JP6089817B2 - 液体吐出ヘッド、画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は液体吐出ヘッド、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、液滴を吐出させるために個別流路を加圧したとき、個別流路で生じた圧力変動が、圧力波となって、複数の個別流路に液体を供給する共通液室（共通流路）にも伝播する。この共通液室に伝播した圧力波が、個別流路に逆伝播すると、個別流路の圧力を変動させ、ノズルのメニスカスを制御できなくなり、所要の滴速度、滴量（滴体積）で液滴を吐出できなくなったり、滴不吐出を引き起こすことになる。また、共通液室に伝播した圧力波が隣接する個別流路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。

そこで、従来、共通液室の壁面の一部を変形可能なダンパ領域とし（特許文献１）、あるいは、共通流路よりも上流側にバッファ室容積拡大部を設けるなどすることが行われている（特許文献２）。

特開２００７−３０７７７４号公報 特開２０１１−１６１９３４号公報

しかしながら、上述したように、共通液室（共通流路）にダンパ領域を設けるだけでは、個別流路の圧力変動が伝播するのを十分に抑制することができ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、個別液室の圧力変動が伝播するのをより確実に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がそれぞれ通じる個別液室及び前記個別液室に通じる液体供給路を含む複数の個別流路を形成する流路板を備え、
前記流路板には、前記液体供給路に通じ、気体を保持するバッファ室が設けられ、
隣り合う前記液体供給路に通じる共通の前記バッファ室を有している
構成とした。

本発明によれば、個別液室の圧力変動が伝播するのをより確実に抑制することができる。

本発明に係る液体吐出ヘッドの一例の説明に供する外観斜視説明図である。 図１のＡ―Ａ線に沿うノズル配列方向と直交する方向（液室長手方向）の断面説明図である。 図１のＢ−Ｂ線に沿うノズル配列方向（液室短手方向）の断面説明図である。 本発明の第１実施形態おける流路板の平面説明図である。 本発明の第２実施形態における流路板の平面説明図である。 本発明の第３実施形態における流路板の平面説明図である。 本発明の第４実施形態における流路板の平面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の一例の説明に供する機構部の側面説明図である。 同機構部の要部平面説明図である。

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。本発明に係る液体吐出ヘッドの一例について図１ないし図３を参照して説明する。図１は同ヘッドの外観斜視説明図、図２は図１のＡ―Ａ線に沿うノズル配列方向と直交する方向（液室長手方向）の断面説明図、図３は図１のＢ−Ｂ線に沿うノズル配列方向（液室短手方向）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、薄膜部材としての振動板部材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に連なって通じる個別液室６と、個別液室６に液体を供給する流体抵抗部７及び流体抵抗部７に連なる液導入部８からなる液体供給路７０とを形成している。ここでは、個別液室６、流体抵抗部７及び液導入部８（液体供給路７０）で個別流路５を構成している。なお、個別液室は、加圧室、圧力室、加圧液室などとも称される。

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、液導入部８、流体抵抗部７を経て、複数の個別液室６に液体（インク）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ＳＵＳ基板などの金属板にプレス加工を行って個別流路５などとなる溝部を形成している。なお、金属板を酸性エッチング液でエッチングして形成することもできるし、あるいは、シリコン基板をエッチングして形成することもできる。

振動板部材３は、流路板２の個別液室６の一部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。この振動板部材３も、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。

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を振動板部材３の振動領域３０に形成した島状の凸部３０ａに接合している。また、非駆動柱１２Ｂを振動板部材３の凸部３０ｂ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ＦＰＣ１５が接続されている。

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内に液体が流入する。

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から液導入部８、流体抵抗部７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、本発明の第１実施形態について図４を参照して説明する。図４は同実施形態における流路板の平面説明図である。なお、図４では流路部分に面塗りを施して示している（以下、同じとする。）。

流路板２には、隣り合う流体抵抗部７、７の間の隔壁部（隔壁領域）４０に、気体を保持したバッファ室４１が形成されている。バッファ室４１は、通路４２を通じて流体抵抗部７よりも上流側の液導入部８に通じている。なお、通路４２内も気体が保持される。

ここで、通路４２の開口断面積は液体供給路７０を構成している液導入部８の開口断面積よりも小さくしている。

なお、通路４２の開口断面積は図４におけるＣ−Ｃ線に沿う断面の断面積であり、液導入部８の開口断面積は図４におけるＤ−Ｄ線に沿う断面の断面積である。つまり、「開口断面積」は、流路板２の板厚方向に沿った方向の断面積である。また、バッファ室４１の開口断面積は通路４２の開口断面積と同じにしている。

これにより、インクを初期充填したときに、液導入部８から通路４２に向かうインクの流れを、インクの表面張力によって断面積が変化する箇所で阻止することができるので、バッファ室４１に確実に気体を残留（封入）することができる。

また、バッファ室４１の液吐出方向（紙面前後方向）の上下面は振動板部材３とノズル板４で閉じられる。このとき、バッファ室４１に通じる通路４２の開口断面積は、ヘッド組み立て時にバッファ室４１に貯まった空気を逃がさないように小さなものとしている。これにより、ヘッドを組み立てると、バッファ室４１に空気が保持される。その他、バッファ室４１に空気と異なる気体を充填することもできる。

このように構成したので、バッファ室４１の気体によって、個別液室６内で発生した圧力変動が共通液室１０側に伝播し、あるいは、共通液室１０側から個別液室６側に逆伝播するとき、バッファ室４１内の気体がダンパ機能を発揮し、圧力変動の伝播をより確実に抑制することができる。

この場合、バッファ室４１のダンパ機能だけで、個別液室６内で発生した圧力変動が共通液室１０側に伝播し、あるいは、共通液室１０側から個別液室６側に逆伝播することを抑制できるのであれば、共通液室１０側にダンパを設けない構成とできる。

共通液室１０側にダンパを設けないことで、ダンパ領域となる薄肉部材が不要になり、歩留まりの向上や共通液室を形成するフレーム部材の小型化を図ることができる。

ただし、共通液室１０側にダンパ領域（変形可能な壁面）を設け、バッファ室４１と併用することもできる。

そして、共通液室１０側のダンパと併用することで、共通液室１０側のダンパ部の小型化を図れ、これに伴って、フレーム部材の小型化を図ることができる。

なお、図４の例では、通路４２に対して屈曲させた方向にバッファ室４１を形成しているが、これに限らず、バッファ室４１を通路４２の直線上に形成しても良い。

次に、本発明の第２実施形態について図５を参照して説明する。図５は同実施形態における流路板の平面説明図である。

本実施形態では、バッファ室４１の開口断面積は、通路４２の開口断面積よりも大きく形成している。

なお、バッファ室４１の開口断面積は図５におけるＥ−Ｅに沿う断面の断面積であり、通路４２の開口断面積は上述したように図４におけるＣ―Ｃ線に沿う断面の断面積である。

これにより、本実施形態では、前記第１実施形態よりも、より大きなダンパ機能を発揮させることができる。

次に、本発明の第３実施形態について図６を参照して説明する。図６は同実施形態における流路板の平面説明図である。

本実施形態では、個別流路５の流体抵抗部７は、ノズル配列方向で、交互に異なる方向に偏って配置されている。そして、流体抵抗部７の偏りが反対になる隣り合う２つの流体抵抗部７，７の間に、隣り合う液体供給路７０、７０を構成する液導入部８、８に通じる共通のバッファ室４１を有している。

そして、ここでは、共通のバッファ室４１は、独立した通路４２、４２を通じてそれぞれ隣り合う液導入部８，８に通じている。

このように構成したので、前記第１、第２実施形態よりも、１つのバッファ室４１の容積を大きくすることができ、より大きなダンパ機能を発揮させることができる。

次に、本発明の第４実施形態について図７を参照して説明する。図７は同実施形態における流路板の平面説明図である。

本実施形態では、前記第３実施形態において、共通のバッファ室４１と隣り合う液導入部８、８とを通じる通路４２は、共通のバッファ室４１に通じる共通通路部分４２ａと、共通通路部分４２ａから分岐して隣り合う液導入部８、８に通じる個別通路部分４２ｂ、４２ｂとを有している構成としている。

このように構成することで、バッファ室４１内に気体を確実に封入することができる。

つまり、バッファ室４１内で保持する気体は、前述したように、インク初期充填時にインクがバッファ室４１に流入することが阻止されることで残留する気体である。ここで、インク初期充填は、インクを加圧して行うために、前記第３実施形態の構成では、一方の通路４２からバッファ室４１を経由して他方の通路４２に向かってインクが流れるおそれがある。

そこで、バッファ室４１に至る前に２本の通路を合流させて一体化することで、一方から流入して他方から流出することがなくなり、確実に気体をバッファ室４１内に残留させることができる。

なお、共通通路部分４２ａの開口断面積は、個別通路部分４２ｂの開口断面積よりも小さくすることができる。

以上の実施形態においては、液導入部が個別流路を構成する例で説明しているが、２以上ごとに液導入部が相互に通じている構成であって、また、すべての液導入部が通じている構成であっても、本発明を同様に適用することができる。

次に、本発明に係る画像形成装置の一例について図８及び図９を参照して説明する。図８は同装置の機構部の側面説明図、図９は同機構部の要部平面説明図である。

この画像形成装置はシリアル型画像形成装置であり、左右の側板２２１Ａ、２２１Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド２３１、２３２でキャリッジ２３３を主走査方向に摺動自在に保持している。そして、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ２３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドと同ヘッドに供給するインクを収容するタンクを一体化した記録ヘッド２３４を搭載している。記録ヘッド２３４は、複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有する。そして、一方の記録ヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を吐出する。また、他方の記録ヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を吐出する。なお、ここでは２ヘッド構成で４色の液滴を吐出する構成としているが、１ヘッド当たり４ノズル列配置とし、１個のヘッドで４色の各色を吐出させることもできる。

また、記録ヘッド２３４のタンク２３５には各色の供給チューブ２３６を介して、供給ユニットによって各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向する分離パッド２４４を備えている。

そして、この給紙部から給紙された用紙２４２を記録ヘッド２３４の下方側に送り込むために、用紙２４２を案内するガイド２４５と、カウンタローラ２４６と、搬送ガイド部材２４７と、先端加圧コロ２４９を有する押さえ部材２４８とを備えている。さらに、給送された用紙２４２を静電吸着して記録ヘッド２３４に対向する位置で搬送するための搬送手段である搬送ベルト２５１を備えている。

この搬送ベルト２５１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ２５２とテンションローラ２５３との間に掛け渡されて、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。また、この搬送ベルト２５１の表面を帯電させるための帯電手段である帯電ローラ２５６を備えている。この帯電ローラ２５６は、搬送ベルト２５１の表層に接触し、搬送ベルト２５１の回動に従動して回転するように配置されている。この搬送ベルト２５１は、図示しない副走査モータによってタイミングを介して搬送ローラ２５２が回転駆動されることによってベルト搬送方向に周回移動する。

さらに、記録ヘッド２３４で記録された用紙２４２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト２５１から用紙２４２を分離するための分離爪２６１と、排紙ローラ２６２及び排紙コロ２６３とを備え、排紙ローラ２６２の下方に排紙トレイ２０３を備えている。

また、装置本体の背面部には両面ユニット２７１が着脱自在に装着されている。この両面ユニット２７１は搬送ベルト２５１の逆方向回転で戻される用紙２４２を取り込んで反転させて、再度、カウンタローラ２４６と搬送ベルト２５１との間に給紙する。また、この両面ユニット２７１の上面は手差しトレイ２７２としている。

さらに、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構２８１を配置している。

この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）を備えている。また、維持回復機構２８１は、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２８３を備えている。また、維持回復機構は２８１は、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うときの液滴を受ける空吐出受け２８４などを備えている。

また、キャリッジ２３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに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うときの液滴を受ける空吐出受け２８８を配置している。この空吐出受け２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

このように構成したこの画像形成装置においては、給紙トレイ２０２から用紙２４２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙２４２はガイド２４５で案内され、搬送ベルト２５１とカウンタローラ２４６との間に挟まれて搬送される。更に、用紙２４２は、先端を搬送ガイド２３７で案内されて先端加圧コロ２４９で搬送ベルト２５１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

そして、帯電した搬送ベルト２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２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２４２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２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このように、この画像形成装置では、本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えるので、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る。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する。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、特に限定しない限り、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 個別流路
６ 個別液室
７ 流体抵抗部
８ 液導入部
１０ 共通液室
１２ 圧電部材
２０ フレーム部材
４０ 流体抵抗部間の隔壁部
４１ バッファ室
４２ 通路
７０ 液体供給路
２３３ キャリッジ
２３４ａ、２３４ｂ 記録ヘッド

Claims (7)

1. 液滴を吐出する複数のノズルがそれぞれ通じる個別液室及び前記個別液室に通じる液体供給路を含む複数の個別流路を形成する流路板を備え、
   前記流路板には、前記液体供給路に通じ、気体を保持するバッファ室が設けられ、
   隣り合う前記液体供給路に通じる共通の前記バッファ室を有している
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. 共通の前記バッファ室は、独立した通路を通じてそれぞれ隣り合う前記液体供給路に通じている
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 共通の前記バッファ室と隣り合う前記液体供給路とを通じる通路は、共通の前記バッファ室に通じる共通通路部分と、前記共通通路部分から分岐して隣り合う前記液体供給路に通じる個別通路部分とを有している
   ことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記液体供給路は、前記個別液室の上流側に流体抵抗部を有し、
   前記バッファ室は、隣り合う前記個別流路の前記流体抵抗部間に配置され、
   前記バッファ室は、前記流体抵抗部よりも上流側で前記液体供給路に通じている
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記バッファ室と前記液体供給路とを通じる通路を有し、
   前記通路の開口断面積は、前記液体供給路の開口断面積よりも小さく、
   前記バッファ室の開口断面積は、前記通路の開口断面積よりも大きい
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
6. 液滴を吐出する複数のノズルがそれぞれ通じる個別液室及び前記個別液室に通じる液体供給路を含む複数の個別流路を形成する流路板を備え、
   前記流路板には、前記液体供給路に通じ、気体を保持するバッファ室が設けられ、
   前記バッファ室は、通路を介して、前記液体供給路と通じており、
   前記通路は、前記液体供給路における液体の流れの方向に沿って形成されている
   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を備えていることを特徴とする画像形成装置。

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