JP6056522B2 - Inkjet head and inkjet printer equipped with the same - Google Patents
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Description
本発明は、圧力室からインクを吐出する圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention relates to an inkjet head including a piezoelectric element that discharges ink from a pressure chamber, and an inkjet printer including the inkjet head.
従来から、インクを吐出する複数のチャネル(圧力室)を有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形など)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an ink jet printer including an ink jet head having a plurality of channels (pressure chambers) for discharging ink is known. By controlling the ejection of ink while moving the inkjet head relative to a recording medium such as paper or cloth, a two-dimensional image can be output to the recording medium. Ink can be ejected by using an actuator (piezoelectric, electrostatic, thermal deformation, etc.) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years.
図9は、従来の圧電式アクチュエータ100の平面図およびA−A’線矢視断面図である。圧電式アクチュエータ100は、圧力室101aを有する基板101上に、絶縁層102、下部電極103、圧電膜104、上部電極105をこの順で積層して構成されている。基板101における圧力室101aの上壁101bは従動膜を構成しており、圧電膜104の伸縮に伴って変位する。
FIG. 9 is a plan view of a conventional
すなわち、下部電極103および上部電極105に駆動回路106から電圧を印加し、圧電膜104が伸縮すると、圧電膜104と従動膜との長さの違いにより、従動膜に曲率が生じ、従動膜が膜に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室101a内のインクが外部に吐出される。このような圧電式アクチュエータ100を横方向に並べることにより、インクジェットヘッドが構成される。
That is, when a voltage is applied from the
ところで、圧電式アクチュエータに用いられる圧電体には、BaTiO3や、PZTと呼ばれるPb(Ti/Zr)O3など、ペロブスカイト型の金属酸化物が広く用いられている。図10は、PZTのミクロな結晶構造を示している。 By the way, perovskite-type metal oxides such as BaTiO 3 and Pb (Ti / Zr) O 3 called PZT are widely used for piezoelectric bodies used in piezoelectric actuators. FIG. 10 shows the microscopic crystal structure of PZT.
また、PZTにおいては、粉末の材料を焼成するバルク型と、気相や液相から成膜する薄膜型との2種類が知られている。図11は、バルク型、薄膜型のそれぞれのPZTのマクロな結晶構造を示している。バルク型、薄膜型のいずれにおいても、数ミクロンレベルの結晶粒201が寄り集まった多結晶体となっており、隣り合う結晶粒201の隙間には粒界201aが存在する。粒界201aでは、結晶構造が不連続になり、組成も不均一(元素の過剰や欠損)となるため、結晶性が低下する。
In PZT, two types are known: a bulk type in which a powder material is fired, and a thin film type in which a film is formed from a gas phase or a liquid phase. FIG. 11 shows macroscopic crystal structures of bulk type and thin film type PZT. Both the bulk type and the thin film type are polycrystalline bodies in which
また、周辺の水分、電極として用いられる金属材料であるPtやAuの触媒効果、印加電界などの影響により、金属酸化物である圧電体は還元されやすい。圧電体は、還元されると金属の性質が強くなり、絶縁性が低下するため、ピンホールおよび電圧リークによる故障が生じる。 In addition, the piezoelectric body, which is a metal oxide, is easily reduced due to the effects of peripheral moisture, the catalytic effect of Pt and Au, which are metal materials used as electrodes, and the applied electric field. When the piezoelectric body is reduced, the properties of the metal become stronger and the insulating properties are lowered, so that failure due to pinholes and voltage leakage occurs.
また、圧電体と下層(例えば下部電極)との界面も粒界と同様に結晶性が低下しており、圧電体が還元されると下層との密着性が低下して剥離による故障が生じる。特に、高温高湿の環境下で連続駆動すると、圧電体や電極の周縁において剥離による故障が生じやすくなる。 Further, the crystallinity of the interface between the piezoelectric body and the lower layer (for example, the lower electrode) is lowered similarly to the grain boundary, and when the piezoelectric body is reduced, the adhesiveness with the lower layer is lowered and a failure due to peeling occurs. In particular, when continuously driven in a high-temperature and high-humidity environment, failure due to peeling tends to occur at the periphery of the piezoelectric body or electrode.
図12は、アクチュエータの故障の一例を示している。上の図は、PZTの還元によって圧電体302にピンホール302aが生じている様子を示している。このようなピンホール302aが生じると、下部電極301と上部電極303との間で電流リークが発生する。また、下の図は、PZTの還元により、圧電体302がその周縁で下部電極301から剥離している様子を示している。
FIG. 12 shows an example of an actuator failure. The upper diagram shows a state in which a
圧電体の還元を抑えるため、圧電体をシールなどで外気から遮断する方法も提案されているが、ピンホールなどの初期不良や材質の経時劣化により、圧電体に徐々に水分が侵入し、いつかは圧電体が損傷することになる。 In order to suppress the reduction of the piezoelectric body, a method of shielding the piezoelectric body from the outside air with a seal or the like has been proposed, but due to initial defects such as pinholes and deterioration of the material over time, moisture gradually enters the piezoelectric body someday. Will damage the piezoelectric body.
そこで、圧電体または圧電素子の配置空間内の湿度を検出または制御することで、圧電体等の劣化や損傷を抑制する技術が知られている。例えば特許文献1では、圧電体の駆動時には、湿度保持手段を作動させて圧電体近傍の湿度を一定に保持し、圧電体の非駆動時は、湿度保持手段を駆動させないようにしている。このように、必要なときのみ湿度を調整することで、圧電体の劣化を抑制するとともに、余分な電力消費を抑えるようにしている。
In view of this, there is known a technique for suppressing deterioration or damage of the piezoelectric body or the like by detecting or controlling the humidity in the arrangement space of the piezoelectric body or the piezoelectric element. For example, in
特許文献2では、圧電素子を収納する封止ケースと、封止ケース内を乾燥させる乾燥ユニットとを連結し、封止ケース内の湿度を静電容量型の湿度センサにて計測するとともに、封止ケース内の湿度が上昇傾向にあるときには、ユーザに乾燥ユニットの交換を通知するようにしている。これにより、乾燥システムを適切な湿度範囲に維持して圧電素子の絶縁破壊を抑え、圧電素子を長期間安定して駆動するようにしている。
In
特許文献3では、圧電素子をダミー素子で取り囲み、ダミー素子で取り囲まれた領域に封止材を流し込んで圧電素子を封止することにより、圧電素子の防湿性を確保し、絶縁破壊を防止するようにしている。
In
特許文献4では、圧電素子を保護する圧電素子保持部内に給気孔から乾燥気体を供給し、排気孔を介して圧電素子保持部内に存在する気体を排出して、圧電素子保持部内の換気を行うことにより、圧電素子保持部内を常に低湿度に維持し、圧電素子の破壊を長期間にわたって防止するようにしている。
In
特許文献5では、インク吐出用の第1の圧電体とは別に、誘電率検知用の第2の圧電体を設け、誘電率センサが第2の圧電体の誘電率の変化を検知するようにしている。第2の圧電体の誘電率の低下が検知されると、密閉空間内の吸湿剤の吸湿性が低下して、密閉空間内の湿度が高くなっているものと判断できる。したがって、第2の圧電体の誘電率の変化に基づいて、吸湿剤の交換時期を判断して吸湿剤の交換を促すことで、湿気による絶縁破壊を防止することができる。
In
ところで、圧電素子の故障によるインク不吐出などの致命的な欠陥を防止するためには、圧電素子の故障の発生前に部品交換を促すようにすることが必要であり、そのためには、圧電素子の故障の発生を事前に予測することが必要となる。 By the way, in order to prevent a fatal defect such as ink non-ejection due to a failure of the piezoelectric element, it is necessary to prompt replacement of parts before the failure of the piezoelectric element. It is necessary to predict the occurrence of the failure in advance.
しかし、圧電素子の故障は、周囲の湿度が高い場合のみならず、周囲の湿度が低くても、長期間にわたる膜質劣化進行など、湿度以外の要因によって突発的に発生する場合があり、故障の発生を予測することは一般的に困難である。なお、圧電素子の寿命(繰り返し駆動が可能な回数や駆動可能時間)が予め定められていても、実際の使用環境や使用条件により、圧電素子の劣化の仕方は変わるため、圧電素子の故障時期は定められた寿命通りになるとは限らない。 However, a piezoelectric element failure may occur not only when the ambient humidity is high, but also suddenly due to factors other than humidity, such as the deterioration of film quality over a long period of time, even if the ambient humidity is low. It is generally difficult to predict the occurrence. Even if the lifetime of the piezoelectric element (the number of times it can be repeatedly driven and the driveable time) is determined in advance, the method of deterioration of the piezoelectric element varies depending on the actual usage environment and usage conditions. Does not always meet the prescribed lifetime.
この点、上記した特許文献1〜5は、圧電素子の周囲の湿度を湿度センサ等を用いて制御して圧電素子の劣化を抑えるに留まるものであり、圧電素子の故障の発生を事前に予測するものではなく、ましてや、湿度以外の要因も含めた圧電素子の突発的な故障の発生を予測できるものでもない。したがって、圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥が生じるのを未然に防止することはできない。
In this respect, the above-mentioned
なお、特許文献5は、上述のように、インク吐出用の第1の圧電体とは別の第2の圧電体を設けて誘電率の変化を検知することで、吸湿剤の交換の必要性を判断するものであるが、第2の圧電体の絶縁破壊を防止するために、その駆動電圧は最大電圧の1/10以下に抑えられている。このように第2の圧電体は低電圧駆動であり、その寿命が第1の圧電体よりも長くなると思われるため(第1の圧電体のほうが寿命が短いため)、第2の圧電体の誘電率が低下したときには、第1の圧電体の劣化が既に進んでいる可能性が高い。したがって、第2の圧電体の誘電率の変化に基づいて、第1の圧電体の故障の発生を予測することはできない。
In
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、湿度のみならずそれ以外の故障要因も考慮して、インクを吐出する圧電素子の故障の発生を予測することができ、これによって、インク吐出用圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することができるインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and its purpose is to predict the occurrence of a failure of a piezoelectric element that ejects ink in consideration of not only humidity but also other failure factors. An ink jet head capable of preventing a fatal defect such as non-ejection of ink by prompting replacement of parts before failure of the ink ejecting piezoelectric element, and an ink jet printer including the ink jet head And to provide.
本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、インクを吐出するインクジェットヘッドであって、インク吐出用圧電素子と、前記インク吐出用圧電素子の故障を監視するためのモニタ用圧電素子と、前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子を繰り返し駆動する駆動部とを備え、前記駆動部は、前記インク吐出用圧電素子よりも前記モニタ用圧電素子のほうが、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなるような駆動条件で、前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子を駆動する構成である。 An ink jet head according to one aspect of the present invention is an ink jet head for ejecting ink, the ink ejecting piezoelectric element, a monitor piezoelectric element for monitoring a failure of the ink ejecting piezoelectric element, and the ink ejecting A piezoelectric element for driving and a driving unit for repeatedly driving the piezoelectric element for monitoring, and the driving unit is more electrically and mechanically broken during the repeated driving of the piezoelectric element for monitoring than the piezoelectric element for discharging ink. In this configuration, the ink ejection piezoelectric element and the monitor piezoelectric element are driven under a driving condition in which the resistance to the ink is low.
駆動部により、モニタ用圧電素子は、インク吐出用圧電素子よりも、繰り返し駆動時の電気的破壊(例えば電流リーク)および機械的破壊(例えば膜剥離)に対する耐性が低くなるような駆動条件で繰り返し駆動されるため、インク吐出用圧電素子よりも早く故障することになり、このモニタ用圧電素子の故障から、インク吐出用圧電素子の故障の発生を予測することが可能となる。つまり、湿度センサのような圧電素子の劣化を監視する専用のセンサを用いなくても、モニタ用圧電素子を上記センサの代わりに用いて、インク吐出用圧電素子の故障が近いことを予測できる。 Due to the drive unit, the monitor piezoelectric element is repeatedly operated under a driving condition such that the resistance to electrical breakdown (for example, current leakage) and mechanical breakdown (for example, film peeling) during repeated driving is lower than the piezoelectric element for ink discharge. Since it is driven, it will fail earlier than the ink ejection piezoelectric element, and from this failure of the monitoring piezoelectric element, it is possible to predict the occurrence of the failure of the ink ejection piezoelectric element. That is, even if a dedicated sensor for monitoring deterioration of the piezoelectric element such as a humidity sensor is not used, it is possible to predict that the failure of the ink ejecting piezoelectric element is near by using the monitoring piezoelectric element instead of the sensor.
しかも、モニタ用圧電素子の実際の故障要因には、湿度のみならずそれ以外の要因(経時的な膜質劣化など)も含まれており、同一ヘッドにおいては、インク吐出用圧電素子も同じような故障要因の影響を受けているものと考えることができる。したがって、モニタ用圧電素子の故障に基づき、湿度以外の故障要因も全て考慮した上で、インク吐出用圧電素子の故障の発生を予測でき、湿度センサを用いる場合よりもはるかに高精度にインク吐出用圧電素子の故障の発生を予測できる。 In addition, the actual failure factors of the piezoelectric element for monitoring include not only humidity but also other factors (such as deterioration of film quality over time). In the same head, the piezoelectric element for ink ejection is similar. It can be considered that it is affected by the failure factor. Therefore, the failure of the ink ejection piezoelectric element can be predicted based on the failure of the monitor piezoelectric element, taking into account all the failure factors other than humidity, and ink ejection is much more accurate than when using a humidity sensor. It is possible to predict the failure of the piezoelectric element for use.
その結果、インク吐出用圧電素子の故障前にユーザに部品交換(ヘッドの交換)を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。 As a result, it is possible to prevent a fatal defect such as non-ejection of ink by urging the user to replace parts (head replacement) before failure of the ink ejection piezoelectric element.
前記駆動部は、前記インク吐出用圧電素子よりも高い駆動電圧で前記モニタ用圧電素子を駆動してもよい。また、前記駆動部は、前記インク吐出用圧電素子よりも長い駆動時間、前記モニタ用圧電素子を駆動してもよい。 The drive unit may drive the monitor piezoelectric element with a drive voltage higher than the ink discharge piezoelectric element. The drive unit may drive the monitor piezoelectric element for a longer drive time than the ink ejection piezoelectric element.
上記いずれの駆動条件によっても、モニタ用圧電素子における繰り返し駆動時の電気的または機械的破壊に対する耐性を、インク吐出用圧電素子よりも低くできる。 Under any of the above driving conditions, the resistance of the monitoring piezoelectric element against electrical or mechanical breakdown during repeated driving can be made lower than that of the ink discharging piezoelectric element.
本発明の他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドのモニタ用圧電素子の故障に基づいてインク吐出用圧電素子の故障を予告する構成である。 An ink jet printer according to another aspect of the present invention includes the above-described ink jet head, and has a configuration in which a failure of the ink ejection piezoelectric element is notified based on the failure of the monitor piezoelectric element of the ink jet head.
この構成では、インク吐出用圧電素子の故障の予告によって、故障前にヘッドの交換をユーザに促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を防止することができる。 According to this configuration, it is possible to prevent a fatal defect such as ink non-ejection by prompting the user to replace the head before the failure by notifying the failure of the piezoelectric element for ink ejection.
上記のインクジェットプリンタは、前記インクジェットヘッドのインク吐出用圧電素子およびモニタ用圧電素子の繰り返し駆動時における、前記モニタ用圧電素子の故障を検知する故障検知部と、前記故障検知部が前記モニタ用圧電素子の故障を検知したときに、外部に報知する故障報知部とを備えていてもよい。 The inkjet printer includes a failure detection unit that detects a failure of the monitor piezoelectric element when the ink ejection piezoelectric element and the monitor piezoelectric element of the inkjet head are repeatedly driven, and the failure detection unit includes the monitor piezoelectric element. When a failure of the element is detected, a failure notification unit that notifies the outside may be provided.
この場合、故障検知部がモニタ用圧電素子の故障を検知したときに、故障報知部によって外部に報知されるので、ユーザはその報知に基づいてヘッドの交換作業を行うことができ、これによってインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することが可能となる。 In this case, when the failure detection unit detects a failure of the monitoring piezoelectric element, the failure notification unit notifies the outside, so that the user can perform the head replacement work based on the notification, thereby the ink It is possible to prevent a fatal defect such as non-ejection from occurring.
上記構成によれば、湿度のみならずそれ以外の故障要因も考慮して、モニタ用圧電素子の故障の発生に基づいてインク吐出用圧電素子の故障の発生を高精度に予測することができる。これにより、インク吐出用圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。 According to the above configuration, in consideration of not only humidity but also other failure factors, it is possible to predict the occurrence of failure of the ink ejection piezoelectric element with high accuracy based on the occurrence of failure of the monitoring piezoelectric element. Accordingly, it is possible to prompt parts to be replaced before failure of the ink discharge piezoelectric element, and to prevent a fatal defect such as ink non-discharge.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、インク吐出用圧電素子とは別にモニタ用圧電素子をインクジェットヘッドに設け、インク吐出用圧電素子よりも早く故障するような駆動条件(駆動電圧、駆動時間)でモニタ用圧電素子を駆動することにより、モニタ用圧電素子の故障の発生からインク吐出用圧電素子の将来の故障の発生を予測し、事前にヘッド交換を促すことを可能にしてインク不吐出のような致命的な欠陥を防止するようにしている。以下、具体的に説明する。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present embodiment, a monitor piezoelectric element is provided in the inkjet head separately from the ink discharge piezoelectric element, and the monitor piezoelectric element is installed under a drive condition (drive voltage, drive time) that causes failure earlier than the ink discharge piezoelectric element. By driving, it is possible to predict the future failure of the ink discharge piezoelectric element from the occurrence of the failure of the monitor piezoelectric element, and to prompt the head replacement in advance, so that a fatal defect such as ink non-discharge Try to prevent. This will be specifically described below.
〔インクジェットプリンタおよびインクジェットヘッドの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の一部を拡大して示す斜視図である。インクジェットプリンタ1は、一部が開口した筐体1a内に、左右方向(図中B方向)に移動可能なキャリッジ1bを有している。このキャリッジ1bには、複数の色(例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの4色)の各々に対応するインクジェットヘッド10が一列に並んで搭載されている。図示しない記録媒体をプリンタの奥側から手前側(図中A方向)に向かって搬送しながら、キャリッジ1bを左右に移動させて各色のインクを対応するインクジェットヘッド10から吐出させることにより、記録媒体上にカラーの画像を形成することができる。
[Configuration of inkjet printer and inkjet head]
FIG. 1 is an enlarged perspective view showing a part of an
また、図2は、インクジェットプリンタ1の概略の構成を示すブロック図である。インクジェットプリンタ1は、モニタ用圧電素子3の故障に基づいてインク吐出用圧電素子2の故障を予告するものであり、上記のインク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3に加えて、駆動部4と、故障検知部5と、故障時期判断部6と、故障報知部7とを備えている。インク吐出用圧電素子2、モニタ用圧電素子3および駆動部4で、インクジェットヘッド10が構成されている。
FIG. 2 is a block diagram showing a schematic configuration of the
インク吐出用圧電素子2は、圧力室11a(図4参照)から記録媒体に向けてインクを吐出する圧電素子である。モニタ用圧電素子3は、インク吐出用圧電素子2の故障を監視(モニタ)するための圧電素子である。駆動部4は、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3に電圧を印加してこれらを繰り返し(連続)駆動する駆動回路である。本実施形態では、駆動部4は、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3のほうが、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなるような駆動条件でインク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3を駆動するが、その詳細については後述する。
The ink ejection
故障検知部5は、駆動部4によるインク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3の繰り返し駆動時における、モニタ用圧電素子3の故障を検知するものであり、例えばLCRメータやブリッジ回路など、公知の誘電体評価装置で構成されている。このような誘電体評価装置によって、モニタ用圧電素子3の圧電層14(図4参照)の内部抵抗、誘電損失(tanδ)、静電容量(誘電率)、共振周波数などを測定することにより、圧電層14における電流リークや剥離などの故障の有無を検知することができる。
The
つまり、圧電層14において電流リークが増加すると、圧電層14の内部抵抗が低下し、誘電損失が増加する。また、電流リークや剥離が増加すると、静電容量(誘電率)が低下する。さらに、圧電層14の剥離が生じると、共振周波数が低下する。したがって、圧電層14の内部抵抗、誘電損失、静電容量、共振周波数を検知することで、電流リークや剥離の有無を検知することができる。
That is, when current leakage increases in the
故障時期判断部6は、故障検知部5の検知結果に基づいて、インク吐出用圧電素子2の故障時期を判断(予測)するものであり、CPU(中央演算処理装置)のような制御部と、記憶部とで構成することが可能である。例えば、事前のテストにより、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3を繰り返し駆動したときに、モニタ用圧電素子3が故障してからインク吐出用圧電素子2が故障するまでの駆動時間を測定しておき、その駆動時間を初期値として記憶部に記憶させておけば、実際の使用時(画像描画時)にモニタ用圧電素子3が故障したときに、モニタ用圧電素子3の故障が発生した日時に、記憶部に記憶させた時間を足した日時を、インク吐出用圧電素子2の故障が発生する時期と予測することができる。
The failure
なお、画像描画時のインク吐出用圧電素子2の駆動時間は、描画する画像に応じてチャネル(圧力室11aに対応)ごとに異なるので、上記駆動時間をチャネルごとに記憶部に記憶させて、モニタ用圧電素子3の故障時期からインク吐出用圧電素子2の故障時期をチャネルごとに予測するとともに、最も故障時期が早いチャネルにおけるその故障時期を、インク吐出用圧電素子2自体の故障時期(ヘッドの交換時期)と予測してもよい。
The drive time of the ink ejection
故障報知部7は、故障検知部5がモニタ用圧電素子3の故障を検知したときに、故障時期判断部6からの制御信号に基づき、モニタ用圧電素子3の故障を外部に報知するものであり、例えばLED、(液晶)表示部、鳴動部などで構成されている。つまり、故障報知部7は、故障検知部5が故障を検知したときに、LEDを点灯させたり、上記故障が発生した旨を表示部に表示させたり、ブザーや音声を発することで、外部にモニタ用圧電素子3の故障を報知することができる。このような故障の報知により、ユーザに対してインク吐出用圧電素子2の故障の発生が近いことを認知させ、インクジェットヘッド10の交換を促すことができる。したがって、そのような部品交換によって、インク吐出用圧電素子2からのインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することができる。なお、故障報知部7は、モニタ用圧電素子3の故障を報知すると同時に、故障時期判断部6にて予測されるインク吐出用圧電素子2の故障時期を報知(例えば表示)するようにしてもよい。
The failure notifying unit 7 notifies the outside of the failure of the monitoring
〔圧電素子の構成〕
次に、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3の詳細について説明する。図3は、インクジェットヘッド10の主要部の構成を示す平面図であり、図4は、図3におけるA−A’線矢視断面図である。なお、図3の平面図では、インク吐出用圧電素子2と明確に区別する目的で、モニタ用圧電素子3にハッチングを付している。
[Configuration of piezoelectric element]
Next, details of the ink ejection
インク吐出用圧電素子2は、圧力室11aを有する基板11上に、熱酸化膜12、下部電極13、圧電層14および上部電極15をこの順で積層して構成されている。基板11における圧力室11aの上壁11bは従動膜を構成しており、圧電層14の伸縮に伴って変位する。下部電極13および上部電極15は、上記した駆動部4と接続されている。基板11において、圧力室11aは千鳥状でかつ2列に並ぶように複数形成されている。
The ink ejection
モニタ用圧電素子3もインク吐出用圧電素子2と同様の層構成であり、圧力室11aを有する基板11上に、熱酸化膜12、下部電極13、圧電層14および上部電極15をこの順で積層して構成されている。モニタ用圧電素子3においても、基板11における圧力室11aの上壁11bは従動膜を構成しており、圧電層14の伸縮に伴って変位する。下部電極13および上部電極15は、上記した駆動部4のみならず、故障検知部5とも接続されている。また、モニタ用圧電素子3の圧力室11aは、インク吐出用圧電素子2の各圧力室11aの配列方向の両側に位置している。
The
インク吐出用圧電素子2とモニタ用圧電素子3とで、基板11、熱酸化膜12および下部電極13は共通しており、圧電層14および上部電極15は、基板11に千鳥状に形成された各圧力室11aに対応して形成されている。すなわち、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3は、同一の基板11上に、下部電極13、圧電層14、上部電極15をそれぞれ積層して構成されている。これにより、圧電層14や上部電極15のパターニングのみを変えるだけで、同じ製造工程でインク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3を同時に製造することが可能となり、製造コストを低減できる。なお、製造方法の詳細については後述する。
The
また、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3の各圧力室11aは、共通インク室と連通するインク流路と接続されており、インク吐出が可能となっている。インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3において、下部電極13および上部電極15に駆動部4から電圧を印加し、圧電層14が伸縮すると、圧電層14と従動膜との長さの違いにより、従動膜に曲率が生じ、従動膜が膜に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室11a内のインクが外部に吐出される。
In addition, each
なお、モニタ用圧電素子3のインク吐出側には、吐出されたインクを吸収または遮断する部材(スポンジまたはシャッタ)が配置されており、インクが記録媒体に付着しないようにしている。すなわち、記録媒体にインクを吐出して画像形成を行う役割は、専らインク吐出用圧電素子2に持たせており、モニタ用圧電素子3は画像形成を行う役割を持たない。
A member (sponge or shutter) that absorbs or blocks the ejected ink is disposed on the ink ejection side of the
インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3のそれぞれにおいて、基板11は、厚さが例えば300〜500μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。熱酸化膜12は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板11の保護および絶縁の目的で形成されている。
In each of the ink ejection
下部電極13は、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜12とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。
The
圧電層14は、PTO(PbTiO3;チタン酸鉛)とPZO(PbZrO3;ジルコン酸鉛)との固溶体であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の薄膜で構成されている。圧電層14の膜厚は、例えば3〜5μmである。
The
上部電極15は、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電層14とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。
The
本実施形態では、上述したように、駆動部4は、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3のほうが、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなるような駆動条件で、インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3を駆動する。具体的には、駆動部4は、図5のように、インク吐出用圧電素子2よりも高い駆動電圧でモニタ用圧電素子3を駆動したり、図6のように、インク吐出用圧電素子2よりも長い駆動時間、モニタ用圧電素子3を駆動する。
In the present embodiment, as described above, the driving
なお、インクジェットプリンタ1では、画像の濃淡に応じてインクを吐出するため、インク吐出用圧電素子2の各チャネルに対応する圧電層14が常に駆動されるわけではない。したがって、プリンタの電源ON時に、モニタ用圧電素子3を常に駆動することにより、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3の駆動時間を長くすることができる。また、描画するページとページとの間でモニタ用圧電素子3を駆動する一方、インク吐出用圧電素子2の駆動を停止することによっても、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3の駆動時間を長くすることができる。
In the
圧電層14への電圧印加時間を一定とした場合、駆動電圧が高いほど、電界強度が大きくなるため、還元反応が進みやすくなり、圧電層14の劣化が早くなる。また、圧電層14への印加電圧を一定とした場合、駆動時間が長いほど、圧電層14における還元反応が進むため、圧電層14の劣化が早くなる。いずれにしても、圧電層14の劣化によって電流リークや剥離が生じやすくなる。したがって、図5や図6の駆動条件でインク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3を駆動することにより、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3のほうが、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなる。
When the voltage application time to the
これにより、繰り返し駆動時には、インク吐出用圧電素子2よりもモニタ用圧電素子3のほうが早く故障することになり、このモニタ用圧電素子3の故障から、インク吐出用圧電素子2の故障の発生を予測することが可能となる。このとき、本実施形態では、湿度センサのような圧電素子の劣化を監視する専用のセンサを別途設けてはおらず、インク吐出用圧電素子2と同種(同様の層構成)の圧電素子であるモニタ用圧電素子3を上記センサの代わりに用いることで、インク吐出用圧電素子2の故障が近いことを予測できる。
As a result, during repeated driving, the monitoring
しかも、モニタ用圧電素子3の実際の故障は、周囲の湿度のみならず、経時的な膜質劣化などの他の要因も含んだ上での故障であり、同一ヘッドに設けられたインク吐出用圧電素子2も同じように湿度や経時的な膜厚劣化などの要因の影響を受けていると考えられる。したがって、湿度以外の故障要因も含めて、モニタ用圧電素子3の故障の発生からインク吐出用圧電素子2の故障の発生を予測することができ、上記の湿度センサを用いる場合よりもはるかに高精度にインク吐出用圧電素子2の故障の発生を予測できる。
In addition, the actual failure of the monitoring
その結果、インク吐出用圧電素子2の故障前にユーザにインクジェットヘッド10の交換)を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。
As a result, it is possible to prompt the user to replace the
特に、本実施形態では、故障検知部5がモニタ用圧電素子3の故障を検知したときに、故障報知部7によって外部に報知されるので、ユーザはその報知に基づいてインクジェットヘッド10の交換作業を行うことができ、これによってインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することが確実に可能となる。
In particular, in this embodiment, when the
〔圧電素子の製造方法〕
次に、本実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。図7は、インク吐出用圧電素子2の製造工程を示す断面図である。なお、モニタ用圧電素子3の製造方法については、インク吐出用圧電素子2と同様であるため、ここではその説明を省略する。
[Piezoelectric element manufacturing method]
Next, a method for manufacturing the piezoelectric element of this embodiment will be described. FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the ink ejection
まず、基板11を用意する。基板11としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜11eを介して2枚のSi基板11c・11dが接合されたSOI(Silicon on Insulator)構造のものを用いている。
First, the
基板11を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板11c・11dの表面にSiO2からなる熱酸化膜12a・12bをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜12a上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極13を形成する。
The
続いて、基板11を600℃程度に再加熱し、変位膜となるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の層14aをスパッタ法で成膜する。そして、基板11に感光性樹脂21をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂21の不要な部分を除去し、形成する圧電層14の形状を転写する。その後、感光性樹脂21をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層14aの形状を加工し、圧電層14とする。
Subsequently, the
次に、圧電層14を覆うように下部電極13上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層15aを形成する。続いて、層15a上に感光性樹脂22をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂22の不要な部分を除去し、形成する上部電極15の形状を転写する。その後、感光性樹脂22をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層15aの形状を加工し、上部電極15を形成する。
Next, a titanium layer and a platinum layer are sequentially formed by sputtering on the
次に、基板11の裏面に感光性樹脂23をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂23の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室11aの形状を転写する。そして、感光性樹脂23をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板11の除去加工を行い、圧力室11aを形成する。これにより、インク吐出用圧電素子2が完成する。その後、熱酸化膜12bを除去し、基板11と中間ガラス、および中間ガラスとノズルプレートとをそれぞれ陽極接合することにより、インクジェットヘッド10が完成する。なお、中間ガラスおよびノズルプレートには、圧力室11a内のインクを外部に吐出するための穴がそれぞれ形成されている。
Next, a
〔その他の構成〕
図8は、インクジェットヘッド10の主要部の他の構成を示す断面図である。インク吐出用圧電素子2およびモニタ用圧電素子3は、異なる基板11・11上に、熱酸化膜12、下部電極13、圧電層14、上部電極15をそれぞれ積層して構成されていてもよい。このように、インク吐出用圧電素子2とモニタ用圧電素子3とが別体であっても、モニタ用圧電素子3の故障に基づいて、インク吐出用圧電素子2の故障の発生を予測することは可能である。また、モニタ用圧電素子3の配置の自由度が増大し、インクジェットヘッド10の設計自由度も増大する。
[Other configurations]
FIG. 8 is a cross-sectional view showing another configuration of the main part of the
本実施形態では、圧電層14を構成する材料としてPZTを用いているが、PZT以外の圧電材料を用いてもよい。例えば、PZTにNb、La、Mnなど様々な不純物を添加したもの、PMN−PT((PbMg1/3Nb2/3)O3とPbTiO3との固溶体)などの圧電特性の高いもの、BaTiO3などの非鉛系材料を圧電材料として利用することができる。
In the present embodiment, PZT is used as the material constituting the
本実施形態では、モニタ用圧電素子3の圧力室11aがインク流路と接続されている場合について説明したが、インク流路と接続されていなくてもよい。この場合、圧力室11a内にインクが存在する場合に比べて、従動膜の変位の際の負荷が軽減されるため、圧電層14の伸縮時に従動膜の変位が大きくなる。したがって、モニタ用圧電素子3の故障がより生じやすくなり、より厳しい故障条件でインク吐出用圧電素子2の故障の発生を予測することができる。
In the present embodiment, the case where the
本実施形態では、圧電層14を圧電薄膜で構成した場合について説明したが、バルクで構成した場合でも、本実施形態の駆動方法を適用することは可能である。
In the present embodiment, the case where the
本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。 The ink jet head of the present invention can be used in an ink jet printer.
1 インクジェットプリンタ
2 インク吐出用圧電素子
3 モニタ用圧電素子
4 駆動部(駆動回路)
5 故障検知部
7 故障報知部
10 インクジェットヘッド
11a 圧力室
DESCRIPTION OF
5 Failure detection unit 7
Claims (4)
前記インク吐出用圧電素子の故障を監視するためのモニタ用圧電素子と、
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子を繰り返し駆動する駆動部と、を備え、
前記モニタ用電圧素子は、前記インク吐出用圧電素子と同種の圧電素子であり、
前記インク吐出用圧電素子と前記モニタ用電圧素子は、それぞれ、圧力室を有する基板の上に酸化膜、下部電極、圧電層および上部電極をこの順で積層して構成され、
前記モニタ用圧電素子の基板、酸化膜、下部電極、圧電層、上部電極は、それぞれ前記インク吐出用圧電素子の基板、酸化膜、下部電極、圧電層、上部電極から分離しており、
前記駆動部は、前記インク吐出用圧電素子よりも前記モニタ用圧電素子のほうが、繰り返し駆動時の電気的または機械的破壊に対する耐性が低くなるような駆動条件で、前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子を駆動するインクジェットヘッドを備え、
前記駆動部は、電源ON時に、前記モニタ用圧電素子を常に駆動することにより、前記インク吐出用圧電素子よりも長い駆動時間、前記モニタ用圧電素子を駆動し、
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子の繰り返し駆動時における、前記モニタ用圧電素子の内部抵抗、誘導損失、静電容量または、共振周波数のいずれか一つ以上を用いて故障を検知する故障検知部を備え、
前記故障検知部が前記モニタ用圧電素子の故障を検知したときに、外部に報知する故障報知部を備えることを特徴とするインクジェットプリンタ。 A piezoelectric element for ink ejection;
A monitoring piezoelectric element for monitoring a failure of the ink ejection piezoelectric element;
A drive unit that repeatedly drives the piezoelectric element for ink ejection and the piezoelectric element for monitoring,
The monitoring voltage element is the same kind of piezoelectric element as the ink ejection piezoelectric element,
The ink ejection piezoelectric element and the monitor voltage element are each configured by laminating an oxide film, a lower electrode, a piezoelectric layer, and an upper electrode in this order on a substrate having a pressure chamber,
The monitor piezoelectric element substrate, oxide film, lower electrode, piezoelectric layer, and upper electrode are separated from the ink ejection piezoelectric element substrate, oxide film, lower electrode, piezoelectric layer, and upper electrode, respectively.
The drive unit is configured so that the monitor piezoelectric element has a lower resistance to electrical or mechanical breakdown during repeated driving than the ink discharge piezoelectric element under the driving conditions. An inkjet head that drives a piezoelectric element for monitoring;
The drive unit drives the monitor piezoelectric element for a longer drive time than the ink ejection piezoelectric element by constantly driving the monitor piezoelectric element when the power is turned on,
When the ink ejection piezoelectric element and the monitor piezoelectric element are repeatedly driven, a failure is detected using any one or more of internal resistance, induction loss, capacitance, and resonance frequency of the monitor piezoelectric element. Equipped with a failure detector,
An ink jet printer comprising: a failure notification unit that notifies the outside when the failure detection unit detects a failure of the monitoring piezoelectric element.
インクジェットプリンタ。 The inkjet printer according to claim 3 , wherein the failure time determination unit includes a control unit and a storage unit.
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