JP2007190911A - インクジェットプリントヘッド及びその駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】低い駆動電圧で作動されて、圧電膜の厚さの均一度による影響をあまり受けないインクジェットプリントヘッド及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】圧力チャンバ１１１を有する流路形成基板１１０と、流路形成基板１１０の上部に形成されて圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供する圧電アクチュエータ１４０とを備えるインクジェットプリントヘッドにおいて、圧電アクチュエータは、流路形成基板の上部に圧力チャンバに対応するように設けられる圧電膜１４２と、圧電膜の長手方向に交互に配列される複数の共通電極１４１及び複数の駆動電極１４３と、を備えるインクジェットプリントヘッドである。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電方式によってインクを吐出するインクジェットプリントヘッド及びその駆動方法に関する。

一般的に、インクジェットプリントヘッドは、印刷用インクの微小な液滴を記録用紙上の所望の位置に吐出させて所定色の画像に印刷する装置である。このようなインクジェットプリントヘッドは、インク吐出方式によって２つに大分されうる。その一つは、熱源を利用してインクにバブルを発生させて、そのバブルの膨張力によってインクを吐出させる熱駆動方式のインクジェットプリントヘッドであり、他の一つは、圧電体を使用して、その圧電体の変形によりインクに加えられる圧力によりインクを吐出させる圧電方式のインクジェットプリントヘッドである。

図１は、従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す垂直断面図である。図１に示すように、流路形成基板１０には、インク流路を構成するマニホルド１３、複数のリストリクター１２及び複数の圧力チャンバ１１が形成されており、ノズル基板２０には、複数の圧力チャンバ１１のそれぞれに対応する複数のノズル２２が形成されている。そして、流路形成基板１０の上部には、圧電アクチュエータ４０が設けられている。マニホルド１３は、図示されていないインク貯蔵庫から流入されたインクを複数の圧力チャンバ１１のそれぞれに供給する通路であり、リストリクター１２は、マニホルド１３から圧力チャンバ１１の内部にインクが流入される通路である。複数の圧力チャンバ１１は、吐出されるインクが充填されるものであって、マニホルド１３の一側または両側に配列されている。圧力チャンバ１１は、圧電アクチュエータ４０の駆動によりその体積が変化することによって、インクの吐出または流入のための圧力変化を生成する。このために、流路形成基板１０の圧力チャンバ１１の上壁をなす部位は、圧電アクチュエータ４０により変形される振動板１４の役割を行う。

圧電アクチュエータ４０は、流路形成基板１０上に順次に積層された下部電極４１と、圧電膜４２と、上部電極４３とを備える。下部電極４１と流路形成基板１０との間には、絶縁膜としてシリコン酸化膜３１が形成されている。下部電極４１は、シリコン酸化膜３１の全面に形成され、共通電極の役割を行う。圧電膜４２は、圧力チャンバ１１の上部に位置するように下部電極４１上に形成される。上部電極４３は、圧電膜４２上に形成され、圧電膜４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行う。上部電極４３には、電圧印加用フレキシブル印刷回路（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ：ＦＰＣ）５０が連結される。

上部電極４３に駆動パルスを印加すれば、圧電膜４２が変形されつつ振動板１４を変形させて圧力チャンバ１１の体積を変化させる。これにより、圧力チャンバ１１の内部のインクがノズル２２を通じて吐出される。多様な粘度のインクを効果的に吐出するためには、振動板１４の変位を可能な限り大きくする必要がある。振動板１４の変位は、圧電膜４２の横方向の長さの変化量に依存する。圧電膜４２の横方向の長さの変化量は、圧電膜４２の横方向の長さ及び駆動電圧の大きさに依存する。ところが、圧電膜４２の横方向の長さは、圧力チャンバ１１の長さによって限定される。したがって、図１に示す圧電アクチュエータによれば、振動板１４の変位を大きくするためには、駆動電圧の大きさを大きくしなければならない。また、圧電膜４２の横方向の長さの変化量は、圧電膜４２の厚さの均一度にも依存する。圧電膜４２の厚さが不均一であれば、それだけ圧電膜４２の横方向の長さの変化量も影響を受ける。

本発明は、前記問題点を解決するためになされたものであって、低い駆動電圧で作動されて、圧電膜の厚さの均一度による影響をあまり受けない圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその駆動方法を提供することを目的とする。

前記目的を解決するための本発明の圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、圧力チャンバを有する流路形成基板と、前記流路形成基板の上部に形成されて、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供する圧電アクチュエータとを備えるインクジェットプリントヘッドにおいて、前記圧電アクチュエータは、前記流路形成基板の上部に前記圧力チャンバに対応するように設けられる圧電膜と、前記圧電膜の長手方向に交互に配列される複数の共通電極及び複数の駆動電極と、を備える。

一実施形態として、前記流路形成基板と前記圧電アクチュエータとの間には、絶縁層が設けられる。

一実施形態として、前記複数の共通電極及び前記複数の駆動電極は、前記圧電膜の上部に形成される。

前述目的を解決するための本発明の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの駆動方法は、圧力チャンバを有する流路形成基板と、前記流路形成基板の上部に形成されて、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供する圧電アクチュエータとを備えるインクジェットプリントヘッドの駆動方法において、前記圧電アクチュエータの圧電膜を長手方向に複数のセクションに区分し、前記各セクションへ前記長手方向に駆動電界を印加することを特徴とする。

本発明に係るインクジェットプリントヘッド及びその駆動方法によれば、次のような効果が得られる。

第一に、圧電膜を長手方向に複数のセクションに分け、各セクションに駆動電界を印加することによって、圧電膜のサイズ及び駆動電圧の大きさが同じであるとき、従来の圧電アクチュエータに比べて変位を画期的に延ばしうる。

第二に、所望の圧電アクチュエータの変位が同じである場合に、圧電膜を複数のセクションに分けることによって、駆動電圧を顕著に下げうる。したがって、低電圧駆動の可能な圧電方式のインクジェットプリントヘッドの具現が可能である。

第三に、本発明に係るインクジェットプリンタの圧電アクチュエータは、圧電膜の変形量を算出するに当って、縦方向の圧電定数ｄ_３３を使用するため、圧電膜の変形量が圧電膜の厚さにあまり影響を受けない。

第四に、圧電膜上に共通電極及び駆動電極を同時に形成できるので、電極を形成する工程が簡素化されて製造コストを低減させうる。

以下、図面において、同じ参照符号は、同じ構成要素を示し、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明確性及び便宜のために誇張されている。また、一層が基板や他の層上に存在すると説明されるとき、その層は、基板や他の層に直接的に接しつつ、その上に存在してもよく、その間に第３の層が存在してもよい。以下、添付した図面を参照しつつ本発明の望ましい実施形態を詳細に説明する。

図２は、本発明に係るインクジェットプリントヘッドの一実施形態の平面図であり、図３は、図２のインクジェットプリントヘッドの一実施形態に図示された圧電膜の長手方向の構造を示す垂直断面図である。

図２及び図３に示すように、インクジェットプリントヘッドは、インク流路が形成された流路形成基板１１０と、インク吐出圧力を提供するための圧電アクチュエータ１４０とを備える。流路形成基板１１０には、圧力チャンバ１１１、圧力チャンバ１１１にインクを供給するためのマニホルド１１３、及びリストリクター１１２を備える。流路形成基板１１０には、圧力チャンバ１１１からインクを吐出させるためのノズル１２２が形成されたノズル基板１２０が接合される。圧力チャンバ１１１の上部には、圧電アクチュエータ１４０の駆動により変形される振動板１１４が設けられる。流路形成基板１１０及びノズル基板１２０によってインク流路が定義される。

圧電アクチュエータ１４０は、流路形成基板１１０の上部に形成されて、圧力チャンバ１１１にインクの吐出のための駆動力を提供する役割を行う。圧電アクチュエータ１４０は、共通電極の役割を行う共通電極１４１と、電圧の印加によって変形される圧電膜１４２と、駆動電圧が印加される駆動電極１４３とを備える。共通電極１４１、圧電膜１４２及び駆動電極１４３は、流路形成基板１１０上に積層される。

流路形成基板１１０がシリコンウェーハからなる場合には、圧電アクチュエータ１４０と流路形成基板１１０との間には、絶縁層１３１が設けられることが望ましい。絶縁層１３１は、一例として、流路形成基板１１０の上面にプラズマ化学気相蒸着（Ｐｌａｓｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：ＰＥＣＶＤ）により形成されるシリコン酸化膜でありうる。

ペースト状の圧電物質を絶縁層１３１上にスクリーンプリンティングにより所定の厚さに塗布することによって、圧電膜１４２を形成する。圧電膜１４２は、圧力チャンバ１１１に対応する位置に形成される。圧電物質としては多様なものが使用されうるが、望ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料が使用されうる。

本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドは、圧電膜１４２を長手方向に複数のセクションに区分し、各セクションに長手方向に分割された複数の駆動電界を印加することを特徴とする。このために、図２に示すように、圧電膜１４２の長手方向に複数の共通電極１４１と複数の駆動電極１４３とが交互に配列されている。

共通電極１４１及び駆動電極１４３は、導電性を有する金属物質からなる。共通電極１４１及び駆動電極１４３は、一つの金属層から形成されてもよく、Ｔｉ層及びＰｔ層の二つの金属層からなってもよい。共通電極１４１及び駆動電極１４３は、絶縁層１３１及び圧電膜１４２の表面にＴｉ及びＰｔをそれぞれスパッタリングにより所定の厚さに蒸着することによって形成されうる。また、共通電極１４１及び駆動電極１４３は、圧電膜１４２上に導電性金属物質、例えば、Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーンプリンティングすることによって形成されてもよい。Ａｇ−Ｐｄペーストをスクリーンプリンティングして共通電極１４１及び駆動電極１４３を形成した場合には、圧電膜１４２、共通電極１４１及び駆動電極１４３を所定温度、例えば、９００〜１，０００℃で焼結させる。その後、圧電膜１４２に電界を加えて圧電特性を発生させるポーリング工程を行う。共通電極１４１及び駆動電極１４３は、圧電膜１４２と絶縁層１３１との間に形成されてもよい。

図４を参照して、前述した駆動方法による圧電膜１４２の変位の計算例を説明する。図４に示すように、圧電膜１４２の長手方向にそれぞれ１００個ずつの共通電極１４１及び駆動電極１４３を配置する。それにより、圧電膜１４２は、１９９個のセクション（Ｓ）に区分される。圧電膜１４２の長さを３０００μｍ、共通電極１４１及び駆動電極１４３の幅を５μｍとすれば、各セクション（Ｓ）の長さは、約１０．０５μｍであり、以下では、便宜上１０μｍとみなす。それにより、圧電膜１４２の総有効長は、１９９×１０μｍ＝１９９０μｍとなる。駆動電極１４３に駆動電圧を印加して各セクション（Ｓ）に駆動電界を形成する。それにより、圧電膜１４２が分極方向と同じ方向に引っ張られる。圧電膜１４２の分極方向の長さの変化率Ｌｒは、下記式によって表現されうる。

Ｌｒ＝ｄ_３３×Ｅ_３
＝ｄ_３３×Ｖ_３／Ｌ_３
ここで、ｄ_３３は、長手方向（分極方向と同じ方向）の圧電定数であり、Ｅ_３は、電場の強度である。Ｖ_３は、駆動電極１４３に印加される電圧であり、Ｌ_３は、セクション（Ｓ）の距離である。

ｄ_３３は、横方向（分極方向に直角である方向）の圧電定数であるｄ_３１の約２倍である。したがって、圧電膜１４２の分極方向の長さの変化率Ｌｒは、下記式で表示されうる。

Ｌｒ＝−２×ｄ_３１×Ｖ_３／Ｌ_３
一例として、ｄ_３１＝−１００×１０^−１２ｍ／Ｖ（符号“−”は、圧電膜１４２の長さが縮少されることを意味する）、Ｖ_３＝６５Ｖ、Ｌ_３＝１０μｍを前記式に代入すれば、Ｌｒ＝１３００μｍ／ｍである。Ｌｒと圧電膜１４２の総有効長１９９０μｍとを乗算すれば、圧電膜１４２の総長の変化量は、２．５８７μｍ＝２５８７ｎｍとなる。結果的に、長さ３０００μｍの圧電膜１４２を、単位長が１０μｍである１９９個のセクション（Ｓ）に分け、各セクション（Ｓ）に幅がそれぞれ５μｍである共通電極１４１及び駆動電極１４３を設置した場合に、圧電膜１４２の長さの総変化量は２５８７ｎｍとなる。

図１に示す従来の圧電アクチュエータ４０の圧電膜４２の長さの変化量を計算する。圧電膜４２の分極方向は、圧電膜４２の厚さ方向であり、上部電極４３に印加される駆動電圧によって圧電膜４２は厚さ方向に延びる。したがって、圧電膜４２は、厚さ方向に直角である方向に縮まる。圧電膜４２の厚さＴを２５μｍ、圧電膜４２の長さＬを３０００μｍとし、上部電極４３に６５Ｖの駆動電圧Ｖ_３を印加した場合に、圧電膜４２の長さの変化量は、以下の通りである。

圧電膜４２の長さの変化量＝ｄ_３１×Ｅ_３×Ｌ
＝（ｄ_３１×Ｖ_３／Ｔ）×Ｌ
＝（−１００×１０^−１２×６５／２５×１０^−６）×３０００＝−７８０ｎｍ
すなわち、圧電膜４２の長さは、７８０ｎｍ縮小する。

二つの結果を比較すれば、本発明に係る圧電アクチュエータ１４０の変位は、従来の圧電アクチュエータ４０の変位の約３．３倍となる。このような簡単な計算の結果から、圧電膜１４２を長手方向に複数のセクション（Ｓ）に分け、各セクション（Ｓ）に駆動電界を印加すれば、他の条件、例えば、圧電膜１４２の厚さ、長さ、駆動電圧の大きさが同一であっても、従来の圧電アクチュエータ４０に比べて変位を画期的に延ばしうることが確認できる。

図４において、共通電極１４１及び駆動電極１４３の数をそれぞれｎ／２、圧電膜１４２の総長をＬ、各セクション（Ｓ）の長さをＬ_３とすれば、圧電膜１４２の有効総長は、（ｎ−１）×Ｌ_３となる。したがって、圧電膜１４２の長さの変化量は、以下の通りである。

圧電膜１４２の長さの変化量＝（−２×ｄ_３１×Ｅ_３）×（ｎ−１）×Ｌ_３
＝（−２×ｄ_３１×Ｖ_３／Ｌ_３）×（ｎ−１）×Ｌ_３
＝−２×ｄ_３１×Ｖ_３×（ｎ−１）
すなわち、圧電膜１４２の長さの変化量は、セクション（Ｓ）の数が多いほど、言い換えれば、共通電極１４１及び駆動電極１４３の幅と各セクション（Ｓ）の長さＬ_３とが小さいほど増加する。したがって、本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータ１４０によれば、圧電膜１４２のサイズが同じであり、駆動電圧Ｖ_３が同じである場合に、従来の圧電アクチュエータより大きな変位が得られる。従来の圧電アクチュエータ４０は、圧電膜４２の変形量を算出するに当って、分極方向（圧電膜４２の厚さ方向）に直角である横方向の圧電定数ｄ_３１を使用する。したがって、圧電膜４２の厚さの均一性が維持されて初めて安定した駆動特性が得られる。しかし、本発明に係るインクジェットプリンタの圧電アクチュエータ１４０は、圧電膜１４２の変形量を算出するに当って、分極方向と同じ方向（圧電膜１４２の長手方向）である縦方向の圧電定数ｄ_３３を使用する。したがって、圧電膜１４２の厚さの均一性が多少低下しても、これにより、圧電膜１４２の変位に大きな変化が発生せず、共通電極１４１及び駆動電極１４３が均一に形成されるならば、均一な変位を有する圧電アクチュエータ１４０の具現が可能である。これにより、均一な品質の画像を印刷できるインクジェットプリントヘッドの具現が可能である。

また、所望の圧電アクチュエータ１４０の変位が同じである場合に、圧電膜１４２を複数のセクション（Ｓ）に分けることによって、駆動電圧を顕著に下げうる。したがって、低電圧駆動の可能な圧電方式のインクジェットプリントヘッドの具現が可能である。

また、圧電膜４２の下部及び上部にそれぞれ電極４１、４３が形成された従来のインクジェットプリントヘッドによれば、流路形成基板１０上にシリコン酸化膜３１を形成した後、その上に下部電極４１を形成する。次いで、下部電極４１上に圧電膜４２を形成する。その後、圧電膜４２上に上部電極４３を形成する。しかし、本発明に係るインクジェットプリントヘッドによれば、流路形成基板１１０上にシリコン酸化膜からなる絶縁層１３１を形成し、その上に圧電膜１４２を形成する。その後、圧電膜１４２及び絶縁層１３１上に共通電極１４１及び駆動電極１４３を同時に形成しうる。したがって、従来のインクジェットプリントヘッドに比べて、電極１４１、１４３を形成する工程が簡素化されて、製造コストを低減させうる。

図５Ａに示すように、本発明のインクジェットプリントヘッドによれば、駆動電極１４３に駆動電圧を印加すれば、圧電膜１４２の長さが延びつつ、振動板１１４が上側に変形されて圧力チャンバ１１１の体積が増加する。これにより、図示されていないインク保存部からマニホルド１１３及びリストリクター１１２を通じて圧力チャンバ１１１にインクが流入される。駆動電極１４３に印加された駆動電圧が除去されれば、図５Ｂに示すように、圧電膜１４２及び振動板１１４が元状態に復帰されつつ、圧力チャンバ１１１の体積が再び減少する。この体積の変化により、圧力チャンバ１１内に形成された圧力波によって、ノズル１２２を通じてインクが吐出される。パルス形態の駆動電圧を駆動電極１４３に印加することによって反復的にインクを吐出しうる。

本発明に係る圧電方式のインクジェットプリントヘッド及びその駆動方法は、圧電アクチュエータ１４０の圧電膜１４２を長手方向に複数のセクション（Ｓ）に分割し、各セクション（Ｓ）にそれぞれ駆動電界を印加可能な電極１４１、１４３の構造及び駆動方法にその特徴がある。したがって、図２及び図３に示す流路形成基板１１０及びノズル基板１２０の構造は、単に一例に過ぎない。すなわち、圧電方式のインクジェットプリントヘッドには、多様な構造のインク流路が設けられうる。このようなインク流路は、図３に示す二つの基板１１０、１２０ではなく、それより多くの基板を使用して形成されてもよい。

以上、本発明の望ましい実施形態を詳細に説明したが、これは例示的なものに過ぎず、当業者ならば、これから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点が理解できるであろう。したがって、本発明の真の技術的な保護範囲は、特許請求の範囲によって決まらねばならない。

本発明は、インクジェットプリントヘッド関連の技術分野に好適に適用されうる。

従来の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの一般的な構成を示す垂直断面図である。 本発明の一実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの構造を示す平面図である。 図２に示すインクジェットプリントヘッドの一実施形態の垂直断面図である。 図２に示すインクジェットプリントヘッドの一実施形態の作用を説明するための垂直断面図である。 図２に示すインクジェットプリントヘッドの一実施形態によるインク吐出動作を示す図面である。 図２に示すインクジェットプリントヘッドの一実施形態によるインク吐出動作を示す図面である。

符号の説明

１１０ 流路形成基板、
１１１ 圧力チャンバ、
１１２ リストリクター、
１１３ マニホルド、
１２０ ノズル基板、
１２２ ノズル、
１３１ 絶縁層、
１４０ 圧電アクチュエータ、
１４１ 共通電極、
１４２ 圧電膜、
１４３ 駆動電極。

Claims (4)

1. 圧力チャンバを有する流路形成基板と、前記流路形成基板の上部に形成されて、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供する圧電アクチュエータとを備えるインクジェットプリントヘッドにおいて、
   前記圧電アクチュエータは、
   前記流路形成基板の上部に前記圧力チャンバに対応するように設けられる圧電膜と、
   前記圧電膜の長手方向に交互に配列される複数の共通電極及び複数の駆動電極と、を備えることを特徴とするインクジェットプリントヘッド。
2. 前記流路形成基板と前記圧電アクチュエータとの間には、絶縁層が設けられたことを特徴とする請求項１に記載のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記複数の共通電極及び前記複数の駆動電極は、前記圧電膜の上部に形成されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のインクジェットプリントヘッド。
4. 圧力チャンバを有する流路形成基板と、前記流路形成基板の上部に形成されて、前記圧力チャンバにインクを吐出するための駆動力を提供する圧電アクチュエータとを備えるインクジェットプリントヘッドの駆動方法において、
   前記圧電アクチュエータの圧電膜を長手方向に複数のセクションに区分し、前記各セクションへ前記長手方向に駆動電界を印加することを特徴とするインクジェットプリントヘッドの圧電アクチュエータの駆動方法。

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