JP2012196920A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 液体の粘度に応じた適切な駆動波形で液体を吐出させるべく、吐出される液体の温度を正確に計測し得る温度センサーを備えた液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】 液体を噴射するノズル２６に連通する圧力発生室２２が設けられたシリコンからなる流路形成基板２１と、前記圧力発生室に対向して前記流路形成基板に設けられ、前記圧力発生室内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧電素子３０と、前記圧力発生手段を収容する保持部３６を有し、前記流路形成基板の前記圧力発生手段が設けられている面に接合される保護基板３７と、を備え、前記流路部材はシリコンからなり、前記流路部材の前記流路形成基板とは反対側の面にサーミスター５２が設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に噴射する液体の温度に合わせて吐出特性を制御すべく当該液体噴射ヘッドの駆動波形を適切に選択する場合に適用して有用なものである。

液滴を噴射する液体噴射ヘッドの代表例であるインクジェット式記録ヘッドとしては、例えば圧力発生室が形成された流路形成基板と、流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に対応させて設けられた圧電アクチュエーターとを具備し、圧電アクチュエーターの変位によって圧力発生室内に圧力を付与することで、ノズルプレートにその厚さ方向に貫通させて形成されたノズルからインク滴を噴射させるものがある。

この種のインクジェット式記録ヘッドにおけるインクの吐出特性は、その粘度に依存し、粘度はその温度に依存する。そこで、サーミスターで計測した温度に合わせて圧電アクチュエーターを駆動する駆動波形を適切に選択・変更するという制御が行われている。

しかしながら、従来におけるサーミスターは、電子部品の一つとして回路基板上に配設してある。したがって、この場合、サーミスターは雰囲気温度を計測することになり、ノズルから吐出されるインクの実際の温度との間には大きな温度差を生起している。

インクの吐出特性の向上のためには、吐出されるインクの温度をより正確に計測することが肝要である。そこで、ノズルを介して吐出されるインクの温度をより正確に計測するための工夫として特許文献１や特許文献２に開示する構成が提案されている。

特許文献１では、当該記録ヘッドが発熱基板と流路基板とを接合して形成されており、温度センサーは発熱基板に埋設されている。

また、特許文献２では、流路形成基板上に形成された下部電極上に絶縁膜を介して下部電極との間の相互絶縁を確保した上で温度検出センサーであるサーミスターが前記絶縁膜の上面に配設されている。

特開２００４−３４５１０９号公報 特開２００６−２０５７３５号公報

上述の如き特許文献１では、温度センサーがインクが接触するような状態で発熱基板に埋設されているので、その電極等の絶縁性の確保に問題が残ると考えられる。また、特許文献２では、流路形成基板上に形成された下部電極上に絶縁膜を介して下部電極との間の相互絶縁を確保した上で温度検出センサーを前記絶縁膜の上面に配設しているので、この部分の構造が複雑になるばかりでなく、下電極膜及び絶縁膜を介してのインク温度を計測することになるので、その分精度も低下するという問題がある。

なお、このような問題はインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明は、このような事情に鑑み、液体の粘度に応じた適切な駆動波形で液体を吐出させるべく、吐出される液体の温度を正確に計測し得る温度センサーを備えた液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコンからなる流路形成基板と、前記圧力発生室に対向して前記流路形成基板に設けられ、前記圧力発生室内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、前記圧力発生手段を収容する保持部を有し、前記流路形成基板の前記圧力発生手段が設けられている面に接合される流路部材と、を備え、前記流路部材はシリコンからなり、前記流路部材の前記流路形成基板とは反対側の面に温度センサーが設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、ノズルから吐出される液体の温度を表す熱が良好な熱伝導率を有するシリコン基板を介し、同様にシリコン基板で形成された流路部材に伝導されて温度センサーで検出される。この結果、前記液体の温度を高精度に計測することができる。

ここで、前記温度センサーには、電気的に接続するリード線が設けられており、前記リード線は、前記圧力発生手段を駆動させる回路が設けられている基板に接続されていることが望ましい。この場合には、基板の配線を利用して所定の基板等に温度センサーが計測した温度情報を良好に送出することができるからである。

さらに、本発明の他の態様は、上記液体噴射ヘッドを有するとともに、前記温度センサーが検出する温度に基づいて前記圧力発生手段を駆動させる駆動波形を切替えられるように構成されることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、液体噴射ヘッドから吐出される液体の温度を表す温度情報を高精度に検出することができるので、これに対応させた適切な駆動波形で液体噴射ヘッドを駆動させることができる。この結果、液体の吐出特性の向上により印刷物等の品質向上を可能とする液体噴射装置を実現できる。

実施形態に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態に係る記録ヘッドの圧力発生室の長手方向における断面図である。 図２におけるサーミスター部分を抽出して示す拡大図である。 サーミスターを含む部分の等価回路を示す回路図である。 実施形態に係るインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッド（以下、単に記録ヘッドともいう。）の分解斜視図であり、図２は、記録ヘッドの圧力発生室の長手方向における断面図である。

両図に示すように、記録ヘッド２０を構成する流路形成基板２１には、複数の圧力発生室２２が流路形成基板２１の幅方向に並設された列が２列設けられている。また、各列の圧力発生室２２の長手方向外側の領域には連通部２３が形成され、連通部２３と各圧力発生室２２とが、圧力発生室２２毎に設けられたインク供給路２４及び連通路２５を介して連通されている。本形態における流路形成基板２１はシリコン基板にエッチングにより圧力発生室２２等を形成したものである。

流路形成基板２１の一方の面には、各圧力発生室２２のインク供給路２４とは反対側の端部近傍に連通するノズル２６が穿設されたノズルプレート２７が接合されている。

一方、流路形成基板２１のノズルプレート２７とは反対側の面には、弾性膜２８及び絶縁体膜２９を介して圧電素子３０が形成されている。圧電素子３０は、第１電極３１と、圧電体層３２と、第２電極３３とで構成されている。各圧電素子３０を構成する第２電極３３には、絶縁体膜２９上まで延設されたリード電極３４が接続されている。リード電極３４は、一端部が第２電極３３に接続されていると共に、他端部側が、圧電素子３０を駆動するための駆動ＩＣ３５ａが実装されたＣＯＦ基板３５と接続されている。このようにＣＯＦ基板３５の一端側にはリード電極３４が接続され、ＣＯＦ基板３５の他端側は当該記録ヘッド２０の上方のケース部材（図示せず）に固定された回路基板（図示せず）に接続されている。

このような圧電素子３０が形成された流路形成基板２１上には、圧電素子３０に対向する領域に、圧電素子３０を保護するための空間である圧電素子保持部３６を備えた保護基板３７が接着剤３８によって接合されている。また、保護基板３７には、マニホールド部３９が設けられている。このマニホールド部３９は、本実施形態では、流路形成基板２１の連通部２３と連通されて各圧力発生室２２の共通のインク室となるマニホールド４０を構成している。

また、保護基板３７には、保護基板３７を厚さ方向に貫通する貫通孔４１が設けられている。貫通孔４１は、本実施形態では、２つの圧電素子保持部３６の間に設けられている。そして、各圧電素子３０から引き出されたリード電極３４の端部近傍は、貫通孔４１内に露出するように設けられている。

かかる保護基板３７はシリコン基板で形成してあり、このシリコン基板のエッチングにより圧電素子保持部３６やマニホールド部３９等を形成したものであり、その流路形成基板２１と反対側（図２中、上側）の面には温度センサーであるサーミスター５２が配設されている。かくして保護基板３７の上面の温度が計測される。なお、この部分の接続構造等、詳細な構成は後に詳述する。

さらに保護基板３７上には、封止膜４４及び固定板４５からなるコンプライアンス基板４６が接合されている。ここで、封止膜４４は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４４によってマニホールド部３９の一方面が封止されている。また、固定板４５は、金属等の硬質の材料で形成される。この固定板４５のマニホールド４０に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４７となっているため、マニホールド４０の一方面は可撓性を有する封止膜４４のみで封止されている。さらにコンプライアンス基板４６には、マニホールド４０内にインクを導入するためのインク導入口４８が設けられている。

コンプライアンス基板４６上には、ヘッドケース４９が固定されている。ヘッドケース４９には、インク導入口４８に連通してカートリッジ等の貯留手段からのインクをマニホールド４０に供給するインク導入路５０が設けられている。さらに、ヘッドケース４９には、保護基板３７に設けられた貫通孔４１と連通する配線部材保持孔５１が設けられており、ＣＯＦ基板３５は配線部材保持孔５１内に挿通された状態でその一端側がリード電極３４と接続されている。

図３は図２におけるサーミスター部分を抽出して示す拡大図である。同図に示すように、サーミスター５２の２本のリード線５３Ａ，５３Ｂは何れもＣＯＦ基板３５に接続されている。すなわち、リード線５３Ａ，５３Ｂは保護基板３７の貫通孔４１に臨む壁面に沿って保護基板３７の上面から下方に向けて配設され、絶縁体膜２９の上面でリード電極３４と同様にＣＯＦ基板３５の２本の配線にそれぞれ接続されて回路基板（図示せず）に接続され、さらに外部の所定の回路と接続されている。ここで、リード線５３Ｂは接地される。したがって、リード線５３ＡのみをＣＯＦ基板３５の配線に接続し、リード線５３Ｂは別途接地電位の部分に接続しても、勿論構わない。

図４はこの場合の温度測定部分の等価回路の一例である。同図に示すように、温度によって抵抗値が変化する可変抵抗Ｒｔであるサーミスター５２には固定抵抗Ｒ１が直列に接続してある。したがって、固定抵抗Ｒ１の両端の電圧を電圧計Ｖで計測することにより可変抵抗Ｒｔの抵抗値を介して計測すべき温度を検出することができる。電圧計Ｖで計測される電圧は、固定抵抗Ｒ１と可変抵抗Ｒｔとの抵抗値で決まる分割比で電源電圧Ｖｃｃを分割した値として与えられるからである。

かかる記録ヘッド２０においては、所定の駆動信号により圧電素子３０が駆動される。この結果圧力発生室２２に発生する圧力により、圧力発生室２２からノズル２６を介してインク滴が吐出される。ここで、保護基板３７上に配設されたサーミスター５２ではインク温度を反映した温度情報が検出されるので、この温度情報に基づき適切な駆動信号を選択し、選択した駆動信号で圧電素子３０を駆動することができる。ここで、サーミスター５２で検出する温度は、シリコン基板で形成され、良好な熱伝導性を有する保護基板３７の温度が計測されるので、実際のインクの温度を高精度に反映したものとなる。ちなみに、流路形成基板２１は圧力発生室２２および連通部２３のインクの温度を、また保護基板３７はマニホールド部３９の温度を良好に伝導する。

したがって、かかる温度情報に基く駆動信号も当該インク温度を考慮した最適な波形のものとすることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、サーミスター５２のリード線５３Ａ，５３ＢをＣＯＦ基板３５に接続して外部に引き出す構成としたが、勿論これに限るものではない。サーミスター５２の配設位置が流路部材である保護基板３７の上面であれば、それ以上の制限はない。したがって、例えばワイヤボンディングにより保護基板上のＩＣとリード電極とを接続する形式のものでは、一端部が保護基板の上面に接続されるＦＰＣを利用してサーミスター５２の信号を外部に取り出すように構成することもできる。

上記実施形態では圧力発生室２２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子３０を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の圧電アクチュエーターや、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電アクチュエーターなどを使用することができる。また、圧力発生手段として、圧力発生室内に発熱素子を配置して、発熱素子の発熱で発生するバブルによってノズルから液滴を吐出するものや、振動板と電極との間に静電気を発生させて、静電気力によって振動板を変形させてノズルから液滴を吐出させるいわゆる静電式アクチュエーターなどを使用することができる。

上記実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図５は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。同図に示すように、上記実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ，２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

なお、上述した例では、記録シートＳの搬送方向と交差する方向（主走査方向）に移動するキャリッジ３に記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂを搭載し、記録ヘッドユニット１Ａ，１Ｂを主走査方向に移動させながら印刷を行う、いわゆるシリアル型のインクジェット式記録装置であるがこれに限るものではない。記録ヘッドが固定されて記録シートＳを搬送するだけで印刷を行う、いわゆるライン式のインクジェット記録装置であっても、勿論構わない。

さらに上記実施形態では、液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドを具備する液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられる。

２０ インクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド）、 ２１ 流路形成基板、 ２２ 圧力発生室、 ２３ 連通部、 ２６ ノズル、 ２７ ノズルプレート、 ２８ 弾性膜、 ２９ 絶縁体膜、 ３０ 圧電素子、 ３４ リード電極、 ３５ ＣＯＦ基板、 ３７ 保護基板、 ４０ マニホールド、 ５２ サーミスター、 ５３Ａ，５３Ｂ リード線

Claims (3)

1. 液体を噴射するノズルに連通する圧力発生室が設けられたシリコンからなる流路形成基板と、
   前記圧力発生室に対向して前記流路形成基板に設けられ、前記圧力発生室内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧力発生手段と、
   前記圧力発生手段を収容する保持部を有し、前記流路形成基板の前記圧力発生手段が設けられている面に接合される流路部材と、
   を備え、
   前記流路部材はシリコンからなり、前記流路部材の前記流路形成基板とは反対側の面に温度センサーが設けられていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体噴射ヘッドにおいて、
   前記温度センサーには、電気的に接続するリード線が設けられており、
   前記リード線は、前記圧力発生手段を駆動させる回路が設けられている基板に接続されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
3. 請求項１または請求項２に記載の液体噴射ヘッドを有するとともに、前記温度センサーが検出する温度に基づいて前記圧力発生手段を駆動させる駆動波形を切替えられるように構成されることを特徴とする液体噴射装置。

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