JP5229027B2

JP5229027B2 - インクジェットヘッド製造装置、インクジェットヘッド製造方法、及びインクジェット装置

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Publication number: JP5229027B2
Application number: JP2009063584A
Authority: JP
Inventors: 仁司木田; 剛裕山田; 智彦甲田
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 2008-03-28
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-03-16
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Description

本発明は、加減圧素子としての圧電素子の消極処理や分極処理に好適なインクジェットヘッドを製造するためのインクジェットヘッド製造装置、インクジェットヘッド製造方法、及びヘッド接続基板とインクジェットヘッドを搭載したインクジェット装置に関する。

インクジェットヘッドに用いる加減圧素子として、電圧を印加すると歪みを生じる圧電素子がよく知られている。圧電素子は、焼成後、電極間に通常駆動を行うよりも高い電圧を印加して分極処理を行うことにより、特定方向に大きな圧電特性を示すようになり、アクチュエータとして用いることができる。

従来、圧電素子の分極を行った後にインクジェットヘッドが組み立てられる。しかし、制御用ＩＣを実装したフィルム基板を圧電素子に接続する際、半田付けや異方性導電膜等を用いるので、フィルム基板と圧電素子の接続時に加熱が行われる。圧電素子がキュリー温度に達した場合、圧電特性が劣化してしまうという問題があった。このような問題に対し、キュリー温度の高い圧電素子を用いて、キュリー温度より低い温度で制御用ＩＣを実装したフィルム基板を圧電素子に接続する方法がある（例えば、特許文献１）。しかし、近年、鉛を含有しない半田を使用する必要があり、接続に必要な温度が高くなっている。また、接着強度の向上、ノズル面や流路の表面処理のために高温で加熱処理を行う要望もある。所望の処理温度よりもキュリー温度の高い圧電素子を選択しようとすると圧電素子の選択範囲が狭まるという問題があった（例えば、非特許文献１、２）。

又、圧電素子を櫛歯状に切り分ける際や、ヘッドを組み立てた際に、電気的な要因、加工精度、組立て精度等の要因により、ノズル毎に駆動力のばらつきが生じるという問題があった。そのような問題に対し、圧電素子に一旦消極処理を行い、ノズル毎個別に適切な強度で再分極処理を行う方法（以下、分極補正と呼ぶ）がある（例えば、特許文献２、４）。

圧電素子を消極する一つの方法として、圧電素子をキュリー温度以上にする方法がある（例えば、特許文献２、非特許文献３）。この方法の場合、インクジェットヘッドを組み立てた後に数百度という高温にさらすことになる。接着剤の強度低下や部材の劣化等を招くという問題がある。圧電素子を消極する他の方法として、圧電素子の電極間に交流電圧を印加する方法がある。制御素子の逆極性に対する耐圧は一般的に低いため、この方法を用いると制御素子を破壊してしまうという問題がある。圧電素子を分極する方法として、圧電素子の電極間に、一定以上の電圧を印加する方法が一般的である（例えば、特許文献２）。この方法の場合、その電圧は通常駆動するのに必要な電圧よりも高いため、分極を行うためだけに駆動電圧よりもずっと耐圧の高い制御素子を選ばなければならない。よって、制御素子の選択範囲が狭まる上にコストも上がるという問題があった。

そのような問題に対し、図１０に示したように、インク加減圧素子に駆動信号を印加するか否かを受け取ったデータにより制御を行う制御素子のグランド端子と電気的に接続される配線と、加減圧素子の共通電極と電気的に接続される配線の間に分極電圧を印加して、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される配線から前記加減圧素子の個別電極に電流が流れるように設けたダイオードを通れる電流で圧電素子を充電することで、制御素子に分極電圧を印加しないようにし、制御素子の破壊を防ぎながら、共通電極を同一にする圧電素子全てを一斉に同じ分極電圧で分極処理する方法が開示されている（例えば、特許文献３）。

しかし、特許文献３にあるように直流電圧を印加して一定の分極を行うには問題が無いものの、分極の度合いを精密に制御する際にはパルス状の電圧を印加する必要がある。その分極電圧の電圧変化が早い場合、例えば図１１（ａ）のような分極電圧波形を圧電素子の共通電極に印加した場合、圧電素子の個別電極には図１１（ｂ）のような電圧波形が現れる。これは、図１０に示した公知の構成では放電の経路が無いために、個別電極の電圧低下は圧電素子の自然放電に頼っているためである。

分極電圧の電圧変化が早い程、図１１（ｂ）の最高電圧Ｖｐは分極電圧の最高電圧Ｖｐｐに近付いて高くなるが、ＶｃｃにダイオードD１の順方向降下電圧を足した値よりは大きくならないため、制御素子の破壊に至る危険性は小さい。しかしながら、制御素子が破壊される確率は上がるうえ、分極は、圧電素子の共通電極と個別電極の電位差により生じた電界で行われるため、図１０に示した公知の構成では、図１１（ｂ）の最高電圧Ｖｐの値によっては、分極波形を印加し終わった後にもある程度分極が進むため、圧電素子の自然放電を考慮に入れて分極を行わなければならず、精密な分極が難しいという問題があった。又、自然放電には時間がかかるため、生産性が悪いという問題もあった。

さらに、圧電素子の消極を行おうとした場合、圧電素子の電極に交流電圧を印加する等して、圧電素子の共通電極と個別電極の間に発生する電界の向きを逐次変化させる必要がある。図１０に示した公知の構成では、放電の経路が無いために、消極電圧の電圧変化が早い場合、例えば図１２（ａ）のような消極電圧波形を圧電素子の共通電極に印加した場合、圧電素子の個別電極には図１２（ｂ）のような電圧波形が現れ、共通電極と個別電極の間に発生する電界の向きが変化しないため消極を行うことができない。

近年、産業用途にインクジェットヘッドが利用されるようになり、高分子有機ＥＬディスプレイの製造装置等、インクジェットヘッドのノズル毎の吐出液滴重量ばらつきを極めて少なくすることが求められるようになってきた。また、プリンタとしても、プリント速度はどんどん高速化の一途を辿っており、インクジェットヘッドのノズル毎の吐出液滴速度ばらつきを極めて少なくすることが求められている。これら吐出液滴のばらつきを抑えるには、先に述べた分極補正が有効な手段の一つである。しかし、分極補正を行って出荷しても、経時変化や環境の変化などによって吐出液滴のばらつきが出るという問題がある。

特開２００３−５５０４５号公報特開２００１−２７７５２５号公報特許第３８７９７２１号公報特開２００６−３１５３２６号公報

「日経エレクトロニクス」日経BP社出版、１９９５年５月８日発行（Ｎｏ．６３５）、Ｐ．９５（株）富士セラミックス、"圧電セラミックスの材料特性"材料特性表、[2007年１2月検索]インターネット＜URL：http://www.fujicera.co.jp/product/j/0１/mat.table_j.pdf＞（株）富士セラミックス、"圧電セラミックテクニカルハンドブック"Ｐ．５２、[2007年１2月検索]インターネット＜URL：http://www.fujicera.co.jp/product/j/01/10.pdf＞

本発明は、上記のような問題を鑑みてなされたものであり、制御素子をインクジェットヘッドに実装したままで、加減圧素子の消極や分極を行える装置を提供することを課題とする。加えて、インクジェットヘッドをインクジェット装置に搭載した状態で、インクジェット装置が加減圧素子の消極や分極や駆動を行えるようにすることを課題とする。

上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッド製造装置は、インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された基板を備えたインクジェットヘッドを製造するためのインクジェットヘッド製造装置であって、前記基板上で、前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線が互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線に電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極に電流が流れるように第２のダイオードを設け、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡する手段を有することを特徴とする。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに、短絡して同電位となっている前記第１の配線及び第２の配線と、前記第１の配線及び第２の配線とは分離されている前記第３の配線との間に消極電圧又は分極電圧を印加して、前記加減圧素子の消極又は分極を行うように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記消極又は分極が終了した後に前記短絡を解除させる手段を有するように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記第１のダイオードと第２のダイオードが前記制御素子の寄生ダイオードであるように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡し、消極又は分極が終了したときに前記短絡を解除する手段がスイッチであるように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記インクジェットヘッドが前記第１及び第２の配線と電気的に接続されたインクジェットヘッド側の端子を有していて、ヘッド接続基板側には、前記インクジェットヘッド側の端子と嵌合可能な端子を備え、前記第１の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第１の端子と、前記第２の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第２の端子が、ヘッド接続基板上で短絡するように配線されている、第１のヘッド接続基板と、前記インクジェットヘッド側の端子と嵌合可能な端子を備え、前記第１の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第３の端子と、前記第２の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第４の端子がヘッド接続基板上で短絡されていない、第２のヘッド接続基板とを有するように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記制御素子を前記インクジェットヘッドに搭載した後、定期的、または吐出液滴のばらつきが生じたとき、消極を行った後ノズル毎に再分極を行うように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記第１のダイオードのカソードに負電圧、前記第２のダイオードのアノードに正電圧がかかるように、前記第１及び第２のダイオードに順方向降下電圧程度以下のバイアス電圧を印加するように構成することができる。

上記のインクジェットヘッド製造装置においては、前記消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量を、前記第１及び第２のダイオードを流れる電流が、各ダイオードの耐電流値を超えない程度に小さくするように構成することができる。

また、上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェット装置は、インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された支持基板を備えたインクジェットヘッド、及び前記インクジェットヘッドの前記加減圧素子に対する駆動、分極又は消極を行うためのヘッド接続基板を搭載したインクジェット装置であって、前記インクジェットヘッドが、前記支持基板上で、前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線が互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線に電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極に電流が流れるように第２のダイオードとを有すると共に、前記ヘッド接続基板が、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡する手段を有することを特徴とする。

また、上記の課題を解決するため、本発明に係るインクジェットヘッド製造方法は、インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された基板を備えたインクジェットヘッドを製造するためのインクジェットヘッド製造方法であって、前記基板上で前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線とが互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線へ電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極へ電流が流れるように第２のダイオードを設け、前記加減圧素子の消極又は分極を行う際に前記第１の配線と第２の配線を短絡する短絡工程を有することを特徴とする。

本発明によれば、制御素子をインクジェットヘッドに実装したままで、制御素子を破壊することなく、圧電素子の電極間に両極性の電圧を印加して消極を行ったり、圧電素子の電極間に制御素子の耐圧以上の電圧を印加して分極を行ったりする装置が提供される。さらに本発明によれば、必要に応じてインクジェット装置が、消極を行った後ノズル毎に適切な強度で再分極を行うので、常にインクジェットヘッドのノズル毎の吐出液滴ばらつきを抑えることが可能な装置が提供される。

本発明の実施例を適用したインクジェットヘッドの一部斜視図である。本発明の実施例に係るインクジェットヘッドとヘッド接続基板の接続を説明するための斜視図である。本発明の実施例に係るインクジェットヘッドの駆動時の様子を説明した回路図である。本発明の実施例に係る圧電素子の消極を行う際の様子を説明した回路図である。本発明の実施例に係る圧電素子の分極を行う際の様子を説明した回路図である。ダイオードの順方向降下電圧を示した説明図である。本発明の他の実施例に係る回路図である。本発明の他の実施例に係る回路図である。本発明の他の実施例に係る回路図である。従来例の回路図である。従来例の問題点を示した説明図である。従来例の問題点を示した説明図である。本発明の他の実施例に係る回路図である。本発明の他の実施例に係る回路図である。

図１は、本発明の実施例を適用するインクジェットヘッドの構成を示す一部斜視図である。

インク流路形成部材１１に、インク圧力室１２が形成され、インク圧力室１２の一端はノズルプレート１３に開けられたノズル１４と連通している。インク圧力室１２の他端は、インクに加わった圧力が逃げるのを抑えるためにインク流路が絞ってある箇所であるリストリクタ１５を経て、共通インク流路１６に連通している。

インクを吐出させる圧力を発生させる手段は、積層構造の圧電素子１７で構成されている。圧電素子１７は積層方向に設けた圧電素子支持基板１８に固定されており、ｄ３３方向の圧電伸縮を利用して圧力を発生させている。よって、圧電素子１７の正極に設けられた個別電極１９に印加する電圧が下がって圧電素子１７が放電されれば減圧、圧電素子１７の個別電極１９に印加する電圧が上がって圧電素子１７が充電されれば加圧という動作をする。圧電素子１７の個別電極１９は圧電素子支持基板１８の片面に配され、制御素子２４の出力端子と超音波溶接により接続された配線２５と半田付けにより接続されており、制御素子２４の駆動電圧入力端子と超音波溶接により接続された配線２６は、駆動電圧発生回路（図示せず）の出力に接続されている。圧電素子１７の負電極に設けられた共通電極２０は、各圧電素子１７の負電極に共通した電極となっており、圧電素子支持基板１８のもう一方の面に配され、駆動電圧発生回路（図示せず）のグランドに接続されている。圧電素子支持基板１８とインク流路形成部材１１とは、互いにハウジング（図示せず）に固定されており、相対的に殆ど動かないようになっている。

圧電素子１７の圧電素子支持基板１８に固定されていない方の面は、弾性膜２１に固定されている。弾性膜２１はインク圧力室１２の壁の一部を形成しており、圧電素子１７の伸縮で弾性板２１が変形すると、圧力室１２の体積が変化するような構造となっている。

配線２６と接続された圧電素子１７の隣には、配線２６と接続されていない圧電素子２３が設けてあり、圧電素子２３の圧電素子支持基板１８に固定されていない方の面は、インク圧力室１２の仕切り２７に固定され、ヘッドの剛性を高めるのに役立っている。

本発明を適用したインクジェットヘッドは、以上のような構造と同じ部材が１／１５０インチ間隔で１列に複数個並んで構成されている。

次に、インクジェットヘッドのインク滴吐出原理について説明する。

圧電素子１７の個別電極１９に接続されている制御素子２４により、演算装置（図示せず）から送られてくるデータに従って、インク滴を吐出させるノズルの圧電素子の個別電極１９にのみ、駆動電圧が供給されている配線２６を接続し、個別電極１９に印加される電圧により、圧電素子１７の充電及び放電が行われるようにする。インク滴を吐出させないノズルの圧電素子１７は、自然放電しないように個別電極１９にＤＣ電圧を印加して、圧電素子１７を充電して自然長よりも積層方向に延びた状態として、弾性膜２１をインク圧力室１２に押し込んだ状態で略停止している。個別電極１９に印加している電圧が低下すると、放電が行われて積層方向に縮む。これにより弾性膜２１が引っ張られて圧力室１２が減圧し、共通インク流路１６からリストリクタ１５を通ってインクがインク圧力室１２に供給される。

続いて、正電極１９に印加している電圧が上昇すると、圧電素子が充電され、積層方向に伸びて、弾性膜２１をインク圧力室１２に押し込む。これによりインク圧力室１２のインクが加圧され、インク圧力室１２に連通したノズル１４よりインクが押し出され、インク滴２２として吐出する。インク圧力室１２が減圧過程では、リストリクタ１５の流路抵抗よりもノズル１４に働く表面張力の方が勝るように設計されているため、ノズル１４から空気を引き込むのではなく、インクがインク圧力室１２に供給される。インク圧力室１２の加圧過程では、ノズル１４に働く表面張力よりもリストリクタ１５の流路抵抗の方が勝るように設計されているため、リストリクタ１５から共通インク流路１６にインクが戻って行くのではなく、ノズル１４からインク滴が吐出する。

図３は、このインクジェットヘッドの駆動時の様子を説明した回路図である。

破線で囲まれた２０５がインクジェットヘッド、一点鎖線で囲まれた２０６がヘッド接続基板である。ダイオード４乃至７は、半導体製造時に意図しなくても生じる寄生ダイオードである。制御素子のゲート２０７に制御素子のグランド端子２０８に印加される電圧からダイオード５又は７の順方向降下電圧を引いた電圧Ｖｄより低い電圧が印加されると、制御素子のグランド端子２０８から電流が流れ込んで電圧Ｖｄ以下にならないようにし、制御素子のゲート２０７に制御素子の高圧電源端子２０９に印加される電圧にダイオード４又は６の順方向降下電圧を足した電圧Ｖｕより高い電圧が印加されると、制御素子の高圧電源端子２０９に電流が流れ出て電圧Ｖｕ以上にならないようにし、ゲート２０７が破損するのを防止する保護回路の役割も果たしている。

駆動電圧２１０が駆動電圧入力端子２１１から制御素子のゲート２０７に入力されており、ゲート２０７がＯＮすると、ゲート２０７に接続された圧電素子２１２の個別電極２１３に駆動電圧２１０がゲート２０７を通して印加され、充放電が行われる。ゲート２０７がＯＦＦしている間は圧電素子２１２の個別電極２１３には何も印加されない。制御素子のゲート２０７として、トランスミッションゲートと呼ばれるタイプのゲートを図示しているが、どのようなゲートであっても本発明は適用可能である。

制御素子の高圧電源端子２０９には高圧電源２１５が供給されており、この電圧は駆動電圧２１０の電圧以上に設定されている。制御素子のグランド端子２０８はグランド２１６に短絡してある。

制御素子の高圧電源端子２０９と電気的に接続される配線１と、前記制御素子のグランド端子２０８と電気的に接続される配線２と、圧電素子２１２の共通電極２１４と電気的に接続される配線３は互いに短絡されていない。絶縁されている場合に限らず、コンデンサや抵抗等で繋がっていても本発明は適用可能である。

図４は、本発明を適用して圧電素子の消極を行う際の様子を説明した回路図である。制御素子のゲート２０７はＯＦＦの状態にしておく。高圧電源端子２０９への電源２１５の供給も行わない。制御素子の高圧電源端子２０９と電気的に接続される配線１と、前記制御素子のグランド端子２０８と電気的に接続される配線２とを短絡してグランド２１６に接続してある。配線１及び配線２と、圧電素子２１２の共通電極２１４と電気的に接続される配線３との間に消極電圧３０１を印加する。なお、消極電圧は交流であり、圧電素子２１２の個別電極２１３と共通電極２１４の間に発生する電界の向きを逐次変化させることにより分極を解除する。

圧電素子２１２の共通電極２１４に印加される電圧が上昇している時は、圧電素子２１２の個別電極２１３からダイオード４を通して、高圧電源端子２０９に向けて電流が流れて放電する。個別電極２１３及び制御素子のゲート２０７の出力に印加される電圧は、ダイオード４の順方向降下電圧に保たれるので、圧電素子２１２の個別電極２１３と共通電極２１４の電位差を、略消極電圧３０１の電圧とすることができる。

圧電素子２１２の共通電極２１４に印加される電圧が降下している時は、制御素子のグランド電極２０８からダイオード５を通して、圧電素子２１２の個別電極２１３に向けて電流が流れて充電し、個別電極２１３及び制御素子のゲート２０７の出力に印加される電圧は、ダイオード５の順方向降下電圧にマイナスを付けた値に保たれるので、圧電素子２１２の個別電極２１３と共通電極２１４の電位差を、略消極電圧３０１の電圧とすることができる。

以上説明したように、制御素子にもダイオード４、５にも、ダイオードの順方向降下電圧程度の逆バイアス電圧が印加されるだけなので制御素子の破壊は起こらない。制御素子の耐圧を超える消極電圧を圧電素子の電極間にそのまま印加して消極を行うことができる。

上記の構成において、図４の場合、駆動電圧入力端子２１１はオープンになっている。あるいは、駆動電圧入力端子２１１をグランド２１６と短絡しても良い。

上記の構成では、配線１と配線２をグランド２１６に短絡した場合について説明した。しかし、配線１と配線２をグランド２１６に短絡しなくても、配線１と配線２を短絡すれば、制御素子に耐圧を超える電位差は生じないので、同様の効果が得られる。但し、その場合は、グランド端子２０８とグランド２１６の間に電位差が生じる可能性があるので、駆動電圧入力端子２１１を通して回路に電流が流れるのを防ぐため駆動電圧入力端子２１１をグランド２１６に短絡しない方が良い。

図５は、本発明を適用して圧電素子の分極を行う際の様子を説明した回路図である。
制御素子の高圧電源端子２０９と電気的に接続される配線１及び前記制御素子のグランド端子２０８と電気的に接続される配線２と、圧電素子２１２の共通電極２１４と電気的に接続される配線３との間に、配線３の側が負電圧となるように分極電圧３０２を印加する。圧電素子２１２の個別電極２１３よりも、共通電極２１４の電位を低くすることで、個別電極２１３から共通電極２１４の方向に電界を発生させ、分極の方向を揃える。他は消極の時と同じであるので、説明を省略する。

上記の構成において、駆動電圧入力端子２１１はオープンになっている。あるいは、駆動電圧入力端子２１１をグランド２１６に短絡しても良い。

上記の構成では、配線１と配線２をグランド２１６に短絡した場合について説明した。しかし、配線１と配線２をグランド２１６に短絡しなくても、配線１と配線２を短絡すれば、制御素子に耐圧を超える電位差は生じないので、同等の効果が得られる。但し、その場合は、グランド端子２０８とグランド２１６の間に電位差が生じる可能性があるので、駆動電圧入力端子２１１を通して回路に電流が流れるのを防ぐため駆動電圧入力端子２１１をグランド２１６に短絡しない方が良い。

以上のような構成と手段を備えた装置により、制御素子をインクジェットヘッドに実装したままで、制御素子を破壊することなく、圧電素子の電極間に両極性の電圧を印加して消極を行ったり、圧電素子の電極間に制御素子の耐圧以上の電圧を印加して分極を行ったりする事が可能となる。

図１３と図１４を用いて本発明による一実施例についてより具体的に説明する。スイッチ７０１と７０２はソリッドステートリレーやメカニカルリレーといった、外部信号により制御可能な切り替えスイッチであり、スイッチ７０１は、圧電素子の共通電極に繋がる配線３をコモンとして、駆動電圧２１０と、消極電圧３０１とを切り替えられるようになっている。図１３では圧電素子の共通電極に繋がる配線３と、駆動電圧２１０がスイッチ７０１により接続されており、図１４では圧電素子の共通電極に繋がる配線３と、消極電圧３０１がスイッチ７０１により接続されている。スイッチ７０２は、高圧電源端子２０９に繋がる配線１をコモンとして、高圧電源２１５と、グランド端子２０８に繋がる配線２とを切り替えられるようになっている。図１３では高圧電源端子２０９に繋がる配線１と、高圧電源２１５がスイッチ７０１により接続されており、図１４では高圧電源端子２０９に繋がる配線１と、グランド端子２０８に繋がる配線２がスイッチ７０１により接続されている。

図１３のようにスイッチを入れると図３に示した回路が成立し、図１４のようにスイッチを入れると、図４及び図５に示した回路が成立する。通常は図１３の状態でインクジェット装置を運転しており、分極を行いたい時に、図１４の状態に切り替えて消極を行った後、共通電極を同一にする圧電素子全てを一斉に同じ分極電圧で分極を行ってから、図１３の状態に戻して、装置の運転を開始する。
スイッチ７０１と７０２は連動していることが望ましく、連動していることによって、制御信号は１つだけで、運転状態と、消極状態及び再分極状態とを切り替えることができる。
何らかの理由で消極されたインクジェットヘッドを分極するだけであれば、本実施例において、消極の工程を省けばよい。
本実施例において、"装置の運転"を"ヘッドの吐出検査"に読み替えれば、インクジェットヘッドの製造装置を提供することができる。

図１３と図１４を用いて本発明による他の実施例について説明する。スイッチ７０１と７０２はソリッドステートリレーやメカニカルリレーといった、外部信号により制御可能な切り替えスイッチであり、スイッチ７０１は、圧電素子の共通電極に繋がる配線３をコモンとして、駆動電圧２１０と、消極電圧３０１とを切り替えられるようになっている。図１３では圧電素子の共通電極に繋がる配線３と、駆動電圧２１０がスイッチ７０１により接続されており、図１４では圧電素子の共通電極に繋がる配線３と、消極電圧３０１がスイッチ７０１により接続されている。スイッチ７０２は、高圧電源端子２０９に繋がる配線１をコモンとして、高圧電源２１５と、グランド端子２０８に繋がる配線２とを切り替えられるようになっている。図１３では高圧電源端子２０９に繋がる配線１と、高圧電源２１５がスイッチ７０１により接続されており、図１４では高圧電源端子２０９に繋がる配線１と、グランド端子２０８に繋がる配線２がスイッチ７０１により接続されている。

図１３のようにスイッチを入れると図３に示した回路が成立し、図１４のようにスイッチを入れると、図４及び図５に示した回路が成立する。通常は図１３の状態でインクジェット装置を運転しており、分極補正を行いたい時に、図１４の状態に切り替えて消極を行った後、図１３の状態に戻して、制御素子により分極を行うノズルを選択しながら、そのノズルの圧電素子に最適な分極電圧で分極を行うことで圧電素子の駆動力を補正し、全てのノズルについて分極補正が終了したら装置の運転を開始する。この時、分極電圧は制御素子の耐圧以下の値とする。最適な分極電圧とは、液滴速度が遅目又は液滴重量が少な目のノズルに対しては大き目の電圧とし、液滴速度が速目又は液滴重量が多目のノズルに対しては小さ目の電圧とすることである。

このような構成にする事で、装置で自動的に分極補正が行えるため、定期的に分極補正を行ったり、吐出液滴ばらつきをモニターしておき、ばらつきが一定以上になった時に分極補正を行ったりすることで、吐出液滴ばらつきの極めて少ないインクジェット装置を実現することができる。

スイッチ７０１と７０２は連動していることが望ましく、連動していることによって、制御信号は１つだけで、運転状態及び再分極状態と、消極状態とを切り替えることができる。
スイッチ７０１と７０２をトグルスイッチなどの手動スイッチとし、手動操作で消極処理、分極処理、駆動の状態を切り替えても良い。
本実施例において、"装置の運転"を"ヘッドの吐出検査"に読み替えれば、インクジェットヘッドの製造装置を提供することができる。

図２は、本発明によるさらに他の実施例を説明した斜視図である。１０１がインクジェットヘッド、１０２が消極又は分極処理時に使用する第１のヘッド接続基板、１０３がヘッド駆動時又は分極処理時に使用する第２のヘッド接続基板である。

インクジェットヘッド１０１は、圧電素子やインク流路を内在したハウジング１０４から、制御素子２４を実装したフィルム基板１０６が伸び出した形をしており、制御素子２４の出力端子と接続された配線２５は、ハウジング１０４に内在した図示しない圧電素子の個別電極と電気的に接続されており、図示しない圧電素子の共通電極は配線３と電気的に接続されている。

制御素子２４の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線１と、制御素子２４のグランド端子と電気的に接続される第２の配線２と、図示しない圧電素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線３は、フィルム基板１０６の端で端子群１１１と接続されている。

第１のヘッド接続基板１０２は、前記インクジェットヘッド１０１側の端子群１１１と嵌合可能なコネクタ１１２を備え、ヘッド接続基板１０２上で配線パターン１１３によって、コネクタ１１２の、前記第１の配線１と前記第２の配線２に対応した端子が短絡されており、端子群１１１とコネクタ１１２を嵌合させた際に、前記第１の配線１と、前記第２の配線２が短絡するようになっている。

第２のヘッド接続基板１０３は、前記インクジェットヘッド１０１側の端子群１１１と嵌合可能なコネクタ１１４を備え、ヘッド接続基板１０２上で、コネクタ１１４の、前記第１の配線１と前記第２の配線２に対応した端子は短絡されておらず、端子群１１１とコネクタ１１４を嵌合させた際に、前記第１の配線１と、前記第２の配線２が短絡しないようになっている。

共通電極を同一にする圧電素子全てを一斉に同じ分極電圧で分極を行うときは、第１のヘッド接続基板１０２とヘッド１０１を接続して前記第１の配線１と第２の配線２を短絡して消極又は分極を行い、消極又は分極が終了したときに、第２のヘッド接続基板１０３にヘッド１０１を接続し直すことで前記短絡を解除してインクジェットヘッド１０１の駆動を行う。

分極補正を行うときは、第１のヘッド接続基板１０２とヘッド１０１を接続して前記第１の配線１と第２の配線２を短絡して消極を行った後、第２のヘッド接続基板１０３にヘッド１０１を接続し直すことで前記短絡を解除して、制御素子により分極を行うノズルを選択しながら、そのノズルの圧電素子に最適な分極電圧で分極を行い、全てのノズルについて分極補正が終了したらインクジェットヘッド１０１の駆動を行う。

ここで、順方向降下電圧について説明する。ダイオードに電流を流すには、カソードに対するアノードの電圧を一定以上にする必要がある。さらに、大きな電流を流すにはカソードに対するアノードの電圧を高くしなければならない。本発明の説明で用いている順方向降下電圧とは、カソードとアノードの電位差である。

例えば図４の回路において、消極電圧３０１が図６（ａ）のような波形であった場合、個別電極２１３及び制御素子のゲート２０７の出力に印加される電圧は図６（ｂ）のような波形になる。図６（ａ）の電圧が降下している時には、図６（ｂ）の電圧はダイオード５の順方向降下電圧Ｖ５にマイナスを付けた電圧が現れ、図６（ａ）の電圧が上昇している時には、図６（ｂ）の電圧はダイオード４の順方向降下電圧Ｖ４が現れる。

消極電圧や分極電圧の単位時間当たりの電圧変化が大きいと、ダイオードに流す電流が大きくなるため、順方向降下電圧は大きくなり、個別電極２１３及び制御素子のゲート２０７の出力に印加される電圧は大きくなる。しかし、順方向降下電圧は、ダイオードの種類や電流にも因るが、コンマ数ボルトである。制御素子のゲート２０７はＯＦＦさせているので、ゲートの出力に印加されても通常問題になる程の電圧では無い。しかしながら、制御素子の保護回路が十分でなく、ダイオードの順方向降下電圧が制御素子の逆極性に対する耐圧より大きい場合や、分極の際コンマ数ボルトの微小な電圧変動が問題になるような場合、本発明の他の実施例によれば、ダイオード４のカソードに負電圧、ダイオード５のアノードに正電圧が印加されるので、ダイオード４及び５の順方向降下電圧程度以下のバイアス電圧を印加することにより解決可能である。

そのことについて図７を用いて説明する。ダイオード４及び５の順方向降下電圧を０．５Ｖとすると、ダイオード４のカソード側にバイアス電圧５０１として０．５Ｖを印加し、ダイオード５のアノード側にバイアス電圧５０２として０．５Ｖを印加する。すると、ダイオード４及び５のカソードに対するアノードの電圧は、バイアス電圧５０１及び５０２により十分な電流が流せるだけの電位差が付いているので、制御素子のゲート２０７の出力と圧電素子２１２の個別電極２１３に印加される電圧は略０Ｖとなり、逆極性電圧は印加されない。

他の実施例について図８を用いて説明する。ダイオード４のカソードを、制御素子の高圧電源端子２０９とは別の端子５０３に接続し、ダイオード５のアノードを、制御素子のグランド端子２０８とは別の端子５０４に接続した制御素子を用い、ヘッド接続基板２０６で、端子５０３に接続された配線５０５にバイアス電圧５０７として０．５Ｖを印加し、端子５０４に接続された配線５０６にバイアス電圧５０８として0.5Ｖを印加する。このような構成にすることにより、図７の構成と比較してノズル毎に外付けダイオード及び電源を接続する必要が無くなり、安価に本発明を実施することができる。

さらに他の実施例について図９を用いて説明する。制御素子の逆極性耐圧を０．４Ｖ、ダイオード４及び５の順方向降下電圧を０．５Ｖとすると、制御素子のゲート２０７の出力と圧電素子２１２の個別電極２１３に−０．５Ｖ〜＋０．５Ｖの電圧が印加される可能性があり、制御素子が破壊する恐れがある。高電圧電源端子２０９に−０．２５Ｖのバイアス電圧６０１を印加し、制御素子のグランド端子２０８に＋０．２５Ｖのバイアス電圧６０２を印加する。この場合、高圧電源端子２０９と制御素子のグランド端子２０８にはバイアス電圧である０．２５Ｖの逆極性電圧が印加され、制御素子のゲート２０７の出力には、ダイオード４及び５の順方向降下電圧０．５Ｖとバイアス電圧０．２５Ｖの差分である０．２５Ｖの逆極性電圧が印加される。何れも制御素子の逆極性耐圧０．４Ｖ以内となり、制御素子の破壊は起こらない。圧電素子の個別電極２１３に印加される電圧も−０．２５Ｖ〜＋０．２５Ｖと小さくすることができる。このような構成にすることで、ダイオード４及び５として制御素子の寄生ダイオードを利用することができる。

尚、消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量が大きいと、圧電素子の充放電電流の値も大きくなる。本発明では、充放電電流がダイオード４及び５を流れる。制御素子内のダイオードを用いる場合に、ダイオード４及び５の耐電流が小さいときは、消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量を、ダイオード４及び５を流れる電流がダイオードの耐電流値を超えない程度に小さくする必要がある。さもないと、ダイオードが破壊され、結果として制御素子自体が破壊される。例えば、ダイオード４及び５の耐電流値をI、圧電素子の静電容量をC、消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量をｄV／ｄｔとすると、圧電素子の充放電の際ダイオード４及び５を流れる電流はC・ｄV／ｄｔである。消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量ｄV／ｄｔはＩ／Ｃより小さくする必要がある。

ダイオード４及びダイオード５としては、制御素子の中に作り込むことも考えられる。しかし、制御素子の寄生ダイオードを利用することにより、ダイオードを追加で作り込む必要が無く好都合である。制御素子内のダイオードでは耐電流が不足する場合には、ダイオードを外付けしても良い。その場合、順方向降下電圧の小さいショットキーダイオードやゲルマニウムダイオード等を用いることが望ましい。

バイアス電圧５０１、５０２、５０７、５０８、６０１、６０２を印加する方法は、所望の電圧を発生する電源に限ったものではなく、別のダイオードに電流を流し、そのダイオードの順方向電圧降下を利用したもの等であっても良い。

圧電素子の駆動力をノズル毎に調節したい場合は、本発明により圧電素子の消極処理を行った後、再分極処理は、分極電圧が制御素子の耐圧以下となるように設計した上で、前記第２のヘッド接続基板１０３に接続するか、図１３のようにスイッチを切り替える等して、制御素子で再分極を行う圧電素子を選択しながら各圧電素子に最適の分極電圧を印加すると良い。分極電圧が制御素子の耐圧以下となるようにする方法としては、圧電素子の電極間隔を近付けることや、分極時に圧電素子を過熱することや、駆動電圧が制御素子の耐圧よりも相当低くて良いようにインクジェットヘッドを設計する等して、分極電圧が低くても良いようにすることが考えられる。

本発明は、圧電素子の消極又は分極を行う場合に限らず、制御素子を実装した状態で、加減圧素子に通常駆動を行うよりも高い電圧を印加したり、逆極性の電圧を印加したりする際には適用可能である。

本発明によれば吐出特性の揃ったインクジェットヘッドを安価に装置を大型化すること無く提供することが可能であり、吐出液滴のばらつきが小さいことが要求される高速プリンタ、フラットパネルディスプレイの製造装置、薄膜塗工装置などといった用途にも適用できる。

本発明に係るインクジェット装置には、少なくともインクジェットヘッドを搭載した様々な形態のインクジェット装置が含まれるものとする。

以上、発明を実施するための形態について説明を行ったが、本発明は上述の実施の形態のみに限定されるものではない。本発明の主旨をそこなわない範囲で変更することが可能である。

１…高圧電源端子に繋がる配線、２…グランド端子に繋がる配線、３…共通電極に繋がる配線、４…ダイオード、５…ダイオード、６…ダイオード、７…ダイオード、１１…インク流路形成部材、１２…インク圧力室、１３…ノズルプレート、１４…ノズル、１５…リストリクタ、１６…共通インク流路、１７…圧電素子、１８…圧電素子支持基板、１９…個別電極、２０…共通電極、２１…弾性膜、２２…インク滴、２３…圧電素子、２４…制御素子、２６…駆動電圧入力端子に繋がる配線、２７…圧力室の仕切り、１０１…インクジェットヘッド、１０２…消極又は分極処理時に使用するヘッド接続基板、１０３…ヘッド駆動時に使用するヘッド接続基板、１０４…ハウジング、１０６…フィルム基板、１１１…端子、１１２…コネクタ、１１３…配線パターン、１１４…コネクタ、２０５…インクジェットヘッド、２０６…ヘッド接続基板、２０７…制御素子のゲート、２０８…グランド端子、２０９…高圧電源端子、２１０…駆動電圧、２１２…圧電素子、２１３…個別電極、２１４…共通電極、２１５…高圧電源、２１６…グランド、３０１…消極電圧、３０２…分極電圧、５０１…バイアス電圧、５０２…バイアス電圧、５０３…端子、５０４…端子、５０５…配線、５０６…配線、５０７…バイアス電圧、５０８…バイアス電圧、６０１…バイアス電圧、６０２…バイアス電圧、７０１…スイッチ、７０２…スイッチ

Claims

インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された基板を備えたインクジェットヘッドを製造するためのインクジェットヘッド製造装置において、
前記基板上で、前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線が互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線に電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極に電流が流れるように第２のダイオードを設け、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡する手段を有することを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに、短絡して同電位となっている前記第１の配線及び第２の配線と、前記第１の配線及び第２の配線とは分離されている前記第３の配線との間に消極電圧又は分極電圧を印加して、前記加減圧素子の消極又は分極を行うことを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１又は２に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記消極又は分極が終了した後に前記短絡を解除させる手段を有することを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記第１のダイオードと第２のダイオードは、前記制御素子の寄生ダイオードであることを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡し、消極又は分極が終了したときに前記短絡を解除する手段はスイッチであることを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記インクジェットヘッドは前記第１及び第２の配線と電気的に接続されたインクジェットヘッド側の端子を有し、
ヘッド接続基板側には、前記インクジェットヘッド側の端子と嵌合可能な端子を備え、前記第１の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第１の端子と、前記第２の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第２の端子が、ヘッド接続基板上で短絡するように配線されている、第１のヘッド接続基板と、
前記インクジェットヘッド側の端子と嵌合可能な端子を備え、前記第１の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第３の端子と、前記第２の配線が電気的に接続された前記インクジェットヘッド側の端子が対応する、ヘッド接続基板側の第４の端子がヘッド接続基板上で短絡されていない、第２のヘッド接続基板とを有することを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至６のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記制御素子を前記インクジェットヘッドに搭載した後、定期的、または吐出液滴のばらつきが生じたときに、消極を行った後ノズル毎に最適な分極電圧で個別に分極を行うことを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至７のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記第１のダイオードのカソードに負電圧、前記第２のダイオードのアノードに正電圧がかかるように、前記第１及び第２のダイオードに順方向降下電圧程度以下のバイアス電圧を印加することを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
請求項１乃至８のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造装置において、前記消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量を、前記第１及び第２のダイオードを流れる電流が、各ダイオードの耐電流値を超えない程度に小さくしたことを特徴とするインクジェットヘッド製造装置。
インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された支持基板を備えたインクジェットヘッド、及び前記インクジェットヘッドの前記加減圧素子に対する駆動、分極又は消極を行うためのヘッド接続基板を搭載したインクジェット装置であって、
前記インクジェットヘッドが、前記支持基板上で、前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線が互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線に電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極に電流が流れるように第２のダイオードとを有すると共に、
前記ヘッド接続基板が、前記加減圧素子の消極又は分極を行うときに前記第１の配線と第２の配線を短絡する手段を有することを特徴とするインクジェット装置。
インク圧力室と、前記インク圧力室内のインクに対して加減圧を行う加減圧素子と、前記加減圧素子に対する駆動信号を制御する制御素子が実装された基板を備えたインクジェットヘッドを製造するためのインクジェットヘッド製造方法において、
前記基板上で前記制御素子の高圧電源端子と電気的に接続される第１の配線と、前記制御素子のグランド端子と電気的に接続される第２の配線と、前記加減圧素子の共通電極と電気的に接続される第３の配線とが互いに短絡しておらず、前記制御素子のゲートから前記加減圧素子の個別電極までの経路上に、前記加減圧素子の個別電極から前記第１の配線へ電流が流れるように第１のダイオードと、前記第２の配線から前記加減圧素子の個別電極へ電流が流れるように第２のダイオードを設け、前記加減圧素子の消極又は分極を行う際に前記第１の配線と第２の配線を短絡する短絡工程を有することを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。
請求項１１記載のインクジェットヘッド製造方法において、前記短絡工程の後に、前記加減圧素子の消極又は分極を行う際に、短絡して同電位となっている前記第１の配線及び第２の配線と、前記第１の配線及び第２の配線とが分離されている前記第３の配線との間に、消極電圧又は分極電圧を印加して、前記加減圧素子の消極又は分極を行う工程を有することを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。
請求項１１又は１２に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記第１のダイオードと前記第２のダイオードが、前記制御素子の寄生ダイオードであることを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。
請求項１１乃至１３のいずれか１項に記載のインクジェットヘッドの製造方法において、前記第１のダイオードのカソードに負電圧、前記第２のダイオードのアノードに正電圧がかかるように、前記第１および第２のダイオードに順方向降下電圧程度以下のバイアス電圧を印加することを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。
請求項１１乃至１４のいずれか１項に記載のインクジェットヘッド製造方法において、前記消極電圧又は分極電圧の単位時間当たりの電圧変化量を、前記第１および第２のダイオードを流れる電流が、各ダイオードの耐電流値を超えない程度に小さくしたことを特徴とするインクジェットヘッド製造方法。