JP3856004B2 - 液滴吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は液滴吐出ヘッド及び画像形成装置に係り、特に圧電体の変形によって液に吐出力を与えることでノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの構造並びにかかる液滴吐出ヘッドを用いて記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置その他の画像形成装置に関する。

インクジェット記録装置は、インク吐出用のノズルを備えた記録ヘッドに対して記録紙等の記録媒体を相対的に移動させながら、印字信号に応じて記録ヘッドからインクを吐出させることにより記録媒体上にインク滴を着弾させ、そのインクドットによって画像を形成する。

特許文献１乃至５は、円筒状の圧電アクチュエータを利用するインクジェット記録ヘッドを開示している。特許文献１に示された記録ヘッドは、インク噴射口（オリフィス）を有する複数の円筒管が台座上で一列に並べられ、該円筒管列を挟んで台座面と対向配置された電歪振動子の電歪現象によって各円筒管を変形させることにより管内のインクを加圧してオリフィスからインク滴を吐出させる構造になっている。また、同文献においては、円筒管の側面に円筒状の電歪素子を取り付ける方式（振動子円筒型）も紹介されている。

特許文献２は、円柱状の圧力室形成部を含んだ空孔パターン部材を電極材溶液と圧電材溶液とに交互に複数回浸した後、焼成工程を行うことにより、円筒状の積層型圧電素子を製造する方法を提案している。

特許文献３は、金属円筒の表面に水熱合成法で圧電体を形成することを提案している。

特許文献４は、インク供給部となる中空フレームに複数の孔を等間隔で一直線上に形成するとともに、各孔に樹脂ワイヤ等（高温環境化で気化して消失する材料）からなるピンを固定し、これらピンの周囲及びその基端部を支持するフレームの一部にスラリ浸漬工程によって圧電材料を塗膜し、乾燥後の焼成工程によりピンを消失させ、めっき工程によって圧電体の内面に共通電極、外面に個別電極を形成する製造方法を提案している。

また、特許文献５は、インク供給部となる中空フレームに複数の孔を等間隔で一直線上に形成するとともに、各孔に管状電極を固定し、これら管状電極及びその基端部を支持するフレームの一部にスラリ浸漬工程によって圧電材料を塗膜し、乾燥後の焼成工程を経てめっき工程により圧電体外周面に個別電極を形成する製造方法を提案している。
特開平６−２３９８７号公報 特開平８−２０１０９号公報 特開平８−３３６９６７号公報 特開平９−２７７５２８号公報 特開平９−３００６１４号公報

特許文献１乃至５の開示されたいわゆる円筒圧縮型圧電式ヘッドによれば、円筒状の液室内（圧力室内）のインクは側面外周から径方向内側に向かう方向に加圧されるため、インクの飛翔力が強いという利点を有している。

しかしながら、近時、インク液の多様化、吐出不良の発生抑制、プリントの高速化等の観点から、より一層の吐出力の向上並びにリフィルの高速化が要求されている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、吐出効率の向上やリフィル高速化を達成することができる液滴吐出ヘッド及びこれを用いた画像形成装置を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る液滴吐出ヘッドは、筒形状を成す圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの中空部に形成される筒形状の圧力室と、前記圧力室に連通し、前記圧電アクチュエータの変位に伴う前記圧力室の変形によって当該圧力室内の液を吐出させるための液滴吐出口と、を備え、前記圧電アクチュエータは、圧電体の組成を筒形状の軸方向に沿って段階的又は連続的に変化させた構造により、前記圧電体の変位特性を前記軸方向に沿って段階的に又は連続的に変化させた構造を有していることを特徴とする。

本発明の液滴吐出ヘッドによれば、筒形状の圧電アクチュエータの内側（中空部）に圧力室が形成されており、圧電アクチュエータを駆動して圧力室を変形させることにより、圧力室内の液に圧力変化を与え、液滴吐出口から液滴を吐出させる。圧電アクチュエータの変位特性を筒形状の軸方向に異ならせた構造により、駆動電圧印加時の変位量、変形位置、変位タイミングなどを軸方向に異ならせ、所望の変位分布（すなわち、加圧分布）を得ることが可能となる。

これにより、圧力室の側面を均一に変形させる従来の構成と比較して、軸方向への液の流れを一層促進し得る圧力室壁の振動を実現でき、吐出力の向上やリフィルの高速化を達成できる。したがって、高粘度液の吐出や高速吐出が可能となる。

圧電アクチュエータを構成している圧電体の材料の組成（成分及びその混合比）を変えることにより圧電定数を変えることができ、所望の変位特性を得ることが可能である。

請求項２に係る発明は、請求項１記載の液滴吐出ヘッドの一態様に係り、前記圧電アクチュエータは、前記圧電体の厚さを前記軸方向に沿って段階的又は連続的に変化させた構造を有していることを特徴とする。

圧電材料の組成を異ならせる態様と併用して、圧電体層の厚さを変えることにより、変位特性を変える態様もある。

請求項３に係る発明は、請求項１又は２項記載の液滴吐出ヘッドの一態様に係り、前記圧電体は、噴射堆積法によって形成されていることを特徴とする。

噴射堆積法は、材料の粉体を高速で基板に吹き付けて堆積させることにより膜を形成する技術であり、エアロゾルデポジション法又はガスデポジション法とも呼ばれる（以下「ＡＤ法」という）。本発明における圧電アクチュエータは、ＡＤ法を用いて形成する態様が好ましい。圧電体層のみならず、該圧電体層を挟む電極層もＡＤ法によって形成することができる。なお、ＡＤ法は、スパッタリングなどの他の堆積法に比べて厚膜化が容易であり、また、原料の粉体の結晶構造を維持することができる利点がある。

請求項４に係る発明は、前記目的を達成する画像形成装置を提供する。すなわち、請求項４に係る画像形成装置は、請求項１乃至３の何れか１項記載の液滴吐出ヘッドを有し、前記液滴吐出口から吐出した液滴によって記録媒体上に画像を形成することを特徴とする。

例えば、当該画像形成装置に適用される液滴吐出ヘッドは、画像データに基づいて圧電アクチュエータを制御することで液滴吐出口（ノズル）から液滴を吐出させる所望のドット配置を実現する。

液滴吐出ヘッドの構成例として、記録媒体の全幅に対応する長さにわたってインク吐出用の複数のノズルを配列させたノズル列を有するフルライン型のインクジェットヘッドを用いることができる。

この場合、記録媒体の全幅に対応する長さに満たないノズル列を有する比較的短尺の吐出ヘッドブロックを複数個組み合わせ、これらを繋ぎ合わせることで全体として記録媒体の全幅に対応するノズル列を構成する態様がある。

フルライン型のインクジェットヘッドは、通常、記録媒体の相対的な送り方向（相対的搬送方向）と直交する方向に沿って配置されるが、搬送方向と直交する方向に対して、ある所定の角度を持たせた斜め方向に沿ってインクジェットヘッドを配置する態様もあり得る。

「記録媒体」は、液滴吐出ヘッドの作用によって画像の記録を受ける媒体（被吐出媒体、印字媒体、被画像形成媒体、被記録媒体、受像媒体など呼ばれ得るもの）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、フイルム、布、配線パターン等が形成されるプリント基板、中間転写媒体、その他材質や形状を問わず、様々な媒体を含む。

記録媒体と液滴吐出ヘッドを相対的に移動させる搬送手段は、停止した（固定された）液滴吐出ヘッドに対して記録媒体を搬送する態様、停止した記録媒体に対して液滴吐出ヘッドを移動させる態様、或いは、液滴吐出ヘッドと記録媒体の両方を移動させる態様の何れをも含む。

本発明によれば、筒形状の圧電アクチュエータにおいて、その軸方向に圧電体の変位特性を段階的に又は連続的に変化させた構造としたので、駆動電圧印加時の変位量、変形位置、変位タイミングなどを軸方向に異ならせて、軸方向への液の流れを一層促進することが可能となり、吐出効率の向上やリフィル高速化を達成できる。

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の全体構成〕
図１は本発明の実施形態に係る液滴吐出装置を用いたインクジェット記録装置の全体構成図である。同図に示したように、このインクジェット記録装置１０は、黒（Ｋ），シアン（Ｃ），マゼンタ（Ｍ），イエロー（Ｙ）の各インクに対応して設けられた複数のインクジェットヘッド（以下、ヘッドという。）１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙを有する印字部１２と、各ヘッド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、記録媒体たる記録紙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。

インク貯蔵／装填部１４は、各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙに対応する色のインクを貯蔵するインクタンクを有し、各タンクは所要の管路を介してヘッド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）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。

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。

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或いは無線タグなど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、使用される記録媒体の種類（メディア種）を自動的に判別し、メディア種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クセが残り、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クセ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。

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（第１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。

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水平面（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穴（不図示）が形成されている。図１に示したとおり、ローラ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３４が設けられており、この吸着チャンバ３４をファン３５で吸引して負圧にすることによって記録紙１６がベルト３３上に吸着保持される。

ベルト３３が巻かれているローラ３１、３２の少なくとも一方にモータ（図９中符号１８８）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１上の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、或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・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・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が滲み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面を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に加熱空気を吹き付け、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の各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙは、当該インクジェット記録装置１０が対象とする記録紙１６の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録媒体の少なくとも一辺を超える長さ（描画可能範囲の全幅）にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている（図２参照）。

ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙは、記録紙１６の送り方向に沿って上流側から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の色順に配置され、それぞれのヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙが記録紙１６の搬送方向と略直交する方向に沿って延在するように固定設置される。

吸着ベルト搬送部２２により記録紙１６を搬送しつつ各ヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙからそれぞれ異色の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ノズル列を有するフルライン型のヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙを色別に設ける構成によれば、紙送り方向（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１回行うだけで（すなわち１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、記録ヘッドが紙搬送方向と直交する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。

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、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するインクジェットヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。

図１に示した印字検出部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２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。

各色のヘッド１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙにより印字されたテストパターン又は実技画像が印字検出部２４により読み取られ、各ヘッドの吐出判定が行われる。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などで構成される。

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、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

多孔質のペーパーに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパー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４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こう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不図示の選別手段が設けられている。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とから構成される。

また、図１には示さないが、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る。

〔ヘッドの構造〕
次に、ヘッドの構造について説明する。色別の各ヘッド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によってヘッドを示すものとする。

図３(a) はヘッド５０のノズル配列例を示す平面図であり、図３(b) はヘッド５０の他の構造例を示す平面図である。記録紙１６上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、ヘッド５０におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド５０は、図３(a) に示したように、インク滴の吐出口であるノズル５１を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド長手方向（紙送り方向と直交する方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。

記録紙１６の送り方向と略直交する方向に記録紙１６の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図３(a) の構成に代えて、図３(b) に示すように、複数のノズル５１が２次元に配列された短尺のヘッドブロック５０’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録紙１６の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。

図４はヘッド５０の内部構造を示す要部斜視図である。図４において符号５２はノズルプレートであり、該ノズルプレート５２には、図３で例示したように多数のノズル５１が所定の２次元配列形態により形成されている。図４における符号５３は各ノズル５１に対応したインク室ユニット（液滴吐出素子）である。

図示のとおり、各インク室ユニット５３を構成している圧電アクチュエータ５４は略円筒形状を有し、その軸方向がノズルプレート５２に略直交するようにノズルプレート５２の面上で２次元的に配置されている。圧電アクチュエータ５４の配列形態はノズルプレート５２に穿設されているノズル５１の配列形態に対応しており、各圧電アクチュエータ５４の中空部（内側空間部）は、ノズル５１と連通する圧力室５６となる。

図５は、インク室ユニット５３の構造を示す断面図である。なお、同図は互いに隣接する２つのインク室ユニット５３の中心軸を含む面で切断した断面図を示している。

図中符号５８は圧電アクチュエータ５４を支持する樹脂型、６０は外周電極、６２は圧電体、６４は内周電極である。なお、本例では、外周電極６０を複数の圧電アクチュエータ５４の電極と導通のある共通電極とし、内周電極６４を各圧電アクチュエータ５４毎に独立した個別電極とするが、これらの関係を入れ替えた構成も可能である。また、樹脂型５８に代えて金属製の型を用いる場合には、金属型自体を電極として兼用することが可能であり、外周電極６０を省略できる。また、内周電極６４の内側に耐インク処理された処理層を持つことが好ましい。

樹脂型５８は略円筒型のくり抜き構造を有し、ノズル５１近傍部分はノズル５１に向かって内径が徐々に小さくなるように構成されている。また、樹脂型５８は、圧電体６２の変形に従って変形可能なように十分柔らかい素材で形成されることが好ましい。

隣接し合うインク室ユニット５３の樹脂型５８同士は、互いに一部（符号６６で示した部分）が接触しているが、ノズル５１に近い部分には空洞部６８が形成されている。この空洞部６８により、隣接ノズル間の動作干渉を抑制することができる。なお、符号６６で示した接触部は、一体的に連結されていていてもよいし、分離されていてもよい。

円筒状の圧電アクチュエータ５４のノズルプレート５２と反対側の端部には、供給孔７０を有する供給孔プレート７２が配設されている。各圧力室５６は供給孔７０を介して共通流路７５と連通している。共通流路７５はインク供給源たるインクタンク（図５中不図示、図８中符号１６０として記載）と連通しており、インクタンク１６０から供給されるインクは図５の共通流路７５を介して各圧力室５６に分配供給される。

外周電極６０と内周電極６４の電極間に駆動電圧を印加することによって圧電体６２が変形して圧力室５６の容積が変化し、これに伴う圧力変化によりノズル５１からインクが吐出される。インク吐出後、共通流路７５から供給孔７０を通って新しいインクが圧力室５６に供給される。

図６は、圧電体６２の構造例を模式的に描いた断面図である。図示のように、圧電体６２は軸方向に沿って圧電材料の組成が段階的に変更された構造を有している。同図では、ノズル５１に近い側から順に、第１の組成材料から成る第１圧電体部６２Ａ、第２の組成材料から成る第２圧電体部６２Ｂ、第３の組成材料から成る第３圧電体部６２Ｃとなっている。もちろん、組成の変更形態は特に限定されず、段階的な変更における領域の分割数、各領域の大きさのバランスや圧電定数の大小関係については適宜設計可能である。また、圧電体６２の組成を軸方向に連続的に変化させてもよい。

圧電材料には、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などを用いることができる。

個別電極（ここでは、内周電極６４）は、第１圧電体部６２Ａ，第２圧電体部６２Ｂ，第３圧電体部６２Ｃに対して共通する一体型の電極となっているが、各圧電体部（６２Ａ〜Ｃ）に対応させた分離型の電極とすることもできる。

図４乃至図６で説明した構造を有するインク室ユニット５３を図７に示すように、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向とに沿って一定の配列パターンで格子状に２次元配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。

すなわち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってノズル５１を一定のピッチｄで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズル５１のピッチＰはｄ× cosθとなり、主走査方向については、各ノズル５１が一定のピッチＰで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が１インチ当たり2400個（2400ノズル／インチ）におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。

なお、印字可能幅の全幅に対応した長さのノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、（１）全ノズルを同時に駆動する、（２）ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、（３）ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、用紙の幅方向（用紙の搬送方向と直交する方向）に１ライン又は１個の帯状を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。

特に、図７に示すようなマトリクス状に配置されたノズル５１を駆動する場合は、上記（３）のような主走査が好ましい。すなわち、ノズル５１-11 、５１-12 、５１-13 、５１-14 、５１-15 、５１-16 を１つのブロックとし（他にはノズル５１-21 、…、５１-26 を１つのブロック、ノズル５１-31 、…、５１-36 を１つのブロック、…として）、記録紙１６の搬送速度に応じてノズル５１-11 、５１-12 、…、５１-16 を順次駆動することで記録紙１６の幅方向に１ラインを印字する。

一方、上述したフルラインヘッドと用紙とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された１ライン又は１個の帯状の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。

〔インク供給系の構成〕
図８はインクジェット記録装置１０におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インクタンク１６０はヘッド５０にインクを供給する基タンクであり、図１で説明したインク貯蔵／装填部１４に設置される。インクタンク１６０の形態には、インク残量が少なくなった場合に、不図示の補充口からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を変える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じた吐出制御を行うことが好ましい。なお、図８のインクタンク１６０は、先に記載した図１のインク貯蔵／装填部１４と等価のものである。

図８に示したように、インクタンク１６０とヘッド５０の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ１６２が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは、ノズル径と同等若しくはノズル径以下（一般的には、２０μｍ程度）とすることが好ましい。図８には示さないが、ヘッド５０の近傍又はヘッド５０と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。

また、インクジェット記録装置１０には、ノズル５１の乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ１６４と、ノズル面５０Ａの清掃手段としてのクリーニングブレード１６６とが設けられている。これらキャップ１６４及びクリーニングブレード１６６を含むメンテナンスユニットは、不図示の移動機構によってヘッド５０に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置からヘッド５０下方のメンテナンス位置に移動される。

キャップ１６４は、図示せぬ昇降機構によってヘッド５０に対して相対的に昇降変位される。電源ＯＦＦ時や印刷待機時にキャップ１６４を所定の上昇位置まで上昇させ、ヘッド５０に密着させることにより、ノズル面５０Ａをキャップ１６４で覆う。

クリーニングブレード１６６は、ゴムなどの弾性部材で構成されており、図示せぬブレード移動機構によりヘッド５０のインク吐出面（ノズルプレート５２表面）に摺動可能である。ノズルプレート５２にインク液滴又は異物が付着した場合、クリーニングブレード１６６をノズルプレート５２に摺動させることでノズルプレート５２表面を拭き取り、ノズルプレート５２表面を清浄する。

印字中又は待機中において、特定のノズルの使用頻度が低くなり、ノズル近傍のインク粘度が上昇した場合、その劣化インクを排出すべくキャップ１６４に向かって予備吐出が行われる。

また、ヘッド５０内のインク（圧力室５６内）に気泡が混入した場合、ヘッド５０にキャップ１６４を当て、吸引ポンプ１６７で圧力室内のインク（気泡が混入したインク）を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク１６８へ送液する。この吸引動作は、初期のインクのヘッド５０への装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも粘度上昇（固化）した劣化インクの吸い出しが行われる。

ヘッド５０は、ある時間以上吐出しない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してノズル近傍のインクの粘度が高くなってしまい、吐出駆動用の圧電アクチュエータ５４が動作してもノズル５１からインクが吐出しなくなる。したがって、この様な状態になる手前で（圧電アクチュエータ５４の動作によってインク吐出が可能な粘度の範囲内で）、インク受けに向かって圧電アクチュエータ５４を動作させ、粘度が上昇したノズル近傍のインクを吐出させる「予備吐出」が行われる。また、ノズル面５０Ａの清掃手段として設けられているクリーニングブレード１６６等のワイパーによってノズル板表面の汚れを清掃した後に、このワイパー摺擦動作によってノズル５１内に異物が混入するのを防止するためにも予備吐出が行われる。なお、予備吐出は、「空吐出」、「パージ」、「唾吐き」などと呼ばれる場合もある。

また、ノズル５１や圧力室５６に気泡が混入したり、ノズル５１内のインクの粘度上昇があるレベルを超えたりすると、上記予備吐出ではインクを吐出できなくなるため、以下に述べる吸引動作を行う。

すなわち、ノズル５１や圧力室５６のインク内に気泡が混入した場合、或いはノズル５１内のインク粘度があるレベル以上に上昇した場合には、圧電アクチュエータ５４を動作させてもノズル５１からインクを吐出できなくなる。このような場合、ヘッド５０のノズル面に、圧力室５６内のインクをポンプ等で吸い込む吸引手段を当接させて、気泡が混入したインク又は増粘インクを吸引する動作が行われる。

ただし、上記の吸引動作は、圧力室５６内のインク全体に対して行われるためインク消費量が大きい。したがって、粘度上昇が少ない場合はなるべく予備吐出を行うことが好ましい。

〔制御系の説明〕
次に、インクジェット記録装置１０の制御系について説明する。図９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１７０、システムコントローラ１７２、画像メモリ１７４、メディア検出部１７５、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８、プリント制御部１８０、画像バッファメモリ１８２、ヘッドドライバ１８４等を備えている。

通信インターフェース１７０は、ホストコンピュータ１８６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１７０にはＵＳＢ、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１８６から送出された画像データは通信インターフェース１７０を介してインクジェット記録装置１０に取り込まれ、一旦画像メモリ１７４に記憶される。画像メモリ１７４は、通信インターフェース１７０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１７２を通じてデータの読み書きが行われる。画像メモリ１７４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１７２は、通信インターフェース１７０、画像メモリ１７４、モータドライバ１７６、ヒータドライバ１７８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１７２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１８６との間の通信制御、画像メモリ１７４の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ１８８やヒータ１８９を制御する制御信号を生成する。

モータドライバ１７６は、システムコントローラ１７２からの指示に従ってモータ１８８を駆動するドライバ（駆動回路）である。ヒータドライバ１７８は、システムコントローラ１７２からの指示に従って後乾燥部４２その他各部のヒータ１８９を駆動するドライバである。

メディア検出部１７５は、記録紙１６の紙種やサイズ（紙幅）などを検出する手段である。例えば、給紙部のマガジンに付されたバーコード等の情報を読み込む手段、用紙搬送路中の適当な場所に配置されたセンサ（用紙幅検出センサ、用紙の厚みを検出するセンサ、用紙の反射率を検出するセンサなど）が用いられ、これらの適宜の組み合わせも可能である。また、これら自動検出の手段に代えて、若しくはこれと併用して、所定のユーザインターフェースからの入力によって紙種やサイズ等の情報を指定する構成も可能である。

メディア検出部１７５により取得された情報はシステムコントローラ１７２に通知され、インク吐出制御等に利用される。

プリント制御部１８０は、システムコントローラ１７２の制御に従い、画像メモリ１７４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（ドットデータ）をヘッドドライバ１８４に供給する制御部である。プリント制御部１８０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１８４を介してヘッド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１８０には画像バッファメモリ１８２が備えられており、プリント制御部１８０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１８２に一時的に格納される。なお、図９において画像バッファメモリ１８２はプリント制御部１８０に付随する態様で示されているが、画像メモリ１７４と兼用することも可能である。また、プリント制御部１８０とシステムコントローラ１７２とを統合して１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１８４はプリント制御部１８０から与えられる印字データに基づいて各色ヘッド５０の吐出駆動用の圧電アクチュエータ５４を駆動する。ヘッドドライバ１８４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。

印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース１７０を介して外部から入力され、画像メモリ１７４に蓄えられる。この段階では、例えば、ＲＧＢの画像データが画像メモリ１７４に記憶される。画像メモリ１７４に蓄えられた画像データは、システムコントローラ１７２を介してプリント制御部１８０に送られ、該プリント制御部１８０において既知のディザ法、誤差拡散法などの手法によりインク色ごとのドットデータに変換される。

こうして、プリント制御部１８０で生成されたドットデータに基づき、ヘッド５０が駆動制御され、ヘッド５０からインクが吐出される。記録紙１６の搬送速度に同期してヘッド５０からのインク吐出を制御することにより、記録紙１６上に画像が形成される。

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１８０に提供する。なお、ラインセンサの読み取り開始タイミングは、センサとノズル間の距離及び記録紙１６の搬送速度から決定される。

プリント制御部１８０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ヘッド５０に対する各種補正を行う。また、プリント制御部１８０は、印字検出部２４を通じて得られた検出情報に基づいてノズル５１の吐出／不吐出を判断し、不吐出ノズルが検出された場合には所定の回復動作を実施する制御を行う。

〔噴射堆積法による成膜方法〕
次に、ヘッド５０の製造方法について説明する。本実施形態では、略円筒型の圧電体群をＡＤ法よって作成するため、まず、ＡＤ法による成膜方法について概説する。ＡＤ法は、原料の粉体からエアロゾルを生成し、そのエアロゾルを基板に噴射し、その際の衝突エネルギーにより粉体を堆積させて膜を形成する成膜技術である。

図１０はＡＤ法による成膜装置を示す模式図である。この成膜装置は、原料の粉体２０１を収容するエアロゾル生成容器２０２を有している。ここで、エアロゾルとは、気体中に浮遊している固体や液体の微粒子のことをいう。

エアロゾル生成容器２０２には、キャリアガス導入部２０３、エアロゾル導出部２０４、振動部２０５が設けられている。キャリアガス導入部２０３から窒素ガス（Ｎ₂ ）等の気体を導入することによってエアロゾル生成容器２０２内に収容された原料の粉体が噴き上げられ、エアロゾルが生成される。その際に、振動部２０５によってエアロゾル生成容器２０２に振動を与えることにより、原料の粉体が攪拌され、効率よくエアロゾルが生成される。生成されたエアロゾルは、エアロゾル導出部２０４を通って成膜チャンバ２０６に導かれる。

成膜チャンバ２０６には、排気管２０７、スプレーノズル２０８、可動ステージ２０９が設けられている。排気管２０７は、図示せぬ真空ポンプに接続されており、成膜チャンバ２０６内を排気する。エアロゾル生成容器２０２において生成され、エアロゾル導出部２０４を通って成膜チャンバ２０６に導かれたエアロゾルは、スプレーノズル２０８から基板２１０に向けて噴射される。これにより、原料の粉体が基板２１０上に衝突して堆積する。基板２１０は、３次元に移動可能な可動ステージ２０９に載置されており、可動ステージ２０９を制御することにより、基板２１０とスプレーノズル２０８との相対的位置が調節される。

〔ヘッドの製造工程〕
本例のヘッド５０は下記に示す工程手順（工程１〜５）に従って製造される。

（工程１）プレート（支持基板）上に外周電極６０の「型」となる円筒くり抜き構造の樹脂型５８を準備する。なお、本例では樹脂製の型部材を用いているが、金属製の型を用いる態様も可能である。

（工程２）樹脂型５８の内壁に無電解メッキや蒸着で外周電極６０を形成する。ただし、型部材が金属の場合には、型部材自体が共通電極となり得るため、外周電極の形成工程は不要である。

（工程３）外周電極６０の内壁にＡＤ法で圧電材料を付着させ、円筒状の圧電体層を形成する（図１１参照）。図１１はＡＤ法により圧電体層を形成する様子を示した拡大断面図である。同図のように、微粒子噴射用のスプレーノズル２０８を樹脂型５８の中空部に挿入し、外周電極６０の内壁に圧電材料の微粒子を付着させる。このとき、支持プレート２１２に支持されている樹脂型５８及びスプレーノズル２０８のうち少なくとも一方を図１１の上下方向（円筒くり抜き構造から成る樹脂型５８の軸方向）に移動させ、両者の相対的な位置関係を変えることにより、外周電極６０の端部（図１１上で下端部）から軸方向に沿って順次、外周電極６０の内壁に圧電体６２を付着させる。

また、スプレーノズル２０８から噴射する粉体の材料を切り換え、或いは、複数種類の粉体の混合比を段階的に又は連続的に変化させることにより、圧電体６２の組成を軸方向に変化させる。こうして、軸方向に圧電定数を異ならせた円筒形状の圧電体層が形成される。

（工程４）圧電体層の形成後、当該円筒圧電体の内壁に無電解メッキや蒸着、或いはＡＤ法で内周電極６４を形成する。

（工程５）樹脂型５８を支持している支持プレート２１２にインク吐出口となるノズル５１孔を形成する。または、ノズル孔を穿設したノズルプレート５２を別途作成しておき、前記（工程４）の後に支持プレート２１２を剥離後、ノズルプレート５２を接着剤等によって接合するようにしてもよい。なお、ノズル孔が形成されているノズルプレート５２を前記（工程１）における支持プレート２１２として使用する態様も可能であり、この場合、ノズル孔をマスクした状態でＡＤ法による堆積を行い、前記（工程４）の後にマスクを除去する。また、内周電極６４の内側に耐インク処理液を塗布し、処理層を形成することが好ましい。

以上述べたように、本発明の実施形態によれば、簡便な電極形成方法、及び圧電体形成方法を採用することができるため、ヘッド５０の生産性が向上する。

また、円筒くり抜き構造を有する「型」の製作に際し、樹脂成形等によって、例えば、直径３００μｍ、長さ２ｍｍ程度に形成することができ、その型の内側にメッキや蒸着により電極形成、或いはＡＤ法のスプレーノズル２０８を挿入して圧電体を形成することが可能である。したがって、図４で説明したように、中空のくり抜き構造物を２次元配置することにより、ノズル５１の高密度化が可能である。

更には、円筒端部のノズル５１に向かって最終的な圧力室５６内径をノズル径近傍まで緩やかに変化させながら狭めることができるので、ノズル５１に向かってよどみのない流路構造を作成することができる。これにより、気泡残留による圧力損失、吐出不良を回避できる。

〔圧電アクチュエータの他の構造例〕
図１２（ａ）〜（ｄ）に圧電アクチュエータの他の構造例を示す。同図中図５と同一又は類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。

図１２（ａ）は、圧力室５６の内径（流路断面）が軸方向の端部のノズル５１部に向かって徐々に小さくなるテーパー状の構造を有している。同図によれば、樹脂型５８の内周面によってその形状が規定され、当該内周面に一様な厚さ（膜厚）の圧電体６２が形成されている。

図１２（ｂ）は、圧電体６２の膜厚が部分的に異なる構造を有し、圧力室５６の内径も徐々に変化する構造を有している。圧電体６２の組成を変更することに代えて、又はこれと併用して圧電体層の厚みを変えることにより、圧電アクチュエータ５４の変位特性を軸方向に異ならせることができる。同図によれば、圧力室５６の内径はインク供給側から軸方向の圧力室５６中心部に向かって徐々に広がり、その後ノズル５１に向かって徐々に狭まるように構成されている。

図１２（ｃ）は、圧電体層の厚みは一定（実質的に一定と見なせる程度に略一定の場合も含む）であるが、樹脂型５８の形状によって圧力室５６の内径が軸方向に変化した構造を有している。

図１２（ｄ）は、圧電体層の厚みは一定（実質的に一定と見なせる程度に略一定の場合も含む）であるが、樹脂型５８の厚みを軸方向に変化させた構造となっている。圧電アクチュエータ５４を支持する型部材の剛性は、圧電アクチュエータ５４の変位に影響を与えるため、樹脂型５８の厚みを変化させることにより、圧電アクチュエータ５４の変位特性を変化させることができる。

以上説明したように、円筒形状の軸方向に沿って圧電体６２の組成及び／又は厚みを変化させ、更には、圧力室５６の内壁面をノズル５１に向かってテーパー状に形成したり、型の厚みやその内径を変化させる構成により、電圧印加時の収縮量や収縮タイミングを軸方向に異ならせることができる。これにより、インクを絞り出すような圧力室５６の変形（しなり運動）が可能となり、吐出力の向上及びリフィルの高速化を達成できる。

〔変形例〕
図５に示した樹脂型５８の構成に代えて、図１３のような構成も可能である。図１３中図５と同一又は類似の部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。すなわち、図１３に示したように、互いに隣接し合う樹脂型５８同士は、連結部６７を介して互いに連結されている。この連結部６７は、隣接ノズル間の動作干渉が起きない程度に小さく、或いは、十分に柔軟性のある素材で形成されることが好ましい。

連結部６７によって多数の樹脂型５８を一体的に連結する構造により、製造時の取り扱い（ハンドリング）が容易となる。

上記実施形態では、圧電アクチュエータ５４の内周面（内周電極６４又は内周電極６４を覆う耐インク処理層）がそのまま圧力室５６の側壁面を構成している構造（圧電アクチュエータが圧力室形成部材を兼ねた一体構造方式）を例示したが、本発明の実施に際してはこの例に限定されない。例えば、圧電アクチュエータの内周面に更に樹脂などの材料によって筒形状の圧力室側壁層（圧力室形成部材）を形成する形態（圧力室形成部材の外周に圧電アクチュエータが配設される別構造方式）も可能である。

また、上述の説明では、画像形成装置の一例としてインクジェット記録装置を例示したが、本発明の適用範囲はこれに限定されない。例えば、印画紙に非接触で現像液を塗布する写真画像形成装置等についても本発明の液滴吐出ヘッドを適用できる。また、本発明に係る液滴吐出ヘッドの適用範囲は画像形成装置に限定されず、吐出ヘッドを用いて処理液その他各種の液体を被吐出媒体に向けて噴射する各種の装置（塗装装置、塗布装置、配線描画装置など）について本発明を適用することができる。

本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置の全体構成図 図１に示したインクジェット記録装置の印字部周辺の要部平面図 ヘッドのノズル配列例を示す平面図 フルライン型ヘッドの他の構造例を示す平面図 ヘッドの内部構造を示す要部斜視図 液滴吐出素子（各ノズルに対応したインク室ユニット）の立体的構成を示す断面図 圧電アクチュエータの構造例を模式的に描いた断面図 ノズルの配列構造を示す拡大図 本例のインクジェット記録装置におけるインク供給系の構成を示した概要図 本例のインクジェット記録装置のシステム構成を示す要部ブロック図 ＡＤ法による成膜装置を示す模式図 ＡＤ法による圧電体の形成工程を示した要部断面図 圧電アクチュエータの他の構造例を示す断面図 各ノズルに対応したインク室ユニットの他の構造例を示す断面図

符号の説明

１０…インクジェット記録装置、１２…印字部、１２Ｋ，１２Ｃ，１２Ｍ，１２Ｙ…ヘッド、１４…インク貯蔵／装填部、１６…記録紙、１８…給紙部、２２…吸着ベルト搬送部、５０…ヘッド、５０Ａ…ノズル面、５１…ノズル、５２…ノズルプレート、５３…インク室ユニット、５４…圧電アクチュエータ、５６…圧力室、５８…樹脂型、６０…外周電極、６２…圧電体、６２Ａ…第１圧電体部、６２Ｂ…第２圧電体部、６２Ｃ…第３圧電体部、６４…内周電極、７５…共通流路

Claims (4)

1. 筒形状を成す圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの中空部に形成される筒形状の圧力室と、
   前記圧力室に連通し、前記圧電アクチュエータの変位に伴う前記圧力室の変形によって当該圧力室内の液を吐出させるための液滴吐出口と、
   を備え、
   前記圧電アクチュエータは、圧電体の組成を筒形状の軸方向に沿って段階的又は連続的に変化させた構造により、前記圧電体の変位特性を前記軸方向に沿って段階的に又は連続的に変化させた構造を有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 前記圧電アクチュエータは、前記圧電体の厚さを前記軸方向に沿って段階的又は連続的に変化させた構造を有していることを特徴とする請求項１記載の液滴吐出ヘッド。
3. 前記圧電体は、噴射堆積法によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載の液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１乃至３の何れか１項記載の液滴吐出ヘッドを有し、前記液滴吐出口から吐出した液滴によって記録媒体上に画像を形成することを特徴とする画像形成装置。

Images