JP6024884B2 - 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、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば液滴を吐出する液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）からなる記録ヘッドを用いた液体吐出記録方式の画像形成装置としてインクジェット記録装置などが知られている。

液体吐出ヘッドにおいては、液滴を吐出するとき、個別液室の圧力を上昇させる必要がある。ここで、個別液室で発生する圧力は、ノズルから液滴を吐出させると同時に、液体供給路を通じて共通液室へと伝播する。共通液室に圧力が伝播して、再び個別液室側へ伝わると、個別液室内の圧力を予期しない値に変動させる要因となり、液滴を所望の滴量、速度で吐出させることができなくなり、噴射不良を引き起こす。特に、同時に複数の個別液室を加圧して液滴を吐出させる場合、共通液室に個別液室から伝えられる圧力は非常に大きなものとなり、噴射不良が発生しやすい。また、共通液室に伝播した圧力変動が隣接する加圧液室に伝播して液体にも影響が及ぶ相互干渉が生じると、意図しないノズルからの液滴の漏洩や吐出、吐出状態の不安定を誘発することになる。その結果、高品位な画像出力を得ることを妨げることになる。

そこで、従来、例えば、個別液室と共通液室とをつなぐ連通部に液体が通過可能な振動吸収体を設ける構成、共通液室内やその外面にダンパ部材やダンパ室を配置するものなどが知られている（特許文献１、２）。

特開２０００−０４３２５２号公報 特許第４３９４９７３号公報

ところで、画像形成装置の高速化を図るためには、連続吐出の間隔を短くする必要があり、連続吐出の間隔を短くするためには、個別液室で発生して共通液室に伝播する圧力波を滴吐出後速やかに減衰させる必要がある。

ここで、特許文献１に開示されているように共通液室から個別液室への供給口に振動減衰部材を配置することで、個別液室で発生した圧力波が共通液室に伝播することを早期に抑制できる。

しかしながら、特許文献１に開示されている構成にあっては、振動減衰部材が供給口を塞いでおり、ヘッドの高速駆動に伴って、共通液室から個別液室への液体供給が間に合わなくなり、滴吐出不良を発生し易くな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、液体の供給不足を生じることなく、個別液室から共通液室への圧力変動の伝播を抑制することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の請求項１に係る液体吐出ヘッドは、
液滴を吐出する複数のノズルと、
前記ノズルが通じる複数の個別液室と、
前記複数の個別液室に通じる複数の液体供給路と、
前記複数の液体供給路に液体を供給する共通液室と、を備え、
前記複数の液体供給路を相互に通じる共通通路が設けられ、
前記共通通路と変形可能な第１隔壁を挟んでダンパ室が配置され、
ダンパ室は、変形可能な第２隔壁を挟んで前記共通液室に対向し、
前記共通液室と前記複数の液体供給路との間には、前記液体をろ過するフィルタ部が設けられている
構成とした。

本発明によれば、液体の供給不足を生じることなく、個別液室から共通液室への圧力変動の伝播を早期に抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。 同じく図１のＡ−Ａ線に沿うノズル配列方向の断面説明図である。 同じく図１のＢ−Ｂ線に沿うでノズル配列方向の断面説明図である。 同ヘッドにおけるダンパ構成の詳細の説明に供する平面説明図である。 同じく流路板の下面説明図である。 同じく振動板部材の要部平面説明図である。 本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。 本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。 本発明の第４実施形態に係る液体吐出ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の機構部の概略構成図である。

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。本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図１ないし図３を参照して説明する。図１は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図、図２は同じく図１のＡ−Ａ線に沿うノズル配列方向の断面説明図、図３は同じく図１のＢ−Ｂ線に沿うでノズル配列方向の断面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、ノズル板１と、流路板（液室基板）２と、振動板部材３とを積層接合している。そして、振動板部材３を変位させる圧電アクチュエータ１１と、共通流路部材としてフレーム部材２０とを備えている。

ノズル板１、流路板２及び振動板部材３によって、液滴を吐出する複数のノズル４が通じる個別液室（加圧液室、圧力室、加圧室、流路などとも称される。）６、個別液室６に液体を供給する流体抵抗部７と、流体抵抗部７に連なる液導入部８とを形成している。

ここでは、液導入部８から流体抵抗部７までの流路で液体供給路５を構成している。

そして、フレーム部材２０の共通流路としての共通液室１０から振動板部材３に形成したフィルタ部９を通じて、液体供給路５を経て複数の個別液室６に液体を供給する。

ここで、ノズル板１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）で製造したものを用いている。これに限らず、その他の金属部材、樹脂部材、樹脂層と金属層の積層部材などを用いることができる。ノズル板１には、各個別液室６に対応して例えば直径１０〜３５μｍのノズル４を形成し、流路板２と接着剤接合している。また、このノズル板１の液滴吐出側面（吐出方向の表面：吐出面、又は個別液室６側と反対の面）には撥水層を設けている。

流路板２は、例えばステンレス板をプレス加工やエッチング加工して、個別液室６、流体抵抗部７、液導入部８及び後述する共通通路４１、空気室（ダンパ室）４２などを構成する溝部を形成している。

振動板部材３は、流路板２の個別液室６の壁面を形成する壁面部材を兼ね、個別液室６に対応する部分に変形可能な振動領域３０を有している。また、この振動板部材３は、共通液室１０と液導入部８との間のフィルタ部９を形成する。フィルタ部９には、ノズル径よりも小さく、液体の中の異物をろ過するフィルタ孔９１が形成されている。

そして、この振動板部材３の個別液室６とは反対側に、振動板部材３の振動領域３０を変形させる駆動手段（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ１１を配置している。

この圧電アクチュエータ１１は、ベース部材１３上に接着剤接合した複数の積層型圧電部材１２を有し、圧電部材１２にはハーフカットダイシングによって溝加工して１つの圧電部材１２に対して所要数の圧電柱１２Ａ、１２Ｂを所定の間隔で櫛歯状に形成している。

圧電部材１２の圧電柱１２Ａ、１２Ｂは、同じものであるが、駆動波形を与えて駆動させる圧電柱を駆動圧電柱（駆動柱）１２Ａ、駆動波形を与えないで単なる支柱として使用する圧電柱を非駆動圧電柱（非駆動柱）１２Ｂとして区別している。

そして、駆動柱１２Ａは振動板部材３の振動領域３０に接合している。また、非駆動柱１２Ｂは個別液室間隔壁６ａに対応して振動板部材３に接合している。

この圧電部材１２は、圧電層と内部電極とを交互に積層したものであり、内部電極がそれぞれ端面に引き出されて外部電極が設けられ、駆動柱１２Ａの外部電極に駆動信号を与えるための可撓性を有するフレキシブル配線基板としてのＦＰＣが接続される。

フレーム部材２０は、例えばエポキシ系樹脂或いは熱可塑性樹脂であるポリフェニレンサルファイト等で射出成形により形成し、図示しないヘッドタンクや液体カートリッジから液体が供給される共通液室１０が形成されている。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば駆動柱１２Ａに印加する電圧を基準電位から下げることによって駆動柱１２Ａが収縮し、振動板部材３の振動領域３０が下降して個別液室６の容積が膨張することで、個別液室６内に液体が流入し、その後駆動柱１２Ａに印加する電圧を上げて駆動柱１２Ａを積層方向に伸長させ、振動板部材３の振動領域３０をノズル４方向に変形させて個別液室６の容積を収縮させることにより、個別液室６内の液体が加圧され、ノズル４から液滴が吐出（噴射）される。

そして、駆動柱１２Ａに印加する電圧を基準電位に戻すことによって振動板部材３の振動領域３０が初期位置に復元し、個別液室６が膨張して負圧が発生するので、このとき、共通液室１０から液体供給路５を通じて個別液室６内に液体が充填される。そこで、ノズル４のメニスカス面の振動が減衰して安定した後、次の液滴吐出のための動作に移行する。

なお、このヘッドの駆動方法については上記の例（引き−押し打ち）に限るものではなく、駆動波形の与えた方によって引き打ちや押し打ちなどを行なうこともできる。

次に、この液体吐出ヘッドにおけるダンパ構成の詳細について図４ないし図６を参照して説明する。図４は流路板の平面説明図、図５は流路板の下面説明図、図６は振動板部材の要部平面説明図である。

液体供給路５を構成する液導入部８と流体抵抗部７との間には、それぞれの液体供給路５を相互に通じる共通通路４１を設けている。

そして、共通通路４１と共通液室１０との間には空気室であるダンパ室４２が配置されている。ダンパ室４２は、空気抜き路４６を介して大気に通じている。

このダンパ室４２と共通通路４１とを隔てる第１隔壁４３は、共通通路４１の壁面を形成する。また、ダンパ室４２と共通液室１０とを隔てる第２隔壁４４は、共通液室１０の壁面を形成する。

そして、ダンパ室４２と共通通路４１とを隔てる第１隔壁４３と、ダンパ室４２と共通液室１０とを隔てる第２隔壁４４とは、いずれも変形可能な部材で形成され、共通通路４１、共通液室１０内の圧力変動を減衰させるダンパとして機能する。

これらのダンパとして機能する第１隔壁４３及び第２隔壁４４は、個別液室６で発生した圧力波を吐出後に素早く減衰させる程度の薄い部材であり、その厚みは材質によっても異なるが例えば金属製の薄板の場合は数μｍから数十μｍ程度にて形成される。

ここで、共通通路４１は、流路板２のノズル板１との接合面側に形成した凹部によって構成されている。また、流路板２の振動板部材３との接合面側に、共通通路４１と対応する位置に凹部を形成し、振動板部材３と接合することでダンパ室（空気室）４２を形成している。

そして、流路板２で形成される第１隔壁４３は薄肉部とすることで変形可能な流路板ダンパとし、振動板部材３で形成される第２隔壁４４は薄肉部とすることで変形可能な振動板ダンパとしている。

なお、振動板部材３には、図６にも示すように、前述したように共通液室１０と液導入部８との間のフィルタ部９を形成する多数のフィルタ孔９１が設けられている。フィルタ孔９１の配置は、千鳥状でもよいし、格子状でもよい。

このように、本実施形態の液体吐出ヘッドにおいては、振動板部材３にフィルタ部９を設け、フィルタ部９よりも下流側に複数の液体供給路５を通じる共通通路４１を設けることで、個別液室６への異物侵入を防ぐとともに、フィルタ部９に異物が滞留することによって生じる供給量低下を防止することができる。

そして、共通通路４１に隣接して空気室（ダンパ室）４２を配置し、共通通路４１とダンパ室４２との間の第１隔壁４３をダンパとすることで、個別液室６から液体供給路５を通じて共通液室１０に伝播する圧力変動を早期に減衰させることができる。

また、共通液室１０の壁面のみにダンパを配置する場合と比較すると、共通通路４１にもダンパを配置することができるので、ヘッド幅を変えずにダンパ面積を倍にすることができ、で圧力変動を早く減衰させることができる。一方、ダンパ面積を変えないとすると、ダンパの投影面積では面積を半分にすることができるので、ヘッドの狭幅化を実現できる。

次に、本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図７を参照して説明する。図７は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。

本実施形態では、共通通路４１は、個別液室６と液導入部８を挟んで反対側に配置している。

このように構成しても、フィルタ部９の下流側に共通通路４１が配置されているので、個別液室６から液体供給路５を通じて共通液室１０に伝播する圧力変動を早期に減衰させることができる。

次に、本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図８を参照して説明する。図８は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。

本実施形態では、流路板２は、第１流路板２ａと、第２流路板２ｂとを積層して構成している。第１流路板２ａは、ダンパ室４２の側壁部（側壁外周部）４２ａを形成している。第２流路板２ｂは、ダンパ室４２の第１隔壁４３及び共通通路４１を形成している。なお、第１流路板２ａ、第２流路板２ｂには、個別液室６、流体抵抗部７、液導入部８などを形成する貫通部や溝部が形成される。

このように構成することで、個々の流路形状の加工が容易になり、加工コストを低減できる。

次に、本発明の第４実施形態に係る液体吐出ヘッドについて図９を参照して説明する。図９は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向の断面説明図である。

本実施形態では、流路板２は、第１流路板２ａと、第３流路板２ｃと、第４流路板２ｄとを順次積層して構成している。第１流路板２ａは、前記第１実施形態と同様に、ダンパ室４２の側壁部（側壁外周部）４２ａを形成している。第３流路板２ｃは、ダンパ室４２の第１隔壁４３を形成している。第４流路板２ｄは、共通通路４１を形成している。なお、第１流路板２ａ、第３流路板２ｃ、第４流路板２ｄには、個別液室６、流体抵抗部７、液導入部８などを形成する貫通部や溝部が形成される。

このように構成することで、更に個々の流路形状の加工が容易になり、加工コストを低減できる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る画像形成装置の一例について図１０を参照して説明する。図１０は同装置の機構部の機構部全体の概略構成図である。

この画像形成装置は、ライン型画像形成装置であり、装置本体４０１の内部に画像形成部４０２等を有し、装置本体４０１の下方側に多数枚の記録媒体（用紙）４０３を積載可能な給紙トレイ４０４を備えている。

そして、給紙トレイ４０４から給紙される用紙４０３を取り込み、搬送機構４０５によって用紙４０３を搬送しながら画像形成部４０２によって所要の画像を記録した後、装置本体４０１の側方に装着された排紙トレイ４０６に用紙４０３を排紙する。

また、装置本体４０１に対して着脱可能な両面ユニット４０７を備え、両面印刷を行うときには、一面（表面）印刷終了後、搬送機構４０５によって用紙４０３を逆方向に搬送しながら両面ユニット４０７内に取り込み、反転させて他面（裏面）を印刷可能面として再度搬送機構４０５に送り込み、他面（裏面）印刷終了後排紙トレイ４０６に用紙４０３を排紙する。

ここで、画像形成部４０２は、例えばブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の液滴を吐出する、フルライン型の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド４１１ｋ、４１１ｃ、４１１ｍ、４１１ｙ（色を区別しないときには「記録ヘッド４１１」という。）を備えている。

各記録ヘッド４１１は液滴を吐出するノズルを形成したノズル面を下方に向けてヘッドホルダ４１３に装着している。なお、フルライン型とは、１つで１ライン分を構成する場合も、複数のヘッドを千鳥状に配置して１ライン分を構成する場合のいずれも含まれる。

また、各記録ヘッド４１１に対応してヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構４１２ｋ、４１２ｃ、４１２ｍ、４１２ｙ（色を区別しないときには「維持回復機構４１２」という。）を備えている。

そして、パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド４１１と維持回復機構４１２とを相対的に移動させて、記録ヘッド４１１のノズル面に維持回復機構４１２を構成するキャッピング部材などを対向させる。

なお、ここでは、記録ヘッド４１１は、用紙搬送方向上流側から、ブランク、シアン、マゼンタ、イエローの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。

また、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた１又は複数のヘッドを用いることもできるし、ヘッドとこのヘッドにインクを供給する液体カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。

給紙トレイ４０４の用紙４０３は、給紙コロ（半月コロ）４２１と図示しない分離パッドによって１枚ずつ分離され装置本体４０１内に給紙され、搬送ガイド部材４２３のガイド面４２３ａに沿ってレジストローラ４２５と搬送ベルト４３３との間に送り込まれる。その後、所定のタイミングでガイド部材４２６を介して搬送機構４０５の搬送ベルト４３３に送り込まれる。

また、搬送ガイド部材４２３には両面ユニット４０７から送り出される用紙４０３を案内するガイド面４２３ｂも形成されている。更に、両面印刷時に搬送機構４０５から戻される用紙４０３を両面ユニット４０７に案内するガイド部材４２７も配置している。

搬送機構４０５は、駆動ローラである搬送ローラ４３１と従動ローラ４３２との間に掛け渡した無端状の搬送ベルト４３３と、この搬送ベルト４３３を帯電させるための帯電ローラ４３４と、画像形成部４０２に対向する部分で搬送ベルト４３３の平面性を維持するプラテン部材４３５と、搬送ベルト４３３から送り出す用紙４０３を搬送ローラ４３１側に押し付ける押さえコロ４３６と、その他図示しないが、搬送ベルト４３３に付着したインクを除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなるクリーニングローラなどを有している。

この搬送機構４０５の下流側には、画像が記録された用紙４０３を排紙トレイ４０６に送り出すための排紙ローラ４３８及び拍車４３９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、搬送ベルト４３３は矢示方向に周回移動し、高電位の印加電圧が印加される帯電ローラ４３４と接触することで帯電され、この高電位に帯電した搬送ベルト４３３上に用紙４０３が給送されると、用紙４０３は搬送ベルト４３３に静電的に吸着される。このようにして、搬送ベルト４３３に強力に吸着した用紙４０３は反りや凹凸が校正され、高度に平らな面が形成される。

そして、搬送ベルト４３３を周回させて用紙４０３を移動させ、記録ヘッド４１１から液滴を吐出することで、用紙４０３上に所要の画像が形成され、画像が記録された用紙４０３は排紙ローラ４３８によって排紙トレイ４０６に排紙される。

このように、この画像形成装置においては、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高速で、高画質画像を安定して形成することができる。

なお、本願において、「用紙」とは材質を紙に限定するものではなく、ＯＨＰ、布、ガラス、基板などを含み、インク滴、その他の液体などが付着可能なものの意味であり、被記録媒体、記録媒体、記録紙、記録用紙などと称されるものを含む。また、画像形成、記録、印字、印写、印刷はいずれも同義語とする。

また、「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（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。

また、「インク」とは、特に限定しない限り、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用い、例えば、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料、樹脂なども含まれる。

また、「画像」とは平面的なものに限らず、立体的に形成されたものに付与された画像、また立体自体を三次元的に造形して形成された像も含まれる。

また、画像形成装置には、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。

１ ノズル板
２ 流路板
３ 振動板部材
４ ノズル
５ 液体供給路
６ 個別液室
７ 流体抵抗部
８ 液導入部
９ フィルタ部
１２ 圧電部材
１７ フレーム部材
４１１ｋ、４１１ｃ、４１１ｍ、４１１ｙ 記録ヘッド

Claims (8)

1. 液滴を吐出する複数のノズルと、
   前記ノズルが通じる複数の個別液室と、
   前記複数の個別液室に通じる複数の液体供給路と、
   前記複数の液体供給路に液体を供給する共通液室と、を備え、
   前記複数の液体供給路を相互に通じる共通通路が設けられ、
   前記共通通路と変形可能な第１隔壁を挟んでダンパ室が配置され、
   前記ダンパ室は、変形可能な第２隔壁を挟んで前記共通液室に対向し、
   前記共通液室と前記複数の液体供給路との間には、前記液体をろ過するフィルタ部が設けられている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 液滴を吐出する複数のノズルと、
   前記ノズルが通じる複数の個別液室と、
   前記複数の個別液室に通じる複数の液体供給路と、
   前記複数の液体供給路に液体を供給する共通液室と、を備え、
   前記複数の液体供給路を相互に通じる共通通路が設けられ、
   前記共通通路と変形可能な第１隔壁を挟んでダンパ室が配置され、
   前記ダンパ室は、変形可能な第２隔壁を挟んで前記共通液室に対向し、
   前記第１隔壁は、前記個別液室を形成する流路板で形成され、
   前記第２隔壁は、前記個別液室の一部の壁面を形成する振動板部材で形成されている
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
3. 前記共通液室と前記複数の液体供給路との間には、前記液体をろ過するフィルタ部が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記ダンパ室の側壁部及び前記第１隔壁は、前記個別液室を形成する流路板で形成され、
   前記流路板は、少なくとも前記ダンパ室の側壁部を形成する第１流路板と、少なくとも前記ダンパ室の前記第１隔壁を形成する第２流路板との積層部材である
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記ダンパ室の側壁部及び前記第１隔壁は、前記個別液室を形成する流路板で形成され、
   前記流路板は、少なくとも前記ダンパ室の側壁部を形成する第１流路板と、少なくとも前記ダンパ室の前記第１隔壁を形成する第３流路板と、少なくとも前記共通通路を形成する第４流路板とを順次積層した積層部材である
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記複数の液体供給路は、前記共通液室から液体を導入する液導入部と、前記液導入部と前記個別液室との間の流体抵抗部とを有し、
   前記共通通路は、前記液導入部と前記流体抵抗部との間に配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記複数の液体供給路は、前記共通液室から液体を導入する液導入部を有し、
   前記共通通路は、前記個別液室に対して前記液導入部を挟んで反対側に配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし７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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