(57)【要約】【課題】  圧電素子を用いたインクジェットヘッドにおいては、流路内の気泡の存在が不吐を引き起こす。【解決手段】  流路内のインクの充填状態を、レーザードップラー方式による圧電素子の変位挙動測定により検知する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
インク滴を吐出するための吐出口、連通口、個別液室からなるインク流路が設けられた基板上に、振動板を介して、圧電体と前記圧電体を挟んだ上下電極からなる圧電素子が設けられているインクジェットヘッドにおいて、
前記圧電素子の変位挙動を測定することで、インクの充填状態を検知することを特徴とするインクジェットヘッドの検査方法。
【請求項２】
基準駆動波形を前記圧電素子に印加した際の、前記圧電素子の変位挙動を、事前に定めた基準変位挙動と比較することでインクの充填状態を検知す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の検査方法。
【請求項３】
前記圧電素子の変位挙動は、レーザードップラー方式を用いて測定することを特徴とする請求項1及び請求項2に記載のインクジェットヘッドの検査方法。
【請求項４】
前記インクの充填状態を検知した際、前記充填状態が不十分な時は回復処理を行うことを特徴とする請求項1から請求項３に記載のインクジェットヘッドの検査方法。
【請求項５】
インク滴を吐出するための吐出口、連通口、個別液室からなるインク流路が設けられた基板上に、振動板を介して、圧電体と前記圧電体を挟んだ上下電極からなる圧電素子が設けられている少なくとも2つ以上のノズルよりなるインクジェットヘッドにおいて、レーザードップラー変位計または前記インクジェットヘッドをスキャンすることにより、逐次前記圧電素子の変位挙動を測定し、インクの充填状態を検知することを特徴とするインクジェットヘッドの検査方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、インクの充填状態を検知する手段を設けたインクジェットヘッドに関するものである。また本発明のよるピエゾ型インクジェットヘッドは、紙、布、革、不織布、ＯＨＰシート等に印刷するインクジェット記録装置や、基板、板材等の固体物に液体を付着させるパターニング装置や塗布装置等に適用可能である。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、カラー化が容易であり、記録品位が高く、また高速記録が可能であるという利点を有している。さらに普通紙等にも記録でき、装置を小型化し易いといった多くの優れた利点を有していることより、プリンターやファクシミリ等の画像記録装置として用いられている。また、特にピエゾ型のインクジェットヘッドは、吐出させるインクの自由度の高さから、デバイス製造向けのパターニング装置や産業機器等の産業用途への応用が展開されている。
【０００３】
これらインクジェット記録装置においては、インク吐出の安定化を図るために回復処理機構が設けられており、電源投入時やインクカートリッジ交換時に回復処理を行っている。ゴム等によるオリフィスプレート面のワイピング、ポンプによる吸引動作を行うことで、インク流路内をインクで完全に充填するものである。
【０００４】
従来例としては、例えば特許文献１と特許文献２をあげることが出来る。
【特許文献１】特開2004-276544号公報
【特許文献２】特開2004-314458号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、回復処理を行った後も吐出の安定していない素子が存在していたり、連続印字、連続吐出させている間に不吐出となる素子が発生する問題があった。これらは画像の悪化を引き起こすものである。さらに産業用途、例えばデバイス製造装置向けのパターニング装置を考えた際は、1滴、2滴の不吐出がそのデバイスの信頼性の大幅な減少を引き起こすものとなる。
【０００６】
また、電源投入時の回復処理は通常ポンプ等で十分に吸引動作を行う。よって印字、印刷以外の部分で大量のインクを消費してしまうという問題があった。
【０００７】
インク吐出が安定しない理由の1つにはインク流路内にインクが完全に充填されていない、すなわちインク流路内における気泡の発生、また気泡の混入が挙げられる。特にピエゾ型のインクジェットヘッドではわずかな気泡の存在によりインクが不吐出となるといった問題があった。
【０００８】
このような背景を鑑みて、本発明はインクの充填状態をあらかじめ検知して、安定的なインクの吐出を実現するインクジェットヘッドを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本出願に係る請求項1の発明は、インク滴を吐出するための吐出口、連通口、個別液室からなるインク流路が設けられた基板上に、振動板を介して、圧電体と圧電体を挟んだ上下電極からなる圧電素子が設けられているインクジェットヘッドにおいて、圧電素子の変位挙動を測定することで、インクの充填状態を検知することを特徴とする。圧電素子の変位挙動を測定することで、インク流路内のインクの充填状態を電気的に検知することができる。
【００１０】
本出願に係る請求項2の発明は事前に定めた基準駆動波形を圧電素子に印加した際の、圧電素子の変位挙動を、事前に定めた基準変位挙動と比較することでインクの充填状態を検知することを特徴とする。インク流路内にインクが完全に充填されている状態で、ある基準駆動波形を圧電素子に印加した際の圧電素子の変位挙動、変位プロファイルを事前に得て、これを基準変位挙動としておく。測定したいノズルの圧電素子に基準駆動波形を印加し、変位挙動を測定、これを基準変位挙動と比較することでインク流路内のインクの充填状態を検知することができる。
【００１１】
本出願に係る請求項3の発明は圧電素子の変位挙動をレーザードップラー方式を用いて測定することを特徴とする。圧電素子の変位挙動をレーザードップラー方式を用いて測定することで、電気的に正確にnmレベルの変位挙動を測定することができる。
【００１２】
本出願に係る請求項4の発明はインクの充填状態を検知した際、充填状態が不十分な場合は回復処理を行うことを特徴とする。流路内のインクの充填状態が不十分と検知された際は直ちに回復処理を行い、インク流路内の気泡を除去するものである。
【００１３】
本出願に係る請求項5の発明はインク滴を吐出するための吐出口、連通口、個別液室からなるインク流路が設けられた基板上に、振動板を介して、圧電体と圧電体を挟んだ上下電極からなる圧電素子が設けられている少なくとも2つ以上のノズルよりなるインクジェットヘッドにおいて、レーザードップラー変位計またはインクジェットヘッドをスキャンし、逐次圧電素子の変位挙動を測定することを特徴とする。これにより複数の流路内のインクの充填状態を検知することができる。
【発明の効果】
【００１４】
以上説明したように本発明によれば、インク流路内のインクの充填状態を、レーザードップラー方式による圧電素子の変位挙動測定により検知することで、安定的な吐出が実現できるインクジェットヘッドを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明を図示の実施例に基いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１６】
本発明の第１実施例を示す。まず、ピエゾ型インクジェットヘッドの代表的な作製方法の概略を説明する。
【００１７】
図3に示すように厚さ400μmのシリコン基板301を用いて個別液室302等のインク流路309を形成する。1μm厚さの酸化膜をエッチングマスクとして用い、シリコンの深堀り技術として知られているICP(Inductively Coupled Plasma)エッチング装置を用いる。
【００１８】
まず、シリコン基板301の表面に個別液室302用のエッチングマスクを形成後、ICPエッチングで深さ100μｍの個別液室302を形成する。また個別液室302の長手方向の長さは3mmである。
【００１９】
次にシリコン基板301の裏面にノズル連通口303及び共通液室304用のパターン用エッチングマスクを形成、ICPエッチング装置を用いて深さ300μmのノズル連通口303と共通液室304を形成する。
【００２０】
ICPによるシリコン基板の加工は高精度に行うことができるが、高密度のインクジェットヘッド、すなわちより狭い幅のインク流路309となると、気泡がたまりやすい。又、インクジェットヘッドの用途によっては、インク流路309の形状を複雑にする必要性もあり、気泡が貯まりやすいインク流路形状となってしまう。
【００２１】
シリコン基板301の加工後、個別液室302を覆うように表面に振動板305を形成する。本実施例では振動板305としてSD2ガラスを陽極接合し、その後研磨によって5μm厚さの振動板305を形成した。
【００２２】
次に振動板305上に下電極306として150nm厚のPtを成膜法により形成した後、圧電体薄膜307を成膜する。圧電体薄膜307としては鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたPb(Zr,Ti)O3ペロブスカイト型酸化物（以下、PZTと略す）をスパッタ法で3μm形成する。スパッタ装置から取り出した後、酸素雰囲気中で700℃で焼成を行い、PZT膜を結晶化させる。良好な圧電性を得るため、PZT薄膜の組成がPb(Zr0.52Ti0.48)O3となるようにする。PZT膜の組成としては必ずしも上記組成に限定されず、他の組成でも構わない。またPZT膜厚は3μmに限定しているものではない。
【００２３】
その後、圧電体薄膜307上に厚さ150nmのPt電極を成膜し、上電極308とする。次に個別液室302に対応するように、圧電体薄膜307と上電極308をエッチングにより加工する。まず、上電極308上にフォトレジストを塗布、BCl3ガスによるドライエッチングにより上電極308を加工する。次に、圧電体薄膜307をレジストによりパターニングし、フッ硝酸によるウエットエッチングを行い、上電極308、圧電体薄膜307、下電極306からなる圧電素子310を形成する。
【００２４】
最後にシリコン基板301の裏面にSUS板等にパンチ加工等で別加工したオリフィスプレート311を貼り合わせ、ピエゾ型インクジェットヘッド312を作製する。
【００２５】
次にインク充填検知装置について説明する。図1に示すように、インクジェットヘッド312の上部にレーザードップラー本体101からのレーザ光102が、レンズユニット103及びレンズ104を通過して照射され、反射光105は再びレンズ104及びレンズユニット103を経由してレーザードップラー本体101に戻される形態を構成している。またこれらはコンピュータ106上で制御、分析できるようになっている。
【００２６】
変位測定の原理は、空間的、時間的分解能が高く、かつ精度のよい測定原理として、いわゆるレーザドップラー方式を用いる。例えば、数μｍのスポット径のHe-Neレーザ（波長632.8mm）を当て、反射レーザ光のFM検波による速度復調を行う。さらに、速度信号を積分して変位に変換することで、変位挙動を得ることができる。
【００２７】
レーザ光102をノズル列方向及びノズルの長さ方向に走査しながら、上記レーザードップラー方式により圧電素子の変位挙動を測定することができる。
【００２８】
次にインクの充填状態を検知する方法を具体的に述べる。
【００２９】
インクジェットヘッドにインクを充填後印字開始前に、使用するノズルの上電極308上のある位置にレーザ光102を照射する。本実施例では個別液室302の長手方向3mmの中央の1.5mmの位置にレーザ光102を照射する。その後、予備吐出を行い、その際の圧電素子310の変位挙動を測定する。本実施例では駆動電圧20V、パルス幅10μsの矩形波を基準駆動波形として印加し、その際の変位挙動をレーザードップラー方式で検知した。
【００３０】
図2は測定した変位挙動の結果である。電圧の印加と共に圧電素子310が変位し、液滴吐出後も圧電素子310は変位している。この残留振動は圧電素子310、振動板305等の物性や構造、またこれらとインクとの連成で決まる固有周期を表している。
【００３１】
この得られた変位挙動と、事前に測定しておいた基準変位挙動とを比較して、インクの充填状態を検知する。本実施例の場合、基準変位挙動とは、インクが完全に充填されている状態で、前記基準駆動波形を駆動波形として印加した際の変位挙動を示す。また、より信頼性を高めるため、基準変位挙動の測定時は変位挙動とインクの吐出状態を同時に観察できる装置で別途測定しておいても構わない。
【００３２】
インク流路309内へのインクの充填状態が不十分、すなわち気泡が混入している場合は図2に示したような変位挙動とは大きく異なる。特に圧電素子、振動板、インク等との連成で決まる固有周期は、インクの充填状態が不十分な場合は完全に充填されている状態と大きく異なるので、変位挙動の残留振動の振幅、周期は異なって検出される。よって、圧電素子310の変位挙動を測定することで、インクの充填状態が完全か否かを判別することができるのである。
【００３３】
インクの充填状態が不十分と判断された場合は、そのノズルをポンプ等で吸引、すなわち回復処理を行いインク流路309内に混入している気泡を除去する。回復処理後、再び変位挙動測定を行い、インクの充填状態を確認してもよい。またこれらの比較、判断はコンピュータ106上で自動的に行ってもユーザー自身が行っても構わない。
【００３４】
さらに、レンズユニット103をスキャン、レーザ光102の照射する位置を変え、複数の圧電素子310の変位挙動を測定することで、複数のインク流路309内のインクの充填状態を検知するができる。なおこの際は、必ずしもレンズユニット103を動かす必要はなく、インクジェットヘッド312を動かすことで、レーザ光102の照射する位置を変えても構わない。
【００３５】
本番印字や本番吐出前に、インクの充填状態をあらかじめ検知、充填状態が不十分な場合は回復処理を行い完全なインクの充填状態としているので、安定的なインクの吐出を実現することができる。
【実施例２】
【００３６】
インクの充填状態を検知する際の予備吐出の状況が実施例1とは異なる実施例を示す。流路が形成されたシリコン基板上に振動板、下電極、圧電体薄膜、上電極を形成する工程及び上電極加工後のPZT加工及びオリフィスプレート接合は実施例1と同様である。またインク充填検知装置の構成も実施例1と同様である。
【００３７】
インクジェットヘッドにインクを充填後印字開始前に、使用するノズルの上電極308上のある位置にレーザ光102を照射する。本実施例では個別液室302の長手方向3mmの中央の1.5mmの位置にレーザ光102を照射する。その後、基準駆動電圧を印加するのであるが、本実施例では吐出させない程度の電圧を基準駆動電圧として選択し、液滴を吐出させない状態で圧電素子310の変位挙動を測定する。本実施例では駆動電圧5V、パルス幅10μsの矩形波を基準駆動波形として印加し、その際の変位挙動をレーザードップラー方式により検知した。
【００３８】
この得られた変位挙動と、事前に測定しておいた基準変位挙動とを比較して、インクの充填状態を検知する。インクの充填状態が不十分と判断された場合は、そのノズルをポンプ等で吸引、すなわち回復処理を行いインク流路内に混入している気泡を除去する。
【００３９】
本番印字や本番吐出前に、インクの充填状態をあらかじめ検知、充填状態が不十分な場合は回復処理を行い完全なインクの充填状態としているので、安定的なインクの吐出を実現することができる。また予備吐出させないので、本番印字以外での余分なインクの浪費がない。
【実施例３】
【００４０】
インクの充填状態を検知する際の方法が実施例1及び実施例2とは異なる実施例を示す。本実施例では例えば産業用途等で使用する場合の例であり、本番吐出や本番印字中に圧電素子の変位挙動を連続観測し、インクの充填状況を検知するものである。
【００４１】
流路が形成されたシリコン基板上に振動板、下電極、圧電体薄膜、上電極を形成する工程及び上電極加工後のPZT加工及びオリフィスプレート接合は実施例1及び実施例2と同様である。またインク充填検知装置の構成も実施例1及び実施例2と同様である。
【００４２】
本番吐出中の際に、吐出中（使用中）のノズルの上電極308上のある位置にレーザ光102を照射し続ける。本実施例では個別液室302の長手方向3mmの中央の1.5mmの位置にレーザ光102を照射し、駆動電圧40V、パルス幅5μsの矩形波を駆動波形として印加して圧電素子310の変位挙動を測定した。この得られた変位挙動と、事前に測定しておいた同駆動波形を印加した際に得られる基準変位挙動とを随時比較して、インクの充填状態を定期的に検知する。さらに複数のノズルで吐出を行っている場合は、レンズユニット103を随時スキャンし、レーザ光102を複数の上電極308上にあて変位挙動を観測することで、複数のノズルのインクの充填状態を検知する。
【００４３】
インク流路309内へ気泡が混入し不吐となっている場合は、基準変位挙動とは大きく異なる変位挙動となる。このような場合は吐出作業をただちに止め、そのノズルをポンプ等で吸引、すなわち回復処理を行いインク流路309内に混入している気泡を除去する。回復処理後は吐出作業を再開する。なおこれらの比較、判断はコンピュータ上で自動的に行ってもユーザー自身が行っても構わない。
【００４４】
本番吐出中や本番印字中にインクの充填状態を随時検知、充填状態が不十分な場合は吐出作業をただちに中止し回復処理を行っているので、産業用途等で用いるインクジェットヘッドに必要とされる高品位、高信頼性が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】インク充填検知装置
【図２】圧電素子の変位挙動のプロファイル
【図３】インクジェットヘッドの構成図
【符号の説明】
【００４６】
101  レーザードップラー本体
102  レーザ光
103  レンズユニット
104  レンズ
105  反射光
106  コンピュータ
301  シリコン基板
302  個別液室
303  ノズル連通口
304  共通液室
305  振動板
306  下電極
307  圧電体薄膜
308  上電極
309  インク流路
310  圧電素子
311  オリフィスプレート
312  インクジェットヘッド
【図１】
2008221524.tif 000003
【図２】
2008221524.tif 000004
【図３】
2008221524.tif 000005