JP6593087B2 - 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。

インク吐出用のノズルを備えた記録ヘッドに対して転写シート等の被記録媒体を相対的に移動させつつ、印字信号に応じて記録ヘッドからインクを吐出させることにより被記録媒体上にインク液滴を付着させ、そのインクドットによって被記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置としては、記録が必要なときにのみインクの微小液滴を吐出するオンデマンド方式の液滴吐出装置を備えたものが主流となっている。

液滴吐出装置としては、インクを充填した液室（共通液室）の壁部の一部に振動板を設け、圧電アクチュエータ等により振動板を変位させて液室内の圧力を高めてノズルからインク液滴を吐出させる圧電式と、通電によって発熱する発熱体を液室内に設け、発熱体の発熱により生じる気泡によって液室内の圧力を高めてインク液滴を吐出させるサーマル式とが知られている。何れの方式においても、液滴吐出装置を駆動させるための駆動回路からの駆動信号により圧力発生源を駆動させ、ノズルからインク液滴を吐出させて被記録媒体上に付着させている。

このような液滴吐出装置が有する共通液室の壁面の一部には、ノズルからのインク吐出時に発生する圧力伝播を吸収するための弾性または可撓性を有するダンパ構造を設ける技術が知られている（例えば「特許文献１」参照）。

上述した液滴吐出装置では、液滴吐出ヘッドの小型化のために共通供給流路と共通循環流路とが圧力室の長手方向に対して同じ方向に配置される。しかし上述したダンパ構造では、循環構造において共通供給流路と共通循環流路とが圧力室の長手方向に対して同じ方向に配置される場合において、共通供給流路にダンパ構造を設けることができなかった。これにより、戻る波が液滴吐出に悪影響を及ぼすという問題点があった。
本発明は、上述した問題点を解決し、共通供給流路と共通循環流路とが圧力室に対して同じ方向に配置される場合においても共通供給流路にダンパ構造を設けることが可能な液滴吐出ヘッド及び画像形成装置の提供を目的とする。

本発明は、液滴を吐出する複数のノズルにそれぞれ連通された複数の圧力室と、複数の前記圧力室に液体を供給する供給流路と、複数の前記圧力室からの液体の一部が戻される循環流路と、前記圧力室内に圧力を発生させるエネルギ発生素子と、連通口を介して前記供給流路と前記循環流路とを連通する流路とを備え、前記圧力室の長手方向において前記供給流路及び前記循環流路は前記圧力室と並列して配置され、前記供給流路及び前記連通する流路の双方が対向する部位にはそれぞれ薄膜部が形成されると共に各薄膜部間には空間部が形成され、前記供給流路から前記圧力室に供給された液体を前記循環流路へと循環させつつ前記エネルギ発生素子により前記圧力室内に圧力を発生させて前記ノズルから液滴を吐出させることを特徴とする。

本発明によれば、圧力室の長手方向において供給流路と循環流路とが圧力室に対して同じ側に配置され、小型化を達成することが可能な液滴吐出ヘッドにおいて、供給流路と循環流路とが対向する部位に薄膜部間に挟まれた空間部、すなわちダンパ構造を配置することができる。これにより、戻る波である残留圧力振動が液滴吐出に悪影響を及ぼすという問題点の発生を抑制することができ、吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

本発明の一実施形態を適用可能なインクジェットヘッドの概略側面図である。 本発明の一実施形態を適用可能なインクジェットヘッドの概略正面図である。 本発明の第１の実施形態を示すインクジェットヘッドの概略側面図である。 本発明の第２の実施形態を示すインクジェットヘッドの概略側面図である。 本発明の第３の実施形態を示すインクジェットヘッドの概略側面図である。 本発明の第４の実施形態を示すインクジェットヘッドの概略側面図である。 本発明の第５の実施形態に用いられるインクジェットヘッドを一体化した液体カートリッジの概略斜視図である。 本発明の第６の実施形態に用いられるインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置の概略斜視図である。 本発明の第６の実施形態に用いられるインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置の概略正面図である。

図１は、本発明の一実施形態を適用可能な液滴吐出ヘッドとしての、従来のインクジェットヘッドの側面図を、図２は同正面図をそれぞれ示している。このインクジェットヘッド１０は、インク供給口１ａ、共通供給液室１ｂ、インク排出口１ｃ、共通循環液室１ｄが形成されたフレーム１と、流体抵抗部２ａ、圧力室である圧力発生室２ｂ、共通供給流路２ｄが形成された供給流路板２Ｃとを有している。さらにインクジェットヘッド１０は、圧力発生室２ｂを介して供給流路としての共通供給流路２ｄと循環流路としての共通循環流路２ｅとを連通する連通口２ｃが形成された連通流路板２Ｂと、共通循環流路２ｅが形成された循環流路板２Ａと、複数のノズル３ａが形成されたノズル板３とを有している。さらにインクジェットヘッド１０は、凸部６ａ、ダイヤフラム部６ｂを有する振動板６と、振動板６に接合されたエネルギ発生素子としての積層圧電素子５と、積層圧電素子５を固定しているベース４とを備えている。

ベース４はステンレス材からなり、積層圧電素子５を２列に配置して接合している。積層圧電素子５はハーフカットのダイシング加工により櫛歯状に分割され、一つ毎に駆動部５ａと非駆動部である支持部５ｂとして使用する。駆動部５ａには、図示しないドライバが実装されたＦＰＣ７が半田接合されており、これにより駆動部５ａへの駆動電圧印加を制御している。

振動板６は、薄膜のダイヤフラム部６ｂと、ダイヤフラム部６ｂの中央部に形成した駆動部５ａとなる積層圧電素子５と接合する島状凸部（アイランド部）である凸部６ａと、梁を含む厚膜部と、電鋳工法により開口を形成されたニッケル合金メッキ膜とを２層重ねることにより形成されている。凸部６ａと駆動部５ａとの接合及び振動板６とフレーム１との接合は、ギャップ材を含んだ接着層をパターニングして接着している。

循環流路板２Ａ及び連通流路板２Ｂ及び供給流路板２Ｃを含む流路板２はステンレス材からなり、流体抵抗部２ａ、圧力発生室２ｂ、連通口２ｃ、共通供給流路２ｄ、共通循環流路２ｅをそれぞれプレス工法で作製している。プレス工法で残された部分が、圧力発生室２ｂの隔壁２ｆとなる。また、このインクジェットヘッド１０では、打ち抜き幅を狭くする部分を設けてこれを流体抵抗部２ａとしている。

ノズルプレート３は、金属材料例えばステンレス材をプレス加工により形成したものであり、インク液滴を飛翔させるための微細な吐出口であるノズル３ａが多数形成されている。ノズル３ａは、その内部（内側）形状がテーパ状を呈し、直径が吐出側で約２０〜３５μｍ、ピッチが１５０ｄｐｉとなるようにそれぞれ形成されている。インク供給口１ａと共通供給液室１ｂとが形成されたフレーム１は、ステンレス材の切削加工によって形成されている。

上述のように構成されたインクジェットヘッド１０では、記録信号に応じて駆動部５ａに１０〜５０Ｖのパルス電圧からなる駆動波形が印加されることにより、駆動部５ａに積層方向の変位が生じて振動板６を介して圧力発生室２ｂが加圧され、圧力が上昇してノズル３ａからインク液滴が吐出される。その後、インク液滴吐出の終了に伴い圧力発生室２ｂ内のインク圧力が減少し、インクの流れの慣性と駆動パルスの放電過程とによって圧力発生室２ｂ内に負圧が発生し、インク充填工程へと移行する。このとき、インクタンクから供給されたインクは共通供給液室１ｂに流入し、共通供給液室１ｂから図示しないインク流入口及び流体抵抗部２ａを介して圧力発生室２ｂ内に充填される。

流体抵抗部２ａは、インク液滴吐出後の残留圧力振動の減衰に効果がある反面、表面張力による最充填（リフィル）に対して抵抗となる。流体抵抗部２ａを適宜に選択することにより、残留圧力の減衰とリフィル時間とのバランスが取れ、次のインク液滴吐出動作に移行するまでの時間（駆動周期）を短くすることができる。

しかし上述した構成のインクジェットヘッド１０では、圧力発生室２ｂの長手方向において共通供給流路２ｄと共通循環流路２ｅとが図１において同じ右側に配置されている構成である。このため、共通供給流路２ｄと共通循環流路２ｅとの対向部にはダンパ構造が構成できず、連通流路板２Ｂのみで両者が仕切られているために液滴吐出に悪影響を及ぼすという問題点があった。そこで、この問題点を解決する本発明の特徴部の構成を以下に説明する。

図３は、本発明の第１の実施形態を適用した液滴吐出ヘッドとしてのインクジェットヘッドを示している。このインクジェットヘッド９は、図１に示したインクジェットヘッド１０と比較すると、連通流路板２Ｂの上下に循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅを設けた点、共通供給液室１ｂの上方であって各流路板２Ｄ，２Ｅに挟まれた領域に空間部である気体貯留室２ｇを形成した点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。

循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅは、連通流路板２Ｂに比して十分に厚みが薄い、例えばステンレスの金属板によってそれぞれ構成されている。これにより、共通供給流路２ｄと共通循環流路２ｅとが対向する部位に循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅを配置することができる。ここで、循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅはそれぞれ薄膜部として機能する。また、各薄膜部間には空間部である気体貯留室２ｇが形成される。

上述の構成により、圧力発生室２ｂの長手方向において共通供給流路２ｄと共通循環流路２ｅとが圧力発生室２ｂに対して同じ側に配置され、小型化を達成することが可能なインクジェットヘッド９において、共通供給流路２ｄと共通循環流路２ｅとが対向する部位に薄膜部間に挟まれた空間部、すなわちダンパ構造を配置することができる。これにより、戻る波である残留圧力振動が液滴吐出に悪影響を及ぼすという問題点の発生を抑制することができ、吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

図４は、本発明の第２の実施形態を示している。この第２の実施形態は、上述した第１の実施形態と比較すると、気体貯留室２ｇを囲む循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅの外周部に、さらに薄膜化された最薄膜部２ｈがそれぞれ形成されている点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。

この第２の実施形態によれば、気体貯留室２ｇを囲む循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅがさらに変形し易くなり、第１の実施形態に比してさらに効率よく残留圧力振動を減衰することができ、さらに吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

図５は、本発明の第３の実施形態を示している。この第３の実施形態は、上述した第１の実施形態と比較すると、気体貯留室２ｇの内部に振動減衰部材２ｉを配設した点、すなわち気体貯留室２ｇの内部を振動減衰部材２ｉで充填した点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。振動減衰部材としては、粘弾性物質が用いられる。

この第３の実施形態によれば、気体貯留室２ｇ及び循環ダンパ流路板２Ｄ及び供給ダンパ流路板２Ｅからなるダンパ構造における振動周期を遅らせることができる。これにより、第１の実施形態に比してさらに効率よく残留圧力振動を減衰することができ、さらに吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

図６は、本発明の第４の実施形態を示している。この第４の実施形態は、上述した第１の実施形態と比較すると、連通流路板２Ｂと供給ダンパ流路板２Ｅとの間に仕切流路板２Ｆ，２Ｇを設けた点、連通流路板２Ｂと仕切流路板２Ｆにそれぞれ彫り込みを形成して第１の空間部２ｊと第２の空間部２ｋを形成した点においてのみ相違しており、他の構成は同一である。この構成において、仕切流路板２Ｇによって第１の空間部２ｊと第２の空間部２ｋとが隔てられており、仕切流路板２Ｇは隔壁として機能する。

この第４の実施形態によれば、第１の空間部２ｊによって循環側のダンパ構造を、第２の空間部２ｋによって供給側のダンパ構造をそれぞれ形成することができ、各ダンパ構造はそれぞれ他方のダンパ構造の影響を受けない構成とすることができる。これにより、第１の実施形態に比してさらに効率よく残留圧力振動を減衰することができ、さらに吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

上述した第４の実施形態の変形例として、第１の空間部２ｊ及び第２の空間部２ｋの少なくとも一方に第３の実施形態と同様の振動減衰部材を配設することにより、第４の実施形態に比してさらに効率よく残留圧力振動を減衰することができ、さらに吐出性能が良好な液滴吐出ヘッドを提供することができる。

次に本発明の第５の実施形態として、上述したインクジェットヘッド９を一体化した液体カートリッジを説明する。
図７に示す液体カートリッジとしてのインクカートリッジ８０は、ノズル３ａ等を有するインクジェットヘッド９と、インクジェットヘッド９にインクを供給するインクタンク８２とを一体化したものである。このようなインクタンク８２とインクジェットヘッド９とを一体的に有するインクカートリッジ８０では、インクジェットヘッド９を小型化することによりインクカートリッジ８０の小型化及び低コスト化を実現することができる。

次に本発明の第６の実施形態として、上述したインクジェットヘッド９を搭載した画像形成装置としてのインクジェット記録装置を図８及び図９に基づいて説明する。
インクジェット記録装置９０は、その装置本体内部に主走査方向に対して移動可能でありインクジェットヘッド９を搭載するキャリッジ９８を有している。また装置本体内部には、インクジェットヘッド９及びインクジェットヘッド９にインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等が収納されている。装置本体の下部には、前方側から多数枚の転写シート９２を積載可能な給紙カセット（給紙トレイでもよい）９３が抜き差し自在に装着されている。さらに装置本体には、転写シート９２を手差しで給紙する際に開放される手差しトレイ９４が配設されている。インクジェット記録装置９０は、給紙カセット９３または手差しトレイ９４から給紙される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所望の画像を記録した後、画像形成後の用紙９２を後面側に配設された排紙トレイ９５に排出する。

印字機構部９１は、図示しない左右の側板に掛け渡されたガイド部材である主ガイドロッド９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８とを主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ９８には、イエロ（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色インク液滴を吐出するインクジェットヘッド９が設けられている。インクジェットヘッド９は、複数のノズルが主走査方向と交差する方向に並ぶ態様で、インク液滴吐出方向を下方に向けて装着されている。

キャリッジ９８には、インクジェットヘッド９に各色インクを供給する各インクカートリッジ９９が交換可能に装着されている。インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口を、下方にインクジェットヘッド９へインクを供給する供給口をそれぞれ有している。インクカートリッジ９９の内部にはインクが充填された多孔質体が設けられており、多孔質体の毛管力によってインクジェットヘッド９に供給されるインクを僅かな負圧に維持している。また、インクジェットヘッド９としては各色個別のものを用いているが、各色のインク液滴を吐出するノズルを有する単一の液滴吐出ヘッドを用いてもよい。

キャリッジ９８は、後方側である用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装され、前方側である用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置されている。キャリッジ９８を主走査方向に移動走査させるため、主走査モータ１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を掛け渡し、タイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定している。この構成より、主走査モータ１０１の正逆回転によってキャリッジ９８が往復移動される。

一方、給紙カセット９３にセットした転写シート９２をインクジェットヘッド９の下方側へと搬送するため、給紙カセット９３から転写シート９２を分離給送する給紙ローラ１０５及びフリクションパッド１０６が配設されている。また、転写シート９２を案内するガイド部材１０７、給紙された転写シート９２を反転させて搬送する搬送ローラ１０８が配設されている。さらに、搬送ローラ１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９、搬送ローラ１０８から転写シート９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０が設けられている。搬送ローラ１０８は、図示しない副走査モータによってギヤ列を介して回転駆動される。

キャリッジ９８の主走査方向における移動範囲に対応し、搬送ローラ１０８から送り出された転写シート９２をインクジェットヘッド９の下方位置で案内するため、用紙ガイド部材である印写受け部材１１１が配設されている。印写受け部材１１１の記録媒体搬送方向下流側には、転写シート９２を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１２及び拍車１１３が設けられている。また、さらに転写シート９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラ１１４及び拍車１１５と、排紙経路を形成するガイド部材１１６，１１７が配設されている。

上述のインクジェット記録装置９０では、記録時においてキャリッジ９８を移動させつつ画像信号に応じてインクジェットヘッド９を駆動する。これにより、停止している転写シート９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後に転写シート９２を所定量搬送した後に次の行の記録を行う。記録終了信号または転写シート９２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、インクジェット記録装置９０は記録動作を終了させて転写シート９２を排紙する。

キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェットヘッド９の吐出不良を回復させるための回復装置１１８が配設されている。回復装置１１８は、キャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。キャリッジ９８は印字待機中に回復装置１１８側に移動され、キャッピング手段でインクジェットヘッド９をキャッピングし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の発生を防止している。また、記録途中等に記録とは関係のないインクを吐出（空吐出）することにより、全てのノズルのインク粘度を一定にさせて安定した吐出状態を維持している。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェットヘッド９のノズルを密封し、チューブを通して吸引手段によりノズルからインクと共に気泡等を吸い出す。そして、ノズル面に付着したインクやごみ等をクリーニング手段によって除去し、これにより吐出不良が回復する。また、吸引したインクは本体下部に設けられた図示しない廃インク溜まりに排出され、廃インク溜まり内部に設けられたインク吸収体に吸収保持される。

上述したインクジェット記録装置９０では、本発明のインクジェットヘッド９を搭載しているので、装置の小型化を図ることができると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、画像品質を向上させることができる。上述の説明ではインクジェットヘッド９としてインクを吐出するものを示したが、本発明が適用可能な液滴はインクには限られず、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する装置にインクジェットヘッド９を適用してもよい。さらには遺伝子分析試料を吐出する装置にインクジェットヘッド９を適用してもよい。また、本発明が適用可能な画像形成装置はプリンタには限られず、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これ等の複合機にも本発明は適用可能である。

上述したインクジェット記録装置９０では、画像が形成される記録媒体として転写シート９２を示した。この転写シート９２とは記録紙には限定されず、厚紙、ハガキ、封筒、普通紙、薄紙、塗工紙（コート紙やアート紙等）、トレーシングペーパ等も含まれる。また用紙以外の記録媒体として、ＯＨＰシート、ＯＨＰフィルム、樹脂フィルム等、シート状を呈し画像形成可能な物質であればどのようなものを用いてもよい。

以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定しない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を例示したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

２Ｄ 薄膜部（循環ダンパ流路板）
２Ｅ 薄膜部（供給ダンパ流路板）
２Ｇ 隔壁（仕切流路板）
２ｂ 圧力室（圧力発生室）
２ｄ 供給流路（共通供給流路）
２ｅ 循環流路（共通循環流路）
２ｇ 空間部（気体貯留室）
２ｈ 最薄膜部
２ｉ 振動減衰部材
３ａ ノズル
５ エネルギ発生素子（積層圧電素子）
９ 液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）
９０ 画像形成装置（インクジェット記録装置）

特開２０１５−７４２２８号公報

Claims (6)

1. 液滴を吐出する複数のノズルにそれぞれ連通された複数の圧力室と、
   複数の前記圧力室に液体を供給する供給流路と、
   複数の前記圧力室からの液体の一部が戻される循環流路と、
   前記圧力室内に圧力を発生させるエネルギ発生素子と、
   連通口を介して前記供給流路と前記循環流路とを連通する流路とを備え、
   前記圧力室の長手方向において前記供給流路及び前記循環流路は前記圧力室と並列して配置され、
   前記供給流路及び前記連通する流路の双方が対向する部位にはそれぞれ薄膜部が形成されると共に各薄膜部間には空間部が形成され、
   前記供給流路から前記圧力室に供給された液体を前記循環流路へと循環させつつ前記エネルギ発生素子により前記圧力室内に圧力を発生させて前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記薄膜部はその外周部にさらに薄膜化された最薄膜部を有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項１または２記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記空間部には振動減衰部材が配設されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１または２記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記空間部には前記空間部を前記供給流路側と前記連通する流路側とに隔てる隔壁が設けられ、前記空間部は第１の空間部と第２の空間部とに分断されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 請求項４記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記第１の空間部と前記第２の空間部との少なくとも一方には振動減衰部材が配設されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１ないし５の何れか一つに記載の液滴吐出ヘッドを有することを特徴とする画像形成装置。

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