JP2010195004A - 液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電気機械変換素子と振動板から成る圧力発生部材（アクチュエータ）の曲がり方向を一様にして液体吐出量を増加させると共に、製造コストを上げたり集積度を低下させないように、圧力発生部材について工夫すること。
【解決手段】圧力室(15)と、この圧力室にそれぞれ連通して設けられたノズル(17)及び液体供給路(18)と、上記圧力室の一部を構成する振動板(14)、及びこの振動板と一体的に形成された電気機械変換素子(13)により構成され、上記圧力室に圧力を発生させる圧力発生部材とから成り、上記電気機械変換素子に電圧を印加することにより、上記ノズルから液体を吐出する液体吐出装置を前提として、
上記振動板(14)の一部の剛性を変えて、上記電気機械変換素子の曲がり方向が一様になるようにしたことである。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体吐出装置に関するものであり、特に、電気機械変換素子により振動板を変形させ、圧力室に圧力変化を生じさせてノズルより液滴を吐出させる液体吐出装置に関するものである。この液体吐出装置は、インクジェットプリンタ、ＭＦＰ（Multifunction Peripheral：複合機）に使用するデジタル印刷装置、オフィスやパーソナルで使用するプリンタ、又はインクジェット技術を利用する三次元造型技術などに応用することが可能である。

液体吐出装置は、液滴を吐出させるノズルと連通する圧力室の一部を、振動板に圧電素子やヒータなどの電気機械変換素子を一体的に設けた圧力発生部材（アクチュエータ）によって構成し、電気機械変換素子を駆動することにより圧力発生部材を変形させ、圧力室に圧力変化を生じさせてノズルから液滴を吐出させるものであり、特許第３５０３３８６号公報（「インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法」、特許文献１）、及び特許３６８１２８８号公報（「インクジェットヘッド及びインクジェット記録装置」、特許文献２）などに、インクジェットヘッドとして記載されている。

上記特許文献１に記載されているインクジェットヘッドは、図８に示されるように、圧電体薄膜（圧電素子）３１、振動板３２ａ,３２ｂ、基板３３、インク溜まり（圧力室）３４、ノズルプレート３５、及びインクの吐出孔（ノズル）３６から構成され、振動板３２ａ,３２ｂに圧電体薄膜３１を一体的に設けてユニモルフ構造とし、この圧電体薄膜３１に電圧を印加して駆動することにより、振動板３２ａ,３２ｂをインク溜まり３４側へ凸状に変形させ、これによりインク溜まり３４の圧力を上昇させてインク液滴を吐出孔３６から吐出させる。
この特許文献１のインクジェットヘッドでは、インク吐出量を増加させるため振動板３２ａ,３２ｂの変位量を大きくできるように、振動板３２ａの圧電体薄膜３１に被着形成されていない領域の厚みＴ2を、被着形成されている領域の厚みＴ1より薄くして、変形し易くする構造を採用している。
しかし、単に振動板３２ａの厚みを薄くするだけでは圧電体薄膜３１を効率よく変形することができず、インク吐出量を増加することができないので、抜本的な解決にはならない。

また、上記特許文献２に記載されているインクジェットヘッドは、図９に示されるように、圧電素子４１、ダイヤフラム層（振動板）４２、パッシベーション層４３、液室（圧力室）４４、隔壁部材４５、封止部材４６、及びノズル孔（ノズル）４７から構成され、圧電素子４１に駆動電圧を印可して駆動することにより、ダイヤフラム層４２とパッシベーション層４３を液室４４側に変形させる。これにより、液室４４内の圧力が上昇してノズル孔４７からインク滴が吐出される。
この特許文献２のインクジェットヘッドでは、圧電素子４１が接合されていない部分のダイヤフラム層４２ｂを、圧電素子４１が接合されている部分のダイヤフラム層４２ａの厚さの１／２以下（ｔ1／２≧ｔ2）にして薄くすることにより、ダイヤフラム層４２の変形量を増やしてインク吐出量を確保できるようにしている。
しかし、圧電素子４１が接合されていないダイヤフラム層４２ｂを１／２以下に薄くするだけでは、ダイヤフラム層４２の効率的な変形を得ることができず、インク吐出量を十分に確保することができない。

そして、インクジェットヘッドにおけるアクチュエータの一般的に重要な特性の１つとして、なるべく低電圧で振動板の大きな変位を得ることが必要である。通常、インクジェットヘッドのアクチュエータに使用される振動板は４辺が固定された構成であるが、ここでは分かり易いように両端固定梁モデルとして説明する。例えば、図７(ａ)に示すように、両端が固定された振動板２に圧電素子１が固着されたユニモルフ構造のアクチュエータにおいて、圧電素子１に電圧が印加されると、図７(ｂ)に模式的に示されるように、振動板２に変形が発生する。このとき、一般的に変位量が大きいほど液滴の吐出量が多くなり、吐出効率が向上する。
しかしながら、このように振動板２の両端が固定された構成では以下に説明するような不具合が発生し、振動板２の変位量は小さく抑えられ、吐出効率は低いのが現状である。

即ち、圧電素子１はその厚さ方向に電圧を印加すると、例えば、図７(ａ)の矢印３に示す方向に伸びる。その結果、圧電素子１と振動板２からなるアクチュエータは、図７(ｂ)に模式的に示すように変形する。しかし、この変形では、例えば図７(ｂ)に模式的に示す変曲点４,５において、圧電素子１と振動板２の曲がる方向が変化している。圧電素子１と振動板２は、両端固定の束縛がなければこのような変曲点のない凸状の変形になるものと考えられるが、凸状に変形しているのは中央部付近のみであり、この中央部付近以外は変曲点４,５を境に逆方向の曲がりになっている。このような変形の仕方は、圧電素子１の変形方向に逆らうことになり、非常に効率が悪いものである。
そこで、例えばインクジェットヘッドにおいて吐出量を増やそうとすると、高い電圧を印加したり、振動板２や圧電素子１の面積を増加させて、少しでも大きく変形させ吐出量を増やすことが行われている。これらは印加電圧の上昇に伴う駆動回路などのコストアップや、振動板や圧電素子の面積増加に伴う集積度の低下を招き、ヘッド性能の劣化につながる。

そこで、本発明の課題は、上記従来の液体吐出装置の問題点を解決するために、電気機械変換素子と振動板から成る圧力発生部材（アクチュエータ）の曲がり方向を一様にして液体吐出量を増加させると共に、製造コストを上げたり集積度を低下させないように、圧力発生部材について工夫することである。

以下に、上記課題を解決するために講じた手段を作用とともに説明する。
(１) 本発明に係る液体吐出装置（請求項１に対応）は、圧力室と、この圧力室にそれぞれ連通して設けられたノズル及び液体供給路と、上記圧力室の一部を構成する振動板、及びこの振動板と一体的に形成された電気機械変換素子により構成され、上記圧力室に圧力を発生させる圧力発生部材とから成り、上記電気機械変換素子に電圧を印加することにより、上記ノズルから液体を吐出する液体吐出装置を前提として、
上記振動板の一部の剛性を変えて、上記電気機械変換素子の曲がり方向が一様になるようにしたことである。

このように構成することによって、電気機械変換素子の曲がり方向が一様になるように振動板の一部の剛性を変えているので、電圧が印加された電気機械変換素子の変位により振動板に曲げ力が加わったとき、圧力発生部材の変位量が極めて大きくなり、液滴の吐出量を増加させて吐出効率を大幅に高くすることができる。

(２) また、上記(１)の液体吐出装置において、振動板の少なくとも一部の厚さを変えることができる。（請求項２に対応）
このような構成によって、振動板の一部の厚さを変えることにより該振動板の一部の剛性を簡単に変えることができる。

(３) また、上記(１)又は(２)の液体吐出装置において、振動板と電気機械変換素子はユニモルフ型に構成されていてもよい。（請求項３に対応）
このような構成によって、通常の（剛性を変えていない）振動板を使用したバイモルフ構造並みの変位量を得ることができると同時に、シンプルで低コストが計れる。

(４) また、上記(１)〜(３)のいずれかの液体吐出装置において、振動板は、絶縁層や電極層などを含んだものであってもよい。（請求項４に対応）
このような構成によって、振動板が絶縁層や電極層などを含む場合は、振動板だけではなく、そのほかの保護膜や電極膜などの剛性を併せて考慮することにより、圧力発生部材のより大きな変位量を得ることができる。

(５) また、上記(１)〜(４)のいずれかの液体吐出装置において、電気機械変換素子は圧電体であってもよい。（請求項５に対応）
このような構成によって、電気機械変換素子を圧電体、特に薄膜圧電体とすることにより、小型でかつ低コストであって高効率の液体吐出装置を得ることができる。

(６) また、上記(１)〜(４)のいずれかの液体吐出装置において、電気機械変換素子はヒータと熱膨張板で構成されてもよい。（請求項６に対応）
このような構成によって、電気機械変換素子をヒータと熱膨張板で構成することができるので、製造コストを安く抑えることができる。また、ヒータを液室と反対側に配置することにより、ヒータとインクが直接に接触することがないので、従来のサーマル方式（気泡を発生しその圧力でインク滴を吐出する方式）の耐久性を凌駕することができる。

(７) また、上記(１)〜(５)のいずれかの液体吐出装置において、電気機械変換素子は複数の層からなってもよい。（請求項７に対応）
このような構成によって、電気機械変換素子を積層することにより、振動板の変位量をさらに増大することができる。たとえば、圧電体を２層以上に積層することにより、より大きな変位量を確保することができ、圧電体の一様な曲がりを確保するための振動板の設計自由度が広がり、曲がりの変曲点を薄肉部に設定し易くなるという利点がある。その結果、インクジェットヘッドの性能をより向上させることが可能である。

本発明の効果を請求項にしたがって整理すると次のとおりである。
(１) 請求項１〜３に係る発明
振動板の一部の剛性を変えることにより、電気機械変換素子の曲がり方向を一様にすることができるので、圧力発生部材の変位量を大きくすることができ、液滴の吐出効率を大幅に高くすることが可能である。
(２) 請求項４に係る発明
振動板が絶縁層や電極層などを含む場合は、振動板だけではなく、保護膜や電極膜などの剛性を併せて考慮することにより、圧力発生部材のより大きな変位量を得ることができ、液滴の吐出効率をさらに高くすることができる。

(３) 請求項５に係る発明
電気機械変換素子を圧電体、特に薄膜圧電体とすることにより、小型でかつ低コストであって高効率の液体吐出装置を得ることができる。
スパッタ工法、ゾルゲル(Solgel)工法などで成膜される薄膜圧電体は、従来のグリーンシートから高温で焼成される圧電体と比較すると、量産効果が大きく、低コストであるが、圧電定数など特性が劣るものが多く、そのため、変位量も少なく性能向上が望まれているのが現状である。
薄膜圧電体に本発明を適用することにより、変位量が増大し、その欠点を補うことができる。
(４) 請求項６に係る発明
電気機械変換素子をヒータと熱膨張板で構成するので、製造コストを安く抑えることができると共に、従来のサーマル方式（気泡を発生しその圧力でインク滴を吐出する方式）に比較して、耐久性が非常に優れている。

(５) 請求項７に係る発明
電気機械変換素子を積層することにより、振動板の変位量をさらに増大することができるので、液滴の吐出効率を大幅に高くすることができる。
また、圧電体を２層にすることにより、圧電体の一様な曲がりを確保するための振動板の設計自由度が広がり、曲がりの変曲点を薄肉部に設定し易くなるという利点があるばかりでなく、インクジェットヘッドの性能をより向上させることができる。

は、本発明の実施例１による液体吐出装置をインクジェットヘッドに適用した場合の模式図であり、(ａ)は断面図、(ｂ)は底面図である。 は、同じく実施例１による液体吐出装置を別のインクジェットヘッドに適用した場合の模式的な断面図である。 は、同じく実施例１による液体吐出装置において、圧電体と振動板からなる圧力発生部材が一様な方向へ凸状に曲がった状態を示す模式図である。 は、同じく実施例１による液体吐出装置の好適な具体例を示す模式的な断面図である。 は、本発明の実施例２による液体吐出装置において、ヒータと熱膨張板と振動板からなる圧力発生部材が、一様な方向に曲がった状態を示す模式図である。 は、本発明の実施例３による液体吐出装置の模式的な断面図である。 は、圧電素子と振動板からなる従来の圧力発生部材の模式図であり、(ａ)は振動板の変形がない状態を示し、(ｂ)は圧電素子に電圧が印加され振動板が変形した状態を示す。 は、従来の液体吐出装置（インクジェットヘッド）の模式的な断面図である。 は、従来の別の液体吐出装置（インクジェットヘッド）の模式的な断面図である。

本発明は、液体吐出装置において、電気機械変換素子の曲がり方向を一様にすることにより液体吐出量を増加させるという目的を、製造コストの上昇や集積度の低下を招くことなしに実現したものである。

本発明の実施例１による液体吐出装置をインクジェットヘッドに適用した場合について、図１を参照しながら説明する。図１(ａ)はインクジェットヘッドの模式的な断面図であり、図１(ｂ)は模式的な底面図である。
なお、以下同様の図において、圧電体（圧電素子）へ電圧を印加するための電極は、煩雑さを防ぐために図示を省略する。
本実施例１の液体吐出装置を適用したインクジェットヘッド１０は、ノズル板１１、隔壁１２ａを有する液室構成体１２、及び圧電体１３と一体になった振動板１４によって構成され、その内部に液室１５が形成されている。上記ノズル板１１にはノズル１７が形成され、振動板１４には、図１に示されるように、その両端に薄肉部１６が形成され、その剛性が小さくされている。なお、符号１８は液室１５に連通するインク供給路である。

次に、本実施例１による液体吐出装置を別のインクジェットヘッドに適用した場合について、図２を参照しながら説明する。図２はインクジェットヘッドの模式的な断面図である。
本実施例１の液体吐出装置を適用した別のインクジェットヘッド２０は、上記インクジェットヘッド１０と同様に、ノズル板１１、隔壁１２ａを有する液室構成体１２、及び圧電体１３と一体になった振動板１４によって構成され、その内部に液室１５が形成されている。上記振動板１４と一体的に形成された圧電体１３を保護すると同時に、インクタンク（図示を省略）から供給されたインクをインク供給路１８を通じて液室１５に供給するための共通液室２２を形成するフレーム２１が、液室構成体１２に接合されている。液室構成体１２はシリコンウェハなどで構成され、従来技術であるエッチングなどの工法で形成される。

上記のような構成を備える液体吐出装置の動作について、図３を参照しながら説明する。図３は、圧電体と振動板からなる圧力発生部材が一様な方向へ凸状に曲がった状態を示す模式図である。
このような構成を有する振動板１４が、圧電体１３の伸びにより変形すると、図３に示されるように、変曲点は両端の薄肉部１６に存在するようになり、圧電体１３と振動板１４の曲がり方向は一様な凸形状となる。つまり、圧電体１３は電圧の印加により、それ自身の変形方向に一様に変形して逆側に変形することがないので、振動板１４の変位量が増大して液体の吐出効率が大きくなる。振動板１４の薄肉部１６の長さが長すぎると、この薄肉部１６において液室１５に発生する圧力の緩衝が起きるが、適宜設計条件により最適構造となり得るよう対応することが可能である。例えば、液体吐出装置の好適な具体例を図４に示す。この液体吐出装置は図示のとおり、液室１５の幅が６０μｍ、振動板１４の厚さ（厚い部分）が３μｍ、同じく振動板の薄肉部（薄い部分）１６の厚さが０.６μｍで幅が２.５μｍ、圧電体１３の厚さが３μｍである。
このように構成することにより、圧電体１３が一様な方向に曲がり、その曲がりによって発生する変位量が極めて大きくなり、かつ圧力損失が少なくなるので、インクの吐出量が増加して吐出効率が極めて大きく向上する。

また、図示していない電極、保護膜、及び絶縁膜などは、従来と同様な構成を有し従来の工法により成膜され、一般的に振動板１４や圧電体１３の厚さに比較して薄い膜として形成されるものであるが、振動板の剛性としてこれらの剛性を含めて考慮することにより、さらに曲がりによる変位量を効率的に大きくすることができる。
そして、この実施例１では、図１〜図４に示されているように、電気機械変換素子として圧電体を用いる例を示しているが、本発明に係る構成、即ち、薄肉部１６を有する振動板１４との組み合わせでは、小型、高効率化の点で最も好適な例であり、さらに、スパッタ工法、ゾルゲル(Solgel)工法、又はその他の薄膜工法などにより成膜された圧電体などが、一層の小型、高効率化を達成するときに好適である。

本発明の実施例２による液体吐出装置について、図５を参照しながら説明する。図５は、ヒータと熱膨張板と振動板からなる圧力発生部材が一様な方向に曲がった状態を示す模式図である。
本実施例２の液体吐出装置における圧力発生部材は、電気機械変換素子としてヒータ２４を用いており、このヒータ２４が形成されている熱膨張板２５を振動板１４の表面に一体的に形成して構成されている。ヒータ２４に電圧が印加されると、熱膨張板２５が急速に加熱されて膨張し、それに伴って振動板１４が変形する。この場合の振動板１４の変形は、図５に示されるように、変曲点が剛性の小さい両端の薄肉部１６で発生し、中央部の変形が大きい部分では一様な曲がり方向に変形するように設定されている。このため、熱膨張板２５や振動板１４の伸び方向は一様となり、ヒータの加熱による膨張は効率的に作用して、インクの吐出量が非常に多くなり、吐出効率が極めて高くなる。
また、電気機械変換素子としてヒータを使用した場合は、一貫した微細加工プロセスにより製造することができるため、極めて安価に製作し得るという利点がある。

一方、同じ発熱方式であるサーマルジェット方式では気泡を発生させ、その圧力でインク滴を吐出しているが、このインクに直接熱（約３００℃程度）が加わるため、コゲーションという問題が発生し、耐久性を劣化させている。
しかし、本実施例２では同じ発熱方式であるが、例えば、振動板１４側に液室１５を配置することにより、ヒータ２４と液室１５内のインクが直接に接触することなく動作することが可能であるので、耐久性の劣化を防ぐことができる利点がある。

本発明の実施例３による液体吐出装置について、図６を参照しながら説明する。図６は、振動板に２層の圧電体を積層した電気機械変換素子を備える液体吐出装置の模式図である。
本実施例３の液体吐出装置は、電気機械変換素子の振動板１４に形成する圧電体１３を、例えば、第１圧電体１３ａと第２圧電体１３ｂの２層を積層して構成したものである。このように積層構造とすることにより、振動板１４の変位量をさらに増大すると同時に、圧電体を２層１３ａ,１３ｂとすることにより、圧電体の一様な曲がりを確保するための振動板１４の設計自由度が広がり、曲がりの変曲点を薄肉部１６に設定し易くなるという利点がある。さらに、インクジェットヘッドの性能を一層向上させることが可能となる。

１…圧電素子（圧電体） ２…振動板
４,５…変曲点
１０,２０…インクジェットヘッド １１…ノズル板
１２…液室構成体 １２ａ…隔壁
１３,１３ａ,１３ｂ…圧電体(圧電素子) １４…振動板
１５…液室 １６…薄肉部
１７…ノズル １８…インク供給路
２１…フレーム ２２…共通液室
２４…ヒータ ２５…熱膨張板

特許第３５０３３８６号公報(特開平９−２８６１０４号公報) 特許第３６８１２８８号公報(特開２０００−７１４４９号公報)

Claims (7)

1. 圧力室と、
   上記圧力室にそれぞれ連通して設けられたノズル及び液体供給路と、
   上記圧力室の一部を構成する振動板、及びこの振動板と一体的に形成された電気機械変換素子により構成され、上記圧力室に圧力を発生させる圧力発生部材とから成り、
   上記電気機械変換素子に電圧を印加することにより、上記ノズルから液体を吐出する液体吐出装置において、
   上記振動板の一部の剛性を変えて、上記電気機械変換素子の曲がり方向が一様になるようにしたことを特徴とする液体吐出装置。
2. 上記振動板の少なくとも一部の厚さを変えることを特徴とする請求項１に記載の液体吐出装置。
3. 上記振動板と上記電気機械変換素子はユニモルフ型に構成されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の液体吐出装置。
4. 上記振動板は、絶縁層や電極層などを含んだものであることを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の液体吐出装置。
5. 上記電気機械変換素子は圧電体であることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液体吐出装置。
6. 上記電気機械変換素子は、ヒータと熱膨張板で構成されていることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の液体吐出装置。
7. 上記電気機械変換素子は複数の層からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の液体吐出装置。

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