JP2004299240A

JP2004299240A - 圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法

Info

Publication number: JP2004299240A
Application number: JP2003094643A
Authority: JP
Inventors: Tomohito Nozu; 智史野津; Takatsugi Wada; 隆亜和田; Tamayoshi Kurashima; 玲伊倉島
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2004-10-28

Abstract

【課題】圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドにおいて、高密度化が進むにつれて十分な振動板の変位量が得られない。圧電体薄膜の変位量を増加させ、振動板の変位効率を向上、吐出速度の得られるインクジェットヘッドの駆動方法を提供する。
【解決手段】圧力室６を膨張させるための電圧を圧電体薄膜の負の抗電圧以上の負の電圧を印加することを特徴とする駆動方法。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は圧電体薄膜を用いてインク滴を吐出させるインクジェット記録装置に関し、特に圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
圧電体の変位により圧力室の体積を変化させインク滴を吐出させるベンダータイプのインクジェットヘッドがよく知られている。前記方式には圧電素子の長手方向に収縮、伸長する縦振動モードを利用したものと、たわみの振動モードを利用したものの２種類が実用化されている。
【０００３】
前者はバルクの圧電体と電極とを交互に積層した積層圧電素子の一端が圧力室の振動板に接着固定されており、電圧の印加により圧電素子が長手方向に収縮または伸長して振動板を変位させ、圧力室の容積を変化させている。高密度ヘッドの作製が可能な反面、製造工程が複雑であるという問題点がある。
【０００４】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートをセラミックで形成された圧力室上に対応させて塗布し、これを一体化焼成するという比較的簡単な工程で作製するものがよく知られているが、ヘッドの高密度化に対しては容易ではないという問題点がある。
【０００５】
また、このようなインクジェットに対して、インク液滴の形成を制御し、安定した吐出特性を持つ駆動方法として、例えば、下記、特許文献１で開示されたような押し打ち駆動方法や引き打ち駆動方法がある。
【０００６】
さらに近年、さらなる印字スピードアップのために、圧電素子を成膜により作製し圧力室上の振動板に形成させその圧電素子をフォトリソ工程により個々の圧力室に対応するように切り分けて作製するインクジェットヘッドが提案されている。これによれば圧電素子の厚みを薄くでき、またフォトリソ工程という精密な方法で上述の２つのタイプのインクジェットヘッドよりさらに高密度なヘッドの作製が可能となる。
【０００７】
【特許文献１】
特許第２５９３９４０号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
一般にたわみ振動モードを利用したユニモルフ型のヘッドにおいて、ヘッドの寸法から考察すると、振動板の変位量は圧力室幅の３乗に比例し、振動板の厚さの２乗に反比例する。よってヘッドの高密度化に伴い、十分な振動板の変位量が得られないことになる。
【０００９】
特に上述した薄膜の圧電体を用いたヘッドは圧電素子を振動板上に直接成膜、または貼り付け形成することからバルクの圧電体に比べて大きな圧電性をもつ圧電素子が形成されることが困難である。
【００１０】
つまり薄膜の圧電体を用いた高密度のユニモルフ型のインクジェットヘッドは、振動板の変位量が少なく圧力室の排除体積が十分得られない、つまり十分な吐出速度が得られないという課題がある。印加する電圧値を上げればその分変位量は増加させることができるが、圧電素子の劣化から電圧値の増加にも限界がある。
【００１１】
以上の背景により、本発明は圧電体膜の変位量を増加させ、振動板の変位効率を向上させ吐出速度の得られるインクジェットヘッドの駆動方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、インク圧力室とその側面の一部を形成している振動板、電圧パルスの印加により前記振動板を変形させ前記圧力室の容積を変化させる薄膜の圧電素子を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力室を収縮させるための前記圧電体薄膜の分極方向と同方向の電圧を印加し、かつ前記圧力室を膨張させるための前記分極方向と逆方向でかつ前記圧電体薄膜の坑電圧値の大きさ以下の電圧を印加することを特徴とする。その結果、電圧値を上げることなく、振動板の変位量を向上させ、インク液滴の吐出速度を向上させることができる。
【００１３】
上記構成を、改めて以下（１）〜（４）に整理して示す。
【００１４】
（１）インク圧力室とその側面の一部を形成している振動板、電圧パルスの印加により前記振動板を変形させ前記圧力室の容積を変化させる圧電体薄膜を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力室の体積を収縮させる第１の電圧と、前記圧力室を膨張させる第２の電圧と、前記圧力室の体積を再び収縮させる第３の電圧をもつことを特徴とする圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
【００１５】
（２）前記第１の電圧と前記第３の電圧は圧電体薄膜の分極方向と同方向の電圧を印加し、かつ前記第２の電圧は前記分極方向と逆方向の電圧を印加することを特徴とする上記（１）に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
【００１６】
（３）前記第２の電圧の大きさは前記圧電体薄膜の坑電圧値の大きさ以下であることを特徴とする上記（２）に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
【００１７】
（４）前記第２の電圧の大きさは前記圧電体薄膜の坑電圧値の大きさの９０％の大きさであることを特徴とする上記（３）に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態に基づいて説明する。
【００１９】
図１（ａ）、（ｂ）は本発明で用いたインクジェットヘッドの構成を示す正面図及び断面図である。
【００２０】
圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの場合、圧電体は成膜基板に成膜した後に振動板上に貼り付け転写するか、振動板上に直接成膜するかのどちらかが一般的である。１は圧電体薄膜で、鉛、チタン、ジルコニウムから構成されたＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３ペロブスカイト型酸化物（以下、ＰＺＴと略す）をスパッタ法、ＣＶＤ法またはゾルゲル法等を用い作製する。良好な圧電性を得るため、ＰＺＴ薄膜の組成はＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３が好ましい。又、圧電体薄膜１の膜厚は２−１０μｍで形成されるのがよい。
【００２１】
２は上電極、３は下電極で共に白金で構成されている。また４は振動板、５はインク室、６は圧力室、７はインク供給口、８はノズルである。
【００２２】
上電極２及び下電極３間に電圧が印加されることにより圧電体薄膜１は変形し、振動板４が変位し、ノズル８からインク液滴が吐出する。図１に示すようなたわみ振動モードを利用したユニモルフ型のヘッドは分極方向に垂直な成分であるｄ_３１方向に変形させることで、圧力室を圧縮し、インク液滴を吐出させる方式が多数を占めている。
【００２３】
例えば図２（ａ）のように圧電体薄膜１が上電極２と下電極３に挟まれ、振動板４上に形成された構造において、分極方向（Ｙ方向）と同方向の電圧を印加すると、圧電体薄膜１はＸ方向すなわちｄ_３１方向に縮む。圧電体薄膜１の下側は振動板４に固定されていることより、振動板４は結果として図１（ｂ）のように下向き（Ｙ方向）に変位し、圧力室６の体積は収縮する。圧力室６の体積の収縮、膨張を利用してインク液滴を吐出させている。
【００２４】
駆動波形としては図３のような単純矩形波を例に挙げる。圧力室６を収縮させるための第１の電圧をＶ１、圧力室６を膨張するための第２の電圧をＶ２とし、再び圧力室６を収縮させるための第３の電圧をＶ１としている。前記Ｖ１とＶ２の差を単に電圧値と呼ぶことが多い。前記第２の電圧Ｖ２のパルス幅としては吐出スピードがより得られるようインク圧力室、振動板、圧電素子等で決まるインク振動系の固有周期の約半分のパルス幅で駆動させる。下電極３はグランド電位とし、上電極２に図３のような矩形波を印加する。なお駆動前に上電極２に３０Ｖの直流電圧を数秒間印加し、分極方向を図１（ｂ）の上向きから下向きへと揃えている。
【００２５】
電圧値を２０Ｖと一定とし、図のＶ２の電圧値を変化させた際のインク液滴の速度の結果を図４に示す。Ｖ２を負の電圧にすることによって、液滴の速度が増加していることが分かる。このように圧力室６を収縮から膨張へと変化させる際の第２の電圧を負の電圧にすることによって印加電圧値を上げることなく、液滴の速度を増大させることができる。
【００２６】
係る点は以下のように考察できる。
【００２７】
図５はｄ_３３方向の変位量を示す圧電体のＳ−Ｅヒステリシス曲線の一例である。前記歪み特性は一般にＰ−Ｅ曲線と呼ばれる強誘電特性と同時に測定することが多い。
【００２８】
圧電体を用いたインクジェットヘッドとしては一般的に上電極に正の電圧を数秒間印加した後に実駆動に入り、下電極をグランド電位で上電極を正の方向の電圧を印加することが多い。分極をある方向にポーリングした後に分極と同方向の電圧領域で実駆動を行っていることは、図５のＳ−Ｅヒステリシス曲線に対応させるとＡ１の曲線部分を利用していることに相当する。
【００２９】
図５から分かるように電圧の変化に伴い変位量は必ずしも直線的ではなく、同じ電圧幅でも変位量に差がある。負の抗電圧値以上のＡ２の領域は変位量が急峻にたち上がっているが、一般的に圧電特性は前記傾向を示す。図４において、Ｖ２を負の電圧にすることによって吐出速度が増加する傾向を示しているのは図５に対応させるとＡ１の電圧領域のみでなくＡ２の急峻な立ち上がりの電圧領域も利用したことを意味している。Ｓ−Ｅヒステリシス曲線はｄ_３３方向の変位量を示すものであるが、実際のたわみの変位量を示すｄ_３１とは比例関係があり、Ｖ２を負の抗電圧値以上の負の電圧値にすることで変位量の大きい電圧領域を利用し、吐出速度を増大させたものと考察できる。
【００３０】
すなわち、図３において０Ｖから２０Ｖの駆動波形（図３（ｂ））を利用するより負の抗電圧値付近の−１０Ｖから１０Ｖの駆動波形（図３（ｃ））を利用した方が、変位量を大きくすることができ、インク液滴の吐出速度を増加させることができるのである。
【００３１】
なお図５において横軸は電界強度で示している。バルクの圧電体を用いた場合抗電圧値自体は高い値であるが、薄膜の圧電体を用いた場合は電圧値の大きさとしてはバルクほど大きくはなく、比較的低電圧でＡ２の領域を利用できると言える。
【００３２】
また、図４を考察するに際し、以下の実験結果も役に立つ。
【００３３】
図６はインクジェットヘッドに図７のような正弦波電圧を印加、その際の振動板の変位量を直接レーザードップラー変位計等で測定したものである。印加電圧値は変えずオフセット電圧をパラメーターとして変化させて振動板の変位量を測定した結果、オフセット電圧値の変化により振動板の変位量は異なっている。正弦波電圧の最小値を負の抗電圧値付近に設定したところ、振動板の変位量は増加していることが分かる。
【００３４】
尚、図３のＶ２は抗電圧より小さい負の電圧値に設定すると、分極の向きが反転してしまい変位量は減少してしまうので好ましくない。
【００３５】
【実施例】
以下実施例を述べる。
【００３６】
（実施例１）
図１のような圧電体薄膜を用いたユニモルフ型のインクジェットヘッドを作成する。圧電体薄膜１はスパッタ法で成膜したＰＺＴ薄膜で、膜厚は３μｍ、組成はＰｂ（Ｚｒ_０．５２Ｔｉ_０．４８）Ｏ_３である。２は上電極となる１５０ｎｍの白金電極、３は下電極で１００ｎｍの白金電極である。また４は振動板、５はＳｉからなるインク室である。
【００３７】
駆動波形としては一般的な引き打ち波形として用いられる図３のような矩形波を印加する。パルス幅としては前記作成したインクジェットヘッドの固有振動周期の半分の１０μｓで駆動させる。なお実駆動を行う前に上電極２に３０Ｖの直流電圧を数秒印加している。
【００３８】
電圧値を２０Ｖと一定とし、図３のＶ２の電圧値を変化させた際のインク液滴の速度を測定したところ図４の結果を得た。Ｖ２を負の電圧にすることによって、液滴の速度が増加していることが分かる。又、前記圧電体薄膜１の抗電圧を測定したところ約±１０Ｖであり、圧力室６を収縮から膨張へと変化させる際の負の電圧値の大きさを抗電圧値以下にすることによって印加電圧値を上げることなく、液滴の速度を増加させることができる。
【００３９】
図４によれば、０Ｖから２０Ｖの駆動波形（図３（ｂ））を利用するより負の抗電圧値付近の−１０Ｖから１０Ｖの駆動波形（図３（ｃ））を利用した方が、変位量を大きくすることができ、インク液滴の吐出速度を増加させることができる。また、上電極２に印加される最大電圧値も２０Ｖから１０Ｖに下げることができて、圧電体薄膜１の劣化を抑えることができる。
【００４０】
なお、分極と逆方向に印加する電圧値の大きさは坑電圧値と同じでもよいが、分極反転が起こらない坑電圧値の９０％の電圧値であるとインク液滴の速度が増加し、インク液滴の安定性もより得られる。
【００４１】
（実施例２）
駆動波形は図３に限らない。図１のインクジェットヘッドにおいて、下電極３をグランド電位にし、上電極２に図８のような波形を印加する。なお駆動前に上電極２に−３０Ｖの直流電圧を数秒間印加している。
【００４２】
その結果、実施例１と同様に圧力室６を収縮から膨張へと変化させる際に印加する第２の電圧値の大きさを坑電圧値以下にすることで、吐出速度が増大する結果を得ている。
【００４３】
なお、本発明では駆動波形として単純矩形波を用いたが、駆動波形はこれに限らず、電圧の立ち上げ、立ち下げに勾配をつけたもの、一般的な引き打ち波形、三角波や正弦波などを用いても同様な効果を得ることが出来る。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、圧電体薄膜を用いたユニモルフ型のインクジェットヘッドにおいて、圧力室を収縮させるための圧電体薄膜の分極方向と同方向の第１の電圧、前記圧力室を膨張させるための分極方向と逆方向でかつ圧電体薄膜の坑電圧値の大きさ以下の第２の電圧、および圧力室を再び収縮させるための分極方向と同方向の第３の電圧を印加することで、振動板の変位量を向上させインク液滴の吐出スピードを向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明で用いたインクジェットヘッドの模式図
【図２】電圧印加に伴う圧電体の変位を示す模式図
【図３】本発明で用いた駆動波形を示す図
【図４】電圧値Ｖ２と液滴速度との関係を示したグラフ
【図５】Ｓ−Ｅヒステリシス測定の一例を示す図
【図６】オフセット電圧と変位量との関係を示したグラフ
【図７】変位量測定に用いた正弦波を示す図
【図８】本発明の実施例で用いた駆動波形を示す図
【符号の説明】
１圧電体薄膜
２上電極
３下電極
４振動板
５インク室
６圧力室
７インク供給部
８ノズル
Ａ１図５における正の電圧の領域
Ａ２図５における負の電圧の領域

Claims

インク圧力室とその側面の一部を形成している振動板、電圧パルスの印加により前記振動板を変形させ前記圧力室の容積を変化させる圧電体薄膜を備えたインクジェットヘッドにおいて、
前記圧力室の体積を収縮させる第１の電圧と、前記圧力室を膨張させる第２の電圧と、前記圧力室の体積を再び収縮させる第３の電圧をもつことを特徴とする圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
前記第１の電圧と前記第３の電圧は圧電体薄膜の分極方向と同方向の電圧を印加し、かつ前記第２の電圧は前記分極方向と逆方向の電圧を印加することを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
前記第２の電圧の大きさは前記圧電体薄膜の坑電圧値の大きさ以下であることを特徴とする請求項２に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。
前記第２の電圧の大きさは前記圧電体薄膜の坑電圧値の大きさの９０％の大きさであることを特徴とする請求項３に記載の圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法。