JP2016107476A - Ink jet head and ink jet printer - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、複数の圧電素子を支持基板で支持したインクジェットヘッドと、それを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。 The present invention relates to an inkjet head in which a plurality of piezoelectric elements are supported by a support substrate, and an inkjet printer including the inkjet head.
従来から、駆動素子やセンサなどの電気機械変換素子として、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電体が用いられている。また、近年、装置の小型化、高密度化、低コスト化などの要求に応えて、シリコン(Si)基板を用いたMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子が増加している。MEMS素子に圧電体を応用するには、圧電体を薄膜化することが望ましい。圧電体を薄膜化することで、成膜、フォトリソグラフィーなど半導体プロセス技術を用いた高精度な加工が可能となり、小型化、高密度化を実現できる。また、大面積のウェハに素子を一括加工できるため、コストを低減できる。さらに、機械電気の変換効率が向上し、駆動素子の特性や、センサの感度が向上する等の利点がある。 Conventionally, piezoelectric materials such as lead zirconate titanate (PZT) have been used as electromechanical conversion elements such as drive elements and sensors. In recent years, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) elements using a silicon (Si) substrate are increasing in response to demands for downsizing, high density, and low cost of devices. In order to apply a piezoelectric body to a MEMS element, it is desirable to make the piezoelectric body thin. By reducing the thickness of the piezoelectric body, high-precision processing using semiconductor process technology such as film formation and photolithography can be performed, and miniaturization and high density can be realized. Further, since the elements can be collectively processed on a large-area wafer, the cost can be reduced. Furthermore, there is an advantage that the conversion efficiency of mechanical electricity is improved and the characteristics of the drive element and the sensitivity of the sensor are improved.
このようなMEMS素子を用いたデバイスの応用例として、インクジェットプリンタが知られている。インクジェットプリンタでは、液体インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを、用紙や布などの記録メディアに対して相対的に移動させながらインクの吐出を制御することで、二次元の画像が記録メディアに形成される。 As an application example of a device using such a MEMS element, an ink jet printer is known. In an inkjet printer, a two-dimensional image is recorded on a recording medium by controlling the ejection of ink while moving an inkjet head having a plurality of channels for ejecting liquid ink relative to the recording medium such as paper or cloth. Formed.
インクの吐出は、圧力式のアクチュエータ(圧電式、静電式、熱変形など)を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。特に、高解像度(小液滴で良い)で小型、低コストのプリンタを実現するには、薄膜の圧電体を用いたインクジェットヘッドの利用が適している。 Ink can be ejected using a pressure actuator (piezoelectric, electrostatic, thermal deformation, etc.) or by generating bubbles in the ink in the tube by heat. Among them, the piezoelectric actuator has advantages such as high output, modulation, high responsiveness, and choice of ink, and has been frequently used in recent years. In particular, in order to realize a small-sized and low-cost printer with high resolution (small droplets may be used), it is suitable to use an inkjet head using a thin film piezoelectric body.
さらに近年、インクジェットプリンタには、より高速に高精細な画像を形成することが求められている。そのためには、液滴速度の高速化や、高粘度のインクの適用がインクジェットヘッドに求められる。これらを実現するためには、圧電薄膜(強誘電体薄膜)には高い圧電特性(圧電定数d31)が必要となる。 In recent years, inkjet printers are required to form high-definition images at higher speeds. For this purpose, the ink jet head is required to increase the droplet velocity and to apply high viscosity ink. In order to realize these, the piezoelectric thin film (ferroelectric thin film) needs to have high piezoelectric characteristics (piezoelectric constant d 31 ).
一方、PZTなどの圧電体をSiなどの基板上に成膜する方法としては、CVD(Chemical Vapor Deposition)法などの化学的成膜法、スパッタ法やイオンプレーティング法といった物理的な方法、ゾルゲル法などの液相での成長法が知られている。これらの製法により得られる薄膜の膜厚の上限は10μm程度である。それ以上の膜厚になると、クラックや膜剥がれが生じてしまい、所望の特性が得られない。 On the other hand, as a method of forming a piezoelectric material such as PZT on a substrate such as Si, a chemical film forming method such as a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, a physical method such as a sputtering method or an ion plating method, a sol gel The growth method in the liquid phase such as the method is known. The upper limit of the thickness of the thin film obtained by these manufacturing methods is about 10 μm. If the film thickness exceeds that, cracks and film peeling occur, and desired characteristics cannot be obtained.
成膜されたPZTは、結晶がペロブスカイト構造となるときに良好な圧電効果を発揮する。なお、ペロブスカイト構造とは、理想的には立方晶系の単位格子を有し、立方晶の各頂点に配置される金属A、体心に配置される金属B、立方晶の各面心に配置される酸素Oとから構成されるABO3型の結晶構造である。ペロブスカイト構造の結晶には、立方晶が歪んだ正方晶、斜方晶、菱面体晶等も含まれるものとする。 The deposited PZT exhibits a good piezoelectric effect when the crystal has a perovskite structure. The perovskite structure ideally has a cubic unit cell, and is arranged at each vertex of the cubic A, metal B arranged at the body center, and arranged at each face center of the cubic crystal. It is an ABO 3 type crystal structure composed of oxygen O. Crystals having a perovskite structure include tetragonal crystals, orthorhombic crystals, rhombohedral crystals and the like in which cubic crystals are distorted.
Si基板上の電極の上に成膜されたPZTの薄膜は、電極の結晶との格子定数の違いから、複数の結晶の集合体からなる多結晶となる。この多結晶は、製法にもよるが、粒径が数百nmの粒状の結晶(粒状結晶)が寄り集まって構成されたり、幅は数百nmで膜厚方向には1つの細長い結晶粒である柱状結晶が寄り集まって構成される。 The PZT thin film formed on the electrode on the Si substrate becomes a polycrystal composed of an aggregate of a plurality of crystals due to the difference in lattice constant from the crystal of the electrode. Depending on the production method, this polycrystal is composed of granular crystals (granular crystals) with a particle size of several hundreds of nanometers, or a width of several hundreds of nanometers and one elongated crystal grain in the film thickness direction. A certain columnar crystal is gathered together.
ところで、インクジェットヘッドの出力は、圧電素子の電圧×圧電性で決まるため、出力を大きくする(液滴速度を速くする、より高粘度のインクを射出する)には、圧電素子の駆動電圧を上げるか、圧電性を高くすることが必要となる。しかし、複数の結晶の集合体からなる多結晶膜の圧電体(圧電薄膜)は、上部電極と下部電極との間にリーク電流が生じやすく、耐電圧性が低いため、印加できる駆動電圧に制限がある。このため、出力を上げるには、圧電性を上げる必要がある。 By the way, since the output of the ink jet head is determined by the voltage of the piezoelectric element × piezoelectricity, the drive voltage of the piezoelectric element is increased in order to increase the output (increase the droplet velocity or eject a higher viscosity ink). Or it is necessary to increase the piezoelectricity. However, a polycrystalline film piezoelectric body (piezoelectric thin film) made up of a plurality of crystals tends to generate a leakage current between the upper electrode and the lower electrode, and has a low voltage resistance. There is. For this reason, in order to increase the output, it is necessary to increase the piezoelectricity.
圧電薄膜の圧電性を上げる方法としては、従来幾つか提案されている。例えば、成膜条件を最適化し、スパッタ膜の結晶性を上げることによって圧電性を上げる方法や、ニオブあるいはランタン等を添加したPZTをスパッタ形成することで、圧電性を上げる方法がある。しかし、これらの方法は、いずれも、プロセス条件がシビアで、成膜安定性が損なわれる傾向にある。 Several methods have been proposed for increasing the piezoelectricity of a piezoelectric thin film. For example, there are a method of increasing the piezoelectricity by optimizing the film formation conditions and increasing the crystallinity of the sputtered film, and a method of increasing the piezoelectricity by sputtering PZT added with niobium or lanthanum. However, any of these methods has severe process conditions and tends to deteriorate film formation stability.
一方、例えば特許文献1では、圧力室が形成された基板上に、振動板および圧電素子を形成した構成において、振動板の、圧力室に相対向する領域の圧電素子の幅方向両側に屈曲部を設けるようにしている。これにより、圧電素子を駆動して撓み変形させた際に、圧電素子の変位に対して振動板が抗する力を小さくして、圧電素子の変位量を大きくしている。
On the other hand, in
ところが、特許文献1のように振動板に屈曲部を設ける場合、振動板を屈曲させるための加工が複雑であり(プロセス多)、高コストとなるばかりか、歩留りおよび信頼性が低下する。しかも、振動板を均一に加工するのは困難である。したがって、特許文献1の構成では、圧電素子の圧電性を容易に向上させることができない。
However, when the bending portion is provided on the diaphragm as in
また、図22に示すように、同一のウェハ100に複数の圧電素子を一括して形成し、ウェア100の外周近傍の領域から、複数の圧電素子を支持する基板101を切り出し、ウェハ100の中心付近から、複数の圧電素子を支持する基板102を切り出した場合、一般的に、基板101では圧電性が相対的に高く、基板102では圧電性が相対的に低い傾向にある。これは、真空成膜で圧電薄膜を成膜する場合、ウェハ100の中心よりも外周側に近いほど、結晶が良好に成長しやすく、結晶性の面内ムラが生じているためと考えられる。この場合、1つのヘッドに基板101と基板102とを用いると、ヘッドの位置(基板101・102の位置)によって圧電性が異なるため、インクの吐出ムラが生じ、画質の良好な画像を記録媒体上に形成することができなくなる。また、ウェハ100から切り出される単一の基板103内で圧電性にムラ(バラツキ)が生じている場合は、その基板103においてインクの吐出ムラが生じる。
Further, as shown in FIG. 22, a plurality of piezoelectric elements are collectively formed on the
したがって、複数の圧電素子を支持する基板を備えたインクジェットヘッドでは、インクの吐出ムラを抑えるべく、圧電性の調整を簡単な構成で実現して、異なる基板間または同一基板内での圧電性のバラツキを容易に低減できるようにすることが望まれる。 Therefore, in an inkjet head having a substrate that supports a plurality of piezoelectric elements, the piezoelectricity can be adjusted with a simple configuration in order to suppress ink discharge unevenness, and the piezoelectricity between different substrates or within the same substrate can be reduced. It is desirable to make it possible to easily reduce variations.
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、複数の圧電素子を支持する基板を備えた構成において、圧電性の調整を簡単な構成で実現することができ、これによって、異なる基板間または同一基板内での圧電性のバラツキを容易に低減することができるインクジェットヘッドと、それを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。 The present invention has been made in order to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to realize adjustment of piezoelectricity with a simple configuration in a configuration including a substrate that supports a plurality of piezoelectric elements. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an ink jet head that can easily reduce piezoelectric variations between different substrates or within the same substrate, and an ink jet printer including the ink jet head.
本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、複数の圧電素子と、前記複数の圧電素子を支持する支持基板とを備えたインクジェットヘッドであって、前記支持基板は、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を含み、前記湾曲基板は、前記複数の圧電素子が並んで配置される一方向の基板全体において、前記複数の圧電素子の配置側に凸または凹となる湾曲形状が1個のみ形成されるように撓んでいる。 An ink jet head according to an aspect of the present invention is an ink jet head including a plurality of piezoelectric elements and a support substrate that supports the plurality of piezoelectric elements, and the support substrate is bent at least partially. The curved substrate includes only one curved shape that is convex or concave on the arrangement side of the plurality of piezoelectric elements in the whole substrate in one direction in which the plurality of piezoelectric elements are arranged side by side. Is bent.
上記の構成によれば、湾曲基板において、複数の圧電素子側に凸となる湾曲形状(凸形状)が形成されていると、圧電素子を駆動したときに、圧電素子の水平方向の伸縮による垂直方向の変位(特に湾曲基板に対して圧電素子とは反対側への変位)がしにくくなる。このため、上記湾曲形状が形成された部分(例えば一方向における基板全体またはその一部)では、支持基板が平板状の場合に比べて、圧電素子の圧電性が低下する。一方、湾曲基板において、複数の圧電素子側に凹となる湾曲形状(凹形状)が形成されていると、圧電素子を駆動したときに、圧電素子の、湾曲基板に対して圧電素子とは反対側への変位がしやすくなる。このため、上記湾曲形状が形成された部分では、支持基板が平板状の場合に比べて、圧電素子の圧電性が向上する。また、複数の圧電素子が並ぶ一方向において、上記湾曲形状が1個のみ形成されるような湾曲基板は、例えば曲面部を有する保持板への基板の貼り付けや、保持板と基板とで線膨張係数を異ならせて温度変化を与えることによって、容易に得ることができる。 According to the above configuration, if the curved substrate has a curved shape (convex shape) that protrudes toward the plurality of piezoelectric elements, when the piezoelectric elements are driven, the piezoelectric elements are vertically expanded due to horizontal expansion and contraction. Directional displacement (particularly displacement to the opposite side of the piezoelectric element with respect to the curved substrate) is difficult to occur. For this reason, in the portion where the curved shape is formed (for example, the whole substrate in one direction or a part thereof), the piezoelectricity of the piezoelectric element is lower than when the support substrate is flat. On the other hand, when a curved shape (concave shape) that is concave on the side of a plurality of piezoelectric elements is formed on the curved substrate, when the piezoelectric element is driven, the piezoelectric element is opposite to the piezoelectric element with respect to the curved substrate. Displacement to the side is easy. For this reason, in the part in which the said curved shape was formed, the piezoelectricity of a piezoelectric element improves compared with the case where a support substrate is flat form. In addition, a curved substrate in which only one curved shape is formed in one direction in which a plurality of piezoelectric elements are arranged is, for example, the attachment of a substrate to a holding plate having a curved surface portion or a line between the holding plate and the substrate. It can be easily obtained by changing the expansion coefficient to give a temperature change.
したがって、複数の圧電素子を支持する支持基板として、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を用いるという簡単な構成で、湾曲基板の全体または一部において圧電性を調整することができる。その結果、異なる支持基板間または同一の支持基板(湾曲基板)内での圧電性のバラツキを容易に低減することができる。 Therefore, the piezoelectricity can be adjusted in the whole or a part of the curved substrate with a simple configuration in which a curved substrate in which at least a part is bent is used as the support substrate for supporting the plurality of piezoelectric elements. As a result, variations in piezoelectricity between different support substrates or within the same support substrate (curved substrate) can be easily reduced.
前記湾曲基板は、前記一方向の基板全体で1つの前記湾曲形状が形成されるように撓んでいてもよい。この場合、湾曲基板の基板全体で圧電性を調整して、異なる支持基板間での圧電性のバラツキを低減することができる。 The curved substrate may be bent so that one curved shape is formed on the entire substrate in the one direction. In this case, the piezoelectricity can be adjusted over the entire substrate of the curved substrate to reduce the variation in piezoelectricity between different support substrates.
前記湾曲基板は、前記一方向の一部において1つの前記湾曲形状が形成され、残りが平板状となるように撓んでいてもよい。この場合、湾曲基板の一部において、圧電素子の圧電性を調整して、同一の湾曲基板内での圧電性のバラツキを低減することができる。 The curved substrate may be bent so that one curved shape is formed in a part of the one direction and the rest is a flat plate shape. In this case, the piezoelectricity of the piezoelectric element can be adjusted in a part of the curved substrate to reduce the variation in piezoelectricity within the same curved substrate.
前記湾曲基板の前記湾曲形状の曲率半径は、絶対値で150mm以上1000mm以下であってもよい。曲率半径の絶対値が下限を下回ると、湾曲基板が湾曲しすぎて破損する(割れる)おそれがある。一方、曲率半径の絶対値が上限を上回ると、湾曲基板の湾曲度合いが小さすぎて、圧電性の調整幅が小さくなる(圧電性を大きく上げたり、下げたりすることができなくなる)。したがって、上記曲率半径を上記範囲とすることにより、湾曲基板の破損を回避しながら、圧電性のバラツキの低減効果を確実に得ることができる。 The curvature radius of the curved shape of the curved substrate may be 150 mm or greater and 1000 mm or less in absolute value. If the absolute value of the radius of curvature is below the lower limit, the curved substrate may be bent too much and be broken (cracked). On the other hand, if the absolute value of the radius of curvature exceeds the upper limit, the degree of curvature of the curved substrate is too small and the piezoelectric adjustment range becomes small (the piezoelectricity cannot be increased or decreased greatly). Therefore, by setting the radius of curvature within the above range, it is possible to reliably obtain an effect of reducing piezoelectric variation while avoiding damage to the curved substrate.
前記湾曲基板の前記湾曲形状は、前記複数の圧電素子の配置側に凹となる形状であってもよい。この場合は、上述したように、圧電素子の圧電性が向上するため、ヘッドの出力(インク吐出量)を上げることができる。 The curved shape of the curved substrate may be a concave shape on the arrangement side of the plurality of piezoelectric elements. In this case, as described above, the piezoelectricity of the piezoelectric element is improved, so that the output (ink discharge amount) of the head can be increased.
上記のインクジェットヘッドは、前記支持基板を複数備え、前記複数の支持基板間での前記圧電素子の圧電性のバラツキが所定の範囲内に収まるように、前記複数の支持基板に含まれる前記湾曲基板の前記湾曲形状の曲率が設定されていてもよい。ヘッドが複数の支持基板を備えた構成であっても、複数の支持基板間での圧電性のバラツキが低減されるため、ヘッドの出力を均一にすることができる。 The inkjet head includes a plurality of the support substrates, and the curved substrate included in the plurality of support substrates so that variations in piezoelectricity of the piezoelectric elements between the plurality of support substrates are within a predetermined range. The curvature of the curved shape may be set. Even if the head includes a plurality of support substrates, variations in piezoelectricity among the plurality of support substrates are reduced, so that the output of the head can be made uniform.
上記のインクジェットヘッドは、曲面部を有し、前記支持基板を保持する保持板をさらに備えており、前記湾曲基板は、前記支持基板の少なくとも一部を前記曲面部に沿って湾曲させることによって形成されていてもよい。曲面部を有する保持板を用いることにより、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を容易に実現することができる。 The ink jet head further includes a holding plate that has a curved portion and holds the support substrate, and the curved substrate is formed by bending at least a part of the support substrate along the curved portion. May be. By using a holding plate having a curved surface portion, a curved substrate having at least a part thereof can be easily realized.
前記保持板は、前記支持基板に対して前記複数の圧電素子側に位置し、前記複数の圧電素子の形成領域の外側で前記湾曲基板を保持していてもよい。この構成では、湾曲基板の複数の圧電素子が保持板(曲面部)と干渉することなく、湾曲基板を保持部にて保持することができる。 The holding plate may be positioned on the side of the plurality of piezoelectric elements with respect to the support substrate, and may hold the curved substrate outside a formation region of the plurality of piezoelectric elements. In this configuration, the curved substrate can be held by the holding portion without the plurality of piezoelectric elements of the curved substrate interfering with the holding plate (curved surface portion).
上記のインクジェットヘッドは、前記支持基板に対して前記複数の圧電素子とは反対側に位置して、前記支持基板を保持する保持板をさらに備え、前記保持板は、前記支持基板と線膨張係数の異なる材料で形成されていてもよい。保持板と支持基板とで線膨張係数が異なっているため、温度変化による保持板との収縮度合いの違いによって、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を容易に実現することができる。 The inkjet head further includes a holding plate that is located on the opposite side of the support substrate from the plurality of piezoelectric elements and holds the support substrate, and the holding plate has a linear expansion coefficient with the support substrate. May be made of different materials. Since the linear expansion coefficient is different between the holding plate and the support substrate, a curved substrate that is at least partially bent can be easily realized by the difference in the degree of contraction from the holding plate due to temperature change.
前記支持基板は、前記保持板を介して、インク吐出孔を有するノズル基板と貼り合わされていてもよい。支持基板(湾曲基板)とノズル基板とを、中間プレートを介して貼り合わせる構成において、中間プレートとして上記の保持板を用いることで、湾曲基板を実現することができる。 The support substrate may be bonded to a nozzle substrate having ink ejection holes via the holding plate. In the configuration in which the support substrate (curved substrate) and the nozzle substrate are bonded together via the intermediate plate, the curved substrate can be realized by using the holding plate as the intermediate plate.
上記のインクジェットヘッドは、前記支持基板に対して前記複数の圧電素子側に位置し、前記支持基板を保持する保持板をさらに備え、前記保持板は、前記支持基板と線膨張係数の異なる材料で形成されていてもよい。保持板と支持基板とで線膨張係数が異なっているため、温度変化による保持板との収縮度合いの違いによって、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を容易に実現することができる。 The inkjet head further includes a holding plate that is positioned on the side of the plurality of piezoelectric elements with respect to the support substrate and holds the support substrate, and the holding plate is made of a material having a linear expansion coefficient different from that of the support substrate. It may be formed. Since the linear expansion coefficient is different between the holding plate and the support substrate, a curved substrate that is at least partially bent can be easily realized by the difference in the degree of contraction from the holding plate due to temperature change.
前記支持基板は、前記複数の圧電素子の形成位置に対応して形成され、インクを収容する圧力室と、前記複数の圧電素子の駆動によって振動することにより、前記圧力室内のインクに圧力を付与する振動板とを有していてもよい。このように、圧電素子の駆動によって振動板を変位(振動)させて圧力室内のインクに圧力を付与する構成において、上述の効果を得ることができる。 The support substrate is formed corresponding to the formation positions of the plurality of piezoelectric elements, and applies pressure to the ink in the pressure chambers by vibrating by driving the plurality of piezoelectric elements and a pressure chamber containing the ink. You may have a diaphragm to do. As described above, in the configuration in which the pressure is applied to the ink in the pressure chamber by displacing (vibrating) the vibration plate by driving the piezoelectric element, the above-described effects can be obtained.
本発明の他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させてもよい。上述したインクジェットヘッドの構成によれば、異なる支持基板間での圧電性のバラツキや、同一の湾曲基板内での圧電性のバラツキを容易に低減することができるので、ヘッドにおけるインクの吐出ムラを容易に抑えることができる。これにより、インクジェットプリンタにおいては、インクの吐出ムラに起因する画質の低下を容易に抑えることができる。 An ink jet printer according to another aspect of the present invention may include the above-described ink jet head and eject ink from the ink jet head toward a recording medium. According to the configuration of the ink jet head described above, it is possible to easily reduce piezoelectric variation between different support substrates and piezoelectric variation within the same curved substrate. It can be easily suppressed. Thereby, in the ink jet printer, it is possible to easily suppress the deterioration of the image quality due to the uneven ejection of ink.
支持基板として、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を用いるという簡単な構成で、圧電素子の圧電性を、湾曲基板の全体または一部について容易に調整することができる。その結果、異なる支持基板間または同一の湾曲基板内での圧電性のバラツキを容易に低減することができる。 The piezoelectricity of the piezoelectric element can be easily adjusted for the whole or a part of the curved substrate with a simple configuration in which a curved substrate having at least a part thereof is used as the support substrate. As a result, it is possible to easily reduce piezoelectric variation between different support substrates or within the same curved substrate.
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。なお、本明細書において、数値範囲をA〜Bと表記した場合、その数値範囲に下限Aおよび上限Bの値は含まれるものとする。 An embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the present specification, when the numerical range is expressed as A to B, the numerical value range includes the values of the lower limit A and the upper limit B.
〔インクジェットプリンタの構成〕
図1は、本実施形態のインクジェットプリンタ1の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ1は、インクジェットヘッド部2において、インクジェットヘッド21が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。
[Configuration of inkjet printer]
FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating a schematic configuration of an
インクジェットプリンタ1は、上記のインクジェットヘッド部2と、繰り出しロール3と、巻き取りロール4と、2つのバックロール5・5と、中間タンク6と、送液ポンプ7と、貯留タンク8と、定着機構9とを備えている。
The
インクジェットヘッド部2は、インクジェットヘッド21から記録媒体Pに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成(描画)を行うものであり、一方のバックロール5の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド21の詳細については後述する。
The ink jet head unit 2 ejects ink from the
繰り出しロール3、巻き取りロール4および各バックロール5は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール3は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Pを、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール3は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Pを図1のX方向へ繰り出して搬送する。
The
巻き取りロール4は、繰り出しロール3より繰り出されて、インクジェットヘッド部2によってインクが吐出された記録媒体Pを周面に巻き取る。
The take-up roll 4 is taken out from the take-
各バックロール5は、繰り出しロール3と巻き取りロール4との間に配設されている。記録媒体Pの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール5は、繰り出しロール3によって繰り出された記録媒体Pを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部2との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール5は、インクジェットヘッド部2との対向位置から巻き取りロール4に向けて、記録媒体Pを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。
Each
中間タンク6は、貯留タンク8より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク6は、複数のインクチューブ10と接続され、各インクジェットヘッド21におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド21にインクを供給する。
The intermediate tank 6 temporarily stores the ink supplied from the storage tank 8. The intermediate tank 6 is connected to a plurality of
送液ポンプ7は、貯留タンク8に貯留されたインクを中間タンク6に供給するものであり、供給管11の途中に配設されている。貯留タンク8に貯留されたインクは、送液ポンプ7によって汲み上げられ、供給管11を介して中間タンク6に供給される。 The liquid feed pump 7 supplies the ink stored in the storage tank 8 to the intermediate tank 6 and is disposed in the middle of the supply pipe 11. The ink stored in the storage tank 8 is pumped up by the liquid feed pump 7 and supplied to the intermediate tank 6 through the supply pipe 11.
定着機構9は、インクジェットヘッド部2によって記録媒体Pに吐出されたインクを当該記録媒体Pに定着させる。この定着機構9は、吐出されたインクを記録媒体Pに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにUV(紫外線)を照射することによりインクを硬化させるためのUVランプ等で構成されている。 The fixing mechanism 9 fixes the ink ejected to the recording medium P by the inkjet head unit 2 on the recording medium P. The fixing mechanism 9 includes a heater for heat-fixing the discharged ink on the recording medium P, a UV lamp for curing the ink by irradiating the discharged ink with UV (ultraviolet light), and the like. Yes.
上記の構成において、繰り出しロール3から繰り出される記録媒体Pは、バックロール5により、インクジェットヘッド部2との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部2から記録媒体Pに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Pに吐出されたインクは定着機構9によって定着され、インク定着後の記録媒体Pが巻き取りロール4によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ1では、インクジェットヘッド部2を静止させた状態で、記録媒体Pを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Pに画像が形成される。
In the above configuration, the recording medium P fed from the feeding
なお、インクジェットプリンタ1は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。
The
〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド21の構成について説明する。図2は、インクジェットヘッド21のアクチュエータ21a(圧電アクチュエータ)の概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるA−A’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図3は、図2のアクチュエータ21aにノズル基板31を接合してなるインクジェットヘッド21の構成を示す断面図である。
[Configuration of inkjet head]
Next, the configuration of the
インクジェットヘッド21は、複数の圧力室22a(開口部)を有する基板22上に、熱酸化膜23、下部電極24、圧電薄膜25、上部電極26をこの順で有している。
The
基板22は、厚さが例えば100〜300μm程度の単結晶Si(シリコン)単体からなる半導体基板またはSOI(Silicon on Insulator)基板で構成されている。この基板22は、例えば厚さが300〜750μm程度の基板を準備し、その基板上に後述のようにPZTの層を成膜した後、研磨処理等により100〜300μmの厚みにしたものである。なお、図2では、基板22をSOI基板で構成した場合を示している。SOI基板は、酸化膜を介して2枚のSi基板を接合したものである。基板22における圧力室22aの上壁(圧力室22aよりも圧電薄膜25の形成側に位置する壁)は、従動膜となる振動板22bを構成しており、圧電薄膜25の駆動(伸縮)に伴って変位(振動)し、圧力室22a内のインクに圧力を付与する。なお、基板22は、後述する複数の圧電素子27を支持する支持基板を構成している。また、基板22において、圧力室22aは、複数の圧電素子27の形成位置に対応して形成されている。
The
熱酸化膜23は、例えば厚さが0.1μm程度のSiO2(酸化シリコン)からなり、基板22の保護および絶縁の目的で形成されている。
The
下部電極24は、複数の圧力室22aに共通して設けられるコモン電極であり、Ti(チタン)層とPt(白金)層とを積層して構成されている。Ti層は、熱酸化膜23とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1μm程度である。
The
圧電薄膜25は、例えばPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる強誘電体薄膜で構成されており、各圧力室22aに対応して設けられている。圧電薄膜25の膜厚は、例えば1μm以上10μm以下である。
The piezoelectric
上部電極26は、各圧力室22aに対応して設けられる個別電極であり、Ti層とPt層とを積層して構成されている。Ti層は、圧電薄膜25とPt層との密着性を向上させるために形成されている。Ti層の厚さは例えば0.02μm程度であり、Pt層の厚さは例えば0.1〜0.2μm程度である。上部電極26は、下部電極24との間で圧電薄膜25を膜厚方向から挟むように設けられている。なお、Pt層の代わりに、金(Au)からなる層を形成してもよい。
The
下部電極24、圧電薄膜25および上部電極26は、圧力室22a内のインクを外部に吐出させるための薄膜の圧電素子27を構成している。この圧電素子27は、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に印加される電圧(駆動信号)に基づいて駆動される。インクジェットヘッド21は、圧電素子27および圧力室22aを縦横に並べることにより形成される。なお、本実施形態において、圧電素子27とは、特に、下部電極24、圧電薄膜25および上部電極26において、各圧力室22aに対応して(各圧力室22aの上方に)位置する部分を指す。
The
圧力室22aの振動板22bとは反対側には、ノズル基板31が接合されている。ノズル基板31には、圧力室22aに収容されるインクをインク滴として外部に吐出するためのインク吐出孔(ノズル孔)31aが形成されている。圧力室22aには、中間タンク6より供給されるインクが収容される。
A
上記の構成において、駆動回路28から下部電極24および上部電極26に電圧を印加すると、圧電薄膜25が、下部電極24と上部電極26との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向(基板22の面に平行な方向)に伸縮する。そして、圧電薄膜25と振動板22bとの長さの違いにより、振動板22bに曲率が生じ、振動板22bが厚さ方向に変位(湾曲、振動)する。
In the above configuration, when a voltage is applied from the
したがって、圧力室22a内にインクを収容しておけば、上述した振動板22bの振動により、圧力室22a内のインクに圧力波が伝搬され、圧力室22a内のインクがインク吐出孔31aからインク滴として外部に吐出される。
Therefore, if ink is stored in the
〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド21の製造方法について以下に説明する。図4は、インクジェットヘッド21の製造工程を示す断面図である。なお、インクジェットヘッド21の製造においては、1つの基板22に複数の圧電素子27および圧力室22aが形成されるが、ここでは、1つの圧電素子27および圧力室22aを形成する場合を代表的に示している。
[Inkjet head manufacturing method]
Next, the manufacturing method of the
まず、1枚のウェハ形状の基板22を用意する。基板22としては、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)に多く利用されている結晶シリコン(Si)を用いることができ、ここでは、酸化膜22eを介して2枚のSi基板22c・22dが接合されたSOI構造のものを用いている。続いて、基板22を加熱炉に入れ、1500℃程度に所定時間保持して、Si基板22c・22dの表面にSiO2からなる熱酸化膜23a・23bをそれぞれ形成する。
First, a single wafer-shaped
次に、一方の熱酸化膜23a上に、TiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極24を形成する。続いて、下部電極24上に、PZTなどのペロブスカイト型構造を有する圧電薄膜25を成膜する。より具体的には、基板22を600℃程度に再加熱し、変位膜となるPZTの層25aをスパッタ法で成膜する。次に、層25aの上に感光性樹脂35をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂35の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜25の形状を転写する。その後、感光性樹脂35をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層25aの形状を加工し、圧電薄膜25とする。
Next, Ti and Pt layers are sequentially formed on one
次に、圧電薄膜25を覆うように、下部電極24上に、TiおよびPtの各層をスパッタ法で順に成膜し、層26aを形成する。続いて、層26a上に感光性樹脂36をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂36の不要な部分を除去し、形成する上部電極26の形状を転写する。その後、感光性樹脂36をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層26aの形状を加工し、上部電極26を形成する。
Next, Ti and Pt layers are sequentially formed on the
次に、基板22の裏面(熱酸化膜23b側)に感光性樹脂37をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂37の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室22aの形状を転写する。そして、感光性樹脂37をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板22の除去加工を行い、圧力室22aを形成してアクチュエータ21aとする。
Next, a
その後、ウェハ形状の基板22から所定形状の大きさのものを切り出し(以下、切り出したものを基板22とする)、アクチュエータ21aの基板22と、インク吐出孔31aを有するノズル基板31とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド21が完成する。なお、インク吐出孔31aに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜23bを除去して、基板22と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板31とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに3者(基板22、中間ガラス、ノズル基板31)を接合することができる。
Thereafter, a wafer having a predetermined size is cut out from the wafer-shaped substrate 22 (hereinafter, the cut-out substrate is referred to as the substrate 22), and the
〔基板について〕
次に、インクジェットヘッド21の基板22の詳細について説明する。図5は、基板22として用いられる湾曲基板41の一構成例を示す断面図である。本実施形態では、基板22として、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板41を用い、この湾曲基板41によって、複数(例えば3つ)の圧電素子27が支持されている。なお、湾曲基板41を撓ませる方法については後述する。図5で示す白抜き矢印の長さは、湾曲基板41を用いた場合の各圧電素子27の厚さ方向の変位量に対応している(以降の図面でも同様とする)。
[About the board]
Next, details of the
湾曲基板41は、複数の圧電素子27の配置側に凸となる湾曲形状(この場合は凸形状)が、複数の圧電素子27が並んで配置される一方向(図5で左右方向)の基板全体において、1個のみ形成されるように撓んでいる。特に、図5の構成では、湾曲基板41は、上記一方向の基板全体にわたって凸形状が1個のみ形成されるように撓んでいる。したがって、湾曲基板41の上記一方向においては、凸形状から凹形状に変化する変曲点は存在せず、湾曲基板41のどの位置でも(各圧電素子27を支持する位置でも、各圧電素子27の間の位置でも)凸形状となっている。なお、上記の一方向は、平面視で矩形の基板22の長辺方向に対応する。
The
圧電素子27を電圧印加によって駆動すると、圧電素子27は、水平方向(厚さ方向に垂直な方向)の伸縮によって、垂直方向(特に湾曲基板41に対して圧電素子27とは反対側)に変位する。湾曲基板41が複数の圧電素子27側に凸形状である場合、湾曲基板41の初期の湾曲方向(圧電素子27側への突出方向)は、厚さ方向において圧電素子27が変位する方向(インク吐出方向)と逆であるため、圧電素子27は、厚さ方向に変位しにくくなる。このため、基板22が平板状の場合に比べて、圧電素子27の圧電性が低下する(駆動電圧を一定としたときの変位量が低下する)。
When the
1つのウェハに複数の圧電素子を一括形成する場合、ウェハ面内において、圧電素子の圧電性に面内分布が生じ、ウェハ外周側で圧電性が高く、ウェハ中心側で圧電性が低い傾向があることは前述の通りである。しかし、図6に示すように、ウェハから圧電性の相対的に高い基板51と、圧電性の相対的に低い基板52とを切り出してインクジェットヘッド21を構成する場合でも、平板状の基板52をそのまま用い、基板51を、複数の圧電素子27側に凸形状となるように湾曲させて湾曲基板41とすることにより、湾曲基板41における各圧電素子27の圧電性の低下によって、両基板51・52の圧電性を互いに近づけることができる。
When a plurality of piezoelectric elements are collectively formed on one wafer, in-plane distribution occurs in the piezoelectricity of the piezoelectric elements within the wafer surface, and the piezoelectricity tends to be high on the outer peripheral side of the wafer and low on the central side of the wafer. It is as described above. However, as shown in FIG. 6, even when the
一方、図7は、湾曲基板41の他の構成例を示す断面図である。湾曲基板41は、複数の圧電素子27の配置側に凹となる湾曲形状(この場合は凹形状)が、複数の圧電素子27が並んで配置される一方向(図7で左右方向)において1個のみ形成されるように撓んでいてもよい。特に、図7の構成では、湾曲基板41は、上記一方向の基板全体にわたって凹形状が1個のみ形成されるように撓んでいる。したがって、湾曲基板41の上記一方向においては、凹形状から凸形状に変化する変曲点は存在せず、湾曲基板41のどの位置でも(各圧電素子27を支持する位置でも、各圧電素子27の間の位置でも)凹形状となっている。
On the other hand, FIG. 7 is a cross-sectional view showing another configuration example of the
湾曲基板41が複数の圧電素子27側に凹形状である場合、湾曲基板41の初期の湾曲方向(圧電素子27とは反対側への突出方向)は、厚さ方向において圧電素子27が変位する方向と同じ方向であるため、圧電素子27は、電圧印加による駆動時に厚さ方向に変位しやすくなる。このため、基板22が平板状の場合に比べて、圧電素子27の圧電性が向上する(駆動電圧を一定としたときの変位量が増大する)。
When the
したがって、図8に示すように、1つのウェハから圧電性の相対的に低い基板53と、圧電性の相対的に高い基板54とを切り出してインクジェットヘッド21を構成する場合でも、平板状の基板54をそのまま用い、基板53を、複数の圧電素子27側に凹形状となるように湾曲させて湾曲基板41とすることにより、湾曲基板41における圧電素子27の圧電性の向上によって、両基板53・54の圧電性を互いに近づけることができる。また、基板53を、複数の圧電素子27側に凹形状となるように湾曲させて圧電性を向上させ、基板54を、複数の圧電素子27側に凸形状となるように湾曲させて圧電性を低下させることにより、両基板53・54の圧電性を互いに近づけることもできる。
Therefore, as shown in FIG. 8, even when the
このように、複数の圧電素子27を支持する基板22として湾曲基板41を用いるという簡単な構成で、圧電素子27の圧電性を向上させたり、低下させたりすることができ、圧電素子27の出力(変位量)を所望の大きさに設定することができる。したがって、複数の基板22を用いてインクジェットヘッド21を構成する場合でも、少なくとも1つの基板22について圧電性を調整して、異なる基板22間での圧電性のバラツキを容易に低減することが可能となる。その結果、インクジェットヘッド21におけるインクの吐出ムラを容易に抑えることができ、インクジェットプリンタ1においては、インクの吐出ムラに起因する画質の低下を抑えた、良好な画像を記録媒体上に形成することができる。
Thus, with the simple configuration of using the
特に、図5および図7のように、湾曲基板41が、複数の圧電素子27の配置方向(上記一方向)の基板全体で1つの湾曲形状(凸形状または凹形状)が形成されるように撓んでいることにより、湾曲基板41の全体で圧電素子27の圧電性を低下または向上させて、異なる基板間での圧電性のバラツキを低減することができる。
In particular, as shown in FIGS. 5 and 7, the
また、図7のように、湾曲基板41の湾曲形状が、複数の圧電素子27の配置側に凹となる凹形状であることで、湾曲基板41における圧電素子27の圧電性が向上するため、この湾曲基板41を備えたインクジェットヘッド21では、出力(インク吐出量)を上げる方向に調整することができる。
Further, as shown in FIG. 7, since the curved shape of the
また、従来は、インクジェットヘッドに圧電素子を適用する場合、インクジェットヘッドの異なる基板間での圧電性のバラツキを許容範囲内に収めるため、1つの基板のサイズが制限されていた。これに対して、本実施形態のように、湾曲基板41を用いることにより、異なる基板間での圧電性のバラツキを低減することができるため、従来よりも基板サイズを大きくしてインクジェットヘッドを構成することもできる。
Conventionally, when a piezoelectric element is applied to an inkjet head, the size of one substrate is limited in order to keep the piezoelectric variation between different substrates of the inkjet head within an allowable range. On the other hand, since the variation in piezoelectricity between different substrates can be reduced by using the
〔湾曲基板の曲率半径と圧電性との関係について〕
図9は、湾曲基板41の曲率半径と圧電性との関係を示している。図9の横軸の曲率半径は、湾曲基板41が圧電素子27に対して凹形状となる場合を正としており、後述する保持板60(図12参照)の曲面部62に湾曲基板41が貼り付けられているときの曲面部62の曲率半径の値で示している。また、縦軸の圧電性は、湾曲していないフラットな基板に形成された圧電素子の駆動時(印加電圧は一定とする)における厚さ方向の変位量をレーザードップラー装置によって測定してこれを基準値とし、湾曲基板41に形成された圧電素子の変位量の上記基準値に対する相対値で示している。
[Relationship between radius of curvature and piezoelectricity of curved substrate]
FIG. 9 shows the relationship between the curvature radius of the
同図に示すように、湾曲基板41の曲率半径が小さければ小さいほど、圧電性が向上することがわかるが、曲率半径が150mm未満であると、湾曲基板41が湾曲しすぎて破損する(割れる)おそれがある。一方、曲率半径が1000mmを超えると、湾曲基板41の湾曲度合いが小さすぎて、圧電性の調整幅が小さくなる(圧電性を大きく上げることができなくなる)。つまり、圧電性がほとんど1に近くなって、基板がフラットの場合とあまり変わらなくなり、圧電性を向上させる効果が小さくなる。
As shown in the figure, it can be seen that the smaller the radius of curvature of the
なお、湾曲基板41の曲率半径が負の値のとき、つまり、湾曲基板41が圧電素子27に対して凸形状となる場合は、曲率半径の絶対値が大きくなる方向が、圧電性を低下させる方向となるが、この場合でも上記と同様に考えることができる(曲率半径の絶対値が1000mmを超えると、湾曲基板41が平板状に近づくため、圧電性を大きく低下させることができなくなる)。
When the curvature radius of the
したがって、湾曲基板41の湾曲形状の曲率半径の絶対値を150mm以上1000mm以下とすることにより、湾曲基板41の破損を回避しながら、圧電性のバラツキの低減効果を確実に得ることができる。
Therefore, by setting the absolute value of the radius of curvature of the curved shape of the
なお、図9より、湾曲基板41の湾曲形状の曲率半径を1000mmに設定すると、圧電性は約5%変動する。つまり、基板がフラットのときの圧電性を1として、湾曲形状が凹形状の場合、圧電性は1.05となり、凸形状の場合、圧電性は0.95となる。一方、湾曲形状の曲率半径を150mmに設定すると、圧電性は約20%変動する。つまり、湾曲形状が凹形状の場合、圧電性は1.20となり、凸形状の場合、圧電性は0.8となる。
From FIG. 9, when the curvature radius of the curved shape of the
また、インクジェットヘッド21が複数の基板22を有する場合、複数の基板22間での圧電素子27の圧電性のバラツキが所定の範囲内に収まるように、複数の基板22に含まれる湾曲基板41の湾曲形状の曲率(=1/曲率半径)が設定されていてもよい。上記所定の範囲としては、例えば、各基板22の圧電性の平均値に対して±10%の範囲を考えることができる。なお、複数の基板22は、全てが湾曲基板41であってもよいし、一部のみが湾曲基板41であってもよい(残りは平板状の基板であってもよい)。
Further, when the
上記のように、湾曲基板41の曲率の設定によって、複数の基板22間での圧電性のバラツキが所定の範囲内に収まり、バラツキが低減されるため、インクジェットヘッド21の出力をヘッド全体にわたってほぼ均一にすることができる。
As described above, by setting the curvature of the
〔湾曲基板の他の構成〕
図10は、湾曲基板41のさらに他の構成例を示す断面図である。同図に示すように、湾曲基板41は、複数の圧電素子27が並んで配置される一方向の一部において、圧電素子27側に凸となる1個の湾曲形状(凸形状)が形成され、残りが平板状となるように撓んでいてもよい。なお、この場合、湾曲基板41において、湾曲部分における圧電素子27側の表面と、平板部分における圧電素子27側の表面とは、それぞれ曲面と平面とで構成されるが、上記平面は上記曲面の接平面で構成されて、上記曲面と連続する面となっている。
[Other configurations of curved substrate]
FIG. 10 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the
例えば、1つのウェハから基板22を切り出すときに、切り出すウェハの領域によっては、同じ基板22内で圧電性の面内分布が生じる場合がある。図10のように、一部の圧電素子27の圧電性が他の圧電素子27よりも相対的に高く、他の圧電素子27については圧電性がほぼ均一であるとした場合、湾曲基板41において、圧電性の相対的に高い部分のみを圧電素子27側に凸形状とし、他は平板状のままとすることで、湾曲基板41の一部の湾曲部分においてのみ、圧電素子27の圧電性を低下させて、同一の湾曲基板41内での圧電性のバラツキを低減することができる。
For example, when the
また、図11は、湾曲基板41のさらに他の構成例を示す断面図である。同図に示すように、湾曲基板41は、上記一方向の一部において、圧電素子27側に凹となる1個の湾曲形状(凹形状)が形成され、残りが平板状となるように撓んでいてもよい。同じ基板22内で、一部の圧電素子27のみ圧電性が他の圧電素子27よりも相対的に低く、他の圧電素子27については圧電性がほぼ均一である場合、上記のように湾曲基板41において、圧電性の相対的に低い部分のみを圧電素子27側に凹形状とすることで、その湾曲部分においてのみ、圧電素子27の圧電性を向上させて、同一の湾曲基板41内での圧電性のバラツキを低減することができる。
FIG. 11 is a cross-sectional view showing still another configuration example of the
したがって、図10および図11の湾曲基板41を備えたインクジェットヘッド21およびインクジェットプリンタ1では、同一の湾曲基板41内での圧電性のバラツキによるインクの吐出ムラを抑えて、画質の低下を抑えることができる。
Therefore, in the
〔湾曲基板を撓ませる方法について〕
次に、上述した湾曲基板41を撓ませる方法について説明する。湾曲基板41を撓ませる方法としては、(1)基板を保持板の曲面に貼り付けて撓ませる方法、(2)基板と保持板との線膨張係数の差を利用して基板を撓ませる方法、の2通りがある。以下、順に説明する。
[About the method of bending the curved substrate]
Next, a method for bending the above-described
(基板を保持板の曲面に貼り付けて撓ませる方法)
図12は、複数の基板22を保持する保持板60の斜視図であり、図13は、保持板60の平面図である。保持板60は、略直方体形状の本体61を有している。本体61は、複数の基板22を保持すべく、剛性を有する材料で形成されていればよい。例えば、シリコン、ガラス、金属(例えばステンレス、アルミニウム)、樹脂などを材料として本体61を構成することができる。
(Method of attaching the substrate to the curved surface of the holding plate and bending it)
FIG. 12 is a perspective view of the holding
本体61の表面には、曲面部62と、平面部63とが並べて設けられている。曲面部62には、複数の基板22のうちの1つが貼り付けられ、平面部63には、他の基板22が貼り付けられる。曲面部62の曲率または曲率半径は、保持部60の表面をブラスト加工することによって容易に調整することができる。保持板60(本体61)と基板22とは、例えば接着剤を用いて貼り付けられる。
A
なお、保持板60に基板22を貼り付ける場合、厳密には、保持板60と基板22との間に、図3で示した熱酸化膜23および下部電極24(各圧力室22aに対応して圧電素子27を構成する部分以外)が存在する。したがって、「基板22を保持板60に貼り付ける」とは、上記の熱酸化膜23および下部電極24を介して、基板22を保持板60に貼り付ける場合も含むものとする。
When the
また、本体61には、厚さ方向(平板部63に垂直な方向)に貫通する平面視で長方形状の開口部61aが形成されている。本実施形態では、本体61に開口部61aが2つ形成されているが、保持する基板22の数に対応して形成されていればよい。開口部61aの開口面積は、基板22で支持されている複数の圧電素子27の形成領域(各圧電素子27を包含する領域)よりも大きく、基板22の外形よりも小さい。これにより、図14に示すように、複数の圧電素子27の形成領域の外側で各基板22を本体61(曲面部62および平面部63)に貼り付けることができ、しかも、本体61の1つの開口部61a内に、1つの基板22で支持された複数の圧電素子27をまとめて位置させることができる。したがって、複数の圧電素子27と保持板60(本体61)とを干渉させることなく、複数の基板22を保持板60にて保持することができる。
The
図15は、図14のB−B’線矢視断面図であり、図16は、図14のC−C’線矢視断面図である。複数の基板22を保持板60で保持する場合には、保持板60を基板22に対して複数の圧電素子27側に位置させ、接着剤等を用いて、保持板60の曲面部62および平面部63に各基板22を貼り付ける。曲面部62に基板22を貼り付けられることにより、基板22が曲面部62に沿って湾曲し、これによって基板全体が湾曲した湾曲基板41が得られる。一方、平面部63に貼り付けられる基板22は、平板状のままである。なお、1つの基板22を曲面部62と平面部63とにまたがって貼り付けることで、基板の一部のみを曲面部62に沿って湾曲させた湾曲基板41を得ることもできる。ただし、この場合は、湾曲基板41の複数の圧電素子27が本体61と干渉しないように、開口部61aの大きさを調整する必要がある。
15 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ in FIG. 14, and FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line C-C ′ in FIG. 14. When the plurality of
このように、湾曲基板41は、基板22の少なくとも一部を曲面部62に貼り付けて、曲面部62に沿って湾曲させることによって形成される。したがって、曲面部62を有する保持板60を用いることにより、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板41を容易に実現することができる。また、保持板60は、基板22に対して複数の圧電素子27側に位置し、複数の圧電素子27の形成領域の外側で湾曲基板41を保持しているので、湾曲基板41の複数の圧電素子27が保持板60と干渉することはない。
Thus, the
以上では、図15のように、曲面部62が基板22側に凸形状の保持板60を用いて、圧電素子27側に凹形状の湾曲基板41を得る例について説明したが、基板22側に凹形状の曲面部62を有する保持板60を用いてもよい。この場合は、曲面部62に基板22を貼り付けることで、圧電素子27側に凸形状の湾曲基板41を得ることができる。
As described above, as shown in FIG. 15, the example in which the
なお、基板22に対して圧電素子27側には、各圧電素子27を駆動するための配線基板や、基板22の各圧力室22aに供給するインクを貯留する、各圧力室22aに共通のインク室(共通インク室)が設けられる場合がある。配線基板を設ける場合、基板22と配線基板との間に保持板60を位置させ、保持板60の開口部61aを介して配線基板と各圧電素子27とをバンプ等を用いて電気的に接続することで、各圧電素子27を駆動することができる。言い換えれば、保持板60を用いて湾曲基板41を形成する構成であっても、保持板60の上方に配線基板を設けて各圧電素子27を駆動することができる。したがって、保持板60が配線基板の設置の障害となることはない。また、共通インク室を設ける場合は、共通インク室を構成する筐体の一部に曲面部を設けてこれに基板22を貼り付けることで、湾曲基板41を得ることができる。つまり、この場合、上記筐体を保持板代わりに用いることができる。
In addition, on the
ここで、湾曲基板41を保持部60で保持したインクジェットヘッド21では、シミュレーションを含む種々の考察の結果、以下のような圧電性向上の効果が得られることがわかった。なお、図3で示すインクジェットヘッド21を構成する各部材は、以下のように設定した。基板22において振動板22b以外の部分;Si(厚み200μm)、振動板22b;Si(厚み5μm)、下部電極24;Pt(厚み0.1μm)、圧電薄膜25;PZT(厚み5μm)、上部電極26;Au(厚み0.3μm)、である。圧電薄膜25は、下部電極24上にスパッタ法で成膜した。その結果、圧電薄膜25は、下部電極24から上側に伸びる柱状の結晶が集まった多結晶膜(粒径:数十nm〜1μm程度、結晶配向:<100>)であった。
Here, in the
上記の基板22の圧電素子27側の面を、曲率半径270mmに加工した保持板60(材質;SUS)に、エポキシ樹脂からなる接着剤で貼り付け、インクジェットヘッド21を作製した(実施例1)。また、比較として、表面がフラットな保持板(材質;SUS)に基板22を貼り付けてインクジェットヘッドを作製した(比較例1)。そして、圧電素子の駆動時の厚さ方向の変位量をレーザードップラー装置によって測定し、これを圧電性として評価した。その結果、比較例1の構成での圧電性を基準(1.00)としたときに、実施例1の構成では、圧電性は1.13であった。つまり、保持板60を用い、圧電素子27側に凹形状となるように湾曲した湾曲基板41を形成することにより、圧電性が13%向上した。
The surface of the
また、圧電性にムラがある基板22(左端部の圧電性が1で、右端部が0.9であり、圧電性が傾斜している基板)を、右端の一部を湾曲(最少曲率半径300mm)させた保持板60(材質はSUS)に貼り付けてインクジェットヘッド21を作製した(実施例2)。実施例2のように、部分的に湾曲した湾曲基板41を形成すると、0.9〜1.0であった基板内の圧電性が、0.95〜1.0に範囲となり、圧電性のムラを低減することができた。
Further, the
さらに、2枚の基板A・Bを用意し、これらの基板A・Bを1枚の保持板60に貼り付けてインクジェットヘッド21を作製した(実施例3)。貼り付け前は、一方の基板Aは、他方の基板Bよりも、圧電性が10%低い基板であった。また、保持板60において基板Aを貼り付ける部分(曲面部62)は、曲率半径300mmの加工を施し、基板Bを貼り付ける部分(平面部63)は、曲率なしのフラットな形状とした。実施例3の構成では、2枚の基板A・B間での圧電性のバラツキは10%を下回った。このように、複数の基板A・Bを用いても、圧電性のバラツキが低減されるため、大型のインクジェットヘッド21を作製することができ、サイズの大きな記録媒体上にインクを吐出する場合にも容易に対応することが可能となる。
Further, two substrates A and B were prepared, and these substrates A and B were attached to one holding
(基板と保持板との線膨張係数の差を利用して基板を撓ませる方法)
図17は、インクジェットヘッド21の他の構成を示す断面図である。インクジェットヘッド21の基板22は、基板22に対して圧電素子27とは反対側に位置する保持板70を介して、ノズル基板31と貼り合わされていてもよい。保持板70には、連通孔70aが形成されている。連通孔70aは、基板22に形成されている圧力室22aと、ノズル基板31のインク吐出孔31aとを連通するための孔である。
(Method of bending the board using the difference in linear expansion coefficient between the board and the holding plate)
FIG. 17 is a cross-sectional view showing another configuration of the
保持板70は、基板22と線膨張係数の異なる材料で形成されている。保持板70の材料としては、例えばシリコン、ガラス、金属(例えばステンレス、アルミニウム)、樹脂などから、基板22の材料とは異なる材料を選択することができる。ちなみに、それぞれの材料の線膨張係数は、シリコン:2.4×10-6/K、硬質ガラス:8.5×10-6/K、ステンレス鋼(SUS410):10.4×10-6/K、ステンレス鋼(SUS304):17.3×10-6/K、アルミニウム:2.3×10-6/K、炭素鋼:10.8×10-6/K、アクリル樹脂:4.5〜7×10-5/K、ABS樹脂:6〜13×10-5/Kである。
The holding
図18に示すように、基板22の線膨張係数よりも保持板70の線膨張係数のほうが大きい場合、基板22と保持板70とを高温で(陽極接合や接着剤で)貼り付け、その後、常温に戻すと、保持板70は基板22よりも収縮度合いが大きいため、基板22は圧電素子27側に凸となるように湾曲し、湾曲基板41となる。逆に、図19に示すように、基板22の線膨張係数よりも保持板70の線膨張係数のほうが小さい場合、基板22と保持板70とを高温で貼り付け、その後、常温に戻すと、基板22は保持板70よりも収縮度合いが大きいため、圧電素子27側に凹となるように湾曲し、湾曲基板41となる。
As shown in FIG. 18, when the linear expansion coefficient of the holding
したがって、基板22および保持板70の材料(基板22および保持板70の線膨張係数の差)、厚み(基板22および保持板70の厚みの差)、貼り付け時の温度等を適切に調整することで、所望の撓みを持つ湾曲基板41を得ることができる。また、基板面内で貼り付け時の温度に傾斜をつけることで、湾曲基板41の撓み度合いを基板面内で変化(傾斜)させることもできる。さらに、基板面内で厚みの差を変化させることによっても、撓み度合いを基板面内で傾斜させることができる。
Accordingly, the material of the
このように、基板22と線膨張係数の異なる材料で保持板70を構成することにより、温度変化を与えたときの基板22と保持板70との収縮度合いの違いによって、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板41を得ることができる。
In this way, by configuring the holding
以上では、保持板70が基板22に対して圧電素子27とは反対側に位置する構成で、保持板70と基板22とで線膨張係数を異ならせて、湾曲基板41を得る手法について説明したが、保持板70が基板22に対して圧電素子27側に位置する構成でも、上記と同様に、保持板70と基板22とで線膨張係数を異ならせることにより、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板41を得ることができる。
The method for obtaining the
つまり、図20に示すように、基板22の線膨張係数よりも保持板70の線膨張係数のほうが大きい場合、基板22と保持板70とを高温で貼り付けて、その後、常温に戻すと、保持板70は基板22よりも収縮度合いが大きいため、基板22は圧電素子27側に凹となるように湾曲し、湾曲基板41となる。逆に、図21に示すように、基板22の線膨張係数よりも保持板70の線膨張係数のほうが小さい場合、基板22と保持板70とを高温で貼り付け、その後、常温に戻すと、基板22は保持板70よりも収縮度合いが大きいため、圧電素子27側に凸となるように湾曲し、湾曲基板41となる。
That is, as shown in FIG. 20, when the linear expansion coefficient of the holding
したがって、保持板70が基板22に対して圧電素子27側に位置する構成でも、保持板70と基板22とで線膨張係数を異ならせて温度変化を与えることにより、湾曲基板41を得ることができる。このような保持板70は、図12等で示した保持板60において、曲面部62を無くして表面を全て平面とした形状(外形は直方体形状)で構成することができる。
Therefore, even when the holding
なお、各図面に示した構成(湾曲基板を含む)を適宜組み合わせてインクジェットヘッド21ひいてはインクジェットプリンタ1を構成することも可能である。
It should be noted that the
本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。 The ink jet head of the present invention can be used in an ink jet printer.
1 インクジェットプリンタ
21 インクジェットヘッド
22 基板(支持基板)
22a 圧力室
22b 振動板
27 圧電素子
31 ノズル基板
31a インク吐出孔
41 湾曲基板
60 保持板
62 曲面部
70 保持板
P 記録媒体
1
Claims (13)
前記支持基板は、少なくとも一部が撓んだ湾曲基板を含み、
前記湾曲基板は、前記複数の圧電素子が並んで配置される一方向の基板全体において、前記複数の圧電素子の配置側に凸または凹となる湾曲形状が1個のみ形成されるように撓んでいることを特徴とするインクジェットヘッド。 An inkjet head comprising a plurality of piezoelectric elements and a support substrate that supports the plurality of piezoelectric elements,
The support substrate includes a curved substrate that is at least partially bent;
The curved substrate is bent so that only one curved shape that is convex or concave on the arrangement side of the plurality of piezoelectric elements is formed on the entire substrate in one direction where the plurality of piezoelectric elements are arranged side by side. An ink jet head characterized by comprising:
前記複数の支持基板間での前記圧電素子の圧電性のバラツキが所定の範囲内に収まるように、前記複数の支持基板に含まれる前記湾曲基板の前記湾曲形状の曲率が設定されていることを特徴とする請求項1から5のいずれかに記載のインクジェットヘッド。 A plurality of the support substrates;
The curvature of the curved shape of the curved substrate included in the plurality of support substrates is set so that the piezoelectric variation of the piezoelectric elements between the plurality of support substrates is within a predetermined range. The inkjet head according to claim 1, wherein the inkjet head is characterized in that
前記湾曲基板は、前記支持基板の少なくとも一部を前記曲面部に沿って湾曲させることによって形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のインクジェットヘッド。 A curved plate, further comprising a holding plate for holding the support substrate;
The inkjet head according to claim 1, wherein the curved substrate is formed by curving at least a part of the support substrate along the curved surface portion.
前記保持板は、前記支持基板と線膨張係数の異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のインクジェットヘッド。 A holding plate for holding the support substrate, further on the opposite side of the plurality of piezoelectric elements with respect to the support substrate;
The inkjet head according to claim 1, wherein the holding plate is made of a material having a linear expansion coefficient different from that of the support substrate.
前記保持板は、前記支持基板と線膨張係数の異なる材料で形成されていることを特徴とする請求項1から6のいずれかに記載のインクジェットヘッド。 A holding plate that is positioned on the side of the plurality of piezoelectric elements with respect to the support substrate and holds the support substrate;
The inkjet head according to claim 1, wherein the holding plate is made of a material having a linear expansion coefficient different from that of the support substrate.
前記複数の圧電素子の形成位置に対応して形成され、インクを収容する圧力室と、
前記複数の圧電素子の駆動によって振動することにより、前記圧力室内のインクに圧力を付与する振動板とを有していることを特徴とする請求項1から11のいずれかに記載のインクジェットヘッド。 The support substrate is
A pressure chamber formed corresponding to the formation position of the plurality of piezoelectric elements, and containing ink;
The inkjet head according to claim 1, further comprising a diaphragm that vibrates by driving the plurality of piezoelectric elements to apply pressure to the ink in the pressure chamber.
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