JP5521331B2 - 液滴吐出装置およびそれを備えた画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出装置およびそれを備えた画像形成装置に係り、具体的には例えばインクジェットヘッドをキャリッジに搭載して往復移動しながら印刷するシリアル方式の画像形成装置、インクジェットヘッドをライン上に設置した状態で印刷するラインヘッド方式の画像形成装置などを用いて画像を形成するときのドロップオンデマンド型インクジェットの液滴吐出装置、または液晶ディスプレーのカラーフィルターの製造に用いられる色材液や、有機ＥＬディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材料液などの特殊な液体を噴射するドロップオンデマンド型の液滴吐出装置に関するものである。

近年のドロップオンデマンド式インクジェットヘッドを用いた印刷装置は、写真画質に匹敵するほどの高精細な画像を高速で出力できる。これは、ノズル開口から吐出されるインク滴の微細化が進み、１ピコリットリ（１０^-12リットル）という微小な液滴を記録媒体上に選択的に噴射して画像の形成を行っている。

このように非常に微小なインク滴の吐出を高周波数で駆動するには、より安定した吐出特性を有し、かつ小型のインクジェットヘッドが必要になってくることによる。

このよう基本特性の向上を図るために種々の提案がなされている。例えば、インク滴の量を調整するための個別電極と共通電極を交互に積層してなる圧電振動子の分断幅を工夫し、振動板との接触面積を小さくするような工夫がされている（特許文献１参照）。しかし、さらに圧電振動子の分断幅を狭くしていくことには限界がある。これを解決するためにはノズルに向かって流れるインク流路の長さを短くする必要があるが、圧電振動子を小型にすると変位効率が悪くなり、本来必要なインク滴の特性を確保できないことが生じる。

これを解決するために例えば特許文献２では、加圧液室（圧力発生室）の長手方向の長さよりも、積層圧電素子（圧電振動子）のインク流路方向の長さの方が長いヘッドが提案されている。しかし、流路板と振動板を接合する際に、振動板には積層圧電素子の先端面と干渉しないように振動板の一部を凹ますようにしなければならない。このため、流路板との接合の際に、前記凹ませた部分の接着を確実にするために、接合治具を工夫することや、塗布する接着剤の量を多くする必要がある。また、接着剤の量を多くすることは、インク流路部への接着剤がはみ出し、それが剥離することによってノズル開口を塞いでしまうなどの問題が生じる。

また、特許文献３では圧電振動子の効率を高めるために、圧電振動子の端部に段差を設けることが提案されている。さらに特許文献４では、振動板への接着の際に、はみ出した接着剤を収容するために、圧電振動子の先端部に接合面よりも低い面を設けることが提案されている。

特開２０００−９４６８２号公報 特開２００７−１４４７０６号公報 特開２００１−４７６３２号公報 特許２９３３０８号公報

前記特許文献２の課題を解決するために、前記特許文献３や特許文献４に示されているように、圧電素子の先端部に段差を設けることにより対応は可能であり、特許文献３及び特許文献４のでは圧電素子群全てにおいて段差部や低い部分を形成している。しかし、何れの特許文献においても、圧力発生室またはそれを含むインク流路よりも圧電振動子の長さの方が長いため、ヘッドの小型化に障害となる。また、圧電振動子群の全てに段差を設けているので、圧電振動子群を振動板へ接合する際に圧力発生室の長手方向へ倒れ易く、インク滴の特性に変動が生じ、品質の安定したインクジェットヘッドが得られない。

本発明は、それらの課題を鑑みてなされたもので、本発明の目的は装置の小型化、ならびに圧電振動子の設計裕度の拡大が図れる液滴吐出装置およびそれを備えた画像形成装置を提供することにある。

前記目的を達成するため、第１の本発明は、複数個列設されたノズル開口と、そのノズル開口と連通する圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮するための振動板と、前記圧力発生室と対向するように前記振動板に隣接した圧電振動子を備え、
前記圧電振動子に駆動パルスを印加することにより前記振動板を介して前記圧力発生室の容積を膨張・収縮させて、前記ノズル開口から液滴を吐出して被着媒体に着弾する液滴吐出装置において、
前記圧電振動子の前記ノズル開口の配列方向の最外端部に駆動パルスを印加しないダミー圧電振動子が設けられ、
前記圧電振動子は、前記駆動パルスの印加によって伸縮する方向の一端側が支持部材に固定され、他端側は自由端となり、前記圧力発生室に対向した領域にある圧電振動子の前記自由端面に、その自由端面よりも低い部分が形成されており、前記ダミー圧電振動子の前記自由端面には前記低い部分は形成されておらず、
前記圧電振動子の低い部分を除いた自由端面の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬ１、前記圧力発生室の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬｃ、前記ダミー圧電振動子の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬｐとすると、Ｌｐ＞Ｌｃ＞Ｌ１となっていることを特徴とするものである。

第２の本発明は画像形成装置において、前記液滴がインクであって、前記被着媒体が用紙などの記録媒体であって、前記第１の発明の液滴吐出装置を備えたことを特徴するものである。

前記第１の発明は、圧電振動子のノズル開口の配列方向の最外端部に駆動パルスを印加しないダミー圧電振動子が設けられ、その圧電振動子は、前記駆動パルスの印加によって伸縮する方向の一端側が支持部材に固定され、他端側は自由端となり、前記圧力発生室に対向した領域にある圧電振動子の前記自由端面に、その自由端面よりも低い部分が形成されているので、液滴吐出装置の小型化、及び圧電振動子の設計裕度の拡大を図ることができる。

前記第２の発明は、前記第１の発明の液滴吐出装置を使用することにより、画像形成装置の小型化が図れるなどの特長を有している。

本発明の実施例１に係るインクジェットヘッドの断面図である。 そのインクジェットヘッドをノズル開口並び方向に切断した断面図である。 そのインクジェットヘッドに用いる圧電振動子群の形成方法を示した図である。 本発明の実施例２に係るインクジェットヘッドに用いる圧電振動子群の斜視図である。 （ａ）本発明の実施例３に係る本発明のインクジェットヘッドの断面図、（ｂ）そのインクジェットヘッドをノズル開口並び方向に切断した断面図、（ｃ）そのインクジェットヘッドの圧力発生室の長さＬｃを示す一部平面図である。 本発明の実施例４に係るインクジェットヘッドの断面図である。 そのインクジェットヘッドに用いる圧電振動子群の斜視図である。 本発明のインクジェットヘッドを用いたインクジェット記録装置の斜視図である。

以下、本発明の代表的な例としてインクジェット記録装置について説明する。図８は、本発明の実施例に係るインクジェット記録装置の斜視図である。本実施例は卓上型の小型シリアルスキャン印刷方式の例であるが、ポスターなどの大判メディア用の印刷装置である所謂ワイドフォーマットプリンタ、記録式ヘッド複数並べて固定したライン印刷方式であっても本発明は適用される。また、本発明の吐出ヘッドは印刷装置以外、例えば産業用途等に使われるディスペンサー、インクジェット方式の３次元造形機等にも使用可能である。

同図において、１はインクジェットヘッド、１００は用紙などの記録媒体、１０１はサブインクタンク、１０２はヘッド保全部、１０３はメインインクタンク、１０４は供給チューブ、１０５はキャップ、１１０、１１１はガイド軸である。

インクジェットヘッド１は、図示されていないタイミングベルトに連結され駆動モータの正逆転によりフレームから伸びたガイド軸１１０、１１１上を往復動しながら、記録媒体１００上にインク滴を吐出して文字や図形等を印刷する。インクジェットヘッド１へのインクの供給は、メインインクタンク１０３から供給チューブ１０４を経由してサブインクタンク１０１へ送られる。さらに、供給チューブ１０４を介して、インクジェットヘッド１へ供給される。ヘッド保全部１０２は、印刷をしていない時にインクジェットヘッド１のノズルからのインクの乾燥や異物の付着を防止するためにキャップ１０５、或いは図示していないが、ノズル面に付着したインクなどを除去するためのワイパーブレードなどが設けられている。前記キャップ１０５は、サブインクタンク１０１からインクジェットヘッド１内にインクを充填する時やインクジェットヘッド１内に停滞した気泡等を除去する目的で実施されるパージ動作をする時の吸引キャップとしても活用される。

図１は本発明の実施例１に係る積層型のインクジェトヘッドの断面図、図２はそのインクジェットヘッドをノズル開口並び方向、すなわち図1の紙面に対して直交する方向に切断した断面図である。このインクジェットヘッド１は、流路基板５と高剛性プレート７０と圧電振動子群８０とから主に構成されている。

前記流路基板５は、多数のノズル開口１１を紙面と直交する方向に少なくとも１列を有するノズルプレート１０と、前記ノズル開口１１へ連通する連通流路２１を有するチャンバープレート２０と、圧力発生室３１とリストリクタ３２を兼ねた開口穴３３を有するリストリクタプレート３０と、前記圧力発生室３１及びリストリクタ３２を封止する薄板のダイアフラムプレート４０とから構成されている。前記ダイアフラムプレート４０は、振動板４１を有している。

前記高剛性プレート７０は、前記流路基板５を保持するとともに、外部からのインクを導入して貯留する共通インク室７１が形成され、共通インク室７１の流路基板５側はインク供給のため開口している。この共通インク室７１の横に開口溝７２が形成され、そこに前記圧電振動子群８０が挿入されて前記ダイアフラムプレート４０（振動板４１）に固着されている。

前記圧電振動子群８０は、複数に分割された圧電振動子８１とダミー圧電振動子８３（図２参照）を有し、圧電振動子８１とダミー圧電振動子８３がダイアフラムプレート４０に当接する側の先端部両側には、圧電振動子８１のみに先端面（自由端面）よりも低い部分８４が形成されている（図１参照）。この低い部分８４は図１に示すように圧電振動子８１先端面の長手方向の両側に設けられているが、一方側であっても良い。圧電振動子８１の先端面とダイアフラムプレート４０とのギャップは、狭い方がより効率よく圧電振動子８１の変位を伝播させることができる。

前記ノズルプレート１０は、インク滴の飛翔直進性を得るために高精度に穴加工され、ニッケルのエレクトフォーミング法やステンレスの薄板を精密プレス法によって穴を加工する方法で成形される。チャンバープレート２０は、リストリクタプレート３０に開けられた開口穴３３より長手方向が短い連通流路２１が成形され、この連通流路２１の端部側に前記ノズル開口１１が設けられている。図２ではノズル開口１１が１列に並んだ例を示したが、１つのインクジェットヘッド内に複数列を配置しても、またノズル開口１１を内側として、前記圧力発生室３１などの流路穴が互いに対向するように配置しても良い。

チャンバープレート２０とリストリクタプレート３０は、ステンレスの薄板をエッチング法や精密プレス法によって加工成形される。あるいはチャンバープレート２０とリストリクタプレート３０を、シリコンウェハーを異方性エチングあるいはドライエッチングして１枚のプレートで形成してもよい。

前記ダイアフラムプレート４０は、平らな薄板からなる振動板４１と、各圧力発生室３１に相当する穴があけられ前記振動板４１を補強する機能をもつサポートプレート６０から構成されている。そしてサポートプレート６０の穴隔壁に囲まれた凹部（図２のＡ部及びＢ部参照）に圧電振動子８１及びダミー圧電振動子８３とからなら圧電振動子群８０が当接されている。

このダイアフラムプレート４０は圧力発生室３１とリストリクタ３２を封止しているが、そのダイアフラムプレート４０の圧力発生室３１を封止する領域は、圧電振動子８１の伸縮によって圧力発生室３１の容積を変化（膨張、収縮）させるために可動可能なように他の領域より薄板となり、前記振動板４１として機能する。

ダイアフラムプレート４０の圧電振動子８１の自由端部が当接する領域には、島状の凸部４２が形成されている。凸部４２の高さ（厚さ）は、振動板４１として機能する以外の領域と同じ高さ（厚さ）となっている。その製造成方法としては、ニッケル材をエレクトフォーミング法によって薄板部と厚板部の２層構成で成形されている。或いは、前記薄板部を形成するためにプラスチックフィルムと金属板を積層した後に、薄板部となる領域の金属板をエッチングして除去して形成してもよい。

前記高剛性プレート７０は、ステンレスの棒材等を切削加工して得るか、あるいは熱可塑性樹脂または熱硬化性樹種を成形することで容易に作成することができる。

このインクジェットヘッド１は、前記圧電振動子８１に駆動パルスを印加することにより前記振動板４１を介して前記圧力発生室３１の容積を膨張・収縮させて、前記ノズル開口１１からインク滴を吐出し、それを記録媒体１００（図８参照）上に着弾して所望の画像を形成する。

図３（ａ）〜（ｃ）は、圧電振動子群８０の製造過程を示す斜視図である。同図（ａ）に示すように、導電材料８６と圧電材料８７が交互に積層されたバルク状態の圧電素子８５の駆動パルスの印加により伸縮する方向の一端側を支持部材８２に固定する。そして同図（ｂ）に示すように、バルク状の圧電素子８５の前記一端側とは反対側、すなわち圧力発生室３１と対向する側の部分に先端面より低い部分８４となる段差状のＤ部を、例えばフライスなどの機械加工によって形成する。同図（ｂ）に示すように圧電素子８５の両端部（手前側と奥側）には、前記Ｄ部は形成されていない。

そして同図（ｃ）に示すように、バルク状の圧電素子８５を個々の圧力発生室３１に対応するように圧電素子８５の積層方向に切り込んで、多数に分割された圧電振動子８１が形成されるとともに、圧電振動子８１の両端部には先端部に低い部分８４が存在しないダミー圧電振動子８３が形成される。前述のように段差状のＤ部を形成することにより、圧電振動子８１の自由端面より低い部分８４には自由端面と略平行な面が形成される。このようにして形成された圧電振動子群８０の圧電振動子８１ならびにダミー圧電振動子８３のそれぞれが、前記ダイアフラムプレート４０の凸部４２や振動板４１に当接固着される。ダミー圧電振動子８３は、前記圧力発生室３１の領域から外れた位置にあって電圧は印加されない。本実施例では、ダミー圧電振動子８３は、圧電振動子８１よりも厚くなっているが、圧電振動子８１と同じ厚みで複数本形成しても良い。

図３（ｃ）に示すように、圧電振動子８１の長手方向（前記ノズル列方向と直交する方向）の長さをＬｐ、前記圧電振動子８１の自由端面と低い部分８４の段差をＬ２、低い部分８４の片側の幅をＬ３とすると、例えばＬｐ＝１．３ｍｍ、Ｌ２＝０．０５ｍｍ、Ｌ３＝０．１５ｍｍとすることができる。

図４は、実施例２に係る圧電振動子群８０の斜視図である。多数に分割された圧電振動子３１の先端面は、凸形状となっているが、同図に示すように先端面より低い部分８４は、外側に向けて徐々に低くなったなだらかな傾斜部となっている。これは、前記図２（ｂ）に示す加工工程において、砥石等により面取り工程と同じような工法で形成することができ、先端面より低い部分８４を比較的容易に形成することができる。

図５は本発明のインクジェットヘッドの実施例３を示す図で、同図（ａ）はインクジェットヘッド１を圧力発生室３１の長手方向に沿って切断した断面図、同図（ｂ）はノズル開口１１の並んでいる方向沿って切断した断面図、同図（ｃ）は圧力発生室３１の長手方向の長さＬｃを示す一部平面図である。インクジェットヘッド１を構成する部材等は図１で説明したものと同じなので、それらの説明は省略する。

同図（ｂ）に示すように、各圧電振動子８１及びダミー圧電振動子８３の先端面は同一面にある。同図（ｃ）に示すように、圧力発生室３１の長手方向（前記ノズル列方向と直交する方向）の長さをＬｃ、前記圧電振動子８１の長手方向（前記ノズル列方向と直交する方向）の長さをＬｐとすると、同図（ａ）に示すように圧電振動子８１の長手方向の長さＬｐは圧力発生室３１の長手方向の長さＬｃよりも長くなっている（Ｌｐ＞Ｌｃ）。

これはインク滴の量を１ピコリットル以下のように極小にしていくと、圧力発生室３１の長さＬｃが短くなってくる。短くすることでノズル開口１１からリストリクタ３２までの流路で決まる固有振動数の周期が小さくでき、より高速で駆動することが可能となる。しかし、ここで圧電振動子８１のサイズ（Ｌｐ）を小さくすると変位効率が低下するから、それを解消するために圧力発生室３１の長さＬｃよりも圧電振動子８１の長さＬｐを大きくしている。

また圧電振動子８１の前記低い部分８４を除いた自由端面の長手方向（前記ノズル列方向と直交する方向）の長さをＬ１とすると、その長さＬ１は圧力発生室３１の長手方向（前記ノズル列方向と直交する方向）の長さＬｃよりも短くなっている（Ｌｃ＞Ｌ１）。これによって、圧力発生室３１の周囲部にあるダイアフラムプレート４０の厚板部と干渉しないようになっている。そして、ダミー圧電振動子８３の先端の長さは、Ｌｐのままであることにより、圧電振動子群８０が、図５（ａ）に示す矢印Ａ、Ａ´方向への倒れが抑制される。

その結果、振動板４１にある凸部４２と圧電振動子８１間のギャップ変動を防止することができ、圧電振動子８１の変位を効率よく伝えることができ、駆動電圧を低減させることができる。また、ダミー圧電振動子８３は長くままであるから、振動板４１に接合する時や作業上の取り扱いにおいて、圧電振動子８１の端部の欠け発生を防ぐことができる。

また、従来技術で示したように、ダミー圧電振動子８３の先端部にも低い面を形成することで、圧力発生室３１の周囲部にあるダイアフラムプレート４０の厚板部に干渉しないようになっている。このように、圧電振動子群８０の長さＬｐが、圧力発生室３１の長さＬｃより長くしているので、圧電振動子８１の変位効率や駆動電圧を小さくできるなど、設計裕度が広がる。

図６は、実施例４に係るインクジェットヘッドの断面図である。この実施例では、１個の支持部材８２に２列の圧電振動子群８０が並設され、それに対応してノズル開口１１及び圧力発生室３１も２列形成されている。インクジェットヘッド１を小型化するために、２列あるノズル開口１１間を狭くしても、図６のＥ部に示す圧力発生室３１間のダイアフラムプレート４０の接合部を低くする必要がなく、しっかりと接合することができる。図７は、このインクジェットヘッド１に用いられる圧電振動子群８０の斜視図である。図２と同様に接合面が長い両端部にダミー圧電振動子８３があることで、ダイアフラムプレート４０にしっかりと圧電振動子群８０を固着支持することができる。

本実施例では圧電振動子８１の自由端面と略平行な面を有する段差状の低い部分８４を設けたが、図４に示したように圧電振動子８１の外側に行くに従って徐々に低くなった傾斜状の低い部分８４を設けることもできる。

本実施例で用いた圧電素子８１は積層方向に最も変位するｄ３３タイプのものであるが、積層方向に対して鉛直方向に変位するｄ３１タイプのもの使用可能である。

前記実施例で述べたインクジェットヘッドを４台並設し、各インクジェットヘッドに別々にシアン、マゼンダ、イエロー、黒のインクを供給してインクを吐出させ、記録媒体上で各色のインクを重ね合わせてカラー画像を形成することができる。

前記実施例ではインクジェット記録装置について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば液晶ディスプレーのカラーフィルターの製造に用いられる色材液や、有機ＥＬディスプレー等の電極膜形成に用いられる電極材料液などの特殊な液体を噴射する液滴吐出装置にも適用可能である。

１ インクジェットヘッド
５ 流路基板
１０ ノズルプレート
１１ ノズル開口
２０ チャンバープレート
２１ 連通流路
３０ リストリクタプレート
３１ 圧力発生室
３２ リストリクタ
３３ 開口穴
４０ ダイアフラムプレート
４１ 振動板
４２ 凸部
５０ サポートプレート
７０ 高剛性プレート
７１ 共通インク室
７２ 開口溝
８０ 圧電振動子群
８１ 圧電振動子
８２ 支持部材
８３ ダミー圧電振動子
８４ 低い部分
８５ 圧電素子
８６ 導電材料
８７ 圧電材料
１００ 記録媒体
１０１ サブインクタンク
１０２ ヘッド保全部
１０５ キャップ
１１０、１１１ ガイド軸。

Claims (8)

1. 複数個列設されたノズル開口と、そのノズル開口と連通する圧力発生室と、その圧力発生室の容積を膨張・収縮するための振動板と、前記圧力発生室と対向するように前記振動板に隣接した圧電振動子を備え、
   前記圧電振動子に駆動パルスを印加することにより前記振動板を介して前記圧力発生室の容積を膨張・収縮させて、前記ノズル開口から液滴を吐出して被着媒体に着弾する液滴吐出装置において、
   前記圧電振動子の前記ノズル開口の配列方向の最外端部に駆動パルスを印加しないダミー圧電振動子が設けられ、
   前記圧電振動子は、前記駆動パルスの印加によって伸縮する方向の一端側が支持部材に固定され、他端側は自由端となり、前記圧力発生室に対向した領域にある圧電振動子の前記自由端面に、その自由端面よりも低い部分が形成されており、前記ダミー圧電振動子の前記自由端面には前記低い部分は形成されておらず、
   前記圧電振動子の低い部分を除いた自由端面の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬ１、前記圧力発生室の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬｃ、前記ダミー圧電振動子の前記ノズル開口の配列方向と直交する方向の長さをＬｐとすると、Ｌｐ＞Ｌｃ＞Ｌ１の関係にあることを特徴とする液滴吐出装置。
2. 請求項１に記載の液滴吐出装置において、前記ダミー圧電振動子は前記圧電振動子の両端部にそれぞれ設けられていることを特徴とする液滴吐出装置。
   
3. 請求項１または２に記載の液滴吐出装置において、前記圧電振動子の自由端面より低い部分は、前記自由端面の前記ノズル開口の配列方向と直交する長手方向の少なくともどちらか一方の端部に設けられていることを特徴とする液滴吐出装置。
4. 請求項１ないし３のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記圧電振動子の自由端面より低い部分は、その自由端面と略平行な面を有することを特徴とする液滴吐出装置。
5. 請求項１ないし４のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記圧電振動子の自由端面より低い部分は、その自由端面の外側に向けて傾斜していることを特徴とする液滴吐出装置。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の液滴吐出装置において、前記振動板の圧力発生室に対向する位置に、前記圧電振動子が当接する島状の凸部が形成され、その凸部の高さは圧力発生室周囲の振動板の高さと同じであることを特徴する液滴吐出装置。
7. 前記液滴がインクであって、前記被着媒体が記録媒体であって、請求項１ないし６のいずれか１項に記載の液滴吐出装置を備えたことを特徴する画像形成装置。
8. 請求項７に記載の画像形成装置において、色の異なるインクが供給できる液滴吐出装置が複数設けられていることを特徴する画像形成装置。-

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