JP5085272B2 - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は液体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、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば、記録液（液体）の液滴を吐出する液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッドを含む液体吐出装置を用いて、媒体（以下「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、また、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。）を搬送しながら、液体としての記録液（以下、インクともいう。）を用紙に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる。）を行なうものがある。

なお、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し、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をも意味する。また、液体とは記録液、インクに限るものではなく、画像形成を行うことができる液体であれば特に限定されるものではない。また、液体吐出装置とは、液体吐出から液体を吐出する装置を意味する。

このような液体吐出装置、画像形成装置で使用される液体吐出ヘッドとして、従来、特許文献１に記載されているように、ノズル部材と流路部材とを別部材として熱拡散法によって接合するものがある。
特開平３−２８６８７０号公報

一方、特許文献２ないし４に記載されているように、電鋳法（電析）などを用いてノズル部材と流路部材を一体形成するものもある。
特開平１０−１６２１５号公報 特開２０００−２１８７９２号公報 特開平１１−１７９９０８号公報

その他、電鋳法によるヘッド部品の形成に関して、特許文献５には、Ｎｉ電鋳で振動板を形成し、Ｎｉ結晶体中の結晶格子面（１１１）及び（１００）を（１１１）≧（１００）の関係にすることが、特許文献６にはノズル部材をＮｉ電鋳で形成することが記載されている。
特開平０９−３００６３５号公報 特開平０８−１４２３３４号公報

しかしながら、上述した特許文献１に記載のように、ノズル部材と流路部材とを別部材として接合する場合、ノズル部材の板厚が薄くハンドリング性が悪く、また電析応力によるノズル部材の変形が生じ易く、大面積の接合を行う工程が容易でないうえ、接合位置合わせ、拡散接合等の工程が複雑になり、ノズルと液室の位置合わせ精度が悪いと滴吐出方向のずれなどが生じるという課題がある。

特に、高解像度が要求されるなか、ヘッドの１インチ当りのドットにおける高密度化が進んでおり、高密度化が進むに伴って接着剤による接合が難しくなり、安定して接着剤を塗ることは不可能に近く、仮に接着剤を塗れたとしても接合強度という面で非常に弱くなってしまうという課題がある。

これに対して、特許文献２などに記載されているように、ノズル部材と流路部材を電鋳で一体形成するものにあっては、上述したノズル部材と流路部材の接合構成に伴う課題は解消されるものの、部材の剛性や強度、加工時間、液体流動性に関る部材の表面性への対応が考慮されていない。

例えば、ノズル部材は液体の流体抵抗を小さくするため、液体入り口側の形状はラウンド形状が適している。また、ノズル内壁面の微小な凹凸や異物はメニスカス形成のばらつきを引き起こし滴吐出方向のズレの原因となる。さらに、吐出時の液体圧力によるノズル部材の振動、変形、あるいは媒体との接触等の外力による変形等が生じないよう剛性が要求される。また、流路部材についても、効率的に液室内の圧力を変化させるためには液体圧力に耐え得る剛性が必要である。

ところが、上述したノズル部材と流路部材とを一体形成したものにあっては、このような部材の剛性や強度、加工時間、液体流動性に関る部材の表面性への対応が考慮されていないため、滴吐出効率、滴吐出性能の安定性が十分でないという課題がある。

また、液室と各液室へ液体を供給する共通流路との間に液室よりも流体抵抗の大きい流体抵抗部を形成する流体抵抗部材と流路部材とを一体形成したり、あるいは、共通流路から液室までの間に配置される異物を捕捉するフィルタ部を形成するフィルタ部材と流路部材とを一体形成したり、振動板部材と流路部材とを一体形成したりすることもできる。このような薄層部材(ノズル部材、流体抵抗部材、フィルタ部材、振動板部材などの流路部材よりも厚みの薄い部材)と流路部材とを一体形成した場合、薄層部材の剛性が十分に得られないという課題がある。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、流路部材と薄層部材を略同一組成の金属材料で形成する場合に薄層部材に十分な剛性が得られるようにして、滴吐出効率の向上、滴吐出性能の安定性の向上を図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、
液体を吐出する複数のノズルを有するノズル部材と、各ノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記ノズル部材と前記流路部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、前記ノズル部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
構成とした。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出する複数のノズルを有するノズル部材と、各ノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、複数の前記液室に液体を供給する共通流路と前記各液室との間に設けられる流体抵抗部を形成する流体抵抗部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記流体抵抗部材と前記流路部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、前記流体抵抗部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
構成とした。

本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液体を吐出する複数のノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記流路部材と一体に形成された前記流路部材よりも厚さの薄い薄層部材を有し、
前記流路部材と前記薄層部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、
前記薄層部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
構成とした。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えたものである。

本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上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、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高い滴吐出効率で、安定した滴吐出特性で液滴を吐出して画像を形成することができる。

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。まず、本発明に係る液体吐出ヘッドの第１実施形態について図１を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂを一体形成したノズル流路板１と、このノズル流路板１の下面に接合した振動板３とを有し、これらによって液滴を吐出するノズル４が連通する液室６、流体抵抗部７、この流体抵抗部７を介して液室６と連通する連通部８を形成し、連通部８に振動板３に形成した供給口９を介して後述するフレーム部材１７に形成した共通液室１０から記録液（例えばインク）を供給する。

そして、液室６の壁面を形成する振動板３の面外側（液室６と反対面側）に、各液室６に対応して、振動板３に形成した連結部を介して駆動素子（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての積層型圧電素子１２の上端面を接合している。また、積層型圧電素子１２の下端面はベース部材１３に接合している。これらの圧電素子１２及びベース部材１３によって圧電型アクチュエータを構成している。

ここで、圧電素子１２は、圧電材料層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極をそれぞれ端面に引き出して端面電極（外部電極）に接続し、端面電極に電圧を印加することで積層方向の変位を生じる。この圧電素子１２の端面電極には半田接合又はＡＣＦ（異方導電性膜）接合若しくはワイヤボンディングでＦＰＣケーブル１５を接続し、このＦＰＣケーブル１５には各圧電素子１２に選択的に駆動波形を印加するための図示しない駆動回路（ドライバＩＣ）が実装されている。

このヘッドでは、圧電素子１２の圧電方向としてｄ３３方向の変位を用いて液室６内インクを加圧する構成とし、更に、液滴の吐出方向が液室６での記録液の流れ方向と異なるサイドシュータ方式で液滴を吐出させる構成としている。サイドシュータ方式とすることで、圧電素子１２の大きさが略ヘッドの大きさとなり、圧電素子１２の小型化を直接ヘッドの小型化に結びつけることができ、ヘッドの小型化を図り易い。

さらに、これらの圧電素子１２、ベース部材１３及びＦＰＣ１５などで構成されるアクチュエータ部の外周側には、エポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成したフレーム部材１７を接合している。そして、このフレーム部材１７には前述した共通液室１０を形成するとともに、この共通液室１０に外部から記録液を供給するための供給口１９を形成し、この供給口１９は更に図示しないサブタンクや記録液カートリッジなどの記録液供給源に接続される。

ノズル流路板１は、ニッケル（Ｎｉ）電鋳でノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂを一体に形成したものであり、このノズル流路板１のノズル部材部分１Ａには各液室６に対応して直径１０〜３５μｍのノズル４を形成している。そして、このノズル部材部分１Ａ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、撥水処理層２０を形成している。

振動板３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）で製造している。この振動板３は液室６に対応する部分を、変形を容易にするための薄肉部とし、中央部には圧電素子１２と接合するための連結部を設けている。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば押し打ち方式で駆動する場合には、図示しない制御部から記録する画像に応じて複数の圧電素子２に２０〜５０Ｖの駆動パルス電圧を選択的に印加することによって、パルス電圧が印加された圧電素子１２が変位して振動板３をノズル部材部分１Ａ方向に変形させ、液室６の容積（体積）変化によって液室６内の液体を加圧することで、ノズル部材部分１Ａのノズル４から液滴が吐出される。そして、液滴の吐出に伴って液室６内の圧力が低下し、このときの液流れの慣性によって液室６内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電素子１２への電圧の印加をオフ状態にすることによって、振動板３が元の位置に戻って液室６が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、共通液室１０から液室６内に記録液が充填され、次の駆動パルスの印加に応じて液滴がノズル４から吐出される。

なお、液体吐出ヘッドは、上記の押し打ち以外にも、引き打ち方式（振動板３を引いた状態から開放して復元力で加圧する方式）、引き−押し打ち方式（振動板３を中間位置で保持しておき、この位置から引いた後、押出す方式）などの方式で駆動することもできる。

そこで、ノズル流路板１の詳細にその製造工程とともに図２を参照して説明する。
先ず、図２（ａ）に示すように、電鋳支持基板３０上にノズル４に対応する位置にレジストパターン３１を形成し、同図（ｂ）に示すように、例えばＮｉ電鋳を行うことによって、電鋳膜３２が析出され、同図（ｃ）に示すように、ノズル部材部分１Ａの厚みに達したときに一旦電鋳を停止する。このとき、ノズル部材部分１Ａは記録液体入り口から吐出側までがラウンド形状なるよう形成され、ラウンド形状にすることで液体吐出時の流体抵抗の低減が可能となる。

そして、同図（ｄ）に示すように、液室６などの液室形状に対応するレジストパターン３３を形成した後、同図（ｅ）に示すように、再度Ｎｉ電鋳を行うことによって電鋳膜が析出され、流路部材部分１Ｂの厚みに達したときに電鋳を終了する。

その後、同図（ｆ）に示すように、電鋳支持基板３０から電鋳膜（ノズル部材部分１Ａ及び流路部材部分１Ｂ）を取り外し、レジストパターン３１を除去した後、ノズル部材部分１Ａの表面に撥水膜（撥水処理層）２０を成膜する。そして、同図（ｇ）に示すように、レジストパターン３３を除去することによってノズル流路部材１が得られる。

ここで、ノズル流路部材１は、上述したようにノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂの一体部材であるが、その機能、特徴から、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂとでは組織構造、製造条件を異ならせている。

つまり、ノズル部材部分１Ａは、記録液の吐出時の流体抵抗を小さくするためにできる限り薄くすることが好ましいが、一方で記録液吐出時の圧力によるノズル部材の振動や用紙などとの接触等の外力による変形を避けるために剛性を高くしなければならない。これに対して、流路部材部分１Ｂは、その厚さがノズル部材部分１Ａの２倍以上であって高い剛性は得られるが、他方、厚さが厚いことで電析に時間がかかると、高コストとなる。

そこで、ここでは、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１ＢとはＮｉ電鋳で一体形成するが、ノズル部材部分１Ａを形成する電鋳膜（金属材料）の結晶粒の平均粒径が流路部材部分１Ｂを形成する電鋳膜（金属材料）の結晶粒の平均粒径よりも小さくなるようにしている。

具体的には、ノズル部材部分１Ａを形成するときには、低電流密度条件で電鋳を行うことで、析出膜（電鋳膜）に電解質液中の光沢剤が取り込まれやすくする。これにより、電鋳膜の結晶粒の平均粒径が緻密になって高硬度部材とすることができる。一方、流路部材部分１Ｂを形成するときには、高電流密度条件で電鋳を行うことによって電解質液中の光沢剤の取り込みを抑えている。これにより、電鋳膜の結晶粒の平均粒径が大きくなり、析出時間（電析時間）が短くなって効率的な析出を行うことができる。

この場合、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂとの密着性を確保するには、ノズル部材部分１Ａから流路部材部分１Ｂへの組織の変化を緩やかにすることが好ましい。そこで、流路部材部分１Ｂは、ノズル部材部分１Ａとの界面から厚さ０．１μｍ〜５μｍ程度の範囲内では、ノズル部材部分１Ａと同じ電鋳条件（低電流密度条件）で析出を行うことによって、ノズル部材部分１Ａと類似の結晶平均粒径とする。

また、流路部材部分１Ｂを電析するときに、ノズル部材部分１Ａとの界面から厚さ０．１μｍ〜５μｍ程度の範囲内で、電鋳条件を変化させて、結晶平均粒径をノズル部材部分１Ａとの界面ではノズル部材部分１Ａの結晶平均粒径と略同じとし、漸次結晶平均粒径を大きく変化させるようにすることもできる。

これらのように、流路部材のノズル部材側との界面側に、結晶粒の平均粒径がノズル部材の結晶粒の平均粒径とほぼ同じである領域がある構成とし、あるいは、流路部材のノズル部材側との界面側に結晶粒の平均粒径がノズル部材側との界面から離れるに従って漸次又は段階的に大きく変化する領域がある構成とすることによって、ノズル部材と流路部材を一体形成しつつ結晶粒の平均粒径を異ならせる場合でも、両者の密着性を向上することができる。

また、上述したように電析金属がニッケルの場合、ノズル流路部材１のＸ線回折スペクトルは、図３及び図４に示すように、少なくともブッラグ角２θが４４.８°±０.２°と５２.２°±０.２°に回折ピークを有している。ニッケルの結晶構造は、体心立法格子であり、（１１１）面をすべり面とする。緻密な結晶粒構成とするためには（１１１）面の成長が有効であり、逆に、ニッケルの析出効率を優先し光沢剤の取り込みを低減させる意味では（２００）面の成長が有効となる。

したがって、ノズル部材部分１Ａを相対的に緻密な結晶粒構成とし、流路部材部分１Ｂを相対的に大きな結晶粒構成とする場合、
Ｉａ（１１１）：ノズル部材部分１Ａ側の（１１１）面の回折ピーク強度
Ｉａ（２００）：ノズル部材部分１Ａ側の（２００）面の回折ピーク強度
Ｉｂ（１１１）：流路部材部分１Ｂ側の（１１１）面の回折ピーク強度
Ｉｂ（２００）：流路部材部分１Ｂ側の（２００）面の回折ピーク強度
としたとき、ノズル部材部分１Ａ側と流路部材部分１Ｂ側のピーク強度比が、Ｉａ(１１１)／Ｉａ(２００)＜Ｉｂ(１１１)／Ｉｂ(２００)の関係あることが好ましい。

なお、上記の説明では、平均粒径の制御を、電析速度を変更することによって行っているが、これ以外にも、例えば次のようにして平均粒径を制御することができる。
（１）微量金属の添加
例えば、Ｐｂ（鉛）、Ｍｎ（マンガン）、Ｔｌ（タリウム）、Ｂｉ（ビスマス）などの金属を電鋳液に１００ｐｐｍ程度添加する。このよう微量の金属を添加して作製した電鋳膜は、電鋳膜を加熱処理した場合に平均粒径の成長が抑えられるので、メッキ層（電鋳膜）毎に平均粒径を変えることができる。
（２）Ｓ，Ｂ、Ｐ、Ｃの添加
例えば、Ｓ（硫黄）、Ｂ（ホウ素）、Ｐ（リン）、Ｃ（炭素）などを電鋳液に１ｇ／ｌ程度添加する。これにより、形成される電鋳膜自体の平均粒径を微細化することができ、メッキ層（電鋳膜）毎に平均粒径を変えることができる。

前述したように、ノズル流路部材１の吐出面には撥水処理層（撥水膜）２０を形成している。この場合、ノズル部材と流路部材が一体構造であることで撥水処理の作業性が向上する。また、図２に示すように、流路部材部分１Ｂを形成するときのレジストパターン３３を残したまま吐出面に撥水膜２０を形成できることでノズル４内壁面や液室６壁面への撥水剤の染み込み等をなくすことができる。この場合、ノズル部材形成用のレジストパターン３１と流路部材形成用のレジストパターン３３に用いるレジストは、ポジ、ネガ等の特性、溶解性が異なるレジストとするか、ノズル部材部分１Ａを形成するときのレジストパターン３１に代えて電鋳支持基板（電析用基板）に絶縁膜を一体的に設けた構成とすることが好ましい。

撥水膜の形成は、真空下での蒸着であっても良いし、適当な溶媒に溶解させて塗布しても良い。前者について言えば、例えば、真空排気ポンプにて真空槽内を所定の真空度まで排気した後、撥水性材料を４００℃で気化せしめて真空槽に導入し、真空雰囲気を調整するとともに、高周波電源から放電電極に電力を供給してＲＦグロー放電を起こさせ、プラズマ雰囲気下に液体吐出ヘッドのノズル面（吐出面）を表面処理して、ノズル面上に撥水膜を形成することができる。なお、材料及び真空槽内の真空度によっては、常温〜２００℃程度の低温での撥水膜を形成することも可能である。

また、後者について言えば、例えば、撥水性材料を有機溶剤に溶解させ、ワイヤーバーやドクターブレードなどの治具でコーティングすることができるし、スピンコーターによって回転塗布することもできるし、スプレーによって塗布することもできるし、塗工液を満たした容器に浸漬塗工（ディッピング）することもできる。

撥水性材料としては、フッ素原子を有する有機化合物、特にフルオロアルキル基を有する有機物、ジメチルシリキサン骨格を有する有機ケイ素化合物等が使用できる。フッ素原子を有する有機化合物としては、フルオロアルキルシラン、フルオロアルキル基を有するアルカン、カンボン酸、アルコール、アミン等が望ましい。具体的には、フルオロアルキルシランとしては、ヘプタデカフルオロ−１、１、２、２−テトラハイドロデシルトリメトキシシラン、ヘプタデカフルオロ−１、１、２、２−テトラハイドロトリクロオシラン；フルオロアルキル基を有するアルカンとしては、オクタフルオロシクロブタン、パーフルオロメチルシクロヘキサン、パーフルオローｎーヘキサン、パーフルオローｎーヘプタン、テトラデカフルオロー２ーメチルペンタン、パーフルオロドデカン、パーフルオロオイコサン；フルオロオアルキル基を有するカルボン酸としては、パーフルオロデカン酸、パーフルオロオクタン酸；フルオロアルキル基を有するアルコールとしては、３、３、４、４、５、５、５−ヘプタフルオロー２ーペンタノール；フルオロアルキル基を有するアミンとしては、ヘプタデカフルオロー１、１、２、２−テトラハイドロデシルアミン等が挙げられる。ジメチルシロキサン骨格を有する有機ケイ素化合物としては、α，ｗ−ビス（３ーアミノプロピル）ポリジメチルシロキサン、α、ｗ−ビス（３ーグリシドキシプロピル）ポリジメチルシロキサン、α，ｗ−ビス（ビニル）ポリジメチルシロキサン等が挙げられる。

また、別の撥水性材料として、シリコン原子を有する有機化合物、特にアルキルシロキサン基を有する有機化合物が使用できる。アルキルシロキサン基を有する有機化合物としては、含アルキルシロキサンエポキシ樹脂組成物を構成する分子中にアルキルシロキサン基、及び環状脂肪族エポキシ基を２個以上有する含アルキルシロキサンエポキシ樹脂としては、例えば、下記の一般式（ａ）及び（ｂ）で表される構造単位を含む高分子化合物（Ａ）が挙げられる。

このように、ノズル部材と流路部材とが略同一組成の金属材料で形成され、ノズル部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい構成とすることで、ノズル部材と流路部材を一体形成することができるとともに、滴吐出効率や滴吐出特性に影響を与えるノズル部材は高剛性とすることができて、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上を図ることができる。

なお、上記実施形態では、ノズル部材と流路部材をＮｉ電鋳で一体形成しているが、ノズル部材と流路部材をプレス工法で形成することもできる。金属材料は、結晶平均粒径が大きくなるに従って硬さが低下するので、プレス加工を行う場合、加工容易で金型の長寿命化を図ることができる。ただし、ノズルはシビアな加工精度が要求されるため、逆に結晶粒を微細にする方が良い。つまり、プレス加工でノズル穴を加工するとき、細い針を突き刺すようなもので結晶粒が大きいと、偶々針先が粒界に当たった時に針が粒界に沿って流れてしまい加工方向が変化する可能性がある。したがって、ノズル部材の結晶平均粒径を流路部材の結晶平均粒径よりも小さくすることで、プレス加工でノズル部材や流路部材を形成するとき、ノズル穴を高精度に形成しつつ、加工容易性や金型の長寿命化を図れる。

また、ノズル部材と流路部材をエッチングで形成することもできる。エッチングについては粒界と粒内ではエッチングレートが異なり、粒界が浮き出ることが多い。この場合、平均粒径が小さいと、表面の凹凸が増え、表面積が大きくなり、耐食性、液体の流動性に弊害が発生することになる。したがって、ノズル部材の結晶平均粒径を流路部材の結晶平均粒径よりも小さくすることで、エッチングでノズル部材や流路部材を形成するとき、ノズル穴を高精度に形成しつつ、流路部材の耐食性、液体の流動性低下を抑制することができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第２実施形態について図５を参照して説明する。なお、図５は同ヘッドの液室長手方向に沿う断面説明図である。
この液体吐出ヘッドは、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂを一体形成したノズル流路板１と、流体抵抗部材部分５１Ａと流路部材部分５１Ｂを一体形成した流体抵抗流路板５１と、流体抵抗流路板５１の下面に接合した振動板３とを有している。

ノズル流路板１のノズル部材部分１Ａにはノズル４を、流路部材部分１Ｂにはノズル連通路５と、共通流路である共通液室１０となる貫通部（一方はノズル部材部分１Ａで閉じられている。）をそれぞれ形成している。なお、ここではノズル部材と流路部材を一体形成しているが、ノズル部材部分１Ａと流路部材部分１Ｂとは別部材とすることもできる。

流体抵抗流路板５１の流体抵抗部材部分５１Ａには、共通液室１０から液室６へのインク供給口となり、液室６よりも流体抵抗の大きな流体抵抗部７となる貫通穴を形成し、また、流体抵抗流路板５１の流路部材部分５１Ｂには、液室６となる貫通部を形成している。この液体吐出ヘッドでは、ノズル流路板１の流路部材部分１Ｂと流体抵抗流路板５１の流路部材部分５１Ｂで流路部材を構成している。

そして、流体抵抗流路板５１は、前述した第１実施形態で説明したような電鋳で形成することにより、流体抵抗部材部分５１Ａと流路部材部分５１Ｂとが略同一組成の金属材料で形成され、流体抵抗部材部分５１Ａを形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が流路部材部分５１Ｂを形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さくなるように形成している。

これによって、流体抵抗部材と流路部材を一体形成することができるとともに、滴吐出効率や滴吐出特性に影響を与える流体抵抗部材を高剛性とすることができるので、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上を図ることができるようになる。

なお、ここでは、流体抵抗部を形成する部材としているが、例えば共通液室（共通流路）と液室（個別流路）との間に異物を捕捉するフィルタ部を配置するようにした場合、このフィルタ部を形成する部材と流路部材とを一体に形成するような場合にも適用できる。このように、フィルタ部材と流路部材とが略同一組成の金属材料で形成され、フィルタ部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい構成とすることで、フィルタ部材と流路部材を一体形成することができるとともに、フィルタ部材は高剛性とすることができて異物を確実に補足できて、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上を図ることができる。

さらに、振動板部材と流路部材とを一体に形成する場合にも同様に適用することができる。このように、振動板部材と流路部材とが略同一組成の金属材料で形成され、振動板部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい構成とすることで、振動板部材と流路部材を一体形成することができるとともに、振動板部材は高剛性とすることができて、所要の振動特性を持たせることができ、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上を図ることができる。

さらにまた、流路部材と一体に形成された流路部材よりも厚さの薄い薄層部材を有し、流路部材と薄層部材が略同一組成の金属材料で形成され、薄層部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい構成とすることで、薄層部材は高剛性とすることができて、滴吐出効率の向上、滴吐出特性安定性の向上を図ることができる。

また、上記実施形態においては、本発明に係る液体吐出ヘッドとして、圧電素子を利用する圧電アクチュエータを圧力発生手段として備えたもので説明したが、これに限らず、発熱抵抗体などの電気熱変換素子を用いて液体の膜沸騰による相変化を利用するサーマルアクチュエータ、温度変化による金属相変化を用いる形状記憶合金アクチュエータ、静電力を用いる静電アクチュエータなどを、液滴を吐出するための圧力を発生する圧力発生手段として備えたものなどを使用できる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えた画像形成装置の一例について図６及び図７を参照して説明する。なお、図６は同画像形成装置の全体構成を説明する側面説明図、図７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とガイドレール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で駆動プーリ１０６Ａと従動プーリ１０６Ｂ間に架け渡したタイミングベルト１０５を介して矢示方向（主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ１０３には、例えば、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の記録液の液滴（インク滴）を吐出する独立した４個の本発明に係る液体吐出ヘッド１０７ｋ、１０７ｃ、１０７ｍ、１０７ｙで構成した記録ヘッド１０７を主走査方向に沿う方向に配置し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、ここでは独立した液体吐出ヘッドを用いているが、各色の記録液の液滴を吐出する複数のノズル列を有する１又は複数のヘッドを用いる構成とすることもできる。また、色の数及び配列順序はこれに限るものではない。

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にはインク供給チューブ１０９を介して図示しないメインタンク（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上に積載した被記録媒体（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枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙ローラ）１１３及び給紙ローラ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は給紙ローラ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。なお、搬送ベルト１２１の裏面側には記録ヘッド１０７による画像形成領域に対応してガイド部材１２９を配置している。

また、搬送ローラ１２７の軸には、スリット円板１３４を取り付け、このスリット円板１３４のスリットを検知するセンサ１３５を設けて、これらのスリット円板１３４及びセンサ１３５によってエンコーダ１３６を構成している。

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１２１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、キャリッジ１０３の前方側には、スリットを形成したエンコーダスケール１４２を設け、キャリッジ１０３の前面側にはエンコーダスケール１４２のスリット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１４３を設け、これらによって、キャリッジ１０３の主走査方向位置を検知するためのエンコーダ１４４を構成している。

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１５２及び排紙コロ１５３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１５４とを備えている。

また、背部には両面給紙ユニット１５５が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５５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。

さらに、キャリッジ１０３の走査方向の一方側の非印字領域には、記録ヘッド１０７のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構１５６を配置している。この維持回復機構１５６は、記録ヘッド１０７の各ノズル面をキャピングするための各キャップ１５７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１５８と、増粘した記録液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なうときの液滴を受ける空吐出受け１５９などを備えている。

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ＡＣバイアス供給部（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が給送されると、用紙１１２が搬送ベルト１２１に静電力で吸着され、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を往路及び復路方向に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１１２を排紙トレイ１５４に排紙する。

また、両面印刷の場合には、表面（最初に印刷する面）の記録が終了したときに、搬送ベルト１２１を逆回転させることで、記録済みの用紙１１２を両面給紙ユニット１５５内に送り込み、用紙１１２を反転させて（裏面が印刷面となる状態にして）再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙し、タイミング制御を行って、前述したと同様に搬送ベル１２１上に搬送して裏面に記録を行った後、排紙トレイ１５４に排紙する

また、印字（記録）待機中にはキャリッジ１０３は維持回復機構１５５側に移動されて、キャップ１５７で記録ヘッド１０７のノズル面がキャッピングされて、ノズル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、キャップ１５７で記録ヘッド１０７をキャッピングした状態でノズルから記録液を吸引し（「ノズル吸引」又は「ヘッド吸引」という。）し、増粘した記録液や気泡を排出する回復動作を行い、この回復動作によって記録ヘッド１０７のノズル面に付着したインクを清掃除去するためにワイパーブレード１５８でワイピングを行なう。また、記録開始前、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出する空吐出動作を行う。これによって、記録ヘッド１０７の安定した吐出性能を維持する。

このように、この画像形成装置によれば、滴吐出効率が高く、安定した滴吐出特性が得られるので、高い画像品質で画像を形成することができる。

なお、上記実施形態では本発明に係る液体吐出装置をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ／ファックス／コピア複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、インク以外の液体である記録液や定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの第１実施形態を示す液室長手方向に沿う断面説明図である。 同ヘッドのノズル流路部材を製造工程と共に説明する断面説明図である。 同ヘッドのノズル流路部材のノズル部材部分のＸ線回折スペクトル結果を示す説明図である。 同ヘッドのノズル流路部材の流路部材部分のＸ線回折スペクトル結果を示す説明図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの第２実施形態を示す液室長手方向に沿う断面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の全体構成を説明する側面説明図である。 同装置の要部平面説明図である。

符号の説明

１…ノズル流路部材
１Ａ…ノズル部材部分
１Ｂ…流路部材部分
３…振動板
４…ノズル
６…液室
１２…圧電素子
５１…流体抵抗流路板
５１Ａ…流体抵抗部材部分
５１Ｂ…流路部材部分
１０７ｋ、１０７ｃ、１０７ｍ、１０７ｙ…記録ヘッド（液体吐出ヘッド）

Claims (13)

1. 液体を吐出する複数のノズルを有するノズル部材と、各ノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
   前記ノズル部材と前記流路部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、前記ノズル部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズル部材及び流路部材が電析で形成された部材であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズル部材及び流路部材が一体形成された部材であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
4. 請求項３に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材のノズル部材側との界面側に、前記流路部材の内部領域よりも結晶粒の平均粒径が小さい領域があることを特徴とする液体吐出ヘッド。
5. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記結晶粒の平均粒径の小さい領域は前記流路部材のノズル部材側の界面から０．１μｍ〜５μｍの範囲内であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
6. 請求項４又は５に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記流路部材のノズル部材側との界面側に結晶粒の平均粒径が前記ノズル部材側との界面から離れるに従って漸次又は段階的に大きく変化する領域があることを特徴とする液体吐出ヘッド。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記金属材料がニッケルであることを特徴とする液体吐出ヘッド。
8. 請求項７に記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ニッケルのＸ線回折スペクトルが、少なくともＮｉ（１１１）面の回折ピークとＮｉ（２００）面の回折ピークを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
9. 請求項８に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
   Ｉａ（１１１）：ノズル部材側の（１１１）面の回折ピーク強度
   Ｉａ（２００）：ノズル部材側の（２００）面の回折ピーク強度
   Ｉｂ（１１１）：流路部材側の（１１１）面の回折ピーク強度
   Ｉｂ（２００）：流路部材側の（２００）面の回折ピーク強度
   としたとき、
   前記ノズル部材側と流路部材側のピーク強度比が、Ｉａ(１１１)／Ｉａ(２００)＜Ｉｂ(１１１)／Ｉｂ(２００)の関係にある
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
10. 請求項１ないし９のいずれかに記載の液体吐出ヘッドにおいて、前記ノズル部材の吐出面側表面には撥水処理層が形成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
11. 液体を吐出する複数のノズルを有するノズル部材と、各ノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、複数の前記液室に液体を供給する共通流路と前記各液室との間に設けられる流体抵抗部を形成する流体抵抗部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
    前記流体抵抗部材と前記流路部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、前記流体抵抗部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
12. 液体を吐出する複数のノズルが連通する液室の少なくとも一部を形成する流路部材と、前記液室内の液体を加圧するエネルギーを発生する圧力発生手段を備える液体吐出ヘッドにおいて、
    前記流路部材と一体に形成された前記流路部材よりも厚さの薄い薄層部材を有し、
    前記流路部材と前記薄層部材とが同じ金属を主成分とする金属材料で形成され、
    前記薄層部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径が前記流路部材を形成する金属材料の結晶粒の平均粒径よりも小さい
    ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
13. 液体吐出ヘッドから液滴を吐出させて画像を形成する画像形成装置において、請求項１ないし１２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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