JP4111726B2 - 液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置 - Google Patents

液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置 Download PDF

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【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として用いるインクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドは、インク滴を吐出する単一又は複数のノズル孔と、このノズル孔が連通する吐出室(インク室、液室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。)と、吐出室内のインクを加圧する圧力を発生する圧力発生手段とを備えて、圧力発生手段で発生した圧力で吐出室内インクを加圧することによってノズル孔からインク滴を吐出させる。
【0003】
ところで、液滴吐出ヘッドのうち、圧力発生手段に電気機械変換素子としての圧電素子を用いるヘッドとしては、圧電素子から振動板に力を伝達する構成として、圧電素子に伸縮の力を振動板の面に垂直に加えて振動板を変形させる構成、あるいは、いわゆるユニモルフやバイモルフといった屈曲の力で振動板を変形する構成がある。
【0004】
しかしながら、高密度印字、高速印字を行うために吐出室やノズルを高密度に並べる必要があるため、振動板の面積が小さくなり、必要な吐出量を得るためにはより大きな振動板変位量が求められるようになっているが、上記の構成では振動板のさらに大きな変位を得て、排除体積を大きくすることが難しい。
【0005】
そこで、振動板の座屈を用いて大きな変位を得る構成が提案されている。例えば、▲1▼特開平7−25009公報には座屈構造体(振動板)の一端あるいは両端に圧電素子を取り付け振動板を座屈変形させるものが、▲2▼特開平9−85946公報は構造体(振動板)自体が圧電素子からなり、圧電素子の伸長変形により振動板が座屈変形するものが、▲3▼特許第3070135号公報には吐出室の側壁が圧電素子からなり、側壁を吐出室内部に変形させると、吐出室を覆うカバー板が座屈変形するものが開示されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記▲1▼の液滴吐出ヘッドにあっては、圧電体及び電極がインクに接触するので、圧電体や電極がインクに侵され、圧電特性が劣化したり、あるいは断線したり、インクに電流がリークして圧電体に所望の電圧がかからなかったり、インクに電流が流れることによってインクが変質したり、析出物が形成されてノズルが詰まったりするといった課題がある。また、座屈構造体(振動板)の両面にインクが存在するので液体の抵抗が大きく、高周波数駆動ができないという課題がある。さらに、座屈する方向が決まるような構造をとることが難しいという課題もある。
【0007】
また、上記▲2▼の液滴吐出ヘッドにあっても、上記▲1▼のヘッドと同様に、圧電体及び電極がインクに接触するので、同様の課題がある。加えて、インク吐出速度やインク吐出量を得るには振動板には大きな力を発生することが必要になり、そのために振動板をある程度厚くする必要があるが、振動板自体が圧電体で形成されているので、圧電体の厚さが厚くなり、その結果、圧電体に電圧を印加する電極の電極間隔が大きくなり、駆動に必要な電圧が大きくなってしまって、低電圧駆動化を図れないという課題もある。さらに、座屈構造体の下には各圧力室に対応する座屈構造体の間を仕切る柱が形成されていないので、圧力室(吐出室)やインク供給口を構成するためのスペーサを接合するときに、スペーサの圧力室の隔壁となる部分と座屈構造体の接合部には力がかからなく接合不良が生じるといった課題も生じる。
【0008】
さらに、上記▲3▼の液滴吐出ヘッドにあっては、側壁を吐出室内部に変形させると、隣接の吐出室の側壁は外部に変形するので、隣接ビットへのクロストークが生じるという課題がある。また、圧電体自体に溝を形成して吐出室を形成するので高密度の加工が困難で、高密度ヘッドの実現が困難である。更に、圧電体や電極がインクに接触するので、上記▲1▼、▲2▼同様の課題が生じる。
【0009】
本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、高密度化を図りつつ滴量を確保でき、高画質印字が可能な液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置、画像形成装置、液滴を吐出する装置を提供することを目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、電気機械変換素子によって吐出室の1つの壁面を構成する振動板を変形させて前記吐出室内の液に圧力を与えることによりノズル孔から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、前記ノズル孔を形成するノズル板に対して前記吐出室の垂直な壁面を形成する前記振動板の一端を吐出室底面側に設けられ、前記ノズル板に対向する位置に設けられた前記電気機械変換素子に固定し、前記電気機械変換素子の変位により前記振動板に前記振動板の板に対して垂直方向への変位を与えるとともに、前記振動板に対向する吐出室の壁面は前記電気機械変換素子には固定されない隔壁部である構成としたものである。
【0011】
ここで、振動板は無荷重状態で吐出室側に撓みを有しているが好ましい。また、隣接する吐出室を分離する液室隔壁と振動板との間に隙間を有していることが好ましい。
【0012】
また、振動板の一端は変位伝達部材を介して電気機械変換素子に固定され、前記隔壁部は前記変位伝達部材に固定されないことが好ましい。この場合、変位伝達部材は電気機械変換素子と接している面において該電気機械変換素子の面積よりも広いことが好ましい。あるいは、変位伝達部材は連結部材を介して前記電気機械変換素子の変位を受けることが好ましい。
【0013】
さらに、電気機械変換素子は吐出室の面を形成する可撓性部材内に設けられ、可撓性部材は電気機械変換素子の変位時に同方向に変位することが好ましい。
【0014】
本発明に係る液滴吐出ヘッドは、液体を供給するタンクと液滴吐出ヘッドとを一体化したタンク一体型液滴吐出ヘッドであって、液滴吐出ヘッドが本発明に係る液滴吐出ヘッドであるものである。
【0015】
本発明に係るインクジェット記録装置は、インク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。
本発明に係る画像形成装置、液滴を吐出する装置は、液滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたものである。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。図1は、本発明の液滴吐出ヘッドの第1実施形態に係るインクジェットヘッドの断面説明図である。このヘッドは、インク液滴を基板の面部に設けたノズル孔から吐出させるサイドシュータタイプの例を示すものである。
【0017】
このヘッドは、駆動ユニット部1と液室ユニット部2から構成されている。駆動ユニット部1は、チタン酸バリウム系セラミックなどのセラミック、ガラスエポキシ樹脂、アルミナ等の剛性材料からなる基板11上に、圧電素子12を配置し、この圧電素子12の周囲を取り囲むように可撓性部材13を接着剤によって接合している。
【0018】
ここで、圧電素子12としては、厚さ10〜50μm/1層のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料からなる圧電層と、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積層型圧電素子を用いている。そして、図示を省略するが、各圧電素子12の内部電極層は1層おきに左右の端面電極に接続し、基板11上に形成した共通電極及び個別電極の各パターンに導電性接着剤を介して接続している。
【0019】
これにより、圧電素子12は、駆動電圧を与えることによって、積層方向に電界が発生して、電界方向と同方向である積層方向に伸びの変位(d33方向の変位)が生起される。圧電体と電極を積層構造とすることで、電極間隔は小さくなり、そのため圧電素子12に働く電界を大きくすることができる。よって、駆動電圧を小さくできる、あるいは圧電素子12の変位量や発生力を大きくすることができる。
【0020】
可撓性部材13としては、吐出室内の液に対して耐腐食性を示す有機性材料が好ましく、有機性材料としては例えばポリイミド樹脂、ポリペンゾオキサゾール樹脂、サイトップ(旭硝子製品:商品名)、ドライフィルムレジスト(DFR)等が適用できる。
【0021】
一方、液室ユニット2は、吐出室21を形成するための液室隔壁部材(流路部材)22と、吐出室21に連通して液滴を吐出するノズル孔23を形成したノズル板24と、吐出室21の1つの壁面を形成する振動板25とを有している。
【0022】
この振動板25はノズル孔23を有する部材であるノズル板24に対して略垂直で、圧電素子12の変位方向と略平行に設け、振動板25の一端部(ここでは上端部)は液室隔壁部材22と一体に形成し、また、振動板25の他端部(ここでは下端部)には変位伝達部材26を一体に形成している。そして、振動板25は無荷重状態(圧電素子12からの変位力が与えられない状態)で図に示すように吐出室21側に所期撓みを持たせている(撓みがない位置を同図に破線で示している。)。また、振動板25と液室隔壁部材22(液室隔壁)で形成される液室隔壁22aとの間には隙間27を持たせている。なお、後述するように圧電素子12及び変位伝達部材26は液室隔壁部材22と固定されることのない構造にしているので、振動板25に対向する吐出室21の壁面は圧電素子21に固定されていない。
【0023】
この変位伝達部材26は、圧電素子12の変位を振動板25へ効率良く伝え、かつ吐出室21内の液の漏れを防ぐものであり、圧電素子12よりも面積が広く、吐出室21の底面を形成している可撓性部材13の表面にまで及んでいる大きさに形成している。なお、振動板25の変位伝達部材26と一体化している辺以外の辺は液室隔壁部材22と一体に設けている。
【0024】
ここで、上述したように、液室隔壁部材22、振動板25及び変位伝達部材26はそれぞれ吐出室21内の液の漏れ防止を効果的に行うために同一部材で継ぎ目が生じないよう一体加工で、つまり同一部材で形成している。ただし、これらの液室隔壁部材22、振動板25及び変位伝達部材26を一体形成する必要な必ずしもなく、吐出室21内の液の漏れ防止を十分考慮した各部材の接合、接着を行う構成でも良い。
【0025】
また、変位伝達部材26は直接液室隔壁部材22と固定されることのない構造にしている。変位伝達部材26を直接液室隔壁部材22に固定した場合、圧電素子12の変位は液室隔壁部材22に固定された変位伝達部材26の周辺部で規制され、効率良く振動板25に変位に与えることができなくなる。ただし、変位伝達効率は悪いが、圧電素子12の変位を振動板25へ伝えられることは言うまでもない。
【0026】
振動板25、変位伝達部材26と液室隔壁部材22の部材材料としては、シリコン等の半導体、Ni,SUS等の金属など剛性の高い材料が好ましい。更には吐出室21内の液に接する部位では耐腐食性を示す材料で覆うようにすることが好ましい。例えば、耐腐食性材料としては、有機性材料と無機材料があり、有機性材料としては、例えばポリイミド樹脂、ポリペンゾオキサゾール樹脂、サイトップ(旭硝子製品:商品名)、ドライフィルムレジスト(DFR)等が適用でき、無機材料としては、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、Ni膜、TiN膜等が適用できる。
【0027】
次に、このように構成したヘッドの作用について図2をも参照して説明する。先ず、図1に示すように、吐出室21内にインク(液体)4が充填されている状態において、圧電素子12に駆動パルスを印加することにより、基板11に固定されている圧電素子12は、変位伝達部材26を押し上げるように変形する。このとき、可撓性部材13へ固定されている変位伝達部材26は可撓性部材13の弾性係数に応じた変位をすることが可能である。
【0028】
そして、図2に示すように、変位伝達部材26が圧電素子12によって押し上げられることで、変位伝達部材26に固定又は変位伝達部材26と一体化している振動板25に変位が伝わり、振動板25に対して面内方向の力が与えられる。このとき、振動板25は予め吐出室21側への所期撓みを持たせているので、振動板25は同図の矢示方向である吐出室21側へ変形変位し、吐出室21内の容積が小さくなるに伴い、吐出室21上へ設けたノズル孔23から液滴(インク滴)5が吐出される。
【0029】
このように、振動板25が座屈変位するので面内方向の変位量が小さくても、面外方向に大きな変位量を発生させることができる。つまり、圧電素子12の変位量が小さくても、大きな振動板の変位を得ることができて、吐出効率が向上する。
【0030】
また、振動板25の片側のみにインクが存在するので、振動板両面にインクが存在するもののように液抵抗が大きく高周波駆動ができないといったことの問題も生じない。さらに、吐出室21の液室隔壁部材22は変位しないので隣接ビットへのクロストークも少なく、安定した滴吐出特性が得られる。
【0031】
さらに、この実施形態では、振動板25は無荷重状態で吐出室21側に撓みをもたせているので、吐出室21側への変形変位が規定でき、同じ圧電素子12の変位でも吐出室21内体積変化を大きくすることができる。
【0032】
ここで、振動板25の高さを60μmとして初期撓みを持たせたときの圧電素子12の変位量に対する振動板25の変位量の測定結果を図3に示している。同図から分かるように、圧電素子12の変位を一定にしても、振動板25の初期撓みを大きくするに従って振動板変位を大きくすることができる。また、一定の振動板25の変位を得る場合、振動板25の初期撓みを大きくしておくことで、圧電素子12の変位は小さな変位ですむことも分かる。
【0033】
また、振動板25に初期撓みがある場合、圧電素子12に正バイアスを印加して振動板25に力を加えると、振動板25を平坦になる方向に変位させることができる。よって、圧電素子12に正逆のバイアスを印加することによって、振動板25を押し引き両方に変位させることが可能となり、インク吐出量を可変にするなど高度な吐出量制御が可能となる。
【0034】
ここでは積層方向への伸びを有するd33方向の変位を利用した圧電素子12を用いたが、変位伝達部材26を振動板25側へ変位させるような駆動源であれば本発明の効果が得られることは言うまでもなく、圧電素子のd31方向の変位の他、例えば静電力、熱膨張、電磁力などによって振動板25に対して面内方向の力を与えるようにすることもできる。
【0035】
また、この実施形態は圧電素子のd33方向の変位で振動板面内方向に力を与えるものである。本実施形態においても電極と間隔は小さくなり、そのため圧電素子に働く電界を大きくすることができる。よって、駆動電圧を小さくできる、あるいは圧電素子の変位量や発生力を大きくすることができる。
【0036】
さらに、d33方向の変位を用いた場合にも、圧電素子の発生力は圧電素子の厚さdが大きいほうが大きくなる。振動板25の大きな変位量を得るためには圧電素子12の厚さdは振動板25の厚さよりも大きいことが好ましい。
【0037】
また、圧電素子のd31の変位或いはd33の変位を用いると、電圧を変えずに圧電素子12の厚さdを大きくでき、それに伴い発生力も大きくすることができる。圧電素子12の厚さは振動板25の厚さとは独立に選ぶことができ自由に設計することができる。
【0038】
さらに、この実施形態においては、振動板25と隣接する吐出室21と分離する液室隔壁22aとの間に隙間27を有しているので、吐出室21を複数並べたマルチノズルヘッドでも振動板25の変位は直接隔壁22aには伝わり難く、吐出室21の隔壁22aは変位しないので、隣接ビットへのクロストークが少なくなる。この液室隔壁22aと振動板25との間の隙間27は静電型インクジェットヘッドのようにインク吐出に直接作用する隙間ではないので、設計上許容範囲が広く、加工ばらつきの許容範囲も大きいため、ギャップを有していても生産性低下の問題は発生しない。
【0039】
また、圧電素子12と固定している振動板25の一端との間に変位伝達部材26を有しているので、圧電素子12の変位を効率良く振動板23へ伝えることができて、変位効率が向上する。さらに、圧電素子12及び圧電素子12に電圧を印加する電極と吐出室21内の液との間に変位伝達部材26を有しているので、インクによる圧電素子25や電極の侵食、あるいはインクに電流が流れることによるインクの変質による画像品質低下や析出物によるノズル孔のつまりを防止することができる。
【0040】
さらに、変位伝達部材26を圧電素子12と接している面において圧電素子12の面積よりも広く、吐出室21と直接固定していないので、インクによる圧電素子12や電極の侵食、あるいはインクに電流が流れることによるインクの変質による画像品質低下や析出物によるノズル孔のつまりを防止することができる。
【0041】
また、圧電素子12と固定している振動板25の一端もしくは変位伝達部材26は可撓性部材13を介して吐出室21と固定されているので、圧電素子21の変位を効率良く振動板25に伝えることができて、変位効率が向上する。
【0042】
次に、同第2実施形態及び第3実施形態に係るインクジェットヘッドについて図4ないし図6を参照して説明する。なお、図4は同ヘッドの平面説明図、図5は第2実施形態に係るヘッドのノズル並び方向の要部断面説明図、図6は第3実施形態に係るヘッドのノズル並び方向の要部断面説明図である。
【0043】
これらの各実施形態のヘッドは、基本的に上記第1実施形態のヘッドを複数個2列に並べたものであり、図5及び図6では隣接する3つのノズル孔23に相当する部分だけを図示している。
【0044】
ここで、図5に示す第2実施形態のヘッドでは単純に第1実施形態のヘッドを並べているのでノズル孔23のピッチ(ノズルピッチ)となる。これに対して、図6に示す第3実施形態のヘッドでは第1実施形態のヘッドの並べるときにノズルピッチを狭くしている。すなわち、第3実施形態のノズルピッチL2は第2実施形態のノズルピッチL1に対して(L1−L2)分だけ狭くなる。
【0045】
この場合、ノズルピッチを狭くするには、吐出室21、液室隔壁部材22の幅を狭くしなくてはならず、それに伴い、変位伝達部材26の幅も狭くなる。しかしながら、振動板25の高さとしてはノズルピッチの広い狭いにかかわらず、高さH1=H2にすることができる。また、振動板25の紙面に垂直方向の厚さ(幅)もノズルピッチには影響を与えない。
【0046】
そして、吐出室21から液滴を吐出させるのに必要な変位は主に振動板25の変位でもって行うので、振動板25の面積として高さH1=H2を保持できれば、ノズルピッチを(L1−L2)だけ狭くしたときでも、振動板25の面積は変わることなく維持することができる。
【0047】
すなわち、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、ノズルピッチを狭くして高密度化を図った場合でも、圧電素子12の変位を大幅に変えることなく安定した液滴吐出が可能になり、高密度化による高画質画像の記録が可能になる。
【0048】
次に、同第4実施形態に係るインクジェットヘッドについて図7を参照して説明する。
この実施形態は、可撓性部材13を変位伝達部材26と連結されるような範囲まで形成し、圧電素子12の変位伝達部材26との接合面積を変位伝達部材26の面積よりも小さくしている。
【0049】
すなわち、圧電素子12は吐出室21内の液体と接触すると漏電、腐食の問題が生じる。漏電、腐食対策としては、吐出室21内液体への耐腐食性を有しかつ絶縁性の高い材料で覆うことが要求される。ここでは、可撓性部材13を変位伝達部材26と連結されるような範囲まで形成し、圧電素子12の変位伝達部材26との接合面積を変位伝達部材26の面積よりも小さくする、つまり、変位伝達部材26の面積を圧電素子12の面積より広くした構成にすることで、圧電素子12は吐出室21内の液体と接触することがなくなり、漏電、腐食が防止され、信頼性が向上する。
【0050】
次に、同第5実施形態に係るインクジェットヘッドについて図8を参照して説明する。
この実施形態では、変位伝達部材26の面積を圧電素子12の面積より狭く形成して吐出室21の内容積を増大するとともに、圧電素子12を可撓性部材13内に埋め込んだ状態にし、さらに圧電素子12と変位伝達部材26とを連結する連結部材15を設け、この連結部材15の面積は変位伝達部材26の面積より狭くしている。
【0051】
すなわち、ノズルピッチを狭くしたような場合、吐出室の内容積はある程度確保する必要があるとともに、圧電素子12によって必要な変位量を得るためには圧電素子12の大きさも確保する必要がある。そこで、変位伝達部材26を圧電素子12より狭くしたような構成の場合、圧電素子12は吐出室21内の液体と接触することになり、前述したように漏電、腐食対策が必要になる。
【0052】
ここで、漏電、腐食対策としては吐出室21内液体への耐腐食性を有しかつ絶縁性の高い材料が要求される。本実施形態ではさらに可撓性部材13と同一材料の連結体15を用いている。吐出室21内液体への耐腐食性を有しかつ絶縁性の高い材料であれば可撓性部材13と連結体15とを同一材料にすることもないが、同一材料にすることで、線膨張係数差による材料の変形などを極力抑えることができる。
【0053】
したがって、このヘッドにおいては、可撓性部材13は変位伝達部材26と接続されており、変位伝達部材26と圧電素子12は連結体15をもって結合されているので、圧電素子12を変位させることによって連結体15を介して変位伝達部材26に変位が伝達され、振動板25に対して面内方向の力が与えられて、振動板25は吐出室21側に変形変位して液滴が吐出される。
【0054】
このように、ノズル孔ピッチ(ノズルピッチ)を狭くして高密度化を図った場合でも、ある程度の密度までは圧電素子の大きさを変えることなく対応することができ、圧電素子の特性を維持した状態で高密度化に対応でき、高い滴吐出特性が得られて、高画質画像を記録することができるようになる。
【0055】
次に、同第6実施形態に係るインクジェットヘッドについて図9及び図10を参照して説明する。なお、図9は同ヘッドの概略構成図、図10は図9のA−A線に沿う断面説明図である。この実施形態は、液滴を基板の面と垂直方向に設けたノズル孔から吐出させるエッジシュータタイプの例を示すものである。
【0056】
このヘッドは、駆動ユニット部31と液室ユニット部32から構成されている。駆動ユニット部31は、チタン酸バリウム系セラミックなどのセラミック、ガラスエポキシ樹脂、アルミナ等の剛性材料からなる基板41上に、圧電素子42を配置し、この圧電素子42の周囲を取り囲むように可撓性部材43を接着剤によって接合している。
【0057】
ここで、圧電素子42としては、厚さ10〜50μm/1層のチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料からなる圧電層と、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積層型圧電素子を用いている。そして、図示を省略するが、各圧電素子42の内部電極層は1層おきに左右の端面電極に接続し、基板41上に形成した共通電極及び個別電極の各パターンに導電性接着剤を介して接続している。
【0058】
これにより、圧電素子42は、駆動電圧を与えることによって、積層方向に電界が発生して、電界方向と同方向である積層方向に伸びの変位(d33方向の変位)が生起される。圧電体と電極を積層構造とすることで、電極間隔は小さくなり、そのため圧電素子42に働く電界を大きくすることができる。よって、駆動電圧を小さくできる、あるいは圧電素子42の変位量や発生力を大きくすることができる。
【0059】
可撓性部材43としては、吐出室内の液に対して耐腐食性を示す有機性材料が好ましく、有機性材料としては例えばポリイミド樹脂、ポリペンゾオキサゾール樹脂、サイトップ(旭硝子製品:商品名)、ドライフィルムレジスト(DFR)等が適用できる。
【0060】
一方、液室ユニット32は、吐出室51及びこの吐出室51に液体を供給するための流体抵抗部52並びに共通液室53を形成するための液室隔壁部材(流路部材)54と、これらの吐出室51、流体抵抗部52及び共通液室53を覆う蓋部材55と、吐出室51に連通して液滴を吐出するノズル孔56を形成したノズル板57と、吐出室51の1つの壁面を形成する振動板58とを有している。
【0061】
この振動板58はノズル孔56を有する部材であるノズル板57に対して略垂直で、圧電素子42の変位方向と略平行に設け、振動板58の一端部(ここでは上端部)は液室隔壁部材54と一体に形成し、また、振動板58の他端部(ここでは下端部)には変位伝達部材59を一体に形成している。そして、振動板58は無荷重状態(圧電素子42からの変位力が与えられない状態)で図に示すように吐出室51側に所期撓みを持たせている(撓みがない位置を同図に破線で示している。)。また、振動板58と液室隔壁部材54(液室隔壁)で形成される液室隔壁54aとの間には隙間60を持たせている。
【0062】
この変位伝達部材59は、圧電素子42の変位を振動板58へ効率良く伝え、かつ吐出室51内の液の漏れを防ぐものであり、圧電素子42よりも面積が広く可撓性部材43の表面にまで及んでいる大きさに形成している。なお、振動板58の変位伝達部材59と一体化している辺以外の辺は液室隔壁部材54と一体に設けている。
【0063】
ここで、上述したように、液室隔壁部材54、振動板58及び変位伝達部材59はそれぞれ吐出室51内の液の漏れ防止を効果的に行うために同一部材で継ぎ目が生じないよう一体加工で、つまり同一部材で形成している。ただし、これらの液室隔壁部材54、振動板58及び変位伝達部材59を一体形成する必要な必ずしもなく、吐出室51内の液の漏れ防止を十分考慮した各部材の接合、接着を行う構成でも良い。
【0064】
また、変位伝達部材59は直接液室隔壁部材54と固定されることのない構造にしている。変位伝達部材59を直接液室隔壁部材54に固定した場合、圧電素子42の変位は液室隔壁部材54に固定された変位伝達部材49の周辺部で規制され、効率良く振動板58に変位に与えることができなくなる。ただし、変位伝達効率は悪いが、圧電素子42の変位を振動板58へ伝えられることは言うまでもない。
【0065】
振動板58、変位伝達部材59と液室隔壁部材54の部材材料としては、シリコン等の半導体、Ni,SUS等の金属など剛性の高い材料が好ましい。更には吐出室21内の液に接する部位では耐腐食性を示す材料で覆うようにすることが好ましい。例えば、耐腐食性材料としては、有機性材料と無機材料があり、有機性材料としては、例えばポリイミド樹脂、ポリペンゾオキサゾール樹脂、サイトップ(旭硝子製品:商品名)、ドライフィルムレジスト(DFR)等が適用でき、無機材料としては、例えば、酸化シリコン膜、窒化シリコン膜、酸窒化シリコン膜、Ni膜、TiN膜等が適用できる。
【0066】
次に、このように構成したので、吐出室51内にインク(液体)64が充填されている状態において、圧電素子42に駆動パルスを印加することにより、基板41に固定されている圧電素子42は、変位伝達部材59を押し上げるように変形する。このとき、可撓性部材43へ固定されている変位伝達部材59は可撓性部材43の弾性係数に応じた変位をすることが可能である。
【0067】
そして、変位伝達部材59が圧電素子42によって押し上げられることで、変位伝達部材59に固定又は変位伝達部材59と一体化している振動板58に変位が伝わり、振動板58に対して面内方向の力が与えられる。このとき、振動板58は予め吐出室51側への所期撓みを持たせているので、振動板58は図9の矢示方向である吐出室51側へ変形変位し、吐出室51内の容積が小さくなるに伴い、吐出室51の前面に設けたノズル孔56から液滴(インク滴)65が吐出される。
【0068】
このように、エッジシュータであっても振動板58が座屈変位するので面内方向の変位量が小さくても、面外方向に大きな変位量を発生させることができる。つまり、圧電素子42の変位量が小さくても、大きな振動板の変位を得ることができて、吐出効率が向上する。
【0069】
また、振動板58の片側のみにインクが存在するので、振動板両面にインクが存在するもののように液抵抗が大きく高周波駆動ができないといったことの問題も生じない。さらに、吐出室51の液室隔壁部材54は変位しないので隣接ビットへのクロストークも少なく、安定した滴吐出特性が得られる。
【0070】
エッジシュータタイプの場合、液を吐出するためのノズル板57が変位伝達部材59の変方向と直交する方向に配置できるので、ノズル板57と接着されている液室隔壁部材54に伝わる力がノズル板57に伝わり難く、より安定した液滴吐出が得られる。なお、その他の作用効果は前記第1実施形態のヘッドと同様であるので説明を省略し、また、第2実施形態以降の実施形態も同様に適用することができる。
【0071】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを含むインクカートリッジ一体型ヘッドについて図11を参照して説明する。
このカートリッジ一体型ヘッド100は、ノズル孔101等を有する上記各実施形態のいずれかのインクジェットヘッド102と、このインクジェットヘッド102に対してインクを供給するインクタンク(インクカートリッジ)103とを一体化したものである。
【0072】
このようにインクタンク一体型のヘッドの場合、ヘッドの振動板の変位量が低電圧で得られ、信頼性が高いので、ヘッドに組み込まれたドライバも低電圧対応で良く、低コスト化につながり、インクカートリッジを含むヘッド全体の信頼性も高くなる。
【0073】
次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッド(インクカートリッジ一体型ヘッドを含む。)を搭載した液滴を吐出する装置を含む、画像形成装置としてのインクジェット記録装置の機構の一例について図12及び図13を参照して説明する。なお、図12は同記録装置の斜視説明図、図13は同記録装置の機構部の側面説明図である。
【0074】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体111の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部112等を収納し、装置本体111の下方部には前方側から多数枚の用紙113を積載可能な給紙カセット(或いは給紙トレイでもよい。)114を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙113を手差しで給紙するための手差しトレイ115を開倒することができ、給紙カセット114或いは手差しトレイ115から給送される用紙113を取り込み、印字機構部112によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ116に排紙する。
【0075】
印字機構部112は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド121と従ガイドロッド122とでキャリッジ123を主走査方向(図13で紙面垂直方向)に摺動自在に保持し、このキャリッジ123にはイエロー(Y)、シアン(C)、マゼンタ(M)、ブラック(Bk)の各色のインク滴を吐出する本発明に係る液滴吐出ヘッドであるインクジェットヘッドからなるヘッド124を複数のインク吐出口を主走査方向と交叉する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ123にはヘッド124に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ125を交換可能に装着している。
【0076】
インクカートリッジ125は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
【0077】
また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド124を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する1個のヘッドでもよい。
【0078】
ここで、キャリッジ123は後方側(用紙搬送方向下流側)を主ガイドロッド121に摺動自在に嵌装し、前方側(用紙搬送方向上流側)を従ガイドロッド122に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ123を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ127で回転駆動される駆動プーリ128と従動プーリ129との間にタイミングベルト130を張装し、このタイミングベルト130をキャリッジ123に固定しており、主走査モーター127の正逆回転によりキャリッジ123が往復駆動される。
【0079】
一方、給紙カセット114にセットした用紙113をヘッド124の下方側に搬送するために、給紙カセット114から用紙113を分離給装する給紙ローラ131及びフリクションパッド132と、用紙113を案内するガイド部材133と、給紙された用紙113を反転させて搬送する搬送ローラ134と、この搬送ローラ134の周面に押し付けられる搬送コロ135及び搬送ローラ134からの用紙113の送り出し角度を規定する先端コロ136とを設けている。搬送ローラ134は副走査モータ137によってギヤ列を介して回転駆動される。
【0080】
そして、キャリッジ123の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ134から送り出された用紙113を記録ヘッド124の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材139を設けている。この印写受け部材139の用紙搬送方向下流側には、用紙113を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ141、拍車142を設け、さらに用紙113を排紙トレイ116に送り出す排紙ローラ143及び拍車144と、排紙経路を形成するガイド部材145,146とを配設している。
【0081】
記録時には、キャリッジ123を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド124を駆動することにより、停止している用紙113にインクを吐出して1行分を記録し、用紙113を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙113の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙113を排紙する。この場合、ヘッド124を構成する本発明に係るインクジェットヘッドはインク滴噴射の制御性が向上し、特性変動が抑制されているので、安定して高い画像品質の画像を記録することができる。
【0082】
また、キャリッジ123の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド124の吐出不良を回復するための回復装置147を配置している。回復装置147はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ123は印字待機中にはこの回復装置147側に移動されてキャッピング手段でヘッド124をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【0083】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド124の吐出口(ノズル)を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜(不図示)に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【0084】
このように、このインクジェット記録装置においては本発明を実施したインクジェットヘッドを搭載しているので、高周波駆動でインク滴を吐出できて印字速度の高速化を図れ、またクロストークも少ないので高品質の記録を行うことができる。さらに、低電圧で駆動できるヘッドを搭載するので、インクジェット記録装置全体の消費電力も低減できる。
【0085】
なお、上記実施形態においては、液滴吐出ヘッドとしてインクジェットヘッドに適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッドとして、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
【0086】
また、記録装置が記録できる記録媒体の最大幅に対応した長さを有するフルライン型の液滴吐出ヘッドに対しても本発明は有効に適用出来る。そのようなフルライン型の液滴吐出ヘッドとしては、一体的に形成された1個の液滴吐出ヘッドとしての構成や、複数個の液滴吐出ヘッドの組み合わせによってその長さを満たす構成のいずれでもよい。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置及び液滴を吐出する装置にも本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えることができる。
【0087】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、ノズル板に対して吐出室の垂直な壁面を形成する振動板の一端を吐出室底面側に設けられた電気機械変換素子に固定し、電気機械変換素子の変位により振動板に振動板の垂直方向への変位を与えるとともに、振動板に対向する吐出室の壁面は電気機械変換素子には固定されない隔壁部である構成としたので、高密度化を図りつつ安定した滴吐出特性が得られ、また、高周波駆動が可能で、隣接ビットへのクロストークも少なくなる。
【0088】
本発明に係るインクジェット記録装置によれば、インク滴を吐出するインクジェットヘッドとして本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、安定したインク滴吐出動作が得られ、高密度記録による高画質化を図ることができる。本発明に係る画像形成装置、液滴を吐出する装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えたので、安定した滴吐出動作が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の液滴吐出ヘッドの第1実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成説明図
【図2】同ヘッドの作用説明に供する説明図
【図3】圧電素子の面内方向変位量に対する振動板の面外方向変位量の関係の一例を示す説明図
【図4】同第2実施形態に係るインクジェットヘッドの平面説明図
【図5】同ヘッドの概略構成説明図
【図6】同第3実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成説明図
【図7】同第4実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成説明図
【図8】同第5実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成説明図
【図9】同第6実施形態に係るインクジェットヘッドの概略構成説明図
【図10】図9のA−A線に沿う断面説明図
【図11】本発明に係る液滴吐出ヘッドを含むインクカートリッジ一体型ヘッドの説明に供する斜視説明図
【図12】本発明に係るインクジェット記録装置の一例を説明する斜視説明図
【図13】同記録装置の機構部の説明図
【符号の説明】
1…駆動ユニット、2…液室ユニット、11…基板、12…圧電素子、13…可撓性部材、21…吐出室、22…液室隔壁部材、23…ノズル、24…ノズル板、25…振動板、26…変位伝達部材、27…隙間。

Claims (11)

  1. 電気機械変換素子によって吐出室の1つの壁面を構成する振動板を変形させて前記吐出室内の液に圧力を与えることによりノズル孔から液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
    前記ノズル孔を形成するノズル板に対して前記吐出室の垂直な壁面を形成する前記振動板の一端を吐出室底面側に設けられ、前記ノズル板に対向する位置に設けられた前記電気機械変換素子に固定し、前記電気機械変換素子の変位により前記振動板に前記振動板の板に対して垂直方向への変位を与えるとともに、
    前記振動板に対向する吐出室の壁面は前記電気機械変換素子には固定されない隔壁部である
    ことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  2. 請求項1に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板は無荷重状態で前記吐出室側に撓みを有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  3. 請求項1又は2に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、隣接する吐出室を分離する液室隔壁と前記振動板との間に隙間を有していることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  4. 請求項1ないし3のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板の一端は変位伝達部材を介して電気機械変換素子に固定され、前記隔壁部は前記変位伝達部材に固定されないことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  5. 請求項4に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記変位伝達部材は前記電気機械変換素子と接している面において該電気機械変換素子の面積よりも広いことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  6. 請求項4に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記変位伝達部材は連結部材を介して前記電気機械変換素子の変位を受けることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  7. 請求項1ないし6のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、前記電気機械変換素子は前記吐出室の底面を形成する可撓性部材内に設けられ、前記可撓性部材は前記電気機械変換素子の変位時に同方向に変位することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  8. 液体を供給するタンクと液滴吐出ヘッドとを一体化したタンク一体型液滴吐出ヘッドにおいて、前記液滴吐出ヘッドが請求項1ないし7のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
  9. インク滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項1ないし8のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とするインクジェット記録装置。
  10. 液滴吐出ヘッドを備えて画像を形成する画像形成装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項1ないし8のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする画像形成装置。
  11. 液滴吐出ヘッドから液滴を吐出する装置において、前記液滴吐出ヘッドが請求項1ないし8のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドであることを特徴とする液滴を吐出する装置。
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