JP5241017B2

JP5241017B2 - 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに画像形成装置

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Publication number: JP5241017B2
Application number: JP2009028620A
Authority: JP
Inventors: 剛三田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-02-10
Filing date: 2009-02-10
Publication date: 2013-07-17
Anticipated expiration: 2029-02-10
Also published as: US20100201755A1; JP2010184375A

Description

本発明は液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに画像形成装置に係り、特に、圧電素子のたわみ振動モードを利用した液体吐出ヘッドにおいて、隣接圧力室間で生じるクロストークを防止しつつ、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させる技術に関する。

従来、液体吐出ヘッドの代表例として、ノズルと連通する圧力室の一壁面を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力室内のインクを加圧してノズルからインク液滴を吐出させるインクジェットヘッドが知られている。すなわち、このインクジェットヘッドでは、振動板と圧電素子とで構成される圧電アクチュエータによって圧力室内のインクを加圧することによってノズルからインク液滴を噴射させている。

このような圧電方式のインクジェットヘッドでは、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードを利用したものと、たわみ振動（横振動）モードを利用したものとが一般的に知られている。これらのうち、後者はヘッド全体を薄くすることが可能であり、ヘッドの製造工程に薄膜プロセスを多く取り入れることができ、集積化に向いているという特長がある。

ここで、たわみ振動モードを利用した従来のインクジェットヘッドの構成例について図１８〜図２０を参照しながら説明する。

まず、図１８に示した構成例では、複数の圧力室９５２を覆うように配置された振動板９５６と、振動板９５６上の各圧力室９５２に対向する位置に設けられた複数の圧電素子９５８とで構成される圧電アクチュエータ９８２を備えている。各圧電素子９５８は圧電体９５９及びその上面に配設された個別電極９６０からなり、振動板９５６が各圧電素子９５８の共通電極を兼ねている。そして、圧電素子９５８の個別電極９６０に駆動電圧が印加されると、個別電極９６０と共通電極としての振動板９５６との間に生じる電位差によって、その間に挟まれる圧電体９５９にはその厚み方向に電界が作用する。このとき、圧電体９５９の分極方向がこの電界の向きと同じ厚み方向であれば、圧電体９５９はこの分極方向と直交する水平方向に収縮する。そして、この圧電体９５９の収縮に伴って振動板９５６が圧力室９５２側に凸になるように変形して、圧力室９５２内の容積が減少して、圧力室９５２内のインクは加圧され、圧力室９５２に連通するノズル（不図示）からインク液滴が吐出される。

しかしながら、図１８に示した構成例では、圧電体９５９の収縮に伴って振動板９５６が変形する際、各圧力室９５２間の隔壁部（以下、「圧力室隔壁部」という。）９６４ａが圧力室９５２の内側に撓みやすく、隣接圧力室間で機械的クロストークが生じやすいといった問題がある。また、たわみ振動モードを利用する関係上、圧電素子はある程度の面積が必要となるが、高密度化、薄膜化しても動作が安定して駆動効率が高い圧電アクチュエータの開発が必要である。

一方、図１９に示した構成例は、図１８に示した構成例を改良したものであり、例えば特許文献１に見られるように、隣接圧力室間で生じる機械的クロストークを防止すべく、振動板９５６上の圧力室隔壁部９６４ａに対向する位置に補強部材９８４を設けたものである。

しかしながら、図１９に示した構成例では、補強部材９８４によって圧力室隔壁部９６４ａの剛性が向上するので、隣接圧力室間で生じる機械的クロストークを防止することができる反面、圧力室隔壁部９６４ａの剛性が高まったことによって振動板９５６の変位量が逆に小さくなってしまうといった弊害が生じ、所望の変位量を得るためには駆動電圧を高めなければならず、圧電アクチュエータ９８２の駆動効率の低下を招いてしまうという欠点がある。

他方、図２０に示した構成例は、図１８に示した構成例を別の観点から改良したものであり、例えば特許文献２に見られるように、圧電アクチュエータ９８２の駆動効率を高めるべく、平面視で圧力室９５２の中心部以外の領域である縁部と重なる領域に個別電極９６０を環状に形成したものである。この構成例によれば、環状の個別電極９６０に駆動電圧が印加されると、環状の個別電極９６０と共通電極としての振動板９５６に挟まれた圧電体９５９の環状領域が分極方向（圧電体９５９の厚み方向）と直交する水平方向に収縮する。そして、この圧電体９５９の環状領域の収縮に伴って、振動板９５６が圧力室９５２と反対側に凸になるように変形して、圧力室９５２内の容積が増加して、圧力室９５２内に圧力波が発生する。さらに、この圧力波が正に転じるタイミングで、個別電極９６０への印加が停止されると、振動板９５６が元の形状に戻って圧力室９５２内の容積が減少するが、上述の圧力室９５２の容積増加に伴う圧力波と、振動板９５６の復元に伴い生じる圧力波とが合成され、圧力室９５２内のインクに大きな圧力が付与される。したがって、比較的低い駆動電圧でインクに高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータ９８２の駆動効率が高くなる。

しかしながら、図２０に示した構成例では、図１８に示した構成例と同様に、圧電体９５９の環状領域の収縮に伴って振動板９５６が変形する際、圧力室隔壁部９６４ａが圧力室９５２の内側に撓みやすく、隣接圧力室間で機械的クロストークが生じやすいといった問題がある。また、圧力室隔壁部９６４ａが圧力室９５２の内側に撓むことによって、環状の個別電極９６０の中心部に相当する振動板９５６の部分の変形が小さくなり、振動板９５６の変位量が低下する要因にもなる。

特開２０００−２４６８９８号公報特開２００６−１５０９４８号公報

近年、たわみ振動モードを利用したインクジェットヘッドの高密度化及び小型化が進んでおり、圧力室や圧電素子などの高密度配置に伴って圧力室隔壁部も薄くなる傾向にある。このため隣接圧力室間で生じる機械的クロストークや圧電アクチュエータの駆動効率の低下はより顕著な問題となり、吐出効率の低下を招き、吐出ばらつきなどが発生する要因ともなる。

しかしながら、上述したように図１９に示した構成例と図２０に示した構成例は互いに相反する効果を奏するものであるため、これらの構成例を組み合わせたものはこれまでに存在せず、しかもその有用性については従来全く知られていない。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、隣接圧力室間で生じる機械的クロストークを防止できるとともに、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させることができる液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに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、本発明に係る液体吐出ヘッドは、平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えた液体吐出ヘッドであって、前記圧電アクチュエータは、前記複数の圧力室の一壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室とそれぞれ重なる領域に配置された複数の圧電体と、前記複数の圧電体の一方の面にそれぞれ配置され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に配置された複数の個別電極と、前記複数の圧電体の他方の面に配置された共通電極とを有し、前記振動板の前記圧力室と反対側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室間の圧力室隔壁部に重なる領域には圧力室毎に互いに独立して構成された補強部材が設けられていることを特徴とする。

本発明によれば、圧電体の一方の面に形成される個別電極を圧力室形状に対応した環状に構成し、且つ、圧力室隔壁部に対応する位置に圧力室毎に互いに独立して構成された補強部材を配置することによって、隣接圧力室間での機械的クロストークを防止することができるだけでなく、補強部材を設けなかった場合に比べて圧電アクチュエータの駆動効率をさらに向上させることができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、前記複数の圧力室は、第１の方向及び前記第１の方向に直交しない斜めの第２の方向に沿って２次元的に配列され、前記補強部材は、前記第１の方向及び前記第２の方向の少なくとも一方向に隣接する圧力室間の圧力室隔壁部に重なる領域に設けられていることを特徴とする。

上記態様によれば、圧力室隔壁部が設けられる方向に隣接する圧力室間の機械的クロストークの防止効果を高めることができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、前記補強部材は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の外周部を取り囲むように形成されたＵ字状部材であることを特徴とする。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一態様は、前記補強部材は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の外周部全体を取り囲むように形成された環状部材であることを特徴とする。

また、前記目的を達成するために、本発明に係る液体吐出装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備え、前記液体吐出ヘッドは、前記個別電極が前記圧電体の前記振動板とは反対側の面に配置されるとともに、前記共通電極がグランド接続され、さらに、前記圧電体は前記振動板から前記個別電極に向かう方向に分極されており、インク吐出動作時のみ、前記圧電体の分極方向と同方向の電界が作用するように前記個別電極にマイナス電位の駆動電圧波形を印加する電圧印加手段をさらに備えたことを特徴とする。

本発明によれば、インク吐出動作が行われるとき以外の通常時には圧電体に電界が作用しないため、圧電体の劣化を防止することができ、信頼性向上につながる。

また、前記目的を達成するために、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ことを特徴とする。

本発明によれば、機械的クロストークの防止及び圧電アクチュエータの駆動効率の向上によって液体吐出ヘッドの吐出安定性が高まり、画像品質に優れた画像を形成することが可能となる。

本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置の概略構成図図１のインクジェット記録装置の印字部周辺を示した要部平面図インクジェットヘッドの要部の構造例を示した平面図インクジェットヘッドの他の構造例を示した平面図図３中５−５線に沿う断面図インクジェットヘッドの圧電アクチュエータを示した平面図図４の一部を示した拡大平面図図７中８−８線に沿う断面図第１の変形例の補強部材を示した図第２の変形例の補強部材を示した図第３の変形例の補強部材を示した図第４の変形例の補強部材を示した図第５の変形例の補強部材を示した図第６の変形例の補強部材を示した図第７の変形例の補強部材を示した図本発明の圧電アクチュエータに供給される駆動電圧波形を示した図インクジェット記録装置の制御系を示す要部ブロック図従来のインクジェットヘッドの構成例を示した図従来のインクジェットヘッドの他の構成例を示した図従来のインクジェットヘッドのさらに他の構成例を示した図従来の圧電アクチュエータに供給される駆動電圧波形を示した図

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は本発明の一実施形態に係るインクジェット記録装置を示した概略構成図である。図１に示すインクジェット記録装置１０は、インクの色毎に設けられた複数のインクジェットヘッド（以下、単に「ヘッド」ともいう。）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。

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。

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が配置されている。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。

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あるいは無線タグ等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、使用される用紙の種類を自動的に判別し、用紙の種類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癖が残り、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癖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。

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

ベルト３３が巻かれているローラー３１、３２の少なくとも一方にモータ（不図示）の動力が伝達されることにより、ベルト３３は図１において、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、ある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ー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、ローラー・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラー・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面にローラーが接触するので、画像が滲み易いという問題がある。従って、本例のように、印字領域では画像面と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に加熱空気を吹きつけ、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は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙搬送方向（副走査方向）と直交する方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている。印字部１２を構成する各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙは、本インクジェット記録装置１０が対象とする最大サイズの記録紙１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている（図２参照）。

記録紙１６の搬送方向（紙搬送方向）に沿って上流側（図１の左側）から黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙが配置されている。記録紙１６を搬送しつつ各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙからそれぞれ色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フルラインヘッドがインク色毎に設けられてなる印字部１２によれば、紙搬送方向（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一回行うだけで（すなわち、一回の副走査で）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、ヘッドが紙搬送方向と直交する方向（主走査方向）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。

なお本例では、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は限定されず、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、ライトマゼンタ等のライト系インクを吐出するヘッドを追加する構成も可能である。

図１に示したように、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タンクを有し、各タンクは図示を省略した管路を介して各ヘッド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、警告音発生手段等）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。

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（ラインセンサ等）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、受光素子が二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。

印字検出部２４は、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を読み取り、各ヘッドの吐出検出を行う。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等で構成される。

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、熱風を吹きつける方式が好ましい。

多孔質のペーパ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ー４５で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

このように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選別手段（不図示）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とから構成されている。

また、図示を省略したが、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ている。

〔インクジェットヘッドの構造〕
次に、図１に示したインクジェット記録装置１０に搭載されるヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造について説明する。なお、各ヘッド１２Ｋ、１２Ｃ、１２Ｍ、１２Ｙの構造は共通しているので、以下では、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はヘッド５０の要部の構造例を示した平面図である。また、図４はヘッド５０の他の構造例を示した平面図である。

記録紙面上に形成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に示すように、インク滴の吐出孔であるノズル５１と、各ノズル５１に対応する圧力室５２等からなる複数のインク室ユニット５３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（紙搬送方向と直交する主走査方向）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。

紙搬送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に示した構成に代えて、図４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（ヘッドチップ）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。また、図示は省略するが、短尺のヘッドを一列に並べてラインヘッドを構成してもよい。

各ノズル５１に対応して設けられている圧力室５２は、その平面形状が主走査方向の長軸を有する略長円形状（略楕円形状）となっており、その長手方向の両端部にノズル５１と供給口（連通孔）５４が設けられている。後述するように、各圧力室５２はそれぞれ対応するノズル５１と連通するとともに、供給口５４を介して共通流路５５と連通している。

共通流路５５（５５Ａ、５５Ｂ）は、図３に示すように平面視で櫛歯状に構成されている。この共通流路５５は、ヘッド長手方向（主走査方向）に延設された本流部５５ａと、その本流部５５ａから主走査方向に直交しない斜めの方向に延設された複数の支流部５５ｂとからなる。各支流部５５ｂは、平面視で主走査方向に直交しない斜めの方向に配列された圧力室列（以下、「第１の圧力室列」）という。）７２の各圧力室５２の長手方向一端部（図３において右側部分）と重なるよう配置されている。第１の共通流路５５Ａと第２の共通流路５５Ｂの各本流部５５ａはそれぞれヘッド短手方向に相当する副走査方向両端部に配置されている。そして、これらの共通流路５５Ａ、５５Ｂからそれぞれ分岐される各支流部５５ｂは、主走査方向に沿って交互に配置されている。各共通流路５５Ａ、５５Ｂの本流部５５ａの主走査方向両端部にはそれぞれインク供給口７６及びインク排出口７８が設けられている。

図５はヘッド５０の一部を示した断面図（図３中５−５線に沿う断面図）である。同図に示すように、このヘッド５０は、内部に圧力室５２等のインク流路が形成された流路ユニット８０と、この流路ユニット８０の上面（圧力室開口面）に配置された圧電アクチュエータ８２とから主に構成される。

流路ユニット８０は、圧力室プレート６４、スペーサプレート６６、マニホールドプレート６８、及びノズルプレート７０が積層状態で接合された構成となっている。各プレート６４〜７０は、紙搬送方向（副走査方向）に直交する方向（主走査方向）を長手方向とする略矩形状の平面形状を有する薄板状部材である。これらのプレートのうち、圧力室プレート６４、スペーサプレート６６、及びマニホールドプレート６８は、Ｓｉ、ＳｉＯ₂、ＳｉＮ、石英ガラス等のシリコン系材料、又は、ステンレス等の金属系材料で構成される。また、ノズルプレート７０は、ポリイミド等の樹脂系材料、或いは、ステンレス等の金属系材料またはＳｉで構成される。

圧力室プレート６４には、複数の圧力室（圧力室孔）５２が形成されている。各圧力室５２の平面形状は、上述したように主走査方向に長い略長円形状（略楕円形状）となっており、その長軸方向の大きさは例えば３００μｍである。各圧力室５２は上方へ開口しており、各圧力室５２を覆うように振動板５６が配置されている。すなわち、各圧力室５２の一壁面は振動板５６によって構成されている。

スペーサプレート６６には、各圧力室５２の長手方向両端部に重なる位置にそれぞれ連通孔６２、５４が形成されている。また、マニホールドプレート６８には、各圧力室５２の長手方向一端部（図５において右側部分）と重なる位置に共通流路５５（図３の支流部５５ｂに相当）が形成されるとともに、その反対側の長手方向他端部（図５において左側部分）と重なる位置に連通孔６３が形成されている。連通孔６３は、スペーサプレート６６の連通孔６２と同一形状であり、平面視で互いに重なる位置に形成されている。さらに、ノズルプレート７０には、各圧力室５２の長手方向他端部と重なる位置にそれぞれノズル５１が形成されている。ノズル５１は、例えば、ポリイミド等の樹脂系材料で構成される基板にエキシマレーザ−加工を施すことにより形成される。

そして、図５に示すように、各プレート６４〜７０が積層状態で接合されることにより、共通流路５５は連通孔５４を介して圧力室５２に連通し、さらに、圧力室５２は、連通孔６２、６３を介してノズル５１に連通している。このように、流路ユニット８０内には、共通流路５５から圧力室５２を経てノズル５１に至るインク流路が形成されている。

次に、圧電アクチュエータ８２について説明する。図６は圧電アクチュエータ８２の平面図であり、図７はその一部を拡大した拡大平面図である。また、図８は圧電アクチュエータ８２の一部を示した断面図（図７中８−８線に沿う断面図）である。なお、図８では、流路ユニット８０の一部（圧力室プレート６４）も含めて図示している。

図５〜図８に示すように、圧電アクチュエータ８２は、各圧力室５２の一壁面を構成する振動板５６と、振動板５６上の各圧力室５２にそれぞれ対向する位置に配置された複数の圧電素子５８とから構成される。

振動板５６は、ステンレス、ニッケル、アルミニウム等の金属系材料で構成され、平面視で略矩形状の平面形状を有する薄板状部材であり、その厚みは例えば１０μｍである。この振動板５６は、複数の圧力室５２を覆うように圧力室プレート６４に接合されており、これによって、各圧力室５２の一壁面は振動板５６で構成されている。この振動板５６は複数の圧電素子５８の共通電極を兼ねており、グランド接続されている。また、振動板５６をＳｉ、ＳｉＯ₂などの非導電性材料で構成して、その表面に共通電極となる電極層を形成するようにしてもよい。

圧電素子５８は、圧電体５９及びその上面に配設された個別電極６０からなり、振動板５６上の各圧力室５２にそれぞれ対向する位置に配設されている。

圧電体５９は、図７に示すように平面視で圧力室５２と略同様の形状を有し、主走査方向を長手方向とする略長円形状（略楕円形状）に形成されている。この圧電体５９は、強誘電性を有する圧電材料、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のセラミックス系材料で構成される。特に本例では、圧電体５９として、スパッタ法で形成された圧電体膜（ＰＺＴ膜）が用いられ、その厚みは例えば３〜４μｍとなっている。

個別電極６０は、図７に示すように平面視で圧力室５２の中心部以外の領域である縁部に重なるように環状に形成されている。すなわち、個別電極６０は、圧力室５２や圧電体５９と同様にヘッド長手方向（主走査方向）を長軸とする略長円形状（略楕円形状）の外周形状を有し、その中央部にはその外周形状と略相似形状の穴部６０ａが形成されている。なお、個別電極６０は、例えば、金、銀、銅、パラジウム、白金、チタン等の導電性材料で構成される。

各個別電極６０は、フレキシブルプリント配線板（不図示）を介して駆動回路（不図示）に電気的に接続されており、この駆動回路からフレキシブルプリント配線板を介して各個別電極６０に対して選択的に駆動電圧が印加される。なお、個別電極６０は、スクリーン印刷、スパッタ法、或いは、蒸着法等により形成することができる。

さらに本例の圧電アクチュエータ８２には、図８に示すように、振動板５６上の各圧力室５２間の隔壁部（圧力室隔壁部）６４ａに対向する位置に補強部材８４が設けられている。この補強部材８４は、図６及び図７に示すように、主走査方向を長手方向とする細長状部材であり、主走査方向に配列された圧力室列（以下、「第２の圧力室列」という。）７４（図３参照）に並設されており、副走査方向に沿って第２の圧力室列７４と補強部材８４が交互に配置されている。

補強部材８４の形成方法は特に限定されるものではなく、例えば、振動板５６上の所定位置に補強部材８４となる別部材を接着剤などで接合するようにしてもよいし、スパッタ法などの成膜方法を用いて振動板５６上に形成するようにしてもよい。また、補強部材８４の材質は特に限定されるものではないが、例えば、シリコン系材料、金属系材料、樹脂系材料などが好適に用いられる。

次に、インクジェットヘッド５０の動作について説明する。

駆動回路（不図示）から環状の個別電極６０に駆動電圧が印加されると、環状の個別電極６０と共通電極としての振動板５６に挟まれた圧電体５９の環状領域が分極方向（圧電体５９の厚み方向）と直交する水平方向に収縮する。そして、この圧電体５９の環状領域の収縮に伴って、振動板５６が圧力室５２と反対側に凸になるように変形して、圧力室５２内の容積が増加して、圧力室５２内に圧力波が発生する。さらに、この圧力波が正に転じるタイミングで、個別電極６０への印加が停止されると、振動板５６が元の形状に戻って圧力室５２内の容積が減少するが、上述の圧力室５２の容積増加に伴う圧力波と、振動板５６の復元に伴い生じる圧力波とが合成され、圧力室５２内のインクに大きな圧力が付与される。したがって、比較的低い駆動電圧で液体に高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータ８２の駆動効率が高くなる。

本実施形態のインクジェットヘッド５０によれば、圧電素子５８の個別電極６０を環状に形成するとともに、圧力室隔壁部６４ａに対応する位置に補強部材８４を配置したことにより、補強部材８４によって圧力室隔壁部６４ａの剛性が高まり、隣接圧力室間での機械的クロストークを防止することができるだけでなく、次のような効果を得ることができる。すなわち、環状の個別電極６０に駆動電圧が印加されて圧電体５９の環状領域が水平方向に収縮する際、圧力室隔壁部６４ａに対向する位置に設けられた補強部材８４による拘束効果によって、外側から内側に向かう収縮量よりも内側から外側に向かう伸縮量が大きくなり、補強部材８４を設けなかった場合に比べて振動板５６の変位量が増大し、圧電アクチュエータ８２の駆動効率をさらに向上させることができる。

上述したように環状の個別電極を備えた態様と圧力室隔壁部に対応する位置に補強部材を備えた態様は互いに相反する効果を奏するものであることから、これらの態様を組み合わせたときの有用性については従来全く検討されていなかった。

これに対し、本発明者は鋭意検討した結果、これらの態様を組み合わせることによって、隣接圧力室間で生じる機械的なクロストークを防止することができるだけでなく、圧電アクチュエータの駆動効率をさらに向上させることができるという、従来の技術からでは全く予測することができない効果を奏することを新たに見出すことができた。

特に本実施形態のインクジェットヘッド５０では、たわみ振動モードを利用する関係上、圧電体５９はある程度の面積が必要となり、高密度化を図るためには、圧力室隔壁部６４ａの厚みは比較的薄くなるため（例えば１００［μｍ］以下）、圧力室隔壁部６４ａの剛性を高めることは非常に重要であり、上述した効果はより顕著なものとなる。

図９〜図１５は補強部材８４の変形例（第１〜第７の変形例）を示した図である。

図９に示した第１の変形例では、補強部材８４Ａが主走査方向に直交しない斜めの方向（すなわち、第１の圧力室列７２（図３参照）の各圧力室５２の配列方向）を長手方向とする細長状部材として構成され、主走査方向に沿って第１の圧力室列７２と補強部材８４Ａが交互に配置されている。

図１０に示した第２の変形例では、補強部材８４Ｂは、平面視で各圧力室５２の外周全体を取り囲むように格子状に形成されている。また、図１１に示した第３の変形例では、複数の櫛歯状の補強部材８４Ｃによって、平面視で各圧力室５２の外周全体を取り囲むように格子状に形成されている。すなわち、本変形例は、図１０に示した補強部材８４Ｂを複数に櫛歯状部材に分割したものに相当する。また、図１２に示した第４の変形例では、補強部材８４Ｄは、平面視で各圧力室５２と重なる位置に孔部８６が形成された平板状部材である。これらの第２〜第４の変形例によれば、主走査方向又は主走査方向に直交しない斜めの方向に隣接する圧力室５２との機械的クロストークを効果的に防止することができるとともに、圧電体５９が均等に収縮するので圧電アクチュエータ８２の駆動効率をさらに向上させることができる。

図１３に示した第５変形例では、平面視でＵ字状の補強部材８４Ｅが圧力室５２毎に設けられている。また、図１４に示した第６変形例では、平面視で環状（ドーナツ状）に形成された補強部材８４Ｆが圧力室５２毎に設けられている。環状の補強部材８４Ｆの形状は特に限定されるものではなく、例えば円形状、楕円形状、四角形状、その他多角形状でもよい。これらの変形例によれば、圧力室５２毎に補強部材８４Ｅ又は８４Ｆが分離独立しており、機械的クロストークをより効果的に防止することができる。

図１５に示した第７変形例としての補強部材８４Ｇは、各圧力室５２に対応する位置にそれぞれ複数のキャビティ（凹部）８８が形成されたキャビティ構造を有している。各キャビティ８８間の隔壁部９０はそれぞれ圧力室隔壁部６４ａに対向する位置に配置される。本変形例によれば、各キャビティ８８内はそれぞれ圧電素子５８を収容する密閉構造となり、圧電素子５８に対する耐湿保護の役割を果たすことができる。また、圧電素子５８の表面に保護膜を形成することによって、キャビティ８８内をインク流路として活用することも可能である。

本実施形態のインクジェットヘッド５０では、上述したようにスパッタ法で形成された圧電体（ＰＺＴ）５９が用いられるため、次のような効果も得ることができる。すなわち、スパッタ法で形成された圧電体（ＰＺＴ）５９の分極方向は通常とは逆向きとなり、共通電極としての振動板５６から個別電極６０に向かう方向（図８の上方向）となる。そのため、圧電体５９の分極方向と同方向の電界を作用させるためには、振動板５６をグランドに接地して電位０［Ｖ］としたときには、個別電極６０がマイナス側の電位となるように駆動電圧を印加する必要がある。このときの駆動方法としては、図１６に示す駆動電圧波形１００のように、インク吐出動作が行われるとき以外の通常時には個別電極６０の電位は０［Ｖ］になっており、振動板５６は変形していない。そして、インク吐出動作開始後、その電位を０［Ｖ］から−Ｖ₁［Ｖ］（但し、Ｖ₁＞０）に変化させて振動板５６を圧力室５２と反対側に凸に変形させる。このとき、圧力室５２内に供給口５４を介してインクが引き込まれる。そして、所定の時間が経過した後（すなわち、圧力室５２内に発生した圧力波が正に転じるタイミングで）、個別電極６０の電位を−Ｖ₁［Ｖ］から０［Ｖ］にして振動板５６を復元させて、圧力室５２内のインクを加圧してノズル５１からインク液滴を吐出する。

一方、圧電体５９の分極方向が個別電極６０から共通電極としての振動板５６に向かう方向（図８の下方向）となっている一般的な構造の場合には、図２１に示す駆動電圧波形９９０のように、通常時には個別電極６０の電位をＶ₂［Ｖ］（但し、Ｖ₁＞０）にして振動板５６を圧力室５２側に凸に変形させておき、インク吐出動作開始後、その電位をＶ₂［Ｖ］から０［Ｖ］に変化させて振動板５６を変形前の状態にする。このとき、圧力室５２内に供給口５４を介してインクが引き込まれる。そして、所定の時間が経過した後、個別電極６０の電位を０［Ｖ］からＶ₂［Ｖ］にして振動板５６を元の変形状態にして、圧力室５２内のインクを加圧してノズル５１からインク液滴を吐出する。

このように本実施形態によれば、インク吐出動作が行われるとき以外の通常時には個別電極６０に駆動電圧は印加されず、そのときには圧電体５９には電界が作用しないので、圧電体５９の劣化を防止することができ、信頼性の観点でも好ましい駆動方法である。

なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に１列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。

また、本発明の適用範囲はライン型ヘッドによる印字方式に限定されず、記録紙１６の幅方向（主走査方向）の長さに満たない短尺のヘッドを記録紙１６の幅方向に走査させて当該幅方向の印字を行い、１回の幅方向の印字が終わると記録紙１６を幅方向と直交する方向（副走査方向）に所定量だけ移動させて、次の印字領域の記録紙１６の幅方向の印字を行い、この動作を繰り返して記録紙１６の印字領域の全面にわたって印字を行うシリアル方式を適用してもよい。

〔制御系の構成〕
図１７は、インクジェット記録装置１０の制御系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、メモリ１７４、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（Universal Serial Bus）、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、一旦メモリ１７４に記憶される。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。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、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、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。

メモリ１７４には、システムコントローラ１７２のＣＰＵが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。なお、メモリ１７４は、書換不能な記憶手段であってもよいし、ＥＥＰＲＯＭのような書換可能な記憶手段であってもよい。メモリ１７４は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びＣＰＵの演算作業領域としても利用される。

プログラム格納部１９０には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ１７２の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。プログラム格納部１９０はＲＯＭやＥＥＰＲＯＭなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。外部インターフェースを備え、メモリカードやＰＣカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。なお、プログラム格納部１９０は動作パラメータ等の記録手段（不図示）と兼用してもよい。

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。

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、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１７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、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から与えられるドットデータに基づいて各色のヘッド５０の圧電素子５８（図５参照）を駆動するための駆動信号を生成し、圧電素子５８に生成した駆動信号を供給する。ヘッドドライバ１８４にはヘッド５０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。

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。

なお、上述した実施形態は、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例であるが、本発明の適用可能な対象はこのようなインクジェットヘッドに限られない。例えば、導電ペーストを吐出して基板上に微細な配線パターンを形成したり、あるいは、有機発光体を基板に吐出して高精細ディスプレイを形成したり、さらには、光学樹脂を基板に吐出して光導波路等の微小電子デバイスを形成するための、種々の液体吐出ヘッドに適用することができる。

１０…インクジェット記録装置、５０…ヘッド、５１…ノズル、５２…圧力室、５４…供給口（連通孔）、５５…共通液室、５６…振動板、５８…圧電素子、５９…圧電体、６０…個別電極、６４…圧力室プレート、６４ａ…圧力室隔壁部、８０…流路ユニット、８２…圧電アクチュエータ、８４…補強部材、１８４…ヘッドドライバ

Claims

平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記圧力室の容積を変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えた液体吐出ヘッドであって、
前記圧電アクチュエータは、
前記複数の圧力室の一壁面を構成する振動板と、
前記振動板の前記圧力室と反対側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室とそれぞれ重なる領域に配置された複数の圧電体と、
前記複数の圧電体の一方の面にそれぞれ配置され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中心部以外の領域である縁部とそれぞれ重なる領域に配置された複数の個別電極と、
前記複数の圧電体の他方の面に配置された共通電極とを有し、
前記振動板の前記圧力室と反対側の面の、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室間の圧力室隔壁部に重なる領域には圧力室毎に互いに独立して構成された補強部材が設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
請求項１に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記複数の圧力室は、第１の方向及び前記第１の方向に直交しない斜めの第２の方向に沿って２次元的に配列され、
前記補強部材は、前記第１の方向及び前記第２の方向の少なくとも一方向に隣接する圧力室間の圧力室隔壁部に重なる領域に設けられていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記補強部材は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の外周部を取り囲むように形成されたＵ字状部材であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッドにおいて、
前記補強部材は、前記平面に直交する方向から見て、前記圧力室の外周部全体を取り囲むように形成された環状部材であることを特徴とする液体吐出ヘッド。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備える液体吐出装置において、
前記液体吐出ヘッドは、前記個別電極が前記圧電体の前記振動板とは反対側の面に配置されるとともに、前記共通電極がグランド接続され、さらに、前記圧電体は前記振動板から前記個別電極に向かう方向に分極されており、
インク吐出動作時のみ、前記圧電体の分極方向と同方向の電界が作用するように前記個別電極にマイナス電位の駆動電圧波形を印加する電圧印加手段をさらに備えたことを特徴とする液体吐出装置。
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像形成装置。