JP3933378B2 - Inkjet head, inkjet recording apparatus, and image forming apparatus - Google Patents

Inkjet head, inkjet recording apparatus, and image forming apparatus Download PDF

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  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置、画像形成装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置（画像形成装置を含む。）に用いられるインクジェット記録装置におけるインクジェットヘッドとして、インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通するインク流路（インク室、圧力室、吐出室、加圧室、加圧液室などとも称される。）と、このインク流路の壁面を形成する第一電極を兼ねる振動板と、これに対向する対向電極（第二電極）とを備え、振動板を静電気力で変形変位させてノズルからインク滴を吐出させる静電型インクジェットヘッドが知られている。
【０００３】
ここで、従来の静電型インクジェットヘッドにおいては、各ノズルから吐出される一回当たりのインク吐出量を一定に安定させ、印字品質を安定化させるために、その振動板と対向電極との間の微小ギャップ（隙間）の寸法精度を高精度にして、振動板の変位量を精度よく一定に制御し保たなければならないが、現状の技術では極めて難しい技術である。
【０００４】
また、静電気力を利用して振動板を変形変位させる静電型では、圧電素子を利用して振動板を変形変位させる圧電型のものに比べて、同じ電圧で発生できる吐出圧力が非常に低く、しかも発生圧力は距離の逆数の二乗に比例するので、圧電型と同等の吐出圧力を得るには圧電型に比べて倍以上の非常に高い駆動電圧が必要となり、ヘッドコストも高くなる。
【０００５】
そのため、静電型インクジェットヘッドにおいて、低電圧駆動を行うためには、振動板と対向電極との間のギャップをより小さくすることが好ましいことではあるが、ギャップをより小さくすると、より強い静電引力が働くため、変形した振動板が対向電極に接触し、ギャップ部において気体の絶縁破壊や電界放出などによる放電の大電流が瞬間的に流れ、対向電極を溶融したり、対向電極と振動板とが短絡を生じたりしてヘッドを破壊するおそれがある。
【０００６】
そこで、特開平７−２１４７６９号公報に記載されているように、振動板側の対向電極に対向する面側に酸化膜や窒化膜等の絶縁膜を設け、また、対向電極としてＩＴＯから成る酸化物導電体を使用し、振動板を絶縁膜を介して対向電極に当接させることにより、振動板の変位量を一定に安定化させ、ギャップ部での短絡によるヘッド破壊を回避するようにしている。
【０００７】
ところが、このようなヘッドにおいて、振動板と対向電極との間に電圧を印加し、絶縁膜を介して振動板を対向電極側へ当接させた場合、振動板側の絶縁膜、及び対向電極側の誘電体に電荷が残留し、その残留電荷が作り出す電界により振動板と対向電極との相対変位量が低下する。この相対変位量の低下は、インク滴の吐出量やインク滴の吐出速度の低下等を招き、吐出不良の原因となり、例えば印字濃度や画素ずれ等の印字品質不良や画素抜け等の信頼性の低下を招くという問題を有している。
【０００８】
そのため、更に特開平９−１３６４１３号公報記載のインクジェットヘッドでは、上記残留電荷を除去しながらインク吐出を行うために、１滴のインク吐出動作毎に極性の異なる駆動電圧を交互に対向電極へ印加するように構成している。すなわち、極性の異なる駆動電圧を交互に対向電極へ印加することにより、各極性の電圧で振動板と対向電極との間に発生した残留電荷を打ち消し合うことが可能となり、その結果、振動板と対向電極との相対変位量を一定に保つことができ、安定したインク滴吐出動作を維持することが可能となるというものである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の静電型インクジェットヘッドにあっては、残留電荷を除去し安定したインク吐出を行うために、極性の異なる駆動電圧源を別に設けなければならないので、装置が大型化する。また、駆動回路に使用される他の素子の耐電圧としても、両極性分の電圧に耐えうる必要性があるため、インクを吐出させる駆動電圧値よりも倍の耐電圧を有した素子を使用しなければならず、駆動回路側のコストが高くなってしまうといった問題を抱えている。
【００１０】
さらに、対向電極へ極性の異なる駆動電圧を交互に印加することにより残留電荷を打ち消しあっているだけに過ぎず、本質的に残留電荷が未発生の状態となっているわけではない。
【００１１】
したがって、例えば、対向電極へ印加される駆動電圧信号は画像信号に応じて印加されるわけであるが、画像信号に依っては、片方の極性の駆動電圧ばかりで印字されるような画像パターンもあり、その場合には、各極性の電圧での残留電荷の蓄積量が異なり、各電圧極性での振動板と対向電極との相対変位量が徐々に低下して異なってくるため、やはり、前述したように安定したインク吐出動作を行うことが困難となり、印字品質不良が発生するという課題がある。
【００１２】
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、安定したインク滴吐出動作を行うことができるインクジェットヘッド、画像品質が安定し装置構成が簡単なインクジェット記録装置及び画像形成装置を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッドは、振動板が変形して接触可能な接触対向部を設け、振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と接触対向部とが同電位となる構成としたものである。
【００１４】
ここで、対向電極の表面積に対する前記接触対向部の表面積の比の値が１／２を超えないことが好ましい。
【００１５】
本発明に係るインクジェットヘッドは、振動板が変形して接触可能で、且つ、振動板と同電位になる接触対向部を複数有し、これら複数の接触対向部を結線し同電位とした構成としたものである。
【００１６】
ここで、振動板と複数の接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と複数の接触対向部とが同電位となる構成とすることが好ましい。
【００１７】
本発明に係るインクジェット記録装置及び画像形成装置は、振動板が変形して接触可能な接触対向部を有するインクジェットヘッドを搭載し、このインクジェットヘッドの振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と接触対向部とが同電位となる構成としたものである。
【００１８】
ここで、インクジェットヘッドの振動板が変形して接触対向部に接触するまでの間は前記スイッチング手段をオフ状態とし、振動板が接触対向部に接触した後にスイッチング手段をオン状態にする制御手段を設けることが好ましい。
【００１９】
また、インクジェットヘッドの振動板が変形して接触対向部に接触した後にスイッチング手段をオン状態とし、振動板が対向電極との間に駆動波形が印加されなくなった後にスイッチング手段をオフ状態にする制御手段を設けることが好ましい。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。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機構部の概略斜視説明図、図２は同機構部の側面説明図である。
【００２１】
このインクジェット記録装置は、記録装置本体１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへのインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部２等を収納し、装置本体１の下方部には前方側から多数枚の用紙３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙３を手差しで給紙するための手差しトレイ５を開倒することができ、給紙カセット４或いは手差しトレイ５から給送される用紙３を取り込み、印字機構部２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ６に排紙する。
【００２２】
印字機構部２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド１１と従ガイドロッド１２とでキャリッジ１３を主走査方向（図２で紙面垂直方向）に摺動自在に保持し、このキャリッジ１３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッドからなる記録ヘッド１４をインク滴吐出方向を下方に向けて装着し、キャリッジ１３の上側には記録ヘッド１４に各色のインクを供給するための各インクタンク（インクカートリッジ）１５を交換可能に装着している。
【００２３】
ここで、キャリッジ１３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド１２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１７で回転駆動される駆動プーリ１８と従動プーリ１９との間にタイミングベルト２０を張装し、このタイミングベルト２０をキャリッジ１３に固定している。
【００２４】
また、記録ヘッドとしてここでは各色の記録ヘッド１４を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドでもよい。さらに、記録ヘッド１４として用いるインクジェットヘッドは、インク流路壁面を形成する振動板とこれに対向する電極との間の静電気力で振動板を変位させてインクを加圧する静電型のものを用いている。
【００２５】
一方、給紙カセット４にセットした用紙３を記録ヘッド１４の下方側に搬送するために、給紙カセット４から用紙３を分離給送する給紙ローラ２１及びフリクションパッド２２と、用紙３を案内するガイド部材２３と、給紙された用紙３を反転させて搬送する搬送ローラ２４と、この搬送ローラ２４の周面に押し付けられる搬送コロ２５及び搬送ローラ２４からの用紙３の送り出し角度を規定する先端コロ２６とを設けている。搬送ローラ２４は副走査モータ２７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００２６】
そして、キャリッジ１３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ２４から送り出された用紙３を記録ヘッド１４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材２９を設けている。この印写受け部材２９の用紙搬送方向下流側には、用紙３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ３１、拍車３２を設け、さらに用紙３を排紙トレイ６に送り出す排紙ローラ３３及び拍車３４と、排紙経路を形成するガイド部材３５，３６とを配設している。
【００２７】
また、キャリッジ１３の移動方向右端側には記録ヘッド１４の信頼性を維持、回復するための信頼性維持回復機構（以下「サブシステム」という。）３７を配置している。キャリッジ１３は印字待機中にはこのサブシステム３７側に移動されてキャッピング手段などで記録ヘッド１４をキャッピングされる。
【００２８】
次に、このインクジェット記録装置の記録ヘッド１４を構成する本発明に係るインクジェットヘッドについて図３乃至６を参照して説明する。図３は本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図、図４は同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図、図５は同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図、図６は図５の要部拡大説明図である。
【００２９】
このインクジェットヘッドは、単結晶シリコン基板、多結晶シリコン基板、ＳＯＩ基板などのシリコン基板等を用いた第一基板である振動板／液室基板４１と、この振動板／液室基板４１の下側に設けたシリコン基板、パイレックスガラス基板、セラミックス基板等を用いた第二基板である電極基板４２と、振動板／液室基板４１の上側に設けた第三基板であるノズル板４３とを備え、インク滴を吐出する複数のノズル４４、各ノズル４４が連通するインク流路である吐出室４６、各吐出室４６にインク供給路を兼ねた流体抵抗部４７を介して連通する共通液室４８などを形成している。
【００３０】
振動板／液室基板４１にはノズル４４が連通する複数の吐出室４６及びこの吐出室４６の壁面である底部をなす振動板５０（電極を兼ねている）を形成する凹部を形成し、ノズル板４３にはノズル４４となる孔及び流体抵抗部４７を形成する溝を形成し、また振動板／液室基板４１と電極基板４２には共通液室４８を形成する貫通部を形成している。
【００３１】
ここで、振動板／液室基板４１は、例えば単結晶シリコン基板を用いた場合、予め振動板厚さにボロンを注入してエッチングストップ層となる高濃度ボロン層を形成し、電極基板４２と接合した後、吐出室４６となる凹部をＫＯＨ水溶液などのエッチング液を用いて異方性エッチングすることにより、このとき高濃度ボロン層がエッチングストップ層となって振動板５０が高精度に形成される。また、ベース基板に酸化膜を介して活性層基板を接合してなるＳＯＩ基板を用いて、酸化膜をエッチングストップとしてエッチングを行うことで活性層基板からなる振動板を形成することもできる。
【００３２】
なお、振動板５０に別途第一電極となる電極膜を形成してもよいが、上述したように不純物の拡散などによって振動板が電極を兼ねるようにしている。また、振動板５０の電極基板４２側の面に絶縁膜を形成することもできる。この絶縁膜としてはＳiＯ2等の酸化膜系絶縁膜、Ｓi3Ｎ4等の窒化膜系絶縁膜などを用いることができる。絶縁膜の成膜は、振動板表面を熱酸化して酸化膜を形成したり、成膜手法を用いたりすることができる。
【００３３】
また、電極基板４２にはパイレックスガラス（硼珪酸系ガラス）基板を用いて、このパイレックスガラス基板に凹部５４を形成して、この凹部５４底面に振動板５０に対向する対向電極５５ａ、５５ｂを設け、振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間にギャップ５６を形成し、これらの振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとによってアクチュエータ部（エネルギー発生手段）を構成している。このとき、凹部５４の深さはギャップ５６の長さを規定することになる。なお、電極基板４２にはセラミック基板、シリコン基板なども用いることもでき、導電性を有するシリコン基板を用いた場合には酸化層を形成して、この酸化層に凹部５４を形成する。
【００３４】
対向電極５５ａ、５５ｂ表面にはＳiＯ2膜などの酸化膜系絶縁膜、Ｓi3Ｎ4膜などの窒化膜系絶縁膜からなる誘電絶縁膜５７を成膜している。なお、上述したように対向電極５５ａ、５５ｂ表面に絶縁膜５７を形成しないで、振動板５０側に絶縁膜を形成することもできる。
【００３５】
また、電極基板４２の対向電極５５ａ、５５ｂとしては、金、或いは、通常半導体素子の形成プロセスで一般的に用いられるＡｌ、Ｃｒ、Ｎｉ等の金属材料や、Ｔｉ、ＴｉＮ、Ｗ等の高融点金属、または不純物により低抵抗化した多結晶シリコン材料などを用いることができる。
【００３６】
さらに、電極基板４２の凹部５４内には、図５及び図６に示すように、振動板短手方向の略中央部で対向電極５５ａと電極５５ｂとの間に、振動板５０が変形したときに接触する金等の電気的伝導性を有する材質の接触対向部５８を設けている。この振動板５０の接触対向部５８は、第２基板４２の凹（段）部５４内で振動板短手方向略中央部に設けている。また、振動板５０と接触対向部５８までの距離の方を振動板５０と電圧印加される対向電極５５ａ、５５ｂまでの距離よりも短くするため、凹（段）部５４内に凸部５４ａを一ヵ所設け、その凸部５４ａ上に接触対向部５８を形成している。
【００３７】
そして、接触対向部５８と振動板／液室基板４１の振動板５０とが接触したときに同電位とできるように、配線５９及びスイッチング素子６０を介して相互に接続し、更に振動板５０側が電気的にＧＮＤ（接地）電位となるように配線５９は接地している。ただし、スイッチング素子６０がオン状態になって接触対向部５８と振動板／液室基板４１の振動板５０とが接触したときに同電位となるのであれば、接地する必要はなく、ある電位に接続されていても良い。
【００３８】
スイッチング素子６０としては、メカニカルな接点スイッチを使用することもできるが、トランジスタ素子、アナログ／デジタルスイッチ、サイリスタ素子のＩＣ素子を用いる方が、オン／オフ制御が容易になる。
【００３９】
これらの振動板／液室基板４１と電極基板４２との接合は陽極接合で行っている。陽極接合は、基板間に電圧（−３００Ｖ〜−５００Ｖ程度）を印加することで比較的低温（３００℃〜４００℃）で精密な接合を行うことができる。
【００４０】
このような陽極接合を確実に行うには、基板の接合界面で基板同士の共有結合が生じるように振動板／液室基板（第１基板４１）、或いは電極基板（第２基板）４２のどちらかがアルカリイオンを多く含む基板であることが必要があり、また、接合する際、熱応力による基板同士の歪みが少なくなるように基板同士の熱膨張係数が比較的一致している材料を選択することが好ましい。
【００４１】
ここでは、上記のように第１基板４１に単結晶のシリコン基板を使用し、第２基板４２にＮａ等のアルカリイオンを多く含み、シリコン基板と比較的熱膨張係数が一致するパイレックスガラス（硼珪酸系ガラス）基板を使用するため、基板同士の熱歪みの少ない確実な接合が得られる。
【００４２】
なお、電極基板４２がシリコンで形成される場合、酸化膜を介した直接接合法を用いることができる。この直接接合は１０００℃程度の高温化で実施する。また、電極基板４２をシリコンで形成して、陽極接合を行う場合には、電極基板４２と振動板／液室基板４１との間にパイレックスガラスを成膜し、この膜を介して陽極接合を行うこともできる。さらに、振動板／液室基板４１と電極基板４２にシリコン基板を使用して金等のバインダーを接合面に介在させた共晶接合で接合することもできる。
【００４３】
ノズル板４３には、多数のノズル４４を形成するとともに、共通液室４８と吐出室４６を連通するための流体抵抗部４７を形成する溝部を形成している。ここでは、インク吐出面（ノズル表面側）には撥水性皮膜を成膜している。このノズル板４３にはステンレス基板を用いているが、この他、エレクトロフォーミング（電鋳）工法によるニッケルメッキ膜、ポリイミド等の樹脂にエキシマレーザー加工をしたもの、金属プレートにプレス加工で穴加工をしたもの等でも用いることができる。
【００４４】
また、撥水性皮膜は、フッ素系樹脂微粒子であるポリテトラフルオロエチレン微粒子を分散させた電解又は無電解ニッケル共析メッキ（ＰＴＦＥ−Ｎi共析メッキ）によるメッキ皮膜で形成することができる。
【００４５】
このインクジェットヘッドではノズル４４を二列配置し、この各ノズル４４に対応して吐出室４６、振動板５０、対向電極５５ａ，５５ｂなども二列配置し、各ノズル列の中央部に共通液室４８を配置して、左右の吐出室４６にインクを供給する構成を採用している。これにより、簡単なヘッド構成で多数のノズルを有するマルチノズルヘッドを構成することができる。
【００４６】
そして、対向電極５５ａは外部に延設して接続部（電極パッド部）５５Ａとし、これにヘッド駆動回路であるドライバＩＣ６１をＦＰＣケーブル６２上へのフリップチップボンドによって実装し，そのＦＰＣケーブル６２とインクジェットヘッドとを異方性導電膜などを介して接続している。また、スイッチング素子６０をオン／オフ制御するためにＦＰＣケーブル６２を介して図示しない制御部に接続している。
【００４７】
また、電極基板４２とノズル板４３との間（ギャップ５６入口）はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤６３にて気密封止し、ギャップ５６内に湿気が侵入して振動板５０が変位しなくなるのを防止している。
【００４８】
さらに、インクジェットヘッド全体をフレーム部材６５上に接着剤で接合している。このフレーム部材６５にはインクジェットヘッドの共通液室４８に外部からインクを供給するためのインク供給穴６６を形成しており、またＦＰＣケーブル６２等はフレーム部材６５に形成した穴部６７に収納される。
【００４９】
このフレーム部材６５とノズル板４３との間はエポキシ樹脂等の接着剤を用いたギャップ封止剤６８にて封止し、撥水性を有するノズル板４３表面のインクが電極基板４２やＦＰＣケーブル６２等に回り込むことを防止している。
【００５０】
そして、このヘッドのフレーム部材６５にはインクカートリッジとのジョイント部材７０が連結されて、フレーム部材７５に熱融着したフィルタ７１を介してインクカートリッジからインク供給穴７６を通じて共通液室４８にインクが供給される。
【００５１】
次に、このインクジェット記録装置の制御部の概要について図７を参照して説明する。
この制御部は、この記録装置全体の制御を司るマイクロコンピュータ（以下、「ＣＰＵ」と称する。）８０と、所要の固定情報を格納したＲＯＭ８１と、ワーキングメモリ等として使用するＲＡＭ８２と、ホスト側から転送される画像データを処理したデータを格納する画像メモリ８３と、パラレル入出力（ＰＩＯ）ポート８４と、入力バッファ８５と、パラレル入出力（ＰＩＯ）ポート８６と、波形生成回路８７と、ヘッド駆動回路６１及びドライバ８９等を備えている。
【００５２】
ここで、ＰＩＯポート８４にはホスト側から画像データなどの各種情報、図示しない操作パネルからの信頼性回復指示情報等の各種指示情報、用紙の始端、終端を検知する紙有無センサからの検知信号、キャリッジ１３のホームポジション（基準位置）を検知するホームポジションセンサ等の各種センサからの信号等が入力され、またこのＰＩＯポート８４を介してホスト側や操作パネル側に対して所要の情報が送出される。
【００５３】
また、波形生成回路８７は、インクジェットヘッドの振動板５０と対向電極５５ａ，５５ｂとの間にインク滴を吐出させる駆動波形を生成して出力する。この波形生成回路８７にはＤ／Ａ変換器を用いてＣＰＵ８０から与えられる電圧データをＤ／Ａ変換することにより所定の駆動電圧の駆動波形（駆動パルス）を生成出力するようにしている。
【００５４】
さらに、ＣＰＵ８０は、ヘッド駆動回路（ドライバＩＣ）６１に対してＰＩＯポート８６を介して印字信号等の各種データ及び信号を与え、所定の駆動タイミングで所定のチャンネルを駆動するために、記録ヘッド１４の各ノズル４４に対応するエネルギー発生手段（振動板５０と電極５５ａ，５５ｂ）に対して駆動波形を印加させる。また、ＣＰＵ８０は、ヘッド駆動回路６１に対して印字信号を出力するときに、所定のタイミングで記録ヘッド１４に設けた各チャンネルのスイッチング素子６０からなるスイッチング素子アレイ６０Ａに対してＰＩＯポート８６を介してオン／オフ信号（スイッチ駆動信号）を出力する。
【００５５】
さらに、ドライバ８９は、ＰＩＯポート８６を介して与えられる駆動データに応じて主走査モータ１７及び副走査モータ２７を各々駆動制御することで、キャリッジ１３を主走査方向に移動走査し、搬送ローラ２４を回転させて用紙３を所定量搬送させる。
【００５６】
次に、以上のように構成したインクジェットヘッド及びインクジェット記録装置の作用について図８をも参照して説明する。
記録ヘッド１４を構成しているインクジェットヘッドの対向電極５５ａ、５５ｂにドライバＩＣ（ヘッド駆動回路）６１によって正のパルス電圧（駆動波形）を印加すると、対向電極５５ａ、５５ｂの表面がプラス電位に帯電し、対応する振動板５０の下面はマイナス電位に帯電する。したがって、振動板５０は静電気の吸引作用により下方（対向電極５５ａ、５５ｂ側）へ撓む。
【００５７】
ここで、振動板５０に発生する静電吸引力の大きさＰは、（１）式のように表される。ただし、εは振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に存在する空気の誘電率、Ｓは振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に働く静電気力の有効面積、Ｖは対向電極５５ａ、５５ｂに印加する駆動電圧、ｄは振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間の実効的なギャップ距離を表わす。
【００５８】
【数１】

Figure 0003933378
【００５９】
ここで、実効的なギャップ距離ｄとは、（２）式のような関係を意味し、振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に空気以外の誘電率を有する物質が介在する場合には、ｄは（２）式のように表わされる。但し、（２）式において、ｄaは振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に存在する空隙の距離、ｄεは振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に存在する誘電絶縁層５７の厚み、εrは誘電絶縁層５７の比誘電率を表わす。
【００６０】
【数２】
Figure 0003933378
【００６１】
すなわち、振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に、ある誘電率を有する物質を介在させると、（２）式のように、その介在させた誘電物質の厚みｄεとその誘電物質が有する比誘電率εrを変化させることによって、振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間に発生する電界強度Ｅ（すなわちＥ＝Ｖ／ｄ）と、それによって生じる静電吸引力Ｐの大きさが変化するということである。したがって、（１）式に示されるように静電吸引力Ｐは、振動板５０と対向電極５５ａ、５５ｂとの間の実効的なギャップ距離ｄが小さいほど振動板５０に大きな静電引力が働くこととなる。
【００６２】
そこで、このインクジェットヘッドを駆動するときには、図６に示すように、振動板５０が対向する対向電極５５ａ、５５ｂ方向へ撓み、最終的には振動板５０が凹（段）部５４内に配置され、振動板５０と同電位にすることができる接触対向部５８に接触するまで変形変位する駆動波形を印加する。
【００６３】
従来のインクジェットヘッドにあっては、この振動板が駆動電圧Ｖの印加されている対向電極へ接触した瞬間に、振動板と対向電極との間に発生している電位差が主たる原因で残留電荷が発生していることが、実験上、判明した。
【００６４】
そこで、本発明では、振動板５０が凹（段）部５４内で主に接触する部分に予め接触対向部５８を配置し、振動板５０と電極５５ａ，５５ｂとの間に電位差が発生している間に、スイッチング素子６０をオン制御して、接触対向部５８と振動板５０の電位が同電位となるようにすることにより、本質的に残留電荷の発生を除去することができるとともに，より低い駆動電圧でもって効率よく振動板５０を変形させることを可能としている。
【００６５】
次に、対向電極５５ａ、５５ｂへのパルス電圧の印加をＯＦＦすると、上記のようにして撓んだ振動板５０が復元し、吐出室５６内の圧力が急激に上昇するため、ノズル４４よりインク液滴が形成され、記録紙に向けてインク吐出が行われる。そして、さらに、再び、対向電極５５ａ、５５ｂへパルス電圧をＯＮすると、振動板５０が再び対向する対向電極５５ａ、５５ｂ、及び接触対向部５８の方向へ撓むので、インクが共通液室４８より流体抵抗部４７を通じて吐出室４６内に補給されるようになる。
【００６６】
このように、振動板５０が変形して対向する対向電極５５ａ、５５ｂ側へ接触する際、予め第２基板４２の凹（段）部５４内に振動板５０の接触対向部５８を配置し、また、その接触対向部５８をスイッチング素子６０により振動板５０側の電位と電気的に同電位とすることにより、本質的に残留電荷の発生を未然に防止することができ、また、残留電荷の発生が無いため片方の極性の駆動電圧のみでもインク滴吐出不良の無い安定したインク滴吐出動作を行うことができるようになる。
【００６７】
また、スイッチング素子６０がＯＦＦ状態となっている間は，接触対向部５８と振動板５０との間にも電位差が生じ，接触対向部５８を電極部として代用でき，前記（１）式で示される振動板５０と電極５５ａ，５５ｂとの間に働く静電気力の有効面積Ｓを実質的に広げることができるので、より低い駆動電圧でもって効率よく振動板５０を撓ませ、接触対向部５８へ接触させてインク吐出を行うことができる。
【００６８】
なお、電極５５ａ，５５ｂへ駆動電圧を印加中にスイッチング素子６０をオン状態とすると，電極５５ａ，５５ｂと接触対向部５８との間にも電位差が発生するので，電極５５ａ，５５ｂと接触対向部５８との間で電界放出等による放電や短絡等が生じないよう十分な電気的な絶縁処理を施しておく必要がある。
【００６９】
そこで、制御部によるヘッド駆動制御の第１例について図８を参照して説明する。
この例では、同図（ａ）に示すように、時点Ｔ０で対向電極５５ａ，５５ｂに電圧値ｖａの正のパルス状の駆動電圧信号Ｖａを印加すると、振動板５０は同図（ｂ）に示すように対向電極５５ａ，５５ｂ側に変形変位を開始して、時間の経過とともに振動板５０が接触対向部５８へ接触し、このときの振動変位量はδとなる。そして、駆動制御信号を時点Ｔ３でオフ状態にすると、振動板５０が復元してインク滴が吐出される。
【００７０】
制御部は、この駆動波形（駆動制御信号）のタイミングに合わせて、同図（ｃ）に示すように、振動板５０が対向接触部５８に接触するまでの間はスイッチング素子６０をオフ状態にしておき、振動板５０が対向接触部５８に接触した後の時点Ｔ１でスイッチング素子６０をオン状態にして、振動板５０側の電位と接触対向部５８側の電位とを同電位とし、駆動制御信号をオフにする時点Ｔ３でスイッチング素子６０もオフ状態にする。
【００７１】
このようなタイミングでスイッチング素子６０のオン／オフの状態を切り替えることにより，残留電荷の発生を除去することができるとともに，より低い駆動電圧でもって効率よく安定したインク吐出動作が実現できる。
【００７２】
すなわち、主に残留電荷が大きく発生する時点は、前述したように振動板５０が駆動電圧Ｖａが印加されている電極５５ａ，５５ｂに接触した瞬間の時刻（本実施例では時刻Ｔ１の時）であることが、実験上判明している。
【００７３】
したがって、パルス状の駆動電圧Ｖａが電極５５ａ，５５ｂに印加された後、振動板５０が接触対向部５８に接触する時点Ｔ１になるまでの間は、スイッチング素子６０をオフ状態として，接触対向部５８を電極５５ａ，５５ｂのようにして代用して用いる。そして、時点Ｔ１で振動板５０が接触対向部５８に接触し、接触対向部５８上で主な残留電荷が大きく発生した後の時点Ｔ２のタイミングでスイッチング素子６０をオフ状態からオン状態にして、振動板５０側の電位と接触対向部５８側の電位とを同電位とすることにより、毎回の印字パルス毎に発生する残留電荷の発生を本質的に除去することができる。
【００７４】
また、振動板５０と接触対向部５８との間にスイッチング素子６０を設け、そのスイッチング素子６０のＯＮ／ＯＦＦ動作を利用することにより、従来に比べてより低い駆動電圧でもって効率よく振動板５０を撓ませられ、また、発生した残留電荷をより短い時間で効率よく除去できるので、より安定したインク吐出動作が可能となる。つまり、振動板５０と接触対向部５８とを常に同電位にした場合、駆動電圧に対して振動板５０が効率良く変形され難くなり、比較的高い駆動電圧を必要とするが、スイッチング素子６０を設けることで、このような事態を回避することができるのである。
【００７５】
次に、制御部によるヘッド駆動制御の第２例について図９を参照して説明する。
この例でも、同図（ａ）に示すように、時点Ｔ０で対向電極５５ａ，５５ｂに電圧値ｖａの正のパルス状の駆動電圧信号Ｖａを印加すると、振動板５０は同図（ｂ）に示すように対向電極５５ａ，５５ｂ側に変形変位を開始して、時間の経過とともに振動板５０が接触対向部５８へ接触し、このときの振動変位量はδとなる。そして、駆動制御信号を時点Ｔ３でオフ状態にすると、振動板５０が復元してインク滴が吐出される。
【００７６】
制御部は、この駆動波形（駆動制御信号）のタイミングに合わせて、同図（ｃ）に示すように、振動板５０が対向接触部５８に接触するまでの間はスイッチング素子６０をオフ状態にしておき、振動板５０が対向接触部５８に接触した後の時点Ｔ１でスイッチング素子６０をオン状態にして、振動板５０側の電位と接触対向部５８側の電位とを同電位とし、駆動制御信号をオフにして振動板５０が復元を開始した時点Ｔ３より後の時点Ｔ４でスイッチング素子６０をオフ状態にするようにしている。
【００７７】
このようなタイミングでもってスイッチング素子６０のオン／オフ制御を行うことにより、より低い駆動電圧でもって効率よく安定したインク吐出動作を行うことができるとともに、より確実に残留電荷の発生を除去することができる。
【００７８】
すなわち、振動板５０が接触対向部５８に接触した時点Ｔ１で、接触対向部５８上で主な残留電荷が大きく発生した後の時点Ｔ２のタイミングでスイッチング素子６０をオフ状態からオン状態にして、振動板５０側の電位と接触対向部５８側の電位とを同電位としてすることで、毎回の印字パルス毎に発生する残留電荷の発生を本質的に除去することができるのは、前記図８の例と同様である。
【００７９】
さらに、この例のように、電極５５ａ，５５ｂに駆動電圧Ｖａが印加されなくなる時点（駆動電圧ＶａがＯＦＦされる時点）Ｔ３を過ぎた後、電極５５ａ，５５ｂに駆動電圧Ｖａが印加されていない時点Ｔ４においてスイッチング素子６０をオフにすることにより，図８の動作に比較してより確実に安定して残留電荷の発生を除去することができる。
【００８０】
つまり、図８の例におけるスイッチング素子６０のＯＮ／ＯＦＦ動作では、電極５５ａ，５５ｂに駆動電圧Ｖａが印加されなくなる時点Ｔ３で同時にスイッチング素子６０の状態をＯＮからＯＦＦの状態にしていたため、スイッチング素子６０のＯＮ／ＯＦＦ動作の若干のタイミングのずれや、接触対向部５８に発生した残留電荷が除去されるまでの時間の違いなどにより、残留電荷を完全に除去できずに、不安定なインク吐出動作が発生することがあったが、スイッチング素子６０をオフ状態にするタイミングを駆動電圧Ｖａをオフするタイミングよりも遅らせることにより、確実に残留電荷を完全に除去することができるようになる。
【００８１】
次に、本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドについて図１０を参照して説明する。なお、同図は図６と同様な振動板変形時の振動板短手方向の要部拡大説明図である。
【００８２】
このインクジェットヘッドでは、振動板５０が接触する接触対向部５８を第２基板４２の凹（段）部５４内において図示のように駆動電圧を印加するための対向電極５５の表面上に誘電絶縁層５７を介して設置している。また、前記と同様に接触対向部５８は振動板５０の振動板短辺方向に対してほぼ中央部に一ヵ所設けている。この場合、振動板５０の接触対向部５８は対向電極５５表面上に誘電絶縁層５７を介して形成するので、必然的に振動板５０と接触対向部５８との間の距離の方が振動板５０と電圧印加される対向電極５５との間の距離よりも短くなる。
【００８３】
このように構成した場合、前記実施形態のヘッドに比べてより簡易な構成で容易に作製可能となり、また、より確実に安定して残留電荷の発生を未然に防止する効果が得られる。
【００８４】
これを確認するため、この第２実施形態のインクジェットヘッドを使用し、第１基板４１の上側にステンレス製の第３基板４３をエポキシ系接着剤にて接合し、ドライバＩＣ６１等を接続して対向電極５５にパルス状のプラス（正）電圧のみの片極性の電圧を印加して、図９に示したタイミングでスイッチング素子６０のオン／オフ制御をして、作製したインクジェットヘッドの印字試験を行った。同様に、比較例として、接触対向部５８及びスイッチング素子６０を持たないインクジェットヘッドも製作して同様の印字試験を行った。
【００８５】
この試験結果によると、従来の接触対向部５８及びスイッチング素子６０を持たないインクジェットヘッドにあっては、片極性のプラス（正）電圧のみでインク滴を吐出させるには５０Ｖ程度の駆動電圧が必要であったが、接触対向部５８及びスイッチング素子６０を持つ本実施形態のインクジェットヘッドでは３０Ｖ程度の低い駆動電圧でもって残留電荷を除去しながら、より確実に安定してインク滴を吐出できることが確認された。
【００８６】
ここで、本発明に係るインクジェットヘッドにおける対向電極と接触対向部の表面積の関係について説明する。
表１は、対向電極５５（又は電極５１ａ，５１ｂの両者）の表面積Ａと接触対向部５８の表面積Ｂとの面積比Ｂ／Ａに対する振動板５０の振動変位安定性の関係を表わすものである。
【００８７】
【表１】
Figure 0003933378
【００８８】
この表１のように，面積比Ｂ／Ａを変化させるに従い、駆動電圧値に対して振動板５０の振動変位安定性が異なる。これは，すなわち前記した（１）式で示される振動板５０と電極５５（又は電極５５ａ，５５ｂ）との間に働く静電気力の有効面積Ｓが変化するためである。面積比１／１では駆動電圧値を５０Ｖとしても振動板５０を接触対向部５８に接触させることができず、面積比１／２にして駆動電圧値５０Ｖで振動板５０を接触対向部５８に接触させることができ、安定した振動変位が得られる。
【００８９】
しかしながら，駆動電圧値を３０Ｖ以下とすると、振動板５０と電極５５（又は電極５５ａ，５５ｂ）との間に働く静電気力が弱くなるために、振動板５０を接触対向部５８に接触させることができず不安定な振動変位状態となってしまう。
【００９０】
また、面積比１／３では、より電極５５（又は電極５５ａ，５５ｂ）側の表面積Ａの方が大きいので、駆動電圧値を３０Ｖ以下としても振動板５０を接触対向部５８に接触させることができ安定した振動変位が得られる。さらに、面積比を１／４とした場合でも、面積比１／３の場合と同様に駆動電圧値３０Ｖ以下で安定した振動変位が得られる。
【００９１】
したがって、電極５５（又は電極５５ａ，５５ｂ）の表面積Ａと接触対向部５５の表面積Ｂとの面積比Ｂ／Ａの値を１／２以下の値とすることにより、振動板の安定な振動変位が得られるようになり、より駆動電圧値を低くして安定な振動変位を得られるようにするためには面積比Ｂ／Ａの値を１／３以下の値とすることがより好ましい。
【００９２】
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの第３実施形態について図１１を参照して説明する。なお、同図は同ヘッドの第２基板を見た平面説明図である。
この実施形態においては、複数のノズルのヘッドの対向電極５５と振動板５０の接触対向部５８とを第２基板４２上に配置し、各接触対向部５８を同図に示すようにパターン形成された配線６５で結線したものである。
【００９３】
このように構成することにより、複数ノズルのヘッドにおいても簡易な駆動回路構成で残留電荷の発生を除去することができる。
【００９４】
次に、本発明に係るインクジェットヘッドの第４実施形態について図１２を参照して説明する。
この実施形態は、第３実施形態における配線６５をスイッチング素子６０を介して振動板５０（ここでは、接地している。）に接続したものである。
【００９５】
このように構成することにより、駆動電圧信号の最高駆動周波数に同期したスイッチング周波数で１つのスイッチング素子６０をオン／オフ制御するだけで、各チャンネルの対向電極５８と振動板５０との接続／切断を行うことができて、複数ノズルのヘッドにおいても簡易な駆動回路構成で残留電荷の発生を除去することができ、また、より低い駆動電圧で効率よく安定したインク吐出動作をさせることが可能となる。
【００９６】
ここで、この実施形態のインクジェットヘッドを使用し、ヘッド駆動回路６１、スイッチング素子６０を配線６２、配線６５で接続して電極５５にパルス状のプラス（正）電圧のみの片極性電圧が印加されるようにし、図９で説明したタイミングでもってスイッチング素子６０を駆動電圧信号の最高駆動周波数である１０ｋＨｚに同期したスイッチング周波数で動作させて、作製したインクジェットヘッドの印字試験を行った。
【００９７】
この結果、複数ノズルのヘッドにおいても、片極性のプラス（正）電圧のみで３０Ｖ程度の従来に比較してより低い駆動電圧で残留電荷を除去することができ、より確実に安定してインク吐出することが可能となった。また、駆動回路構成が簡易になったため，複数ノズルを有するヘッドのコストも２０％以上も低下させることが可能となった。
【００９８】
なお、上記各実施形態においては、本発明を振動板変位方向とインク滴吐出方向が同じになるサイドシュータ方式のインクジェットヘッドに適用したが、振動板変位方向とインク滴吐出方向と直交するエッジシュータ方式のインクジェットヘッドにも同様に適用することができる。また、前述したようにプリンタ、ファクシミリ、プロッタ等の画像形成装置及びインク液滴を吐出する装置にも本発明を適用することができる。
【００９９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係るインクジェットヘッドによれば、振動板が変形して接触可能な接触対向部を設け、振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と接触対向部とが同電位となる構成としたので、本質的に残留電荷の発生を除去することができ、低電圧駆動化、インク滴吐出特性の安定化による画像品質の向上を図れ、更にヘッドの小型化、低コスト化を図れる。
【０１００】
ここで、対向電極の表面積に対する前記接触対向部の表面積の比の値が１／２を超えないようにすることで、より低い駆動電圧で安定して残留電荷の発生を除去することができ、より安定した信頼性の高いヘッドを得ることができる。
【０１０１】
本発明に係るインクジェットヘッドによれば、振動板が変形して接触可能で、且つ、振動板と同電位になる接触対向部を複数有し、これら複数の接触対向部を結線し同電位とした構成としたので、より簡単なヘッド構成で、本質的に残留電荷の発生を除去することができ、低電圧駆動化、インク滴吐出特性の安定化による画像品質の向上を図れ、更にヘッドの小型化、低コスト化を図れる。
【０１０２】
ここで、振動板と複数の接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と複数の接触対向部とが同電位となる構成とすることにより、より簡単なヘッド構成で、本質的に残留電荷の発生を除去することができ、低電圧駆動化、インク滴吐出特性の安定化による画像品質の向上を図れ、更にヘッドの小型化、低コスト化を図れる。
【０１０３】
本発明に係るインクジェット記録装置及び画像形成装置によれば、振動板が変形して接触可能な接触対向部を有するインクジェットヘッドを搭載し、このインクジェットヘッドの振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で前記振動板が接触対向部に接触した状態のときに振動板と接触対向部とが同電位となる構成としたので、本質的に残留電荷の発生を除去することができ、低電圧駆動化、インク滴吐出特性の安定化による画像品質の向上を図れる。
【０１０４】
ここで、インクジェットヘッドの振動板が変形して接触対向部に接触するまでの間はスイッチング手段をオフ状態とし、振動板が接触対向部に接触した後にスイッチング手段をオン状態にする制御手段を設けることにより、より低い駆動電圧でより確実に残留電荷の発生を除去することができ、より安定したインク滴吐出動作で安定した印字品質が得られる。
【０１０５】
また、インクジェットヘッドの振動板が変形して接触対向部に接触した後にスイッチング手段をオン状態とし、振動板が対向電極との間に駆動波形が印加されなくなった後にスイッチング手段をオフ状態にする制御手段を設けることにより、確実に、より低い駆動電圧でより確実に残留電荷の発生を除去することができ、より安定したインク滴吐出動作で安定した印字品質が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るインクジェット記録装置の機構部の概略斜視説明図
【図２】同機構部の側面説明図
【図３】本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの分解斜視説明図
【図４】同ヘッドの振動板長手方向の断面説明図
【図５】同ヘッドの振動板短手方向の要部拡大断面図
【図６】同ヘッドの振動板変形時の振動板短手方向の要部拡大説明図
【図７】同記録装置の制御部の概要を示すブロック図
【図８】同制御部の行うヘッド駆動制御の一例の説明に供する説明図
【図９】同制御部の行うヘッド駆動制御の他の例の説明に供する説明図
【図１０】本発明の第２実施形態に係るインクジェットヘッドの振動板変形時の振動板短手方向の要部拡大説明図
【図１１】本発明の第３実施形態に係るインクジェットヘッドの説明に供する第２基板の平面説明図
【図１２】本発明の第４実施形態に係るインクジェットヘッドの説明に供する第２基板の平面説明図
【符号の説明】
１３…キャリッジ、１４…記録ヘッド、４１…振動板／液室基板、４２…電極基板、４３…ノズル板、４４…ノズル、４６…吐出室、４７…流体抵抗部、４８…共通液室、５０…振動板、５４…凹部、５５、５５ａ、５５ｂ…対向電極、５７…絶縁膜、５８…接触対向部、６０…スイッチング素子、６１…ヘッド駆動回路。[0001]
[Industrial application fields]
  The present invention relates to an inkjet head and an inkjet recording apparatus., Image forming apparatusAbout.
[0002]
[Prior art]
In general, as an inkjet head in an inkjet recording apparatus used in an image recording apparatus (including an image forming apparatus) such as a printer, a facsimile machine, a copying apparatus, or a plotter, a nozzle that ejects ink droplets and an ink flow path that communicates with the nozzle (Also referred to as an ink chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, a pressurizing chamber, a pressurized liquid chamber, etc.), a diaphragm that also serves as a first electrode that forms the wall surface of the ink flow path, and an opposing surface 2. Description of the Related Art An electrostatic inkjet head that includes an electrode (second electrode) and that deforms and displaces a diaphragm with electrostatic force to eject ink droplets from a nozzle is known.
[0003]
Here, in the conventional electrostatic ink jet head, in order to stabilize the ink discharge amount per one time discharged from each nozzle and to stabilize the print quality, between the diaphragm and the counter electrode, Although the dimensional accuracy of the minute gap (gap) must be made high and the displacement of the diaphragm must be controlled accurately and constant, it is extremely difficult with the current technology.
[0004]
In addition, the electrostatic type that deforms and displaces the diaphragm using electrostatic force has a much lower discharge pressure that can be generated at the same voltage than the piezoelectric type that deforms and displaces the diaphragm using a piezoelectric element. Moreover, since the generated pressure is proportional to the square of the reciprocal of the distance, in order to obtain a discharge pressure equivalent to that of the piezoelectric type, a very high driving voltage that is twice or more that of the piezoelectric type is required, and the head cost increases.
[0005]
Therefore, in the electrostatic ink jet head, it is preferable to make the gap between the diaphragm and the counter electrode smaller in order to perform low voltage driving. However, if the gap is made smaller, stronger electrostatic Because the attractive force works, the deformed diaphragm comes into contact with the counter electrode, and a large discharge current due to gas breakdown or field emission flows instantaneously in the gap, causing the counter electrode to melt or the counter electrode and diaphragm May cause a short circuit and destroy the head.
[0006]
Therefore, as described in Japanese Patent Laid-Open No. 7-214769, an insulating film such as an oxide film or a nitride film is provided on the surface side facing the counter electrode on the diaphragm side, and an oxidation film made of ITO is used as the counter electrode. By using a conductive material and bringing the diaphragm into contact with the counter electrode through an insulating film, the displacement of the diaphragm is stabilized to a constant level, and head destruction due to a short circuit at the gap is avoided. Yes.
[0007]
However, in such a head, when a voltage is applied between the diaphragm and the counter electrode and the diaphragm is brought into contact with the counter electrode via the insulating film, the insulating film on the diaphragm side and the counter electrode Electric charges remain in the dielectric on the side, and the relative displacement between the diaphragm and the counter electrode decreases due to the electric field created by the residual charges. This decrease in the relative displacement amount causes a drop in the ink droplet ejection amount and the ink droplet ejection speed, and causes ejection failure. For example, the print quality is poor such as print density and pixel shift, and reliability such as pixel omission is lost. It has the problem of causing a drop.
[0008]
For this reason, in the inkjet head described in JP-A-9-136413, in order to perform ink ejection while removing the residual charge, a driving voltage having a different polarity is alternately applied to the counter electrode for each ink ejection operation. It is configured to do. That is, by alternately applying driving voltages having different polarities to the counter electrode, it is possible to cancel out residual charges generated between the diaphragm and the counter electrode with voltages of each polarity. The amount of relative displacement with the counter electrode can be kept constant, and a stable ink droplet ejection operation can be maintained.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional electrostatic ink jet head described above, in order to remove residual charges and perform stable ink ejection, it is necessary to separately provide driving voltage sources having different polarities, so the apparatus becomes large. Also, as the withstand voltage of other elements used in the drive circuit, it is necessary to withstand the voltage for both polarities, so use elements with a withstand voltage twice that of the drive voltage for ejecting ink. There is a problem that the cost on the drive circuit side becomes high.
[0010]
Furthermore, the residual charges are merely canceled out by alternately applying drive voltages having different polarities to the counter electrode, and the residual charges are not essentially in a non-generated state.
[0011]
Therefore, for example, the drive voltage signal applied to the counter electrode is applied according to the image signal. However, depending on the image signal, there is an image pattern that can be printed only with the drive voltage of one polarity. In this case, the amount of accumulated residual charge at each polarity voltage is different, and the relative displacement amount between the diaphragm and the counter electrode at each voltage polarity is gradually decreased to be different. As described above, it is difficult to perform a stable ink discharge operation, and there is a problem that a print quality defect occurs.
[0012]
  The present invention has been made in view of the above points, and an ink jet head capable of performing a stable ink droplet ejection operation.,Inkjet recording device with stable image quality and simple device configurationAnd image forming apparatusThe purpose is to provide.
[0013]
[Means for Solving the Problems]
  In order to solve the above problems, an ink jet head according to the present invention is provided with a contact facing portion that can be contacted by deformation of a diaphragm, and the diaphragm and the contact facing portion are connected via a switching means.When the switching means is in the on state and the diaphragm is in contact with the contact facing portion, the diaphragm and the contact facing portion have the same potential.It is a configuration.
[0014]
Here, it is preferable that the value of the ratio of the surface area of the contact facing portion to the surface area of the counter electrode does not exceed 1/2.
[0015]
  The ink jet head according to the present invention includes a plurality of contact facing portions that can be deformed and contacted with the vibration plate and have the same potential as the vibration plate.Connect the same potentialThe configuration is as follows.
[0016]
  Here, the diaphragm and the plurality of contact facing portions are connected via switching means,It is preferable that the diaphragm and the plurality of contact facing portions have the same potential when the switching unit is in an on state and the diaphragm is in contact with the contact facing portion.
[0017]
  An ink jet recording apparatus and an image forming apparatus according to the present invention are equipped with an ink jet head having a contact facing portion that can be contacted by deformation of a vibration plate, and a switching means is provided between the vibration plate of the ink jet head and the contact facing portion. Connect throughWhen the switching means is on and the diaphragm is in contact with the contact facing portion, the diaphragm and the contact facing portion have the same potential.It is a configuration.
[0018]
Here, the control means for turning off the switching means until the diaphragm of the inkjet head is deformed and contacting the contact facing portion, and turning the switching means on after the diaphragm contacts the contact facing portion. It is preferable to provide it.
[0019]
In addition, the switching unit is turned on after the diaphragm of the inkjet head is deformed and contacts the contact-opposed portion, and the switching unit is turned off after the driving waveform is not applied between the diaphragm and the counter electrode. It is preferable to provide means.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Embodiments of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. FIG. 1 relates to the present invention.As an image forming deviceFIG. 2 is a side perspective view of the mechanism portion of the ink jet recording apparatus. FIG.
[0021]
The ink jet recording apparatus includes a carriage that is movable in the main scanning direction inside the recording apparatus main body 1, a recording head that includes an ink jet head mounted on the carriage, an ink cartridge that supplies ink to the recording head, and the like. A sheet feeding cassette (or a sheet feeding tray) 4 capable of stacking a large number of sheets 3 from the front side can be removably attached to the lower part of the apparatus main body 1. Further, the manual feed tray 5 for manually feeding the paper 3 can be opened, the paper 3 fed from the paper feed cassette 4 or the manual feed tray 5 is taken in, and a required image is displayed by the printing mechanism section 2. After recording, the paper is discharged to a paper discharge tray 6 mounted on the rear side.
[0022]
The printing mechanism unit 2 holds the carriage 13 slidably in the main scanning direction (vertical direction in FIG. 2) with a main guide rod 11 and a sub guide rod 12 which are guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The carriage 13 has a recording head 14 composed of an inkjet head for discharging ink droplets of yellow (Y), cyan (C), magenta (M), and black (Bk) with the ink droplet discharge direction directed downward. Each ink tank (ink cartridge) 15 for supplying ink of each color to the recording head 14 is replaceably mounted on the upper side of the carriage 13.
[0023]
Here, the carriage 13 is slidably fitted to the main guide rod 11 on the rear side (downstream side in the paper conveyance direction), and is slidably mounted on the secondary guide rod 12 on the front side (upstream side in the paper conveyance direction). is doing. In order to move and scan the carriage 13 in the main scanning direction, a timing belt 20 is stretched between a driving pulley 18 and a driven pulley 19 that are rotationally driven by a main scanning motor 17. It is fixed to.
[0024]
Further, although the recording heads 14 of the respective colors are used here as the recording heads, a single head having nozzles for ejecting ink droplets of the respective colors may be used. Further, the ink jet head used as the recording head 14 is an electrostatic type that pressurizes ink by displacing the vibration plate by an electrostatic force between the vibration plate that forms the wall surface of the ink flow path and the electrode facing the vibration plate. ing.
[0025]
On the other hand, in order to convey the paper 3 set in the paper feed cassette 4 to the lower side of the recording head 14, the paper feed roller 21 and the friction pad 22 for separating and feeding the paper 3 from the paper feed cassette 4 and the paper 3 are guided. The guide member 23 that performs the above operation, the transport roller 24 that transports the fed paper 3 in an inverted manner, the transport roller 25 that is pressed against the peripheral surface of the transport roller 24, and the feed angle of the paper 3 from the transport roller 24 are defined. A tip roller 26 is provided. The transport roller 24 is rotationally driven by a sub-scanning motor 27 through a gear train.
[0026]
A printing receiving member 29 is provided as a paper guide member for guiding the paper 3 fed from the transport roller 24 below the recording head 14 in accordance with the range of movement of the carriage 13 in the main scanning direction. A conveyance roller 31 and a spur 32 that are rotationally driven to send the paper 3 in the paper discharge direction are provided on the downstream side of the printing receiving member 29 in the paper conveyance direction, and the paper 3 is further delivered to the paper discharge tray 6. A roller 33 and a spur 34, and guide members 35 and 36 that form a paper discharge path are disposed.
[0027]
Further, a reliability maintenance / recovery mechanism (hereinafter referred to as “subsystem”) 37 for maintaining and recovering the reliability of the recording head 14 is disposed on the right end side in the moving direction of the carriage 13. The carriage 13 is moved to the subsystem 37 side during printing standby, and the recording head 14 is capped by capping means or the like.
[0028]
Next, the ink jet head according to the present invention constituting the recording head 14 of the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIGS. FIG. 3 is an exploded perspective view of the inkjet head according to the first embodiment of the present invention, FIG. 4 is a cross-sectional view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm, and FIG. Sectional drawing and FIG. 6 are the principal part expansion explanatory views of FIG.
[0029]
The inkjet head includes a vibration plate / liquid chamber substrate 41 that is a first substrate using a silicon substrate such as a single crystal silicon substrate, a polycrystalline silicon substrate, or an SOI substrate, and a lower side of the vibration plate / liquid chamber substrate 41. An electrode substrate 42 that is a second substrate using a silicon substrate, a Pyrex glass substrate, a ceramic substrate, and the like provided on the substrate, and a nozzle plate 43 that is a third substrate provided on the upper side of the vibration plate / liquid chamber substrate 41, A plurality of nozzles 44 that discharge ink droplets, a discharge chamber 46 that is an ink flow path communicating with each nozzle 44, a common liquid chamber 48 that communicates with each discharge chamber 46 via a fluid resistance portion 47 that also serves as an ink supply path, and the like Is forming.
[0030]
The vibration plate / liquid chamber substrate 41 is formed with a plurality of discharge chambers 46 with which the nozzles 44 communicate with each other, and a recess that forms a vibration plate 50 (also serving as an electrode) that forms the bottom surface of the discharge chamber 46. The plate 43 is formed with a hole for forming the nozzle 44 and a groove for forming the fluid resistance portion 47, and the diaphragm / liquid chamber substrate 41 and the electrode substrate 42 are formed with through portions for forming the common liquid chamber 48. .
[0031]
Here, when the diaphragm / liquid chamber substrate 41 is, for example, a single crystal silicon substrate, boron is previously implanted into the diaphragm thickness to form a high-concentration boron layer serving as an etching stop layer. After the bonding, the concave portion that becomes the discharge chamber 46 is anisotropically etched using an etching solution such as a KOH aqueous solution, and at this time, the high-concentration boron layer becomes an etching stop layer, and the diaphragm 50 is formed with high accuracy. The In addition, a diaphragm made of an active layer substrate can be formed by performing etching using an SOI substrate in which an active layer substrate is bonded to a base substrate through an oxide film, using the oxide film as an etching stop.
[0032]
Note that an electrode film serving as a first electrode may be separately formed on the diaphragm 50, but as described above, the diaphragm also serves as an electrode by diffusion of impurities or the like. An insulating film can also be formed on the surface of the diaphragm 50 on the electrode substrate 42 side. This insulating film is SiO2Oxide-based insulating film such as SiThreeNFourNitride-based insulating films such as those can be used. The insulating film can be formed by thermally oxidizing the vibration plate surface to form an oxide film or using a film forming method.
[0033]
Further, a Pyrex glass (borosilicate glass) substrate is used as the electrode substrate 42, and a concave portion 54 is formed in the Pyrex glass substrate, and counter electrodes 55 a and 55 b facing the diaphragm 50 are provided on the bottom surface of the concave portion 54. A gap 56 is formed between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b, and the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b constitute an actuator section (energy generating means). At this time, the depth of the recess 54 defines the length of the gap 56. The electrode substrate 42 may be a ceramic substrate, a silicon substrate, or the like. When a conductive silicon substrate is used, an oxide layer is formed, and a recess 54 is formed in the oxide layer.
[0034]
The surface of the counter electrode 55a, 55b is SiO2Oxide-based insulating films such as films, SiThreeNFourA dielectric insulating film 57 made of a nitride insulating film such as a film is formed. As described above, the insulating film 57 can be formed on the vibration plate 50 side without forming the insulating film 57 on the surface of the counter electrodes 55a and 55b.
[0035]
Further, as the counter electrodes 55a and 55b of the electrode substrate 42, gold or a metal material such as Al, Cr, or Ni generally used in a process for forming a semiconductor element, or a high melting point such as Ti, TiN, or W is used. A metal or a polycrystalline silicon material whose resistance is reduced by an impurity can be used.
[0036]
Furthermore, in the concave portion 54 of the electrode substrate 42, when the diaphragm 50 is deformed between the counter electrode 55a and the electrode 55b at a substantially central portion in the diaphragm lateral direction, as shown in FIGS. A contact facing portion 58 made of a material having electrical conductivity such as gold is provided. The contact facing portion 58 of the diaphragm 50 is provided in a substantially central portion in the diaphragm lateral direction within the concave (step) portion 54 of the second substrate 42. Further, in order to make the distance between the diaphragm 50 and the contact facing portion 58 shorter than the distance between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b to which a voltage is applied, a convex portion 54a is provided in the concave (step) portion 54. A contact facing portion 58 is formed on the convex portion 54a.
[0037]
Then, the contact facing portion 58 and the diaphragm 50 of the diaphragm / liquid chamber substrate 41 are connected to each other via the wiring 59 and the switching element 60 so that the same potential can be obtained, and the diaphragm 50 side is further connected to the diaphragm 50 side. The wiring 59 is grounded so as to be electrically at GND (ground) potential. However, if the switching element 60 is in the ON state and the contact opposing portion 58 and the diaphragm 50 of the diaphragm / liquid chamber substrate 41 come into contact with each other, the same potential is not necessary. It may be connected.
[0038]
As the switching element 60, a mechanical contact switch can be used. However, on / off control becomes easier when an IC element of a transistor element, an analog / digital switch, or a thyristor element is used.
[0039]
The diaphragm / liquid chamber substrate 41 and the electrode substrate 42 are joined by anodic bonding. In anodic bonding, precise bonding can be performed at a relatively low temperature (300 ° C. to 400 ° C.) by applying a voltage (about −300 V to −500 V) between the substrates.
[0040]
In order to perform such anodic bonding reliably, either the vibration plate / liquid chamber substrate (first substrate 41) or the electrode substrate (second substrate) 42 is used so that the substrates are covalently bonded at the bonding interface of the substrates. Must be a substrate that contains a large amount of alkali ions, and when bonding, select a material whose coefficients of thermal expansion are relatively the same so that distortion between the substrates due to thermal stress is reduced It is preferable to do.
[0041]
Here, as described above, a single-crystal silicon substrate is used for the first substrate 41, and the second substrate 42 contains a large amount of alkali ions such as Na. Since a (silicate glass) substrate is used, reliable bonding with little thermal distortion between the substrates can be obtained.
[0042]
When the electrode substrate 42 is formed of silicon, a direct bonding method through an oxide film can be used. This direct bonding is performed at a high temperature of about 1000 ° C. When the electrode substrate 42 is formed of silicon and anodic bonding is performed, Pyrex glass is formed between the electrode substrate 42 and the vibration plate / liquid chamber substrate 41, and anodic bonding is performed via this film. It can also be done. Further, the diaphragm / liquid chamber substrate 41 and the electrode substrate 42 can be bonded together by eutectic bonding using a silicon substrate and a binder such as gold interposed on the bonding surface.
[0043]
In the nozzle plate 43, a large number of nozzles 44 are formed, and a groove portion for forming a fluid resistance portion 47 for communicating the common liquid chamber 48 and the discharge chamber 46 is formed. Here, a water-repellent film is formed on the ink ejection surface (nozzle surface side). This nozzle plate 43 uses a stainless steel substrate, but in addition to this, a nickel plated film by electroforming (electroforming) method, excimer laser processing on a resin such as polyimide, and punching a metal plate by pressing. It can also be used.
[0044]
The water-repellent film can be formed by a plating film by electrolytic or electroless nickel eutectoid plating (PTFE-Ni eutectoid plating) in which polytetrafluoroethylene fine particles, which are fluororesin fine particles, are dispersed.
[0045]
In this inkjet head, two rows of nozzles 44 are arranged, and two rows of discharge chambers 46, diaphragms 50, counter electrodes 55a and 55b are arranged corresponding to each nozzle 44, and a common liquid chamber is provided at the center of each nozzle row. 48 is arranged to supply ink to the left and right ejection chambers 46. Thus, a multi-nozzle head having a large number of nozzles can be configured with a simple head configuration.
[0046]
The counter electrode 55a is extended to the outside to form a connection portion (electrode pad portion) 55A, and a driver IC 61 as a head drive circuit is mounted on the FPC cable 62 by flip chip bonding. The inkjet head is connected via an anisotropic conductive film or the like. Further, in order to turn on / off the switching element 60, the switching element 60 is connected to a control unit (not shown) via an FPC cable 62.
[0047]
Further, the gap between the electrode substrate 42 and the nozzle plate 43 (inlet at the gap 56) is hermetically sealed with a gap sealant 63 using an adhesive such as an epoxy resin, and moisture enters the gap 56 and the vibration plate. 50 is prevented from being displaced.
[0048]
Further, the entire inkjet head is bonded onto the frame member 65 with an adhesive. An ink supply hole 66 for supplying ink from the outside to the common liquid chamber 48 of the ink jet head is formed in the frame member 65, and the FPC cable 62 and the like are accommodated in a hole 67 formed in the frame member 65. The
[0049]
The gap between the frame member 65 and the nozzle plate 43 is sealed with a gap sealant 68 using an adhesive such as an epoxy resin, and the ink on the surface of the nozzle plate 43 having water repellency is transferred to the electrode substrate 42 or the FPC cable 62. To prevent it from going around.
[0050]
A joint member 70 with an ink cartridge is connected to the frame member 65 of the head, and ink is supplied from the ink cartridge to the common liquid chamber 48 through the ink supply hole 76 via a filter 71 thermally fused to the frame member 75. Supplied.
[0051]
Next, an outline of the control unit of the ink jet recording apparatus will be described with reference to FIG.
The control unit includes a microcomputer (hereinafter referred to as “CPU”) 80 that controls the entire recording apparatus, a ROM 81 that stores necessary fixed information, a RAM 82 that is used as a working memory, and the like from the host side. An image memory 83 for storing processed image data, a parallel input / output (PIO) port 84, an input buffer 85, a parallel input / output (PIO) port 86, a waveform generation circuit 87, and a head drive. A circuit 61 and a driver 89 are provided.
[0052]
Here, the PIO port 84 has various information such as image data from the host side, various instruction information such as reliability recovery instruction information from an operation panel (not shown), and a detection signal from a paper presence / absence sensor that detects the start and end of the sheet. Signals from various sensors such as a home position sensor for detecting the home position (reference position) of the carriage 13 are input, and necessary information is transmitted to the host side and the operation panel side via the PIO port 84. Is done.
[0053]
The waveform generation circuit 87 generates and outputs a drive waveform for ejecting ink droplets between the diaphragm 50 of the inkjet head and the counter electrodes 55a and 55b. This waveform generation circuit 87 generates and outputs a drive waveform (drive pulse) of a predetermined drive voltage by D / A converting voltage data supplied from the CPU 80 using a D / A converter.
[0054]
Further, the CPU 80 gives various data and signals such as a print signal to the head driving circuit (driver IC) 61 via the PIO port 86, and drives the predetermined channel at a predetermined driving timing. A drive waveform is applied to the energy generating means (the diaphragm 50 and the electrodes 55a and 55b) corresponding to each of the nozzles 44. Further, when the CPU 80 outputs a print signal to the head drive circuit 61, the switching element array 60A composed of the switching elements 60 of each channel provided in the recording head 14 at a predetermined timing via the PIO port 86. To output an on / off signal (switch drive signal).
[0055]
Further, the driver 89 drives and controls the main scanning motor 17 and the sub-scanning motor 27 in accordance with driving data given through the PIO port 86, thereby moving and scanning the carriage 13 in the main scanning direction. Is rotated to convey the paper 3 by a predetermined amount.
[0056]
Next, the operation of the ink jet head and the ink jet recording apparatus configured as described above will be described with reference to FIG.
When a positive pulse voltage (drive waveform) is applied to the counter electrodes 55a and 55b of the ink jet head constituting the recording head 14 by a driver IC (head drive circuit) 61, the surfaces of the counter electrodes 55a and 55b are charged to a positive potential. The lower surface of the corresponding diaphragm 50 is charged to a negative potential. Therefore, the diaphragm 50 bends downward (on the counter electrodes 55a and 55b side) due to electrostatic attraction.
[0057]
Here, the magnitude P of the electrostatic attraction force generated in the diaphragm 50 is expressed as shown in the equation (1). Where ε is a dielectric constant of air existing between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b, S is an effective area of electrostatic force acting between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b, and V is a counter electrode. The drive voltage applied to 55a and 55b, d, represents the effective gap distance between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b.
[0058]
[Expression 1]
Figure 0003933378
[0059]
Here, the effective gap distance d means a relationship such as the expression (2), and when a substance having a dielectric constant other than air is interposed between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b. Is expressed by the following equation (2). However, in equation (2), daIs the distance of the air gap existing between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a, 55b, dεIs the thickness of the dielectric insulating layer 57 existing between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b, εrRepresents the relative dielectric constant of the dielectric insulating layer 57.
[0060]
[Expression 2]
Figure 0003933378
[0061]
That is, when a substance having a certain dielectric constant is interposed between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b, the thickness d of the interposed dielectric substance as shown in the equation (2).εAnd the dielectric constant ε of the dielectric materialrBy changing the electric field intensity E (ie, E = V / d) generated between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b and the magnitude of the electrostatic attraction force P generated thereby. It is. Therefore, as shown in the equation (1), the electrostatic attractive force P has a larger electrostatic attractive force on the diaphragm 50 as the effective gap distance d between the diaphragm 50 and the counter electrodes 55a and 55b is smaller. It will be.
[0062]
Therefore, when driving the inkjet head, as shown in FIG. 6, the diaphragm 50 bends in the direction of the opposing electrodes 55 a and 55 b, and finally the diaphragm 50 is disposed in the concave (step) portion 54. Then, a drive waveform is applied that deforms and displaces until it comes into contact with the contact facing portion 58 that can be at the same potential as the diaphragm 50.
[0063]
In the conventional ink jet head, the residual charge is generated mainly due to the potential difference generated between the diaphragm and the counter electrode at the moment when the diaphragm contacts the counter electrode to which the drive voltage V is applied. It has been experimentally found that this occurs.
[0064]
Therefore, in the present invention, the contact facing portion 58 is disposed in advance in a portion where the diaphragm 50 mainly contacts within the concave (step) portion 54, and a potential difference is generated between the diaphragm 50 and the electrodes 55a and 55b. In the meantime, the switching element 60 is turned on so that the potentials of the contact facing portion 58 and the diaphragm 50 become the same potential, so that the generation of residual charges can be essentially eliminated, and more The diaphragm 50 can be efficiently deformed with a low driving voltage.
[0065]
Next, when the application of the pulse voltage to the counter electrodes 55a and 55b is turned off, the vibration plate 50 bent as described above is restored, and the pressure in the discharge chamber 56 rapidly increases. Droplets are formed and ink is ejected toward the recording paper. Further, when the pulse voltage is turned on again to the counter electrodes 55a and 55b, the diaphragm 50 is bent again in the direction of the counter electrodes 55a and 55b and the contact facing portion 58 that face each other. The discharge chamber 46 is replenished through the fluid resistance portion 47.
[0066]
As described above, when the diaphragm 50 is deformed and contacts the opposing counter electrodes 55a and 55b, the contact facing portion 58 of the diaphragm 50 is disposed in the concave (step) portion 54 of the second substrate 42 in advance. Further, by making the contact facing portion 58 electrically equal to the potential on the diaphragm 50 side by the switching element 60, it is possible to essentially prevent the occurrence of residual charges, Since there is no occurrence, a stable ink droplet ejection operation without ink droplet ejection failure can be performed with only one polarity of driving voltage.
[0067]
Further, while the switching element 60 is in the OFF state, a potential difference is also generated between the contact facing portion 58 and the diaphragm 50, and the contact facing portion 58 can be used as an electrode portion, and is expressed by the above equation (1). The effective area S of the electrostatic force acting between the vibrating plate 50 and the electrodes 55a and 55b can be substantially expanded, so that the vibrating plate 50 can be efficiently bent with a lower driving voltage and moved to the contact facing portion 58. Ink discharge can be performed by bringing them into contact with each other.
[0068]
Note that if the switching element 60 is turned on while the drive voltage is being applied to the electrodes 55a and 55b, a potential difference is also generated between the electrodes 55a and 55b and the contact facing portion 58. Therefore, the electrodes 55a and 55b are contacted with the contact facing portion. It is necessary to perform sufficient electrical insulation treatment so as not to cause a discharge or short circuit due to field emission or the like with respect to 58.
[0069]
A first example of head drive control by the control unit will be described with reference to FIG.
In this example, as shown in FIG. 8A, when a positive pulsed drive voltage signal Va having a voltage value va is applied to the counter electrodes 55a and 55b at time T0, the diaphragm 50 is shown in FIG. As shown, deformation displacement starts on the counter electrodes 55a and 55b side, and the diaphragm 50 comes into contact with the contact facing portion 58 over time, and the vibration displacement amount at this time is δ. When the drive control signal is turned off at time T3, the diaphragm 50 is restored and ink droplets are ejected.
[0070]
In accordance with the timing of the drive waveform (drive control signal), the control unit turns off the switching element 60 until the diaphragm 50 contacts the opposing contact portion 58 as shown in FIG. The switching element 60 is turned on at a time T1 after the diaphragm 50 comes into contact with the facing contact portion 58, and the potential on the diaphragm 50 side and the potential on the contact facing portion 58 side are set to the same potential. At the time T3 when the signal is turned off, the switching element 60 is also turned off.
[0071]
By switching the ON / OFF state of the switching element 60 at such timing, it is possible to eliminate the generation of residual charges and to realize an efficient and stable ink discharge operation with a lower drive voltage.
[0072]
That is, the time when the residual charge is largely generated is mainly the time when the diaphragm 50 contacts the electrodes 55a and 55b to which the drive voltage Va is applied as described above (at the time T1 in this embodiment). It has been found experimentally.
[0073]
Therefore, after the pulsed driving voltage Va is applied to the electrodes 55a and 55b, the switching element 60 is turned off until the vibration plate 50 comes into contact with the contact facing portion 58 until the time T1 is reached. 58 is used as a substitute for the electrodes 55a and 55b. Then, the diaphragm 50 comes into contact with the contact facing portion 58 at time T1, and the switching element 60 is turned from the OFF state to the ON state at the time T2 after the main residual charge is largely generated on the contact facing portion 58. By setting the potential on the diaphragm 50 side and the potential on the contact facing portion 58 side to be the same potential, it is possible to essentially eliminate the generation of residual charges generated every printing pulse.
[0074]
Further, by providing the switching element 60 between the diaphragm 50 and the contact facing portion 58 and using the ON / OFF operation of the switching element 60, the diaphragm 50 can be efficiently performed with a lower driving voltage than in the past. Since the generated residual charges can be efficiently removed in a shorter time, a more stable ink ejection operation can be performed. That is, when the diaphragm 50 and the contact facing portion 58 are always set to the same potential, the diaphragm 50 is not easily deformed efficiently with respect to the drive voltage, and a relatively high drive voltage is required. By providing this, such a situation can be avoided.
[0075]
Next, a second example of head drive control by the control unit will be described with reference to FIG.
Also in this example, as shown in FIG. 6A, when a positive pulsed drive voltage signal Va having a voltage value va is applied to the counter electrodes 55a and 55b at time T0, the diaphragm 50 is shown in FIG. As shown, deformation displacement starts on the counter electrodes 55a and 55b side, and the diaphragm 50 comes into contact with the contact facing portion 58 over time, and the vibration displacement amount at this time is δ. When the drive control signal is turned off at time T3, the diaphragm 50 is restored and ink droplets are ejected.
[0076]
In accordance with the timing of the drive waveform (drive control signal), the control unit turns off the switching element 60 until the diaphragm 50 contacts the opposing contact portion 58 as shown in FIG. The switching element 60 is turned on at a time T1 after the diaphragm 50 comes into contact with the facing contact portion 58, and the potential on the diaphragm 50 side and the potential on the contact facing portion 58 side are set to the same potential. The switching element 60 is turned off at time T4 after time T3 when the signal is turned off and the diaphragm 50 starts restoring.
[0077]
By performing on / off control of the switching element 60 at such timing, an efficient and stable ink discharge operation can be performed with a lower drive voltage, and generation of residual charges can be more reliably removed. Can do.
[0078]
That is, at the time T1 when the diaphragm 50 comes into contact with the contact facing portion 58, the switching element 60 is changed from the OFF state to the ON state at the timing T2 after the main residual charge is largely generated on the contact facing portion 58. By making the potential on the diaphragm 50 side and the potential on the contact facing portion 58 side the same potential, it is possible to essentially eliminate the generation of residual charges that occur every printing pulse. This is the same as the example.
[0079]
Further, as in this example, the drive voltage Va is not applied to the electrodes 55a and 55b after the time point T3 when the drive voltage Va is no longer applied to the electrodes 55a and 55b (the time when the drive voltage Va is turned off). By turning off the switching element 60 at time T4, the generation of residual charges can be removed more reliably and stably as compared with the operation of FIG.
[0080]
That is, in the ON / OFF operation of the switching element 60 in the example of FIG. 8, the switching element 60 is changed from the ON state to the OFF state at the same time T3 when the drive voltage Va is not applied to the electrodes 55a and 55b. Residual charge cannot be completely removed due to a slight timing shift of ON / OFF operation 60 and a difference in time until the residual charge generated at the contact facing portion 58 is removed. Although the operation sometimes occurs, the residual charge can be completely removed surely by delaying the timing of turning off the switching element 60 from the timing of turning off the drive voltage Va.
[0081]
Next, an inkjet head according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. This figure is an enlarged explanatory view of the main part in the lateral direction of the diaphragm when the diaphragm is deformed, similar to FIG.
[0082]
In this ink jet head, a dielectric insulating layer is formed on the surface of the counter electrode 55 for applying a driving voltage to the contact facing portion 58 with which the diaphragm 50 contacts within the concave (step) portion 54 of the second substrate 42 as shown in the figure. 57 is installed. Similarly to the above, the contact facing portion 58 is provided at substantially one central portion with respect to the vibration plate short side direction of the vibration plate 50. In this case, since the contact facing portion 58 of the vibration plate 50 is formed on the surface of the counter electrode 55 via the dielectric insulating layer 57, the distance between the vibration plate 50 and the contact facing portion 58 is inevitably greater. It becomes shorter than the distance between 50 and the counter electrode 55 to which a voltage is applied.
[0083]
When configured in this manner, the head can be easily manufactured with a simpler configuration than the head of the above-described embodiment, and the effect of preventing the generation of residual charges in a more reliable and stable manner can be obtained.
[0084]
In order to confirm this, the inkjet head of the second embodiment is used, a stainless steel third substrate 43 is bonded to the upper side of the first substrate 41 with an epoxy adhesive, and a driver IC 61 and the like are connected to face each other. A unipolar voltage of only pulsed positive (positive) voltage is applied to the electrode 55, and the switching element 60 is turned on / off at the timing shown in FIG. It was. Similarly, as a comparative example, an ink jet head without the contact facing portion 58 and the switching element 60 was manufactured, and the same printing test was performed.
[0085]
According to this test result, in a conventional inkjet head having no contact facing portion 58 and no switching element 60, a driving voltage of about 50 V is required to eject ink droplets with only a unipolar plus voltage. However, it was confirmed that the ink jet head of this embodiment having the contact facing portion 58 and the switching element 60 can discharge ink droplets more reliably and stably while removing residual charges with a driving voltage as low as about 30V. It was done.
[0086]
Here, the relationship between the surface area of the counter electrode and the contact counter portion in the ink jet head according to the present invention will be described.
Table 1 shows the relationship of the vibration displacement stability of the diaphragm 50 with respect to the area ratio B / A of the surface area A of the counter electrode 55 (or both of the electrodes 51a and 51b) and the surface area B of the contact facing portion 58. .
[0087]
[Table 1]
Figure 0003933378
[0088]
As shown in Table 1, as the area ratio B / A is changed, the vibration displacement stability of the diaphragm 50 varies with respect to the drive voltage value. This is because the effective area S of the electrostatic force acting between the diaphragm 50 and the electrode 55 (or the electrodes 55a and 55b) represented by the above-described equation (1) changes. When the area ratio is 1/1, the diaphragm 50 cannot be brought into contact with the contact facing portion 58 even when the drive voltage value is 50 V, and the diaphragm 50 is brought into the contact facing portion 58 with the drive voltage value of 50 V when the area ratio is 1/2. It can be contacted, and a stable vibration displacement can be obtained.
[0089]
However, if the drive voltage value is 30 V or less, the electrostatic force acting between the diaphragm 50 and the electrode 55 (or electrodes 55a and 55b) is weakened, so that the diaphragm 50 can be brought into contact with the contact facing portion 58. It becomes impossible and it becomes an unstable vibration displacement state.
[0090]
Further, since the surface area A on the electrode 55 (or electrodes 55a and 55b) side is larger at the area ratio of 1/3, the diaphragm 50 can be brought into contact with the contact facing portion 58 even if the drive voltage value is 30 V or less. Stable vibration displacement can be obtained. Further, even when the area ratio is 1/4, a stable vibration displacement can be obtained at a drive voltage value of 30 V or less, as in the case of the area ratio 1/3.
[0091]
Therefore, by setting the value of the area ratio B / A between the surface area A of the electrode 55 (or the electrodes 55a and 55b) and the surface area B of the contact facing portion 55 to a value of 1/2 or less, stable vibration displacement of the diaphragm In order to obtain a stable vibration displacement by lowering the drive voltage value, it is more preferable to set the area ratio B / A to a value of 1/3 or less.
[0092]
Next, a third embodiment of the inkjet head according to the present invention will be described with reference to FIG. The figure is an explanatory plan view of a second substrate of the head.
In this embodiment, the counter electrodes 55 of the heads of the plurality of nozzles and the contact facing portions 58 of the diaphragm 50 are arranged on the second substrate 42, and the respective contact facing portions 58 are patterned as shown in FIG. The wiring 65 is connected.
[0093]
With this configuration, it is possible to eliminate the generation of residual charges with a simple drive circuit configuration even in a head having a plurality of nozzles.
[0094]
Next, a fourth embodiment of the inkjet head according to the present invention will be described with reference to FIG.
In this embodiment, the wiring 65 in the third embodiment is connected to the diaphragm 50 (here, grounded) via the switching element 60.
[0095]
With this configuration, it is possible to connect / disconnect the counter electrode 58 and the diaphragm 50 of each channel only by controlling on / off of one switching element 60 at a switching frequency synchronized with the maximum driving frequency of the driving voltage signal. In a multi-nozzle head, the generation of residual charges can be removed with a simple drive circuit configuration, and an efficient and stable ink discharge operation can be performed with a lower drive voltage. Become.
[0096]
Here, by using the inkjet head of this embodiment, the head drive circuit 61 and the switching element 60 are connected by the wiring 62 and the wiring 65, and the unipolar voltage only of the pulsed positive (positive) voltage is applied to the electrode 55. In this manner, the printing test was performed on the manufactured inkjet head by operating the switching element 60 at the switching frequency synchronized with 10 kHz which is the maximum driving frequency of the driving voltage signal at the timing described in FIG.
[0097]
As a result, even in a multi-nozzle head, residual charges can be removed with a lower driving voltage compared to the conventional case of about 30 V with only a positive (positive) voltage of one polarity, and ink ejection can be performed more reliably and stably. It became possible to do. Further, since the drive circuit configuration is simplified, the cost of a head having a plurality of nozzles can be reduced by 20% or more.
[0098]
  In each of the above embodiments, the present invention is applied to a side shooter type inkjet head in which the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction are the same. However, the edge shooter orthogonal to the vibration plate displacement direction and the ink droplet ejection direction is used. The same can be applied to the inkjet head of the type.Further, as described above, the present invention can also be applied to image forming apparatuses such as printers, facsimiles, and plotters, and apparatuses that eject ink droplets.
[0099]
【The invention's effect】
  As described above, according to the ink jet head according to the present invention, the diaphragm is deformed to be in contact with the contact facing portion, and the diaphragm and the contact facing portion are connected via the switching means.When the switching means is on and the diaphragm is in contact with the contact facing portion, the diaphragm and the contact facing portion have the same potential.Therefore, the generation of residual charges can be essentially eliminated, the image quality can be improved by driving at a lower voltage and stabilizing the ink droplet ejection characteristics, and the head can be further reduced in size and cost.
[0100]
Here, by making the value of the ratio of the surface area of the contact facing portion with respect to the surface area of the counter electrode not to exceed 1/2, the generation of residual charges can be stably removed at a lower driving voltage, A more stable and reliable head can be obtained.
[0101]
  According to the inkjet head of the present invention, the diaphragm is deformable and can be contacted, and has a plurality of contact facing portions that have the same potential as the diaphragm, and the plurality of contact facing portions are provided.Connected to the same potentialSo easierNaWith the head configuration, the generation of residual charges can be essentially eliminated, the image quality can be improved by driving at a lower voltage and stabilizing the ink droplet ejection characteristics, and the head can be further reduced in size and cost.
[0102]
  Here, the diaphragm and the plurality of contact facing portions are connected via switching means,When the switching means is in the on state and the diaphragm is in contact with the contact facing portion, the diaphragm and the plurality of contact facing portions have the same potential.By making it easierNaWith the head configuration, the generation of residual charges can be essentially eliminated, the image quality can be improved by driving at a lower voltage and stabilizing the ink droplet ejection characteristics, and the head can be further reduced in size and cost.
[0103]
  According to the ink jet recording apparatus and the image forming apparatus according to the present invention, an ink jet head having a contact facing portion that can be contacted by deformation of the vibration plate is mounted, and switching between the vibration plate of the ink jet head and the contact facing portion is performed. Connected through meansThe configuration in which the diaphragm and the contact facing portion are at the same potential when the switching means is on and the diaphragm is in contact with the contact facing portion.Therefore, the generation of residual charges can be essentially eliminated, and the image quality can be improved by driving at a low voltage and stabilizing the ink droplet ejection characteristics.
[0104]
Here, there is provided control means for turning off the switching means until the diaphragm of the inkjet head is deformed and contacting the contact facing portion, and for turning on the switching means after the diaphragm contacts the contact facing portion. As a result, the generation of residual charges can be more reliably removed with a lower driving voltage, and a stable print quality can be obtained with a more stable ink droplet ejection operation.
[0105]
In addition, the switching unit is turned on after the diaphragm of the inkjet head is deformed and contacts the contact-opposed portion, and the switching unit is turned off after the driving waveform is not applied between the diaphragm and the counter electrode. By providing the means, it is possible to reliably remove the generation of residual charges with a lower driving voltage, and to obtain a stable print quality with a more stable ink droplet ejection operation.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic perspective explanatory view of a mechanism portion of an ink jet recording apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is an explanatory side view of the mechanism part.
FIG. 3 is an exploded perspective view of the inkjet head according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional explanatory view of the head in the longitudinal direction of the diaphragm.
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the main part of the head in the short direction of the diaphragm
FIG. 6 is an enlarged explanatory view of the main part in the short direction of the diaphragm when the diaphragm of the head is deformed
FIG. 7 is a block diagram showing an overview of a control unit of the recording apparatus
FIG. 8 is an explanatory diagram for explaining an example of head drive control performed by the control unit;
FIG. 9 is an explanatory diagram for explaining another example of head drive control performed by the control unit;
FIG. 10 is an enlarged explanatory view of a main part in the diaphragm short direction when the diaphragm of the ink jet head according to the second embodiment of the invention is deformed.
FIG. 11 is an explanatory plan view of a second substrate for explaining an inkjet head according to a third embodiment of the invention.
FIG. 12 is an explanatory plan view of a second substrate for explaining an inkjet head according to a fourth embodiment of the invention.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 13 ... Carriage, 14 ... Recording head, 41 ... Vibrating plate / liquid chamber substrate, 42 ... Electrode substrate, 43 ... Nozzle plate, 44 ... Nozzle, 46 ... Discharge chamber, 47 ... Fluid resistance part, 48 ... Common liquid chamber, 50 DESCRIPTION OF SYMBOLS ... Diaphragm 54 ... Recessed part 55, 55a, 55b ... Counter electrode 57 ... Insulating film 58 ... Contact opposing part 60 ... Switching element 61 ... Head drive circuit.

Claims (8)

インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通するインク流路と、このインク流路の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する対向電極とを有し、前記振動板を静電気力で変形させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が変形して接触可能な接触対向部を設け、前記振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、前記振動板が接触対向部に接触した状態のときに前記振動板と接触対向部が同電位となることを特徴とするインクジェットヘッド。A nozzle that ejects ink droplets; an ink channel that communicates with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the ink channel; and a counter electrode that faces the diaphragm; in the ink-jet head for deforming ejecting ink droplets, the diaphragm is provided with a contact face portion contactable deformed, between the diaphragm and the contact facing portion connected via the switching means, the switching An ink jet head characterized in that the diaphragm and the contact facing portion are at the same potential when the means is on and the diaphragm is in contact with the contact facing portion . 請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記対向電極の表面積に対する前記接触対向部の表面積の比の値が１／２を超えないことを特徴とするインクジェットヘッド。  2. The inkjet head according to claim 1, wherein a ratio of a surface area ratio of the contact facing portion to a surface area of the counter electrode does not exceed 1/2. インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通するインク流路と、このインク流路の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する対向電極とを有し、前記振動板を静電気力で変形させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドにおいて、前記振動板が変形して接触可能で、且つ、振動板と同電位になる接触対向部を複数有し、これら複数の接触対向部を結線し同電位としたことを特徴とするインクジェットヘッド。A nozzle that ejects ink droplets; an ink channel that communicates with the nozzle; a diaphragm that forms a wall surface of the ink channel; and a counter electrode that faces the diaphragm; In the inkjet head that deforms the ink droplets and ejects ink droplets, the diaphragm has a plurality of contact facing portions that can be deformed and contacted and have the same potential as the diaphragm, and the plurality of contact facing portions are connected. An inkjet head characterized by having the same potential . 請求項３に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記振動板と前記結線された複数の接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、前記振動板が接触対向部に接触した状態のときに前記振動板と接触対向部とが同電位となることを特徴とするインクジェットヘッド。4. The ink jet head according to claim 3, wherein the diaphragm and the plurality of connected contact facing portions are connected via a switching means , the switching means is in an on state, and the diaphragm is a contact facing portion. An ink jet head , wherein the diaphragm and the contact facing portion have the same potential when they are in contact with each other. インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通するインク流路と、このインク流路の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する対向電極と、前記振動板が変形して接触可能な接触対向部とを有し、前記振動板を静電気力で変形させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを搭載したインクジェット記録装置であって、前記インクジェットヘッドの前記振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、スイッチング手段がオン状態で、前記振動板が接触対向部に接触した状態のときに前記振動板と接触対向部とが同電位となることを特徴とするインクジェット記録装置。A nozzle that ejects ink droplets, an ink channel that communicates with the nozzle, a diaphragm that forms the wall surface of the ink channel, a counter electrode that faces the diaphragm, and the diaphragm can be deformed and contacted An ink jet recording apparatus including an ink jet head that discharges ink droplets by deforming the vibration plate with electrostatic force, and between the vibration plate and the contact facing portion of the ink jet head. Ink jet recording , wherein the diaphragm and the contact facing portion are at the same potential when the switching means is in an on state and the diaphragm is in contact with the contact facing portion. apparatus. 請求項５に記載のインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドの前記振動板が変形して前記接触対向部に接触するまでの間は前記スイッチング手段をオフ状態とし、前記振動板が前記接触対向部に接触した後に前記スイッチング手段をオン状態にする制御手段を設けたことを特徴とするインクジェット記録装置。  6. The ink jet recording apparatus according to claim 5, wherein the switching means is turned off until the diaphragm of the ink jet head is deformed and contacts the contact facing portion, and the diaphragm is placed on the contact facing portion. An ink jet recording apparatus comprising control means for turning on the switching means after contact. 請求項５に記載のインクジェット記録装置において、前記インクジェットヘッドの前記振動板が変形して前記接触対向部に接触した後に前記スイッチング手段をオン状態とし、前記振動板が前記対向電極との間に駆動電圧が印加されなくなった後に前記スイッチング手段をオフ状態にする制御手段を設けたことを特徴とするインクジェット記録装置。  6. The ink jet recording apparatus according to claim 5, wherein the switching unit is turned on after the vibration plate of the ink jet head is deformed and comes into contact with the contact facing portion, and the vibration plate is driven between the counter electrode. An ink jet recording apparatus comprising: control means for turning off the switching means after voltage is no longer applied. インク滴を吐出するノズルと、このノズルに連通するインク流路と、このインク流路の壁面を形成する振動板と、この振動板に対向する対向電極と、前記振動板が変形して接触可能な接触対向部とを有し、前記振動板を静電気力で変形させてインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを搭載した画像形成装置であって、前記インクジェットヘッドの前記振動板と接触対向部との間をスイッチング手段を介して接続し、このスイッチング手段がオン状態で、前記振動板が接触対向部に接触した状態のときに前記振動板と接触対向部とが同電位となることを特徴とする画像形成装置。A nozzle that ejects ink droplets, an ink channel that communicates with the nozzle, a diaphragm that forms the wall surface of the ink channel, a counter electrode that faces the diaphragm, and the diaphragm can be deformed and contacted An image forming apparatus including an ink jet head that discharges ink droplets by deforming the vibration plate with electrostatic force, and between the vibration plate and the contact facing portion of the ink jet head. Are connected to each other through switching means, and when the switching means is in an on state and the diaphragm is in contact with the contact facing portion, the diaphragm and the contact facing portion have the same potential. Forming equipment.
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