JP2007203737A - 圧電方式のインクジェットプリントヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】圧電膜の残留振動を速かに減衰させることが可能なインクジェットプリントヘッドを提供すること。
【解決手段】圧力チャンバを有する流路形成基板１１０と、この流路形成基板１１０の上部に形成されて、圧力チャンバ１１１にインクを吐出するための駆動力を供給する圧電アクチュエータ１４０と、少なくとも圧電アクチュエータ１４０の上部に形成されて、圧電アクチュエータ１４０の残留振動を減衰させるダンピング層１６０と、を備える。
【選択図】図３

Description

本発明は、インクジェットプリントヘッドに係り、特に、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に適用して好適である。

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つに大別される。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り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の上部壁をなす部位は、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の全表面に形成され、共通電極の役割を備える。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ると、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。駆動パルスの周波数は、圧電膜４２の減衰性能に影響を受ける。したがって、圧電膜４２の振動は、速かに減衰される必要がある。図２には、一つの駆動パルスを上部電極４３に印加した後、圧電膜４２の変位をレーザドップラー測定器（Ｌａｓｅｒ Ｄｏｐｌｅｒ Ｖｅｌｏｃｉｍｅｔｒｙ：ＬＤＶ）を利用して測定した結果が示されている。図２に示すように、約１５μｓの間にインクを吐出するための圧電膜４２の変位が発生し、その以後に約８５μｓの間に圧電膜４２の残留振動が続く。この実験例から見ると、駆動パルスの周波数が１０ＫＨｚより大きくなれば、圧電膜４２の変位は、前周期の駆動パルスによる残留振動の影響を受ける。それにより、インク液滴を均一な速度で吐出し難く、吐出されるインク液滴の体積も不均一になる恐れがある。また、圧力チャンバ１１内の圧力波が短時間内に解消されないことによって、隣接する圧力チャンバ１１の間にクロストーク（圧力波の混信による悪影響）が発生しうる。

そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、圧電膜の残留振動を速かに減衰させることが可能な、新規かつ改良された圧電方式のインクジェットプリントヘッドを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、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供給する圧電アクチュエータと、少なくとも前記圧電アクチュエータの上部に形成されて、前記圧電アクチュエータの残留振動を減衰させるダンピング層と、を備える圧電方式のインクジェットプリントヘッドが提供される。

また、前記ダンピング層は、少なくとも前記流路形成基板の上部の前記圧力チャンバに対応する領域上まで形成されるものであっても良い。

また、前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動電圧印加用の印刷回路をさらに備え、前記ダンピング層は、少なくとも前記印刷回路の前記圧電アクチュエータとの接合部の上部にまで形成されるものであっても良い。

また、前記ダンピング層は、その機械的損失率が、前記圧電アクチュエータ又は前記流路形成基板より大きいものであっても良い。

また、前記ダンピング層のヤング率は、５０００ＭＰａ以下であっても良い。

また、前記ダンピング層は、シリコンゴム、エポキシ、ポリウレタン、及びフォトレジスト物質から選ばれた１または２以上の混合物からなるものであっても良い。

本発明によれば、圧電アクチュエータの上部にダンピング層を形成することによって、残留振動の減衰時間を画期的に短縮させうる。従って、高粘度のインクを安定的に吐出できるインクジェットプリンタヘッドの実現が可能である。また、圧電アクチュエーターを駆動する駆動パルスの周波数を高め、安定した高速駆動の可能なインクジェットプリントヘッドを具現できる。また、駆動パルスに対する吐出応答特性を向上させ、インク液滴の挙動安定性を確保できるので高画質の印刷が可能であり、隣接する圧力チャンバ相互間のクロストークを低下させうる。付加的に、インクの漏れを防止するシーリング効果と、圧電アクチュエータと印刷回路との接合を堅く維持する効果が得られる。

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。また、図面上で各構成要素のサイズは、説明の明瞭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の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て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。

図３は、本発明の望ましい第１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垂直断面図であり、図４は、図３に示す本発明の望ましい第１実施形態に係るインクジェットプリントヘッドの平面図である。

図３及び図４を共に参照すれば、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と、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と、リストリクター１１２とが形成される。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下部電極１４１と、電圧の印加によって変形される圧電膜１４２と、駆動電極の役割を行う上部電極１４３とを備え、下部電極１４１、圧電膜１４２及び上部電極１４３が流路形成基板１１０上に順次に積層された構造を有する。

下部電極１４１は、圧力チャンバ１１１が形成された流路形成基板１１０上に形成される。流路形成基板１１０がシリコンウェーハから形成された場合には、流路形成基板１１０と下部電極１４１との間に、絶縁膜としてシリコン酸化膜１３１が形成されうる。下部電極１４１は、導電性を有する金属物質からなる。下部電極１４１は、一つの金属層からなってもよいが、Ｔｉ層及びＰｔ層の二つの金属層から形成されたことが望ましい。Ｔｉ／Ｐｔ層からなる下部電極１４１は、共通電極の役割を行うだけでなく、その上に形成される圧電膜１４２と、その下側の流路形成基板１１０との間の相互拡散を防止する拡散防止層の役割も行う。

圧電膜１４２は、下部電極１４１上に形成され、圧力チャンバ１１１に対応する位置に配置される。圧電膜１４２は、圧電物質、望ましくは、ＰＺＴ（Ｌｅａｄ Ｚｉｒｃｏｎａｔｅ Ｔｉｔａｎａｔｅ）セラミック材料で形成されうる。

上部電極１４３は、圧電膜１４２に電圧を印加する駆動電極の役割を行うものであって、圧電膜１４２上に形成される。上部電極１４３の上面には、電圧印加用駆動回路、例えば、ＦＰＣ
１５０の配線１５１が接合される。

図３及び図４に示す流路形成基板１１０、ノズル基板１２０及び圧電アクチュエータ１４０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、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、それより多い基板を使用して形成されてもよい。また、圧電アクチュエータ１４０の構造と、圧電アクチュエータと電圧印加用駆動回路との連結のための構造も、多様な構造に変形されうる。言い換えれば、本発明は、インク流路の構造、圧電アクチュエータ１４０の構造、圧電アクチュエータと電圧印加用駆動回路との連結のための構造に特徴があるのではなく、圧電膜１４２の残留振動を減衰させるための構造に特徴があるという点を明確にしておく。

圧電膜１４２の振動は速かに減衰させる必要がある。そのために、アクティブダンピング法、パッシブダンピング法、バルクアクチュエータを利用する方法などを考慮できる。
アクティブダンピング法は、インクを吐出するための主駆動パルスの次に補助パルスを印加して、圧電膜１４２の残留震動波と逆の振動を圧電膜１４２に誘発させて強制的に残留振動を減衰させる方法である。言い換えれば、図２のグラフで１５μｓと１００μｓ区間との間に補助パルスを印加する。この方法によって、さらに迅速な減衰が可能であるが、圧電アクチュエータ１４０を駆動するための駆動回路の構造が複雑になる。また、補助パルスの印加時点についての精密な検討が必要である。

パッシブダンピング法は、振動する物体に機械的な損失率の大きな物質を添付して、残留振動エネルギーをパッシブダンピング物質が吸収及び消耗する方法である。

バルクアクチュエータは、焼結された圧電物質をエッチングして製造した圧電アクチュエータを言い、材料の密度が高くかつ厚いため、剛性が高い。したがって、残留振動の抑制に効果がある。しかし、バルクアクチュエータは、製造工程が難しくかつ収率が低い。また、バルクアクチュエータは、変位が相対的に小さいため、高い駆動電圧を要する。

図３に示すように、圧電アクチュエータ１４０の上部にダンピング層１６０が形成される。ダンピング層１６０は、機械的損失率が圧電アクチュエータ１４０や流路形成基板１１０より大きいことが望ましい。機械的損失率は、ヤング率、せん断モードで損失係数（せん断係数Ｇの虚数部／実数部のタンジェント値）などの多様な方法で表示されうる。以下では、機械的損失率をヤング率で表示する。ヤング率が小さいほど、機械的損失率が大きい。流路形成基板１１０として使用されうるシリコン単結晶基板のヤング率は、約１５０ないし２０００ＧＰａである。また、圧電膜１４２を形成するＰＺＴは、ヤング率が約４０ないし６００ＧＰａである。ダンピング層１６０は、インクを吐出するために、圧電アクチュエータ１４０が発生させる非常に小さな力及び変位を抑制しない程度に十分に柔らかくなければならない。したがって、ダンピング層１６０のヤング率は、流路形成基板１１０または圧電膜１４２のヤング率より十分に小さくせねばならず、ダンピング層１６０として採用されうる物質は、ヤング率が約５０００ＭＰａ以下であることが望ましい。ダンピング層１６０は、例えば、シリコンゴム、望ましくは、常温硬化型（Ｒｏｏｍ Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｖｏｌｃａｎｉｚｉｎｇ：ＲＴＶ）シリコンゴム、エポキシ、ポリウレタン、フォトレジスト物質のうち何れか一つまたは二つ以上の混合物で形成されうる。前述した物質は、単に一例に過ぎず、ダンピング層１６０は、ヤング率が流路形成基板１１０または圧電膜１４２より十分に小さな多様な物質で形成されうる。

ダンピング層１６０は、少なくとも圧電アクチュエータ１４０の上部を覆うように形成されることが望ましい。さらに望ましくは、ダンピング層１６０は、流路形成基板１１０の圧力チャンバ１１１に対応する領域全体を覆うように形成される。また、ダンピング層１６０は、印刷回路１５０の圧電アクチュエータ１４０との接合部１５２まで覆うように形成されうる。実質的に、ディスペンサーを利用するか、またはスピンコーティングまたはスプレイコーティングによってダンピング層１６０を形成する場合には、圧電アクチュエータ１４０を備えるプリントヘッドの上部全体に形成される。

図５には、シリコンゴムからなるダンピング層１６０を形成した後に減衰効果を試験した結果が示されている。ダンピング層１６０の厚さは、約２ｍｍである。シリコンゴムの平均弾性係数は、約５ＭＰａである。圧電アクチュエータ１４０に印加された駆動パルスの電圧は、３５Ｖであり、印加時間は、１０μｓである。

図５に示すように、駆動パルスの印加時点から約３５μｓ以内に残留振動がほぼ減衰完了したことを確認できる。これは、図２に示す結果と比較すると、残留振動の減衰時間を画期的に短縮させたと評価されうる。実験では、ダンピング層１６０の厚さを２ｍｍにしたが、これによって本発明の範囲が限定されるものではない。

濃度の高いインクを安定的に吐出するためには、圧電膜１４２の変位を大きくする必要がある。圧電膜１４２の変位は、圧電膜１４２のサイズにある程度比例する。圧電膜１４２の厚さを厚くすれば、かえって変位が小さくなるので、同じ変位を得るためには大きな駆動電圧が必要である。圧電膜１４２の長さは、圧力チャンバ１１１の長さに依存する。したがって、実質的に圧電膜１４２のサイズを大きくするためには、圧電膜１４２の幅を大きくする必要がある。厚さ及び長さが同じである場合に圧電膜１４２の幅が大きくなれば、圧電膜１４２の剛性が小さくなって、残留振動の抑制に不利である。本発明に係るインクジェットプリントヘッドによれば、ダンピング層１６０を形成することによって、圧電膜１４２の幅が大きくなることによる剛性の低下を補償できる。したがって、圧電膜１４２の高い変位を維持しつつ残留振動を効果的に減衰させることによって、高粘度のインクを安定的に吐出できるインクジェットプリンタヘッドの具現が可能である。

また、強制減衰のための補助パルスが不要であるので、駆動回路を単純化することができ、駆動パルスの周波数を高めうる。したがって、安定した高速駆動の可能なインクジェットプリントヘッドを具現できる。

また、残留振動を速かに減衰させることによって、駆動パルスに対する吐出応答特性を向上させ、インク液滴の挙動安定性を確保できるので、高画質の印刷が可能である。

また、隣接する圧力チャンバ１１１相互間のクロストークを低下させることによって、同時に複数のノズルから吐出されるインク液滴の速度や体積を均一に維持できるので、均一な品質の印刷が可能である。

ダンピング層１６０は、流路形成基板１１０の圧力チャンバ１１１に対応する領域にまで形成されることによって、圧力チャンバ１１１の内部の圧力波によって流路形成基板１１０の全体に伝達される振動を吸収できる。また、ダンピング層１６０は、付加的にシーリング作用ができる。インクの吐出回数が累積されれば、振動板１１４の反復的な振動によって、リストリクター１１２を形成するために延びた隔壁１１５の周りのコーナ部１１６にはクラックが発生する可能性がある。クラックを通じてインクが漏れれば、上部電極１４３と下部電極１４１とがショートされて、インクジェットヘッドが破損されうる。本発明に係るインクジェットプリントヘッドによれば、ダンピング層１６０が流路形成基板１１０の圧力チャンバ１１１に対応する領域にまで形成されることによって、インクの漏れを防止できる。また、ダンピング層１６０は、圧電アクチュエータ１４０を備えるインクジェットプリントヘッド全体の電気的、機械的、化学的表面保護層としての役割を兼ね得る。このようなシーリング効果及び表面保護効果を極大化するためには、ダンピング層１６０は、圧電アクチュエータ１４０を備える流路形成基板１１０の上部全体に形成されることがさらに望ましい。

また、ダンピング層１６０は、印刷回路１５０の圧電アクチュエータ１４０との接合部１５２まで覆うように形成されることによって、印刷回路１５０と圧電アクチュエータ１４０との接合耐久性を向上させうる。

以下では、添付された図面を参照して、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製造方法を説明する。

図６Ａないし図６Ｄは、図３に示す本発明の圧電方式のインクジェットプリントヘッドの製造方法を段階的に示す断面図である。

図６Ａに示すように、圧力チャンバ１１１、リストリクター１１２、マニホルド１１３、及び振動板１１４が形成された流路形成基板１１０を準備する。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）により絶縁膜としてシリコン酸化膜１３１を形成する。

次いで、図６Ｂに示すように、シリコン酸化膜１３１上に下部電極１４１を形成する。具体的に、下部電極１４１は、前述のように、Ｔｉ層及びＰｔ層の二つの金属層から形成されうる。下部電極１４１は、シリコン酸化膜１３１の全表面に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。

図６Ｃに示すように、ペースト状の圧電物質を下部電極１４１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セラミック材料が使用されうる。

図６Ｄは、圧電膜１４２上に上部電極１４３を形成した状態を示す図面である。上部電極１４３は、圧電膜１４２上に導電性の金属物質、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うる。圧電膜１４２及び上部電極１４３を所定温度、例えば、９００〜１,０００℃で焼結させた後、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。

次いで、シリコンゴムまたはエポキシなどのダンピング物質を、ディスペンサを利用して圧電アクチュエータ１４０の上部に塗布するか、またはスピンコーティングまたはスプレイコーティング法によってコーティングしてダンピング層１６０を形成する。このとき、上部電極１４３をマスキングしてＦＰＣ １５０の配線１５１を接合する部分にはダンピング層１６０を形成させない。その後、上部電極１４３の上面に電圧印加用駆動回路、例えば、ＦＰＣ １５０の配線１５１を接合することによって、図３に示すようなダンピング層１６０を有する圧電方式のインクジェットプリントヘッドが製造される。

上部電極１４２にＦＰＣ
１５０の配線１５１を接合した後に、前述の方法によってダンピング層１６０を形成してもよい。この場合、ダンピング層１６０は、接合部１５２にまで形成されることが望ましい。図面に図示されてはいないが、インクジェットプリントヘッドをベッセル（図示せず）にパッケージングした後に表れる表面に、シリコンゴムまたはエポキシなどのダンピング物質を、ディスペンサを利用して塗布するか、またはスピンコーティングまたはスプレイコーティング法によってコーティングしてダンピング層１６０を形成してもよい。

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。すなわち、当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲に基づいて定められる。

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。 圧電膜の残留振動を示すグラフである。 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垂直断面図である。 図３に示す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る。 図３に示すインクジェットプリントヘッドによる残留振動の減衰効果を示すグラフである。 図３に示す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製造方法を段階的に示す断面図である。 図３に示す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製造方法を段階的に示す断面図である。 図３に示す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製造方法を段階的に示す断面図である。 図３に示す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製造方法を段階的に示す断面図である。

符号の説明

１００ 装置
１０２ 部品
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
１１４ 振動板
１１５ 隔壁
１１６ コーナ部
１２０ ノズル基板
１２２ ノズル
１３１ シリコン酸化膜
１４０ 圧電アクチュエータ
１４１ 下部電極
１４２ 圧電膜
１４３ 上部電極
１５０ ＦＰＣ
１５１ 配線
１５２ 接合部
１６０ ダンピング層

Claims (6)

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供給する圧電アクチュエータと、
   少なくとも前記圧電アクチュエータの上部に形成されて、前記圧電アクチュエータの残留振動を減衰させるダンピング層と、
   を備えることを特徴とする、圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
2. 前記ダンピング層は、少なくとも前記流路形成基板の上部の前記圧力チャンバに対応する領域上まで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
3. 前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動電圧印加用の印刷回路をさらに備え、
   前記ダンピング層は、少なくとも前記印刷回路と前記圧電アクチュエータとの接合部の上部にまで形成されることを特徴とする、請求項１に記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
4. 前記ダンピング層は、その機械的損失率が、前記圧電アクチュエータ又は前記流路形成基板より大きいことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
5. 前記ダンピング層のヤング率は、５０００ＭＰａ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。
6. 前記ダンピング層は、シリコンゴム、エポキシ、ポリウレタン、及びフォトレジスト物質から選ばれた１または２以上の混合物からなることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の圧電方式のインクジェットプリントヘッド。

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