JP2012183772A - 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開口２６が設けられたノズルプレート２７と、ノズル開口２６に連通する圧力発生室２２が設けられた流路形成基板２１と、圧力発生室２２
に供給する前記液体を貯留しておく連通部２３と、圧力発生室２２内の前記液体に圧力変化を生じさせる圧電素子３０とを備えた記録ヘッド２０であって、流路形成基板２１のノズル開口２６とは反対側の面にサーミスター５２を配設するとともに、連通部２３に一端を臨ませて流路形成基板２１の前記面に形成された配線層５４Ｂにサーミスター５２の一方のリード線を接続した。
【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開口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、ノズル開口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、ノズル開口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開口が設けられたノズルプレートと、前記ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、前記圧力発生室に供給する前記液体を貯留しておく液体貯留部と、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を備えた液体噴射ヘッドであって、前記流路形成基板の前記ノズル開口とは反対側の面に温度センサーを配設するとともに、前記液体貯留部に一端を臨ませて前記流路形成基板の前記面に形成された配線に前記温度センサーの一方のリード線を接続した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、ノズル開口から吐出される液体の温度が良好な熱伝導率を有する流路形成基板を介して温度検出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。しかも、液体貯留部に貯留されている液体が、配線および一方のリード線を介して温度検出センサーに接触しているので、配線を介してその温度が直接温度検出センサーに伝達されることになり、実際の液体の温度を高精度に反映した計測を行うことが可能になる。

ここで、前記温度センサーの少なくとも一方の前記リード線は、一端側が前記圧力発生手段のリード電極に接続されるＣＯＦ基板の前記一端側に接続されているのが望ましい。この場合には、ＣＯＦ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。

また、前記温度センサーは前記流路形成基板の中央部に配設されていることが望ましい。この場合、流路形成基板の中央部は流体の平均的な温度を反映した部位となっているので、流体の温度を計測する部位として最適であり、高精度の温度情報計測に資することができる。

さらに、前記配線は、前記液体貯留部を前記流路形成基板にエッチングにより形成する際、前記流路形成基板の前記ノズル開口とは反対側で前記液体貯留部を閉塞するように前記リード電極と同一部材で前記リード電極とは不連続に形成された配線層であって、前記エッチング終了後に前記閉塞した部分を破る工程において残った前記配線層を利用したものであることが望ましい。この場合には、当該液体噴射ヘッドの流路形成基板の作製に伴う、いわゆる膜破り工程で発生した配線層を有効活用して液体の温度を温度センサーに伝達することができる。この結果、流路形成基板のエッチングの際にのみ必要で、膜破り工程の後は不要となっていた配線層の有効利用も併せて図ることが可能になる。

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、前記圧力発生手段を駆動する駆動波形が、前記温度センサーが検出した温度に基づき切替えられるように構成した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。 図１における流路形成基板を平面的に見た拡大図である。 図２における流路形成基板のマニホールド部分を示す拡大図である。 実施形態に係る記録ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 実施形態に係る記録ヘッドの製造工程の一部を示す断面図である。 サーミスターを用いた温度測定器の回路構成の一例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。

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開口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。

さらに保護基板３７上には、封止膜４４及び固定板４５と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２、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図３、図１における流路形成基板を平面的に見た拡大図である図４に詳細に示すように、流路形成基板２１のノズルプレート２７と反対側の面の中央部には温度センサーであるサーミスター５２が配設してある。サーミスター５２の一方のリード線５３Ａは流路形成基板２１において圧電素子３０が形成する長手方向の列の一方の外側で接続パッド５４Ａに接続されている。また、サーミスター５２の他方のリード線５３Ｂは、液体貯留部であるマニホールド４０の連通部２３に一端を臨ませて流路形成基板２１の前記面に形成された配線層５４Ｂに接続されている。本形態においては圧電素子３０の列に対応させて２個形成されている連通部２３にそれぞれ臨む配線層５４Ｂに、リード線５３Ｂがそれぞれ接続されている。ただ、これは何れか一方の配線層５４Ｂに接続されていれば良い。

さらに、本形態においては配線層５４Ｂおよび配線層５４Ｂの一端部が接触しているマニホールド４０内のインクを介してサーミスター５２のリード線５３Ｂ側が接地されている。この場合、インクが導電性のインクである必要があり、またインクが接地電位となっている必要がある。これは、例えばノズルプレート２７を導電性部材であるＳＵＳで形成するか、または外部から導電性部材で形成した針状部材をマニホールド４０内に臨ませ、この針状部材を接地電位とすることで良好に実現できる。

接続パッド５４ＡはＣＯＦ基板３５に接続されている。すなわち、本形態においてサーミスター５２の一方のリード線５３Ａは各圧電素子３０に所定の駆動信号を供給するＣＯＦ基板３５の配線の一本を利用することによりＣＯＦ基板３５を介して外部の配線基板（図示せず）に接続されている。ここで、サーミスター５２は流路形成基板２１の中央部の温度に対応する抵抗値を表わす信号を温度信号として送出するが、前記抵抗値は他方のリード線５３Ｂを介して直接伝達される配線層５４Ｂを介してのマニホールド４０内のインクの温度も反映したものとなる。したがって、サーミスター５２は、より正確にノズル開口２６を介して吐出されるインクの温度を反映した値を測定値として検出することができる。

本形態における配線層５４Ｂは、マニホールド４０の連通部２３を流路形成基板２１にエッチングにより形成する際、流路形成基板２１のノズル開口２６とは反対側で連通部２３を閉塞する膜であって、前記エッチング終了後に前記閉塞した部分を破る工程（膜破り工程）において残った膜を利用したものである。

ここで、本形態に係る記録ヘッド２０の製造工程における膜破り工程に関連する工程を説明しておく。図６および図７は実施形態に係る記録ヘッドの製造工程の一部を示す断面図（図２の右半分に対応する部分のみを示している）である。なお、両図中、図１および図２と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

図６（ａ）はシリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０に弾性膜２８、絶縁体膜２９および圧電素子３０までを形成した状態を示している。かかる状態からリード電極３４を形成する。具体的には、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の全面に亘って配線層９０を形成する。そして、この配線層９０上に、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を形成し、このマスクパターンを介して配線層９０を圧電素子３０毎にパターニングすることによりリード電極３４を形成するとともに、弾性膜２８の貫通部に対応する領域（後に連通部２３が形成される領域）に、リード電極３４とは不連続の配線層５４Ｂを残し、この配線層９０によって貫通部が封止されるようにしておく。

次に、図６（ｃ）に示すように、リザーバー形成基板用ウェハー１３０を、流路形成基板用ウェハー１１０上に接着剤３８によって接着する。ここで、このリザーバー形成基板用ウェハー１３０には、マニホールド部３９および圧電素子保持部３６等が予め形成されている。続いて流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みになるまで薄くしておく。

その後、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上にマスク膜５７を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図７（ｂ）に示すように、このマスク膜５７を介して流路形成基板用ウェハー１１０を異方性エッチング（ウェットエッチング）して、流路形成基板用ウェハー１１０に圧力発生室２２、連通部２３、インク供給路２４および連通路２５を形成する。ここで、配線層９０はマニホールド部３９の流路形成基板２１側の開口端面を封止して連通部２３を形成するためのエッチング液がマニホールド部３９側に流入するのを防止している。

流路形成基板用ウェハー１１０に圧力発生室２２、連通部２３、インク供給路２４および連通路２５が形成された後、マニホールド４０を形成するため、図７（ｃ）に示すように、連通部２３とマニホールド部３９との間の配線層９０を弾性膜２８および絶縁体膜２９とともに除去して（膜破り）連通部２３をマニホールド部３９に連通させる。この結果、連通部２３の周囲に膜破り工程で残り、連通部２３に端部が臨む配線層５４Ｂが形成される。このように配線層５４Ｂはリード電極３４と同一材料で形成されているので、良導体であるとともに、熱伝導性も良好な部材となる。

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からノズル開口２６を介してインク滴が吐出される。ここで、流路形成基板２１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、通常シリコン基板で形成され、良好な熱伝導性を有する流路形成基板２１の温度を計測するとともにリード線５３Ｂにはマニホールド４０内のインクの熱が直接伝導されるので、実際のインクの温度を高精度に反映したものとなる。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。

図８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。

（他の実施形態）
以上、本発明の各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５３Ｂは配線層５４Ｂのみに接続し、インクを介して接地するようにしたが、リード線５３Ａと同様にＣＯＦ基板３５を利用し、ＣＯＦ基板３５の配線の一本を利用することにより外部の配線基板（図示せず）を介して接地しても勿論構わない。この場合、配線層５４Ｂは電位的には浮いた状態でも良い。また、サーミスター５２は一個のみを流路形成基板２１の中央部に配設したが、その数および流路形成基板２１の面であれば設置部位には特別な制限はない。

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開口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開口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９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 ノズル開口、 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、 ５４Ａ 接続パッド、 ５４Ｂ 配線層

Claims (5)

1. 液体を噴射するノズル開口が設けられたノズルプレートと、
   前記ノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、前記圧力発生室に供給する前記液体を貯留しておく液体貯留部と、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を備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記流路形成基板の前記ノズル開口とは反対側の面に温度センサーを配設するとともに、前記液体貯留部に一端を臨ませて前記流路形成基板の前記面に形成された配線に前記温度センサーの一方のリード線を接続したことを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 請求項１に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記温度センサーの少なくとも一方の前記リード線は、一端側が前記圧力発生手段のリード電極に接続されるＣＯＦ基板の前記一端側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に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記温度センサーは前記流路形成基板の中央部に配設されていることを特徴とする液体噴射ヘッド。
4. 請求項１〜請求項３の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドにおいて、
   前記配線は、前記液体貯留部を前記流路形成基板にエッチングにより形成する際、前記流路形成基板の前記ノズル開口とは反対側で前記液体貯留部を閉塞するように前記リード電極と同一部材で前記リード電極とは不連続に形成された配線層であって、前記エッチング終了後に前記閉塞した部分を破る工程において残った前記配線層を利用したものであることを特徴とする液体噴射ヘッド。
5. 請求項１〜請求項４の何れか一項に記載する液体噴射ヘッドを有するとともに、前記圧力発生手段を駆動する駆動波形が、前記温度センサーが検出した温度に基づき切替えられるように構成したことを特徴とする液体噴射装置。

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