ｃはダイアフラム非駆動部３ｄよりも低硬度とすることにより、ダイアフラム部の膜厚を薄くせずにダイアフラム駆動部３ｃの硬度を低減することができる。このため、ダイアフラム部の硬度を保つことができ、ノズルが高密度化してダイアフラム部の幅が狭くなったとしても、ダイアフラム部の膜厚を薄くすることなく良好な変位を得ることができる。さらに、一のノズル・液室における吐出が、隣接するノズル・液室における吐出に影響することを抑制することができる。

図示されるように、本実施形態における振動板部材３には、ダイアフラム部３ｃ、３ｄの圧電部材１２（電気機械変換素子）側に、ダイアフラム駆動部３ｃ及びダイアフラム非駆動部３ｄそれぞれに圧電部材１２と対応するオーバーハング形状の凸部３ａ、３ｂが形成されている。凸部３ａは圧電部材１２における駆動圧電柱１２Ａと対応するように、凸部３ｂは圧電部材１２における非駆動柱１２Ｂと対応するように形成されている。

次に、本実施形態の電子機械変換素子の寸法規定について説明する。
ここで、電子機械変換素子は、液体吐出ヘッドにおいて、液滴が吐出されるノズルに連通する液室に、振動板を介して圧力を発生させる圧力発生手段の一例である。圧力発生手段によって発生させた圧力により、ノズルから液滴が吐出される。
以降の説明では、電子機械変換素子の一例として、圧電素子（積層圧電素子）を用いて説明する。なお、本明細書において、圧電素子は、圧電部材とも称し、区別しない。

従来は、例えば、特許文献１に代表されるような寸法規定や、積層圧電素子の変位効率と、工法上の生産性の観点とから積層圧電素子の柱寸法が規定されていた。
例えば、従来技術では、圧電素子の横振動がメニスカス周期より短くなると、圧電素子の横振動が励起され、横振動が減衰せずに残留することで、振動板が横振動の影響を受けてしまい、高周波で安定しないとしている。
しかし、ヘッドの更なる高性能化（生産性向上）のためには、高周波数での吐出安定性の確保が望まれる。
発明者らは、ヘッドを詳細に解析した結果、ヘッドの振動板（具体的には、島状の凸部）の短手方向での、圧電素子の横振動が影響していることを見出した。

圧電素子の横振動の影響は、（１）特に圧電素子と振動板との接合位置がずれると顕著になる傾向があること、および、（２）メニスカス周期よりも横振動の周期が長い場合、言い換えると、周波数では横振動の方が低い（特に２０ｋＨｚ程度）場合には、メニスカスと横振動の周期でうなりを発生させてしまい高周波数での吐出ばらつきを大きく悪くしてしまうことが分かった。
加えて、メニスカス周期よりも横振動の周期が同等か短い場合には、うなりの影響が小さくなると共に、周波数が高い、すなわち、構造の剛性（アスペクト比が低くなることにより、柱として太く短くなるため）が高くなるため、残留振動の減衰が速くなり、結果として吐出への残留振動の影響がないことが分かった。

上述した解析結果により、一実施形態の液体吐出ヘッドは、残留振動の抑制としてノズルのメニスカス周期よりも積層圧電素子の横振動（振動板の短手方向の振動モード）による１次モードの周期が短くなるように積層圧電素子の寸法を調整する。具体的には、一実施形態の液体吐出ヘッドは、積層圧電素子の寸法から求められる断面１次モーメントがノズルのヘルムホルツ周期に一致する（もしくは大きくなる）ように寸法を調整した構成にする。これにより、積層圧電素子から発生する固有周期の揺れ（特に圧電素子と振動板との接合ズレ等で顕在化する揺れ）がメニスカスへ影響しにくくなるため、均一な吐出特性を得ることができる。
以下の図面を用いて詳細に説明する。

まず、圧電素子の長さについて、図６、７を参照して説明する。図６は、液体吐出ヘッドの他の構成例を説明するノズル配列方向（液室短手方向）に沿う部分断面図である。図７は、図６に示す液体吐出ヘッドの液室長手方向に沿う部分断面図である。図１から図３と同様の部材に同じ符号をつけ、各部材の説明を省略する。
図６、７では、駆動圧電柱１２Ａ、非駆動圧電柱１２Ｂは、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の柱で構成されることを前提としている。なお、図６、７では液室の隔壁部にもＰＺＴの柱（非駆動圧電柱１２Ｂ）が配置される構造を有しているが、隔壁に対向する部分には、ＰＺＴの柱がなくともよい。
以降の説明では、図６に示す圧電素子１２の駆動圧電柱１２Ａに関し、ダイシング深さを長さＬとする。また、ノズル配列方向（液室短手方向）に沿う駆動圧電柱１２Ａの幅をＰＺＴ幅とする。

上述したように、高周波数での吐出安定性を確保するため、発明者らがメニスカスの残留振動を解析したところ、ヘルムホルツ周期とは別の周波数がメニスカスで観察された。そして、この別の周波数とメニスカスのヘルムホルツ周期の振動がうなりを起こすことによって高周波数でのメニスカスがばらついてしまい吐出安定性を悪化させていることが分かった。
図８は、ノズルのメニスカス振動例を説明するグラフである。図８では、台形波（波高値５Ｖ、１．５−０．５−１のｐｕｌｌ波形）にてノズルのメニスカス振動のレーザドップラ速度計（ＬＤＶ）による測定結果を示す。測定結果のうち、残留振動部分（枠で囲んだ部分）を周波数解析範囲とした。

図９に、図８に示す周波数解析範囲をフーリエ変換にて周波数分解した結果を示す。今回測定したヘッドのヘルムホルツ周期は３．２μｓ（マイクロ秒）であり、図９の３００ｋＨｚ近傍のピークが該当する。それ以外にもうひとつ２７０ｋＨｚの周波数ピークが存在しており、これは、柱（駆動圧電柱１２Ａ）の横振動であり、式１に積層圧電素子の数値をいれたものとほぼ等しい。

式１：梁の固有振動の式
ｋｎ：固有の係数（両端固定のため４．７３）
Ｅ ：縦弾性係数
Ｉ ：断面２次モーメント
Ａ ：断面積
ρ ：密度
Ｌ ：長さ

このとき、長さＬは、図６の駆動圧電柱１２Ａ（ＰＺＴ）のダイシング深さに等しく、断面積Ａは、駆動圧電柱１２Ａの幅（ＰＺＴ幅）とダイシング深さ（長さＬ）を掛けたものに等しい。
この横振動により、例えば、図８の２．０Ｅ−０５ｓｅｃあたりの振動が一度消えるような状態（うなり）が形成されている。

なお、電気機械変換素子の加圧液室短手方向での横振動の１次モードの周期は、液体の吐出速度からの計算や、電気機械変換素子の寸法からの計算等、公知の方法から求めることができる。例えば吐出速度からの計算においては、波高値を固定し、電気機械変換素子に印加するパルス幅を振ると、メニスカスの振動に応じて吐出速度が変化する。これを利用し、パルス幅Ｐｗを横軸、吐出速度Ｖｊを縦軸にすると、吐出速度のピークが観察され、このピーク間の時間が１次モードの周期におおよそ合致する。図１０には、パルス幅Ｐｗを横軸、吐出速度Ｖｊを縦軸とした際のグラフ例を示す。この場合においては、１次モード（Ｔｃ）は３．２μｓ程度と推定できる。

図１１に、式１を基に柱（駆動圧電柱１２Ａ）の幅（ＰＺＴ幅）や高さ（長さＬ）を変化させた際の周波数分布を示す。
圧電素子の柱を太く、高さを短くすることで、周波数が高く（周期は短く）なる。
Ｔｃ（メニスカスのヘルムホルツ周波数）に近ければ、うなりの周期は長くなり、その間に受ける減衰の影響によりうなりによる影響は小さくなる。また、Ｔｃよりも周波数が高い（周期が短い）場合は、構造として柱の長さが短く・太くなるため、圧電素子自体の揺れが起き難くなり、また剛性が増えるため、横振動の減衰も速くなり、影響しにくくなる。なお、Ｔｃよりも周波数が低い（周期が長い）場合は、うなりによる影響が大きく圧電素子の寸法として適さない（うなりによるＮＧ）。

図１２は、柱の寸法変化による残留振動の周波数分布を説明するグラフであり、柱を太く、短くしたものと、従来のものとを比較した結果を示す。図１２のメニスカス残留振動比較において、点線は、柱長い・幅細い駆動圧電柱の場合、実線は、柱短い・幅太い駆動圧電柱の場合を示している。
図１２に示すように、柱を太く、短くした駆動圧電柱は、柱を細く、長くした従来の駆動圧電柱より、残留振動の周波数が高くなっていることが分かる。

また、図１３に柱の寸法変化によるメニスカス残留振動の比較結果を説明するグラフである。図１３に示すメニスカス残留振動比較より、残留振動の減衰も速く、うなりもほとんど発生していないことが分かる。
これにより、高周波数で圧電素子（駆動圧電柱）を駆動した際もメニスカスが安定しており、安定した吐出特性を獲得できる。

上述したように、発明者らは、液体吐出ヘッドにおいて、積層圧電素子の寸法、具体的には、圧電素子（駆動圧電柱）の太さおよび長さに規定を設けることにより、吐出特性のばらつきを小さくし、ヘッド内の吐出特性を均一にすることができることを見出した。言い換えると、一実施形態の液体吐出ヘッドは、加圧液室が複数のノズルが配列された配列方向に直交する方向に長くなっている形状であり、加圧液室内の液体（インク）に励起される固有振動の振動周期（インクの物性に依存するヘルムホルツ周期）が、電気機械変換素子の加圧液室短手方向での横振動の１次モードの周期以上であることを特徴とする。
これにより、ノズルの隣接間等で発生する周波数特性によるばらつきを改善することができ、ヘッド内で均一な特性を得ることができる。

また、振動板としての振動部材３は、島状の凸部３ａ、３ｂを有し、電気機械変換素子としての駆動圧電柱１２Ａと凸部３ａにて接合（特に接合固定）されていることが好ましい。振動板が島状の構造を持つことで、隔壁を介しての隣接チャネル（ch）への振動の伝播を抑制でき、吐出ばらつきを低減することができる。
さらに、液体吐出ヘッドは、振動部材３が電気機械変換素子と接合する接合面側であって、隔壁と対応する位置に支柱構造としての非駆動柱１２Ｂを備えることが好ましい。支柱構造を備えることにより、圧電素子の剛性を向上させることが可能になる。これにより、圧電素子（駆動圧電柱）の横振動が減衰する速度を早めることができる。

次に、本発明に係る液体吐出ユニット及び液体を吐出する装置について説明する。
本願において、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。

液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ（積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子）、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータなどを使用するものが含まれる。

「液体吐出ユニット」は、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体が含まれる。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたものなどが含まれる。

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合などで互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。また、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。

例えば、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。また、チューブなどで互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。また、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。

また、液体吐出ユニットとして、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。

「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置なども含むことができる。

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。

また、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するものなどを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。

また、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置などが含まれる。

また、「液体を吐出する装置」としては、他にも、用紙の表面を改質するなどの目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液を、ノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置などがある。

なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。

次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一実施形態について図１４及び図１５を参照して説明する。なお、図１４は同装置の機構部の全体構成を説明する側面説明図、図１５は同機構部の要部平面説明図である。本実施形態では画像形成装置を例に挙げて説明するが、これに限られるものではない。

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２２１Ａ、２２１Ｂ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ユニットからなる記録ヘッド２３４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つのノズル列を有する液体吐出ヘッド２３４ａ、２３４ｂを１つのベース部材に取り付けて構成したもので、一方のヘッド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、他方のヘッド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。なお、ここでは２ヘッド構成で４色の液滴を吐出する構成としているが、各色の液体吐出ヘッドを備えることもできる。

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サブタンク２３５ａ、２３５ｂ（区別しないときは「サブタンク２３５」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２３６を介して、供給ユニット２２４によっ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、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、増粘したインク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、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インク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２８８を配置し、この空吐出受け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はガイド部材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。

このように、この画像形成装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、滴吐出特性のバラツキが少なく、高画質画像を形成することができる。

１ ノズル板
２ 流路板（液室基板）
３ 振動板部材
３ａ、３ｂ 凸部
３ｃ ダイアフラム駆動部
３ｄ ダイアフラム非駆動部
４ ノズル
６ 液室
７ 液体供給路
８ 液体導入部
９ フィルタ部
１０ 共通液室
１１ 圧電アクチュエータ
１２ 圧電部材
１２Ａ 駆動圧電柱（駆動柱）
１２Ｂ 非駆動圧電柱（非駆動柱）
１３ ベース部材
１５ ＦＰＣ
１６ 液滴
１９ 電鋳支持基板
２０ フレーム部材

特許３９８８３５１号公報

Claims (4)

1. 液体を吐出する複数のノズルが配列されたノズル板と、
   前記複数のノズルと連通する個別液室を形成する隔壁を有する流路板と、
   前記流路板と接合され、前記個別液室の内壁の一部を構成する振動板と、
   前記振動板と接合され、前記振動板を変形させて前記個別液室に圧力を発生させる電気機械変換素子と、を有する液体吐出ヘッドであって、
   前記個別液室が前記複数のノズルの配列方向に直交する方向に長い形状であり、
   前記個別液室内の前記液体に生じる固有振動の振動周期が、前記電気機械変換素子の個別液室の短手方向における横振動の一次モードの周期以上であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 前記振動板は、凸部を有し、前記電気機械変換素子と前記凸部にて接合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. 前記液体吐出ヘッドは、前記振動板が前記電気機械変換素子と接合する接合面側であって、前記隔壁と対応する位置に支柱構造を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の液体吐出ヘッドを備える液体を吐出する装置。