JP5294682B2 - インクジェットヘッド用基板、インクジェットヘッドおよび該インクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置 - Google Patents

Description

本発明は、吐出口よりインク液滴を吐出させることにより記録を行うインクジェットヘッドに用いられるインクジェットヘッド用基板に関する。さらに、このようなインクジェットヘッド用基板を有するインクジェットヘッドと、このようなインクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置に関する。

インクジェットヘッド用基板には、ヒータ（発熱体）と、ドライバと、ロジック回路と、基板温度検出素子と、パッド（外部電極端子）などが構成されている。

ヒータはインクを吐出するための熱エネルギーを発生するためのものであり、ドライバはヒータを駆動するためのものであり、ロジック回路はドライバの制御を行うためのものである。基板温度検出素子は基板温度を検出するためのものであり、パッドはインクジェットヘッドやインクジェット記録装置と電気的に接続するためのものである。

ヒータは、吐出口の個数に見合うだけ形成されており、したがって、ドライバも吐出口の数に見合って形成されている。こうしたインクジェットヘッド用基板は、半導体装置製造技術に基づき、シリコン半導体基板によってモノリシックに形成される。

さらに、このようなインクジェットヘッドは、温度とインクのドロップ径および吐出速度などとの間に密接な関係があり、これらが画像濃度に影響を与え、印刷品位を左右するという特徴を有している。よって、基板温度の検出は重要な役割を占めている。

そこで、インクジェットヘッド用基板に設けられる基板温度検出素子としては、半導体製造技術によってシリコン基板上に形成できるものとして、ダイオードセンサやアルミニウムセンサが利用されている。

ダイオードセンサにおいては、半導体ダイオードの順方向電圧の温度特性に基づいて温度を検出し、またアルミニウムセンサにおいては、温度変化による抵抗値の変化を基に温度を検出している。

ここで、ダイオードセンサとアルミニウムセンサを比較すると、ダイオードセンサの特性は製造プロセス上のばらつきなどを考慮しても安定している。それに対し、アルミニウムセンサは製造プロセス上のアルミニウム膜厚や線幅により抵抗値のばらつきが発生し、温度検出精度の観点ではダイオードセンサのほうが優れている。また、アルミニウムセンサの場合は電気的抵抗を高くする必要があり、プロセスのばらつきを小さくするために線幅を太くし、アルミニウムの引き回しの距離を長く取り対応している。
特開平２−２５８２６６号公報 特開２００４−５０６３７号公報

印刷品位の高精度化のために基板温度の検出は重要であると同時に、印刷速度の高速化に伴いインクジェットヘッドの長尺化が求められてきている。そのためには、インクジェットヘッド用基板としてヒータを基板の長尺方向に配列すると同時に、従来のようなヒータ列端部付近の温度測定だけではなくヒータ列中央部付近を含んだ複数ヵ所の温度測定が出来ることが重要になってくる。

しかしながら、ヒータ列端部付近の温度測定に用いていたダイオードセンサをヒータ列端部だけでなくヒータ列中央部にも配置して温度を測定しようとすると、そのヒータ列中央部に配置されたダイオードセンサの温度測定感度が下がるという課題が懸念された。

この原因としては以下のような事がある。

図８はダイオードセンサの断面模式図である。この図では模式的にダイオード２０６として表されるＰＮ接合構造の温度検出用ダイオードが形成されている。つまり、温度検出用ダイオード形成のために、ｐ型半導体基板２０１上に、ｐ型領域２０２およびｎ型領域２０３が形成され、ｎ型領域２０３内部にｎ⁺領域２０４とｐ⁺領域２０５とが形成されている。

この構造を温度センサとして用いるときには、アノードとなるｐ⁺領域２０５からカソードとなるｎ⁺領域２０４に向けて定電流を供給する。そのときの順方向電圧（Ｖｆ）をモニタすれば、Ｖｆは約−２〜−２．５ｍＶ／℃の温度特性を持っているため、これにより温度の変化を検出できる。

このダイオードセンサに定電流を印加した時の温度変化と出力電圧の関係は図９のような特性で表わされる。つまり、ダイオードセンサの場合、温度が上昇することにより出力電圧は降下する関係がある。

それに対して、ダイオードセンサを電気的に接続するためのアルミニウムの配線やアルミニウムセンサに対して定電流が印加されているときの、温度変化と出力電圧との関係は、図１０のような特性で表わされる。つまり、アルミニウム配線やアルミニウムセンサの場合は、温度が上昇することにより出力電圧も上昇する関係がある。

ここで、ヒータ列中央部付近にダイオードセンサを配置するためには、ヒータ中央部付近にダイオードセンサを配置するだけでなく、電気的な接続のために入出力パッドからアルミニウムの配線をダイオードセンサまで長い距離を這い回す必要がある。

このような構成にすると、温度検出のための定電流印加時の出力電圧の値は、温度が上昇したときにはダイオードセンサ部単体での出力電圧値は下がるのに対し、アルミニウム配線部単体の出力電圧値は上がることになる。つまり、お互い打ち消し合う方向へ出力電圧値は変化することになる。そのため実際の温度変化量よりも小さな変化量として検出してしまい、感度が低下する現象が発生する。

その結果、インクジェットヘッドが高温になったときの温度検出精度が下がるため、最適な駆動制御が出来なくなり画像濃度にムラが発生し印刷品位が低下する場合があった。

そこで本発明は、上記背景技術の課題を解決することができるインクジェットヘッド用基板を提供することを目的とする。

本発明は、熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット記録装置において使用されるインクジェットヘッド用基板に係るものである。

当該基板は、インクを吐出するための複数のヒータと、前記複数のヒータを駆動するためのロジック回路と、基板温度を検出するための基板温度検出素子と、記録装置本体と前記ロジック回路および前記基板温度検出素子との間での信号の受け渡しを行う入出力パッドとが同一基板上に形成されたものである。

このような構成の基板に以下のような構成要素が備わることで、上記背景技術の課題が解決される。

すなわち、本発明のインクジェットヘッド用基板はそれぞれが異なる出力電圧特性を持つ複数種の前記基板温度検出素子を有している。そして、一種の前記基板温度検出素子は、当該基板温度検出素子に定電流を印加したときに、温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有しており、かつ、少なくとも一つ以上設けられている。さらに、他の種の前記基板温度検出素子は、当該基板温度検出素子に定電流を印加したときに、温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有しており、かつ、少なくとも一つ以上設けられている。前記温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有している基板温度検出素子は、前記入出力パッドからの距離において、前記温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有している基板温度検出素子よりも近い位置に配置されている。

本発明によれば、インクジェットヘッドの基板温度の測定精度を向上させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態のインクジェットヘッド用基板を示す平面図である。

この図に示されるインクジェットヘッド用基板５１は、シリコン半導体基板などに半導体装製造技術を用いて回路が形成される（作り込まれている）ものである。この基板５１は略矩形状を有し、中央部に、基板長手方向に延びる略矩形の貫通孔としてインク供給口５２が形成されている。

インク供給口５２の両縁に沿って、複数のヒータ５３が設けられている。ヒータ５３は、インクジェットヘッド用基板５１の一方の面（以下、表面という）に形成されており、該基板５１のもう一方の面（以下、裏面という）の側からインク供給口５２を通って供給されてきた液体（インク）を加熱して発泡させる。この事により、ヒータ５３に対面して設けられている吐出口（図１には不図示）からインク液滴が吐出される。

ヒータ５３を挟んでインク供給口５１の反対側には、ドライバ部５４が設けられている。ドライバ部５４は、それぞれのヒータ５３を駆動するためのドライバなどを含んでいる。ドライバは、典型的には、ヒータ５３ごとに設けられ、スイッチ用のトランジスタなどからなっている。

さらに、インクジェットヘッド用基板５１には、ロジック回路部５５と、記録装置本体部側から電源と信号とをこのインクジェットヘッド用基板に供給するためのパッド部とが設けられている。ロジック回路部５５や前記パッド部は、
インクジェットヘッド用基板５１の長手方向端部に形成されている。

パッド部は、複数のパッド５６、５７を含んでおり、ワイヤーボンディングなど電気的接続手段を用いることにより基板上の回路をインクジェット記録装置本体と電気的に接続させるためのものである。

ロジック回路部５５は、パッド５７を介して記録装置本体側から信号が与えられた際に、その信号に基づいて、ドライバ部５４内の各トランジスタのオン／オフを制御するロジック回路を含んでいる。

そして、基板５１には、それぞれ出力電圧特性が異なる複数種の温度検出素子として、ダイオードセンサ１、２とアルミニウムセンサ３、４とが設けられている。このような２種のセンサを使って、インクを吐出する際の基板温度を記録装置本体側からモニタすることができる。

ここで、一種の温度検出素子の例であるダイオードセンサについて述べる。

ダイオードセンサ１、２はそれぞれ図８に示された構成で作られており、図９のように定電流印加時の温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性をもっている。

また、他の種の温度検出素子の例であるアルミニウムセンサについて述べる。

アルミニウムセンサ３、４は、図２に示されるように、センサとしてのアルミニウム配線２１１を蛇行形状に配置して抵抗値を上げたものである。

ここで、図２中のＭの範囲にアルミニウムを蛇行形状に配置している領域をアルミニウムセンサ部とし、それ以外の領域をアルミニウム配線部と定義する。

アルミニウムセンサ３、４は、図１０に示されるように、定電流が印加されたときに温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性をもっている。

上記ではセンサ材料としてアルミニウムを用いて説明したが。しかし、それに限られず、銅、銀、金、タンタル、チタン、ニッケル、ポリシリコンなどのいずれかを配線材として使用できる抵抗体や、ドーピングなどにより作製する拡散抵抗体などがセンサ材料として使用できる。つまり、定電流が印加されたときに、図１０のように温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有する材料であるならばセンサ材料に用い得る。

各センサを比較すると、ダイオードセンサの特性は製造プロセス上の影響をほとんど受けず、温度検出精度が良く、インクジェットヘッドの温度検出には最も適している。

このダイオードセンサも、外部と電気的に接続するため、各入出力パッドにアルミニウムを用いた配線により接続されている（図１には不図示）。

図１中のＡ側の入出力パッド５６にはダイオードセンサ１とアルミニウムセンサ３の配線がそれぞれ接続されている。また、図１中のＢ側の入出力パッド５７にはダイオードセンサ２とアルミニウムセンサ４の配線がそれぞれ接続されている。

ここで、図中のＡ側の入出力パッド５６に接続されている各温度検出素子の配置について述べる。

入出力パッド５６に、アルミニウムを用いた配線により接続されている温度検出素子はダイオードセンサ１とアルミニウムセンサ３である。入出力パッド５６からの距離が近い側にダイオードセンサ１が配置され、入出力パッド５６からの距離が遠い側にアルミニウムセンサ３が配置されている。

このように各温度検出素子を配置することにより、アルミニウムを用いた配線の距離を、ダイオードセンサ１の場合には短く、アルミニウムセンサ３の場合には長くすることが出来る。

よって、ダイオードセンサにより温度を検出する際、定電流印加時のアルミニウム配線の温度の変化に対する出力電圧値変化の影響を小さく出来る。また、アルミニウムセンサにおいてはアルミニウムセンサ部の抵抗とアルミニウム配線部の抵抗とを合わせた全体の抵抗値を高く出来るため、出力電圧値を測定しやすくなる。

このように、入出力パッド５６と当該パッドに一番近いヒータ５３とに挟まれた図１中のＣの領域において入出力パッド５６に近い側にセンサを配置するときにはダイオードセンサが適している。他方、入出力パッド５６から図１中のＣの領域を経てさらに遠い領域にセンサを配置するときにはアルミニウムセンサが適している。

上記と同様の理由で、図１中のＢ側の入出力パッド５７に接続されている温度検出素子についても、入出力パッド５７と当該パッドに一番近いヒータ５３とに挟まれた図中のＤの領域において入出力パッド５７に近い側にダイオードセンサ２が配置されている。他方、入出力パッド５７から図１中のＤの領域を経てさらに遠い領域にアルミニウムセンサ４が配置されている。

以上のように温度検出素子を配置することにより、インクジェットヘッド用基板内のそれぞれの位置に対する温度を精度良く検出することが出来る。

図３は、本発明の他の実施形態のインクジェットヘッド用基板を示す平面図である。

図３に示されるインクジェット用基板の各構成要素は、図１に示した基板とほとんど同じである。図１の基板と異なる主なところは、基板にインク供給口が複数列配置されている点である。

図３の形態では、インクジェットヘッド用基板６１に、基板長手方向に延びる矩形の貫通孔としてインク供給口６２が３つ形成されている。そして基板６１上に、各インク供給口６２の両縁に沿って複数のヒータ６３が配置され、同一基板上にドライバ部６４、ロジック回路部６５、複数のパッド６６、６７が設けられている。

基板６１上には、入出力パッド６６と当該パッドに一番近いヒータ６３とに挟まれたＧの領域と、入出力パッド６７と当該パッドに一番近いヒータ６３とに挟まれたＨの領域とがある。

そのＧとＨの領域内にダイオードセンサ１１、１２が配置される。また、入出力パッド６６からＧの領域を経てさらに遠い領域、および、入出力パッド６７からＨの領域を経てさらに遠い領域にアルミニウムセンサ１３、１４、１５、１６が配置されている。

図３には３つのインク供給口６２の例を示したが、この実施形態の場合インク供給口はいくつあってもよい。

図４は、本発明のさらに他の実施形態のインクジェットヘッド用基板を示す平面図である。

この図に示す形態では、上述した形態とは異なり、ヒータの配列方向と平行に複数の入出力パッドが配列している。

図４を参照すると、インクジェットヘッド用基板７１に、基板長手方向に延びる矩形の貫通孔としてインク供給口７２が３つ形成されている。そして基板７１上に、各インク供給口７２の両縁に沿って複数のヒータ７３が配置され、同一基板上にドライバ部７４、ロジック回路部７５、複数のパッド７６、７７が設けられている。

基板７１上には、図４中Ｉ側の入出力パッド７６の列と当該パッドの列に一番近いヒータ７３の列とに挟まれたＫの領域と、図４中Ｊ側の入出力パッド７７の列と当該パッドの列に一番近いヒータ７３の列とに挟まれたＬの領域とがある。

そのＫとＬの領域内にダイオードセンサ２１、２２が配置される。また、入出力パッド７６からＫの領域を経てさらに遠い領域、および、入出力パッド７７からＬの領域を経てさらに遠い領域にアルミニウムセンサ２３、２４、２５、２６が配置されている。

図４には３つのインク供給口６２の例を示したが、この実施形態の場合インク供給口はいくつあってもよい。

「適用例」
上述した各実施形態のインクジェットヘッド用基板をインクジェットヘッドおよびインクジェット記録装置に適用した場合について説明する。

図５は、本発明のインクジェットヘッドのインク吐出部を切り欠いて見た部分断面図である。

上述したように、図１に示される形態では、インク供給口５２の両縁に沿って複数のヒータ５３が配設されていたが、図５では、説明の簡単のため、インク供給口１０２の片側のヒータ１０３およびそれに対応する吐出口１０４のみが図示されている。

インクジェットヘッド用基板５１上には、上述したように、電気信号を受けることで熱を発生し、その熱によって発生する気泡によって吐出口１０４からインクを吐出するためのヒータ１０３が複数個、列状に配されている。ヒータ１０３に対向する位置に設けられた吐出口１０４へインクを供給するための流路１０５がそれぞれの吐出口１０４に対応して設けられている。

これらの吐出口１０４および流路１０５はオリフィスプレート１０５に形成されている。オリフィスプレート１０１を前述のインクジェットヘッド用基板５１に接合することで、インク供給口１０２に連通し各流路１０５にインクを供給する共通液室１０６が設けられる。

また、図６は図５に一部が示されたインクジェットヘッドの一例の外観を示している。ＴＡＢテープ１１１上に、インクジェットヘッド用基板５１との電気接続部１１２が設けられ、ＴＡＢテープ１１１の一端側に記録装置との接続に用いられるコンタクトパッド部１１３が形成されている。本発明に係るインクジェットヘッド用基板５１は、オリフィスプレート１０１の裏側にあり、インクジェットヘッド用基板５１にドライフィルムなどで流路１０５が形成された後、オリフィスプレート１０１が張り付けられる。このように作られた組立体が、ＴＡＢテープ１１１が貼り付けてあるインクタンク１１４に組み付けられる。その後、ＴＡＢテープ１１１の電気接続部１１２とインクジェットヘッド用基板５１の入出力パッドとをボンディング接続し、電気接続部１１２が封止材によって封止することでインクジェットヘッドが完成する。

図７は、本発明のインクジェットヘッドが適用されるインクジェット記録装置ＩＪＲＡの構成の概略図である。

図７において、駆動モータ５０１３の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５００９〜５０１１を介して回転するリードスクリュー５００５の螺旋溝５００４に対して係合するキャリッジＨＣはピン（不図示）を有している。また、キャリッジＨＣはガイドレール５００３に支持されて矢印ａ、ｂ方向を往復移動する。キャリッジＨＣには、記録ヘッドＩＪＨとインクタンクＩＴとを内蔵した一体型インクジェットカートリッジＩＪＣが搭載されている。キャリッジＨＣの移動方向に亙って記録用紙Ｐをプラテン５０００に対して押圧する紙押え板５００２が設けられている。キャリッジのレバー５００６のこの域での存在を確認して、モータ５０１３の回転方向切り換え等を行うためのホームポジション検知器であるフォトカプラ５００７，５００８が設けられている。

記録ヘッドＩＪＨの前面をキャップするキャップ部材５０２２を支持する部材５０１６が設けられている。このキャップ内を吸引する吸引器５０１５が設けられていて、キャップ内開口５０２３を介して記録ヘッドの吸引回復を行う。クリーニングブレード５０１７や、このブレードを前後方向に移動可能にする部材５０１９が設けられ、本体支持板５０１８にこれらが支持されている。ブレードは、この形態でなく周知のクリーニングブレードが本例に適用できることは言うまでもない。

また、吸引回復の吸引を開始するためのレバー５０２１が設けられていて、キャリッジと係合するカム５０２０の移動に伴って移動し、駆動モータからの駆動力がクラッチ切り換え等の公知の伝達機構で移動制御される。

これらのキャッピング、クリーニング、吸引回復は、キャリッジがホームポジション側の領域に来た時にリードスクリュー５００５の作用によってそれらの対応位置で所望の処理が行えるように構成されている。そして周知のタイミングで所望の動作を行うようにすれば、本例にはいずれも適用できる。

なお、本装置はインクジェットヘッド（インクジェットヘッド用基板）に対して発熱体を駆動するための駆動信号や温度検出などの信号をやり取りするための信号供給手段を備えている。

また、インクジェット記録装置は、電源を投入時などインクジェットヘッドの温度が均一なときに、インクジェットヘッド用基板に配置された各温度検出素子の温度を検出している。そしてダイオードセンサの検出温度を基準に各センサの温度を合わすことを行っている。

さらに、インクジェットヘッドを駆動するときは、インクジェットヘッド用基板に配置された複数の温度検出素子からの温度情報により、対応したヒータの駆動パルスを調整して駆動することが行われる。この事により、インクジェットヘッド用基板内で温度差が生じてもヒータ駆動パルスを調整することにより、画像濃度にムラの無い印刷が可能となっている。

このような本発明のインクジェット記録装置と、ダイオードセンサが入出力パッドから遠い位置に配置されていた従来のインクジェットヘッド用基板を用いたインクジェット記録装置を用いて、実際に印刷を実施し印字品位を比較した。

長時間連続的に印刷を行いヘッド温度が高くなった状態で印刷を続けた場合、従来のインクジェット記録装置では濃度ムラが発生することがあったが、本発明のインクジェット記録装置においては、ムラの発生は無かった。

以上説明した本発明によれば、インクジェットヘッドの複数箇所の温度測定が精度良く行うことが出来るようになり、長尺インクジェットヘッドにおいても綿密な液滴制御が可能となり印刷品位が向上する。

また、インクジェットヘッドの温度が均一なときに各センサの温度を検出し、温度測定の精度の良いダイオードセンサの検出温度を基準に各センサの温度を合わすことにより、インクジェットヘッド内の温度を精度良く測定できるようになる。

さらに、出力電圧特性の異なる複数のセンサを配置しているため、思いがけない原因によりセンサの１つが測定不能に陥っても、他の出力電圧特性のセンサにより温度測定が可能である。

本発明のインクジェットヘッド用基板の平面図。 本発明に使用されるアルミニウムセンサの例の平面図。 本発明の他の実施形態のインクジェットヘッド用基板の平面図。 本発明の他の実施形態のインクジェットヘッド用基板の平面図。 本発明のインクジェットヘッド用基板を適用したインクジェットヘッドの部分断面図。 本発明のインクジェットヘッドの一例の外観図。 本発明のインクジェット記録装置の一例の概観図。 ダイオードセンサの断面模式図。 ダイオードセンサに定電流を印加したときの、温度変化と出力電圧の関係を示すグラフ。 アルミニウムセンサに定電流を印加したときの、温度変化と出力電圧の関係を示すグラフ。

符号の説明

１、２、１１、１２、２１、２２ ダイオードセンサ
３、４、１３、１４、１５、１６、２３、２４、２５、２６ アルミニウムセンサ
５１、６１、７１ インクジェットヘッド用基板
５２、６２、７２ インク供給口
５３、６３、７３ ヒータ
５６、５７、６６、６７、７６、７７ 入出力パッド

Claims (9)

1. 熱エネルギーを利用してインクを吐出するインクジェット記録装置において使用されるインクジェットヘッド用基板であって、前記インクを吐出するための複数のヒータと、前記複数のヒータを駆動するためのロジック回路と、基板温度を検出するための基板温度検出素子と、記録装置本体と前記ロジック回路および前記基板温度検出素子との間での信号の受け渡しを行う入出力パッドとが同一基板上に形成されたインクジェットヘッド用基板において、
   それぞれが異なる出力電圧特性を持つ複数種の前記基板温度検出素子を有しており、
   一種の前記基板温度検出素子は、当該基板温度検出素子に定電流を印加したときに、温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有しており、かつ、少なくとも一つ以上設けられており、
   他の種の前記基板温度検出素子は、当該基板温度検出素子に定電流を印加したときに、温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有しており、かつ、少なくとも一つ以上設けられており、
   前記温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有している基板温度検出素子は、前記入出力パッドからの距離において、前記温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有している基板温度検出素子よりも近い位置に配置されていることを特徴とするインクジェットヘッド用基板。
2. 前記温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有している基板温度検出素子は、
   前記入出力パッドと、当該入出力パッドから一番近い前記ヒータの列の端部とに挟まれた領域に配置していることを特徴とする、請求項１に記載のインクジェットヘッド用基板。
3. 前記温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有している基板温度検出素子の一つは、
   ダイオードの温度特性を利用して温度を検出することを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基板。
4. 前記温度上昇に伴い出力電圧が降下する特性を有している基板温度検出素子の一つは、
   ダイオードセンサであることを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基板。
5. 前記温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有している基板温度検出素子の一つは、
   電気的抵抗の温度特性を利用して温度を検出することを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基板。
6. 前記温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有している基板温度検出素子の一つは、
   アルミニウムセンサであることを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基板。
7. 前記温度上昇に伴い出力電圧が上昇する特性を有している基板温度検出素子の一つは、
   拡散抵抗を利用したセンサであることを特徴とする、請求項１または２に記載のインクジェットヘッド用基板。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか1項に記載のインクジェットヘッド用基板を用いたことを特徴とするインクジェットヘッド。
9. 請求項８に記載のインクジェットヘッドを用いたことを特徴とするインクジェット記録装置。

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