JP2001026106A

JP2001026106A - インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ

Info

Publication number: JP2001026106A
Application number: JP11201640A
Authority: JP
Inventors: Tomohisa Shinkai; 知久新海; Koichi Oikawa; 浩一及川; Shuji Koike; 修司小池; Yoshiaki Sakamoto; 義明坂本
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1999-07-15
Filing date: 1999-07-15
Publication date: 2001-01-30
Also published as: US6350019B1; DE10011366A1

Abstract

(57)【要約】【課題】薄膜法により圧電素子を形成しても、実用的
なインクジェットヘッド及びインクジェットプリンタを
提供する。【解決手段】圧電素子の機械的歪指数を５５０×１０
^-6以上とする。あるいは、応力指数を３０×１０⁶以上
とする。あるいは、電界強度を３.０×１０⁶以上とす
る。さらに、圧電素子の幅を２２μｍ以上で３００μｍ
以下とする。さらに、圧電素子と振動板とを合わせた厚
みが１.５μｍ以上で３０μｍ以下とし、さらに、圧力
室の幅を２８μｍ以上で３３０μｍ以下とする。これに
より、効率的な構造で、かつ、十分な実用性を有する印
刷性能を得られるインクジェットヘッドおよびインクジ
ェットプリンタを構成できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はインクジェットヘッ
ド及びインクジェットプリンタに係り、特に、インクを
噴射するための手段として薄膜圧電素子を使用したイン
クジェットヘッド及びインクジェットプリンタに関す
る。

【０００２】インクジェットヘッドを使用したインクジ
ェットプリンタは、ヘッドから騒音が発生せず、電子写
真プリンタに比較して低価格でカラー印刷が実現可能で
あることから、低価格のカラープリンタ市場の主流とな
っている。

【０００３】近年、インクジェットプリンタには高い解
像度が要求されており、インクジェットヘッドから吐出
されるインクの粒径の微細化が急速に進められている。
そしてインクジェットヘッドは、このような高性能化の
要求を満足しつつ、高い信頼性で量産される構造である
ことが必要となってきている。

【０００４】

【従来の技術】図１はインクジェットプリンタ１０を示
す。インクジェットヘッド１１は、キャリッジ１２の下
面に取付けてある。インクジェットヘッド１１は、送り
ローラ１３と排出ローラ１４との間に位置して、プラテ
ン１５に対向している。キャリッジ１２は、インクタン
ク１６を有し、紙面に垂直な方向に移動可能に設けてあ
る。用紙１７は、ピンチローラ１８と送りローラ１３と
によって挟まれ、ピンチローラ１９と排出ローラ１４と
によって挟まれて、Ａ方向に送られる。インクジェット
記録ヘッド１１が動作され、キャリッジ１２が紙面に垂
直な方向に移動されて、インクジェット記録ヘッド１０
が用紙１７に印刷を行なう。印刷がなされた用紙１７
は、スタッカ２０内に収容される。

【０００５】図２は上述したインクジェットヘッドの要
部を示す。同図に示すように、インクジェットヘッド３
０は、インクを吐き出すノズル３２が形成されたノズル
板３３と、各ノズル３２に対応して形成された圧力室３
５およびインク導通路４０と、各圧力室の一壁を形成す
る駆動部３１と、各圧力室にインクを供給する共通イン
ク流路３９と、圧力室３５と共通インク流路３９を一体
的に形成した本体部３６から構成されている。

【０００６】駆動部３１は、各圧力室の一壁を共通に形
成する振動板３４に各圧力室３５毎に設けた圧電素子３
７と、圧電素子３７の上面に設けられた個別電極３８と
よりなる構成である。駆動部３１は、圧電素子３７と振
動板３４とによってバイモルフ構造を構成している。個
別電極３８にコントローラからの駆動信号が印加される
と圧電素子３７は振動板３４の面内方向に縮むように歪
んで、駆動部３１が破線で示すように圧力室３５内に向
かって変形し、インク粒がノズル３２から吐出される。
駆動信号が印加されなくなると、駆動部３１が平坦な状
態に復元するに伴い、共通インク流路３９からインクが
圧力室に供給される。

【０００７】このようなバイモルフ構造は微小な圧電素
子の歪みに対して大きな体積変位が得られるために、量
産化に適した構造が形成しやすいという利点がある。

【０００８】バイモルフ構造を形成するには、板状に形
成された圧電素子を細かく切断し、切断した圧電素子を
振動板に接着剤などにより固定していた。このような構
造のために、圧電素子を大きく変形させると圧電素子と
振動板が剥がれてしまうという欠点があり印刷効率のよ
いインクジェットヘッドを形成することができなかっ
た。さらに、機械的に切断したものを固定するという作
業を取っていたために、圧力室や圧電素子を小さくする
ことが困難であった。

【０００９】比較的小型化が可能なバイモルフ構造とし
て印刷によって圧電素子を形成したものがある。セラミ
ックのような耐熱性能の高い振動板に共通電極を形成
し、その上に圧電素子の材料となるペーストをスクリー
ン印刷により形作り、焼成することで形成したものであ
る。このような構造の圧電素子は、印刷により形成する
ために圧電素子の密度を向上することが困難であり、そ
の結果極めて脆い材料となってしまっていた。その結
果、圧電素子を大きく変形させようとすると壊れてしま
うという欠点があった。この変形量が小さいという欠点
を補うために、圧力室と圧電素子の面積は可能な限り大
きく形成する必要があった。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】印刷によってバイモル
フ構造を形成する方法では、圧電素子を十数μｍ以下で
量産することは困難であった。そのために、印刷効率の
よいインクジェットヘッドを量産するためには、圧力室
の幅が２００μｍは必要となり、ノズル間隔を小さくす
ることができなかった。

【００１１】一方、圧電素子を薄く製造するためには、
スクリーン印刷法のような圧膜法に替えて、スパッタリ
ング法等の薄膜法を適用することで実現できる。しか
し、薄膜法を用いた場合には十数μｍという厚みは、量
産化するには厚過ぎて製造するために時間がかかり過ぎ
ることから適用できるものではなかった。そこで、数μ
ｍ程度の圧電素子を適用しようとした場合、今までと同
じ大きさの圧力室で利用すると、バイモルフ構造のため
に、インクに対して十分な圧力を発生させることができ
ず、インクの圧力に負けてしまい十分な体積変位を発生
することができなかった。

【００１２】さらに、厚膜の圧電素子と同様の比率で薄
膜の圧電素子に対応する圧力室を形成すると圧力室が小
さくなり過ぎ、噴射可能なインク粒が数分の１ピコリッ
トル以下(１ピコリットル＝１０^-12リットル＝１０^-15
ｍ³)と極めて小さくなってしまう。圧力室が小さいとノ
ズル間隔を小さくすることができ、インク粒が小さいと
高画質化が可能であり、高性能なインクジェットヘッド
が実現できる。しかし、人間の目で認識可能なドットを
形成するためには２ピコリットルのインクが必要であ
り、逆に言えばこれよりも小さなインク滴で印刷して
も、画質の向上は望めないものである。さらに、このよ
うな構成で例えば数分の１ピコリットルのインク滴で印
刷しようとすると多数の問題が生じる。インク滴を小さ
くするためには、ノズルを小さくする必要があるので、
ノズルの詰まりが非常に発生しやすくなり、このような
小さなノズルで詰まりが発生した場合にバックアップユ
ニットでの回復が困難になる。また、インク滴が小さく
なると、ノズルから飛び出してから紙に着弾するまでの
空気との摩擦の影響が大きくなりインクの着弾位置のズ
レが著しくなる。さらには、必要な印刷濃度を確保する
ためにはインク滴の大きさには殆ど関係なく、単位面積
当たりに必要な染料あるいは顔料の量は略同じであるの
で、小さなインク滴で従来通りの濃度の印刷を行うため
には非常に多くのドットが必要となり、印刷に時間がか
かることになる。

【００１３】よって、薄膜法により製造した圧電素子を
用いたインクジェットヘッドは高い信頼性を確保するこ
とも量産することも困難であり、一般的な市場で販売で
きる製品として構成することが困難であった。

【００１４】また、上記の欠点のうち印刷に時間がかか
ってしまう点については、ノズル数を増やせば解消可能
である。しかし、ノズル数が増えるにしたがって多数の
信号線や圧電素子を駆動する多数のドライバ回路さらに
は、これらの多数の信号線を接続するための多くの製造
工数を必要とする。さらには、多数のデータを一度に処
理可能な高性能のプロセッサが必要となり、コスト的に
現実的ではないものとなってしまう。また、多数のデー
タ量が必要となると、コンピュータから送信されるデー
タ量も膨大となるために、印刷データを伝送する経路も
また高速化が必要となり、標準インターフェースでは対
応できない場合が生じてしまう。

【００１５】そこで本発明は、上記課題を解決したイン
クジェットヘッド及びインクジェットプリンタを提供す
ることを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】請求項１および７の発明
は、２０μｍ以下の厚みの圧電素子と振動板とからなる
バイモルフ構造により圧力室に体積変位をおこすインク
ジェットヘッドの圧電素子の駆動による圧力室の体積変
位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ₂[ｍ],圧力室の奥行き
をｂ[ｍ]としたときに、

【００１７】

【数７】

【００１８】を満たすように構成したものである。

【００１９】この条件を満たす圧力室の大きさと圧電素
子によりインクジェットヘッドを構成することで、量産
性のよい大きさでかつ印刷能力の高いインクジェットヘ
ッドおよびインクジェットプリンタを構成することが可
能となる。

【００２０】請求項２および８の発明は、２０μｍ以下
の厚みの圧電素子と振動板とからなるバイモルフ構造に
より圧力室に体積変位をおこすインクジェットヘッドの
圧電素子の縦弾性係数をＥ[Ｐａ],圧電素子の駆動によ
る圧力室の体積変位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ
₂[ｍ],圧力室の奥行きをｂ[ｍ]としたときに、

【００２１】

【数８】

【００２２】を満たすように構成したものである。

【００２３】この条件を満たす圧力室の大きさと圧電素
子によりインクジェットヘッドを構成することで、特
に、薄膜法によって圧電素子の縦弾性係数が大きくなっ
た場合において、量産性のよい大きさでかつ印刷能力の
高いインクジェットヘッドおよびインクジェットプリン
タを構成することが可能となる。

【００２４】請求項３および９の発明は、２０μｍ以下
の厚みの圧電素子と振動板とからなるバイモルフ構造に
より圧力室に体積変位をおこすインクジェットヘッドの
圧電素子に印加する電圧をＶ[Ｖ],圧電素子の厚みをｈ₂
[ｍ]としたときに、

【００２５】

【数９】

【００２６】を満たすように構成したものである。

【００２７】この条件を満たす電界強度で駆動可能な圧
電素子を形成し、その圧電素子を駆動することで、量産
性のよい大きさでかつ印刷能力の高いインクジェットヘ
ッドおよびインクジェットプリンタを構成することが可
能となる。

【００２８】請求項４の発明は、圧電素子の幅Ｌ₂を２
２μｍ以上で３００μｍ以下とすることで、高い圧力を
発生させることが可能となり、さらに印刷能力の高いイ
ンクジェットヘッドを構成することが可能となる。

【００２９】請求項５の発明は、圧電素子と振動板とを
合わせた厚みが１.５μｍ以上で３０μｍ以下とし、さ
らに、圧力室の幅を２８μｍ以上で３３０μｍ以下とす
ることで、バイモルフ構造による変形量を大きくするこ
とが可能となり、さらに印刷能力の高いインクジェット
ヘッドを構成することが可能となる。

【００３０】請求項６の発明は、印刷効率のよいインク
ジェットヘッドが量産可能でとなる。

【００３１】

【発明の実施の形態】図３は本発明が適用されるインク
ジェットプリンタ６０を示す。スペースモータ６３を駆
動すると、ベルト６４を介してインクジェットヘッド６
１がＸ₁、Ｘ₂方向に動作をする。フィードモータ６５を
駆動すると、フィードローラ６６が回転して、用紙６７
をＹ₁方向に送る。このようにして用紙６７の全面に印
字がなされる。インクジェットヘッド６１には、インク
を供給するチューブ６２が設けられており、インクタン
ク６８内のインクが常時供給できるようになっている。
バックアップユニット６９は、印刷を行わないときにノ
ズルの詰まりを防止するために、インクジェットヘッド
６１のノズル部分をカバーしたり、印刷中に定期的にノ
ズル面を清掃したり、ノズルの詰まりを防止するため
に、インクの吸引を行ったりする。

【００３２】インクジェットヘッド６１は、図４及に示
すように、振動板７０に、各圧力室７１毎に圧電素子７
２が設けてあり、各圧電素子７２の上部には個別電極７
４が設けられている。圧力室７１の先端には、圧力室か
らノズルへインクを誘導しインクの流れを一方向に揃え
るためのインク導通路を介してノズル７３が取り付けら
れている。個別電極７４と振動板７０に電圧が印加され
圧電素子７２が充電されたときに圧力室７１の容積を小
さくするように振動板７０を撓ませて、圧力室７１内の
インクをノズル７３より噴射させ、インク粒を飛翔させ
る構成である。圧電素子７２の電荷が放電されると、振
動板７０は元の平坦状となる。この過程で、共通インク
流路７５内のインクが圧力室７１内に補給される。

【００３３】また、フレキシブルプリント基板７６の各
配線パターン７８の先端が、各圧電素子７２の個別電極
７４と接続してあり、各配線パターン７８の他端は、駆
動信号発生回路７７と接続してある。

【００３４】図５〜７は本発明が適用されるバイモルフ
構造の圧電素子を薄膜法により形成したインクジェット
ヘッドの製造工程を説明する図である。(Ａ)に示す８０
はターゲット基板である。ターゲット基板８０は、圧電
素子を形成する格子定数に応じて選択する必要がある。
本実施例では、ターゲット基板８０として厚み０.３ｍ
ｍの酸化マグネシウム(ＭｇＯ)単結晶体を用いている。
次に(Ｂ)の工程で個別電極となる電極層８１をスパッタ
リング法にて形成している。本実施例では、電極層８１
を白金(Ｐｔ)で形成している。次に(Ｃ)の工程で電極層
８１上に圧電素子(ＰＺＴ)８２をスパッタリング法にて
形成する。

【００３５】そして(Ｄ)に示すように、圧電素子と個別
電極を圧力室に対応するように分割するためのミリング
パターン８３を第１のドライフィルムレジストにて圧電
素子８２の上に形成する。第１のドライフィルムレジス
トは電極層８１と圧電素子８２を残す部分に対応させて
形成している。本実施例では第１のドライフィルムレジ
ストとして東京応化製のＦＩ２１５(アルカリタイプレ
ジスト、１５μｍ厚)を用いた。具体的には、線厚２.５
ｋｇｆ／ｃｍ,速度１ｍ／ｓ,温度１１５℃で第１のドラ
イフィルムレジストをラミネートする。次に、ガラスマ
スクで１２０ｍＪの露光を行い、６０℃で１０分の予備
加熱後室温まで冷却する。そして、１ωｔ％のＮａ₂Ｃ
Ｏ₃溶液で現像した。これにより、(Ｄ)に示す通りのミ
リングパターン８３が形成できる。

【００３６】次に、熱伝導性の良いグリスを用いてター
ゲット基板８０を銅ホルダーに固着し、照射角度１５°
でＡｒガスのみを用いて７００Ｖでミリングを行う。こ
れにより、(Ｅ)に示す通り電極層８１と圧電素子８２と
を個別に形成するためのミリング部８４を成すことがで
る。本実施例では、上述のミリングにより深さ方向のテ
ーパ角を８５°以上という垂直性を確保することができ
た。そして、ミリングパターン８３を(Ｆ)に示すように
除去し、ミリング部８４に平坦化層８５を(Ｇ)に示すよ
うに形成する。平坦化層８５は、圧電素子８２が極めて
薄いことによって新たに発生してくる問題点である、個
別電極を成す電極層８１と共通電極を成す振動板の間で
の絶縁破壊を防止するものであり、これにより、安定し
た動作と高い耐久性を実現したインクジェットヘッドを
形成できる。また、(Ｈ)で示す工程で形成される振動板
８６を平坦に形成することを可能とするものである。こ
こで、振動板８６を平坦化する(平坦に形成されるよう
にする)のは、圧電素子８２により湾曲させたエネルギ
ーが振動板８６の平坦化していない部分に吸収されて、
駆動効率が下がるのを防止する効果があるためである。
以上の理由により形成されたミリング部８４および圧電
素子８２の上に(Ｈ)に示すように、振動板８６をスパッ
タリング法により成膜を行うことでアクチュエータ部
(図中ハッチングで記載した部分)が形成できる。本実施
例ではニッケルクロム(Ｎｉ−Ｃｒ)を用いたものと、ク
ロム(Ｃｒ)を用いたものを形成した。

【００３７】上記のように、アクチュエータ部を構成し
た後に、引き続いて圧力室８７を形成する。圧力室８７
を形作る本体部３６は後述する３６ａと３６ｂの２つに
分割されて形成している。まず(Ｉ)に示すように、個別
に分割された電極層８１および個別に分割された圧電素
子８２に対応するように圧力室８７を振動板８６の上に
形成する。圧力室８７を形作る本体部３６ａは第２のド
ライフィルムレジストを用いて形成した。本実施例では
第２のドライフィルムレジストとして東京応化製のＰＲ
−１００シリーズを用いた。具体的には、線厚２.５ｋ
ｇｆ／ｃｍ,速度１ｍ／ｓ,温度３５℃で第２のドライフ
ィルムレジストをラミネートする。次に、ガラスマスク
を用いて、圧電層８１および圧電素子８２のミリング時
に形成しておいたアライメントマークにて位置合わせを
行い、１８０ｍＪの露光を行い、６０℃で１０分の予備
加熱後室温まで冷却する。そして、東京応化製のＣ−３
溶液,Ｆ−５溶液で、それぞれ現像とリンスを行い、
(Ｉ)に示す通りの本体部３６ａが形成できる。

【００３８】一方、(Ｊ)に示す他方の本体部３６ｂおよ
びノズル板３３を別工程にて形成する。本体部３６ｂ
は、前述の第２のドライフィルムレジストを前述の工程
の通りラミネート,露光,現像を必要な回数繰り返して形
成する。これらの具体的な工程は、厚さ２０μｍのノズ
ル板３３に２０μｍ径のストレートなノズル３２を形成
する。次に、圧力室からノズルへインクを誘導し、イン
クの流れを一方向に揃えるためのインク導通路を６０μ
ｍ径で深さ６０μｍに形成し、その上に圧力室を幅１０
０μｍ,長さ１７００μｍ,深さ６０μｍで形成する。ま
ず、ノズル板３３に第２のドライフィルムレジストをラ
ミネートし、ノズル板３３にあらかじめ形成しておいた
アライメントマークへインク導通路のパターンを位置合
わせして露光する。同様に、第２のドライフィルムレジ
ストをさらにラミネートし、圧力室のパターンを位置合
わせして露光する。その後、１０分間室温で自然放置
し、温度６０℃で１０分間加熱硬化を行い、溶剤で現像
してインク導通路および圧力室となる部分を除去する。

【００３９】以上のようにして形成された本体部３６
ａ,３６ｂは、(Ｊ)に示すように対向させ、前述した双
方のアライメントマークを用いて位置合わせを行い、加
重１５ｋｇｆ／ｃｍ²,温度８０℃で１時間の予備加熱を
行った後、温度１５０℃で１４時間の本接合を行い、そ
して自然冷却する。その結果、(Ｋ)に示すように、境界
面３６’で精度良く接合され本体部３６が形成される。

【００４０】(Ｋ)は(Ｊ)で示したインクジェットヘッド
を反転した状態を示す。以上の工程により形成されたイ
ンクジェットヘッドのアクチュエータ部は、ターゲット
基板８０に強固に固着しているために、変形しようとし
ても変形できない。そこで、(Ｋ)で示すように、少なく
とも個別に分割された部分の電極層８１や圧電素子８２
に対応する部分を除去する必要がある。そのために、エ
ッチングにより開口部８８を形成する。このようにター
ゲット基板８０を全て取り除くことなく開口部８８を形
成することで、残ったターゲット基板８０がアクチュエ
ータ部を保護する役目を有し、薄膜化されたアクチュエ
ータ部を損傷させることを防止してくれる。また、この
構成によりインクジェットヘッドの製造信頼性も向上さ
せることができる。

【００４１】以上、ターゲット基板８０上に薄膜法を用
いて電極層８１,圧電素子８２,振動板８６を順次形成し
てアクチュエータ部を形成するため、個別電極と同じ形
状の高精度な薄いアクチュエータ部を高信頼性をもって
形成することができる。

【００４２】これらの工程において、振動板８６を圧電
素子８２よりも後に形成するのは、薄膜法により所定の
材料を積層する際に厚みが厚くなるにしたがってターゲ
ット基板の格子定数が崩れてくるという性質があるため
である。そのために、本発明で適用される圧電素子は、
比較的薄い電極層、圧電素子、振動板の順に積層してい
る。さらに、振動板は圧電素子を積層した後に直接積層
している。ここで言う直接積層とは圧電素子の上に単に
振動板を積層することではなく、ＰＺＴのような圧電素
子材料をスパッタリング法等の薄膜法で形成した平滑な
薄膜上にそのまま振動板となる薄膜を同様の薄膜法で積
層することである。また、本発明は上記の工程や構造に
限定されるものではなく、エッジシュート,サイドシュ
ートを問わず実施可能であり、本件の特徴を満たせばＣ
ＶＤ法等の他の薄膜法を用いることも可能であり、さら
に製造工程においても、電極層,圧電素子,振動板を形成
した後にターゲット基板を除去してから個別化するなど
の工程の変更をすることも可能である。

【００４３】また、通常のブロック状の圧電素子や、ス
クリーン印刷法等の厚膜法で形成した圧電素子は焼結と
いう製法に起因して結晶粒昇や気孔が多数存在する密度
の低いものである。一方、スパッタリング法等の薄膜法
では、基板の材質や結晶方向や温度等をコントロールす
ることで、単結晶に近い結晶性を有する本発明に好適な
圧電素子を形成することが可能となる。このような、圧
電素子は内部の結晶性が良好で表面が平滑である。一般
にこのような材質の機械的強度は弱いと考えられるかも
知れないが、上記のような連続成膜法によって、注意深
く加工及び表面処理された素子構成では破壊強度を飛躍
的に高めることができ、バイモルフ動作に対して十分な
耐久性を示した。

【００４４】この理由は、例えばガラスの機械的強度に
関していわれている次のような理論が当てはまるものと
考えられる。すなわち、脆性固体であるガラスはほとん
どの場合引っ張り応力により破壊する。ヤング係数と表
面張力からガラスの理論強度を計算すると約１×１０¹⁰
Ｐａ前後の値が得られるが、実用ガラスの強度はその１
００分の１程度にすぎず、板ガラスの強度は約５×１０
⁷Ｐａである。理論強度と実用強度の大きな違いは、ガ
ラス表面に微細な傷が存在し、傷の先端に応力が集中す
ることによる。形成直後の清浄な表面をただちに保護膜
で覆い、傷の発生を防いだガラス繊維では、３〜４×１
０⁹Ｐａの高い強度も得られている。

【００４５】このような理論により、圧電素子を薄膜法
で形成し、その上に直接振動板を形成することで、実用
強度の高い圧電素子を形成することができ、本発明に好
適な圧電素子が形成可能となるものである。例えば、焼
結圧電素子の実用強度は高々６×１０⁷Ｐａであるのに
対し、スパッタリング法により形成した圧電素子では、
実用強度を５×１０⁸Ｐａ以上に高めることができる。

【００４６】

【実施例】図６は本発明の実施例を説明するための図
で、図４のＡ矢印方向から圧力室を見た図であり、(Ａ)
は各部の寸法を説明する図、(Ｂ)はバイモルフ構造の説
明をする図である。

【００４７】図６(Ａ)に示す通り、圧力室９３は壁９４
と振動板９２で囲まれた大きさで決定され、圧力室９３
の大きさは幅Ｌ₁、高さｈ₃、奥行きｂとする。振動板９
２の大きさは厚みｈ₁とし、駆動する部分の幅および駆
動する部分の奥行きは、圧力室と同じ幅Ｌ₁および奥行
きｂとする。そして、圧電素子９１の大きさは厚み
ｈ₂、幅Ｌ₂とし、奥行きは圧力室９３をカバーできる大
きさであり、実質的には圧力室の奥行きｂである。

【００４８】圧電素子９１に電圧を印加すると、図６
(Ｂ)に示す通りＸ方向に収縮する。一方、振動板９２は
圧電素子９１に接合されており、圧電素子の収縮を阻止
するように働くことにより、振動板９２は図に示す通り
圧力室９３の方向に湾曲する。この湾曲により圧力室内
に体積変位が生じる。この体積変位によりインクがノズ
ルから噴射される。そして、噴射されるインク粒の大き
さは、この体積変位に略等しい大きさとなっている。体
積変位Ｖ₀[ｍ³],はヤング率Ｅ[Ｐａ],電界に直交する方
向(図６のＸ方向)の圧電定数ｄ₃₁[ｍ／Ｖ]の圧電素子に
電圧Ｖ[Ｖ]を印加した時の圧力室内の体積変化量とす
る。

【００４９】表１にそれぞれの値を示す。従来技術１は
板状に形成された圧電素子(板ピエゾ)を正方形に切断し
てバイモルフ構造を形成したインクジェットヘッド。従
来技術２は板ピエゾを圧力室のピッチ方向の幅を狭くし
た長方形に切断してバイモルフ構造を形成したインクジ
ェットヘッド。従来技術３はスクリーン印刷法により圧
電素子を振動板に形成したインクジェットヘッド。比較
例１〜２および実施例１〜６はスパッタリング法により
圧電素子と振動板を形成したインクジェットヘッドであ
る。

【００５０】

【表１】

【００５１】表中において、Ｌ₁は圧力室の幅、ｂは圧力室の奥行き、ｈ₁は振動板の厚み、ｈ₂は圧電素子の厚み、Ｌ₂は圧電素子の幅、Ｅは圧電素子のヤング
率、Ｖ₀は圧力室の体積変位、Ｖは圧電素子に印加す
る電圧である。

【００５２】また、従来技術１〜３の圧電定数ｄ₃₁は−
２００×１０^-12ｍ／Ｖで、比較例１〜２および実施例
１〜６の圧電定数ｄ₃₁は−１００×１０^-12ｍ／Ｖであ
る。

【００５３】なお、表中のＶ₀／(Ｌ₂ ²ｂ)は機械的歪に
関連する式であり、これを機械的歪指数と称す。ＥＶ₀
／(Ｌ₂ ²ｂ)は応力に関連する式であり、これを応力指数
と称す。Ｖ／ｈ₂を電界強度と称す。

【００５４】比較例１,２および実施例１は薄膜法のス
パッタリング法を用いて従来技術３と同じ大きさのイン
クジェットヘッドを形成した時の値である。薄膜法によ
り圧電素子を形成する方法としては、例えば特開平１０
−２０９５１７がある。そして比較例１は、従来技術３
と同じ電界強度で駆動した時の値である。表１から判る
ように体積変位が従来技術３よりも低くなっている。こ
の結果から明らかなように、薄膜法を用いて従来技術３
と同じ大きさのインクジェットヘッドを形成したとして
も、同じように駆動したのでは、噴射量が減ってしまい
印刷効率の良いインクジェットヘッドを構成することは
できない。比較例２は従来技術３と同じ応力指数で駆動
した場合である。この場合も体積変位が従来技術３より
も低くなっている。よって比較例１と同様、噴射量の少
ない印刷効率の悪いインクジェットヘッドとなってい
る。

【００５５】そこで、実施例１は機械的歪指数を１１１
７×１０^-6、応力指数を１００.５×１０⁶、電界強度を
１５.２×１０⁶となるように、圧電素子を選定製造し、
駆動した場合である。表１から判るように体積変位が従
来技術３の約４倍となっており、よって、本発明の特徴
である、

【００５６】

【数１０】

【００５７】

【数１１】

【００５８】

【数１２】

【００５９】を同時に満たすことにより薄膜法を用いて
形成された圧電素子を用いた場合においても十分な印刷
効率を得ることができる。

【００６０】実施例２〜６は薄膜法を用いて表１の通り
の大きさでインクジェットヘッドを構成したものであ
る。実施例２〜４は前記比較例１〜２および実施例１よ
りも、量産性を考慮した本発明にさらに好適な実施例で
ある。

【００６１】実施例２〜４は圧電素子の厚みを３μｍと
薄膜法で量産性の良い１０μｍ未満の厚みを実現してお
り、さらに、ノズル間隔の密度を比較例の２.５倍とし
たものである。ノズル間隔を２.５倍狭くすることで、
同じ大きさの基板で一度に２.５倍のヘッドを製造する
ことが可能であり、量産性が向上しコストを下げること
ができる。また、圧電素子の厚みを一桁薄くすること
で、スパッタリングにより圧電素子を蒸着する製造時間
も１桁短くすることができ、同じ装置で１桁多く製造す
ることが可能となる。さらに、実施例２〜４は圧力室の
大きさが小さくなったことで、比較例よりも高速な駆動
(短い周期でインク滴を噴射)することが可能となるの
で、ノズルの相対能力は従来技術以上を確保することが
できる。

【００６２】よって、量産性を向上させたインクジェッ
トヘッドを製造しているにも関わらず十分な噴射能力を
確保することが可能となっている。また、実施例４にお
いては、圧力室や圧電素子を小型化しているにも関わら
ず、従来技術３と同等な噴射量を得ることができた。

【００６３】実施例５,６は、ノズル間隔の密度を実施
例２〜４のさらに２倍としたものである。この大きさと
することで、比較例に比べて同じ大きさの基板で一度に
５倍のヘッドを製造することが可能であり、さらに量産
性が向上しコストを下げることができる。一方、実施例
５,６は圧力室が小さくなったことで、実施例２〜４よ
りも数段小さなインク滴しか噴射できなくなってしまっ
ているが、さらに高速な駆動ができることから、従来技
術を上回る噴射性能を実現することができる。

【００６４】また、実施例５,６は圧力室の体積変位Ｖ₀
がそれぞれ１.５×１０^-15ｍ³,３.５×１０^-15ｍ³と他
の実施例や比較例と比べて1桁小さな値となってしまっ
ている。しかし、前述した通り、通常用いられる染料濃
度３％程度のインクを用いた場合に、孤立ドットが識別
できる視覚限界が２ピコリットル程度であるため、１.
５×１０^-15ｍ³,３.５×１０^-15ｍ³の体積変位から得ら
れる約１.５ピコリットル,３.５ピコリットルというイ
ンク滴の大きさは、淡色インクを用いることなく高画質
な印刷が可能となる量である。つまり、本発明を適用す
ることで、高画質な印刷を可能としつつ十分な印刷性能
を確保することが可能となる。さらに、淡色インクを必
要としないことから印刷コストの低いインクジェットプ
リンタを製造することが可能であり、淡色インクを必要
としないことから従来６色分必要としていたヘッドやそ
れに関わる部品が３色分で済むことから、従来よりも安
価で、従来よりも高性能なインクジェットプリンタを製
造することが可能となる。

【００６５】なお、実施例３および５は最大応力１５０
ＭＰａを有する薄膜圧電素子を用い、実施例４および６
は前述の本発明に好適な製造方法により製造した最大応
力３５０ＭＰａを有する薄膜圧電素子を用いた場合に得
られたデータである。

【００６６】実施例３〜６の説明の通り、本発明のさら
に好適な特徴は、

【００６７】

【数１３】

【００６８】または、

【００６９】

【数１４】

【００７０】または、

【００７１】

【数１５】

【００７２】を満たすことにより、量産性と噴射性能の
両立を実現することができる。

【００７３】さらに実施例３〜６の説明の通り、本発明
のさらなる好適な特徴は、圧電素子が圧力室の上壁面を
構成する振動板の一面に面内方向の圧電効果を生じる圧
電薄膜として当該薄膜圧電素子と振動板とのトータル厚
み１０μｍ以下にすると共に、１ピコリットル以上のイ
ンク噴射量とし、マルチノズル型のインクジェットヘッ
ドのノズルの配列ピッチを１インチ当たり１５０本以上
にしたことである。

【００７４】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１および７
の発明は、２０μｍ以下の厚みの圧電素子と振動板とか
らなるバイモルフ構造により圧力室に体積変位をおこす
インクジェットヘッドの圧電素子の駆動による圧力室の
体積変位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ₂[ｍ],圧力室の
奥行きをｂ[ｍ]としたときに、

【００７５】

【数１６】

【００７６】を満たすように構成したことにより薄膜法
を用いて形成した圧電素子を用いても印刷能力の高いイ
ンクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタを構
成することが可能となる。

【００７７】請求項２および８の発明は、２０μｍ以下
の厚みの圧電素子と振動板とからなるバイモルフ構造に
より圧力室に体積変位をおこすインクジェットヘッドの
圧電素子の縦弾性係数をＥ[Ｐａ],圧電素子の駆動によ
る圧力室の体積変位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ
₂[ｍ],圧力室の奥行きをｂ[ｍ]としたときに、

【００７８】

【数１７】

【００７９】を満たすように構成したにより、薄膜法に
よって圧電素子の縦弾性係数が大きくなった場合におい
ても、量産性のよい大きさでかつ印刷能力の高いインク
ジェットヘッドおよびインクジェットプリンタを構成す
ることが可能となる。

【００８０】請求項３および９の発明は、２０μｍ以下
の厚みの圧電素子と振動板とからなるバイモルフ構造に
より圧力室に体積変位をおこすインクジェットヘッドの
圧電素子に印加する電圧をＶ[Ｖ],圧電素子の厚みをｈ₂
[ｍ]としたときに、

【００８１】

【数１８】

【００８２】を満たすように構成したことによって、量
産性のよい大きさでかつ印刷能力の高いインクジェット
ヘッドおよびインクジェットプリンタを構成することが
可能となる。

【００８３】請求項４の発明は、圧電素子の幅Ｌ₂を２
２μｍ以上で３００μｍ以下とすることで、高い圧力を
発生させることが可能となり、さらに印刷能力の高いイ
ンクジェットヘッドを構成することが可能となる。

【００８４】請求項５の発明は、圧電素子と振動板とを
合わせた厚みが１.５μｍ以上で３０μｍ以下とし、さ
らに、圧力室の幅を２８μｍ以上で３３０μｍ以下とす
ることで、バイモルフ構造による変形量を大きくするこ
とが可能となり、さらに印刷能力の高いインクジェット
ヘッドを構成することが可能となる。

【００８５】請求項６の発明は、印刷効率のよいインク
ジェットヘッドが量産可能でとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】一般的なインクジェットプリンタ

【図２】インクジェットヘッド

【図３】本発明が適用されるインクジェットプリンタ

【図４】本発明が適用されるインクジェットヘッド

【図５】本発明によるインクジェットヘッドの製造工程

【図６】本発明によるインクジェットヘッドの製造工程

【図７】本発明によるインクジェットヘッドの製造工程

【図８】本発明の実施例を説明する図

【符号の説明】

６０インクジェットプリンタ７０，９２振動板７１，９３圧力室７２，９１圧電素子７３ノズル７４個別電極

フロントページの続き (72)発明者小池修司神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内 (72)発明者坂本義明神奈川県川崎市中原区上小田中４丁目１番１号富士通株式会社内Ｆターム(参考） 2C057 AF51 AF93 AG39 AG42 AG43 AG44 AP11 AP14 AP52 BA05 BA14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧力室と前記圧電素子の関係が【数１】を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。ただ
し、圧電素子の駆動による圧力室の体積変位をＶ
₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ₂[ｍ],圧力室の奥行きをｂ
[ｍ]とする。
【請求項２】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧力室と前記圧電素子の関係が【数２】を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。ただ
し、圧電素子の縦弾性係数をＥ[Ｐａ],圧電素子の駆動
による圧力室の体積変位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅をＬ₂
[ｍ],圧力室の奥行きをｂ[ｍ]とする。
【請求項３】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧電素子と電圧の関係が【数３】を満たすことを特徴とするインクジェットヘッド。ただ
し、圧電素子に印加する電圧をＶ[Ｖ],圧電素子の厚み
をｈ₂[ｍ]とする。
【請求項４】前記圧電素子の幅Ｌ₂が２２μｍ以上、
３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３記
載のインクジェットヘッド
【請求項５】前記圧電素子と振動板の大きさが１．５×１０^-6≦ｈ₁＋ｈ₂≦３０×１０^-6 ２８×１０^-6≦Ｌ₁≦３３０×１０^-6 を満たすことを特徴とする請求項４記載のインクジェッ
トヘッド。ただし、振動板の厚みをｈ₁[ｍ],圧電素子の
厚みをｈ₂[ｍ],圧力室の幅をＬ₁[ｍ]とする。
【請求項６】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するマルチノズル型のインクジェット
ヘッドであって、圧電素子が圧力室の上壁面を構成する振動板の一面に面
内方向の圧電効果を生じる圧電薄膜として形成されてお
り、当該薄膜圧電素子と振動板とのトータル厚みを１０
μｍ以下にすると共に、１ピコリットル以上のインク噴
射量を有し、ノズルの配列ピッチを１インチ当たり１５
０本以上にしたことを特徴とするインクジェットヘッ
ド。
【請求項７】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドを有するイ
ンクジェットプリンタであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧力室と前記圧電素子の関係が【数４】を満たすことを特徴とするインクジェットプリンタ。た
だし、圧電素子の駆動による圧力室の体積変位をＶ₀[ｍ
³],圧電素子の幅をＬ₂[ｍ],圧力室の奥行きをｂ[ｍ]と
する。
【請求項８】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドを有するイ
ンクジェットプリンタであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧力室と前記圧電素子の関係が【数５】を満たすことを特徴とするインクジェットプリンタ。た
だし、圧電素子の縦弾性係数をＥ[Ｐａ],圧電素子の駆
動による圧力室の体積変位をＶ₀[ｍ³],圧電素子の幅を
Ｌ₂[ｍ],圧力室の奥行きをｂ[ｍ]とする。
【請求項９】圧力室と、該圧力室の体積変位を生じさ
せる圧電素子を有するインクジェットヘッドを有するイ
ンクジェットプリンタであって、前記圧電素子は２０μｍ以下の厚みを有するとともに、
振動板に接合されており、前記圧電素子と電圧の関係が【数６】を満たすことを特徴とするインクジェットプリンタ。た
だし、圧電素子に印加する電圧をＶ[Ｖ],圧電素子の厚
みをｈ₂[ｍ]とする。