(57)【要約】【課題】  連続して記録動作を行うと、素子列の中央部付近においては熱が十分に放熱されず蓄熱されるため、基板温度が上昇してしまう。これに伴い、流路内部の液体の温度も上昇するため、液体の粘度低下を招き、吐出される液体の吐出量にばらつきが生じ、画像の濃度ムラが発生することになる。【解決手段】  温度が上昇するに伴い電気抵抗が下がる材料を用いて温度検知素子を設け、熱作用部の温度を測定することにより、液体を発泡する際の熱作用部の温度を詳細に見積もることができる。【選択図】  図５
2012091455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流路内の液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子を備えた基体と、
前記エネルギー発生素子に接して前記エネルギー発生素子を覆うように設けられた絶縁材料からなる保護層と、
前記保護層を挟んで前記エネルギー発生素子と対向する位置に設けられ、前記保護層の液体に前記熱エネルギーを伝える熱作用部として用いられる部分の温度を測定するために用いられる温度検知素子と、
を有する液体吐出ヘッドであって、
前記温度検知素子は、温度の上昇に伴い電気抵抗が小さくなる材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド。
【請求項２】
前記エネルギー発生素子を駆動するための論理信号を出力する駆動回路と、
前記信号に応じて前記エネルギー発生素子に駆動用の電圧を印加するための制御を行うスイッチング素子と、
を有し、
前記駆動回路は、前記温度検知素子に流れる電流量に応じて前記スイッチング素子を制御することを特徴とする請求項１に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項３】
前記材料は、炭化珪素であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項４】
前記炭化珪素は、３０ａｔ．％以上かつ９０ａｔ．％以下の炭素を含有していることを特徴とする請求項３に記載の液体吐出ヘッド。
【請求項５】
液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子を備えた基体と、
前記エネルギー発生素子に接して前記エネルギー発生素子を覆うように設けられた絶縁材料からなる保護層と、
前記保護層を挟んで前記エネルギー発生素子と対向する位置に設けられ、前記保護層の液体に前記熱エネルギーを伝える熱作用部として用いられる部分の温度を測定するために用いられる温度検知素子と、
を有する液体吐出ヘッド用基板であって、
前記温度検知素子は、温度の上昇に伴い電気抵抗が小さくなる材料からなることを特徴とする液体吐出ヘッド用基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体吐出ヘッド及び液体吐出ヘッド用基板に関する。
【背景技術】
【０００２】
サーマル方式の液体吐出ヘッドを搭載した液体吐出装置は、液体に熱エネルギーを与え、液体を膜沸騰させることで生じた気泡の圧力で、液体吐出ヘッドの吐出口から液滴を吐出して記録動作を行う。
【０００３】
このような吐出方式の液体吐出ヘッドでは、連続して記録動作を行って、熱が十分に放熱されず蓄熱量が大きくなると、基板温度が上昇してしまうことがある。基板温度が大きく上昇すると、吐出口、発熱部の温度が変化して、吐出のたび、あるいは吐出口毎に吐出される液体の量にばらつきが生じ、画像に濃度ムラが発生することになる。
【０００４】
そのため、エネルギー発生素子が発生する熱を液体に伝える熱作用部の発泡時の温度を検知し、この温度によってエネルギー発生素子の駆動時間を制御することで、吐出量のばらつきを極力抑える手段が特許文献１に開示されている。特許文献１では、液体吐出ヘッドの熱作用部表面の温度を検知するために、熱作用部がインクと接する面にタンタル等の単金属からなる温度検知素子を設けている。タンタルは、温度に依存して抵抗値が変化する性質を有しているため、電圧を印加して流れる電流量を検知することで熱作用部の温度を見積もることができ、エネルギー発生素子の駆動時間を制御することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−２３１１７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら特許文献１に開示される温度検知素子に用いられている単金属は、温度の上昇に伴い抵抗値が大きくなる特性を有している。抵抗値と電流値は反比例の関係を有しているため、液体が発泡する４００℃付近という高温においては、２０℃〜３０℃程度の室温に比べ温度変化に伴って電流値が変化する割合が小さくなる。そのため検知しようとする温度域が高温域である場合には、温度変化に伴う電流値の変化を高い感度で検知できず、熱作用部の温度が正確に検知できない恐れがあった。
【０００７】
そこで本発明は上記課題を解決鑑み、エネルギー発生素子の発生する熱を液体に伝える熱作用部の温度変化を高い感度で検知することができる信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る液体吐出ヘッドは、流路内の液体を吐出するための熱エネルギーを発生するエネルギー発生素子を備えた基体と、前記エネルギー発生素子に接して前記エネルギー発生素子を覆うように設けられた絶縁材料からなる保護層と、前記保護層を挟んで前記エネルギー発生素子と対向する位置に設けられ、前記保護層の液体に前記熱エネルギーを伝える熱作用部として用いられる部分の温度を測定するために用いられる温度検知素子と、を有し、
前記温度検知素子は、温度の上昇に伴い電気抵抗が小さくなる材料からなることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
温度が上昇するに伴い電気抵抗が下がる材料で温度検知素子を設けることにより、液体が発泡するような高い温度の付近において電流値の変化を感度良く検知することがでる。これにより、熱作用部の温度を正確に検知することができる信頼性の高い液体吐出ヘッドを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に係る液体吐出装置およびヘッドユニットの斜視図である。
【図２】本発明に係る液体吐出ヘッドの斜視図および切断面図である。
【図３】エネルギー発生素子の表面温度を検知する温度検知素子を有する液体吐出ヘッドの駆動回路構成の一例を示す図である。
【図４】本発明に係る液体吐出ヘッドの温度検知素子の上面図である。
【図５】炭化珪素の温度と電流密度と温度の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
液体吐出ヘッドは、プリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリンタ部を有するワードプロセッサなどの装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業記録装置に搭載可能である。そして、この液体吐出ヘッドを用いることによって、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックスなど種々の被記録媒体に記録を行うことができる。
【００１２】
本明細書内で用いられる「記録」とは、文字や図形などの意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターンなどの意味を持たない画像を付与することも意味することとする。
【００１３】
さらに「液体」とは広く解釈されるべきものであり、被記録媒体上に付与されることによって、画像、模様、パターン等の形成、被記録媒体の加工、或いはインクまたは被記録媒体の処理に供される液体を言うものとする。ここで、インクまたは被記録媒体の処理とは、例えば、被記録媒体に付与されるインク中の色材の凝固または不溶化による定着性の向上や、記録品位ないし発色性の向上、画像耐久性を向上させるための処理のことを言う。
【００１４】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、以下の説明では，同一の機能を有する構成には図面中同一の番号を付与し、その説明を省略する場合がある。
【００１５】
（液体吐出装置）
図１（ａ）は、本発明に係る液体吐出ヘッドを搭載可能な液体吐出装置を示す概略図である。
図１（ａ）に示すように、リードスクリュー５００４は、駆動モータ５０１３の正逆回転に連動して駆動力伝達ギア５０１１，５００９を介して回転する。キャリッジＨＣはヘッドユニットを載置可能であり、リードスクリュー５００４の螺旋溝５００５に係合するピン（不図示）を有しており、リードスクリュー５００４が回転することによって矢印ａ，ｂ方向に往復移動される。このキャリッジＨＣには、ヘッドユニット４０が搭載されている。
【００１６】
（ヘッドユニット）
図１（ｂ）は、図１（ａ）のような液体吐出装置に搭載可能なヘッドユニット４０の斜視図である。液体吐出ヘッド４１（以下、ヘッドとも称する）はフレキシブルフィルム配線基板４３により、液体吐出装置と接続するコンタクトパッド４４に導通している。また、ヘッド４１は、インクタンク４２と接合されることで一体化されヘッドユニット４０を構成している。ここで例として示しているヘッドユニット４０は、インクタンク４２とヘッド４１とが一体化したものであるが、インクタンクを分離できる分離型とすることも出来る。
【００１７】
（液体吐出ヘッド）
図２（ａ）は、本発明を用いることができる液体吐出ヘッド４１の斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ’に沿って垂直に、液体吐出ヘッド４１を切断した場合の断面模式図である。
【００１８】
液体吐出ヘッド４１は、液体を吐出するための熱エネルギーを発生するために利用されるエネルギー発生素子１２を備えた液体吐出ヘッド用基板５０と、液体吐出ヘッド用基板５に接して設けられた流路壁部材１４とを有している。液体吐出ヘッド用基板５には、エネルギー発生素子１２が設けられた基体１の表面と、表面とは反対側の裏面とを貫通し、液体を供給するための供給口４５が設けられている。供給口４５に沿って供給口４５の両側に、複数のエネルギー発生素子１２が配列してなる素子列が構成されている。さらに液体吐出ヘッド用基板５の端部には、エネルギー発生素子１２を駆動するために用いられる電気的信号や電力を、液体吐出装置などの外部から供給するため複数の端子１７が設けられている。
【００１９】
次に液体吐出ヘッド用基板５の層構成について説明する。
【００２０】
シリコンからなる基体１の上に、酸化シリコンなどからなる蓄熱層としても用いられる絶縁層１０を介して、通電することで熱を発生するＴａＳｉＮ、ＴａＮ，ＴａＡｌ等からなる発熱抵抗層２がスパッタ法等を用いて約０．０５μｍ設けられている。さらにこの発熱抵抗層２に電力を供給するために用いられるＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ等の導電材料を主成分とする一対の電極３が発熱抵抗層２に接するようにスパッタリング法等により、約０．３５μｍの厚さで設けられている。この一対の電極３の間に位置する発熱抵抗層２がエネルギー発生素子１２として用いられる。
【００２１】
さらに一対の電極３及び発熱抵抗層２を化学的腐食等から保護するために、第一の保護層４が設けられている。このエネルギー発生素子１２の上側に位置する液体に熱を伝える第一の保護層４の部分を熱作用部と呼ぶ。また第一の保護層４は、一対の電極３とその上に設ける電極層５との絶縁を保つ機能も有する。このような保護層４を、酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料をＣＶＤ法を用いて約０．３μｍの厚さで設ける。エネルギー発生素子１２の上側に対応する保護層４の上に、温度検知素子として用いられる材料層７を、例えばＣＶＤ法を用いて約０．３μｍの厚さ設ける。この材料層７は、保護層４の上に設けられた電極層５と、第二の保護層６のスルーホール７ａを介して電気的に接続している。電極層５はＡｌ、ＡｌＳｉ、ＡｌＣｕ等の導電材料を用いて、スパッタリング法等により、約０．３５μｍの厚さで設ける。第二の保護層６は酸化シリコン（ＳｉＯ２）や窒化シリコン（ＳｉＮ）等の絶縁材料をＣＶＤ法を用いて約０．３μｍの厚さで設ける。材料層７をインクから保護するために、絶縁材料からなる保護層（不図示）をさらに設けることもできる。
【００２２】
流路壁部材１４は、エネルギー発生素子１２により発生するエネルギーを用いて流路内の液体を吐出することができる吐出口１３を、其々のエネルギー発生素子１２に対向する位置に有している。流路壁部材１４はさらに、吐出口１３と供給口４５とを連通する流路４６となる壁４６ａを有しており、液体吐出ヘッド用基板５と接することで流路４６ａを構成している。また液体吐出ヘッド用基板５と流路壁部材１４との間に、金属や無機物で構成されている液体吐出ヘッド用基板５の面と、流路壁部材１４との密着性を向上するとともに、エネルギー発生素子１２を液体から保護するために樹脂層８を設けることもできる。樹脂層８の材料としては、熱可塑性樹脂を用いることができ、具体的にはポリエーテルアミド、ポリイミド、ポリカーボネイト、ポリエステル等の材料を用いることができる。
【００２３】
液体は供給口４５から供給され、流路４６ａに運ばれ、一対の電極３の間に通電することでエネルギー発生素子１２の発生する熱により、接液面で膜沸騰を起こす。これにより生じる気泡の圧力により、吐出口１３から液滴が被記録媒体に向けて吐出されることで、記録動作が行われる。
【００２４】
温度検知素子として用いられる材料層７は、温度が上昇するに伴い電気抵抗が下がる材料で設けられており、電極層５に任意の駆動用の電圧を印加して材料層７に電流を流すことで、このとき流れる電流値をもとに温度の変化を検知することができる。
【００２５】
一定の電圧が印加されている状態では電気抵抗と電流値は反比例するため、温度が上昇するに伴い電気抵抗が下がる材料を用いることにより、液体が膜沸騰を起こす４００度以上という高温環境下で、室温よりも、温度変化に対応する電流値変化量が大きくなる。つまり、２０℃〜３０℃程度の室温で正常に検知できることを確認しておけば、所望の温度域において正常に使用することができ、かつ、所望の温度域においてより感度良く温度変化を検知することができる。
【００２６】
このような材料としては、炭化珪素、アモルファスシリコン、窒化シリコンが挙げられる。特に、炭化珪素はアルカリ性を有するインクに耐性があるため、直接インクに接するような発熱部の表面に設け温度検知素子として用いることができる。このような材料を用いて発熱部のインクに接する面に温度検知素子を設けることにより、より詳細に発泡時の温度を検知することができる。
【００２７】
（実施例）
次に炭化珪素を材料層７として用いた場合の実施例を示す。温度検知素子を有する代表的な液体吐出ヘッドの回路構成の一例を図３に示す。
【００２８】
電極層５に任意の駆動用の電圧を印加すると、熱作用部に接して設けられた炭化珪素からなる材料層７は、熱作用部の温度に対応した抵抗値となっているため、これに伴った電流量が流れる。図３に示す『温度検知素子』が熱作用部となる第一の保護層４に接して設けられた材料層７である。
【００２９】
液体吐出ヘッドには、エネルギー発生素子１２を駆動するかを決定する論理信号を出力する駆動回路１５と、エネルギー発生素子１２のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチング素子１６として用いられるＭＯＳ−ＦＥＴとが設けられている。温度検知素子を駆動回路１５と接続し、駆動回路は材料層に流れる電流量に応じて駆動回路からスイッチング素子１６へと送る信号をＯＮ／ＯＦＦ制御するために用いることで、エネルギー発生素子１２への電圧印加時間（パルス幅）を制御することができる。例えば熱作用部の温度が、液体が膜沸騰する下限の温度（以下、発泡温度とも称する）に達した瞬間に入力信号をＯＦＦにすることができ、エネルギー発生素子１２への電圧印加時間を制御することができる。このように、エネルギー発生素子１２に印加される駆動電圧（Ｖｈ）をＯＦＦとすることで、吐出される液体の吐出量ばらつきを極力抑えることができ、さらに余剰な電圧を抑制して基板温度の上昇を抑制することができる。従って、安定した吐出量で記録動作を行うことができ、かつ、省エネを達成することができる熱効率に優れた液体吐出ヘッドを得ることができる。また、熱作用部に液体の成分が付着して生じるコゲの抑制にもつながり、液体吐出ヘッドの長寿命化も達成できる。
【００３０】
このような温度検知素子は、全てのエネルギー発生素子１２に対して配置しても良いし、数個置きに配置しても良い。温度検知素子７の数を増やすと、基板面積が増大することになるが、温度検知素子７を多く設けることにより精度良く液体吐出ヘッドの基板温度の上昇を抑制することができる。
【００３１】
このような液体吐出ヘッドの一部を拡大した、温度検知素子の上面図の一例を示したものが図４である。図４（ａ）及び図４（ｄ）のように熱作用部の全面を温度検知素子として用いる材料層７で被覆することにより、耐キャビテーション性を向上させることができる。また、図４（ｂ）や図４（ｃ）のように基板の面に平行な方向に関して、温度検知素子７の幅を狭くなるように設けることもできる。
【００３２】
また、温度検知素子で感度良く温度を測定するために、電極層５と材料層７とが接続する第二の保護層６のスルーホール７ａは、基板の面に平行な方向に関して、エネルギー発生素子１２の領域にできる限り近くなるように配置することが好ましい。
【００３３】
炭化珪素をアルカリ性インクに浸漬させて膜厚減少量を測定したところ、炭素含有量が５ａｔ％以上となる組成において、膜厚減少がないことが確認された。また密着性については、１２１℃、２気圧でアルカリ性インクに１０時間浸漬させる加速試験を行った後のピール試験を行ったところ、炭素含有量が３０ａｔ．％以上の組成において、剥離が発生しないことが確認された。また、温度検知特性（温度特性）については、炭素含有量が９０ａｔ．％よりも大きい場合、材料層７に電圧を負荷しても電流が流れにくい状態となることが確認された。
【００３４】
以上のことから、炭素含有量が３０ａｔ．％以上、９０ａｔ．％以下の領域の炭化珪素を材料層７として用いることにより、直接インクに接するような表面に材料層７を設けてもインクに溶解や剥離することなく、発泡温度域の温度変化を感度良く検知することができる。
【００３５】
次に炭化珪素の炭素含有量が３５ａｔ％（６５ａｔ％Ｓｉ−３５ａｔ％Ｃ）からなる材料層７を用いて電圧を印加した際の温度と電流密度の関係を図５に示す。炭化珪素（６５ａｔ％Ｓｉ−３５ａｔ％Ｃ）からなる材料層７に１０Ｖを印加した場合と、２０Ｖを負荷した場合を示している。さらに比較例として単金属の一例としてＴａからなる金属層に１０Ｖ印加した場合も示している。
【００３６】
従来用いられていたＴａからなる金属層の場合は、温度変化に対する電流密度の変化が小さく、さらに温度が上昇するに伴い電流密度が小さくなることが分かる。このような金属材料は、そもそも温度に依存して変化する電流値の変化量が微量であることに加え、所望の温度域においてさらに温度検知を行いにくい材料であるといえる。そのため、室温で検知できていたとしても所望の温度域で、微量の温度変化を検知しようとしても電流値の変化量が検出限界検知を超えてしまい検知できない可能性がある。さらに、検知できたとしても電流値の変化量とノイズによる電流値の変化量がほぼ同じ大きさと同程度であるため、ノイズによる影響を取り除くために様々な数式処理を行う必要があった。
【００３７】
これに対して、炭化珪素からなる材料層７はいずれの電圧を印加した場合でも、温度が上昇するにしたがって、電流密度が大きくなるため、所望の温度域において感度良く温度検知を行いやすい状態であるといえる。さらに炭化珪素の電流密度は、温度に依存して指数的に大きく変化していることが分かる。温度変化に伴って変化する電流値の変化量がノイズの影響による電流変化量に比べて格段に大きいため、ノイズを切り分けするために数式処理等を行わなくても容易に温度変化を検知することができ、高精度に熱作用部の温度を測定することができる。
【符号の説明】
【００３８】
１  基体
２  発熱抵抗層
３  電極
４  第一の保護層
６  第二の保護層
７  材料層
１２  エネルギー発生素子
４１  液体吐出ヘッド
５０  液体吐出ヘッド用基板
【図１】
2012091455.tif 000003
【図２】
2012091455.tif 000004
【図３】
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【図４】
2012091455.tif 000006
【図５】
2012091455.tif 000007