JP2009231777A - Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator - Google Patents
Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator Download PDFInfo
- Publication number
- JP2009231777A JP2009231777A JP2008078712A JP2008078712A JP2009231777A JP 2009231777 A JP2009231777 A JP 2009231777A JP 2008078712 A JP2008078712 A JP 2008078712A JP 2008078712 A JP2008078712 A JP 2008078712A JP 2009231777 A JP2009231777 A JP 2009231777A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric film
- lower electrode
- upper electrode
- diaphragm
- young
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)
Abstract
Description
本発明は圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法に係り、特にスパッタ法などの手法により成膜された配向性を有する圧電素子の駆動技術に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator, a liquid discharge head, a liquid discharge apparatus, and a driving method of the piezoelectric actuator, and more particularly to a driving technique of a piezoelectric element having an orientation formed by a technique such as a sputtering method.
汎用の画像形成装置として、インクジェットヘッドから記録媒体上にインク液滴を吐出して所望の画像を形成するインクジェット記録装置が広く用いられている。インクジェット記録装置では、インクジェットヘッドからインク液滴を吐出させるための圧力付与手段として圧電素子(圧電アクチュエータ)が好適に用いられる。 2. Description of the Related Art As a general-purpose image forming apparatus, an ink jet recording apparatus that forms a desired image by ejecting ink droplets onto a recording medium from an ink jet head is widely used. In an ink jet recording apparatus, a piezoelectric element (piezoelectric actuator) is preferably used as pressure applying means for ejecting ink droplets from an ink jet head.
インクジェットヘッドには、印字性能の向上、特に、高解像度化及び印字速度の高速化が求められている。そのために、ノズルを微細化するとともに高密度に配置したマルチノズルヘッド構造を用いて、高解像度化及び印字速度の高速化が試みられている。ノズルの高密度配置化を実現するために圧力発生素子である圧電素子の小型化が強く求められている。 Ink-jet heads are required to improve printing performance, in particular, higher resolution and higher printing speed. Therefore, attempts have been made to increase the resolution and the printing speed by using a multi-nozzle head structure in which nozzles are miniaturized and arranged at high density. In order to realize a high-density arrangement of nozzles, there is a strong demand for miniaturization of piezoelectric elements that are pressure generating elements.
圧電素子の小型化のためには、その厚みを薄くすることが有効であり、圧電素子の薄膜化を実現するために、例えば、特許文献1にはスパッタ法により圧電体層(圧電体膜)を成膜する技術が開示されている。
特許文献1に記載されているようなスパッタ法で作製した圧電体膜は、図22(a)に示すように、基板(振動板)315に下部電極318を成膜し、下部電極318に圧電体膜320をスパッタ法で成膜し、更に、圧電体膜320に上部電極322を成膜して形成された圧電素子323を考えると、当該圧電体膜320の成膜時の分極方向Aは下部電極318から上部電極322に向かう方向となっている。
As shown in FIG. 22A, a piezoelectric film produced by sputtering as described in
一方、圧電素子323をインクジェットヘッドに用いる場合には、上部電極322及び下部電極318への配線を形成する観点から、上部電極322をアドレス電極、下部電極318をグランド電極とする構造が好ましい。
On the other hand, when the
しかし、図22(a)に示す圧電素子323の上部電極322をアドレス電極、下部電極318をグランド電極とし、上部電極322にプラス電圧を印加すると(圧電体膜320の分極方向と反対方向の電界を印加すると)、図22(b)に示すように、圧電素子323は伸張する方向(図22(b)に符号Bで図示)にたわみ変形し、振動板315が圧力室324の外側に(圧力室324の体積を増加させる方向に)変形してしまい、ノズル(不図示)からインクを吐出させることができない。
However, when the
一方、上部電極322をアドレス電極、下部電極318をグランド電極とし、上部電極322にマイナス電圧を印加すると(圧電体膜320の分極方向と同一方向の電界を印加すると)、図22(c)に示すように、圧電素子323は収縮する方向(図22(c)に符号B’で図示)にたわみ変形し、振動板315が圧力室324の内側に(圧力室324の体積を減少させる方向に)変形し、ノズルからインクを吐出させることができる。
On the other hand, when the
図23には、図22(a)〜(c)に図示した構造を有する圧電アクチュエータの印加電圧(V)と変位量(nm)との関係を示す。なお、「圧電アクチュエータ」とは、振動板315に圧電素子323が接合された構造体を表している。
FIG. 23 shows the relationship between the applied voltage (V) and the displacement (nm) of the piezoelectric actuator having the structure shown in FIGS. 22 (a) to 22 (c). The “piezoelectric actuator” represents a structure in which a
図23において、印加電圧は下部電極318をグランド電位としたときの上部電極322の電圧であり、変位量は振動板315の静定状態からの変位量であり、圧力室324の内側に変形するときの変位方向をプラス方向としている。
In FIG. 23, the applied voltage is the voltage of the
図23に示すように、スパッタ法によって成膜された圧電体膜320(圧電素子323)は、下部電極318を基準電位(グランド電位)として上部電極322にプラス電圧を印加した場合と、下部電極318を基準電位として上部電極322にマイナス電圧を印加した場合とは、特性が変わってしまう。
As shown in FIG. 23, the piezoelectric film 320 (piezoelectric element 323) formed by the sputtering method includes a case where a positive voltage is applied to the
例えば、−40V印加時の変位量は略600(nm)であるのに対して、+40V印加時の変位量は略150(nm)である。即ち、印加される電界の方向によって変位量が減少するとともに変位方向が逆転してしまう。即ち、図23において、マイナス電圧を印加する場合とプラス電圧を印加する場合とは、特性が異なっている。 For example, the displacement when -40V is applied is approximately 600 (nm), whereas the displacement when + 40V is applied is approximately 150 (nm). That is, the amount of displacement is reduced and the direction of displacement is reversed depending on the direction of the applied electric field. That is, in FIG. 23, the characteristics are different between the case where a negative voltage is applied and the case where a positive voltage is applied.
図23のマイナス電圧に対応する方向の電界を圧電素子323に印加する方法には、マイナス電圧用の電源装置や駆動IC(駆動回路)を使用する方法や、上部電極322をグランド電極とし、下部電極318をアドレス電極として、下部電極318にプラス電圧を印加する方法が挙げられる。
The method of applying an electric field in the direction corresponding to the negative voltage shown in FIG. 23 to the
しかしながら、上部電極322にマイナス電圧を印加する方法は、マイナス電圧用の電源装置や駆動回路はプラス電圧用のものに比べて価格が極端に高くなってしまうので、コスト面で不利である。また、下部電極318をアドレス電極としてプラス電界を印加する方法は、振動板315を通じて隣接する下部電極間にリーク電流が発生してしまい、電界を印加していない非駆動の圧電素子でも振動板が変位してしまう。その結果、意図しない圧力室(ノズル)からインクが吐出してしまう電気的クロストークが問題となる。
However, the method of applying a negative voltage to the
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法によって成膜された圧電体膜を有する圧電アクチュエータの好ましい駆動を可能とする、圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド及び液体吐出装置並びに圧電アクチュエータの駆動方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and enables a piezoelectric actuator having a piezoelectric film formed by an epitaxial growth method such as a sputtering method or an orientation growth method to be driven preferably. It is an object of the present invention to provide a head, a liquid discharge device, and a driving method of a piezoelectric actuator.
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電アクチュエータは、振動板と、前記振動板の上面に形成される下部電極と、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1) In order to achieve the above object, a piezoelectric actuator according to the present invention includes a vibration plate, a lower electrode formed on an upper surface of the vibration plate, and has an orientation in one direction of epitaxial growth or orientation growth. A piezoelectric film formed on the upper surface of the electrode opposite to the diaphragm; an upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode; and the piezoelectric film of the upper electrode; A restraint plate provided on the opposite side surface, the direction of the thickness of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , and the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode Y 1 , the position of the interface between the lower electrode and the piezoelectric film is y 2 , the position of the interface between the piezoelectric film and the upper electrode is y 3 , and the position of the interface between the upper electrode and the restraint plate the y 4, the upper surface position of the restraining plate and y 5 The Rutoki, the Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of said piezoelectric film, Poisson's ratio V p of the piezoelectric film, the Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, the Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, the Young's modulus Y f of the constraining plate, the constraining The Poisson's ratio V f of the plate is given by the following formula (1)
の関係を満たすことを特徴する。 It is characterized by satisfying the relationship.
本発明によれば、圧電アクチュエータの上部電極の圧電体膜と反対側に拘束板を備え、圧電アクチュエータを構成する各部材が上記式(1)を満たすように構成することで、上部電極の圧電体膜と反対側に拘束面が設けられるので、圧電体膜を伸張させるようにたわみ変形する方向の電界を印加すると、当該圧電アクチュエータは圧電体膜の拘束板と反対側に変形する。したがって、下部電極から上部電極に向かう方向の配向方向を有する圧電体膜に対して、下部電極を基準電位とし上部電極にプラス電圧を印加して配向方向と反対方向の電界を付与すると、圧電体膜は伸長する方向にたわみ変形し、当該圧電アクチュエータは振動板側に変形する。 According to the present invention, the upper electrode of the upper electrode of the piezoelectric actuator is provided with a constraining plate on the side opposite to the piezoelectric film, and each member constituting the piezoelectric actuator is configured to satisfy the above formula (1). Since the constraining surface is provided on the side opposite to the body film, when an electric field is applied in a direction in which the piezoelectric film is deformed so as to expand, the piezoelectric actuator is deformed to the side opposite to the restraining plate of the piezoelectric film. Accordingly, when an electric field in the direction opposite to the orientation direction is applied to the piezoelectric film having an orientation direction from the lower electrode to the upper electrode by applying a positive voltage to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential, the piezoelectric body The film is bent and deformed in the extending direction, and the piezoelectric actuator is deformed to the diaphragm side.
各部材の厚み方向とは、各部材の積層接合してゆくときの接合方向である。 The thickness direction of each member is a joining direction when the members are laminated and joined.
圧電体膜を成膜する際に、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか1つの手法を用いると、膜厚が非常に薄い圧電体膜を成膜することができ、好ましい。 When forming the piezoelectric film, it is preferable to use at least one of a sputtering method, a CVD method, and a sol-gel method because a piezoelectric film having a very thin film thickness can be formed.
請求項2に記載の発明は、請求項1記載の圧電アクチュエータの一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided the piezoelectric actuator according to the first aspect, wherein the diaphragm and the lower electrode are combined.
請求項2に記載の発明によれば、振動板と下部電極を兼用することで、拘束板の厚みをより薄くすることができ、圧電アクチュエータの小型化に寄与する。また。圧電アクチュエータの構造自体が簡素化される。 According to the second aspect of the invention, by using the diaphragm and the lower electrode together, the thickness of the restraint plate can be further reduced, which contributes to the miniaturization of the piezoelectric actuator. Also. The structure of the piezoelectric actuator itself is simplified.
振動板と下部電極と兼用する態様では、上記式(1)のA1を省略し、A2+A3<A4+A5の関係を満たせばよい。なお、絶縁層などの中間層を考慮する場合には、当該中間層のヤング率とポアソン比から算出される指標値を求め、圧電体膜の拘束板側の指標値の合計が、拘束板の反対側(圧電体膜を含む)の指標値の合計よりも大きくなればよい。 In an aspect in which the diaphragm and the lower electrode are combined, A 1 in the above formula (1) may be omitted and the relationship of A 2 + A 3 <A 4 + A 5 may be satisfied. When an intermediate layer such as an insulating layer is taken into consideration, an index value calculated from the Young's modulus and Poisson's ratio of the intermediate layer is obtained, and the total index value on the constraint plate side of the piezoelectric film is determined by the constraint plate. It only needs to be larger than the sum of the index values on the opposite side (including the piezoelectric film).
また、上記目的を達成するために、請求項3に記載の発明に係る液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、前記圧力室の1つの壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1) In order to achieve the above object, a liquid discharge head according to the invention described in claim 3 includes a nozzle that discharges liquid, a pressure chamber that communicates with the nozzle and stores liquid discharged from the nozzle, A diaphragm constituting one wall surface of the pressure chamber, a lower electrode formed on the side surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber, and a film formed on the side surface of the lower electrode opposite to the diaphragm, epitaxial growth or orientation A grown piezoelectric film having orientation in one direction, an upper electrode formed on the side surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode, and a restraint plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film. The thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , and the lower electrode And the boundary of the piezoelectric film The position of the interface is y 2 , the position of the boundary surface between the piezoelectric film and the upper electrode is y 3 , the position of the boundary surface between the upper electrode and the constraint plate is y 4 , and the position of the upper surface of the constraint plate is y 5 The Young's modulus Y v of the diaphragm, the Poisson's ratio V v of the diaphragm, the Young's modulus Y u of the lower electrode, the Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, Poisson's ratio V p of the piezoelectric film, the Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, the Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, the Young's modulus Y f of the constraining plate, the constraining The Poisson's ratio V f of the plate is given by the following formula (1)
の関係を満たすことを特徴する。 It is characterized by satisfying the relationship.
請求項3に記載の発明によれば、下部電極を基準電位として上部電極にプラス電圧を印加し、圧電体膜の配向方向(分極方向)と反対方向に電界を印加した場合にも、振動板を圧力室の内側に変形させることができるとともに、印加される電界強度に比例した変位量を得ることができる。したがって、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、プラス電圧を用いて圧電アクチュエータを駆動して、ノズルから液体を吐出させることが可能となる。 According to the third aspect of the present invention, even when a positive voltage is applied to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential, and an electric field is applied in a direction opposite to the orientation direction (polarization direction) of the piezoelectric film, the diaphragm Can be deformed inside the pressure chamber, and a displacement proportional to the applied electric field strength can be obtained. Accordingly, it is possible to discharge the liquid from the nozzle by driving the piezoelectric actuator using a positive voltage with the upper electrode as the address electrode and the lower electrode as the ground electrode.
また、請求項4に記載の発明は、請求項3記載の液体吐出ヘッドの一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the liquid ejection head according to the third aspect, wherein the diaphragm and the lower electrode are combined.
請求項4に記載の発明によれば、複数のノズル及び複数の圧力室に対応して、複数の圧電アクチュエータを備える態様では、下部電極をグランド電極として共通化することができ、配線構造の簡素化に寄与する。 According to the fourth aspect of the present invention, in the aspect including the plurality of piezoelectric actuators corresponding to the plurality of nozzles and the plurality of pressure chambers, the lower electrode can be shared as the ground electrode, and the wiring structure is simplified. Contributes to
また、上記目的を達成するために、請求項5に記載の発明に係る液体吐出装置は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、前記圧力室の1つの壁面を構成する振動板と、前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を具備する液体吐出ヘッドと、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与する電界付与手段と、を備え、前記液体吐出ヘッドは、各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1) In order to achieve the above object, a liquid ejection device according to the invention described in claim 5 includes a nozzle that ejects liquid, a pressure chamber that communicates with the nozzle and accommodates liquid ejected from the nozzle, A diaphragm constituting one wall surface of the pressure chamber, a lower electrode formed on the side surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber, and a film formed on the side surface of the lower electrode opposite to the diaphragm, epitaxial growth or orientation A grown piezoelectric film having orientation in one direction, an upper electrode formed on the side surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode, and a restraint plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film. And a liquid discharge head for applying an electric field in a direction opposite to the orientation direction of the piezoelectric film, wherein the liquid discharge head has a thickness direction of each member as a y direction, In the y direction Wherein y 0 a position of the lower surface of the diaphragm, position y 1 of the boundary surface of the vibration plate and the lower electrode, the position of the boundary surface of the piezoelectric film and the lower electrode y 2 that, and the piezoelectric film When the position of the boundary surface of the upper electrode is y 3 , the position of the boundary surface of the upper electrode and the constraining plate is y 4 , and the upper surface position of the constraining plate is y 5 , the Young's modulus Y v of the diaphragm , Poisson's ratio V v of the diaphragm, Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, Young's modulus Y p of the piezoelectric film, Poisson's ratio V p of the piezoelectric film, The Young's modulus Poisson's ratio V p of the electrode, the Young's modulus Y m of the upper electrode, the Poisson's ratio V m of the upper electrode, the Young's modulus Y f of the constraining plate, and the Poisson's ratio V f of the constraining plate )
の関係を満たすことを特徴とする。 It is characterized by satisfying the relationship.
液体吐出装置の一例として、ノズルからインクを吐出して記録媒体上に画像を形成するインクジェット記録装置が挙げられる。 An example of the liquid ejecting apparatus is an ink jet recording apparatus that ejects ink from nozzles to form an image on a recording medium.
また、請求項6に記載の発明は、請求項5記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記振動板と前記下部電極は兼用されることを特徴とする。 According to a sixth aspect of the present invention, there is provided the liquid ejection device according to the fifth aspect, wherein the diaphragm and the lower electrode are combined.
下部電極の圧力室内の液体と接触する部分には、保護処理(絶縁処理)を施す態様が好ましい。 A mode in which a protective treatment (insulation treatment) is performed on the portion of the lower electrode that contacts the liquid in the pressure chamber is preferable.
また、請求項7に記載の発明は、請求項5又は6記載の液体吐出装置の一態様に係り、前記圧電体膜は、前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、前記電界付与手段は、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与することを特徴する。 The invention according to claim 7 relates to an aspect of the liquid ejection apparatus according to claim 5 or 6, wherein the piezoelectric film has an orientation direction from the lower electrode toward the upper electrode, and the electric field The applying means applies a positive voltage to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential to apply an electric field in a direction opposite to the orientation direction of the piezoelectric film.
請求項7に記載の発明によれば、下部電極をグランド電極とし、上部電極をアドレス電極として上部電極にプラス電圧を印加して圧電アクチュエータを所望の動作モードで駆動することができるので、上部電極の配線構造が複雑にならずにすむ。 According to the seventh aspect of the present invention, the piezoelectric actuator can be driven in a desired operation mode by applying a positive voltage to the upper electrode using the lower electrode as the ground electrode and the upper electrode as the address electrode. This eliminates the complexity of the wiring structure.
また、本発明は上記目的を達成するための方法発明を提供する。即ち、請求項8に記載の圧電アクチュエータの駆動方法は、振動板と、前記振動板の上面に形成される下部電極と、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、を備え、各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfが、次式(1) The present invention also provides a method invention for achieving the above object. That is, the piezoelectric actuator driving method according to claim 8 has a diaphragm, a lower electrode formed on an upper surface of the diaphragm, and has an orientation in one direction of epitaxial growth or orientation growth, and the lower electrode A piezoelectric film formed on the upper surface of the piezoelectric film opposite to the diaphragm, an upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric film on the opposite side of the lower electrode, and the piezoelectric film of the upper electrode opposite to the piezoelectric film A restraint plate provided on a side surface, wherein the thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , and the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , the position of the interface between the lower electrode and the piezoelectric film is y 2 , the position of the interface between the piezoelectric film and the upper electrode is y 3 , and the position of the interface between the upper electrode and the restraint plate is y 4, the upper surface position of the restraining plate When y 5 The Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, the piezoelectric Poisson's ratio of the body layer V p, Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, the Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, the Young's modulus Y f of the constraining plate, the constraining plate Poisson's ratio V f is given by the following formula (1)
の関係を満たす圧電アクチュエータを駆動する際に、前記上部電極と前記下部電極の間に前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を印加することを特徴とする。 When driving a piezoelectric actuator that satisfies the above relationship, an electric field in a direction opposite to the orientation direction of the piezoelectric film is applied between the upper electrode and the lower electrode.
本発明の圧電アクチュエータの駆動方法は、当該圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドの駆動方法に適用可能である。 The method for driving a piezoelectric actuator of the present invention can be applied to a method for driving a liquid discharge head including the piezoelectric actuator.
請求項9に記載の発明は、請求項8記載の圧電アクチュエータの駆動方法の一態様に係り、前記圧電体膜は前記下部電極から前記上部電極に向かう配向方向を有し、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜に前記上部電極から前記下部電極へ向かう方向の電界を付与することを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、圧電アクチュエータの上部電極の圧電体膜と反対側に拘束板を備え、圧電アクチュエータを構成する各部材が上記式(1)を満たすように構成することで、上部電極の圧電体膜と反対側に拘束面が設けられるので、圧電体膜を伸張させるようにたわみ変形する方向の電界を印加すると、当該圧電アクチュエータは圧電体膜の拘束板と反対側に変形する。したがって、下部電極から上部電極に向かう方向の配向方向を有する圧電体膜に対して、下部電極を基準電位とし上部電極にプラス電圧を印加して配向方向と反対方向の電界を付与すると、圧電体膜は伸長する方向にたわみ変形し、当該圧電アクチュエータは振動板側に変形する。 According to the present invention, the upper electrode of the upper electrode of the piezoelectric actuator is provided with a constraining plate on the side opposite to the piezoelectric film, and each member constituting the piezoelectric actuator is configured to satisfy the above formula (1). Since the constraining surface is provided on the side opposite to the body film, when an electric field is applied in a direction in which the piezoelectric film is deformed so as to expand, the piezoelectric actuator is deformed to the side opposite to the restraining plate of the piezoelectric film. Accordingly, when an electric field in the direction opposite to the orientation direction is applied to the piezoelectric film having an orientation direction from the lower electrode to the upper electrode by applying a positive voltage to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential, the piezoelectric body The film is bent and deformed in the extending direction, and the piezoelectric actuator is deformed to the diaphragm side.
また、当該圧電アクチュエータを液体吐出ヘッドに適用すると、下部電極を基準電位として上部電極にプラス電圧を印加し、圧電体膜の配向方向(分極方向)と反対方向に電界を印加して当該圧電アクチュエータを駆動する場合にも、振動板を圧力室の内側に変形させることができるとともに、印加される電界強度に比例した変位量を得ることができる。したがって、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、プラス電圧を用いて圧電アクチュエータを駆動して、ノズルから液体を吐出させることが可能となる。 Further, when the piezoelectric actuator is applied to a liquid discharge head, a positive voltage is applied to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential, and an electric field is applied in a direction opposite to the orientation direction (polarization direction) of the piezoelectric film. When driving the diaphragm, the diaphragm can be deformed inside the pressure chamber, and a displacement amount proportional to the applied electric field strength can be obtained. Accordingly, it is possible to discharge the liquid from the nozzle by driving the piezoelectric actuator using a positive voltage with the upper electrode as the address electrode and the lower electrode as the ground electrode.
以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
〔液体吐出ヘッドの製造方法の説明〕
図1〜図11を用いて、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法(圧電アクチュエータの製造方法)を説明する。
[Description of Manufacturing Method of Liquid Discharge Head]
A method for manufacturing a liquid ejection head (a method for manufacturing a piezoelectric actuator) according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
(1)下部電極形成工程
図1には、表面絶縁基板であるSOI基板(SiO2の絶縁膜を備えたシリコン基板、以下、基板と記載する。)110を図示する。図1に示す基板110は、シリコン基材111と、シリコン酸化膜からなる絶縁層112と、シリコン基材114と、シリコン酸化膜からなる絶縁層116と、を下から順に積層した構造を有している。
(1) Lower Electrode Formation Step FIG. 1 shows an SOI substrate (a silicon substrate provided with an insulating film of SiO 2 , hereinafter referred to as a substrate) 110 which is a surface insulating substrate. The
図2には、図1に示す基板110に下部電極となる金属膜118を成膜した状態を図示する。基板110の上面(絶縁層116が形成されている面)に、スパッタ、蒸着等の手法を用いて下部電極となる金属膜118が成膜される。その後、図3に示すように、反応性イオンエッチング(RIE)を用いて金属膜118は所定の形状に加工される。金属膜(下部電極)118には、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)などが好適に用いられる。
FIG. 2 shows a state in which a
なお、下部電極118の配置パターンが圧電素子を含む圧電アクチュエータ(図8〜11に符号125で示す構造体)の配置パターンとなり、この圧電アクチュエータの配置パターンに対応してインクを吐出ノズルや圧力室(図10,11に符号124で図示)が配置される。言い換えると、インクを吐出するノズルや圧力室の配置に対応して下部電極118の配置パターンが決められる。
In addition, the arrangement pattern of the
(2)圧電体膜成膜工程
下部電極(金属膜)118が所定の形状(パターン)に加工されると、下部電極118の上側(下部電極118の絶縁層116と反対側)の面には、スパッタ法、CVD法、ゾルゲル法等のエピタキシャル成長法による薄膜形成プロセスを用いて、配向性を持つ圧電体膜120が成膜される。圧電体膜120には、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr,Ti)O3)が好適に用いられる。図4には、圧電体膜120が成膜された状態を図示する。
(2) Piezoelectric film forming step When the lower electrode (metal film) 118 is processed into a predetermined shape (pattern), the surface on the upper side of the lower electrode 118 (on the side opposite to the insulating
(3)上部電極成膜工程
圧電体膜120が成膜されると、圧電体膜120の上側(圧電体膜120の下部電極118と反対側)の面には、スパッタ、蒸着等の手法を用いて上部電極となる金属膜122が成膜される。金属膜(上部電極)122には、イリジウム(Ir)、プラチナ(Pt)、チタン(Ti)、金(Au)などが好適に用いられる。図5には、上部電極となる金属膜122が成膜された状態を図示する。
(3) Upper electrode film forming step When the
その後、図6に示すように、金属膜(上部電極)122は所定の形状にパターンニングされる。なお、上部電極122のパターンニングや下部電極118のパターンニングにはエッチングが好適に用いられ、当該上部電極122(下部電極118)のパターンニング(エッチング処理)は150℃程度の温度で行われる。
Thereafter, as shown in FIG. 6, the metal film (upper electrode) 122 is patterned into a predetermined shape. Etching is preferably used for patterning the
(4)拘束板成膜工程
次に、上部電極122の圧電体膜120の反対側面に拘束板123が成膜される。拘束板123の成膜には、スパッタ法、CVD法などの薄膜成膜技術が用いられ、拘束板123の材料にはSiO2、Al2O3、ZrO2などの酸化金属が用いられる。なお、拘束板123の構造及び機能等の詳細については後述する。
(4) Constraining Plate Film Formation Step Next, a constraining
(5)配線層形成工程
拘束板123が成膜されると、下部電極118の取出となる部分の拘束板123及び圧電体膜120がエッチングによって除去される(配線層形成工程)。当該配線層形成工程は、200℃〜350℃の温度で行われる。なお、配線層形成工程の図示は省略する。
(5) Wiring Layer Formation Step When the constraining
(6)拘束板エッチング工程
次に、上部電極122の取出となる部分(後述するFPCが接合される部分)の拘束板123がエッチングにより除去される。図8には、拘束板123が除去されて上部電極122の一部が露出した状態を図示する。
(6) Restraint Plate Etching Step Next, the
本明細書では、下部電極118と上部電極122に圧電体膜120がはさまれた構造体を「圧電素子」と呼び、該圧電素子を駆動して、圧電素子自体または他の部材を変形(振動)させる構成を圧電アクチュエータと呼ぶことにする。本例では、圧電素子の上部電極122の上面に拘束板123が設けられた構造体が圧電アクチュエータ125である。
In this specification, a structure in which the
(7)圧力室形成工程
次に、エッチング等の手法を用いて、シリコン基材111に圧力室となる開口(形状)124が形成される。図9には、圧力室となる開口124が形成された状態を図示する。
(7) Pressure Chamber Formation Step Next, an opening (shape) 124 to be a pressure chamber is formed in the
(8)流路基板接合工程、ノズル基板接合工程
図9に示すように、圧力室124が形成されると、基板110の圧力室124が形成される側には、インク流路となる構造(溝、穴等)を有する流路基板126が接合される。基板110と流路基板126とを接合する際には、インク流路と圧力室124が正確に位置合わせされる。
(8) Flow path substrate bonding step and nozzle substrate bonding step As shown in FIG. 9, when the
更に、ノズルとなる微細孔127が形成されたノズル基板128を流路基板126の基板110と反対側に接合し、ヘッド構造体129となる。ノズル基板128と流路基板126とを接合する際には、微細孔127と吐出側流路が正確に位置合わせされる。図10には、流路基板126及びノズル基板128が接合された状態を図示する。
Further, the
(9)フレキシブルケーブル(FPC)接着工程
上記(1)〜(8)の各工程を経て、圧電アクチュエータ125を備えたヘッド構造体129が形成されると、圧電アクチュエータ125に印加される駆動電圧の配線が形成されたフレキシブルケーブル(FPC)132が、上記(5)の配線層形成工程で形成された下部電極118のコンタクト、及び(6)の拘束板エッチング工程によって形成された上部電極122コンタクトと接合される。上部電極122のコンタクト及び下部電極118のコンタクトとFPCとの接合には導電性接着剤が好適に用いられ、FPC接合工程は、100℃程度の温度環境下で行われる。
(9) Flexible cable (FPC) bonding step When the
図11には、FPC132とヘッド構造体129の接合状態を模式的に図示する。なお、上部電極122からヘッド構造体129の端部に配線を引き出して、ヘッド構造体129の端部に設けられたコネクタを介して上部電極122とFPC132とを接合してもよい。
FIG. 11 schematically illustrates a joined state between the
上記(1)〜(9)の各工程を経て作製されたヘッド構造体129の寸法の一例を挙げると、振動板(絶縁層112、シリコン基材114、絶縁層116から成る構造体)の厚みは1μm、上部電極122及び下部電極118の厚みは0.3μm、圧電体膜120の厚みは4μm、圧力室124の開口サイズは□300μmである。
To give an example of the dimensions of the
〔圧電アクチュエータの説明〕
次に、上記(1)〜(9)の各工程を経て作製された圧電アクチュエータ125について説明する。
[Description of piezoelectric actuator]
Next, the
図12(a),(b)には、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータ125の動作モードを模式的に図示する。図12(a)に示すように、圧電アクチュエータ125は、上部電極122をアドレス電極、下部電極118をグランド電極として、電源装置130から上部電極122にプラス電圧を印加すると(圧電体膜120の成膜時の分極方向Aと反対方向の電界を印加すると)、圧電体膜120は伸張する方向(符号Bで図示する方向)にたわみ変形する。
FIGS. 12A and 12B schematically show operation modes of the
圧電アクチュエータ125は、上部電極122の上面に拘束板123が設けられているので、上部電極122よりも上に拘束面が存在し、振動板115は(圧電アクチュエータ125は全体として)圧力室124の内側に変形する。
In the
一方、図12(b)に示すように、電源装置130から下部電極118を基準電位として上部電極122にマイナス電圧を印加すると(圧電体膜120の成膜時の分極方向Aと同一方向の電界を印加すると)、圧電体膜120は収縮する方向(符号B’で図示する方法)にたわみ変形し、振動板115は圧力室の外側に変形する。
On the other hand, as shown in FIG. 12B, when a negative voltage is applied from the
即ち、本例に示す圧電アクチュエータ125は、d31モードの方向に変形する圧電体膜120を含み、上部電極122の上面に拘束板123を設けることで、従来技術に係る圧電アクチュエータ(図22に示す圧電素子325と振動板315から構成される構造体)に対して変形方向が反転するものである。
That is, the
本例では、圧電アクチュエータ125の上部電極122よりも上に拘束面を設け、圧電アクチュエータ125の上部電極122側を拘束して圧電アクチュエータ125の上部電極122側の剛性を下部電極118側よりも大きくすることで、圧電体膜120が横方向(d31方向)に縮んだときには、振動板115は上方向に凸となり、圧電体膜120が横方向に伸びたときには、振動板115は下方向に凸となる。
In this example, a constraining surface is provided above the
図13には、圧電アクチュエータ125の印加電圧と変位量との関係を示す。同図に示すように、印加電圧が0(V)〜20(V)の範囲では、印加電圧に比例した変位量を得ることができる。また、図22に示した従来技術に係る圧電アクチュエータを、下部電極318を基準電位として上部電極322にマイナス電圧を印加して振動板315を圧力室324の内部に変形させたときと、同程度の変位量を得ることができる。
FIG. 13 shows the relationship between the applied voltage of the
なお、図13に示す変位量は、振動板115の下面(圧力室124の内側面)の鉛直方向の変位量であり、図12(a),(b)における下方向をプラス方向として、静定状態(印加電圧が0(V)の振動板がフラットな状態)を基準としたときの変位量である。 The displacement shown in FIG. 13 is the displacement in the vertical direction of the lower surface of the diaphragm 115 (the inner surface of the pressure chamber 124), and the downward direction in FIGS. This is the amount of displacement when a constant state (a state where the diaphragm with the applied voltage of 0 (V) is flat) is used as a reference.
ここで、本例に示す圧電アクチュエータ125の変形モードについて、更に詳細に説明する。圧電アクチュエータ125を構成する各部材の接合方向(厚み方向、図14における上下方向)をy方向として、圧電アクチュエータ125を構成する各部材のy方向の位置を図14に図示するように規定する。
Here, the deformation mode of the
振動板115の下面(圧電アクチュエータ125の最下面)をy0、下部電極118の下面(振動板115と下部電極118の境界面)をy1、圧電体膜120の下面(下部電極118と圧電体膜120の境界面)をy2、上部電極122の下面(圧電体膜120と上部電極122の境界面)をy3、拘束板123の下面(上部電極122と拘束板123の境界面)をy4、拘束板123の上面(圧電アクチュエータ125の最上面)をy5とする。
The lower surface of the diaphragm 115 (the lowermost surface of the piezoelectric actuator 125) is y 0 , the lower surface of the lower electrode 118 (the boundary surface between the diaphragm 115 and the lower electrode 118) is y 1 , and the lower surface of the piezoelectric film 120 (the
また、振動板115のヤング率をYv、ポアソン比をVv、下部電極118のヤング率をYu、ポアソン比をVu、圧電体膜120のヤング率をYp、ポアソン比をVp、上部電極122のヤング率をYm、ポアソン比をVmとし、拘束板123のヤング率をYf、ポアソン比をVfとすると、次式(1)の関係を満足するときに、図12(a),(b)及び図13に示す特性を有する圧電アクチュエータ125を得ることができる。
Further, the Young's modulus of the diaphragm 115 Y v, the Poisson's ratio V v, the Young's modulus of the
上記式(1)は、圧電アクチュエータ125を構成する部材のうち、圧電体膜120の下側(圧電体膜120を含む)の部材の指標値の合計よりも、圧電体膜120の上側の部材の指標値の合計が大きくなるように拘束板123の物性及び厚みが決められる。
The above formula (1) is a member above the
下記〔表1〕には、拘束板123の厚み及びヤング率Yfを変えたときに振動板の変位量を測定した測定結果を示す。下記〔表1〕に結果を示す評価実験では、振動板115(Si)の膜厚は1.0(μm)、ヤング率YVは73(GPa)、下部電極118(Pt)の膜厚は0.3(μm)、ヤング率Yuは150(GPa)、圧電体膜(PZT)120の膜厚は4.0μm、ヤング率Ypは70(GPa)、上部電極(Pt)122の膜厚は0.3μm、ヤング率Ymは150(GPa)とした。なお、各部材のポアソン比はすべて0.3とした。
Table 1 below shows the measurement results of measuring the displacement of the diaphragm when the thickness of the
また、拘束板123には、ポリイミド(実施例1〜4)、Al2O3(実施例5)、SiC(実施例6)を用い、比較例として膜厚1.0μmのポリイミドを用いた。
Further, the
上記〔表1〕の実施例1〜4に示すように、拘束板123の厚みを相対的に大きくすると振動板の変位は相対的に大きくなる。また、製造上の制約や構造上の制約によって拘束板123の厚みを大きくすることができないときには、ヤング率が大きい材料を用いるとよい。
As shown in Examples 1 to 4 in Table 1 above, when the thickness of the
本例では、圧力室124の上面を構成する振動板115を含む圧電アクチュエータ125を例示したが、振動板115を省略する態様も可能である。
In this example, the
例えば、(7)圧力室形成工程において、振動板115となる絶縁層112、シリコン基材114、絶縁層116を除去してもよい。かかる構造では、上記式(1)のA1が省略され(A2+A3<A4+A5)、拘束板123の厚みをより薄くすることができる。なお、下部電極118が圧力室内の液体に接触すると絶縁不良や下部電極118の腐食といった問題が起こるので、絶縁層116を除去せずに残すか、下部電極118の圧力室124内の液体と接触する部分に保護処理を施す必要がある。
For example, in the (7) pressure chamber forming step, the insulating
即ち、圧電アクチュエータ125の圧電体膜120の圧力室124側を、第1の膜から第n−1の膜と圧電体膜120のn層の膜で構成し、一方、圧電体膜120の圧力室124と反対側を第n+1の膜から第mの膜の(m−n−1)層の膜で構成すると、上部電極122の上面に拘束面が設けられ、圧電体膜120の分極方向と逆方向の電界を印加して圧電アクチュエータ125を駆動したときに、圧電アクチュエータ125を圧力室124の内側向きに変形させるとともに、印加される電界強度(電圧)に比例した変位量を得ることが可能となる。
That is, the
言い換えると、上部電極122の上面に拘束面が設けられる条件は、各部材の指標値(式(1)参照)A1からAnの合計とAn+1からAmの合計との関係が、次式(2)を満たすときである。
In other words, conditions restraint surface to the upper surface of the
A1+A2+…+An<An+1+An+2+…+Am …(2)
なお、上記式(2)において、第n−1の膜は下部電極118であり、第n+1の膜は上部電極122である。
A 1 + A 2 + ... + A n <A n + 1 + A n + 2 + ... + A m (2)
In the above formula (2), the (n−1) th film is the
上記の如く構成された圧電アクチュエータ125は、最上面に拘束板123を備えることで、上部電極122の上側に拘束面が設けられるので、拘束板123(拘束面)がない場合に上方向に変形するように駆動されても、振動板115は下側に変形するとともに、印加電圧に比例した変位量を得ることができる。
The
即ち、下部電極118から上部電極122へ向かう方向の配向方向(分極方向)を有する圧電体膜120に対して、配向方向と反対方向の電界を印加したときに、拘束板がない場合と変形方向を反転させることができ、かつ、
拘束板がない場合の変位量と同程度の変位量を得ることができる。
That is, when an electric field in a direction opposite to the orientation direction is applied to the
A displacement amount similar to the displacement amount when there is no restraint plate can be obtained.
〔装置例〕
次に、本発明の実施形態に係る圧電アクチュエータ(圧電素子)を吐出発生素子に適用したインクジェットヘッド(液体吐出ヘッド)を備えたインクジェット記録装置(液体吐出装置)について説明する。
[Example of equipment]
Next, an inkjet recording apparatus (liquid ejection apparatus) including an inkjet head (liquid ejection head) in which a piezoelectric actuator (piezoelectric element) according to an embodiment of the present invention is applied to an ejection generation element will be described.
(全体構成)
図15は、インクジェット記録装置200の全体構成を示す概略図である。同図に示すように、インクジェット記録装置200は、黒(K),シアン(C),マゼンタ(M),イエロー(Y)の各インクに対応して設けられた複数のインクジェットヘッド(以下、ヘッドという。)212K,212C,212M,212Yを有する印字部212と、各ヘッド212K,212C,212M,212Yに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵/装填部214と、記録媒体(被吐出媒体)たる記録紙216を供給する給紙部218と、記録紙216のカールを除去するデカール処理部220と、各ヘッド212K,212C,212M,212Yのノズル面に対向して配置され、記録紙216の平面性を保持しながら記録紙216を搬送する吸着ベルト搬送部222と、印字部212の印字結果を読み取る印字検出部224と、記録済みの記録紙(プリント物)を外部に排紙する排紙部226と、を備えている。
(overall structure)
FIG. 15 is a schematic diagram showing the overall configuration of the
図15には図示しないが、印字部212に含まれる各ヘッド212K,212C,212M,212Yのそれぞれの上面(記録紙216と対向する面と反対側の面)には、各ヘッド212K,212C,212M,212Yの制御基板が立てた状態で配置される。
Although not shown in FIG. 15, the
インク貯蔵/装填部214は、各ヘッド212K,212C,212M,212Yに対応する色のインクを貯蔵するインク供給タンク(図15中不図示、図20に符号260で図示)を有し、各色のインクは所要のインク流路を介してヘッド212K,212C,212M,212Yと連通されている。
The ink storage /
また、インク貯蔵/装填部214は、インク残量が少なくなるとその旨を報知する報知手段(表示手段、警告音発生手段)を備えるとともに、色間の誤装填を防止するための機構を有している。
In addition, the ink storage /
詳細は後述するが、本例のインクジェット記録装置200は、各ヘッド212K,212C,212M,212Yの上面にインク供給部を備え、インク貯蔵/装填部214からインク供給部を介して各ヘッド212K,212C,212M,212Yにインクが供給される。
Although details will be described later, the ink
図15では、給紙部218の一例としてロール紙(連続用紙)のマガジンが示されているが、紙幅や紙質等が異なる複数のマガジンを併設してもよい。また、ロール紙のマガジンに代えて、又はこれと併用して、カット紙が積層装填されたカセットによって用紙を供給してもよい。
In FIG. 15, a magazine for rolled paper (continuous paper) is shown as an example of the
複数種類の記録紙を利用可能な構成にした場合、紙の種類情報を記録したバーコード或いは無線タグなどの情報記録体をマガジンに取り付け、その情報記録体の情報を所定の読取装置によって読み取ることで、使用される記録媒体の種類(メディア種)を自動的に判別し、メディア種に応じて適切なインク吐出を実現するようにインク吐出制御を行うことが好ましい。 When multiple types of recording paper are used, an information recording body such as a barcode or wireless tag that records paper type information is attached to the magazine, and the information on the information recording body is read by a predetermined reader. Thus, it is preferable to automatically determine the type of recording medium (media type) to be used and perform ink ejection control so as to realize appropriate ink ejection according to the media type.
給紙部218から送り出される記録紙216はマガジンに装填されていたことによる巻きクセが残り、カールする。このカールを除去するために、デカール処理部220においてマガジンの巻きクセ方向と逆方向に加熱ドラム330で記録紙216に熱を与える。このとき、多少印字面が外側に弱いカールとなるように加熱温度を制御するとより好ましい。
The
ロール紙を使用する装置構成の場合、図15のように、裁断用のカッター(第1のカッター)228が設けられており、該カッター228によってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター228は、記録紙216の搬送路幅以上の長さを有する固定刃228Aと、該固定刃228Aに沿って移動する丸刃228Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃228Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃228Bが配置される。なお、カット紙を使用する場合には、カッター228は不要である。
In the case of an apparatus configuration using roll paper, a cutter (first cutter) 228 is provided as shown in FIG. 15, and the roll paper is cut to a desired size by the
デカール処理後、カットされた記録紙216は、吸着ベルト搬送部222へと送られる。吸着ベルト搬送部222は、ローラ231、232間に無端状のベルト233が巻き掛けられた構造を有し、少なくともヘッド212K,212C,212M,212Yのノズル面(ノズル開口が形成されるインク吐出面)に対向する部分が水平面(フラット面)をなすように構成されている。
After the decurling process, the
ベルト233は、記録紙216の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引穴(不図示)が形成されている。図15に示したとおり、ローラ231、232間に掛け渡されたベルト233の内側においてヘッド212K,212C,212M,212Yのノズル面に対向する位置には吸着チャンバ234が設けられており、この吸着チャンバ234をファン235で吸引して負圧にすることによって記録紙216がベルト233上に吸着保持される。
The
ベルト233が巻かれているローラ231、232の少なくとも一方にモータ(図15中不図示、図21に符号288で図示)の動力が伝達されることにより、ベルト233は図15上の時計回り方向に駆動され、ベルト233上に保持された記録紙216は図15の左から右へと搬送される。
The power of the motor (not shown in FIG. 15, not shown in FIG. 21 and indicated by reference numeral 288) is transmitted to at least one of the
縁無しプリント等を印字するとベルト233上にもインクが付着するので、ベルト233の外側の所定位置(印字領域以外の適当な位置)にベルト清掃部236が設けられている。ベルト清掃部236の構成について詳細は図示しないが、例えば、ブラシ・ロール、吸水ロール等をニップする方式、清浄エアを吹き掛けるエアーブロー方式、或いはこれらの組み合わせなどがある。清掃用ロールをニップする方式の場合、ベルト線速度とローラ線速度を変えると清掃効果が大きい。
Since ink adheres to the
なお、吸着ベルト搬送部222に代えて、ローラ・ニップ搬送機構を用いる態様も考えられるが、印字領域をローラ・ニップ搬送すると、印字直後に用紙の印字面をローラが接触するので画像が染み易いという問題がある。したがって、本例のように、印字領域では画像面を接触させない吸着ベルト搬送が好ましい。
Although a mode using a roller / nip conveyance mechanism instead of the suction
吸着ベルト搬送部222により形成される用紙搬送路上において印字部212の上流側には、加熱ファン240が設けられている。加熱ファン240は、印字前の記録紙216に加熱空気を吹き付け、記録紙216を加熱する。印字直前に記録紙216を加熱しておくことにより、インクが着弾後乾き易くなる。
A
印字部212のヘッド212K,212C,212M,212Yは、当該インクジェット記録装置200が対象とする記録紙216の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの記録媒体の少なくとも一辺を超える長さ(描画可能範囲の全幅)にわたりインク吐出用のノズルが複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている(図16参照)。
The
ヘッド212K,212C,212M,212Yは、記録紙216の送り方向に沿って上流側から黒(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の色順に配置され、それぞれのヘッド212K,212C,212M,212Yが記録紙216の搬送方向(紙送り方向)延在するように固定設置される。
The
吸着ベルト搬送部222により記録紙216を搬送しつつ各ヘッド212K,212C,212M,212Yからそれぞれ異色のインクを吐出することにより記録紙216上にカラー画像を形成し得る。
A color image can be formed on the
このように、紙幅の全域をカバーするノズル列を有するフルライン型のヘッド212K,212C,212M,212Yを色別に設ける構成によれば、紙送り方向について記録紙216と印字部212を相対的に移動させる動作を1回行うだけで(即ち、1回の副走査で)、記録紙216の全面に画像を記録することができる。このようなシングルパス印字が可能な構成により、ヘッドが紙搬送方向と直交する方向に往復動作するシャトル型ヘッドに比べて高速印字が可能であり、生産性を向上させることができる。
As described above, according to the configuration in which the full-line heads 212K, 212C, 212M, and 212Y having nozzle rows that cover the entire width of the paper are provided for each color, the
本例では、KCMYの標準色(4色)の構成を例示したが、インク色や色数の組み合わせについては本実施形態に限定されず、必要に応じて淡インク、濃インク、特別色インクを追加してもよい。例えば、ライトシアン、ライトマゼンタなどのライト系インクを吐出するインクジェットヘッドを追加する構成も可能である。また、各色ヘッドの配置順序も特に限定はない。更に、記録紙216に処理液とインクとを付着させた後に、記録紙216上でインク色材を凝集又は不溶化させて、記録紙216上でインク溶媒とインク色材とを分離させる2液系のインクジェット記録装置では、処理液を記録紙216に付着させる手段としてインクジェットヘッドを備えてもよい。
In this example, the configuration of KCMY standard colors (four colors) is illustrated, but the combination of ink color and number of colors is not limited to this embodiment, and light ink, dark ink, and special color ink are used as necessary. May be added. For example, it is possible to add an ink jet head that discharges light ink such as light cyan and light magenta. Also, the arrangement order of the color heads is not particularly limited. Further, after the treatment liquid and the ink are attached to the
また、ヘッド212K,212C,212M,212Yは、それぞれ複数のヘッドモジュール(不図示)を記録紙216の幅方向につなぎ合わせた構造を有しているが、各ヘッドは一体に形成された構造を有していてもよい。
Further, each of the
印字部212の後段に設けられる印字検出部224は、印字部212の打滴結果を撮像するためのイメージセンサを含み、該イメージセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まりその他吐出異常をチェックする手段として機能する。
The
本例の印字検出部224は、少なくとも各ヘッド212K,212C,212M,212Yによるインク吐出幅(画像記録幅)よりも幅の広い受光素子列を有するラインセンサで構成される。このラインセンサは、赤(R)の色フィルタが設けられた光電変換素子(画素)がライン状に配列されたR受光素子列と、緑(G)の色フィルタが設けられたG受光素子列と、青(B)の色フィルタが設けられたB受光素子列と、から成る色分解ラインCCDセンサで構成されている。なお、ラインセンサに代えて、受光素子が2次元配列されて成るエリアセンサを用いることも可能である。
The
印字検出部224は、各色のヘッド212K,212C,212M,212Yにより印字されたテストパターンを読み取り、各ヘッド212K,212C,212M,212Yの吐出検出を行う。吐出判定は、吐出の有無、ドットサイズの測定、ドットの着弾位置の測定などで構成される。
The
印字検出部224の後段には後乾燥部242が設けられている。後乾燥部242は、印字された画像面を乾燥させる手段であり、例えば、加熱ファンが用いられる。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けたほうが好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
A
後乾燥部242の後段には、加熱・加圧部244が設けられている。加熱・加圧部244は、画像表面の光沢度を制御するための手段であり、画像面を加熱しながら所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ245で加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
A heating /
加熱・加圧部244によって記録紙216を押圧すると、多孔質のペーパーに染料系インクで印字した場合などでは、加圧によりペーパーの孔を塞ぐことでオゾンなど、染料分子を壊す原因となるものと接触することを防ぐことで画像の耐候性がアップする効果がある。
When the
こうして生成されたプリント物は排紙部226から排出される。本来プリントすべき本画像(目的の画像を印刷したもの)とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット記録装置200では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部226A、226Bへと送るために排紙経路を切り換える不図示の選別手段が設けられている。なお、大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列に形成する場合は、カッター(第2のカッター)248によってテスト印字の部分を切り離す。カッター248は、排紙部226の直前に設けられており、画像余白部にテスト印字を行った場合に本画像とテスト印字部を切断するためのものである。カッター248の構造は前述した第1のカッター228と同様であり、固定刃248Aと丸刃248Bとから構成される。
The printed matter generated in this manner is outputted from the
また、図15には示さないが、本画像の排出部226Aには、オーダー別に画像を集積するソーターが設けられる。
Although not shown in FIG. 15, the
(ヘッドの構造)
次に、ヘッドの構造について説明する。色別のヘッド212K,212C,212M,212Yの構造は共通しているので、以下、これらを代表して符号250によってヘッドを示すものとする。
(Head structure)
Next, the structure of the head will be described. Since the structures of the color-
図17(a)はヘッド250の構造例を示す平面透視図であり、図17(b)はその一部の拡大図である。また、図17(c)はヘッド250の他の構造例を示す平面透視図、図18はヘッド250の立体的構成を示す断面図(図17(a),(b)中のXVIII−XVIII線に沿う断面図である。
FIG. 17A is a perspective plan view showing an example of the structure of the
記録紙216上に印字されるドットピッチを高密度化するためには、ヘッド250におけるノズルピッチを高密度化する必要がある。本例のヘッド250は、図17(a),(b)に示すように、インク滴の吐出孔であるノズル251と、各ノズル251に対応する圧力室252等からなる複数のインク室ユニット253を千鳥でマトリクス状に(2次元的に)配置させた構造を有し、これにより、ヘッド250の長手方向(紙送り方向と直交する主走査方向)に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔(投影ノズルピッチ)の高密度化を達成している。
In order to increase the dot pitch printed on the
記録紙216の送り方向と略直交する主走査方向に記録紙216の全幅に対応する長さにわたり1列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図17(a)の構成に代えて、図17(c)に示すように、複数のノズル251が2次元的に配列された短尺のヘッドユニット250’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで記録紙216の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。また、図示は省略するが、短尺のヘッドユニットを一列に並べてラインヘッドを構成してもよい。
The form in which one or more nozzle rows are configured over a length corresponding to the entire width of the
各ノズル251に対応して設けられている圧力室252は、その平面形状が概略正方形となっており、対角線上の両隅部にノズル251と供給口254が設けられている。各圧力室252は供給口254を介して共通流路255と連通されている。共通流路255はインク供給源たるインク供給タンク(図17(a)〜(c)中不図示、図20に符号260で図示)と連通しており、該インク供給タンクから供給されるインクは図18の共通流路255を介して各圧力室252に分配供給される。
The
圧力室252の天面を構成する振動板256には下部電極(グランド電極、共通電極)257Aと上部電極(アドレス電極、個別電極)257Bと圧電体膜258Aを備えた圧電素子258が接合されている。
A
先に説明したように、本例の圧電素子258は、上部電極257Bの上面に拘束板123が設けられ、振動板256、圧電素子258及び拘束板123によって、圧電アクチュエータ125を構成している。
As described above, in the
本例に示す圧電アクチュエータ125は、下部電極257Aをグランドとして上部電極257Bにプラス電圧を印加することで、圧電素子258の分極方向と反対方向の電界を圧電素子258に付与し、振動板256を圧力室252の内側に変形させるように駆動される。
The
即ち、上部電極257Bと下部電極257Aに所定の駆動電圧を印加することによって圧電素子258が変形してノズル251からインクが吐出される。インクが吐出されると、共通流路255から供給口254を通って新しいインクが圧力室252に供給される。なお、振動板256と下部電極257Aとを共通化する態様も可能である。
That is, by applying a predetermined driving voltage to the
また、振動板256の圧力室252側の面には、絶縁層(SiO2層)259が設けられ、圧力室252内のインクと振動板256との絶縁性能を確保するとともに、圧力室252内のインクが振動板256に接触することによる振動板256の腐食を防止する。
In addition, an insulating layer (SiO 2 layer) 259 is provided on the surface of the
かかる構造を有するインク室ユニット253を図19に示す如く、主走査方向に沿う行方向及び主走査方向に対して直交しない一定の角度θを有する斜めの列方向に沿って一定の配列パターンで格子状に多数配列させることにより、本例の高密度ノズルヘッドが実現されている。
As shown in FIG. 19, the
即ち、主走査方向に対してある角度θの方向に沿ってインク室ユニット253を一定のピッチdで複数配列する構造により、主走査方向に並ぶように投影されたノズルのピッチPはd×cosθとなり、主走査方向については、各ノズル251が一定のピッチPで直線状に配列されたものと等価的に取り扱うことができる。このような構成により、主走査方向に並ぶように投影されるノズル列が1インチ当たり2400個(2400ノズル/インチ)におよぶ高密度のノズル構成を実現することが可能になる。
That is, with the structure in which a plurality of
なお、印字可能幅の全幅に対応した長さのノズル列を有するフルラインヘッドで、ノズルを駆動する時には、(1)全ノズルを同時に駆動する、(2)ノズルを片方から他方に向かって順次駆動する、(3)ノズルをブロックに分割して、ブロックごとに片方から他方に向かって順次駆動する等が行われ、記録紙216の幅方向(記録紙216の搬送方向と直交する方向)に1ライン(1列のドットによるラインまたは複数列のドットから成るライン)を印字するようなノズルの駆動を主走査と定義する。 When the nozzles are driven by a full line head having a nozzle row having a length corresponding to the entire printable width, (1) all the nozzles are driven simultaneously, (2) the nozzles are sequentially moved from one side to the other. (3) The nozzle is divided into blocks, and each block is sequentially driven from one side to the other, and the like, in the width direction of the recording paper 216 (direction perpendicular to the conveyance direction of the recording paper 216). The driving of the nozzle that prints one line (one line of dots or a line of dots of a plurality of lines) is defined as main scanning.
特に、図17(a),(b)、図19に示すようなマトリクス状に配置されたノズル251を駆動する場合は、上記(3)のような主走査が好ましい。即ち、ノズル251−11、251−12、251−13、251−14、251−15、251−16を1つのブロックとし(他にはノズル251−21、…、251−26を1つのブロック、ノズル251−31、…、51−36を1つのブロック、…として)、記録紙216の搬送速度に応じてノズル251−11、51−12、…、51−16を順次駆動することで記録紙216の幅方向に1ラインを印字する。
In particular, when the
一方、上述したフルラインヘッドと記録紙216とを相対移動することによって、上述した主走査で形成された1ライン(1列のドットによるラインまたは複数列のドットから成るライン)の印字を繰り返し行うことを副走査と定義する。
On the other hand, by moving the full line head and the
そして、上述の主走査によって記録される1ライン(或いは帯状領域の長手方向)の示す方向を主走査方向といい、上述の副走査を行う方向を副走査方向という。即ち、本実施形態では、記録紙216の搬送方向が副走査方向であり、それに直交する記録紙216の幅方向が主走査方向ということになる。なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されない。
The direction indicated by one line (or the longitudinal direction of the belt-like region) recorded by the main scanning is referred to as a main scanning direction, and the direction in which the sub scanning is performed is referred to as a sub scanning direction. That is, in the present embodiment, the conveyance direction of the
なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に1列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。 In the implementation of the present invention, the nozzle arrangement structure is not limited to the illustrated example, and various nozzle arrangement structures such as an arrangement structure having one nozzle row in the sub-scanning direction can be applied.
(インク供給系の構成)
図20はインクジェット記録装置200におけるインク供給系の構成を示した概要図である。インク供給タンク260はヘッド250にインクを供給する基タンクであり、図15で説明したインク貯蔵/装填部214に含まれる。インク供給タンク260の形態には、インク残量が少なくなった場合に不図示の補充口からインクを補充する方式と、タンクごと交換するカートリッジ方式とがある。使用用途に応じてインク種類を変える場合には、カートリッジ方式が適している。この場合、インクの種類情報をバーコード等で識別して、インク種類に応じた吐出制御を行うことが好ましい。
(Configuration of ink supply system)
FIG. 20 is a schematic diagram showing the configuration of an ink supply system in the
図20に示すように、インク供給タンク260とヘッド250の中間には、異物や気泡を除去するためにフィルタ262が設けられている。フィルタ・メッシュサイズは、ノズル径と同等若しくはノズル径以下(一般的には、20μm程度)とすることが好ましい。
As shown in FIG. 20, a
なお、図20には示さないが、ヘッド250の近傍又はヘッド250と一体にサブタンクを設ける構成も好ましい。サブタンクは、ヘッドの内圧変動を防止するダンパー効果及びリフィルを改善する機能を有する。
Although not shown in FIG. 20, a configuration in which a sub tank is provided in the vicinity of the
また、インクジェット記録装置200には、ノズル251の乾燥防止又はノズル近傍のインク粘度上昇を防止するための手段としてのキャップ264と、ヘッド250のインク吐出面の清掃手段としてクリーニングブレード266が設けられている。キャップ264は、不図示の移動機構によってヘッド250に対して相対移動可能であり、必要に応じて所定の退避位置からヘッド250下方のメンテナンス位置に移動される。
Further, the
キャップ264は、図示せぬ昇降機構によってヘッド250に対して相対的に昇降変位される。電源OFF時や印刷待機時にキャップ264を所定の上昇位置まで上昇させ、ヘッド250に密着させることにより、ノズル面をキャップ264で覆う。
The
印字中又は待機中において、特定のノズル251の使用頻度が低くなり、ある時間以上インクが吐出されない状態が続くと、ノズル近傍のインク溶媒が蒸発してインク粘度が高くなってしまう。このような状態になると、圧電素子258が動作してもノズル251からインクを吐出できなくなってしまう。
During printing or standby, when the frequency of use of a
このような状態になる前に(圧電素子258の動作により吐出が可能な粘度の範囲内で)圧電素子258を動作させ、その劣化インク(粘度が上昇したノズル近傍のインク)を排出すべくキャップ264(インク受け)に向かって予備吐出(パージ、空吐出、つば吐き、ダミー吐出)が行われる。
Before such a state is reached (within the range of viscosity that can be discharged by the operation of the piezoelectric element 258), the
また、ヘッド250内のインク(圧力室252内)に気泡が混入した場合、圧電素子258が動作してもノズルからインクを吐出させることができなくなる。このような場合にはヘッド250にキャップ264を当て、吸引ポンプ267で圧力室252内のインク(気泡が混入したインク)を吸引により除去し、吸引除去したインクを回収タンク268へ送液する。
Further, when air bubbles are mixed in the ink in the head 250 (in the pressure chamber 252), the ink cannot be ejected from the nozzle even if the
この吸引動作は、初期のインクのヘッドへの装填時、或いは長時間の停止後の使用開始時にも粘度上昇(固化)した劣化インクの吸い出しが行われる。なお、吸引動作は圧力室252内のインク全体に対して行われるので、インク消費量が大きくなる。したがって、インクの粘度上昇が小さい場合には予備吐出を行う態様が好ましい。
In this suction operation, the deteriorated ink with increased viscosity (solidified) is sucked out when the ink is initially loaded into the head or when the ink is used after being stopped for a long time. Since the suction operation is performed on the entire ink in the
(制御系の説明)
図21は、インクジェット記録装置200のシステム構成を示す要部ブロック図である。インクジェット記録装置200は、通信インターフェース270、システムコントローラ272、メモリ274、モータドライバ276、ヒータドライバ278、プリント制御部280、画像バッファメモリ282、ヘッドドライバ284等を備えている。
(Description of control system)
FIG. 21 is a principal block diagram showing the system configuration of the
通信インターフェース270は、ホストコンピュータ286から送られてくる画像データを受信するインターフェース部である。通信インターフェース270にはUSB(Universal Serial Bus)、IEEE1394、イーサネット(登録商標)、無線ネットワークなどのシリアルインターフェースやセントロニクスなどのパラレルインターフェースを適用することができる。この部分には、通信を高速化するためのバッファメモリ(不図示)を搭載してもよい。ホストコンピュータ286から送出された画像データは通信インターフェース270を介してインクジェット記録装置200に取り込まれ、一旦メモリ274に記憶される。
The
メモリ274は、通信インターフェース270を介して入力された画像を一旦格納する記憶手段であり、システムコントローラ272を通じてデータの読み書きが行われる。メモリ274は、半導体素子からなるメモリに限らず、ハードディスクなど磁気媒体を用いてもよい。
The
システムコントローラ272は、中央演算処理装置(CPU)及びその周辺回路等から構成され、所定のプログラムに従ってインクジェット記録装置200の全体を制御する制御装置として機能するとともに、各種演算を行う演算装置として機能する。即ち、システムコントローラ272は、通信インターフェース270、メモリ274、モータドライバ276、ヒータドライバ278等の各部を制御し、ホストコンピュータ286との間の通信制御、メモリ274の読み書き制御等を行うとともに、搬送系のモータ288やヒータ289を制御する制御信号を生成する。
The
メモリ274には、システムコントローラ272のCPUが実行するプログラム及び制御に必要な各種データなどが格納されている。なお、メモリ274は、書換不能な記憶手段であってもよいし、EEPROMのような書換可能な記憶手段であってもよい。メモリ274は、画像データの一時記憶領域として利用されるとともに、プログラムの展開領域及びCPUの演算作業領域としても利用される。
The
モータドライバ276は、システムコントローラ272からの指示にしたがってモータ288を駆動するドライバである。図21では、装置内の各部に配置されるモータ(アクチュエータ)を代表して符号288で図示している。例えば、図21に示すモータ288には、図15のベルト233の駆動ローラ231(232)を駆動するモータや、図20のキャップ264を移動させる移動機構のモータなどが含まれている。
The
ヒータドライバ278は、システムコントローラ272からの指示にしたがって、図15に示す加熱ファン240の熱源たるヒータや、後乾燥部242のヒータなどを含むヒータ289を駆動するドライバである。
The
プリント制御部280は、システムコントローラ272の制御に従い、メモリ274内の画像データから印字制御用の信号を生成するための各種加工、補正などの処理を行う信号処理機能を有し、生成した印字データ(ドットデータ)をヘッドドライバ284に供給する制御部である。プリント制御部280において所要の信号処理が施され、該画像データに基づいて、ヘッドドライバ284を介してヘッド250のインク液滴の吐出量や吐出タイミングの制御が行われる。これにより、所望のドットサイズやドット配置が実現される。
The
プリント制御部280には画像バッファメモリ282が備えられており、プリント制御部280における画像データ処理時に画像データやパラメータなどのデータが画像バッファメモリ282に一時的に格納される。また、プリント制御部280とシステムコントローラ272とを統合して1つのプロセッサで構成する態様も可能である。
The
ヘッドドライバ284は、プリント制御部280から与えられる画像データに基づいてヘッド250の圧電素子258に印加される駆動信号を生成するとともに、該駆動信号を圧電素子258に印加して圧電素子258駆動する駆動回路(図12(a),(b)の電源装置130)を含んで構成される。なお、図21に示すヘッドドライバ284には、ヘッド250の駆動条件を一定に保つためのフィードバック制御系を含んでいてもよい。
The
印字検出部224は、図15で説明したようにラインセンサを含むブロックであり、記録紙216に印字された画像を読み取り、所要の信号処理などを行って印字状況(吐出の有無、打滴のばらつきなど)を検出し、その検出結果をプリント制御部280に提供する。
The
プリント制御部280は、必要に応じて印字検出部224から得られた情報に基づいてヘッド250に対する各種補正やヘッド250のメンテナンスを行うように各部を制御する。
The
印刷すべき画像のデータは、通信インターフェース270を介して外部から入力され、メモリ274に蓄えられる。この段階では、RGBの画像データがメモリ274に記憶される。
Data of an image to be printed is input from the outside via the
メモリ274に蓄えられた画像データは、システムコントローラ272を介してプリント制御部280に送られ、該プリント制御部280においてインク色ごとのドットデータに変換される。即ち、プリント制御部280は、入力されたRGB画像データをKCMYの4色のドットデータに変換する処理を行う。プリント制御部280で生成されたドットデータは、画像バッファメモリ282に蓄えられる。
The image data stored in the
プログラム格納部290には各種制御プログラムが格納されており、システムコントローラ272の指令に応じて、制御プログラムが読み出され、実行される。プログラム格納部290はROMやEEPROMなどの半導体メモリを用いてもよいし、磁気ディスクなどを用いてもよい。外部インターフェースを備え、メモリカードやPCカードを用いてもよい。もちろん、これらの記録媒体のうち、複数の記録媒体を備えてもよい。なお、プログラム格納部290は動作パラメータ等の記録手段(不図示)と兼用してもよい。
Various control programs are stored in the
なお、図15〜21に示した装置構成は、本発明に係る圧電アクチュエータを適用した液体吐出ヘッド(圧電素子)を具備する装置の一例であって、適宜変更可能である。例えば、図15には、記録紙216をベルト搬送する態様を例示したが、ドラム形状の搬送部材を用いて記録紙216を搬送しながら、ドラムの周面に配置された印字部212によって画像記録を行う態様も可能である。
The apparatus configuration shown in FIGS. 15 to 21 is an example of an apparatus including a liquid discharge head (piezoelectric element) to which the piezoelectric actuator according to the present invention is applied, and can be changed as appropriate. For example, FIG. 15 illustrates a mode in which the
本例では、本発明が適用される装置例として、インクジェットヘッドを備えたインクジェット記録装置を例示したが、吐出発生素子として圧電アクチュエータを用いる液体吐出ヘッド及び装置に対して、広く本発明を適用することが可能である。他の装置例としては、基板(媒体)上に液体を吐出して所望の形状、パターンを形成する液体吐出装置(例えば、ディスペンサー)などが挙げられる。 In this example, an inkjet recording apparatus including an inkjet head is illustrated as an example of an apparatus to which the present invention is applied. However, the present invention is widely applied to liquid ejection heads and apparatuses that use piezoelectric actuators as ejection generating elements. It is possible. Other examples of the apparatus include a liquid ejection apparatus (for example, a dispenser) that ejects liquid onto a substrate (medium) to form a desired shape and pattern.
118,275A…下部電極、120,258A…圧電体膜、122,257B…上部電極、123,258…圧電素子、125…圧電アクチュエータ、29,212K,212C,212M,212Y,250…ヘッド、30…電源装置、200…インクジェット記録装置、284…ヘッドドライバ 118, 275A ... lower electrode, 120, 258A ... piezoelectric film, 122, 257B ... upper electrode, 123, 258 ... piezoelectric element, 125 ... piezoelectric actuator, 29, 212K, 212C, 212M, 212Y, 250 ... head, 30 ... Power supply device, 200 ... inkjet recording device, 284 ... head driver
Claims (9)
前記振動板の上面に形成される下部電極と、
エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、
前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
を備え、
各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、
前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1)
A lower electrode formed on the upper surface of the diaphragm;
A piezoelectric film having an orientation in one direction epitaxially grown or oriented and formed on the upper surface of the lower electrode opposite to the diaphragm;
An upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode;
A constraining plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film;
With
The thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , the lower electrode and the piezoelectric film Y 2 , the boundary surface position of the piezoelectric film and the upper electrode y 3 , the boundary surface position of the upper electrode and the restraint plate y 4 , and the upper surface position of the restraint plate y 5
Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, the piezoelectric film Poisson's ratio V p , Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, Young's modulus Y f of the constraining plate, Poisson's ratio of the constraining plate V f is the following formula (1)
前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、
前記圧力室の1つの壁面を構成する振動板と、
前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、
前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、
前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
を備え、
各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、
前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1)
A pressure chamber communicating with the nozzle and containing a liquid discharged from the nozzle;
A diaphragm constituting one wall surface of the pressure chamber;
A lower electrode formed on a side surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber;
A piezoelectric film formed on the side surface of the lower electrode opposite to the diaphragm and having an orientation in one direction epitaxially grown or oriented;
An upper electrode formed on a side surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode;
A constraining plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film;
With
The thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , the lower electrode and the piezoelectric film Y 2 , the boundary surface position of the piezoelectric film and the upper electrode y 3 , the boundary surface position of the upper electrode and the restraint plate y 4 , and the upper surface position of the restraint plate y 5
Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, the piezoelectric film Poisson's ratio V p , Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, Young's modulus Y f of the constraining plate, Poisson's ratio of the constraining plate V f is the following formula (1)
前記ノズルと連通し、前記ノズルから吐出する液体を収容する圧力室と、
前記圧力室の1つの壁面を構成する振動板と、
前記振動板の前記圧力室と反対側面に形成される下部電極と、
前記下部電極の前記振動板と反対側面に成膜され、エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有する圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側面に形成される上部電極と、
前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
を具備する液体吐出ヘッドと、
前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与する電界付与手段と、
を備え、
前記液体吐出ヘッドは、各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、
前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfは、次式(1)
A pressure chamber communicating with the nozzle and containing a liquid discharged from the nozzle;
A diaphragm constituting one wall surface of the pressure chamber;
A lower electrode formed on a side surface of the diaphragm opposite to the pressure chamber;
A piezoelectric film formed on the side surface of the lower electrode opposite to the diaphragm and having an orientation in one direction epitaxially grown or oriented;
An upper electrode formed on a side surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode;
A constraining plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film;
A liquid ejection head comprising:
An electric field applying means for applying an electric field in a direction opposite to the orientation direction of the piezoelectric film;
With
In the liquid discharge head, the thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , The position of the interface between the electrode and the piezoelectric film is y 2 , the position of the interface between the piezoelectric film and the upper electrode is y 3 , the position of the interface between the upper electrode and the restraint plate is y 4 , and the constraint the upper surface position of the plate when the y 5,
Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, the piezoelectric film Poisson's ratio V p , Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, Young's modulus Y f of the constraining plate, Poisson's ratio of the constraining plate V f is the following formula (1)
前記電界付与手段は、前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜の配向方向と反対方向の電界を付与することを特徴する請求項5又は6記載の液体吐出装置。 The piezoelectric film has an orientation direction from the lower electrode toward the upper electrode,
The electric field applying means applies a positive voltage to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential to apply an electric field in a direction opposite to the orientation direction of the piezoelectric film. The liquid discharge apparatus as described.
前記振動板の上面に形成される下部電極と、
エピタキシャル成長或いは配向成長させた一方向に配向性を有し、前記下部電極の前記振動板と反対側の上面に成膜される圧電体膜と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の上面に形成される上部電極と、
前記上部電極の前記圧電体膜と反対側面に設けられる拘束板と、
を備え、
各部材の厚みの方向をy方向とし、前記y方向における前記振動板の下面の位置をy0、前記振動板と前記下部電極の境界面の位置をy1、前記下部電極と前記圧電体膜の境界面の位置をy2、前記圧電体膜と前記上部電極の境界面の位置をy3、前記上部電極と前記拘束板の境界面の位置をy4、前記拘束板の上面位置をy5とするときに、
前記振動板のヤング率Yv、前記振動板のポアソン比Vv、前記下部電極のヤング率Yu、前記下部電極のポアソン比Vu、前記圧電体膜のヤング率Yp、前記圧電体膜のポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率ポアソン比Vp、前記上部電極のヤング率Ym、前記上部電極のポアソン比Vm、前記拘束板のヤング率Yf、前記拘束板のポアソン比Vfが、次式(1)
A lower electrode formed on the upper surface of the diaphragm;
A piezoelectric film having an orientation in one direction epitaxially grown or oriented and formed on the upper surface of the lower electrode opposite to the diaphragm;
An upper electrode formed on the upper surface of the piezoelectric film opposite to the lower electrode;
A constraining plate provided on the side surface of the upper electrode opposite to the piezoelectric film;
With
The thickness direction of each member is the y direction, the position of the lower surface of the diaphragm in the y direction is y 0 , the position of the boundary surface between the diaphragm and the lower electrode is y 1 , the lower electrode and the piezoelectric film Y 2 , the boundary surface position of the piezoelectric film and the upper electrode y 3 , the boundary surface position of the upper electrode and the restraint plate y 4 , and the upper surface position of the restraint plate y 5
Young's modulus Y v of the diaphragm, Poisson's ratio V v of the vibration plate, the Young's modulus Y u of the lower electrode, Poisson's ratio V u of the lower electrode, the Young's modulus Y p of the piezoelectric film, the piezoelectric film Poisson's ratio V p , Young's modulus Poisson's ratio V p of the upper electrode, Young's modulus Y m of the upper electrode, Poisson's ratio V m of the upper electrode, Young's modulus Y f of the constraining plate, Poisson's ratio of the constraining plate V f is the following formula (1)
前記下部電極を基準電位として前記上部電極に正極性の電圧を印加して、前記圧電体膜に前記上部電極から前記下部電極へ向かう方向の電界を付与することを特徴とする請求項8記載の圧電アクチュエータの駆動方法。 The piezoelectric film has an orientation direction from the lower electrode toward the upper electrode,
9. The electric field in a direction from the upper electrode to the lower electrode is applied to the piezoelectric film by applying a positive voltage to the upper electrode with the lower electrode as a reference potential. Driving method of piezoelectric actuator.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008078712A JP2009231777A (en) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2008078712A JP2009231777A (en) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2009231777A true JP2009231777A (en) | 2009-10-08 |
Family
ID=41246800
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2008078712A Pending JP2009231777A (en) | 2008-03-25 | 2008-03-25 | Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2009231777A (en) |
Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160037088A (en) * | 2014-09-26 | 2016-04-05 | 가부시키가이샤 스크린 홀딩스 | Substrate treating apparatus and substrate treatment method |
JP7032604B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-03-08 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7064649B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-05-10 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7064648B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-05-10 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7136993B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-09-13 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | HEAD CHIP, LIQUID JET HEAD AND LIQUID JET RECORDING APPARATUS |
-
2008
- 2008-03-25 JP JP2008078712A patent/JP2009231777A/en active Pending
Cited By (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20160037088A (en) * | 2014-09-26 | 2016-04-05 | 가부시키가이샤 스크린 홀딩스 | Substrate treating apparatus and substrate treatment method |
KR101709863B1 (en) | 2014-09-26 | 2017-02-23 | 가부시키가이샤 스크린 홀딩스 | Substrate treating apparatus and substrate treatment method |
JP7032604B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-03-08 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7064649B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-05-10 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7064648B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-05-10 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head tip, liquid injection head and liquid injection recording device |
JP7136993B1 (en) | 2021-12-20 | 2022-09-13 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | HEAD CHIP, LIQUID JET HEAD AND LIQUID JET RECORDING APPARATUS |
EP4197792A1 (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-21 | SII Printek Inc. | Head chip, liquid jet head, and liquid jet recording device |
JP2023091557A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-30 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head chip, liquid jet head and liquid jet recording device |
JP2023091561A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-30 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head chip, liquid jet head and liquid jet recording device |
JP2023091553A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-30 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head chip, liquid jet head, and liquid jet recording device |
JP2023091543A (en) * | 2021-12-20 | 2023-06-30 | エスアイアイ・プリンテック株式会社 | Head chip, liquid jet head and liquid jet recording device |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5382905B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric element and method for manufacturing liquid discharge head | |
JP4855858B2 (en) | Liquid ejection head and image forming apparatus | |
JP4682678B2 (en) | Method for manufacturing liquid discharge head | |
JP5031428B2 (en) | Method for manufacturing piezoelectric actuator | |
JP2007130853A (en) | Liquid ejector and method for extracting cause of abnormal ejection | |
JP2009239208A (en) | Piezoelectric actuator manufacturing method and liquid ejection head | |
JP2009113316A (en) | Method for driving piezoelectric actuator and liquid ejection apparatus | |
EP1520701B1 (en) | Discharging head and liquid discharging apparatus | |
JP3956950B2 (en) | Discharge head driving method, discharge head manufacturing method, and liquid discharge apparatus | |
JP4019199B2 (en) | Liquid discharge head and liquid discharge apparatus | |
JP2009231777A (en) | Piezoelectric actuator, liquid discharge head, liquid discharge device, and method of driving piezoelectric actuator | |
JP2007253363A (en) | Pressure detection method and liquid jet device | |
JP5241017B2 (en) | Liquid discharge head, liquid discharge apparatus, and image forming apparatus | |
JP2007090654A (en) | Liquid delivery apparatus and method for judging bubble | |
JP2009218401A (en) | Method of driving piezoelectric actuator, and method of driving liquid ejection head | |
JP4706913B2 (en) | Discharge head and image forming apparatus | |
JP2006111000A (en) | Liquid ejection head and image forming apparatus having it | |
JP2006051815A (en) | Ejection head and image forming apparatus | |
JP2008155537A (en) | Liquid discharge head, liquid discharge head manufacturing method, and image forming device | |
JP3969429B2 (en) | Liquid ejection device and droplet ejection control method | |
JP2005313636A (en) | Droplet hitting control method and liquid discharge apparatus | |
JP3791532B2 (en) | Inkjet head and inkjet recording apparatus | |
JP4135697B2 (en) | Liquid ejection head and image forming apparatus | |
JP2007021893A (en) | Liquid ejector | |
JP2007090647A (en) | Liquid delivery head |