JP5904395B2 - 液滴吐出ヘッド、インクカートリッジ及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
圧力発生手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出液室の壁面を形成している振動板を変形させることでインク液滴を吐出させるものが知られている。
このような構成では、圧力制御手段が備えるデータテーブルに、測温抵抗体の抵抗値と、その抵抗値となる温度のときに適した圧力発生手段の出力値との情報が予め入力されている。そして、このデータテーブルの情報に基づいて、圧力発生手段の出力を制御する。
このような構成であれば、温度変化によって必要な吐出圧力の変化したときに、各温度における必要な吐出圧力を圧力発生手段によって出力させることができる。
まず、プリンタ100の基本的な構成について説明する。図1は、プリンタ100の斜視図である。プリンタ100は、キャリッジ101と、記録ヘッド51と、インクカートリッジ102とを含んで構成される印字機構部103を本体内部に有している。キャリッジ101は、用紙30の搬送方向に対して直交方向である走査方向に移動可能な部材である。記録ヘッド51は、キャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドであり、インクカートリッジ102は後述する記録ヘッド51にインク液を供給する。
プリンタ100は、詳細は後述するが、給紙トレイまたは手差しトレイ105から給送される用紙30を取り込み、印字機構部103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106に排紙する。
キャリッジ101に搭載されたインクカートリッジ102は、ノズル孔を有する記録ヘッド51と、インク液を収容し、記録ヘッド51にインクを供給するタンク部102aを有している。ここで、図1または図2では下方に向いて設置される記録ヘッド51を、図3では説明の都合上、上方に描いている。
インクカートリッジ102のタンク部102aの上方(図2中の上方)には、大気と連通する不図示の大気口が備えられている。また、図2に示すように、タンク部102aの下方には、タンク部102a内のインク液を記録ヘッド51に供給する供給口102bが設けられている。さらに、タンク部102aの内部には、内部にはインク液が充填された不図示の多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により記録ヘッド51へ供給されるインク液をわずかな負圧に維持している。
本実施形態では、記録ヘッド51とタンク部102aとが一体となったインクカートリッジ102について説明したが、タンク部102aと記録ヘッド51とを別体としても良い。また、記録ヘッド51としてここでは各色に対応したヘッド部を用いているが、各色のインク液を吐出するノズル孔を有する1個のヘッド部でもよい。
給紙ローラ113及びフリクションパッド114は、用紙30を、記録ヘッド51の下方に搬送するために、給紙トレイ内にセットした用紙30の束の最上段の一枚を分離給紙する。ガイド部材115は、給紙トレイから分離給紙された用紙30を搬送ローラ116によって搬送される領域に案内する。
プリンタ100は、パーソナルコンピュータ等の外部装置から画像情報などの信号が送られ、プリント動作を実行する。プリント動作が実行されると、まず、手差しトレイ105から手差し給紙ローラ105aによって、または、給紙トレイから給紙ローラ113によって用紙30が給紙される。給紙トレイから給紙された用紙30は、ガイド部材115や搬送コロ117に案内されて、搬送ローラ116に搬送されつつ反転し、記録ヘッド51と対向する位置に搬送される。一方、手差しトレイ105から供給された用紙30は、搬送コロ117に案内されて、搬送ローラ116に搬送されて記録ヘッド51と対向する位置に搬送される。
主走査方向に一行分の画像形成が終了したら、搬送ローラ116を所定時間駆動させ、用紙30を一行分、排紙トレイ106方向に移動させて停止する。そして、キャリッジ101が画像信号に応じて主走査方向に往復移動しながら一行分の画像を形成する。
図4は、上述した記録ヘッド51に適用可能な本実施形態の液滴吐出ヘッド50の上部層の斜視図であり、手前側が断面図となっている。
図5は、液滴吐出ヘッド50の下部層の説明図である。図5(a)は、図4で示す上部層の下端から下部層を見たX−Y平面における上面図であり、後述する液体供給基板7の下端近傍の図示を省略した説明図である。また、図5(b)は、液滴吐出ヘッド50の下部層のX−Z平面の断面図であり、後述する液体供給基板7から下の部分を示す断面図である。
液滴吐出ヘッド50は、ノズル基板1、個別液室基板12、液体供給基板7及びフレーム基板9とを重ねて構成されている。
このため、図5(a)中の複数の圧電素子16のそれぞれの下方に圧力室3が形成され、さらに、その下部のそれぞれのノズル孔2が形成されている。すなわち、個別液室基板12は、複数の圧力室3をY方向に直線状に並べて配置した圧力室列が、X方向に4列配置してある。また、ノズル基板1も同様に、複数のノズル孔2をY方向に直線状に並べて配置したズル列が、X方向に4列配置してある。
圧電素子16は、共通電極13、圧電体14及び上部電極15から構成される。
図5(b)に示すように、個別液室基板12は、ノズル基板1と接合する面(図5(b)中の下面)に圧力室3が形成され、液体供給基板7と接合する面(図5(b)中の上面)に圧電素子16、引き出し配線25、バンプ10、駆動IC11が配置してある。また、個別液室基板12の液体供給基板7と接合する面における液体供給基板7の下面が接触し、個別液室基板12と液体供給基板7とが接合する箇所の一部に測温抵抗体28が配置されている。
液体供給基板7は、個別液室基板12に液体を供給する個別インク供給口6を有する。
フレーム基板9の最上部の第一フレーム層9aの上面は、補強板20の下面と貼り合わせており、フレーム基板9の最下部の第三フレーム層9cの下面は、液体供給基板7の上面と貼り合わせている。
また、ダンパーフィルム19の上部には、共通液室8と対向する位置が開口部となるように形成された補強板20が配置されている。この補強板20はダンパーフィルム19の撓みを補強し、ダンパーフィルム19の可動域を確保する。
また、補強板20には、共通液室8へ液体を供給する共通インク供給口22を有する。
駆動IC11は、制御部60から供給された電圧を、印字パターンをもとに圧電素子16に選択的に供給する機能を持つ。同時に、温度検知手段である測温抵抗体28に接続された補正回路とA/D変換回路とを形成してあり、A/D変換回路でデジタル化された温度情報が制御部60に伝送され、予め決めた温度に対応する駆動電圧を圧電素子16に供給する。
このような構成により、測温抵抗体28によって検知された温度に基づいて圧電素子16の出力を制御することができる。このため、圧電素子16や測温抵抗体28のジュール熱、環境温度の変化などによって圧力室3内のインクの温度が変化し粘性が変化しても、各温度における必要な吐出圧力を圧電素子16によって出力させることができる。
このように、圧力室列の平均温度を求めることで、各圧力室3毎に温度を別々に計測して平均化する構成よりも、測温抵抗体の単位長さあたりの抵抗値として温度を検出することで駆動IC11が圧電素子16に印加する駆動電圧を効率的に選択できる。
以下の(a)〜(l)に、本実施形態の液滴吐出ヘッド50の製造工程を示す。
(a):個別液室基板12上の振動板17を設ける位置以外の箇所にマスクとしてのシリコン窒化膜をパターニングする。その後、シリコン熱酸化膜形成方法である例えばプラズマCVD法、パイロ酸化法により、ポリシリコンとSiO2との多層積層膜である振動板17を個別液室基板12上に形成する。
(b):振動板17が形成された個別液室基板12の上面に薄膜形成方法としてのゾルゲル法またはスパッタ法により、例えばPt、Ti、LNO、SROからなる共通電極13および測温抵抗体28となる層を形成する。さらに、例えばPZTからなる圧電体14の層、及び、例えばPt、LNO、SROからなる上部電極15の層を順次形成する。
このとき形成する測温抵抗体28の形状としては、例えば図5及び図6に示すようなものがあるが、これに限るものではない。
(d):圧電素子16の放電防止のための絶縁膜23(例えば、Al2O3)を全体に成膜したあと、振動変位の妨げにならないように上部電極15上を避けて圧電素子16の端部と共通電極13とに、例えばSiO2、SiNからなる層間絶縁膜24を形成する。
(e):アルミニウムからなる引き出し配線25を所望の箇所に形成する。
(g):個別液室基板12の圧電素子形成面の反対側を所望の厚さまで研磨する。
(h):個別液室基板12の圧電素子形成面の反対側をICPドライエッチングによりエッチングし個別液室としての圧力室3、流体抵抗部4及びインク導入路5となる凹部を形成する。
別途SUSのプレス加工、研磨によるノズル孔2を形成しておいたノズル基板1を個別液室基板12の凹部形成側に接合する。
(j):プレス加工、微細切削加工により形成した第一フレーム層9a、第二フレーム層9b及び第三フレーム層9cを別途接合してフレーム基板9を製作し、接液膜を成膜したのちに液体供給基板7に接合する。
(k):ダンパーフィルム19を設けた補強板20をフレーム基板9に接合する。
(l):補強板20の上に別途製作した不図示のハウジングを接合する。
以上の(a)〜(l)の工程により、本実施形態の液滴吐出ヘッド50が完成する。
このように測温抵抗体が上部電極または共通電極と同一の材料で構成し、電極と測温抵抗体とを同時形成することで、工程を増やすことなく、また材料を特別に用意することなく測温抵抗体の形成が可能となる。これにより、測温抵抗体による温度検出によって安定した画像品質を維持しながら、コスト増を招く要因がないため、低コスト化を実現できる。
これに対して、本実施形態の液滴吐出ヘッド50は、圧電素子16が配置され、吐出液室である圧力室3を形成する吐出液室形成部材である個別液室基板12に測温抵抗体28が配置されているため、圧電素子16のジュール熱によって個別液室基板12の温度が上昇しても、その温度上昇は測温抵抗体28を配置した位置にも反映されるため、測温抵抗体28を配置した位置の温度と、圧力室3内のインクの温度との温度差が生じ難く、安定した液滴量のインクの吐出を行うことができる。
また、上述した実施形態においては、液滴吐出ヘッド50をインクジェットプリンタの記録ヘッド51に適用した例で説明したが、インクジェットヘッド以外の液滴吐出ヘッド50として、例えば、液体レジストを液滴として吐出する液滴吐出ヘッド、DNAの試料を液滴として吐出する液滴吐出ヘッドなどの他の液滴吐出ヘッドにも適用できる。
〔態様A〕
ノズル孔2などの液滴を吐出するノズル孔と、ノズル孔により外部と連通し、かつ、液滴となるインクなどの吐出液を収容する圧力室3などの吐出液室と、吐出液室内に圧力を発生させる圧電素子16などの圧力発生手段と、測温抵抗体28などの測温抵抗体を配置した位置における温度を検出する制御部60などの温度検出手段と、温度検出手段の検出結果に基づいて圧力発生手段の出力を制御する駆動IC11などの圧力制御手段とを有し、圧力発生手段が吐出液室内の圧力を高めることにより吐出液室内の吐出液が該液滴としてノズル孔から吐出される構成であり、ノズル孔を設けたノズル基板1などのノズル板と、吐出液室を形成する壁面を構成する個別液室基板12などの吐出液室形成部材とを重ねて固定した構成の液滴吐出ヘッド50などの液滴吐出ヘッドにおいて、測温抵抗体28などの測温抵抗体を個別液室基板12などの吐出液室形成部材に配置する。これによれば、上記実施形態について説明したように、個別液室基板12上に測温抵抗体28を配置しているため、吐出用のインクに近接した場所の温度が正確に検知でき、それゆえ適切な電圧を圧電素子16に供給することが可能になり、吐出特性を安定化できる。
〔態様B〕
〔態様A〕において、圧力発生手段は、圧力室3などの吐出液室の壁面の一部を構成し、変形することで吐出液室の体積を変動させる振動板17などの振動板と、圧電体14などの圧電体を挟む上部電極15及び共通電極13などの二つの電極のうちの一方(共通電極13)が振動板と一体的に形成され、二つの電極の間に電圧を印加されることにより圧電体に変形が生じ、この変形を伝達することで振動板を変形させる圧電素子16等の圧電素子と、圧電素子に電圧を印加する駆動IC11などの駆動電源とを有し、振動板の変形による吐出液室の体積の変動によって吐出液室内の圧力を発生させるものであり、圧力制御手段は、駆動IC11などの駆動電源が圧電素子16などの圧電素子に印加する電圧を制御することにより、圧電体及び振動板の変形量を制御し、振動板の変形によって生じる吐出液室内の圧力の大きさを制御する。これによれば、上記実施形態について説明したように、圧力室3内のインクの温度変化に応じて、各温度における必要な吐出圧力を圧電素子16によって出力させる構成を実現することができる。
〔態様C〕
〔態様A〕または〔態様B〕において、個別液室基板12などの吐出液室形成部材は、複数の圧力室3などの吐出液室を(Y軸方向に)直線状に並べて吐出液室の列である吐出液室列を形成した構成であり、ノズル基板1などのノズル板には、吐出液室形成部材を固定した際に、吐出液室形成部材に設けた複数の吐出液室のそれぞれに対応するように、複数のノズル孔2などのノズル孔を設けてノズル列を形成し、測温抵抗体28などの測温抵抗体は吐出液室列に沿って延在するように配置されている。これによれば、上記実施形態について説明したように、圧力室3などの吐出液室列ごとに温度分布があり正確な温度を決定することが困難である場合に、測温抵抗体28などの測温抵抗体が吐出液室列に沿って並べているので、平均温度を計測し駆動電圧を効率的に選択でき、吐出特性を安定化できる。
〔態様D〕
〔態様C〕において、個別液室基板12などの吐出液室形成部材は、複数の圧力室3などの吐出液室列を複数列備え、複数の吐出液室列のそれぞれに対応した複数の測温抵抗体28などの測温抵抗体を備える。これによれば、上記実施形態について説明したように、測温抵抗体がノズル列もしくは個別液室列の各列に配置しているため、温度の分布に従って列ごとに駆動電圧を選択することができ、吐出特性を安定化できる。
〔態様E〕
〔態様C〕または〔態様D〕において、圧力室列などの吐出液室列に沿って延在するように配置されている測温抵抗体28などの測温抵抗体は、延在する方向に複数個並べて配置されている。これによれば、図6を用いて上記実施形態について説明したように、測温抵抗体が同一列内で分割して配置してあるために、温度分布に従って、より細かく駆動電圧を選択することができ、吐出特性を安定化できる。
〔態様F〕
〔態様A〕乃至〔態様E〕の何れか一つの態様において、圧力室3などの吐出液室に供給するインクなどの吐出液を収容する供給液収容部である共通液室8が形成され、個別液室基板12などの吐出液室形成部材におけるノズル基板1などのノズル板が固定される面とは反対側の面に重ねて固定された液体供給基板7などの吐出液供給部形成部材を備え、吐出液室形成部材と吐出液供給部形成部材との接合部に測温抵抗体28などの測温抵抗体を配置する。これによれば、上記実施形態について説明したように、測温抵抗体を構成上必ず発生する個別液室基板と吐出液供給部形成部材との接合部に配置しているため、測温抵抗体を配置する特別なスペースを設ける必要がなく、滴吐出ヘッドの大型化を避けることができ、低コスト化を実現できる。
〔態様G〕
〔態様B〕または、少なくとも〔態様B〕の構成を備えた〔態様C〕乃至〔態様F〕の何れか一つの態様において、制御部60などの温度検出手段は、温度を精密に計測するための補正回路を含み、駆動IC11などの圧力制御手段は、補正回路から出力された電気信号をA/D変換によりデジタル化するA/D変換回路を含み、補正回路と該A/D変換回路が駆動IC11などの駆動電源と同一の基板(個別液室基板12など)に形成されている。これによれば、上記実施形態について説明したように、補正回路とA/D変換回路が駆動IC11に搭載されているため、A/D変換回路以降の信号伝送はデジタル信号となりいくら配線が長くなっても、温度の測定精度が損なわれることがなく、結果として吐出特性を安定化できる。
〔態様H〕
インク液滴を吐出するインク吐出ヘッドと、記録ヘッド51などのインク吐出ヘッドにインクを供給するタンク部102aなどのインクタンクを一体化したインクカートリッジ102などのインクカートリッジにおいて、インク吐出ヘッドとして、〔態様A〕乃至〔態様G〕の何れか一つの態様の液滴吐出ヘッドを用いる。これによれば、上記実施形態について説明したように、液滴吐出ヘッドとタンク部102aなどのインクタンクをとを一体としてプリンタ100などの画像形成装置から交換可能となり、吐出特性を安定化できる液滴吐出ヘッドの交換性が向上する。
〔態様I〕
インク液滴を吐出する記録ヘッド51などのインクジェットヘッドを搭載したプリンタ100などのインクジェット記録装置において、インクジェットヘッドとして〔態様A〕乃至〔態様G〕の何れか一つの態様の液滴吐出ヘッドを用いる。これによれば、上記実施形態について説明したように、環境温度が変化しても吐出特性を安定化できるため、安定した画像品質を維持することができる。
〔態様J〕
インクカートリッジ102などのインクカートリッジの記録ヘッド51などのヘッド部から液滴を吐出させて用紙30などの被記録媒体に記録を行うプリンタ100などのインクジェット記録装置において、インクカートリッジとして、〔態様H〕のインクカートリッジを備える。これによれば、上記実施形態について説明したように、環境温度が変化しても吐出特性を安定化できるため、安定した画像品質を維持することができ、さらに、吐出特性を安定化できる液滴吐出ヘッドの交換性が向上する。
2 ノズル孔
3 圧力室
4 流体抵抗部
5 インク導入路
6 個別インク供給口
7 液体供給基板
8 共通液室
9 フレーム基板
10 バンプ
11 駆動IC
12 個別液室基板
13 共通電極
14 圧電体
15 上部電極
16 圧電素子
17 振動板
18 弾性部材
19 ダンパーフィルム
20 補強板
22 共通インク供給口
23 絶縁膜
24 層間絶縁膜
25 引き出し配線
26 凹部
28 測温抵抗体
50 液滴吐出ヘッド
51 記録ヘッド
100 プリンタ
101 キャリッジ
102 インクカートリッジ
Claims (9)
- 液滴を吐出するノズル孔と、
該ノズル孔により外部と連通し、かつ、該液滴となる吐出液を収容する吐出液室と、
該吐出液室内に圧力を発生させる圧力発生手段とを有し、
該ノズル孔を設けたノズル板と、該吐出液室を形成する壁面を構成する吐出液室形成部材とを重ねて固定した構成の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記圧力発生手段に電圧を印加する駆動ICと、温度を検知する測温抵抗体とが、上記吐出液室形成部材上に配置されており、
上記吐出液室に該吐出液を供給する供給口が形成され、上記吐出液室形成部材における上記ノズル板が固定される面とは反対側の面に重ねて固定された吐出液供給部形成部材を備え、
該吐出液室形成部材と該吐出液供給部形成部材との接合部に上記測温抵抗体を配置することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記圧力発生手段は、上記吐出液室の壁面の一部を構成し、変形することで該吐出液室の体積を変動させる振動板と、圧電体を挟む二つの電極のうちの一方が該振動板と一体的に形成され、該二つの電極の間に電圧を印加されることにより該圧電体に変形が生じ、この変形を伝達することで該振動板を変形させる圧電素子とを有することを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1または2の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記吐出液室形成部材は、複数の上記吐出液室を直線状に並べて該吐出液室の列である吐出液室列を形成した構成であり、
上記ノズル板には、該吐出液室形成部材を固定した際に、該吐出液室形成部材に設けた複数の該吐出液室のそれぞれに対応するように、複数の上記ノズル孔を設けてノズル列を形成し、
上記測温抵抗体は該吐出液室列に沿って延在するように配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項3の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記吐出液室形成部材は、上記吐出液室列を複数列備え、
複数の該吐出液室列のそれぞれに対応した複数の上記測温抵抗体を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項3または4の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記吐出液室列に沿って延在するように配置されている上記測温抵抗体は、延在する方向に複数個並べて配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
上記補正回路から出力された電気信号をA/D変換によりデジタル化するA/D変換回路が、上記吐出液室形成部材上に配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - インク液滴を吐出するインク吐出ヘッドと、該インク吐出ヘッドにインクを供給するインクタンクを一体化したインクカートリッジにおいて、
上記インク吐出ヘッドとして請求項1乃至6の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドを用いることを特徴とするインクカートリッジ。 - インク液滴を吐出す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において、
該インクジェットヘッドとして請求項1乃6の何れか1項に記載の液滴吐出ヘッドを搭載し、
上記測温抵抗体が検知した温度に基づいて、圧力発生手段を制御する制御部を有することを特徴とするインクジェット記録装置。 - インクカートリッジのヘッド部から液滴を吐出させて被記録媒体に記録を行うインクジェット記録装置において、
上記インクカートリッジとして、請求項7記載のインクカートリッジを備えたことを特徴とするインクジェット記録装置。
Priority Applications (2)
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