JP2016150487A

JP2016150487A - 液体噴射装置

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Publication number: JP2016150487A
Application number: JP2015028319A
Authority: JP
Inventors: 亮介土橋; Ryosuke Dobashi
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2015-02-17
Filing date: 2015-02-17
Publication date: 2016-08-22

Abstract

【課題】液体噴射ヘッドの特性のバラツキに起因する液滴の吐出特性のバラツキを圧電素子に印加する電圧の調整によりさらに適確に調整することが可能となる液体噴射装置を提供する。【解決手段】複数列のノズル開口と、該ノズル開口に連通する圧力発生室を有する流路形成基板と、該流路形成基板上に形成された下電極６０と、該下電極上に形成された圧電体層７０及び該圧電体層上に形成された上電極８０を有する圧電素子３００とを有する液体噴射ヘッドＩと、前記圧電素子を駆動する駆動電圧を生成する駆動回路１２０とを備えた液体噴射装置であって、前記駆動回路１２０は、圧電素子３００を駆動する駆動電圧の振幅の基準となる基準電圧及びバイアス電圧を調整可能に構成した。【選択図】図２

Description

本発明は液体噴射装置に関し、特に吐出特性を調整する場合に適用して有用なものである。

従来から、圧電素子等の圧力発生手段によって圧力発生室内の液体に圧力を付与することで、ノズル開口から液滴を吐出する液体噴射装置が知られており、その代表例として、液滴であるインク滴を吐出するインクジェット式記録装置が挙げられる。かかるインクジェット式記録装置には、その一種として、圧力発生室が形成された流路形成基板の一方面側に圧電素子等の圧力発生手段が設けられるとともに、流路形成基板の他方面側にノズル開口が穿設されたノズルプレートが接合されたものが知られている。また、前記インクジェット式記録ヘッドには、複数のノズル開口からなる複数列のノズル開口を備えたものも存在する。

この種のインクジェット式記録装置を製造する際には、ミクロンレベルの極めて微細な加工や組み立てが行われているが、圧電素子の特性、振動板の硬さ、圧力発生室またはノズル開口のバラツキ等に起因して各インクジェット式記録装置におけるインク滴の吐出特性にバラツキを生起している。

かかるインクジェット式記録装置の吐出特性を揃えるためには、図６に示すような駆動電圧ＣＯＭが表す最大電圧と最小電圧との差である最大駆動電圧ＶＨを調整すれば良い。すなわち、液体噴射ヘッドの、例えば二つのノズル列の最大駆動電圧ＶＨに対するインク滴の吐出量が異なる場合、実際各列の圧電素子に印加する各駆動信号の最大駆動電圧ＶＨを適宜変化させることにより複数列のノズル開口から吐出される各列ごとのインク滴の吐出量の調整を行う。

また、バイアス電圧に対する圧電素子の駆動特性によってもインクの吐出特性のバラツキを発生する場合もあり、この場合の対策として圧電素子の駆動特性に応じてバイアス電圧を調整することも行われている（特許文献１参照）。

特開２００８−２２９９０２号公報

しかしながら、上述の最大駆動電圧ＶＨを調整する場合には、圧電素子の特性のバラツキを調整し、最も良好な吐出特性が得られるようにすることはできるが、吐出量そのものを任意の適正な値に設定することはできない。

一方、バイアス電圧の調整により各ノズル列の吐出量のある程度の合わせ込みは可能であるが、充分でない場合がある。

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装置に搭載されるアクチュエーターだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射装置に搭載されるアクチュエーターや、液体噴射ヘッド以外に搭載されるアクチュエーターにおいても同様に存在する。

本発明は、上記従来技術に鑑み、特性のバラツキに起因する液滴の吐出特性のバラツキを圧電素子に印加する電圧の調整によりさらに適確に調整することが可能となる液体噴射装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の態様は、複数列のノズル開口と、該ノズル開口に連通する圧力発生室を有する流路形成基板と、該流路形成基板上に形成された下電極と、該下電極上に形成された圧電体層及び該圧電体層上に形成された上電極を有する圧電素子とを有する液体噴射ヘッドと、前記圧電素子を駆動する駆動電圧を生成する駆動回路とを備えた液体噴射装置であって、前記駆動回路は、前記圧電素子を駆動する駆動電圧の振幅の基準となる基準電圧及びバイアス電圧を調整可能に構成したことを特徴とする液体噴射装置にある。
本態様によれば、基準電圧及びバイアス電圧の両方を調整することができるので、複数のノズル列における吐出特性のばらつきをより適確に調整することができる。

ここで、前記調整後の前記基準電圧及びバイアス電圧を記憶する記憶手段を有するのが望ましい。調整の結果を残しておくことができ、一回の調整で、例えば同一ロットの液体噴射装置に対しては、同様の基準電圧及びバイアス電圧を利用することができる等、調整作業の合理化を図り得るからである。また、前記基準電圧は個別電極である上電極に印加するとともに、前記バイアス電圧は共通電極である下電極に印加することが好ましい。

インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。インクジェット式記録ヘッドの平面図及び断面図である。本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置を示す概略図である。本形態の制御系を示すブロック図である。図４の駆動電圧及びバイアス電圧の概念を示す波形図である。従来の駆動電圧及びバイアス電圧の概念を示す波形図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づき詳細に説明する。
＜インクジェット式記録ヘッドの構造＞
先ず、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構造を説明する。当該インクジェット式記録ヘッドには、所定量のインク滴を吐出させるための駆動電圧とともにバイアス電圧が印加される。

図１は当該インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。これらに図示するように、流路形成基板１０は、本形態の場合、面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には予め熱酸化によって二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるリザーバー１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。

インク供給路１４は、圧力発生室１２の長手方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本形態では、インク供給路１４は、リザーバー１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（短手方向）より大きい断面積を有する。本形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。

一方、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。ここで、ノズルプレート２０は、例えばガラスセラミックス、シリコン単結晶基板又はステンレス鋼等で形成してある。

また、流路形成基板１０の開口面と反対側には、上述したように弾性膜５０が形成されており、この弾性膜５０上には、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０が形成してあり、これら下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０で圧電素子３００を構成している。

ここで、一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を個別電極とし、他方の電極を共通電極として構成する。また、個別電極及び圧電体層７０は各圧力発生室１２毎にパ
ターニングして構成する。本形態では、下電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極８０を圧電素子３００の個別電極としている。そこで、本形態においては共通電極である下電極６０に所定のバイアス電圧ＶＢＳ（後に詳説する）を印加するとともに、個別電極である上電極８０に選択的に駆動電圧（後に詳説する）を印加する。勿論、駆動回路や配線の都合で上電極及び下電極を逆にしても支障はない。

また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエーターと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び下電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、下電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。ただし、流路形成基板１０上に直接下電極６０を設ける場合には、下電極６０とインクが導通しないように下電極６０を絶縁性の保護膜等で保護するのが好ましい。

ここで、圧電素子３００の個別電極である各上電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、下電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバー部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバー１００を構成している。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が配設されている。この駆動回路１２０は、当該インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する駆動電圧とともにバイアス電圧を生成するもので、例えば回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等で形成することができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤ等の導電性ワイヤからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。なお、駆動回路１２０の具体的な構成等は後に詳述する。さらに、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合され、前記封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で形成される。固定板４２のリザーバー１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、リザーバー１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの下電極６０と上電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

かかるインクジェット式記録ヘッドＩは、インクカートリッジ等と連通するインクを具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、本発明の実施の形態に係るインクジェット式記録装置IIに搭載される。

＜インクジェット式記録装置＞
図３は、本形態に係るインクジェット式記録装置IIの一例を示す概略図である。同図に示すように、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噴射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には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限定されずベルトやドラム等であってもよい。

＜インクジェット式記録装置の制御系＞
前記インクジェット式記録装置IIにおける制御系に関する実施形態を図４に示す。同図に示すように、当該制御系IIIはプリンター制御部１０１、駆動回路１２０を有しており、駆動回路１２０の出力で制御対象であるインクジェット式記録ヘッドＩを駆動して所定の印字等を行わせる。

ここで、本形態ではインクジェット式記録ヘッドＩの上電極８０、圧電体層７０及び下電極６０からなる多数の圧電素子３００を、例えばノズル開口２１（図１参照）毎の集合体の列で形成する複数組（本形態では４組）のノズル列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄに分け、各ノズル列Ａ〜Ｄ毎に最適な基準電圧Ｖｍ及びバイアス電圧ＶＢＳを印加するようになっている。ここで、基準電圧Ｖｍは、駆動電圧ＣＯＭの振幅の基準となる。

本形態において、バイアス電圧ＶＢＳは下電極６０に印加される。一方、個別電極である上電極８０には所定の駆動電圧ＣＯＭが選択的に印加される。

図５は上記駆動電圧ＣＯＭ及びバイアス電圧ＶＢＳの一例を示す波形図であるが、本形態においては、基準電圧Ｖｍのレベル及びバイアス電圧のレベルは個別に調整し得るように構成してある。かかる基準電圧Ｖｍ及びバイアス電圧ＶＢＳは、次のような方法で決定する。すなわち、先ず、インクジェット式記録ヘッドＩのノズル開口２１から実際にインク滴を吐出させてノズル列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎の吐出特性を検出する。その後、各ノズル列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄの吐出特性が揃うように基準電圧Ｖｍまたはバイアス電圧ＶＢＳのレベルを調整する。さらに、かかる調整で充分でない場合にはバイアス電圧ＶＢＳまたは基準電圧Ｖｍのレベルを調整して吐出特性の合わせ込みを行う。この結果得られた各ノズル列Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ毎の基準電圧Ｖｍを表す駆動電圧データ及びバイアス電圧ＶＢＳを表すバイアスデータをプリンター制御部１０１に記憶させておく。

なお、以上の説明は簡単のため、２列のノズル列Ａ，Ｂを例に採ったが、これは何列であっても構わない。また、同一バイアス電圧ＶＢＳを印加する各圧電素子のグループもノズル列Ａ，Ｂを基準にしてグループ分けする場合に限定する必要はない。

図４に基づき本形態に係る制御系をさらに詳細に説明すると、プリンター制御部１０１は、演算処理装置１０２、駆動電圧生成部１０３、バイアスデータ生成部１０４及びインターフェース回路１０５を有している。ここで、演算処理装置１０２は、外部のホストコンピューター等に接続されて必要な情報の授受を仲介する外部インターフェース、各種のデータを一時的に記憶するＲＡＭ、制御プログラム等を記憶するＲＯＭ及び各種の演算処理を行うＣＰＵ等を有しており、最大駆動電圧ＶＨを含む駆動電圧ＣＯＭを表す駆動信号のデータ、吐出特性調整後の各ノズル列Ａ〜Ｄ毎の基準電圧Ｖｍ及び吐出特性調整後の各ノズル列Ａ〜Ｄ毎のバイアス電圧ＶＢＳを表すバイアスデータをノズル列Ａ〜Ｄの各識別情報と対応付けて記憶しており、印字のための各種の制御を行うとともに、印字データ等の所定のデータを、駆動回路１２０の駆動電圧生成部１２２及びバイアス電圧生成部１２３に送出する。

駆動電圧生成部１２２は、駆動電圧生成部１０３から供給される駆動電圧データに基づき、各ノズル列Ａ〜Ｄ毎に予め定めておいた基準電圧Ｖｍを基準として所定の振幅を有する駆動電圧ＣＯＭをそれぞれ生成する。かかる駆動電圧生成部１２２はＤ／Ａ変換器を利用して好適に構成することができる。駆動電圧生成部１２２は、印字データが供給されるシフトレジスター、その出力をラッチするラッチ回路、その出力を増幅するレベルシフター及びスイッチを有しており、駆動電圧生成部１０３から送出されたデータに基づいて生成する駆動電圧ＣＯＭを前記印字データに基づく前記スイッチのオン・オフにより選択的に各圧電素子３００に印加する。また、駆動電圧生成部１２２は、駆動電圧生成部１０３から供給される駆動電圧データに基づき、各ノズル列Ａ〜Ｄ毎に予め定めておいた基準電圧Ｖｍを基準として所定の振幅を有する駆動電圧ＣＯＭをそれぞれ生成する。かかる駆動電圧生成部１２２はＤ／Ａ変換器を利用して好適に構成することができる。

バイアス電圧生成部１２３は、バイアスデータ生成部１０４から供給されるバイアスデータに基づき、各ノズル列Ａ〜Ｄ毎に予め定めておいたバイアス電圧ＶＢＳをそれぞれ生成するとともに、各バイアス電圧ＶＢＳを各ノズル列Ａ〜Ｄ毎に対応する圧電素子３００に印加する。かかるバイアス電圧生成部１２３はＤ／Ａ変換器を利用して好適に構成することができる。

＜他の実施の形態＞
上記実施の形態では、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Ｉを挙げて本発明を説明したが、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。

Ｉインクジェット式記録ヘッド、 II インクジェット式記録装置、 III 制御系
、ＣＯＭ駆動電圧、ＶＢＳバイアス電圧、Ａ〜Ｄノズル列、６０下電極、７０圧電体層、８０上電極、１０１プリンター制御部、１０２演算処理装置、１０３駆動電圧生成部、１０４バイアスデータ生成部、１２０駆動回路、１２２駆動電圧生成部、１２３バイアス電圧生成部３００圧電素子

Claims

複数列のノズル開口と、該ノズル開口に連通する圧力発生室を有する流路形成基板と、該流路形成基板上に形成された下電極と、該下電極上に形成された圧電体層及び該圧電体層上に形成された上電極を有する圧電素子とを有する液体噴射ヘッドと、
前記圧電素子を駆動する駆動電圧を生成する駆動回路とを備えた液体噴射装置であって、
前記駆動回路は、前記圧電素子を駆動する駆動電圧の振幅の基準となる基準電圧及びバイアス電圧を調整可能に構成したことを特徴とする液体噴射装置。
請求項１に記載する液体噴射装置であって、
前記調整後の前記基準電圧及びバイアス電圧を記憶する記憶手段を有することを特徴とする液体噴射装置。
請求項１または請求項２に記載する液体噴射装置であって、
前記基準電圧は個別電極である上電極に印加するとともに、前記バイアス電圧は共通電極である下電極に印加することを特徴とする液体噴射装置。