JP2009285911A

JP2009285911A - インクジェットヘッドの検査方法及びインクジェットヘッドの製造方法

Info

Publication number: JP2009285911A
Application number: JP2008139055A
Authority: JP
Inventors: Nariaki Tanaka; 成朗田中
Original assignee: Seiren Co Ltd
Current assignee: Seiren Co Ltd
Priority date: 2008-05-28
Filing date: 2008-05-28
Publication date: 2009-12-10

Abstract

【課題】本発明は、インクジェットヘッドに接着固定された圧電素子の接着状態を短時間で正確に検査することができるインクジェットヘッドの検査方法を提供することを目的とするものである。
【解決手段】インクジェットヘッドの振動板７に接着固定された圧電素子４に駆動回路８よりパルス電圧を印加することで発生する圧電素子４の残留振動による信号波形を検査回路９で測定する。測定された信号波形の振幅が基準範囲内であるか否か判定して、振幅が基準範囲外である場合には圧電素子４の接着状態が不良であると判定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、インクが充填された圧力室に連通したノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの検査方法及びインクジェットヘッドの製造方法に関するものである。

インクジェット記録方式は、インク記録ヘッドのインク吐出口から微小なインク滴を記録媒体に対して吐出して印字や画像記録を行うもので、記録媒体から離間した状態で記録動作を行うことができることから、様々な材質の記録媒体や物品に記録することが可能で、幅広い用途に使用されてきている。

インクジェット記録に用いるインクジェットヘッドは、種々のタイプのヘッドが開発されてきているが、その中の１つとして、圧電素子に電圧を印加して変形させることでインクが充填された圧力室を膨張及び収縮させて圧力変動を生じさせ、インク滴を吐出させるピエゾタイプのヘッドが開発されている。

こうしたピエゾタイプのヘッドでは、圧電素子の変形によりインクを吐出することから、圧電素子が振動板等に設計どおりに接着していないと圧力室での圧力変動が不十分となって吐出不良を生じるようになる。そのため、インクジェットヘッドに吐出不良が発生した場合には、インクジェットヘッドを分解して圧電素子の接着状態を確認することが必要となるが、一旦製造したインクジェットヘッドを分解することは製造工程において無駄な作業が加わり、非効率的である。また、圧電素子の接着状態が不良のままインクジェットヘッドを使用することも可能であるが、圧電素子を駆動する電圧を圧電素子毎に設定する必要があり、複雑な駆動制御とならざるを得ない。

こうしたことから、インクの吐出を行うことなく圧電素子の接着状態を検査する方法が提案されている。例えば、特許文献１では、インクジェットヘッドに取り付けたピエゾ素子に振動エネルギーを供給することで発生する振動音に基づいてピエゾ素子の接着不良を検査する方法が記載されている。また、特許文献２では、インクジェットヘッドの各ノズルにインピーダンスアナライザを接続して圧電素子の固有振動数を測定し、測定された固有振動数に基づいて圧電素子の接着不良を診断する方法が記載されている。また、特許文献３では、複数の変位素子が設けられた圧電アクチュエータを保持板上に載置固定し、変位素子に一定の電圧を印加して生じる変位量を測定することで圧電アクチュエータを評価する方法が記載されている。
特開平７−３３３１１１号公報特開平１１−６４１７５号公報特開２００４−２９６７８５号公報

上述した特許文献１では、インク吐出を行うことなく圧電素子の接着状態を検査できるものの振動音を取得するための装置が必要となり、検査装置が複雑化する。そして、振動音を測定するための時間がかかる。特許文献２では、インピーダンスアナライザを用いて各ノズルの固有振動数を測定しているが、ノズル数が増加すると固有振動数を測定するための時間がかかるといったデメリットがある。特許文献３では、変位素子の微小な変位量を測定するための装置が必要で、検査装置が複雑化する。

そこで、本発明は、インクジェットヘッドに接着固定された圧電素子の接着状態を短時間で正確に検査することができるインクジェットヘッドの検査方法を提供することを目的とするものである。

本発明に係るインクジェットヘッドの検査方法は、インクが充填された圧力室に対応して接着固定された圧電素子に電気信号を印加して変形させることで前記圧力室を膨張及び収縮させて、前記圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの検査方法であって、前記圧電素子に所定の検査信号を印加して前記圧電素子に発生する残留振動による信号波形を測定し、測定された信号波形に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査する。さらに、測定された信号波形の振幅に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査することを特徴とする。さらに、測定された信号波形の振幅及び周期に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査することを特徴とする。

本発明に係るインクジェットヘッドの製造方法は、ヘッド基板に圧力室を形成する工程と、前記圧力室に対応して圧電素子を接着固定する工程と、前記圧電素子に所定の検査信号を印加して前記圧電素子に発生する残留振動による信号波形を測定する工程と、測定された信号波形に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査する工程とを含むことを特徴とする。

上記のような構成を有することで、圧電素子の残留振動による信号波形に基づいて接着状態を検査するので、圧電素子の接着状態を短時間で正確に検査することができる。

以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施形態は、本発明を実施するにあたって好ましい具体例であるから、技術的に種々の限定がなされているが、本発明は、以下の説明において特に本発明を限定する旨明記されていない限り、これらの形態に限定されるものではない。

図１は、インクジェットヘッドの一例に関する模式図である。インクジェットヘッド１の内部には、インクが充填される圧力室２が形成されており、ヘッド１の吐出面側にはノズル３が穿設されている。ノズル３と圧力室２との間はインクが流通する流路が形成されている。圧力室２には、図示せぬインクタンクと連通するインク供給路が接続されており、インクタンクからインクが供給されるようになっている。

これら圧力室２、ノズル３−圧力室２間のインク流通流路及びインク供給路を形成する場合、金属の薄板にエッチングで所望の形状の溝を形成し、この溝が形成された複数の金属薄板を積層して接着することにより金属薄板の積層体内部に形成することができる。インクジェットヘッドに用いられる金属薄板は、形成する溝の形状に応じて０．０１ｍｍから１ｍｍ厚の薄板を使用するとよい。

ノズル３については、ノズルとなる径２０〜３０μｍの小孔が穿設された金属や樹脂等の薄板を使用する。ノズル穿設薄板は、０．０１ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さのものを用いるとよい。上述の金属薄板の積層体のインク流通流路にノズルとなる小孔が対応するように薄板をセットして接着することによりインク流通流路に連通するノズル３が形成される。

圧力室２の上部には振動板７が取り付けられており、振動板７の上面には圧力室２に対応して板状の圧電素子４が接着固定されている。圧電素子４は、振動板７側の面に下部電極５が形成されており、その反対側の面には上部電極６が形成されている。

振動板７は、厚さ０．０１ｍｍ〜１ｍｍの金属板やセラミック板等が用いられる。また、圧電素子４は、振動板７と同程度の厚さのものが使用される。

圧電素子４は、下部電極５及び上部電極６の間に駆動信号を印加することで厚み方向と直交する方向に伸縮変形し、それに伴って圧電素子４に接着した振動板７が撓む。電極５−６間に電位差が生じていない状態から、電極６から電極５に向かう電界を生じさせるパルス信号を電極５−６間に印加すると圧電素子４は厚み方向と直交する方向に伸び変形し、圧電素子４に接着固定された振動板７は圧力室２を膨張させる方向に変形する。圧力室２の膨張により内部圧力が低下するのでノズル３−圧力室２間のインク流通流路、ノズル３及びインク供給路から圧力室２内にインクが引き込まれる。この状態を一定期間保持した後に、電極５から電極６に向かう電界を生じさせるパルス信号を電極５−６間に印加すると圧電素子４は厚み方向と直交する方向に縮み変形し、圧電素子４に接着固定された振動板７は圧力室２を収縮させる方向に変形する。圧力室２の収縮により内部圧力が上昇し圧力室２内に滞留するインクが、ノズル３−圧力室２間のインク流通流路を通ってノズル３へ移動する、いわゆる引き押し打ちによりノズル３からインク滴が吐出される。

こうした一回の吐出動作が終了すると、電極５−６間は再び電位差が生じていない状態に保持され、次の吐出動作に備えた待機状態となる。

図２は、インクジェットヘッドを検査する場合の概略構成図である。インクジェットヘッド１は、圧力室２にインクを充填していない状態に設定されており、圧電素子４の下部電極５及び上部電極６には駆動信号を印加する駆動回路８が接続される。また、圧電素子４の下部電極５及び上部電極６には検査回路９が接続される。

検査回路９は、駆動回路８から所定のパルス信号波形が圧電素子４に印加された直後に圧電素子４に発生する残留振動による信号波形の振幅及び周期を測定し、振幅及び周期が所定の基準範囲内であるか否か判定して圧電素子４の接着状態を検査する。

圧電素子４に発生する残留振動はパルス信号波形の立上り時及び立下り時に発生するため、立上り時の残留振動が十分に減衰する前にパルス信号波形が立ち下がると、立上り時の残留振動に立下り時の残留振動が重なるようになって測定すべき残留振動による信号波形が変化するおそれがある。

したがって、パルス信号波形の立上り時の残留振動が十分に減衰してからパルス信号波形を立ち下げるように駆動信号を印加するとよい。また、パルス信号波形を立ち上げる際に圧電素子４に残留振動が発生しないように長い時間をかけてパルス信号波形を立ち上げるようにしてもよい。

また、パルス信号波形の立上り時の残留振動による信号波形を測定することにより圧電素子４の接着状態を検査するようにしてもよい。この場合には、パルス信号波形が立ち上がる直前のパルス信号波形の立ち下りによる残留振動の影響を排除することが好ましい。

図３は、検査回路９における検査処理フローである。まず、圧電素子に所定のパルス電圧を印加して（Ｓ１００）、印加後の圧電素子の残留振動による信号波形を測定する（Ｓ１０１）。

そして、測定された信号波形の振幅が基準範囲内であるか否か判定する（Ｓ１０２）。信号波形の振幅としては、正方向の最大値、負方向の最大値又は正負の最大値の加算値といった値を用いればよい。

図４は、圧電素子４にパルス信号波形を印加した場合に検査回路９で測定された信号波形を示すグラフである。図４では、縦軸に電圧Ｖをとり、横軸に時間ｔをとっている。

この例では、時刻ｔ₀に駆動回路８より所定のパルス信号波形が圧電素子４に印加されることで、振幅Ｖ₀のパルス状の信号波形が時刻ｔ₀からｔ₁にかけて生じる。所定のパルス信号波形の印加により圧電素子４は変形するため、印加直後に圧電素子４は変形から元に戻ろうとする際に残留振動が発生するようになる。

図４（ａ）では、圧電素子４の残留振動による信号波形が時刻ｔ₂まで継続して生じている。残留振動による信号波形は、所定の周期Ｔ_aで交流波形のように変動しながら次第に減衰していく。図４（ｂ）では、図４（ａ）と同様のパルス信号波形を印加して圧電素子を駆動し、駆動直後の残留振動による信号波形を測定しており、その信号波形は、所定の周期Ｔ_bで交流波形のように変動しながら次第に減衰し時刻ｔ₂まで継続している。

図４（ａ）では、振幅として負方向の最大値Ｖ_aが基準範囲（Ｖ₁〜Ｖ₂）内であることから、圧電素子の接着状態は良好であると判定する。また、図４（ｂ）では、振幅として負方向の最大値Ｖ_bが基準範囲（Ｖ₁〜Ｖ₂）外であることから、圧電素子の接着状態は不良であると判定する。

ステップＳ１０２で振幅が基準範囲内であると判定された場合には、残留振動による信号波形の周期が基準範囲内であるか否か判定する（Ｓ１０３）。

図５は、図４と同様に、残留振動による信号波形を示すグラフである。図５（ａ）では、振幅である負方向の最大値Ｖ_cは基準範囲（Ｖ₁〜Ｖ₂）内であり、周期Ｔ_cについても基準範囲（Ｔ₁〜Ｔ₂）内であるため、圧電素子の接着状態が良好であると判定する。また、図５（ｂ）では、負方向の最大値Ｖ_dは基準範囲（Ｖ₁〜Ｖ₂）内であるものの周期Ｔ_dが基準範囲（Ｔ₁〜Ｔ₂）外であるため、圧電素子の接着状態は不良であると判定する。

以上のように、ステップＳ１０２及びステップＳ１０３で基準範囲内であると判定された場合には、圧電素子の接着状態は良好であると判定される（Ｓ１０４）。また、ステップＳ１０２で基準範囲外であると判定された場合には、圧電素子の接着状態は不良であると判定される（Ｓ１０５）。また、ステップＳ１０２で基準範囲内であると判定された後に、ステップＳ１０３で基準範囲外であると判定された場合にも、圧電素子の接着状態は不良であると判定される（Ｓ１０５）。

図６は、検査回路９における別の検査処理フローである。この例では、振幅のみを検査対象として処理している。まず、圧電素子に所定のパルス電圧を印加して（Ｓ２００）、印加後の圧電素子の残留振動による信号波形を測定する（Ｓ２０１）。

そして、測定された信号波形の振幅が基準範囲内であるか否か判定する（Ｓ２０２）。信号波形の振幅としては、正方向の最大値、負方向の最大値又は正負の最大値の加算値といった値を用いればよい。ステップＳ２０２で基準範囲内であると判定された場合には、圧電素子の接着状態は良好であると判定される（Ｓ２０３）。また、ステップＳ１０２で基準範囲外であると判定された場合には、圧電素子の接着状態は不良であると判定される（Ｓ２０４）。

圧電素子として板状のものを用い、図１に示すように振動板に接着固定して２０Ｖのパルス電圧を印加して実験を行った。複数の圧電素子について残留振動による信号波形をオシロスコープ等の測定装置により測定し、振幅として負方向の最大値が基準範囲（−８Ｖ〜−１０Ｖ）内であるか否か判定した。そして、基準範囲内の圧電素子について接着状態を確認したところ接着不良のものは見当たらなかったが、基準範囲外の圧電素子についてはすべて接着不良であった。

このように、パルス信号波形により駆動した場合の圧電素子の残留振動による信号波形を測定して接着状態を検査するので、短時間で正確に検査することができる。

基準範囲よりも振幅が小さい場合には、インクの吐出量や吐出速度が低下するようになり、記録媒体上に記録すると記録濃度の低下及び記録位置のずれとなって現れてくる。基準範囲よりも振幅が大きい場合には、インクの吐出量や吐出速度が増加するようになり、記録媒体上に記録すると記録濃度の上昇及び記録位置のずれとなって現れてくる。したがって、こうした記録濃度の変化及び記録位置のずれが許容範囲内となるように振幅の基準範囲を設定すればよい。

記録濃度の低下及び記録位置のずれの許容範囲は、記録媒体の種類、インクジェットヘッドのタイプ、用いられるインクの特性、要求される画質のレベル等により様々に設定されることから、設定される許容範囲に応じて圧電素子の接着状態の検査における基準範囲を設定できる。そのため、一律の基準範囲を設定してインクジェットヘッドを製造する場合に比べて、様々な基準範囲で製造することで歩留りを改善することが可能となる。

図７は、インクジェットヘッドの製造工程に関する説明図である。まず、ヘッド基板にインク供給路、圧力室、ノズルといったインク流路をエッチング処理等により形成する（Ｓ３００）。そして、ヘッド基板に形成されたインク流路を覆うように振動板を取り付けて接着固定し、圧力室を形成する（Ｓ３０１）。次に、形成された圧力室に対応する位置に圧電素子を接着固定し（Ｓ３０２）、上述したように圧電素子の接着状態の検査を行う（Ｓ３０３）。そして、検査結果に問題のないものについてインクを充填してインクの吐出検査を行う（Ｓ３０４）。

以上のようにインクジェットヘッドを製造することで、圧電素子が接着不良のものについてはインク吐出検査を行うことがなくなり、不要な検査がなくなって効率よくインクジェットヘッドの製造を行うことが可能となる。

インクジェットヘッド一例に関する模式図である。インクジェットヘッドを検査する場合の概略構成図である。検査回路９における検査処理フローである。圧電素子にパルス信号波形を印加した場合に検査回路で測定された信号波形を示すグラフである。圧電素子にパルス信号波形を印加した場合に検査回路で測定された信号波形を示すグラフである。検査回路９における別の検査処理フローである。インクジェットヘッドの製造工程に関する説明図である。

符号の説明

１インクジェットヘッド
２圧力室
３ノズル
４圧電素子
５下部電極
６上部電極
７振動板
８駆動回路
９検査回路

Claims

インクが充填された圧力室に対応して接着固定された圧電素子に電気信号を印加して変形させることで前記圧力室を膨張及び収縮させて、前記圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドの検査方法であって、前記圧電素子に所定の検査信号を印加して前記圧電素子に発生する残留振動による信号波形を測定し、測定された信号波形に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査するインクジェットヘッドの検査方法。
測定された信号波形の振幅に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査することを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
測定された信号波形の振幅及び周期に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査することを特徴とする請求項１に記載の検査方法。
ヘッド基板に圧力室を形成する工程と、前記圧力室に対応して圧電素子を接着固定する工程と、前記圧電素子に所定の検査信号を印加して前記圧電素子に発生する残留振動による信号波形を測定する工程と、測定された信号波形に基づいて前記圧電素子の接着状態を検査する工程とを含むことを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。