JP6220798B2

JP6220798B2 - インクジェットヘッド記録装置

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Publication number: JP6220798B2
Application number: JP2015004418A
Authority: JP
Inventors: 仁田　昇; 昇仁田
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba TEC Corp
Priority date: 2014-02-27
Filing date: 2015-01-13
Publication date: 2017-10-25
Anticipated expiration: 2035-01-13
Also published as: JP2015178264A

Description

本発明の実施形態は、インクジェットヘッド記録装置に関する。

画像データを記録媒体に出力する装置として、インクジェット方式を採用したインクジェット記録装置が知られている。このインクジェット記録装置には、微小なインク滴を用紙等の記録媒体に吐出するインクジェットヘッドが用いられる。

シェアモードシェアウォール方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法においては、分極方向が向き合うように接着した２枚の圧電セラミックスをベースプレートに接着する。圧電セラミックス部分を機械加工にて台形状に形成した後、ダイシングソー等でオリフィス（吐出孔）の数と同数の溝を形成し、続いてメッキ法などで電極を形成することで、ベースプレート上にアクチュエータが形成される。インクジェットヘッドは、電極に接続されている駆動ＩＣから電圧が印加されることで、内部の溝の体積が変化し、オリフィス（吐出孔）からインクを吐出する。また、温度が上がるとインクの粘度が下がるとともにアクチュエータの効率が高くなってインクが吐出し易くなるため、駆動ＩＣがアクチュエータに印加する電圧はインク温度に基づいて調整される。

従来、インク温度は、サーミスタなどの温度センサをアクチュエータの壁面やインク室内に直接接触させることで検出していた。しかし、一般にヘッド駆動回路（制御回路）の電気部品は温度を検出したいインク室やアクチュエータから離れた場所にあるため、温度検出用センサの場所からヘッド駆動回路の電気部品の場所まで配線が必要となる。温度センサとしてサーミスタなどの安価なものを使用した場合でも、コネクタやフレキシブルケーブル等の配線用電気部品の材料費が必要となり、部品点数の増加により組み立て工数も増大してしまう。

特開２０１３−４３３３０号公報

そこで、本発明は、上記従来技術の問題に鑑み、インクジェットヘッドの製造コストを抑えつつ、アクチュエータ付近のインク温度を高精度で検出できるインクジェットヘッド記録装置を提供するものである。

本発明の一実施形態に係るインクジェットヘッド記録装置は、圧電セラミックスの体積変化に基づいてノズルからインクを吐出するアクチュエータと、前記アクチュエータに一端が接続され、電圧を印加する駆動ＩＣと、前記駆動ＩＣの他端に接続されたプリント配線基板と、前記アクチュエータにインクを供給するインク供給管の長手方向の外周面に受光面を対向配置して前記プリント配線基板上に固定され、前記インク供給管の表面温度Ｔｓを測定する温度センサと、前記駆動ＩＣおよび前記温度センサに前記プリント配線基板を介して接続され、前記温度センサが測定した前記表面温度Ｔｓに基づいて前記駆動ＩＣに印加電圧調整用の制御信号を出力する制御回路と、を備え、前記制御回路は、印字率ｋと駆動電圧ｖに基づいて算出した補正関数をｆ（ｋ,ｖ）とし、前記インク供給管の表面温度Ｔｓを入力として、前記アクチュエータ内のインク温度ＴをＴ＝Ｔｓ＋ｆ（ｋ,ｖ）に基づいて算出し、前記制御信号を生成する、ことを特徴とする。

本発明の実施形態１におけるインクジェットヘッドの斜視図。図１に示すインクジェットヘッドのアクチュエータの分解図。図１に示す矢印Ｓ方向から見たインクジェットヘッドの側面図。図３の断面Ａにおけるインクジェットヘッドの断面図。図３に示す赤外線温度センサにおける赤外線の受光角度と応答性の関係を説明する図。図１に示す赤外線温度センサとインク供給管の位置関係を説明する図。図１に示すインクジェットヘッドにおける構成要素間の関係を示すブロック図。本発明の実施形態２におけるインクジェットヘッドの側面図。図８に示す断面Ｂにおけるインクジェットヘッドの断面図。図８に示すインクジェットヘッドにおける構成要素間の関係を示すブロック図。本発明の実施形態３における赤外線温度センサ、インク供給管およびインク排出管の位置関係を説明する断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。
＜実施形態１＞
以下、本実施形態に係るインクジェットヘッド記録装置について図面を参照して詳細に説明する。本実施形態では、シェアモードシェアウォール方式のインクジェットヘッドを例に説明する。

シェアモードシェアウォール方式のインクジェットヘッドのインク吐出の原理は、板厚方向に分極された板状の２枚の圧電セラミックス（圧電素子）をその分極方向が逆向きとなるようにお互いに接着剤で貼り合わせ、その２枚の圧電セラミックスに所定の間隔で複数の溝部を形成し、溝部を圧力室（インク室）として各圧力室内にそれぞれ電極を形成する。そして、複数の電極に電圧をそれぞれ印加することにより、各圧力室の相互間を仕切る側壁（各圧電セラミックス）を変形させて各圧力室にインク吐出用の圧力を加え、各圧力室に通じるノズルからインク滴を吐出させる方式である。

図１は、本実施形態におけるインクジェットヘッド１の斜視図である。また、図２は、インクジェットヘッド１のアクチュエータ２の分解図である。図１に示すように、インクジェットヘッド１は、アクチュエータ２、一対の(片側のみ図示)ヒートシンク３および一対の(片側のみ図示)回路基板４を備えている。インクジェットヘッド１は、インクジェットプリンタ（図示省略する）に搭載されている。アクチュエータ２は、インクを吐出するための装置であり、図２に示すように、ベースプレート２１、オリフィスプレート２２、枠部材２３および一対の圧電素子２４を備えている。

ベースプレート２１は、例えばアルミナのようなセラミックスによって矩形の板状に形成されている。ベースプレート２１は、平坦な実装面２１ａを有している。実装面２１ａには、複数の供給孔２６および排出孔２７が形成されている。

また、供給孔２６は、ベースプレート２１の中央部において、ベースプレート２１の長手方向に所定の間隔で並んで設けられている。供給孔２６は、インク供給管５を介してインクタンク（図示省略する）に接続されている。

オリフィスプレート２２は、耐熱性の部材であり、例えばポリイミド製の矩形状のフィルムによって形成されている。オリフィスプレート２２は、ベースプレート２１の実装面２１ａに対向し、圧電素子２４および枠材２３と接着している。オリフィスプレート２２には、複数のオリフィス２２ａが長手方向に沿って二列に並んで設けられている。

枠部材２３は、例えば表面を絶縁処理したニッケル合金によって矩形の枠状に形成されており、ベースプレート２１の実装面２１ａとオリフィスプレート２２との間に配置されている。オリフィスプレート２２は、枠部材２３を介してベースプレート２１に取り付けられている。

圧電素子２４は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）によって形成された板状の二つの圧電セラミックスによって形成されている。この二つの圧電セラミックスは、分極方向がその厚さ方向に互いに逆向きになるように貼り合わされている。

圧電素子２４は、実装面２１ａより突出して接着されている。そして、圧電素子２４は、二列に並ぶオリフィス２２ａに対応して、インク室の中に平行に配置されている。圧電素子２４の頂部は、オリフィスプレート２２に接着される。

また、圧電素子２４には、インクの流路を形成する複数の溝部２４ａが設けられている。溝部２４ａは、圧電素子２４の長手方向と交差する方向にそれぞれ延びており、圧電素子２４の長手方向に並んでいる。複数の溝部２４ａは、オリフィスプレート２２の複数のオリフィス２２ａに対向しており、各溝部２４ａの内面を覆うように電極が設けられている。ベースプレート２１の実装面２１ａには、複数の配線パターン２８が設けられている。配線パターン２８は、圧電素子２４の長手方向と交差する方向にベースプレート２１の両側端から延びており、対応する電極とそれぞれ電気的に接続している。電極および配線パターン２８は、例えば無電解メッキ法によりニッケル薄膜などの金属膜を形成した後に、レーザーパターニングを施すことによって形成される。

図３は、図１に示す矢印Ｓ方向から見たインクジェットヘッド１の側面図である。図３に示すように、回路基板４は、プリント配線基板４１、駆動ＩＣ４２、赤外線温度センサ４３およびインターフェースコネクタ４４を備えている。プリント配線基板４１は、所定の剛性を有する配線基板である。駆動ＩＣ４２は、ＩＣチップ４２ａとフレキシブル配線板フィルム４２ｂを備えている。

フレキシブル配線板フィルム４２ｂには、ＩＣチップ４２ａの出力側(図３では左側)と入力側(図３では右側)に、図示しない複数の配線を備えている。フレキシブル配線板フィルム４２ｂ上の複数の出力側配線は、ＩＣチップ４２ａの各駆動出力と、ベースプレート２１上の配線パターン２８を接続している。即ち、ＩＣチップ４２ａの各駆動出力は、フレキシブル配線板フィルム４２ｂの出力側配線、配線パターン２８を経由してアクチュエータ２の各電極に伝えられる。フレキシブル配線板フィルム４２ｂ上の複数の入力側配線は、ＩＣチップ４２ａの電源及び制御入力をプリント配線基板４１へ接続している。ＩＣチップ４２ａの電源及び制御入力は、プリント配線基板４１を介してインターフェースコネクタ４４に接続されている。

赤外線温度センサ４３は、被測定部材から放出される赤外線放射エネルギーを計測し、被測定部材の表面温度を電気信号として出力するセンサである。インターフェースコネクタ４４には、駆動ＩＣ４２および赤外線温度センサ４３に電力を供給する電源（図示省略）と、ヘッドの駆動電圧と駆動波形を制御する制御回路１０がそれぞれ接続されている。駆動ＩＣ４２は、制御回路１０から入力された制御信号に基づいて電極に電圧を印加する。

図４は、図３の断面Ａにおけるインクジェットヘッド１の断面図である。図３および図４に示すように、赤外線温度センサ４３の受光面はインク供給管５の外周面に対向して配置されている。インク供給管５の外周面に黒色のシール（図示省略する）を貼り付けておくと、温度検出の精度が高まるので好適である。また、図４においては、赤外線温度センサ４３の受光面の幅はインク供給管５の管径よりも十分小さい。なお、赤外線温度センサ４３は、プリント配線基板４１を介してインターフェースコネクタ４４に接続されており、インターフェースコネクタ４４を介して電源（図示省略する）から電力供給される。赤外線温度センサ４３が検出したインク供給管５の表面温度の値はシリアルデータに変換され、インターフェースコネクタ４４を介して制御回路１０へ戻される。

図５は、図３に示す赤外線温度センサ４３における赤外線の受光角度と応答性の関係の具体例を示す図である。また、図６は、図１に示す赤外線温度センサ４３とインク供給管５の位置関係を説明する図である。

赤外線温度センサ４３の応答範囲にインク供給管５以外のものがあると、インク供給管５以外のものからやって来る赤外線がノイズとなる。赤外線温度センサ４３がインク供給管５の温度を正しく検知するためには、赤外線温度センサ４３から見て応答のある角度範囲に亘ってインク供給管５が見えるように、赤外線温度センサ４３をインク供給管５に近づける必要がある。少なくとも赤外線温度センサ４３の応答性が２０％以上ある範囲に亘ってインク供給管５の温度を正しく検出する必要があるとするなら、図６に示すように赤外線温度センサ４３の受光部からインク供給管５の外周面（被測定面）への接線と赤外線温度センサ４３の受光面への垂線とが為す角度θが−５５°≦θ≦５５°となる位置に赤外線温度センサ４３を配置すればよい。ノイズを避けるためには、赤外線温度センサ４３をインク供給管５にできるだけ近づけるか、又はインク供給管５を扁平にする、或いは熱伝導率の大きな部材をインク供給管５に付加するなどして、赤外線温度センサ４３からインク供給管５を見込む角度をなるべく大きく取ると良い。

続いて、上記のように構成されたインクジェットヘッド記録装置におけるインクジェットヘッドの駆動制御の動作例を図７に基づいて説明する。図７は、図１に示すインクジェットヘッド１における構成要素間の関係を示すブロック図である。

制御回路１０に画像データの印字要求が入力されると、赤外線温度センサ４３が検出したインク供給管５の表面温度Ｔｓはシリアルデータに変換され、インターフェースコネクタ４４を介して制御回路１０へ戻される。

次に、制御回路１０は、インク供給管５の表面温度Ｔｓに基づいてアクチュエータ２内のインク温度Ｔを算出すると、インク温度Ｔに基づいてアクチュエータ２の駆動電圧および駆動波形を調整する制御信号を生成し、この制御信号をインターフェースコネクタ４４を介して駆動ＩＣ４２に出力する。ここで検出した表面温度Ｔｓは供給するインクの温度によって決まる温度だが、アクチュエータを駆動するとアクチュエータが発熱するので、アクチュエータ２内のインク温度Ｔは一般には表面温度Ｔｓよりも高くなる。アクチュエータ２内のインク温度Ｔは、駆動ＩＣ４２から印加される電圧や画像データの印字率の値によって変化するので、これらの値に応じた温度上昇については予め実験的あるいは理論的に求めておくと好適である。

例えば、制御回路１０は、印字率ｋと駆動電圧ｖに基づいて算出した補正式をｆ（ｋ,ｖ）、インク供給管５の表面温度Ｔｓを入力として、アクチュエータ２内のインク温度ＴをＴ＝Ｔｓ＋ｆ（ｋ,ｖ）に基づいて算出し、制御信号を生成する。

一般に、温度が上がるとインクの粘度が下がるとともにアクチュエータ２の効率が高くなってインクが吐出し易くなるので、制御回路１０は、駆動電圧を下げるとともに駆動波形を調整してこれを補償し、温度が変わっても吐出特性が変化しないように制御する。

そして、制御回路１０から入力した制御信号に基づいて、駆動ＩＣ４２がアクチュエータ２の電極に対して所定の電圧を印加すると、圧電素子２４に形成された溝部２４ａの側壁はシェアモード変形し、電極が設けられた溝部２４ａの容積が増減させられる。これにより、溝部２４ａの中のインクの圧力が変化し、インクがオリフィス２２ａから吐出される。

このように、本実施形態に係るインクジェット記録装置は、アクチュエータ２から離間してプリント配線基板４１上に配置された赤外線温度センサ４３によってインクの温度を検出する。

赤外線温度センサ４３をプリント配線基板４１上に設置する構成のため、アクチュエータ２と赤外線温度センサ４３の間には余分な配線を設ける必要がない。このため、配線用電気部品の部品点数を抑えることができ、インクジェットヘッド記録装置の製造コストおよび組み立て工数を抑えることができる。

＜実施形態２＞
図８は、本発明の実施形態２におけるインクジェットヘッド１の側面図である。また、図９は、図８に示す断面Ｂにおけるインクジェットヘッド１の断面図である。図１０は、図８に示すインクジェットヘッド１における構成要素間の関係を示すブロック図である。尚、実施形態１において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では実施形態１と異なる箇所について詳細に説明する。

本実施形態で使用するアクチュエータ２は、インク室にインクを供給するインク供給管５の他に、インク室を通過したインクを排出するインク排出管６に接続されたインク循環式アクチュエータである。

赤外線温度センサ４３は、アクチュエータ２内のインクを排出するインク排出管６の長手方向の外周面に受光面を対向配置してプリント配線基板４１上に固定され、インク排出管６の表面温度Ｔｄを測定する。制御回路１０は、駆動ＩＣ４２および赤外線温度センサ４３にプリント配線基板４１を介して接続されているため、赤外線温度センサ４３が測定したインク排出管６の表面温度Ｔｄに基づいて駆動ＩＣ４２に印加電圧調整用の制御信号を出力する。

アクチュエータ２のインク室から排出したインクの持っている熱はインク排出管６を通過する間に排出管６の周囲へ伝達し温度が低下するものと考えられる。このため、赤外線温度センサ４３が測定したインク排出管６の表面温度Ｔｄはアクチュエータ２内のインク温度Ｔよりも若干低いと考えられる。検出したインク温度Ｔｄと周囲温度Ｔaとの差が大きい程、又循環流量Ｑが小さい程この温度低下が大きくなるので、関数ｇ（Ｔｄ−Ｔａ,Ｑ）を補正係数とし、アクチュエータ２内のインク温度ＴをＴ＝Ｔｄ＋ｇ（Ｔｄ−Ｔａ,Ｑ）と予測することができる。制御回路１０は、このようにしてアクチュエータ２内のインク温度Ｔを予測し、制御信号を生成する。尚、周囲温度Ｔａは例えば回路基板４１上の適当な場所にサーミスタ（図示省略する）を実装するなどして検出すればよい。又、流量Ｑが十分大きければ補正を省略して表面温度Ｔｄはそのままアクチュエータ２内のインク温度Ｔであると考えても良い。

このように、本実施形態に係るインクジェット記録装置は、インク排出管６の表面温度Ｔｄに基づいてインク排出管６よりもインク循環方向上流に位置するアクチュエータ２内のインク温度を間接的に検出する構成である。従来のように、温度検出用のセンサをアクチュエータ２の壁面やインク室内のインクに直接接触させない構成のため、センサ周辺の限定された範囲の温度ではなく、インク室を通過した排出インクが集めたインク室全体のインク温度を高精度で間接的に検出することができる。このため、制御回路１０は駆動ＩＣ４２が印加する電圧値を正確なインク温度に基づいて調整でき、インクジェット記録装置の性能を向上させることができる。

＜実施形態３＞
図１１は、本発明の実施形態３における赤外線温度センサ４３、インク供給管５およびインク排出管６の位置関係を説明する断面図である。尚、実施形態１・２において付された符号と共通する符号は同一の対象を表すため説明を省略し、以下では異なる箇所について詳細に説明する。

図１１に示すように、本実施形態では、２台の赤外線温度センサ４３がインク供給管５およびインク排出管６の外周面にそれぞれ対向してプリント配線基板４１上に設けられており、各赤外線温度センサ４３はインターフェースコネクタ４４を介して制御回路１０に接続されている。

本実施形態において、制御回路１０は、実施形態２の補正係数ｇ（Ｔｄ−Ｔａ,Ｑ）の代わりに、補正係数としての関数ｈ（Ｔｓ,Ｔｄ,Ｑ）を利用し、Ｔ＝Ｔｄ＋ｈ（Ｔｓ,Ｔｄ,Ｑ）として計算したアクチュエータ２内のインク温度Ｔを利用することができる。

このように、本実施形態に係るインクジェット記録装置では、制御回路１０がインク循環経路上流に位置するインク供給管５の表面温度Ｔｓと、下流に位置するインク排出管６の表面温度Ｔｄの両方を考慮してアクチュエータ２内のインク温度Ｔをより正確に推定し、駆動ＩＣ４２に制御信号を出力する。このため、上記実施形態１・２に比べてきめ細かな制御が可能となる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…インクジェットヘッド、
２…アクチュエータ、
３…ヒートシンク、
４…回路基板、
５…インク供給管、
６…インク排出管、
１０…制御回路、
４１…プリント配線基板、
４２…駆動ＩＣ、
４３…赤外線温度センサ、
４４…インターフェースコネクタ。

Claims

圧電セラミックスの体積変化に基づいてノズルからインクを吐出するアクチュエータと、
前記アクチュエータに一端が接続され、電圧を印加する駆動ＩＣと、
前記駆動ＩＣの他端に接続されたプリント配線基板と、
前記アクチュエータにインクを供給するインク供給管の長手方向の外周面に受光面を対向配置して前記プリント配線基板上に固定され、前記インク供給管の表面温度Ｔｓを測定する温度センサと、
前記駆動ＩＣおよび前記温度センサに前記プリント配線基板を介して接続され、前記温度センサが測定した前記表面温度Ｔｓに基づいて前記駆動ＩＣに印加電圧調整用の制御信号を出力する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、印字率ｋと駆動電圧ｖに基づいて算出した補正関数をｆ（ｋ,ｖ）とし、前記インク供給管の表面温度Ｔｓを入力として、前記アクチュエータ内のインク温度ＴをＴ＝Ｔｓ＋ｆ（ｋ,ｖ）に基づいて算出し、前記制御信号を生成する、
インクジェットヘッド記録装置。
圧電セラミックスの体積変化に基づいてノズルからインクを吐出するアクチュエータと、
前記アクチュエータに一端が接続され、電圧を印加する駆動ＩＣと、
前記駆動ＩＣの他端に接続されたプリント配線基板と、
前記アクチュエータにインクを供給するインク供給管の長手方向の外周面に受光面を対向配置して前記プリント配線基板上に固定され、前記インク供給管の表面温度Ｔｓを測定する温度センサと、
前記駆動ＩＣおよび前記温度センサに前記プリント配線基板を介して接続され、前記温度センサが測定した前記表面温度Ｔｓに基づいて前記駆動ＩＣに印加電圧調整用の制御信号を出力する制御回路と、
前記アクチュエータ内のインクを排出するインク排出管の外周面と対向して前記プリント配線基板上に接続され、前記インク排出管の表面温度Ｔｄを測定する他の温度センサと、
を備え、
前記制御回路は、前記インク供給管の表面温度Ｔｓと前記インク排出管の表面温度Ｔｄとインク排出管を流れるインクの流量Ｑとによる補正関数をｈ（Ｔｓ,Ｔｄ,Ｑ）として、前記アクチュエータ内のインク温度ＴをＴ＝Ｔｄ＋ｈ（Ｔｓ,Ｔｄ,Ｑ）に基づいて算出し、前記制御信号を生成する、
インクジェットヘッド記録装置。
圧電セラミックスの体積変化に基づいてノズルからインクを吐出するアクチュエータと、
前記アクチュエータに一端が接続され、電圧を印加する駆動ＩＣと、
前記駆動ＩＣの他端に接続されたプリント配線基板と、
前記アクチュエータ内のインクを排出するインク排出管の長手方向の外周面に受光面を対向配置して前記プリント配線基板上に固定され、前記インク排出管の表面温度Ｔｄを測定する温度センサと、
前記駆動ＩＣおよび前記温度センサに前記プリント配線基板を介して接続され、前記温度センサが測定した前記表面温度Ｔｄに基づいて前記駆動ＩＣに印加電圧調整用の制御信号を出力する制御回路と、
周囲温度Ｔａを検出する他の温度センサと、
を備え、
前記制御回路は、前記表面温度Ｔｄと、前記周囲温度Ｔａと、前記インク排出管を流れるインクの流量Ｑとに基づいて前記アクチュエータ内のインク温度Ｔを算出し、前記制御信号を生成する、
インクジェットヘッド記録装置。