JP2006321101A - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】液体の吐出効率を向上させる。
【解決手段】液体を吐出する吐出口に連通し、供給流路から液体が供給される圧力室と、前記圧力室の前記吐出口に対向する壁面を構成する圧電素子と、を備え、液体吐出時には、前記圧電素子のd33方向の変位により、前記圧力室内の液体を加圧するとともに、前記圧力室の隔壁と前記圧電素子の間に形成される間隙をリフィル時よりも狭くして前記圧力室側から前記供給流路側に向かう液体の流体抵抗がリフィル時より大きくなるように構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供することにより、前記課題を解決する。
【選択図】 図3
【解決手段】液体を吐出する吐出口に連通し、供給流路から液体が供給される圧力室と、前記圧力室の前記吐出口に対向する壁面を構成する圧電素子と、を備え、液体吐出時には、前記圧電素子のd33方向の変位により、前記圧力室内の液体を加圧するとともに、前記圧力室の隔壁と前記圧電素子の間に形成される間隙をリフィル時よりも狭くして前記圧力室側から前記供給流路側に向かう液体の流体抵抗がリフィル時より大きくなるように構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供することにより、前記課題を解決する。
【選択図】 図3
Description
本発明は、液体吐出ヘッド及び画像形成装置に係り、特に、圧電素子の変位を利用して圧力室に連通する吐出口から液体を吐出する液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。
従来より、多数のノズルが形成された印字ヘッド(液体吐出ヘッド)と記録媒体を相対的に移動させながら、各ノズルからインク滴を吐出することにより、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。このようなインクジェット記録装置に搭載される印字ヘッドの吐出方式には、圧電素子の変位を利用して、インクが充填される圧力室の容積を変化させ、圧力室内に充填されるインクを加圧し、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出する圧電方式のものがある。
例えば、特許文献1や特許文献2には、圧力室の壁面を構成する振動板を挟んで、圧力室及びその圧力室に対するインク供給流路に対向する位置に圧電素子が配置された印字ヘッドが記載されている。この印字ヘッドは、インク吐出時、圧電素子の変形により振動板がインク供給流路の断面積を狭くし、圧力室から共通液室に向かうインクの逆流を防止している。
また、特許文献3には、片持ち梁構造の弾性可動アクチュエータによってインク流路が分断され、一方はノズル側、他方は共通液室に連通する流路側となっている印字ヘッドが記載されている。この印字ヘッドでは、ノズル側に対するインク供給はインク流路の側壁と弾性可動アクチュエータの間隙を介して行われる。
また、特許文献4には、ノズル、圧力室(インクチャンバ)及び共通液室(インクプール)が1枚の基板で構成され、圧力室のノズル側と反対側に圧電素子が配置された印字ヘッドが記載されている。
さらに、特許文献5には、圧力室の内部にユニモルフ型の圧電素子を配置した印字ヘッドが記載されている。この印字ヘッドでは、圧力室の内壁面を構成する振動板上に圧電素子が固着されている。
特開平8−58085号公報
特開平11−123821号公報
特開平2−253962号公報
特開2001−334674号公報
特開2004−237676号公報
しかしながら、特許文献1や特許文献2に記載された印字ヘッドでは、圧力室内のインクは振動板を介して間接的に加圧されるため、圧電素子の変位に対するインクの吐出効率が悪いという課題がある。
また、特許文献3に記載された印字ヘッドでは、インク流路内に配置される弾性可動アクチュエータは、リフィル時にはノズル側の容積を増大させる方向に動作し、インク吐出時にはノズル側の容積を減少させる方向に動作するが、弾性可動アクチュエータの変位に対するインクの吐出効率については考慮されていない。
特許文献4に記載された印字ヘッドでは、ヘッドの信頼性や歩留まりの向上、ヘッドの小型化を実現することを目的として、ノズル、圧力室及び共通液室を1枚の基板で構成しているが、特許文献3と同様に、インクの吐出効率については考慮されていない。
特許文献5に記載された印字ヘッドでは、圧力室内のインクに接液する圧電素子は液滴吐出方向である縦方向の変位とそれに垂直な横方向の変位とが相反してしまい、圧電素子の変位に対するインクの吐出効率が悪いという課題がある。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、液体の吐出効率を向上させた液体吐出ヘッド及び画像形成装置を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、請求項1に記載の発明は、液体を吐出する吐出口に連通し、供給流路から液体が供給される圧力室と、前記圧力室の前記吐出口に対向する壁面を構成する圧電素子と、を備え、液体吐出時には、前記圧電素子のd33方向の変位により、前記圧力室内の液体を加圧するとともに、前記圧力室の隔壁と前記圧電素子の間に形成される間隙をリフィル時よりも狭くして前記圧力室側から前記供給流路側に向かう液体の流体抵抗がリフィル時より大きくなるように構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッドを提供する。
本発明によれば、液体吐出時、圧電素子のd33方向の変位で液体を直接加圧するため圧力の伝達効率が良い。また、圧力室から供給流路に向かうインクの逆流が防止されるので圧力損失が小さい。従って、圧電素子の変位に対する液体の吐出効率が向上する。
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の液体吐出ヘッドであって、前記圧電素子の前記吐出口側の表面は中央部が凹んだ略曲面状であることを特徴とする。
請求項2の態様によれば、圧力室内の液体に与えられる圧力の伝播方向が吐出口に集中するようになるので、圧力損失が小さく、液体の吐出効率が更に向上する。
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の液体吐出ヘッドであって、前記圧力室は、前記吐出口に向かって径が狭くなるテーパ部を有することを特徴とする。
請求項3の態様によれば、圧力室内の液体に与えられる圧力の伝播方向が吐出口に集中するようになるので、圧力損失が小さく、液体の吐出効率が更に向上する。
請求項4に記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッドであって、前記供給流路を介して前記圧力室に供給する液体を貯留する共通液室は、前記圧電素子を挟んで前記吐出口が形成される側の反対側に形成されていることを特徴とする。
請求項4の態様によれば、吐出口や圧力室の高密度配置が可能となる。
また、上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明は、請求項1乃至請求項4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を提供する。
本発明によれば、液体吐出時、圧電素子のd33方向の変位で液体を直接加圧するため圧力の伝達効率が良い。また、圧力室から供給流路に向かうインクの逆流が防止されるので圧力損失が小さい。従って、圧電素子の変位に対する液体の吐出効率が向上する。
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、本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の概略を示す全体構成図である。図1に示すように、この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印字ヘッド12K、12C、12M、12Yを有する印字部12と、各印字ヘッド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は、本発明に係る画像形成装置としてのインクジェット記録装置の概略を示す全体構成図である。図1に示すように、この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印字ヘッド12K、12C、12M、12Yを有する印字部12と、各印字ヘッド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を構成する各印字ヘッド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。
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印字ヘッド12K、12C、12M、12Yが配置されている。記録紙16を搬送しつつ各印字ヘッド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、印字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印字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、各印字ヘッド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印字ヘッド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、少なくとも各印字ヘッド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、各色の印字ヘッド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。
尚、インク色ごとに設けられている各印字ヘッド12K、12M、12C、12Yの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号50によって印字ヘッドを示すものとする。
〔印字ヘッドの構造〕
次に、本実施形態の印字ヘッド50の構造について説明する。
次に、本実施形態の印字ヘッド50の構造について説明する。
図2は、印字ヘッド50の一部を簡略化して表示した平面透視図である。図3は、図2中3−3線に沿う断面図であり、図4は、図2中4−4線に沿う断面図である。
本実施形態の印字ヘッド50は、図2に示すように、インク滴を吐出するノズル51が2次元状(マトリクス状)に配置されるとともに、ノズル51に対応する圧力室52も2次元状(マトリクス状)に配列されている。
圧力室52の平面形状は略円形状であり、ノズル51を略中心とする対称形状である(図2参照)。また、圧力室52の断面形状はインク吐出方向に向かって径が徐々に小さくなるテーパ状である(図3及び図4参照)。そして、圧力室52のインク吐出方向の先端はノズル51となっている。但し、圧電素子70に近い部分の圧力室52の断面形状はストレート形状としてもよい。このような構造により、後述するように、圧力室52内のインクに与えられた圧力がノズル51に集中するので、圧力損失が小さく、インクの吐出効率が良くなっている。尚、圧力室52の平面形状は略円形状に限定されず、ノズル51を略中心とする対称形状(例えば、多角形状)であればよい。
圧力室52のノズル51側と反対側には、テーパ状の圧力室52の最大径よりも大きな径の空間(円筒部)62aが形成されており、この円筒部62aに圧電素子70が配置されている。圧電素子70の構成については後で詳説するが、所定の肉厚を有する略円盤状の圧電体の両面(厚み方向の両面)に電極が配置された圧電素子であり、テーパ状の圧力室52の最大径よりも大きく、且つ、円筒部62aの径よりも小さく構成され、圧力室52の内部のインクに接液する部分には樹脂等のインク保護膜が形成されている。従って、圧力室52のノズル51側と反対側の壁面は、圧電素子70の上面によって構成される。また、後述するインク供給流路54の一部は、圧電素子70の上面端部によって構成される。尚、円筒部62aや圧電素子70の平面形状は略円形状に限定されず、多角形状でもよい。
この印字ヘッド50は、図3及び図4に示すように、圧電素子70が固着されるベースプレート60上に、円筒部62aが形成されるスペーサプレート62、及び、テーパ状の圧力室52が形成されるキャビティプレート64を積層した構造となっている。尚、本実施形態の印字ヘッド50のインク吐出側の面はキャビティプレート64で構成されているが、キャビティプレート64上にノズルプレートを積層して印字ヘッド50のインク吐出側の面をノズルプレートで構成するようにしてもよい。
ベースプレート60は、各圧力室52に供給するためのインクを貯留する共通液室55の上壁面を構成する。即ち、共通液室55は、圧電素子70が固着されるベースプレート60を挟んでノズル51や圧力室52が形成される側とは反対側に形成されており、ノズル51や圧力室52の高密度配置(例えば、1列で600dpi)が可能となっている。
スペーサプレート62の隔壁62b及びこれに対応するベースプレート60の部分には、共通液室55と圧力室52を連通するインク供給流路54が形成されている。インク供給流路54は、図3の垂直方向に延びる垂直部、その先端で図3の水平方向に延びる水平部、及び、圧電素子70の上面端部から構成される。
図5は、ベースプレート60上の圧電素子70を簡略化して表示した斜視図である。同図では、圧電素子70の構造に対する理解を容易にするため、図3及び図4に示したスペーサプレート62やキャビティプレート64の図示を省略している。
本実施形態の圧電素子70は伸び変形を利用した形態であり、所定の厚みを有する円盤状の圧電体72の両面に電極74、76(上部電極74、下部電極76)を配置した構造となっている。尚、ベースプレート60上の圧電素子70A、70Bはそれぞれ異なる圧力室52の内部に配置されるものであり、圧力室52の内部に充填されるインクに接液する部分には、前述したように、例えば、樹脂等で構成されるインク保護膜(不図示)が形成される。
後述するように各圧電素子70(70A、70B)の圧電体72の上面は中央部が凹んだ曲面形状となっており、図5に示すように、各圧電体72の上面には上部電極74が形成され、圧電体72の側面を通ってベースプレート60の端部にそれぞれ引き出されている。これに対して、各圧電体72の下面に配置される下部電極76はそれぞれ隣接する下部電極76と電気的に繋がって1つの共通電極として構成されており、この共通電極(下部電極)76はベースプレート60の端部に引き出されている。ベースプレート60の端部に引き出された電極74、76は不図示の駆動回路に外部配線を介して接続され、この駆動回路から所定の電圧が電極74、76間に印加されて、圧電素子70が駆動される。
尚、圧電素子70の構成は図5の態様に限定されず、例えば、ベースプレート60の表面全体に電極膜を形成してこれを共通電極としてもよいし、金属材料から構成されるベースプレート60を用いてこれを共通電極としてもよい。尚、これらの場合、ベースプレート60上の上部電極74の引き出し部74aと共通電極との間に絶縁層を設ける必要がある。
本明細書において「圧電素子」は、「電歪素子」と呼ばれるものを含む。圧電体72の圧電材料としては、例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)、チタン酸バリウム、PNN−PT−PZ系等のリラクサ系材料がある。また、電極74、76の電極材料としては、例えば、金、銀、銅、ニッケル、プラチナ等の金属や導電性金属酸化物がある。
図5の圧電素子70は、圧電体72の厚み方向(「縦方向」ともいう)に分極されており、電極74、76間に所定の電圧が印されると、電極74、76間の縦方向の電界に応じて歪み(「変位」ともいう)が生じる。以下、圧電素子70に生じる圧電素子70(圧電体72)の厚み方向の変位を「縦方向(又はd33方向)の変位」と称し、圧電素子70(圧電体72)の厚み方向とは直交する方向の変位を「横方向(又はd31方向)の変位」と称する。
図6(a)、(b)は、圧電素子70の変位の様子を表した説明図である。図6(a)はリフィル時を表しており、図6(b)はインク吐出時を表している。
共通液室55からインク供給流路54を介して圧力室52にインクが供給されるリフィル時には、圧電素子70に電圧が印加されない状態(圧電素子70の非駆動状態)となっている。このとき、図6(a)に示すように、圧電素子70の上面端部とキャビティプレート64のスペーサプレート62側の面との間に間隙78が形成され、圧力室52に対してインク供給流路54は開かれた状態となっており、共通液室55から圧力室52に対してインクの供給が可能な状態となっている。尚、圧電素子70の非駆動状態における間隙78が狭いとインクの流路抵抗となってリフィル性能に影響を及ぼす場合があるので、この間隙78が十分広くなるように構成されることが望ましい。尚、リフィルの態様として、上述した以外に、圧電素子70に電圧を印加した状態で吐出動作後に圧力室52内にインクを充填してもよい。
これに対して、ノズル51からインク滴を吐出するインク吐出時には、図6(b)に示すように、圧電素子70に電圧が印加される状態(圧電素子70の駆動状態)となっており、圧電素子70(圧電体72)の縦方向(d33方向)の変位により、圧力室52の容積が減少し、圧力室52内のインクが直接加圧される。
圧電素子70は、所定の電圧が印加された駆動状態において圧電素子70の一部がキャビティプレート64に接するように構成されている。具体的には、圧電素子70(圧電体72)の縦方向(d33方向)の変位により、圧電素子70(圧電体72)の上面端部がキャビティプレート64のスペーサプレート62側の表面に接するように構成されている。尚、本実施形態では、最も望ましい態様として、インク吐出時に圧電素子70の一部がキャビティプレート64に接する構成を示したが、圧力室52からインク供給流路54に向かうインクの流路抵抗がリフィル時に比べてインク吐出時の方が大きくなるように構成されていればよい。即ち、リフィル時における間隙78(図6(a)参照)がインク吐出時には小さくなるように構成されていればよい。これにより、インク吐出時に圧力室52から共通液室55に向かうインクの逆流が防止され、圧力室52内のインクに与えられる圧力の損失が小さくなり、インク吐出効率が良くなる。
また、前述したように、圧電素子70はテーパ状の圧力室52の最大径よりも大きく、且つ、円筒部62aの径よりも小さく構成されており、圧電素子70の側面が圧力室52の外側に配置される。従って、インク吐出時(即ち、圧電素子70の駆動時)において、圧電素子70(圧電体72)の横方向(d31方向)の変位による影響を受けずに、圧電素子70(圧電体72)の縦方向(d33方向)の変位で圧力室52内のインクを直接加圧することができる。即ち、圧電素子70(圧電体72)全体が圧力室52内に配置されている場合には、インク吐出時において、圧電素子70(圧電体72)の縦方向(d33方向)の変位による圧力室52の容積の変化と横方向(d31方向)の変位による圧力室52の容積の変化が相反することにより、結果的に圧力室52の容積変化がキャンセルされる現象(例えば、縦方向の変位による圧力室52の容積変化が増加する場合には横方向の変位による圧力室52の容積変化が減少)が生じるが、本実施形態では上記の如く構成することによって、横方向(d31方向)の変位によって圧力室52の容積変化がキャンセルされる現象はなくなり、この結果、インク吐出効率が向上している。
また、圧電素子70(圧電体72)の上面は中央部が凹んだ略曲面状に構成されている。具体的には、圧電素子70(圧電体72)のノズル51側の表面は、端部から中央部の厚さが徐々に薄くなる略曲面状に構成されている。即ち、圧電素子70(圧電体72)は、端部より中央部の方がその厚さが薄くなっている。特に、圧電素子70(圧電体72)はその上面の法線がノズル51の略中心を向くような略曲面状に構成されていることが最も望ましい。
このように中央部が凹んだ略曲面状の上面を有する圧電素子70は次のようにして製造される。即ち、図5に示すように、ベースプレート60に相当するフラットな基材上に、下部電極76に相当する電極層をスクリーン印刷等で形成した後、この電極層上にAD法(エアロゾルデポジション法)やスパッタ等を用いて圧電材料を成膜して上面が平面状の圧電体72を形成する。続いて、圧電体72の上面を略曲面状にレーザー等で加工した後、圧電体72上に上部電極74に相当する電極層をスクリーン印刷等で形成する。最後に、圧電素子70の表面に樹脂等の保護膜を形成する。このようにして本実施形態の圧電素子70を製造することができる。尚、フラットな基材に代えて、圧電素子70が配置される部分に曲面状の凹部が形成された基材を用いる場合には、この凹部に圧電材料を成膜することによって略曲面状の上面を有する圧電体72が形成されるので、レーザー等による加工が不要となる。
このように構成される圧電素子70を用いることによって、圧電素子70(圧電体72)の縦方向(d33方向)の変位で圧力室52内のインクはノズル51に略真っ直ぐ向かう方向(図6(b)の矢印方向)に加圧される。即ち、圧力室52内のインクに与えられる圧力の伝播方向がノズル51に集中する。さらに、圧力室52にはインク吐出方向(即ち、ノズル51側)に向かって径が徐々に小さくなるテーパ部52aが形成されているため、圧力室52内のインクはノズル51にさらに集中しやすくなる。この結果、圧力損失が小さくなり、インク吐出効率が更に向上する。
以上説明したように、本実施形態の印字ヘッド50では、インク吐出時(即ち、圧電素子70の駆動状態)において、圧力室52内に配置された圧電素子70の縦方向(d33方向)の変位で圧力室52内のインクを直接加圧することができる。また、インク吐出時には圧電素子70の縦方向(d33方向)の変位で圧力室52からインク供給流路54に向かう流路抵抗が大きくなり、圧力室52から共通液室55に向かうインクの逆流が防止される。また、圧電素子70(圧電体72)の側面は圧力室52の外側に配置されているので、圧電素子70の横方向(d31方向)の変位による影響を受けない。また、圧電素子70(圧電体72)はノズル51側の表面の中央部が凹んだ略曲面状となっており、更に、圧力室52にはインク吐出方向(即ち、ノズル51側)に向かって径が徐々に小さくなるテーパ部52aが形成されるため、圧力室52内のインクに与えられる圧力の伝播方向がノズル51に集中する。従って、圧力室52内のインクに与えられる圧力の損失は小さくなり、圧電素子70の変位に対するインクの吐出効率が向上する。
尚、本実施形態では、圧電素子70に電圧が印加された状態(駆動状態)がインク吐出時となり、圧電素子70に電圧が印加されない状態(非駆動状態)がリフィル時となる構成を示したが、本発明の実施に際してはこれに限定されず、圧電素子70の駆動状態がリフィル時で、圧電素子70の非駆動状態がインク吐出時であってもよい。
以上、本発明の液体吐出ヘッド及び画像形成装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
10…インクジェット記録装置、50…印字ヘッド、51…ノズル、52…圧力室、54…インク供給流路、55…共通液室、60…ベースプレート、62…スペーサプレート、64…キャビティプレート、70…圧電素子、72…圧電体、74…上部電極(電極)、76…下部電極(電極)
Claims (5)
- 液体を吐出する吐出口に連通し、供給流路から液体が供給される圧力室と、
前記圧力室の前記吐出口に対向する壁面を構成する圧電素子と、を備え、
液体吐出時には、前記圧電素子のd33方向の変位により、前記圧力室内の液体を加圧するとともに、前記圧力室の隔壁と前記圧電素子の間に形成される間隙をリフィル時よりも狭くして前記圧力室側から前記供給流路側に向かう液体の流体抵抗がリフィル時より大きくなるように構成されていることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 前記圧電素子の前記吐出口側の表面は中央部が凹んだ略曲面状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。
- 前記圧力室は、前記吐出口に向かって径が狭くなるテーパ部を有することを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の液体吐出ヘッド。
- 前記供給流路を介して前記圧力室に供給する液体を貯留する共通液室は、前記圧電素子を挟んで前記吐出口が形成される側の反対側に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項に記載の液体吐出ヘッド。
- 請求項1乃至請求項4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。
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