JP4394973B2 - 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関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プリンタ／ファックス／複写機の複合機等の画像形成装置として、例えばインクジェット記録装置が知られている。インクジェット記録装置は、記録ヘッドから被記録媒体（用紙、記録媒体、記録紙などとも称される。）に記録液の液滴を吐出して画像形成（記録、印字、印刷、印写も同義で使用する。）を行うものであり、高精細な画像を高速で記録することができ、ランニングコストが安く、騒音が少なく、しかも、多色のインクを使用してカラー画像を記録するのが容易であるなどの利点を有している。

このようなインクジェット記録装置において用いる液滴吐出ヘッドとして、一般的に、液滴であるインク滴を吐出するノズル毎に独立した圧力室に連通しており、この圧力室内部で圧力を発生させ、内部のインクをノズルから吐出する。そして、各々の圧力室にはインク供給路を介して共通液室が連通しており、外部のインク供給口から共通液室に供給されたインクを各々の圧力室へ分配するようにしている。

ここで、例えば積層型圧電素子を用いる液滴吐出ヘッドにおいては、特許文献１、２に記載されているように、圧電素子の変位を圧力室へ伝えるための振動板と、圧力室をチャネル単位で仕切るための隔壁や共通液室から圧力室への供給路となる流体抵抗部を形成する流路板と、ノズルが形成されたノズル板の３部品によって圧力室を構成している。
特開２００３−２３７０６５号公報 特開２００３−３３４９５１号公報

ここで、流路板は流路を仕切る隔壁部分のアスペクト比が大きく、更には加工精度もきわめて高精度なものが要求されることから、シリコン基板の異方性エッチングを用いて製作されている。

しかしながら、流路板にシリコン基板を用いた場合、圧力室からノズルへの連通部分でシリコン基板を貫通加工する必要がある。この貫通加工にはＩＣＰ（インダクタンス結合型プラズマ）エッチング装置などの高密なプラズマを発生させることができる非常に高価なエッチング装置が必要である。

また、異方性エッチングに用いるシリコン基板は面方位が（１１０）のものが圧力室の高密度配置には適しているが、通常のＩＣなどに使われる面方位が（１００）や（１１１）などの基板に比べると生産量が少なく、高価である。

そのため、シリコン基板を用いた流路板はヘッドを構成する他の部品に比べて高コストとなり、ヘッドの高コスト化を招いてい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、低コストの液滴吐出ヘッド及びこの液滴吐出ヘッドを備えた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、本発明に係る液滴吐出ヘッドは、圧力室間の隔壁と振動板とは同一の金属部材で一体に形成され、圧力室と共通液室とは振動板が形成された振動板部材の異なる面に形成されるとともに振動板部材に形成された液体供給口によって連通し、振動板部材の圧力室が形成された面と同じ面に空気室を有し、空気室が振動板部材を挟んで共通液室と対向している構成とした。

ここで、共通液室と圧力室との間の液体供給口にはノズルよりも小さい開口面積を有する複数の供給孔が配置されている構成とできる。また、圧力室の振動板と対向する側には振動板とは別の部材が設けられ、この別の部材に設けた連通路を介してノズルと圧力室が連通している構成とできる。

また、金属部材は電鋳によって連続的に形成されたＮｉ又はＮｉを含む部材である構成とできる。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えている構成とした。

本発明に係る液滴吐出ヘッドによれば、圧力室間の隔壁と振動板とは同一の金属部材で一体に形成され、圧力室と共通液室とは振動板が形成された振動板部材の異なる面に形成されるとともに振動板部材に形成された液体供給口によって連通し、振動板部材の圧力室が形成された面と同じ面に空気室を有し、空気室が振動板部材を挟んで共通液室と対向している構成としたので、低コストの製造工程を用いることができてヘッドの低コスト化を図ることができる。

本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えているので、装置全体の低コスト化を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る液滴吐出ヘッドの第１実施形態について図１及び図２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は同ヘッドの流路部分の模式的拡大説明図である。

この液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル１と、ノズル１が連通する圧力室２と、圧力室２の一部の壁面を形成する振動板３と、この振動板３を介して圧力室２内の液体を加圧するための駆動手段としての積層型圧電素子４と、複数の圧力室２に記録液であるインクを液体供給路６及び液体供給口７を介して供給するための共通液室８と、この共通液室８に外部からインクを供給する供給口９などを有している。

ノズル１はノズル板１１に直線状に２列に並べて形成されている。このノズル板１１は例えばＮｉ電鋳などで形成したものを用いているが、これに限るものではない。

個々の圧力室６は隔壁１２によって各チャンネル単位で仕切られている。この隔壁１２及び振動板３は同一の金属部材である振動板部材１３によって一体に形成している。なお、振動板３は振動板部材１３によって形成した変形可能部分である。この振動板部材１３には流体抵抗６ａを含む液体供給路６となる凹部、液体供給口７となる開口を形成するとともに、この動板部材１３によって共通液室８の１つの壁面も形成している。

これにより、共通液室８に外部から供給された記録液であるインクは、液体供給口７及び液体供給路６を通じて圧力室２に供給され、振動板３を介して圧電素子４の変位によって圧力室２内が加圧されることによってノズル１から液滴が吐出される。

圧電素子４はノズル２の列に対応するようにベース１４上に接合配置している。なお、圧電素子４は具体的には２つの圧電素子部材をノズル１の各々に対応するように溝１５を形成することで櫛歯状に溝加工して形成している。この圧電素子４には駆動信号を与えるためのＦＰＣ１６が接続される。

共通液室８はフレーム部材２０に形成し、このフレーム部材２０には外部の液体供給手段、例えばインクカートリッジやサブタンクからインクを供給するための供給口９を形成し、また、上述した圧電素子４、ベース１４及びＦＰＣ１６を含む圧電ユニットを収納するための開口部２１を形成している。さらに、フレーム部材２０には振動板部材１３の周縁部を接合している。

この共通液室８の一面は前述したように振動板部材１３で形成され、この振動板部材１３の面外側、つまり振動板部材１３とノズル板１１との間には共通液室８に対応する部分に空気室２２を形成している。この空気室２２により共通液室８内のコンプライアンスを増加させることができ、安定吐出が可能となる。この空気室２２は振動板部材１３上に圧力室などの流路と同様の方法で形成することによって、部品数や工程の増加なく空気室２２を形成することができる。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいては、圧力室間の隔壁と振動板とは同一の金属部材である振動板部材で一体に形成されているので、次に述べるような低コストの製造工程を用いることができてヘッドの低コスト化を図ることができる。

そこで、このヘッドにおける振動板部材１３の製造工程について図３を参照して説明する。
図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１上に液体供給口７など貫通形状となる部分に通常のフォトリソグラフィー工法を用いて厚さ４μｍのマスクパターン３２を形成する。次に、同図（ｂ）に示すように、エレクトロフォーミング工法を用いてＮｉ膜３３を厚さ約３μｍに成膜する。

次いで、同図（ｃ）に示すように、圧力室２や貫通形状となる部分に再度通常のフォトリソグラフィー工法を用いて膜厚６５μｍのマスクパターン３４を形成する。そして、同図（ｄ）に示すように、再度エレクトロフォーミング工法を用いてＮｉ膜を厚さ約６０μｍに成膜する。

その後、同図（ｅ）に示すように、レジストパターン３４を除去し、同図（ｆ）に示すように、Ｎｉ膜を基板３１から剥離して振動板部材１３を得る。

この工法では、振動板３と圧力室２、流体抵抗６ａなどを一つの部品として形成することができる。そして、パターンはフォトリソグラフィーで作成するため、非常に高精度に形成することができ、シリコンの異方性エッチングなどを用いることなく高精度の加工を行うことができる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態について図４及び図５を参照して説明する。なお、図４は同ヘッドの分解斜視説明図、図５は同ヘッドの流路部分の模式的拡大説明図である。
この液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル１と、ノズル１が連通するノズル連通路４１を介して連通する圧力室２と、圧力室２の一部の壁面を形成する振動板３と、この振動板３を介して圧力室２内の液体を加圧するための駆動手段としての積層型圧電素子４と、複数の圧力室２に記録液であるインクを液体供給路６及び液体供給口７を介して供給するための共通液室８と、この共通液室８に外部からインクを供給する供給口９などを有している。

ノズル１はノズル板１１に直線状に２列に並べて形成されている。このノズル板１１は例えばＮｉ電鋳などで形成したものを用いているが、これに限るものではない。

個々の圧力室６は隔壁１２によって各チャンネル単位で仕切られている。この隔壁１２及び振動板３は同一の金属部材である振動板部材１３によって一体に形成している。なお、振動板３は振動板部材１３によって形成した変形可能部分である。この振動板部材１３には液体供給路６となる凹部、液体供給口７となる開口を形成するとともに、この動板部材１３によって共通液室８の１つの壁面も形成している。

振動板部材１３とノズル板１１との間にはノズル連通路４１を形成する連通板４２を設けている。この連通板４２は隔壁１２や流体抵抗などの高アスペクトでかつ高精度が要求されるパターンが無いため、金属板をプレスやウェットエッチング加工などすることにより容易に製造することができる。

このヘッドにおいては、共通液室８に外部から供給された記録液であるインクは、液体供給口７及び液体供給路６を通じて圧力室２に供給され、振動板３を介して圧電素子４の変位によって圧力室２内が加圧されることによってノズル連通路４１を介してノズル１から液滴が吐出される。

圧電素子４はノズル２の列に対応するようにベース１４上に接合配置している。なお、圧電素子４は具体的には２つの圧電素子部材をノズル１の各々に対応するように溝１５を形成することで櫛歯状に溝加工して形成している。この圧電素子４には駆動信号を与えるためのＦＰＣ１６が接続される。

共通液室８はフレーム部材２０に形成し、このフレーム部材２０には外部の液体供給手段、例えばインクカートリッジやサブタンクからインクを供給するための供給口９を形成し、また、上述した圧電素子４、ベース１４及びＦＰＣ１６を含む圧電ユニットを収納するための開口部２１を形成している。さらに、フレーム部材２０には振動板部材１３の周縁部を接合している。

この共通液室８の一面は前述したように振動板部材１３で形成され、この振動板部材１３の面外側、つまり振動板部材１３とノズル板１１との間には共通液室８に対応する部分に空気室２２を形成している。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいても、圧力室間の隔壁と振動板とは同一の金属部材である振動板部材で一体に形成されているので、低コストの製造工程を用いることができてヘッドの低コスト化を図ることができ、更に、ノズル連通路を形成する場合でも、個別流路形成のための専用の部材を用いていないので、部品点数の削減による低コスト化を図れる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドの第３実施形態について図６を参照して説明する。なお、図６は同ヘッドの流路部分の模式的拡大説明図である。
この液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル１と、ノズル１が連通するノズル連通路４１を介して連通する圧力室２と、圧力室２の一部の壁面を形成する振動板３と、この振動板３を介して圧力室２内の液体を加圧するための駆動手段としての積層型圧電素子４と、複数の圧力室２に記録液であるインクを液体供給路６及び液体供給口７を介して供給するための共通液室８と、この共通液室８に外部からインクを供給する供給口９などを有している。

ノズル１はノズル板１１に直線状に２列に並べて形成されている。このノズル板１１は例えばＮｉ電鋳などで形成したものを用いているが、これに限るものではない。

個々の圧力室６は隔壁１２によって各チャンネル単位で仕切られている。この隔壁１２及び振動板３は同一の金属部材である振動板部材１３によって一体に形成している。なお、振動板３は振動板部材１３によって形成した変形可能部分である。

この振動板部材１３には流体抵抗６ａを含む液体供給路６となる凹部、液体供給口７を形成するとともに、この動板部材１３によって共通液室８の１つの壁面も形成している。そして、ここでは、振動板部材１３に形成する液体供給口７はノズル１よりも開口面積が小さい多数の供給孔７ａの集合で形成している。これにより、この液体供給口７の個々の供給孔７ａはノズル１よりも開口断面積が小さいのでフィルタとして機能し、ノズル１の目詰まりを生じるようなゴミなど不純物が圧力室２へ侵入することを防止できる。

振動板部材１３とノズル板１１との間にはノズル連通路４１を形成する連通板４２を設けている。この連通板４２は隔壁１２や流体抵抗６ａなどの高アスペクトでかつ高精度が要求されるパターンが無いため、金属板をプレスやウェットエッチング加工などすることにより容易に製造することができる。

このヘッドにおいては、共通液室８に外部から供給された記録液であるインクは、液体供給口７及び液体供給路６を通じて圧力室２に供給され、振動板３を介して圧電素子４の変位によって圧力室２内が加圧されることによってノズル連通路４１を介してノズル１から液滴が吐出される。

圧電素子４はノズル２の列に対応するようにベース１４上に接合配置している。なお、圧電素子４は具体的には２つの圧電素子部材をノズル１の各々に対応するように溝１５を形成することで櫛歯状に溝加工して形成している。この圧電素子４には駆動信号を与えるためのＦＰＣ１６が接続される。

共通液室８はフレーム部材２０に形成し、このフレーム部材２０には外部の液体供給手段、例えばインクカートリッジやサブタンクからインクを供給するための供給口９を形成し、また、上述した圧電素子４、ベース１４及びＦＰＣ１６を含む圧電ユニットを収納するための開口部２１を形成している。さらに、フレーム部材２０には振動板部材１３の周縁部を接合している。

この共通液室８の一面は前述したように振動板部材１３で形成され、この振動板部材１３の面外側、つまり振動板部材１３とノズル板１１との間には共通液室８に対応する部分に空気室２２を形成している。

このように、この液滴吐出ヘッドにおいても、圧力室間の隔壁と振動板とは同一の金属部材である振動板部材で一体に形成されているので、低コストの製造工程を用いることができてヘッドの低コスト化を図ることができ、更に、ノズル連通路を形成する場合でも、個別流路形成のための専用の部材を用いていないので、部品点数の削減による低コスト化を図れる。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えた本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置について図７及び図８を参照して説明する。なお、図７は同画像形成装置の機構部の全体構成を説明する構成図、図８は同装置の要部平面説明図である。

この画像形成装置は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材であるガイドロッド１０１とステー１０２とでキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持し、主走査モータ１０４に取り付けたプーリ１０６ａと他方側に配置したプーリ１０６ｂとの間にタイミングベルト１０５にキャリッジ１０３を取り付けて、主走査モータ１０４でタイミングベルト１０５を介してキャリッジ１０３をキャリッジ主走査方向に移動走査する。

このキャリッジ１０３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４個のインクジェットヘッドからなる記録ヘッド１０７を複数の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１０３には、記録ヘッド１０７に各色のインクを供給するための各色のサブタンク１０８を搭載している。このサブタンク１０８には図示しないインク供給チューブを介してメインタンク（インクカートリッジ）からインクが補充供給される。

一方、給紙カセット１１０などの用紙積載部（圧板）１１１上に積載した用紙１１２を給紙するための給紙部として、用紙積載部１１１から用紙１１２を１枚づつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）１１３及び給紙コロ１１３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド１１４を備え、この分離パッド１１４は給紙コロ１１３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１１２を記録ヘッド１０７の下方側で搬送するための搬送部として、用紙１１２を静電吸着して搬送するための搬送ベルト１２１と、給紙部からガイド１１５を介して送られる用紙１１２を搬送ベルト１２１との間で挟んで搬送するためのカウンタローラ１２２と、略鉛直上方に送られる用紙１１２を略９０°方向転換させて搬送ベルト１２１上に倣わせるための搬送ガイド１２３と、押さえ部材１２４で搬送ベルト１２１側に付勢された先端加圧コロ１２５とを備えている。また、搬送ベルト１２１表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ１２６を備えている。

ここで、搬送ベルト１２１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８との間に掛け渡されて、副走査モータ１３１からタイミングベルト１３２及びタイミングローラ１３３を介して搬送ローラ１２７が回転されることで、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。

この搬送ベルト１２１は、抵抗制御を行っていない純粋な厚さ４０μｍ程度の樹脂材、例えばＥＴＦＥピュア材で形成した用紙吸着面となる表層２１ａと、この表層と同材質でカーボンによる抵抗制御を行った裏層（中抵抗層、アース層）とを有している。

帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１の表層に接触し、搬送ベルト２１の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各２．５Ｎをかけている。また、搬送ローラ１２７はアースローラの役目も担っており、搬送ベルト１２１の中抵抗層（裏層）と接触配置され接地している。

また、搬送ベルト２１の裏側には、記録ヘッド１０７による印写領域に対応してガイド部材１３６を配置している。このガイド部材１３６は、上面が搬送ベルト１２１を支持する２つのローラ（搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８）の接線よりも記録ヘッド１０７側に突出している。これにより、搬送ベルト１２１は印写領域ではガイド部材１３６の上面にて押し上げられてガイドされる。

さらに、記録ヘッド１０７で記録された用紙１１２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２１から用紙１１２を分離するための分離部と、排紙ローラ１４２及び排紙コロ１４３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１４４とを備えている。また、背部には両面給紙ユニット１５１が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５１は搬送ベルト１２１の逆方向回転で戻される用紙１１２を取り込んで反転させて再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙する。

このように構成した画像形成装置においては、給紙部から用紙１１２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１２はガイド１１５で案内され、搬送ベルト１２１とカウンタローラ１２２との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド１２３で案内されて先端加圧コロ１２５で搬送ベルト１２１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、図示しない制御回路によって高圧電源から帯電ローラ１２６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１２１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１２１上に用紙１１２が給送されることで、用紙１１２が搬送ベルト１２１に静電的に吸着され、搬送ベルト１２１の周回移動によって用紙１１２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ１０３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０７を駆動することにより、停止している用紙１１２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙１１２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１１２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１２を排紙トレイ１４４に排紙する。

このように、この画像形成装置は本発明に係る液滴吐出ヘッドを備えている低コスト化を図ることができる。

なお、ここではインクジェット記録装置としての画像形成装置について説明しているが、これに限るものではない。インク等の液体の付与が行われる被記録媒体としては、各種の紙やＯＨＰシート、コンパクトディスクや装飾板等に用いられるプラスチック材、布帛、アルミニウムや銅等の金属材、牛皮、豚皮、人工皮革等の皮革材、木、合板等の木材、竹材、タイル等のセラミックス材、スポンジ等の三次元構造体等を用いることができる。
対象とすることができる。

また、画像形成装置には、各種の紙やＯＨＰシート等に対して記録を行うプリンタ装置、コンパクトディスク等のプラスチック材に記録を行うプラスチック用記録装置、金属板に記録を行う金属用記録装置、皮革に記録を行う皮革用記録装置、木材に記録を行う木材用記録装置、セラミックス材に記録を行うセラミックス用記録装置、スポンジ等の三次元網状構造体に対して記録を行う記録装置、または布帛に記録を行う捺染装置等をも含むものである。

本発明に係る液滴吐出ヘッドの第１実施形態を説明する分解斜視説明図である。 同じく流路部分の拡大模式的斜視説明図である。 同じく振動板部材の製造工程の説明に供する断面説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第２実施形態を説明する分解斜視説明図である。 同じく流路部分の拡大模式的斜視説明図である。 本発明に係る液滴吐出ヘッドの第３実施形態の流路部分の拡大模式的斜視説明図である。 本発明に係る画像形成装置の機構部の一例を示す全体構成図である。 同画像形成装置の要部平面説明図である。

符号の説明

１…ノズル
２…圧力室
３…振動板
４…圧電素子
６…液体供給路
６ａ…流体抵抗
７…液体供給口
７ａ…供給孔
８…共通液室
１１…ノズル板
１２…圧力室間の隔壁
１３…振動板部材
２１…フレーム部材
２２…空気室
１０７…記録ヘッド

Claims (5)

1. 液滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室の少なくとも一部の壁面を形成する振動板と、この振動板を介して前記圧力室内の液体を加圧するための駆動手段と、複数の前記圧力室に液体を供給するための共通液室を備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記圧力室間の隔壁と前記振動板とは同一の金属部材で一体に形成され、
   前記圧力室と前記共通液室とは前記振動板が形成された振動板部材の異なる面に形成されるとともに前記振動板部材に形成された液体供給口によって連通し、
   前記振動板部材の前記圧力室が形成された面と同じ面に空気室を有し、
   前記空気室が振動板部材を挟んで共通液室と対向している
   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、前記共通液室と圧力室との間の液体供給口には前記ノズルよりも小さい開口面積を有する複数の供給孔が配置され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、前記圧力室の前記振動板と対向する側には前記振動板とは別の部材が設けられ、この別の部材に設けた連通路を介して前記ノズルと前記圧力室が連通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、前記金属部材は電鋳によって連続的に形成されたＮｉ又はＮｉを含む部材であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 記録液の液滴を吐出して被記録媒体に画像を形成する画像形成装置において、請求項１ないし４のいずれかに記載の液滴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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