JP2009172818A

JP2009172818A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置

Info

Publication number: JP2009172818A
Application number: JP2008012304A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Sugita; 博司杉田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-01-23
Filing date: 2008-01-23
Publication date: 2009-08-06

Abstract

【課題】トランジスタの放熱を効率よく行って、且つ液体の粘性を低下させて液体噴射特性を向上することができる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室２１と、該圧力発生室２１に圧力変化を生じさせる圧力発生手段４０とを具備するヘッド本体１０と、該ヘッド本体１０に搭載され且つ前記圧力発生手段４０に電気的に接続されて当該圧力発生手段４０を駆動する駆動回路５０とを具備し、前記駆動回路５０は前記圧力発生手段４０を駆動する駆動波形を生成するためのパワー能動素子を含み、当該パワー能動素子から生じる熱を前記ヘッド本体１０に伝熱する熱伝導機構６０を具備する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関し、特に液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドに関する。

ノズル開口に連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子を駆動するための駆動信号を入力するための駆動回路を実装したフレキシブルプリント基板が接続されている。ここで、駆動回路は、ノズルセレクタや、ロジック回路等を含むものであり、駆動信号の生成は、ＦＦＣ（Flexible Fiber Cable）等によって接続されてヘッドとは別に設けられているメイン基板に搭載されているＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、Ｄ／Ａコンバータ、台形波電圧生成回路（前置増幅器や電流増幅器を含む）等により行われる。

ここで、メイン基板に搭載されるトランジスタは発熱するという問題があり、一般的には放熱するためのヒートシンクが設けられているが、これにインクチューブを接触させてトランジスタから発生する熱をインクチューブに伝熱する機構を設けたプリンタが提案されている（特許文献１参照）。

特開２００５−２８０１４１号公報

上述したプリンタは、トランジスタで発生した熱でインクの粘度を低下させて電力消費量を低減することも目的としたものであるが、インクチューブ内のインクがヘッドに供給されるまでに距離があるため、実質的な効果が低いという問題がある。

このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の他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、トランジスタの放熱を効率よく行って、且つ液体の粘性を低下させて液体噴射特性を向上することができる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。

前記目的を達成する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備するヘッド本体と、該ヘッド本体に搭載され且つ前記圧力発生手段に電気的に接続されて当該圧力発生手段を駆動する駆動回路とを具備し、前記駆動回路は前記圧力発生手段を駆動する駆動波形を生成するためのパワー能動素子を含み、当該パワー能動素子から生じる熱を前記ヘッド本体に伝熱する熱伝導機構を具備す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、ヘッドに搭載される駆動回路にパワー能動素子を配置し、このパワー能動素子が発生する熱をヘッド本体の液体に伝熱することにより、駆動回路を放熱すると同時に液体の粘度を低減することができ、液体噴射特性及び連続吐出性能を向上することができる。

ここで、熱伝導機構は、前記パワー能動素子から生じる熱を、前記ヘッド本体に噴射する液体を供給するための流路及び前記ノズル開口を備えたノズルプレートの少なくとも一方に伝熱するものであるのが好ましい。これによれば、パワー能動素子からの熱をヘッド本体中の液体に有効に伝熱することができ、放熱と液体の粘度低減を確実に且つより有効に行うことができる。

また、前記ヘッド本体内の液体の温度を検出する温度検出手段を具備し、この温度検出手段で検出した温度に基づいて前記駆動回路で生成する駆動波形を制御するのが好ましい。これによれば、ヘッド本体から吐出される液体の粘度に状態に応じた最適な駆動波形で駆動することができる。

また、前記熱伝導機構が、前記パワー能動素子と前記ヘッド本体とを熱伝導可能に連結するヒートシンクであるのが好ましい。これによれば、ヒートシンクを介してパワー能動素子の熱を液体により確実に且つ有効に伝熱することができる。

さらに本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備す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、信頼性を向上すると共に低コスト化した液体噴射装置を実現できる。

ここで、前記液体噴射ヘッドの流路内の液体の温度を検出し、この温度に応じて駆動波形を制御するのが好ましい。これによれば、流路内の液体の状態に応じた最適な駆動波形により駆動されるので、液体吐出特性がさらに向上する。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１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の概略断面図である。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩは、インクを吐出するヘッド本体１０と、ヘッド本体１０の圧力発生手段に電気的に接続されて圧力発生手段に駆動信号を供給する駆動回路５０と、駆動回路５０に含まれるパワー能動素子からの熱をヘッド本体１０に伝熱するための熱伝導機構として熱伝導部材６０とを具備する。

まず、本実施形態のヘッド本体１０について説明する。ヘッド本体１０は、アクチュエータユニット２０と、アクチュエータユニット２０が固定される図示しない流路ユニットに連結するインク流路３０とで構成されている。

アクチュエータユニット２０は、圧電素子４０を具備するアクチュエータ装置であり、圧電素子４０は圧力発生室２１が形成された流路形成基板２２の一方面側に設けられた振動板２３上に設けられている。流路形成基板２２には複数の圧力発生室２１がその幅方向に沿って並設された列が形成されている。

流路形成基板２２の振動板２３とは反対側の他方面には、圧力発生室２１を封止する圧力発生室底板２４が固定されており、圧力発生室底板２４にはノズル開口２５が形成されたノズルプレート２６が固定されている。圧力発生室底板２４には、流路形成基板２２の他方面側に固定されて圧力発生室２１の他方面を封止すると共に、圧力発生室２１の長手方向一方の端部近傍に設けられて圧力発生室２１と図示しないリザーバとを連通するインク溜まり２７と、圧力発生室２１の長手方向他方の端部近傍に設けられてノズル開口２５に連通するノズル連通部２８とを有する。また、圧力発生室底板２４のインク溜まり２７に連通するインク導入口２９が設けられており、このインク導入口２９とインク流路３０とが連通している。

ここで、各圧電素子４０は、例えば、振動板２３上に設けられた下電極膜と、各圧力発生室２１毎に独立して設けられた圧電体層と、各圧電体層上に設けられた上電極膜とで構成されている。圧電体層は、圧電材料からなるグリーンシートを貼付することや、印刷することで形成されている。また、下電極膜は、並設された圧電体層に亘って設けられて各圧電素子４０の共通電極となっており、振動板の一部として機能する。勿論、下電極膜を各圧電体層毎に設けるようにしてもよい。このような圧電素子４０は、厚さ方向に撓み変形する、いわゆる撓み振動モードの圧電素子４０である。

なお、アクチュエータユニット２０の各層である流路形成基板２２、振動板２３及び圧力発生室底板２４は、粘土状のセラミックス材料、いわゆるグリーンシートを所定の厚さに成形して、例えば、圧力発生室２１等を穿設後、積層して焼成することにより接着剤を必要とすることなく一体化される。そして、その後、振動板２３上に圧電素子４０が形成される。

駆動回路５０は、詳細は図示していないが、例えば、一端側が各圧電素子４０に接続されるフレキシブルプリント基板と、フレキシブルプリント基板の他端側に接続される回路基板とからなり、回路基板にはコネクタが設けられており、外部配線を介して外部のメイン基板が接続されるようになっている。

本実施形態では、駆動回路５０は、各圧電素子４０への駆動信号を制御するノズルセレクタや、ロジック回路等の半導体集積回路（ＩＣ）を含み、さらに、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）や、Ｄ／Ａコンバータ、台形波電圧生成回路（前置増幅器や電流増幅器を含む）等が搭載されている。なお、ヘッド本体１０とは離れた外部に設けられたメイン基板にはＣＰＵが搭載され、駆動回路５０とメイン基板とは、例えば平型ケーブルの一種であるＦＦＣ（Flexible Fiber Cable）によって接続されている。

図２は、本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録ヘッドが備える駆動回路５０の全体構成の一例を示すブロック図である。

駆動回路５０は、図２に示すように、ＡＳＩＣ５１と、Ｄ／Ａコンバータ（以下、「ＤＡＣ」と表記する）５２と、前置増幅器５３と、電流増幅器５４とを含み、ＡＳＩＣ５１と、ＤＡＣ５２と、前置増幅器５３と、電流増幅器５４とは、配線基板上に搭載されている。一方、複数個の圧電素子４０_１〜４０ｎへの駆動信号を制御するノズルセレクタ５５は、例えば、フレキシブルプリント基板に配置されている。

ＤＡＣ５２及び前置増幅器５３は、圧電素子４０を駆動するための台形波を生成する台形波生成回路を、また、ＤＡＣ５２、前置増幅器５３及び電流増幅器５４は、圧電素子４０を駆動するための駆動電圧を供給する台形波駆動回路をそれぞれ構成する。上記台形波生成回路では、台形波の電圧値及び勾配が任意に設定可能である。

ＤＡＣ５２は、ＡＳＩＣ５１から、台形波生成のための指令として出力される所定ビットのディジタルデータをＤ／Ａ変換（ディジタル／アナログ変換）することにより、所定電圧値の台形波の電圧信号を生成して、前置増幅器５３に出力する。前置増幅器５３は、ＤＡＣ５２からの上記台形波の電圧信号を入力し、該電圧信号を所定の増幅度で電圧増幅して電流増幅器５４に出力するもので、前置増幅器５３には、電流増幅器５４の出力である台形波の駆動電圧を駆動電圧伝達線路５６を通じて検知して、電流増幅器５４をフィードバック制御するための制御機能が内蔵されている。電流増幅器５４は、前置増幅器５３からの上記台形波の電圧信号を入力し、該電圧信号を所定の増幅度で電流増幅して圧電素子４０側に出力するもので、電流増幅器５４は、各ノズルに対応する個々の圧電素子（４０_１〜４０_ｎ）に対して台形波の駆動電圧が供給可能に構成されている。電流増幅器５４は、複数個のＮＰＮパワートランジシスタ、及び複数個のＰＮＰパワートランンジスタを含む。電流増幅器５４において、プラス側にバイアスされた電位を中間電位とするための線路（駆動電圧伝達線路）５６の高電位側に、各圧電素子４０_１〜４０_ｎに対する充電回路が、駆動電圧伝達線路５６の低電位側に、各圧電素子４０_１〜４０_ｎの放電回路が、それぞれ構成されている。

なお、多数の圧電素子４０_１〜４０_ｎは、ノズルセレクタ５５を通じて駆動電圧伝達線路５６に対し、互いに並列接続されている。

そして、本実施形態では、駆動回路５０の特にパワー能動素子である、上述した台形波電圧生成回路の電流増幅器５４を構成する複数個のパワートランジスタとインク流路３０とを熱伝導可能に連結するように熱伝達機構として熱伝導部材６０が設けられている。

ここで、熱伝導部材６０は、駆動回路５０からの熱を伝熱する作用を有するものであれば特に限定されず、熱伝導性の良好な材料で形成されたものであればよく、例えば、トランジスタの放熱用のヒートシンクを用いて放熱する熱をインク流路３０に伝熱するようにすればよい。すなわち、具体的には、例えば、ヒートシンクの基部に複数のパワートランジスタを固定する一方、放熱フィンをインク流路３０に接触するように固定すればよい。

上述した構成において、台形波電圧生成回路が（ヘッド本体１０の駆動電圧として）台形波電圧を生成する過程でパワートランジスタに生じた熱が、ヒートシンクを介してインク流路３０へ伝導することで、インク流路３０内を流れるインクを温める。これにより、インクの粘度を低くすることができる。さらに、高粘度インクを使用する際に台形波電圧生成回路において台形波電圧の振幅を増大させる制御を行う必要がなくなるため、印刷ヘッド１を駆動して印刷（印字）動作を行うのに要する電力消費量を減少させることが可能になる。また、駆動回路５０からの放熱が効率的に行われるので、例えば強力な冷却ファン等の冷却手段を設けるなどの対策を講じなくても、プリンタ内部の温度が異常に高くなるようなことはないという利点もある。

（実施形態２）
図３は、本発明の実施形態２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の概略断面図である。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩＡの基本的な構成は実施形態１と同一であるので、同一な構成については同一符号を付して重複する説明は省略する。

本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩＡでは、駆動回路５０のパワー能動素子からの熱をヘッド本体１０へ伝導する熱伝導部材６０Ａは、駆動回路５０のパワー能動素子とヘッド本体１０のノズルプレート２６とを連結するように設けられている。

このような構成においては、台形波電圧生成回路が（印刷ヘッド１の駆動電圧として）台形波電圧を生成する過程でパワートランジスタに生じた熱が、熱伝導部材６０Ａを介してノズルプレート２６へ伝導することで、インク溜まり２７内のインクを温める。これにより、インクの粘度を低くすることができる。これにより、高粘度インクを使用する際に台形波電圧生成回路において台形波電圧の振幅を増大させる制御を行う必要がなくなるため、印刷ヘッド１を駆動して印刷（印字）動作を行うのに要する電力消費量を減少させることが可能になる。また、駆動回路５０からの放熱が効率的に行われるので、例えば強力な冷却ファン等の冷却手段を設けるなどの対策を講じなくても、プリンタ内部の温度が異常に高くなるようなことはないという利点もある。

（他の実施形態）
以上、本発明の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、上述したヘッド本体１０の構成、駆動回路５０の構成や実装状態は例示であり、特に限定されるものではない。また、駆動回路５０の特にパワー能動素子からの熱をインク流路３０に伝熱する熱伝導機構もその構成は限定されるものではない。例えば、駆動回路５０の増幅回路は、前置増幅器５３と電流増幅器５４との２段構成を例示したが、電流増幅回路だけでもよい。また、増幅回路は電流増幅タイプに限定されず、ＭＯＳトランジスタを用いた電圧増幅タイプでもい。よって、本発明におけるパワー能動素子とは、電流増幅回路又は電圧増幅回路のトランジスタをいう。

また、これら各実施形態の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４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。

図４に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び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、上述した実施形態１、２においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド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、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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。

また、インクジェット式記録装置においては、一般的には、外気温度に応じて、その温度におけるインクの状態、特に粘度に最適な駆動信号で駆動するように制御されているが、上述した本発明においては、ヘッド本体内のインクの温度を駆動回路内のパワー能動素子から発生する熱により加温しているので、ヘッド本体内のインクの温度を直接測定するサーミスタを設けるのが好ましい。この例を図５に示す。すなわち、例えば、実施形態１のヘッド本体１０の温度、具体的には、インク流路３０やノズルプレート２６や圧力発生室底板２４などに当接させてサーミスタ７０を設け、このサーミスタ７０からの信号を、インクジェット式記録ヘッドＩとは別に設けられた装置本体に設けられているメイン基板８０のＳＯＣ（System On Chip）８１に送るようにしている。これにより、ヘッド本体１０の温度がＳＯＣ８１にフィードバックされ、この温度のインクを吐出するに最適な駆動波形が選択され、この制御信号がＡＳＩＣ５１へ送られるようになる。

これにより、吐出されるインクの温度状態に最適な駆動波形がより確実に且つ正確に選択され、最適インク吐出特性が得られるようになる。

本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの概略断面図である。本発明の実施形態１に係る記録ヘッドの駆動回路の一例を示すブロック図である。本発明の実施形態２に係る記録ヘッドの概略断面図である。本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。本発明の他の実施形態に係る記録ヘッドの駆動回路の一例を示すブロック図である。

符号の説明

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 II インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０ヘッド本体、２０アクチュエータユニット、２１圧力発生室、２２流路形成基板、２３振動板、２４圧力発生室底板、２５ノズル開口、２６ノズルプレート、４０圧電素子、５０駆動回路、６０熱伝導部材、７０サーミスタ、８０メイン基板、８１ＳＯＣ

Claims

液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、該圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧力発生手段とを具備するヘッド本体と、該ヘッド本体に搭載され且つ前記圧力発生手段に電気的に接続されて当該圧力発生手段を駆動する駆動回路とを具備し、
前記駆動回路は前記圧力発生手段を駆動する駆動波形を生成するためのパワー能動素子を含み、当該パワー能動素子から生じる熱を前記ヘッド本体に伝熱する熱伝導機構を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
前記熱伝導機構は、前記パワー能動素子から生じる熱を、前記ヘッド本体に噴射する液体を供給するための流路及び前記ノズル開口を備えたノズルプレートの少なくとも一方に伝熱するものであることを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッド。
前記ヘッド本体内の液体の温度を検出する温度検出手段を具備し、この温度検出手段で検出した温度に基づいて前記駆動回路で生成する駆動波形を制御することを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッド。
前記熱伝導機構が、前記パワー能動素子と前記ヘッド本体とを熱伝導可能に連結するヒートシンクであることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の液体噴射ヘッド。
請求項１〜４の何れか１項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
前記液体噴射ヘッドの流路内のインクの温度を検出し、この温度に応じて駆動波形を制御することを特徴とする請求項５に記載の液体噴射装置。