JP5375667B2 - 液体吐出ヘッド及び画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は特に振動板部材を有する液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置として、例えばインク液滴を吐出する液体吐出ヘッド（液滴吐出ヘッド）からなる記録ヘッドを用いた液体吐出記録方式の画像形成装置が知られている。この液体吐出記録方式の画像形成装置は、記録ヘッドからインク滴を、搬送される用紙（紙に限定するものではなく、ＯＨＰなどを含み、インク滴、その他の液体などが付着可能なものの意味であり、被記録媒体あるいは記録媒体、記録紙、記録用紙などとも称される。）に対して吐出して、画像形成（記録、印字、印写、印刷も同義語で使用する。）を行なうものであり、記録ヘッドが主走査方向に移動しながら液滴を吐出して画像を形成するシリアル型画像形成装置と、記録ヘッドが移動しない状態で液滴を吐出して画像を形成するライン型ヘッドを用いるライン型画像形成装置がある。

なお、本願において、液体吐出記録方式の「画像形成装置」は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味し、また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与すること（単に液滴を媒体に着弾させること）をも意味する。また、「インク」とは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用い、例えば、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料、樹脂なども含まれる。また、「画像」とは平面的なものに限らず、立体的に形成されたものに付与された画像、また立体自体を３次元的に造形して形成された像も含まれる。

従来の液体吐出ヘッドとしては、液室内の液体であるインクを加圧し圧力を発生するための圧力発生手段としての圧電体、例えば、圧電層と内部電極を交互に積層した積層型圧電素子を用いた圧電アクチュエータを備え、積層型圧電素子のｄ３３またはｄ３１方向の変位で液室の壁面を形成する振動板部材の変形可能な振動領域を変形させ、液室内容積、圧力を変化させて液滴を吐出させるいわゆる圧電型ヘッドが知られている。

このような積層型圧電素子を用いた液体吐出ヘッドの特徴としては、振動板部材を高周波数で駆動することができるため、個別の液滴を集合体として着弾させることも可能であり、小滴から大滴までの吐出を制御することが可能であるため、高速、高画質での印刷が可能である。

ところで、更なる高速、高画質印刷を目指した画像形成装置を実現するためには、液滴を吐出するノズルを高密度に配置することが求められているが、積層型圧電素子を用いたヘッドの高密度化においては、滴吐出を行うために振動板部材の振動領域（ダイアフラム部）を変位させたときに、隣接する液室まで圧力変動が伝播し、隣接する液室が滴吐出を行なうときに滴吐出が不安定になったり、隣接する液室が滴吐出を行なわない場合にノズルから液垂れを生じるなどの所謂相互干渉が問題となる。

そこで、従来から圧電部材に駆動信号を印加する柱状の圧電素子（駆動柱）と駆動信号を印加しないで支持部材とする柱状の圧電素子（非駆動柱）とを交互に配置して、非駆動柱で液室間の隔壁を支持する構成が知られている（特許文献１）。この場合、駆動柱と非駆動柱は積層型圧電部材に溝加工を施して滴吐出のために液室を加圧する駆動柱と液室を構成する流路板の隔壁に対向する位置に配置される非駆動柱とに使い分けられる。

また、駆動柱の駆動時に加わる力によって非駆動柱が伸びることがないように、例えば、非駆動柱を、駆動柱よりも弾性係数の大きい材料で構成する、或いは、非駆動柱の断面積を駆動柱の断面積よりも大きくする、或いは、非駆動柱の断面積が振動板から遠ざかるにつれて大きくなるようして、剛性を高めることも知られている（特許文献２）。

また、積層型圧電素子の加圧液室長手方向の両端に位置する不活性領域のうちの一方の不活性領域を、振動板を介して加圧液室基板に接続するものも知られている（特許文献３）。

特開２００２−２９２８６４号公報 特開２０００−３５１２０７号公報 特開２００４−１６０９４１号公報

ところで、ノズルを高密度に配列した高密度ヘッドにおいては、積層型圧電素子（圧電部材）に対する溝加工のピッチが狭くなり、また、駆動柱及び非駆動柱の幅（ノズル配列方向の幅：以下同じ）も狭くなってくる。

この場合、ノズルが連通する個々の液室の体積が小さくなることから高い効率で滴吐出を行なえるようにしなければならない。そのためには、低電圧駆動で液室に高い圧力を発生させるため振動板部材のダイアフラム部の変位量を大きくする必要がある。振動板部材のダイアフラム部の変位量を大きくするには、積層型圧電素子の変位量、すなわち活性層の積層数を大きくする、あるいは、振動板領域を加圧する面積を大きくすることのいずれかが必要となる。

ところが、積層型圧電素子の溝加工において、溝加工深さには限界があることから活性層の積層数を増やすことは困難である。

一方、相互干渉については、非駆動柱の幅が狭くなり、駆動柱の変位により振動板部材のダイアフラム部が変形し、その変形力に対して非駆動柱の剛性が低下していることで非駆動柱に伸び変形が発生し、変形を支えきれなくなることが要因であることが明らかになってきている。この非駆動柱の伸び変形を抑えるため、特許文献２に開示されているように非駆動柱の断面積、即ち非駆動柱の幅を広げる段溝加工を施すことも知られているが、このような段溝加工を施したのでは実質的に高密度化を実現することができないという課題がある。また、相互干渉対策としては特許文献３に開示の技術では高密度化に対応した非駆動柱の変形を防止する効果を得ることができないことが判明した。

本発明は上記の課題に鑑みてなされたものであり、駆動柱による振動領域の変位面積を大きくしつつ、かつ、相互干渉も抑制して、高密度配置でも安定した滴吐出を行なうことができるようにすることを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係る液体吐出ヘッドは、
液滴を吐出する複数のノズルと、
各ノズルが連通する液室と、
各液室の壁面の一部を形成する変形可能な振動領域を有する振動板部材と、
前記振動板部材の振動領域及び前記液室間の隔壁に対応する部分にそれぞれ接合される駆動柱及び非駆動柱が設けられた圧電部材と、を備え、
前記振動板部材には、前記振動領域に前記駆動柱と接合される第１凸部が、前記液室間の隔壁に対応する部分に前記非駆動柱と接合される第２凸部がそれぞれ設けられ、
前記第１凸部のノズル配列方向における基部の幅が、前記第２凸部のノズル配列方向における前記基部の幅よりも広く、かつノズル配列方向における前記駆動柱の幅が、前記非駆動柱の幅よりも狭い
構成とできる。

ここで、ノズル配列方向において、前記第１凸部の基部の幅は、前記駆動柱の幅よりも広く、前記第２凸部の前記基部の幅は前記非駆動柱の幅よりも狭い構成とできる。

また、前記振動板部材には前記液室間の隔壁との接合面側に第３凸部が形成されている構成とできる。

この場合、前記第３凸部のノズル配列方向における基部の幅が、前記第２凸部のノズル配列方向における前記基部の幅以下である構成とできる。

また、前記第２凸部及び第３凸部は同じ材質からなる構成とできる。

また、前記第２凸部及び第３凸部はメッキ膜で形成されている構成とできる。

また、前記液室間の隔壁は前記振動板部材側が、振動板部材側と反対側よりもノズル配列方向における幅が狭くなっている構成とできる。

本発明に係る画像形成装置は、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているものである。

本発明に係る液体吐出ヘッドによれば、振動板部材には、振動領域に駆動柱と接合される第１凸部が、液室間の隔壁に対応する部分に非駆動柱と接合される第２凸部がそれぞれ設けられ、第１凸部のノズル配列方向における基部の幅が、第２凸部のノズル配列方向における基部の幅よりも広く、かつノズル配列方向における前記駆動柱の幅が、前記非駆動柱の幅よりも狭い構成としたので、ノズルを高密度配置した場合でも、駆動柱による振動領域の変位面積を大きくしつつ、かつ、相互干渉も抑制して、安定した滴吐出を行なうことができる。

本発明に係る画像形成装置によれば、本発明に係る液体吐出ヘッドを備えているので、安定した滴吐出を行なって高画質画像を形成することができるようになる。

本発明の第１実施形態に係る液体吐出ヘッドの外観斜視説明図である。 図１のＡ−Ａ線に沿う断面説明図である。 同１のＢ−Ｂ線に沿う断面説明図である。 同ヘッドの要部断面説明図である。 同ヘッドの振動板部材の要部拡大断面説明図である。 同振動板部材の製造工程の一例の説明に供する説明図である。 本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッドの説明に供する断面説明図である。 同ヘッドの振動板部材の要部拡大断面説明図である。 同ヘッドの１つの液室部分の拡大説明図である。 本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッドの説明に供する断面説明図である。 本発明の第４実施形態に係る液体吐出ヘッドの説明に供する１つの液室部分の断面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の機構部の全体構成を説明する概略構成図である。 同機構部の要部平面説明図である。 本発明に係る画像形成装置の他の例を示す全体構成図である。

以下、本発明の実施形態について添付図面を参照して説明する。本発明に係る液体吐出ヘッドの第１実施形態について図１ないし図３を参照して説明する。なお、図１は同ヘッドの外観斜視説明図、図２は同ヘッドのノズル配列方向と直交する方向（液室長手方向：図１のＡ−Ａ線）に沿う断面説明図、図３は同ヘッドのノズル配列方向（液室短手方向：図１のＢ−Ｂ線）に沿う断面説明図である。

この液体吐出ヘッドは、ＳＵＳ基板で形成した流路板（流路部材、流路基板、液室基板などとも称される。）１と、この流路板１の下面に接合した振動板を形成する振動板部材２と、流路板１の上面に接合したノズル板３とを有し、これらによって液滴（液体の滴）を吐出する複数のノズル４がそれぞれ連通する個別流路としての複数の液室（加圧液室、圧力室、加圧室、流路などとも称される。）６、液室６にインクを供給する供給路を兼ねた流体抵抗部７、この流体抵抗部７を介して液室６と連通する連通部８を形成し、連通部８に振動板部材２に形成した供給口９を介して後述するフレーム部材１７に形成した共通液室１０からインクを供給する。

流路板１は、ＳＵＳ基板を、酸性エッチング液を用いてエッチング、あるいは打ち抜き（プレス）などの機械加工することで、加圧液室６、流体抵抗部７などの開口をそれぞれ形成している。なお、流路板１は、例えば単結晶シリコン基板をエッチングして形成することなどもできる。

振動板部材２は、第１層２Ａと第２層２Ｂとで形成されて、第１層２Ａで薄肉部を形成し、第１層２Ａ及び第２層２Ｂで厚肉部を形成している。そして、この振動板部材２は、各液室６に対応してその壁面を形成する第１層２Ａで形成された各振動領域（ダイアフラム部）２ａを有し、この振動領域２ａの中に、面外側（液室６と反対面側）に第１層２Ａ及び第２層２Ｂの厚肉部で形成された島状凸部である第１凸部２ｂが設けられ、この第１凸部２ｂに振動領域２ａを変形させる駆動手段（アクチュエータ手段、圧力発生手段）としての電気機械変換素子を含む圧電アクチュエータ１００を配置している。

この圧電アクチュエータ１００は、ベース部材１３上に接着剤接合した複数（ここでは２つとする）の積層型圧電部材１２を有し、圧電部材１２にはハーフカットダイシングによって溝加工して１つの圧電部材１２に対して所要数の圧電素子柱１２Ａ、１２Ｂを所定の間隔で櫛歯状に形成している。なお、圧電部材１２の圧電素子柱１２Ａ、１２Ｂは、駆動波形を与えて駆動させる圧電素子柱を駆動圧電素子柱（駆動柱）１２Ａ、駆動波形を与えないで単なる支柱として使用する圧電素子柱を非駆動圧電素子柱（非駆動柱）１２Ｂとして区別している。

そして、駆動圧電素子柱１２Ａの上端面（接合面）を振動板部材２の第１凸部２ｂに接合している。また、非駆動圧電素子柱１２Ｂの上端面は液室間隔壁６Ａに対応する位置で振動板部材２の厚肉部である第２凸部２ｃに接合している。

ここで、圧電部材１２は、圧電材料層２１と内部電極２２Ａ、２２Ｂとを交互に積層したものであり、内部電極２２Ａ、２２Ｂをそれぞれ端面、即ち圧電部材１２の振動板部材２に略垂直な側面（積層方向に沿う面）に引き出して、この側面に形成された端面電極である個別外部電極２３、共通外部電極２４に接続し、外部電極２３、２４間に電圧を印加することで積層方向の変位を生じる。なお、共通外部電極２４は非駆動領域に設けられた内部電極を通じて個別外部電極２３側の端面であって、圧電部材１２の端部に引出されている。

また、圧電部材１２には駆動圧電素子柱１２Ａに駆動信号を与えるための可撓性を有する給電部材（配線部材）としてのフレキシブル配線基板であるＦＰＣ１５が接続されている。ＦＰＣ１５には、駆動圧電素子柱１２Ａに駆動波形を与えるドライバＩＣ（駆動回路）１６が搭載されている。

なお、ここでは、圧電部材１２の圧電素子柱１２Ａ、１２Ｂは、一つの圧電部材１２から形成されるものであるが、駆動波形を与えて駆動させる圧電素子柱を駆動圧電素子柱（駆動柱）１２Ａ、駆動波形を与えないで単なる支柱として使用する圧電素子柱を非駆動圧電素子柱（非駆動柱）１２Ｂとして、ノズル配列方向における柱幅を駆動圧電素子柱（駆動柱）１２Ａの方が非駆動圧電素子柱（非駆動柱）１２Ｂよりも狭く形成し、駆動用圧電素子柱１２Ａと支柱用圧電素子柱１２Ｂとを交互に使用するバイピッチ構成としている。

ノズル板３は、ニッケル（Ｎｉ）の金属プレートから形成したもので、エレクトロフォーミング法（電鋳）で製造している。このノズル板３には各液室６に対応して直径１０〜３５μｍのノズル４を形成し、流路板１に接着剤接合している。そして、このノズル板３の液滴吐出側面（吐出方向の表面：吐出面、又は液室６側と反対の面）には撥水層を設けている。

さらに、これらの圧電素子１２、ベース部材１３及びＦＰＣ１５などで構成される圧電アクチュエータ１００の外周側には、エポキシ系樹脂或いはポリフェニレンサルファイトで射出成形により形成したフレーム部材１７を接合している。そして、このフレーム部材１７には前述した共通液室１０を形成し、更に共通液室１０に外部からインクを供給するための供給口を形成し、この供給口１９は更に図示しないサブタンクやインクカートリッジなどのインク供給源に接続される。

このように構成した液体吐出ヘッドにおいては、例えば押し打ち方式で駆動する場合には、図示しない制御部から記録する画像に応じて駆動用圧電素子柱１２Ａに２０〜５０Ｖの駆動パルス電圧を選択的に印加することによって、パルス電圧が印加された圧電素子柱１２Ａが変位して振動板２の振動領域２ａをノズル板３方向に変形させ、液室６の容積（体積）変化によって液室６内の液体を加圧することで、ノズル板３のノズル４から液滴が吐出される。そして、液滴の吐出に伴って液室６内の圧力が低下し、このときの液流れの慣性によって液室６内には若干の負圧が発生する。この状態の下において、圧電素子柱１２Ａへの電圧の印加をオフ状態にすることによって、振動板２が元の位置に戻って液室６が元の形状になるため、さらに負圧が発生する。このとき、共通液室１０から液室６内にインクが充填され、次の駆動パルスの印加に応じて液滴がノズル４から吐出される。

なお、液体吐出ヘッドは、上記の押し打ち以外にも、引き打ち方式（振動板２を引いた状態から開放して復元力で加圧する方式）、引き−押し打ち方式（振動板２を中間位置で保持しておき、この位置から引いた後、押出す方式）などの方式で駆動することもできる。

そこで、この液体吐出ヘッドにおける振動板部材の詳細について図４及び図５も参照して説明する。なお、図４はノズル配列方向に沿う要部断面説明図、図５は振動板部材の要部拡大断面説明図である。
振動板部材２は、前述したようにダイアフラム部２ａを形成する薄肉部である第１層２Ａと、厚肉部であるダイアフラム部２ａの第１凸部２ｂ及び液室間隔壁６Ａに対応する第２凸部２ｃを形成する第２層２Ｂとの３層構造としている。

そして、図５に示すように、圧電部材１２の駆動圧電素子柱１２Ａと接合される第１凸部２ｂのノズル配列方向における基部の幅Ｗａ１を、非駆動圧電素子柱１２Ｂと接合される第２凸部２ｃのノズル配列方向における基部の幅Ｗａ２よりも広く（Ｗａ１＞Ｗａ２）形成している。なお、「基部の幅」とは、凸部が形成されている薄肉部（この例では第１層２Ａ）との境界部における幅を意味している。

この振動板部材２はエレクトロフォーミング（電鋳）法にて形成している。電鋳法について図７を参照して説明すると、同図（ａ）に示すように電鋳支持基板４１に薄肉部（ダイアフラム部）２ａを形成する第１層４２（２Ａ）を形成し、同図（ｂ）に示すように厚肉部（第１凸部２ｂ、第２凸部２ｃ）間に相当する部分が窓となるレジストパターン４４を形成して例えばニッケル電鋳を行うことで、同図（ｃ）に示すように、第１層４２上にニッケルが析出され堆積してニッケル層４５が形成され、更に電鋳を継続することで、同図（ｄ）に示すように、窓から突出するまでニッケル層４５が成長すると、エッジ効果によりパターン４４の表面方向にも肥大して所謂オーバーハング部が生じる。このプロセスを継続していくと、同図（ｅ）に示すようにニッケル層４５は厚み方向と平面方向にさらに伸長し、所定の成長の段階で電鋳を終了した後、パターン４４を除去することで、同図（ｆ）に示すように、凹部により囲まれた断面鋲型のアイランド状厚肉部（第１凸部２ｂ、第２凸部２ｃ）を備えた金属膜（メッキ膜）が得られる。

このような製造方法を用いることで、振動板部材２のダイアフラム部２ａを構成する薄肉部と第１、第２凸部２ｂ、２ｃを構成する厚肉部を同一の工程で作製できる。また、厚肉部のパターン形成にフォトリソグラフィを用いることができ、高いパターン精度が得られる。

図４に戻って、一方、第２凸部２ｃと接合する非駆動圧電素子柱１２Ｂのノズル配列方向における幅Ｗｂ２は、第１凸部２ｂと接合する駆動圧電素子柱１２Ａのノズル配列方向における幅Ｗｂ１よりも広く（Ｗｂ２＞Ｗｂ１）形成している。

また、第１凸部２ｂの幅Ｗａ１と駆動圧電素子柱１２Ａの幅Ｗｂ１との関係は、Ｗａ１＞Ｗｂ１の関係にしている。これにより、幅の狭い駆動圧電素子柱１２Ａでもより幅の広い領域を変形させることが可能となり、変位体積を稼ぐことができる。

このように、振動板部材２の駆動圧電素子柱１２Ａと接合される第１凸部２ｂの幅Ｗａ１を非駆動圧電素子柱１２Ｂと接合される第２凸部２ｃの幅Ｗａ２よりも広く（Ｗａ１＞Ｗａ２）、かつノズル配列方向における駆動圧電素子柱１２Ａの幅を、非駆動圧電素子柱１２Ｂの幅よりも狭く形成することで、ダイアフラム部２ａの十分な変位を確保することができて、駆動圧電素子柱１２Ａの幅を狭くしても吐出効率を高くすることができる。

そして、駆動圧電素子柱１２Ａの幅を狭くできることで、非駆動圧電素子柱１２Ｂの幅を相対的に広くすることができるので、非駆動圧電素子柱１２Ｂの剛性を高めることができて相互干渉を抑制できる。この場合、第２凸部２ｃの幅を狭くしても圧電素子柱に比較して凸部の高さ（厚さ）は低い（薄い）ために、剛性への影響は小さく隔壁部の変位は抑えることができる。

具体的に説明する。ここでは、６００ｄｐｉ相当でノズル４を配列したヘッドを製作するため、圧電層２１を１２層とした積層型圧電部材１２に対して１８μｍ厚のダイシングブレードを使用して深さ３５０μｍの溝を加工し、幅Ｗｂ１が約１９μｍの駆動圧電素子柱１２Ａと、幅Ｗｂ２が約２５μｍの非駆動圧電素子柱１２Ｂを交互に形成した。また、振動板部材２はニッケル電鋳で形成して、約２．５μｍ厚のダイアフラム部２ａ（第１層２Ａ）と約１５μｍ厚の第１、第２凸部２ｂ、２ｃなどの厚肉部（第２層２Ｂ）を形成した。これらと流路板及びノズル板などを組み合わせてインクジェットヘッドを構成した。

ここで、駆動圧電素子柱（駆動柱）１２Ａ及び非駆動圧電素子柱（非駆動柱）１２Ｂに接合する振動板部材２の第１凸部２ｂの幅Ｗａ１（表１中の駆動柱の欄）、第２凸部２ｃの幅Ｗａ２（表１中の非駆動柱の欄）を、表１の組み合わせとしたヘッド１ないし４を製作し、インク滴吐出特性を評価した。なお、前記幅Ｗｂ１、Ｗｂ２は固定とした。

このインク滴吐出特性の評価の結果、ヘッド１は相互干渉を１０％以下に抑えられるとともに、インク吐出速度及び吐出量を大きくできた。ヘッド２は相互干渉を１０％以下に抑えられるが、インク吐出速度及び吐出量を大きくできなかった。ヘッド３は相互干渉を１０％以下に抑えられたが、インク吐出速度及び吐出量も大きくできなかった。ヘッド４は相互干渉が２０％を超え、インク吐出速度及び吐出量を大きくできなかった。

一般的に、変位体積を稼ぐには駆動圧電素子柱と接合する駆動柱接合部（第１凸部）幅を広く、非駆動部の剛性を上げるには非駆動圧電素子柱と接合する非駆動柱接合部（第２凸部）幅を広くすることが有効であると考えられるが、実際に両方の幅を広くした構成（ヘッド４）では、剛性が向上したにもかかわらず、むしろ相互干渉が悪くなるという結果になる。これは、両方の接合部幅を広くすることで、相対的に変形するダイアフラム部２ａの幅が狭くなったために変位の自由度が低下し、駆動部の変形により非駆動部が引っ張られたためと考えられる。

この結果から、６００ｄｐｉ相当でノズルを配列した高密度ヘッドにおいて、駆動柱の幅を狭く、非駆動柱の幅を広くするだけでは相互干渉を抑えることができず、振動板部材との接合面或いは振動板部材に形成した凸部の幅を制御することが重要であることが明らかとなった。

すなわち、非駆動柱接合部幅は敢えて狭くしてダイアフラム領域を稼ぐことで、相互干渉を低減させることを実現でき、このように、非駆動柱の柱幅に対して非駆動柱に接合する振動板部材の凸部の幅を狭くても、駆動柱が駆動されるときに変形することはなく、非駆動柱は十分な固定機能を有していることも明らかとなった。これは、非駆動柱の高さに対し、凸部の高さが十分に小さいため、剛性の低下への影響が小さいためと考えられる。

一方、高密度ヘッドにおいては、単に相互干渉を抑えれば良いというものではなく、高密度化により液室の体積も小さくなるため、高速印刷を実現するためには、吐出効率を高くし、大きな滴を吐出できるヘッド構成とすることが望まれる。

しかしながら、上記ヘッド２、３の構成のように、駆動柱と接合する凸部の幅を非駆動柱と接合する凸部の幅と同じあるいは以下としたときには、相互干渉を抑えることはできているが、吐出効率を高くすることができず、高速印刷に十分に対応することができない。

したがって、駆動柱の幅を狭くしても駆動柱に接合する振動板部材の凸部の幅を広くすることで吐出効率を高くすることができるとともに、非駆動柱の幅を広くすることで、非駆動柱に接合する凸部の幅を狭くしても相互干渉は抑えられ、駆動柱の変位に対する振動板部材の変形を確保することができるため、吐出効率を高くすることができる。

なお、振動板部材の凸部の形状については、きのこ形状とすることで圧電素子柱との接着面積を大きくすることができ、ノズル高密度配置に対しても接合信頼性を確保することができる。

このように、振動板部材には、振動領域に駆動柱と接合される第１凸部が、液室間の隔壁に対応する部分に非駆動柱と接合される第２凸部が設けられ、第１凸部のノズル配列方向における基部の幅が、第２凸部のノズル配列方向における基部の幅よりも広く、かつノズル配列方向における駆動柱の幅が、非駆動柱の幅よりも狭い構成とすることで、ノズルを高密度配置した場合でも、駆動柱による振動領域の変位面積を大きくしつつ、かつ、相互干渉も抑制して、安定した滴吐出を行なうことができるようになる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第２実施形態について図７及び図８を参照して説明する。なお、図７は同ヘッドの断面説明図、図８は同ヘッドの振動板部材の要部拡大説明図である。
ここでは、振動板部材２には、ダイアフラム部２ａに駆動圧電素子柱１２Ａと接合する第１凸部２ｂを、液室間隔壁６Ａに対応する部分であって非駆動圧電素子柱１２Ｂと接合する第２凸部２ｃを形成するとともに、液室間隔壁６Ａに対応する部分に液室間隔壁６Ａと接合する第３凸部２ｄを形成している。

例えば、図８に示すように、ダイアフラム部２ａを形成する６μｍ厚のポリイミドフィルム（第１層２Ｃ：中間層となる。）に対して両面にシード層を形成し、そのシード層の上にフォトリソプロセスを経て、ニッケル電解メッキを施してメッキ膜を形成し、レジストを剥離することで、メッキ膜からなり第１、第２凸部２ｂ、２ｃを形成する第２層２Ｄと、メッキ膜からなり第３凸部２ｄを形成する第３層２Ｅを形成した両面凸部を有する振動板部材２を得ることができる。

なお、この場合、レジスト膜厚に対してメッキ膜厚を厚くすることにより、前述したと同様に凸部の断面形状はきのこ形状となる。ここで、凸部の幅で重要なのは、ダイアフラム部近傍のボトム部（基部）の幅精度であり、レジスト膜厚を薄くすることにより、フォトリソプロセスでのレジスト幅ばらつきを大幅に低減でき、振動板部材の凸部の幅に重要なボトム部の幅を高精度に形成することができるようになる。

つまり、高密度ヘッドにおいては、各部品間の接合精度が吐出特性に大きく影響する。そこで、本実施形態のように、振動板部材の非駆動柱に接合する第２凸部に対向して流路部材との接合面にも第３凸部を形成することにより、振動板部材と流路部材との接合ズレが発生した場合でも、駆動圧電素子柱の変位特性に対する液室圧力変化への影響を排除することができ、滴吐出特性のばらつきを大幅に低減することができる。

この場合、第３凸部２ｄの幅Ｗａ３を第２凸部２ｃの幅Ｗａ２よりも狭くする（Ｗａ３＜Ｗａ２）ことにより、振動板部材の表裏面の２つの凸部（第２、第３凸部）の形成において若干の位置合わせずれが発生したとしても、滴吐出特性への影響をキャンセルすることもできる。

また、振動板部材２のダイアフラム部２ａは変形特性を向上するため薄膜で形成されているため、その両面に形成した第２、第３凸部２ｃ、２ｄの材質を同一にすることにより、線膨張係数を揃えることができ、接合時に加熱したとしても、振動板部材の反りを発生することなく接合でき、接合品質を安定化でき、ヘッドとしての滴吐出特性のばらつきも抑えることができる。

また、前述したように、凸部２ｂないし２ｄの断面形状をきのこ形状とすることにより、図９に示すように、圧電部材１２の圧電素子柱１２Ａ、１２Ｂ、流路板１と接合する接着剤５１のはみ出しがあったとしても、その接着剤が振動板部材のダイアフラム部にまで濡れ広がることを防止でき、接着剤等による接合ばらつきに対する滴吐出特性ばらつきを抑えることができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第３実施形態について図１０を参照して説明する。なお、図１０は同ヘッドの断面説明図である。
ここでは、流路板１の液室間隔壁６Ａは、振動板部材２と接合する側６Ａａの幅をノズル板３と接合する側の幅よりも狭く形成している。このような流路板１は例えば単結晶シリコン基板を用いてエッチングにより形成することができる。

つまり、ヘッドの高密度化に伴って液室間隔壁の幅も狭くする必要があるが、隔壁幅が狭くなりすぎると、液室内の圧力変動に伴い隔壁が変形してしまうことによる相互干渉が発生するため、隔壁全体の幅を薄くすることは好ましくない。そこで、振動板部材との接合部の隔壁先端部を狭くすることにより、流路板と振動板部材との接合ズレに起因する滴吐出特性変動を抑えることができるとともに、隔壁全体の剛性を維持できることから隔壁の変形による相互干渉を抑えることができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドの第４実施形態について図１１を参照して説明する。なお、図１１は同ヘッドの１つの液室部分の断面説明図である。
ここでは、第１凸部２ｂの幅Ｗａ１と駆動圧電素子柱１２Ａの幅Ｗｂ１との関係は、Ｗａ１≦Ｗｂ１の関係にしている。

一般的に圧電素子柱はダイシングソーやワイヤソー等を用いて溝加工が行われるため、圧電素子柱間は加工ブレードの幅により規定され、この幅はダイアフラム２ａの変位に必要な幅よりも小さい。従って、十分な駆動柱接合部幅Ｗａ１をとることができれば、敢えてＷａ1＞Ｗｂ2とする必要はない。溝幅が圧電素子柱幅よりも十分に狭い構成であれば、このような構成でもＷａ１＞Ｗａ２、Ｗｂ1＜Ｗｂ2とすることで第１実施形態と同様な効果を得ることができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る画像形成装置の一例について図１２及び図１３を参照して説明する。なお、図１２は同装置の機構部の全体構成を説明する概略構成図、図１３は同機構部の要部平面説明図である。
この画像形成装置はシリアル型画像形成装置であり、左右の側板２２１Ａ、２２１Ｂに横架したガイド部材である主従のガイドロッド２３１、２３２でキャリッジ２３３を主走査方向に摺動自在に保持し、図示しない主走査モータによってタイミングベルトを介して矢示方向（キャリッジ主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ２３３には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色のインク滴を吐出するための本発明に係る液体吐出ヘッドユニットからなる記録ヘッド２３４を複数のノズルからなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。

記録ヘッド２３４は、それぞれ２つのノズル列を有する液体吐出ヘッド２３４ａ、２３４ｂを１つのベース部材に取り付けて構成したもので、一方のヘッド２３４ａの一方のノズル列はブラック（Ｋ）の液滴を、他方のノズル列はシアン（Ｃ）の液滴を、他方のヘッド２３４ｂの一方のノズル列はマゼンタ（Ｍ）の液滴を、他方のノズル列はイエロー（Ｙ）の液滴を、それぞれ吐出する。なお、ここでは２ヘッド構成で４色の液滴を吐出する構成としているが、各色毎の液体吐出ヘッドを備えることもできる。

また、キャリッジ２３３には、記録ヘッド２３４のノズル列に対応して各色のインクを供給するためのサブタンク２３５ａ、２３５ｂ（区別しないときは「サブタンク２３５」という。）を搭載している。このサブタンク２３５には各色の供給チューブ２３６を介して、供給ユニット２２４によって各色のインクカートリッジ２１０から各色のインクが補充供給される。

一方、給紙トレイ２０２の用紙積載部（圧板）２４１上に積載した用紙２４２を給紙するための給紙部として、用紙積載部２４１から用紙２４２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（給紙コロ）２４３及び給紙コロ２４３に対向し、摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド２４４を備え、この分離パッド２４４は給紙コロ２４３側に付勢されている。

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

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

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

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

さらに、キャリッジ２３３の走査方向一方側の非印字領域には、記録ヘッド２３４のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構２８１を配置している。この維持回復機構２８１には、記録ヘッド２３４の各ノズル面をキャピングするための各キャップ部材（以下「キャップ」という。）２８２ａ、２８２ｂ（区別しないときは「キャップ２８２」という。）と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード２８３と、増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８４などを備えている。

また、キャリッジ２３３の走査方向他方側の非印字領域には、記録中などに増粘したインクを排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行うときの液滴を受ける空吐出受け２８８を配置し、この空吐出受け２８８には記録ヘッド２３４のノズル列方向に沿った開口部２８９などを備えている。

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

このとき、帯電ローラ２５６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加され、搬送ベルト２５１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラス、マイナス交互に帯電した搬送ベルト２５１上に用紙２４２が給送されると、用紙２４２が搬送ベルト２５１に吸着され、搬送ベルト２５１の周回移動によって用紙２４２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ２３３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド２３４を駆動することにより、停止している用紙２４２にインク滴を吐出して１行分を記録し、用紙２４２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙２４２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙２４２を排紙トレイ２０３に排紙する。

このように、この画像形成装置では本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えるので、記録ヘッドとしてノズルを高密度で配置した高密度ヘッドを用いて、高速で、高画質画像を形成することができる。

次に、本発明に係る液体吐出ヘッドを備える本発明に係る画像形成装置の他の例について図１４を参照して説明する。なお、図１４は同装置の機構部全体の概略構成図である。
この画像形成装置は、ライン型画像形成装置であり、装置本体４０１の内部に画像形成部４０２等を有し、装置本体４０１の下方側に多数枚の記録媒体（用紙）４０３を積載可能な給紙トレイ４０４を備え、この給紙トレイ４０４から給紙される用紙４０３を取り込み、搬送機構４０５によって用紙４０３を搬送しながら画像形成部４０２によって所要の画像を記録した後、装置本体４０１の側方に装着された排紙トレイ４０６に用紙４０３を排紙する。

また、装置本体４０１に対して着脱可能な両面ユニット４０７を備え、両面印刷を行うときには、一面（表面）印刷終了後、搬送機構４０５によって用紙４０３を逆方向に搬送しながら両面ユニット４０７内に取り込み、反転させて他面（裏面）を印刷可能面として再度搬送機構４０５に送り込み、他面（裏面）印刷終了後排紙トレイ４０６に用紙４０３を排紙する。

ここで、画像形成部４０２は、例えばブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の液滴を吐出する、フルライン型の４個の本発明に係る液体吐出ヘッドで構成した記録ヘッド４１１ｋ、４１１ｃ、４１１ｍ、４１１ｙ（色を区別しないときには「記録ヘッド４１１」という。）を備え、各記録ヘッド４１１は液滴を吐出するノズルを形成したノズル面を下方に向けてヘッドホルダ４１３に装着している。

また、各記録ヘッド４１１に対応してヘッドの性能を維持回復するための維持回復機構４１２ｋ、４１２ｃ、４１２ｍ、４１２ｙ（色を区別しないときには「維持回復機構４１２」という。）を備え、パージ処理、ワイピング処理などのヘッドの性能維持動作時には、記録ヘッド４１１と維持回復機構４１２とを相対的に移動させて、記録ヘッド４１１のノズル面に維持回復機構４１２を構成するキャッピング部材などを対向させる。

なお、ここでは、記録ヘッド４１１は、用紙搬送方向上流側から、ブラック、シアン、マゼンタ、イエローの順に各色の液滴を吐出する配置としているが、配置及び色数はこれに限るものではない。また、ライン型ヘッドとしては、各色の液滴を吐出する複数のノズル列を所定間隔で設けた１又は複数のヘッドを用いることもできるし、ヘッドとこのヘッドにインクを供給する液体カートリッジを一体とすることも別体とすることもできる。

給紙トレイ４０４の用紙４０３は、給紙コロ（半月コロ）４２１と図示しない分離パッドによって１枚ずつ分離され装置本体４０１内に給紙され、搬送ガイド部材４２３のガイド面４２３ａに沿ってレジストローラ４２５と搬送ベルト４３３との間に送り込まれ、所定のタイミングでガイド部材４２６を介して搬送機構４０５の搬送ベルト４３３に送り込まれる。

また、搬送ガイド部材４２３には両面ユニット４０７から送り出される用紙４０３を案内するガイド面４２３ｂも形成されている。更に、両面印刷時に搬送機構４０５から戻される用紙４０３を両面ユニット４０７に案内するガイド部材４２７も配置している。

搬送機構４０５は、駆動ローラである搬送ローラ４３１と従動ローラ４３２との間に掛け渡した無端状の搬送ベルト４３３と、この搬送ベルト４３３を帯電させるための帯電ローラ４３４と、画像形成部４０２に対向する部分で搬送ベルト４３３の平面性を維持するプラテン部材４３５と、搬送ベルト４３３から送り出す用紙４０３を搬送ローラ４３１側に押し付ける押さえコロ４３６と、その他図示しないが、搬送ベルト４３３に付着したインクを除去するためのクリーニング手段である多孔質体などからなるクリーニングローラなどを有している。

この搬送機構４０５の下流側には、画像が記録された用紙４０３を排紙トレイ４０６に送り出すための排紙ローラ４３８及び拍車４３９を備えている。

このように構成した画像形成装置において、搬送ベルト４３３は矢示方向に周回移動し、高電位の印加電圧が印加される帯電ローラ４３４と接触することで帯電され、この高電位に帯電した搬送ベルト４３３上に用紙４０３が給送されると、用紙４０３は搬送ベルト４３３に静電的に吸着される。このようにして、搬送ベルト４３３に強力に吸着した用紙４０３は反りや凹凸が校正され、高度に平らな面が形成される。

そして、搬送ベルト４３３を周回させて用紙４０３を移動させ、記録ヘッド４１１から液滴を吐出することで、用紙４０３上に所要の画像が形成され、画像が記録された用紙４０３は排紙ローラ４３８によって排紙トレイ４０６に排紙される。

このように、この画像形成装置においては本発明に係る液体吐出ヘッドからなる記録ヘッドを備えているので、記録ヘッドとしてノズルを高密度で配置した高密度ヘッドを用いて、高速で、高画質画像を形成することができる。

なお、上記実施形態では本発明をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、プリンタ／ファックス／コピア複合機などの画像形成装置に適用することができる。また、狭義のインク以外の液体や定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。

１ 流路板（流路部材）
２ 振動板部材
２Ａ 第１層
２Ｂ 第２層
２Ｃ 第１層
２Ｄ 第２層
２Ｅ 第３層
２ａ 振動領域（ダイアフラム部）
２ｂ 第１凸部（島状凸部）
２ｃ 第２凸部
２ｄ 第３凸部
３ ノズル板
４ ノズル
６ 液室
１０ 共通液室
１２ 圧電部材
１２Ａ 駆動圧電素子柱
１２Ｂ 非駆動圧電素子柱
１３ ベース部材
１５ ＦＰＣ（配線部材）
１００ 圧電アクチュエータ
２３３ キャリッジ
２３４ａ、２３４ｂ 記録ヘッド
４１１ｋ、４１１ｃ、４１１ｍ、４１１ｙ 記録ヘッド

Claims (8)

1. 液滴を吐出する複数のノズルと、
   各ノズルが連通する液室と、
   各液室の壁面の一部を形成する変形可能な振動領域を有する振動板部材と、
   前記振動板部材の振動領域及び前記液室間の隔壁に対応する部分にそれぞれ接合される駆動柱及び非駆動柱が設けられた圧電部材と、を備え、
   前記振動板部材には、前記振動領域に前記駆動柱と接合される第１凸部が、前記液室間の隔壁に対応する部分に前記非駆動柱と接合される第２凸部がそれぞれ設けられ、
   前記第１凸部のノズル配列方向における基部の幅が、前記第２凸部のノズル配列方向における前記基部の幅よりも広く、かつノズル配列方向における前記駆動柱の幅が、前記非駆動柱の幅よりも狭い
   ことを特徴とする液体吐出ヘッド。
2. ノズル配列方向において、前記第１凸部の基部の幅は、前記駆動柱の幅よりも広く、前記第２凸部の前記基部の幅は前記非駆動柱の幅よりも狭いことを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
3. 前記振動板部材には前記液室間の隔壁との接合面側に第３凸部が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体吐出ヘッド。
4. 前記第３凸部のノズル配列方向における基部の幅が、前記第２凸部のノズル配列方向における前記基部の幅以下であることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
5. 前記第２凸部及び第３凸部は同じ材質からなることを特徴とする請求項３又は４に記載の液体吐出ヘッド。
6. 前記第２凸部及び第３凸部はメッキ膜で形成されていることを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
7. 前記液室間の隔壁は前記振動板部材側が、振動板部材側と反対側よりもノズル配列方向における幅が狭くなっていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の液体吐出ヘッド。
8. 請求項１ないし７のいずれかに記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする画像形成装置。

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