(57)【要約】      （修正有）【課題】顔料微粒子を含むインクを吐出するための圧力室全体におけるインク濃度の均一化を図ることができるインクジェットヘッドを提供する。【解決手段】インクを吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板１の圧力室１２側の面とその反対側の面に導電層（電極Ｕ４、電極Ｌ５）をそれぞれ形成する。これら電極間に、通電開始、通電終了、通電時間等を制御した電位差を与えて圧力室１２内のインク液中に電気泳動現象を発生させる。この電気泳動現象によって圧力室１２の底面に沈降しようとするインク粒子成分（顔料微粒子）を浮遊させる制御を行う。顔料微粒子が沈降と上昇という動作を繰り返して圧力室１２内で上下に移動し、それによってインクが攪拌される。【選択図】図１
2016060114.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板と、
前記ノズル孔に連通する圧力室と、
前記圧力室に充填したインク液を吐出する圧力を発生させる圧電素子アクチュエータと、
前記圧電素子アクチュエータに接合されて前記圧力室に圧力を伝播させる振動板と、
前記圧電素子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加手段と、
を有し、
顔料分散系インク等の電荷を帯びたインク粒子成分を含むインク液を前記ノズル孔から吐出するインクジェットヘッドにおいて、
前記ノズル基板の前記圧力室側の面と、前記振動板の前記圧力室と反対側の面に、電極となる導電層をそれぞれ形成し、
これら導電層の間に通電開始、通電終了、通電時間等を制御した電位差を与えて前記圧力室内のインク液中に電気泳動現象を発生させ、該電気泳動現象によって前記圧力室の底面に沈降しようとする前記インク粒子成分を浮遊させる制御手段を有する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
請求項１に記載のインクジェットヘッドにおいて、前記振動板に形成される前記導電層が導電性材料からなり、該振動板を前記電極に代用する、
ことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項３】
請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、積層型ピエゾ方式のヘッドであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項４】
請求項１または２に記載のインクジェットヘッドにおいて、薄膜型ピエゾ方式のヘッドであることを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを用いたことを特徴とするインクジェット記録装置。
【請求項６】
請求項１ないし４のいずれか一項に記載のインクジェットヘッドを用いたことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はインク滴を吐出して記録媒体上にインク画像を形成するプリンタ等のインクジェット記録装置に搭載されるインクジェットヘッドに関し、またこ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、画像形成装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェットヘッド内には共通液室（インク貯留部、リザーバ）とインク供給路および個別液室（圧力室）がある。それらに充填されるインクを攪拌する手段としては以下のようなものが提案されている。
（１）インクジェットヘッドのキャリッジ動作などの物理的な作用でインクを攪拌する。
（２）インク供給部（インクタンク）と繋がるインクジェットヘッドに圧力差を発生させて共通液室のインクを攪拌する。
（３）インク吐出が起こらない程度の振動をアクチュエータで駆動して圧力室のインクを攪拌する。
（４）インクジェットヘッドのノズル面にキャップをするなどしてアクチュエータを振動して圧力室のインクを吐出しつつ攪拌する。
【０００３】
また電気的な作用を利用して共通液室インク流路の攪拌に関する従来技術としては、特許文献１に、流路基板上にセグメント電極を設け、電気泳動によって共通液室の顔料インクを攪拌するものが開示されている。特許文献２には、振動板に接する可撓性有孔板を設け、振動板と有孔板の変形差異を利用して攪拌するものが開示されている。特許文献３には、ノズル板のノズル周辺を電極として、圧力室の壁を構成する第２のプレートをもう一方の電極として、電気泳動によってインク中の帯電したインク粒子成分をノズル近傍に引き寄せるものが開示されている。特許文献３も、電気的な作用を利用してノズル近傍のインク濃度を大きくする技術に係るものである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上述のようなインクジェットヘッドで用いることがある顔料分散系インク（顔料インク）は、色材として褪色しにくいなどの長所を持つ顔料の微粒子をインク溶媒に分散させたものである。この顔料分散系インク（顔料インク）は、長時間の静置によって顔料の微粒子が沈降して沈殿・凝集してしまう。沈殿・凝集が発生したインクをそのまま吐出すると、ノズルの目詰まりなど吐出不安定の原因になる。また、記録媒体上に形成されるインク画像の歪や濃度ムラなどを引き起こす。
【０００５】
ノズルの目詰まりなどの不具合は、ノズル近傍に沈殿・凝集した顔料微粒子によるところが大きいのは明らかである。そのためには圧力室のインクを効率的に攪拌する必要がある。
【０００６】
特許文献１は、インクジェットヘッドの共通インク室に沈殿した顔料インクを電気泳動によって水平方向に移動・循環させようというもので、圧力室に沈殿している顔料微粒子に対してはじゅうぶんな攪拌効果が得られない虞がある。また特許文献２は、振動板と有孔板の変形量の差が大きいものでないと期待されるほどの効果が得られない虞がある。さらに特許文献３は、ノズル近傍のインクに対してインク濃度の均一化を図るもので、局所的なインクの攪拌作用を生じさせるものの、圧力室全体には攪拌効果が及ぶものではない。
【０００７】
本発明は、上述した従来の諸問題点に鑑みてなしたもので、顔料微粒子を迅速に溶媒中に分散させることができ、またノズル近傍を含む圧力室全体のインクに対して攪拌させることができ、それによって圧力室全体のインク濃度の均一化を図ることができるインクジェットヘッドとこれを用いたインクジェット記録装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係るインクジェットヘッドは、インクを吐出する複数のノズル孔を有するノズル基板と、前記ノズル孔に連通する圧力室と、前記圧力室に充填したインク液を吐出する圧力を発生させる圧電素子アクチュエータと、前記圧電素子アクチュエータに接合されて前記圧力室に圧力を伝播させる振動板と、前記圧電素子アクチュエータに電圧を印加する電圧印加手段と、を有し、顔料分散系インク等の電荷を帯びたインク粒子成分を含むインク液を前記ノズル孔から吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記ノズル基板の前記圧力室側の面と、前記振動板の前記圧力室と反対側の面に、電極となる導電層をそれぞれ形成し、これら導電層の間に通電開始、通電終了、通電時間等を制御した電位差を与えて前記圧力室内のインク液中に電気泳動現象を発生させ、該電気泳動現象によって前記圧力室の底面に沈降しようとする前記インク粒子成分を浮遊させる制御手段を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、沈降した顔料微粒子を電気泳動によって上下に揺動させることで、顔料微粒子を迅速に溶媒中に分散させることができる。またノズル板全面に電極が設けてあることから、ノズル近傍を含む圧力室全体のインクに対して攪拌させることができる。その結果、圧力室全体のインク濃度の均一化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態１の構成を示す概念的断面図である。
【図２】実施形態１の動作を説明するために図１から切り出した拡大断面図である。
【図３】実施形態１の動作を説明するために要部を図２よりも拡大した断面図である。
【図４】本発明の実施形態２の構成を示す図１相当の概念的断面図である。
【図５】薄膜型ピエゾ方式のヘッドへの応用した例を図示した模式的断面図である。
【図６】図５を側面から見た模式的断面図である。
【図７】インクジェット記録装置の斜視説明図である。
【図８】図７に示したインクジェット記録装置の機構部を説明するための側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１の構成を示す概念的断面図である。
図中１はノズル基板、２は液室基板（支持板）である。たとえばノズル基板１、液室基板２ともにＳｉから構成する。ノズル基板１にはノズル３が形成されている。電極Ｕ（４）および電極Ｌ（５）は導電性薄膜などの導電性材料からなる。また振動板６は金属あるいは非金属、圧電素子アクチュエータ７はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から形成されている。さらに、ＦＰＣ８はフレキシブルプリント基板、ベース材９はＳＵＳ（ステンレス鋼材）、フレーム１０はエポキシ樹脂製である。図中１１は駆動回路、１２は圧力室である。
【００１２】
図２は実施形態１の動作を説明するために図１から切り出した拡大断面図である。
顔料微粒子Ｐｐは分散剤（図示せず）によって表面が正または負に帯電している。電極Ｕ（４）と電極Ｌ（５）の間に電圧を印加すると、顔料微粒子Ｐｐは表面に帯電している電荷と反対の電極とは引き合い、帯電している電荷と同じ電極とは反撥する。そのため圧力室１２の中で電気泳動が起き、顔料微粒子Ｐｐが上下に移動する。そして、図２中に矢印で示したように、電極Ｕ（４）と電極Ｌ（５）の極性が反対になるように交互に極性を入れ替えると、顔料微粒子Ｐｐに作用する電気泳動の方向が変わる。
【００１３】
図３は、実施形態１の動作を説明するために要部を図２よりも拡大した断面図である。
長く静置されたインクジェットヘッドでは、圧力室を満たすインク液の顔料微粒子Ｐｐの成分が沈降してノズル基板１上に沈殿している。顔料微粒子Ｐｐが沈殿したままでインクを吐出すると、ノズル３の目詰まりやインク画像の歪や濃度ムラを発生させてしまう。たとえば表面が負に帯電している顔料微粒子Ｐｐがインクに含まれているとすると、電極Ｕ（４）が正（電極Ｌが負）のときは電気泳動によって電極Ｕ（５）に向かって動く。反対に電極Ｕ（４）が負（電極Ｌが正）のときは電気泳動（及び重力）によって電極Ｌ（５）に向かって動く。
【００１４】
ここで駆動回路１１で電極Ｕ（４）および電極Ｌ（５）に架電する極性の正負と架電時間をコントロールして、顔料微粒子Ｐｐを圧力室１２の中で揺動させてインクを攪拌する。
はじめ、沈殿している顔料微粒子Ｐｐを浮かび上がらせるために、電極Ｕ（４）と顔料微粒子Ｐｐが引き合う（あるいは電極Ｌ（５）と顔料微粒子Ｐｐが反撥し合う）力を発生させる。そのためには図３（ａ）に示すように、駆動回路１１から電極Ｕ（４）を正、電極Ｌ（５）を負とする電圧パルスを送出し、電極Ｕ（４）と電極Ｌ（５）の間に電位差を発生させる。すると電気泳動により顔料微粒子Ｐｐは電極Ｕ（４）に向かって移動する。しかしながら、同じ極性のまま長時間にわたって架電すると、顔料微粒子Ｐｐが電極Ｕ（４）に到達して凝集してしまう。
【００１５】
そこで次に、図３（ｂ）に示すように、駆動回路１１から電極Ｕ（４）を負、電極Ｌ（５）を正とする電圧パルスを送出して電極Ｕ（４）と電極Ｌ（５）の間に電位差を発生させる。すると電気泳動と重力によって顔料微粒子は電極Ｌ（５）に向かって移動する。それにより、顔料微粒子Ｐｐが電極Ｕ（４）に到達して凝集しないようにする。すなわち駆動回路１１自体あるいはその制御装置等の制御手段（マイクロコンピュータ等の公知の手段を採用可）によって電圧パルスの極性と時間をコントロールし、上述の動作を繰り返させることで、顔料微粒子Ｐｐが上下に移動し、インクが攪拌される。
【００１６】
なお電極Ｕ（４）は振動板６に接合しているが、振動板６を動かすような作用は発生しないので、振動板６と振動板６に接合している圧電素子アクチュエータ７への影響は非常に小さい。
【００１７】
これらの動作はインクをノズル３から吐出する前の準備段階で実施する。なぜならば、ノズル３からインクを吐出させることで減圧となる圧力室１２にはインク供給部（図示せず）から新たなインクが供給され、そのインク流によって顔料微粒子Ｐｐが沈降せずに移動するからである。
【００１８】
以上のように、沈降した顔料微粒子Ｐｐを電気泳動によって上下に揺動させることで、顔料微粒子Ｐｐを迅速に溶媒中に分散させられる。またノズル基板１の全面に電極を設けることで、ノズル３の近傍を含む圧力室１２全体のインクに対して攪拌させることができる。その結果、圧力室１２全体のインク濃度の均一化を図ることができる。
【００１９】
＜実施形態２＞
図４は本発明の実施形態２の構成を示す図１相当の概念的断面図である。図１の実施形態と同一または共通する構成要素には同一の符号を付して説明する。
この実施形態は、例えば振動板６がＮｉのように導電体であり、これを電極Ｕ（４）の代替として振動板６をそのまま利用したものである。実施形態１の電極Ｕ（４）に架電する場合と同様に振動板６を駆動することはないので、振動板６とそれに接合している圧電素子アクチュエータ７への影響は非常に小さい。またインクジェットヘッド製造工程で電極Ｕ（４）を作成する工程が不要になるのでコスト増を抑えて実施形態１と同等の効果を得ることができる。
【００２０】
＜実施形態３＞
なお、以上の実施形態１、２の説明では積層型ピエゾ方式のヘッドで図示して説明したが、本発明は積層型ピエゾ方式のヘッドに限定されるものではない。
例えば図５は薄膜型ピエゾ方式のヘッドへの応用した例を図示した模式的断面図であり、図１に対応するものである。図６は、図５を側面から見た模式的断面図である。
【００２１】
これらの図において、１３は流体抵抗部、１４は供給部、１５は共通液室、１６で示す線はインク流路を示す。また図中２１は上部電極（個別電極）、２２は下部電極（共通電極）、２３は圧電層（ＰＺＴ）である。また２４は圧電素子保護空間、２５は配線用空間である。配線用空間２５内にはバイパス配線２６が配線されている。図中２７は上部電極パッド部、２８は保護基板（サブフレーム）、２９は層間絶縁膜、３０はパッシベーション層、３１は引き出し配線である。また３２は保護基板２８の柱、３３は流路隔壁である。
【００２２】
薄膜型ピエゾ方式のヘッドの場合、ピエゾ（圧電素子）に電界を印加するための電極（図示の例では電極Ｕ（４））が振動板６の上面に設けられている。したがって振動板６そのものを電気泳動のための電極Ｕ（４）に代用するためには、振動板６の上面に絶縁層（図示の例では層間絶縁膜２９）を設けることで可能となる。
【００２３】
＜実施形態４＞
以下、本発明に係るインクジェットヘッドを搭載した画像形成装置の一例であるインクジェット記録装置について図１及び図２を参照して説明する。図７はインクジェット記録装置の斜視説明図、図８はインクジェット記録装置の機構部の側面説明図である。
【００２４】
このインクジェット記録装置は一例であるが、記録装置本体８１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本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッドを備える。記録装置本体８１の内部には、記録ヘッドへ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８２等を収納している。また、記録装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（あるいは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができる。これにより、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。
【００２５】
印字機構部８２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９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ９３には本発明に係るインクジェットヘッドからなる記録ヘッド９４を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、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９４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。またキャリッジ９３には記録ヘッド９４に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９５を交換可能に装着している。
【００２６】
インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。そして、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色の記録ヘッド９４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。
【００２７】
ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１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９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装している。このタイミングベルト１００はキャリッジ９３に固定してあり、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。
【００２８】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３を記録ヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙ローラ１０１等を備えている。給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２は、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する。用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４とを備える。さらに、搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを備えている。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００２９】
そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を記録ヘッド９４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１０９を設けている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設けてある。さらに用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５，１１６とを配設してある。
【００３０】
記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。
【００３１】
また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド９４をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
【００３２】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。これにより、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去し、吐出不良状態から回復させる。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００３３】
なお、将来的な工業用途においては、特殊なインク、例えば大きな帯電性粒子や生細胞、を吐出させるヘッドに応用できる可能性がある。
【００３４】
なお本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、多くの変形が本発明の技術的思想内で当分野において通常の知識を有する者により可能である。
【符号の説明】
【００３５】
１      ：ノズル基板
２      ：液室基板
３      ：ノズル
４、５  ：電極
６      ：振動板
７      ：圧電素子アクチュエータ
８      ：ＦＰＣ
９      ：ベース材
１０    ：フレーム
１１    ：駆動回路
１２    ：圧力室
１３    ：流体抵抗部
１４    ：供給部
１５    ：共通液室
１６    ：インク流路
２１    ：上部電極（個別電極）
２２    ：下部電極（共通電極）
２３    ：圧電層（ＰＺＴ）
２４    ：圧電素子保護空間
２５    ：配線用空間
２６    ：バイパス配線
２８    ：保護基板
２９    ：層間絶縁膜
３０    ：パッシベーション層
３１    ：引き出し配線
３２    ：保護基板の柱
３３    ：流路隔壁
８１    ：記録装置本体
８２    ：印字機構部
８３    ：用紙
８４    ：給紙カセット
８５    ：手差しトレイ
８６    ：排紙トレイ
９１    ：主ガイドロッド
９２    ：従ガイドロッド
９３    ：キャリッジ
９４    ：記録ヘッド
９５    ：インクカートリッジ
９７    ：主走査モータ
９８    ：駆動プーリ
９９    ：従動プーリ
１００  ：タイミングベルト
１０１  ：給紙ローラ
１０２  ：フリクションパッド
１０３  ：ガイド部材
１０４  ：搬送ローラ
１０５  ：搬送コロ
１０６  ：先端コロ
１０７  ：副走査モータ
１０９  ：印写受け部材
１１１  ：搬送コロ
１１２  ：拍車
１１３  ：排紙ローラ
１１４  ：拍車
１１５  ：ガイド部材
１１６  ：ガイド部材
１１７  ：回復装置
Ｌ      ：電極
Ｐｐ    ：顔料微粒子
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３６】
【特許文献１】特開平０５−２５４１１８号公報
【特許文献２】特開２０１３−１７６８５２号公報
【特許文献３】特開２０１１−１６７９３０号公報
【図１】
2016060114.tif 000003
【図２】
2016060114.tif 000004
【図３】
2016060114.tif 000005
【図４】
2016060114.tif 000006
【図５】
2016060114.tif 000007
【図６】
2016060114.tif 000008
【図７】
2016060114.tif 000009
【図８】
2016060114.tif 000010