JP2018020537A - インクジェットヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】
薄膜圧電体は、長時間電界が印加されると、劣化して絶縁破壊を起こす可能性がある。
【解決手段】
インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、容積可変板と圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板と、印加することにより、可変板を面内方向に収縮させて、圧力室の容積を拡大させ、印加停止により、圧力室の容積を戻す電気信号を入力させる入力部と、を備えるインクジェットヘッド。
【選択図】図４

Description

本発明の実施形態は、インクを充填した圧力室の容積を変化させて、圧力室に連通するノズルからインク滴を吐出させるインクジェットヘッドに関する。

紙などの媒体にインク滴を付着させて画像や文字を形成する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は画像信号に従ってインク滴を吐出させるインクジェットヘッドを備えている。

インクジェットヘッドは、インク滴を吐出させるノズルと、ノズルに連通するインク圧力室と、圧力室内のインクをノズルから吐出させる圧力を発生する圧力発生素子を備えている。圧力発生素子として圧電体が利用されている。圧電体によって動作する圧電素子（ピエゾ素子）は、電圧を力に変換する電気機械変換素子である。この圧電素子に電圧を加えると、収縮と伸張、または剪断変形を起こす。圧電素子の変形を利用して、圧力室内のインクに圧力を発生させている。代表的な圧電素子として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が使われている。
従来のインクジェットヘッドとして、インク圧力室が形成された基板と、基板に積層された振動板と、振動板上に作られた圧電素子を有する構成が知られている。薄膜の圧電体は、長時間高い電圧が印加され続けると、劣化する傾向がある。圧電体の劣化はインクジェットヘッドの寿命を短くすることになる。

特開２０１３−７５５１１号公報

薄膜の圧電体は、長時間高い電圧が印加され続けると、劣化する傾向がある。劣化すると、電圧印加によって薄膜圧電体が絶縁破壊を起す。薄膜圧電体を有するインクジェットヘッドとして動作不能になる可能性がある。圧電体の劣化はインクジェットヘッドの寿命を短くすることになる。

本発明の実施形態のインクジェットヘッドは、インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、前記圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、前記容積可変板と前記圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板と、印加することにより、前記可変板を面内方向に収縮させて、前記圧力室の容積を拡大させ、印加停止により、前記圧力室の容積を戻す前記電気信号を入力させる入力部と、を備えている。

第１実施形態に係るインクジェットプリンタを概略的に示す側面図。 第１実施形態のインクジェットヘッドを示す斜視図。 第１実施形態のインクジェットヘッドをインク吐出口側から見た平面図。 図３のインクジェットヘッドＡ−Ａ部の断面図。 第１実施形態のインクジェットヘッドの動作の説明図。 比較例としてのインクジェットヘッドの動作の説明図。 第２実施形態のインクジェットヘッドをインク吐出口側から見た平面図。 第３実施形態のインクジェットヘッドの断面図と平面図。 第３実施形態のインクジェットヘッドの断面図。

以下、実施形態について、図面を参照しながら説明する。図面で同じ番号は同じ構成を示している。

（第１の実施形態）
図１は、実施形態のインクジェットヘッド（１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ）を搭載したインクジェットプリンタ１００の断面を示している。インクジェットヘッド１Ａ乃至１Ｄ（印字部１０９）は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックのインクを吐出させ、インクジェットプリンタ１００の外部から入力された画像信号に応じて記録媒体Ｓ（用紙）上に画像を記録する。

記録媒体Ｓは、無地の用紙、アート紙、コート紙、オーバーヘッドプロジェクタ用のＯＨＰシートなどである。

インクジェットプリンタ１００は、箱型の筐体１０１を有している。筐体１０１の内部にＹ軸方向下部から上部に向かって、給紙カセット１０２、上流搬送路１０４ａ、保持ドラム１０５、印字部１０９、下流搬送路１０４ｂ、排紙トレイ１０３を備えている。給紙カセット１０２はインクジェットプリンタ１００で印字するための用紙Ｓを収容する。印字部１０９は、４個のシアン用インクジェットヘッド１Ａ、マゼンタ用インクジェットヘッド１Ｂ、イエロー用インクジェットヘッド１Ｃ、ブラック用インクジェットヘッド１Ｄを備えている。インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄは、保持ドラム１０５上に保持された用紙Ｓにインク滴を吐出して画像を記録する部分である。

給紙カセット１０２は、用紙Ｓを収容し筐体１０１の下部に設けられている。給紙ローラ１０６は、給紙カセット１０２から用紙Ｓを一枚ずつ上流搬送路１０４ａへ送る。上流搬送路１０４ａは、送りローラ対１１５ａ、１１５ｂと用紙Ｓの搬送方向を規制する用紙案内板１１６で構成されている。用紙Ｓは、送りローラ対１１５ａ、１１５ｂの回転によって搬送され、送りローラ対１１５ｂを通過後、用紙案内板１１６によって保持ドラム１０５の外周面へ送られる。図１中の破線矢印は用紙Ｓの案内経路を示す。

保持ドラム１０５は、表面に薄い樹脂製の絶縁層１０５ａを有しているアルミニウム製の円筒になっている。円筒の周長は、画像を記録する用紙Ｓの縦方向長さより長く、円筒の軸方向の長さは、用紙Ｓの横方向の長さより長くなっている。モータ１１８によって、一定の周速で矢印Ｒ方向に回転させている。保持ドラム１０５の絶縁層１０５ａは、静電気によって用紙Ｓを保持しながら、回転して用紙Ｓを印字部１０９へ搬送する。絶縁層１０５ａに静電気を帯電させる帯電ローラ１０８を絶縁層１０５ａに沿って配置している。

帯電ローラ１０８は、金属製の回転軸を有し、回転軸周囲に導電ゴム層を有している。帯電ローラ１０８は、高電圧発生回路１１４に接続されている。導電ゴム層表面が、保持ドラム１０５の絶縁層１０５ａに接し、帯電ローラ１０８の周速が保持ドラム１０５と同じ周速で回転するように、帯電ローラ１０８をモータで駆動している。保持ドラム１０５の絶縁層１０５ａと帯電ローラ１０８の導電ゴム層が接して、ニップを形成する。用紙Ｓは、送りローラ対１１５ｂ及び用紙案内板１１６によって、ニップへ送られる。用紙Ｓがニップへ搬送される直前に帯電ローラ１０８の金属軸に高電圧発生回路１１４が発生する高電圧を印加する。高電圧によって絶縁層１０５ａは帯電し、ニップに搬送された用紙Ｓも帯電して保持ドラム１０５の外周面上に静電吸着される。静電吸着された用紙Ｓは、保持ドラム１０５の回転によって、印字部１０９へ送られる。

印字部１０９は、インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄのインク吐出面が保持ドラム１０５の外周面から１ｍｍ離れて、インクジェットプリンタ１００に固定されている。各インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄは、保持ドラム１０５の軸方向（主走査方向）に長く、回転方向（副走査方向）に短い構成で、保持ドラム１０５の周方向に間隔を開けて配置されている。インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄの詳細な構造は後述する。インクタンク１１３はシアンインクを貯留するインク容器である。インクタンク１１３とインクジェットヘッド１Ａ間にインク供給装置１１２が配置されている。インク供給装置１１２は、ポンプと圧力調整機構を備えている。ポンプによって、インクジェットヘッド１Ａより重力方向において下方に配置されているインクタンク１１３のシアンインクをインクジェットヘッド１Ａに供給する。インクジェットヘッド１Ａはインク滴を重力方向（Ｙ軸において下方）に吐出する。そのため待機時にシアンインクがインクジェットヘッド１Ａから漏れ出ないように、インクジェットヘッド１Ａを大気圧に対して負圧に維持する必要がある。圧力調整機構は、インクジェットヘッド１Ａへ供給したインクがインクジェットヘッド１Ａのノズルからインクが漏れ出ない様に、インク圧力を大気圧に対して負圧に調整する。インクジェットヘッド１Ｂ−１Ｄも夫々同様なインクタンク１１３とインク供給装置１１２を備えているが、図中では省略している。

印字部１０９では、各インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄが用紙Ｓ上にインクを吐出しながら画像を記録する。記録する画像は、インクジェットプリンタ１００の外部から入力された画像信号に従って描画される。インクジェットヘッド１Ａはシアンインクを吐出しシアン画像を形成する。同様に、インクジェットヘッド１Ｂはマゼンタインクを、インクジェットヘッド１Ｃはイエローインクを、インクジェットヘッド１Ｄはブラックインクを吐出し、各色の画像を記録するようになっている。インクジェットヘッド１Ａ−１Ｄは吐出するインク色を除き同じ構造になっている。

印字部１０９で記録が完了した用紙Ｓは、除電装置１１０、剥離爪１１１へ搬送される。除電装置１１０は断面がコの字型に作られ、保持ドラム１０５の軸方向の長さと同じ長さのステンレス筐体内にタングステンワイヤーを張った構成になっている。除電装置１１０は、コの字型の筐体の開口が保持ドラム１０５の外周面に向かうよう、配置されている。高電圧発生回路１１７は、帯電ローラ１０８に印加した電圧とは逆極性の高電圧を発生する。記録が完了した用紙Ｓの先端が、除電装置１１０の下部へ搬送されると、電圧発生回路１１７で発生した高電圧を筐体とタングステンワイヤー間に印加する。高電圧によって除電装置１１０の開口側からコロナ放電が発生し、帯電した用紙Ｓを除電する。剥離爪１１１は、爪先端が保持ドラム１０５の外周面に接する位置と、外周面から離間するする位置を移動できるように設けられている。通常、剥離爪１１１は離間する位置に保持されている。用紙Ｓを保持ドラム１０５から剥離する場合、剥離爪１１１の先端が保持ドラム１０５の外周面に接し、除電した用紙Ｓの先端を絶縁層１０５ａから剥離する。用紙Ｓの先端を外周面から離した後、剥離爪１１１は外周面から離間する位置へ戻される。

保持ドラム１０５から離れた用紙Ｓは、送りローラ対１１５ｃへ送られる。下流搬送路１０４ｂは、送りローラ対１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅと用紙Ｓの搬送方向を規制する用紙案内板１１６で構成される。図中の破線矢印に沿って用紙Ｓは、送りローラ対１１５ｃ、１１５ｄ、１１５ｅによって、排紙トレイ１０３へ排出される。

インクジェットヘッド１Ａの構成を詳細に説明する。前述したようにインクジェットヘッド１Ｂ−１Ｄは、１Ａと同じ構造になっている。

図２は、インクジェットヘッド１を示す外観斜視図である。インクジェットヘッド１は、インク供給口６、インク供給部材４、アクチュエータ基板２、駆動ＩＣ３（駆動回路３）、で構成されている。固定部１０は、インクジェットヘッド１をインクジェットプリンタ１００に固定する為の金具である。アクチュエータ基板２にはインクを吐出させる圧力を発生するアクチュエータ５が複数形成されている。アクチュエータ基板２は、インク供給部材４にエポキシ接着剤で固定されている。インク供給口６は、インク供給装置１１２へ接続され、所定の供給圧力でインクを受け入れる。インク供給口６はインク供給部材４に接続され、インクがインク供給部材４からアクチュエータ基板２の各アクチュエータ５へ供給される。

駆動ＩＣ３は、各アクチュエータ５を動作させるための制御信号と駆動信号を発生する。インクジェットプリンタ１００の外部から入力された記録するための画像信号に従い、駆動ＩＣ３はインクを吐出させるタイミング、吐出させるアクチュエータ５を選択する等の制御信号を発生させる。さらに、駆動ＩＣ３は、制御信号に従ってアクチュエータ５の圧電素子３５に印加する電圧、すなわち駆動信号（電気信号）を発生する。詳細な駆動信号（駆動波形）は後述する。駆動ＩＣ３は、フレキシブル基板９（ＦＰＣ：Flexible Printed Circuit）上に配置され、ＦＰＣの配線回路と接続されている。アクチュエータ基板２の配線とフレキシブル基板９の配線回路は、異方性導電フィルム（Anisotropic Conductive Film） によって、電気的に接続している。

図３と４を参照し、アクチュエータ基板２の構成を説明する。図３はアクチュエータ基板２の一部を拡大した平面図である。平面図はインク吐出側（図２Ｚ軸側）から見たアクチュエータ５、個別電極１１、共通電極１２を示している。図４はアクチュエータ基板２の図３に示すＡ−Ａ断面図で、Ａ矢印方向に見た図になっている。

アクチュエータ基板２の表面には、複数の円形のアクチュエータ５が２次元配置されている（図３）。アクチュエータ５の中心にはインクを吐出するノズル７が形成されている。アクチュエータ５の動作によってインク滴はノズル７からＺ軸方向（図２）へ吐出される。各ノズルはＸ軸方向に距離Ｘ１、Ｙ軸方向に距離Ｙ１だけ離間して配置されている。本実施形態ではＸ１は２１．２μｍ、Ｙ１は２５０μｍになっている。インクジェットヘッド１のＸ軸方向は１２００（ＤＰＩ（ＤＯＴ ＰＥＲ ＩＮＣＨ）の記録密度でノズルは配置されている。Ｙ軸方向の記録密度は保持ドラム１０５の周速とインク吐出の時間で決定される。本実施形態ではＹ軸方向にも１２００ＤＰＩで印字する。個別電極１１、共通電極１２の端部には、端子電極４１（入力部）が形成されている。アクチュエータ基板２の配線とフレキシブル基板９の配線回路は、端子電極４１を通して、ＡＣＦ で電気的に接続されている。端子電極４１はアクチュエータ５に駆動信号を送る入力ポートになっている。

図４に示すように、インク供給口６からインク供給部材４へ供給されたインクは、アクチュエータ基板２の裏面で開口している圧力室２０へ供給される。駆動ＩＣ３が発生する駆動信号に応じて、アクチュエータ５が圧力室２０の容積を可変する。容積変化によって、圧力室２０内のインクは加圧されノズル７からインク滴３４として矢印３８方向（図２のＺ軸方向）へ吐出する。アクチュエータ基板２は基板３３とアクチュエータ５で構成されている。

基板３３（図４）は厚さ４００μｍの単結晶シリコン板である。基板３３は、アクチュエータ５を有する第１面３３ａと、第１面３３ａに対向する第２面３３ｂを有している。基板３３のアクチュエータ５に対応する位置に、第１面３３ａから第２面３３ｂまで円筒状の開口が形成されている。開口の第１面３３ａ側はアクチュエータ５で覆われ、開口は圧力室２０として機能する。圧力室２０の第２面３３ｂ側はインク供給部材に連通している。圧力室２０は、アクチュエータ５の動作によってノズル７からインクを吐出する圧力を発生する圧力発生室である。開口は直径２００μｍ、長さ４００μｍになっている。基板３３の第２面３３ｂはインク供給部材４にエポキシ樹脂で接着されている。

図４に示すように、アクチュエータ５は、保護層１８、圧電素子３５、圧力室２０内の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板１３で構成されている。圧電素子３５は、下部電極１４（第１電極）、電気信号に応じて伸縮する可変板１５、上部電極１６（第２電極）、絶縁層１７で構成されている。圧電素子３５は、圧力室２０と容積可変板１３の間に設けられ、容積可変板１３に固定されている。伸縮する可変板１５は、本実施形態では圧電体膜１５で構成されている。容積可変板１３は、圧電体膜１５の伸縮によって変形し、圧力室２０内のインクに圧力変化を発生させる。容積可変板１３は、本実施形態では振動板１３で構成されている。アクチュエータ５の中心に、インクを吐出するノズル７が形成されている。ノズル７は、アクチュエータ５を貫通する直径２０μｍの円筒状の孔であり、圧力室２０に連通している。圧電体膜１５は、下部電極１４と上部電極１６で挟まれ、両電極面に直交する方向に分極３６されている。圧電素子３５はノズル７を囲んで略円環形状（図３）に形成されている。圧電素子３５は、下部電極１４と上部電極１６間に電圧を印加すると圧電体膜１５が面方向に収縮する。圧電体膜１５の収縮によって、振動板１３が、変形し圧力室２０内のインクを加圧して、ノズル７からインクを吐出させる。ノズル７をアクチュエータ５に設けることで、圧力室２０は非常に簡単な構成になっている。基板３３に開口を形成するだけで圧力室２０を作ることが出来るので、インクジェットヘッド１の製造が容易になる。

保護層１８は、圧力室２０の第１面３３ａ側を覆うように、基板３３と一体に作成されている。保護層１８は絶縁性のシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ２）である。

保護層１８は次の工程で作成した。単結晶シリコン製の基板３３を高温で加熱して、基板３３の両面にシリコン熱酸化膜を作成する。第２面３３ｂ側からシリコン熱酸化膜と単結晶シリコンをドライエッチングし、第１面３３ａ側のシリコン熱酸化膜を残して圧力室２０に相当する孔加工を行う。第１面３３ａ側に残ったシリコン熱酸化膜は、圧力室２０の一面を覆う保護層１８として機能する。なお、保護層１８は、単結晶シリコンの基板３３の表面を加工して作成しているので、基板の第１面３３ａは保護層１８（シリコン熱酸化膜）と単結晶シリコンの境界面に相当する。第２面３３ｂは、基板３３に作成したシリコン熱酸化膜の表面に相当する。

保護層１８の厚さは０．１μｍから１μｍの範囲が好ましい。本実施形態では保護層厚は０．５μｍである。保護層１８が厚過ぎる場合、アクチュエータ５の動作を阻害することになる。保護層１８が薄過ぎる場合、ドライエッチング加工した時にシリコン熱酸化膜を削りすぎて保護層１８が無くなる可能性がある。保護層１８を失うと、下部電極１４とインクが接触し下部電極１４が腐食する。そのため所望な厚さにする必要がある。

保護層１８の表面に圧電素子３５が形成されている。保護層１８の表面とは、保護層１８の第１面３３ａに対向する面３３ｃである。前述のように圧電素子３５は、保護層１８の表面に、下部電極１４、圧電体膜１５、及び上部電極１６の薄膜が積層された構成になっている。さらに、圧電素子３５はノズル７を中心にドーナツ状（円環形状）に形成されている。ドーナツ形状の内径はノズル７の外径より大きく、ドーナツ形状の外径は圧力室２０の内径より小さくなっている。圧電素子３５の内径は３０μｍ、外径は１４０μｍになっている。なお、下部電極１４、上部電極１６のドーナツ形状とは、それぞれの電極に繋がる個別電極１１や共通電極１２部分を除いた形状を示している。

図３に示すように、共通電極１２は、複数の圧電体膜１５の一方の電極を電気的に接続している。本実施形態では、共通電極１２として４個のアクチュエータ５の下部電極１４が接続されている。個別電極１１は、圧電体膜１５の他方の電極にそれぞれ電気的に接続している。個別電極１１は、コンタクトホール３２を通して上部電極１６に接続され、選択した圧電体膜１５を動作させる様に機能する。図３では、４個のアクチュエータ５を1つの組として、複数の組が並置されている。なお、配線法を変更すれば、下部電極１４を個別電極１１に接続し、上部電極１６を共通電極１２にすることも可能である。

下部電極１４と上部電極１６の材質は、白金（Ｐｔ）である。下部電極１４と上部電極１６の膜厚は、夫々０．１μｍである。スパッタリング法で白金層を作成し、フォトエッチングにより圧電体膜１５の形状に合わせたドーナツ状の下部電極１４と上部電極１６に加工している。他の成膜法として、真空蒸着、鍍金などを用いることも可能である。下部電極１４と上部電極１６の膜厚は０．０１μｍ〜１μｍが好ましい。

圧電体膜１５は、圧電性材料の薄膜で作成されている。下部電極１４、上部電極１６を介して電界を圧電体膜１５に加えると、圧電素子３５は電界方向と直交する方向（面内方向）に収縮する。圧電体膜１５は、外部から供給される電力に応じて、伸縮する可変板として機能する。この収縮を利用して振動板１３が、アクチュエータ５の厚み方向に変形し圧力室２０内のインクに圧力変化を発生させる。

圧電体膜１５の材料は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いている。他の材料として、ＫＮＮ（（ＫＮａ）ＮｂＯ３：ニオブ酸カリウムナトリウム）、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ３：チタン酸鉛）、ＰＭＮＴ（Ｐｂ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＰＺＮＴ（Ｐｂ（Ｚｎ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３−ＰｂＴｉＯ３）、ＺｎＯ、ＡｌＮなどを用いることも可能である。

圧電体膜１５は、ＲＦマグネトロンスパッタリング法により成膜されている。膜厚は２μｍにしている。圧電体膜の他の製法として、ＣＶＤ（化学的気相成長法）、ゾルゲル法、ＡＤ法（エアロゾルデポジション法）、水熱合成法などを用いることも可能である。圧電体膜の厚さは、圧電特性と絶縁破壊電圧を考慮して決めている。

保護層１８、下部電極１４、圧電体膜１５、及び上部電極１６の上に、絶縁性の無機材料により形成された絶縁層１７が設けられている。絶縁層１７は、圧電体膜１５の外周部において下部電極１４と個別電極１１の絶縁を維持するために、下部電極１４と個別電極１１の間に設けている。絶縁層１７には上部電極１６と個別電極１１とを電気的に接続する為の直径１０μｍの開口が形成されている。絶縁層１７の開口は上部電極１６が露出するように設けられている。絶縁層１７の開口を通して、上部電極１６と個別電極１１は電気的に接続されている。この電気的に接続させる開口をコンタクトホール３２と呼んでいる。

絶縁層１７は二酸化シリコン膜（ＳｉＯ２）である。ＴＥＯＳ−ＣＶＤ法（Ｔｅｔｒａｅｔｈｏｘｙｓｉｌａｎｅ−Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）によって、二酸化シリコン膜を成膜している。

圧電体膜１５に電圧を印加する為の個別電極１１と共通電極１２は、アクチュエータ基板２の周辺部まで延伸している。周辺部まで延伸した個別電極１１と共通電極１２は端子電極４１に接続されている。端子電極４１は、図２に示すようにＦＰＣ９上の駆動ＩＣ３に電気的に接続されている。

個別電極１１と共通電極１２の材質は金（Ａｕ）である。個別電極１１と共通電極１２の膜厚はそれぞれ０．５μｍである。個別電極１１と共通電極１２用の金層はスパッタリング法で成膜した。個別電極１１は、コンタクトホール３２を有する絶縁層１７を作成後、金膜を成膜しフォトエッチングによって作成した。図３に示すように、個別電極１１は、コンタクトホール３２を通して白金製の上部電極１６に接続し、かつアクチュエータ基板２の周辺部まで延伸する配線パターンおよび端子電極４１になっている。共通電極１２は、隣り合う二つのアクチュエータ５の下部電極間を接続し（１２Ｘ）、かつアクチュエータ基板２の周辺部まで延伸する配線パターンおよび端子電極４１（１２Ｙ）になっている。なお、本実施形態では下部電極１４と共通電極１２の接続を考慮して、共通電極１２Ｘ、１２Ｙは、白金と金の２層膜になっている。

保護層１８、下部電極１４、圧電体膜１５、上部電極１６、絶縁層１７、個別電極１１、共通電極１２の上に、絶縁性の無機材料により作成した振動板１３が設けられている。振動板１３の厚さは４μｍである。振動板１３の厚さは２〜１０μｍ、好ましくは４〜６μｍが適している。圧電体膜１５が伸び縮みすると、絶縁性無機材料の振動板１３には、反りが発生する。反りを発生させる板を振動板と呼んでいる。振動板１３は、変形によって圧力室のインクの圧力を変えるように機能する容積可変板である。

振動板１３の曲げ剛性は、保護層１８や他の膜の曲げ剛性よりもが大きくなるようにしている。曲げ剛性はヤング率と断面二次モーメントの積で表わされ、はり部材の曲げ変形のしにくさを示している。振動板１３は保護層１８、圧電体膜１５、絶縁層１７に比べヤング率の高い材質にしている。さらに、振動板１３の厚さを、保護層１８、圧電体膜１５、絶縁層１７の厚さに比べ大きくしている。圧電体材料であるＰＺＴのヤング率は約６０ＧＰａである。二酸化シリコンのヤング率は約７０ＧＰである。窒化ケイ素のヤング率は約３００ＧＰａである。したがって、振動板１３の曲げ剛性は、圧電体膜１５、保護層１８、絶縁層１７の曲げ剛性より大きくなっている。

振動板１３の材質は窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）になっている。窒化ケイ素をＰＥ−ＣＶＤ法（Ｐｌａｍａ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）で成膜して、振動板１３を作成している。振動板１３の作成時に、振動板１３内に圧縮方向の残留応力が発生すると、圧電体膜１５の収縮変形を阻害する可能性がある。圧電体膜１５が変形しにくい場合には、インクジェットヘッド１の駆動効率を低下させる。窒化ケイ素は二酸化シリコンに比べ、残留応力を小さくすることができる。残留応力の少ない窒化ケイ素を利用することで、アクチュエータ５の効率を向上させることが出来る。また、前述のように窒化ケイ素のヤング率は約３００ＧＰａ、二酸化シリコンのヤング率は約７０ＧＰであり、同じ曲げ剛性を得るには窒化ケイ素の膜厚は二酸化シリコンの膜厚より小さくすることが可能である。このような観点から、振動板１３を窒化ケイ素で作成している。振動板１３の窒化ケイ素に代えて、Ａｌ２Ｏ３（酸化アルミニウム：ヤング率３６０ＧＰａ）、ＡｌＮ（窒化アルミニウム：ヤング率３２０ＧＰａ）、ＳｉＣ（炭化ケイ素：ヤング率４４０ＧＰａ）、などを用いることもできる。

図４に示すように、インクを吐出させるノズル７は振動板１３を貫通してアクチュエータ５に設けられている。振動板１３、圧電素子３５、ノズル７が一体的に構成されたアクチュエータ５は圧力室２０の一面を形成しているため、インク供給部材４を含むインクジェットヘッドの構造が簡素であり製造が容易になる。また、インクを吐出し続けると、振動板１３の表面のノズル７周辺にインクが付着し残留することがある。この残留インクを除去する為に、振動板１３の表面をゴム製のブレードで擦り取っている。この擦り取る操作は、ワイピングと呼ばれている。繰り返し行うワイピングに耐えられるように、振動板１３のインク吐出側の面は耐擦過性が要求される。所定厚さの窒化ケイ素製振動板１３は耐擦過性に優れているので、ワイピングしても振動板１３の所定の厚さに維持可能である。

駆動ＩＣ３は、複数のアクチュエータ５の下部電極１４に接続された共通電極１２と、各アクチュエータ５の上部電極１６に接続された個別電極１１の間に電圧を印加する。共通電極１２を接地とし、個別電極１１に電圧を印加する。アクチュエータ５を動作させる電圧は図５に示す駆動波形になっている。１インク滴を吐出するための駆動波形は、時刻ｔ１からｔ２間に電圧Ｖ１を印加し、時刻ｔ２からｔ３間に電圧Ｖ２を印加して、時刻ｔ３で電圧は０Ｖになっている。時刻ｔ１までは０Ｖで、インクジェットヘッド１は待機状態になっている。

本実施形態では、Ｖ１、Ｖ２は正の電圧として説明している。Ｖ１、Ｖ２を負の電圧として動作させることも可能である。本実施形態のインクジェットヘッド１はＶ１、Ｖ２の単極の電源で動作する。正負両極性の電源を必要としないため、より安価な電源でインクジェットヘッド１を駆動することが可能である。

図５を参照して、本実施形態のインクジェットヘッド１の駆動方法を詳細に説明する。

アクチュエータ５は、振動板１３と圧力室２０の間に、下部電極１４、圧電体膜１５、上部電極１６が積層された圧電素子３５を備えている。下部電極１４、上部電極１６間に駆動信号を印加すると、厚さ２μｍの圧電体膜１５内に大きな電界が発生する。電界の作用により、圧電体膜１５は、厚さ方向に伸長し、厚さ方向と直交する方向すなわちアクチュエータ５の面内方向に収縮する。圧電体膜１５が面内方向に収縮すると、振動板１３と圧電素子３５を組み合わせたアクチュエータ５は圧力室２０の容積が大きくなる方向へ変形する。電圧が０Ｖになると、圧電素子３５は元に戻り、圧力室２０は元の容積に戻る。この容積変化によるインク吐出法を、引き打ちと呼んでいる。

図５（５−１）は、時刻０からｔ１まで電圧が０Ｖで、インクを吐出する前の待機状態を示している。待機状態において、インクタンク１１３からインク供給装置１１２によってインクがインク供給口６へ供給される。さらに、インクは、インク供給口６からインク供給部材４に注入され、アクチュエータ基板２の裏面から圧力室２０に充填される。インク供給装置１１２はインクジェットヘッド１内のインク圧力が−１ｋＰａになるようにインク供給圧力を調整する。インク圧力を大気圧に比べ−１ｋＰａにすることで、ノズル７からインクが漏れ出ることなくノズル７内部にメニスカスが形成される。待機状態では駆動ＩＣ３は駆動電圧を出力せず、下部電極１４と上部電極１６間の電圧は０Ｖである。

用紙に向けてインクを吐出させるため、図５（５−２）時刻ｔ１で、駆動ＩＣ３は電圧Ｖ１を出力する。電圧Ｖ１は共通電極１２と個別電極１１を通して下部電極１４と上部電極１６の間に印加され、圧電体膜１５に電界が発生する。圧電体膜１５に電界が作用すると、圧電体膜１５は厚さ方向に伸長し、厚さと直交する方向に収縮する。本実施形態では電圧Ｖ１は２４Ｖになっている。電圧Ｖ１の値は圧電素子３５、振動板１３、圧力室２０の構成によって、所定の電圧としている。

時刻ｔ１で圧電体膜１５が膜厚と直交する方向（面内方向）に収縮すると、振動板１３の圧力室２０側が収縮する。図３に示すように、圧電体膜１５は外周円とノズル７を囲む内周円で囲まれた円環状になっている。振動板１３の圧力室２０側の収縮によって、円環状であるため圧電体膜１５および振動板１３を含むアクチュエータ５は図中上方に向けて凸に変形する。凸に変形すると、アクチュエータ５は圧力室２０の容積を拡張するように、ノズル７を中心にインクが吐出する方向へ向けて変形する。圧力室２０の容積拡張によって圧力室２０内のインクの圧力は−１ｋＰａからさらに負圧になる。およそ−３００ＫＰａ程度の負圧になり、ノズル７に形成されているインクメニスカスは圧力室側へ後退し始める。そして、インク供給部材４からインクが圧力室２０へ流入し、負圧になった圧力室２０内の圧力は上昇し始める。

電圧Ｖ１を大きくすればするほど、アクチュエータ５の変形量が大きくなる。アクチュエータ５の変形量が大きいほど、圧力室２０内の圧力変化は大きくなる。しかし、大きな圧力変化によって、インクメニスカスが大きく後退し、ノズル７から空気が気泡となって圧力室２０内に取り込まれる可能性がある。また、電圧Ｖ１が大きい場合、圧電体膜１５が絶縁破壊する可能性がある。電圧Ｖ１が小さい場合には、アクチュエータ５の変形量が少なく圧力室２０内のインク圧力の変化が小さい。そのため、ノズル７からインクが吐出出来ない。よって、圧電体に発生する電界は１０〜２０ＭＶ／ｍ程度の範囲が適切である。

時刻ｔ１で圧力室２０内のインク圧力は下がり、ノズル７内のメニスカスが後退する。時刻ｔ２でインクメニスカスの後退が止まり、圧力室２０内のインク圧力は負圧から正圧に変化し始める。インクの振動は圧力室２０、アクチュエータ５の構造、インクの密度などの物性で決まる固有振動である。このインクの振動周期の１／２が時刻ｔ１から時刻ｔ２の時間である。時刻ｔ２で駆動ＩＣ３は電圧をＶ１からＶ２へ低下させる。電圧Ｖ２は電圧Ｖ１の１／２になっている。Ｖ２の電圧では、アクチュエータ５の変形がＶ１に比べ半分程度になり、拡張していた圧力室２０の容積は減少する。時刻ｔ２の圧力室２０の容積が減少する変化によって、圧力室２０内のインクはさらに加圧され、ノズル７からインク滴３４として吐出する。ノズル７からインクが吐出し始めると、圧力室２０内のインク圧力は低下し始める。

電圧Ｖ１とＶ２の比、時刻ｔ１からｔ２の時間はインクの振動の減衰率に合わせて決めている。例えば、インク粘度が１０ｍＰａ．Ｓ程度のインクであれば、電圧Ｖ２は電圧Ｖ１の１／２程度である。電圧Ｖ１は２４Ｖ、電圧Ｖ２を１２Ｖとすることで電源回路の低価格化を図ることが出来る。高粘度インクを吐出させる場合には、電圧Ｖ１とＶ２の電圧差を大きくする。

時刻ｔ２で加圧されたインク圧力は、インクの振動によって時刻ｔ３で負圧に変化する。時刻ｔ３で、駆動ＩＣ３は駆動電圧をＶ２から０Ｖに低下させる。駆動電圧が０Ｖでは、アクチュエータ５は半分程度の変形から待機状態へ戻り、再び圧力室２０の容積は減少する。時刻ｔ３で圧力室２０の容積を減少させると、圧力室２０内の負圧になっていたインクは正圧に向かって加圧され、圧力がほぼ待機時の圧力に戻る。時刻ｔ３で電圧Ｖ２を０Ｖにする電圧変化は、圧力室２０内のインクの残留振動を早く減少させて、圧力室２０内のインク圧力を待機時の圧力−１ｋＰａに戻している。時刻ｔ１からｔ３の駆動波形によって、１つのインク滴３４がノズル７から吐出される。早く待機時の負圧に戻ることで、インク滴を吐出させてから次のインク滴を吐出させるまでの時間を短くできるため、印字速度を速めることが可能である。

引き打ちでは、インク吐出前にインク圧力を低下させて圧力振動を発生させ、インク圧力が高まった時点でさらにインクを加圧してインクを吐出させる。そのため、ノズル７から高い圧力でインクを吐出させることが可能である。また、インクメニスカスを一旦圧力室側へ後退させてからインクを吐出するため、インクはノズル７中で加速される。インクをノズル７内で加速することで、吐出されたインク滴３４の直進性を高めることが可能である。インク滴の直進性が高ければ、用紙Ｓ上での着弾位置精度を高めるため、描画の解像度が向上する。

また、インクジェットヘッド１を引き打ち法で動作させる時、待機状態で圧電体膜１５に電界を与える必要がない。インクを吐出させる時だけ、圧電体膜１５に所定の電界を発生させてインクを吐出することができる。待機状態において圧電体膜１５に電界をかけ続ける必要がないため、圧電体膜１５の劣化を抑え、インクジェットヘッド１の長寿命化を図ることができる。

薄膜圧電体ではなく、厚いバルク圧電体を振動板に積層したアクチュエータを用いたインクジェットヘッドでは、圧電体の分極反転を起こさない電界範囲内でバルク圧電体を駆動している。分極反転を起こす電界は、抗電界と呼ばれている。バルク圧電体を抗電界範囲内で駆動するインクジェットヘッドでは、圧電体の分極方向と電界の向きが同じ場合、分極と直交する方向で圧電体は伸長する。圧電体の分極方向と電界の向きが反対の場合、分極と直交する方向で圧電体は収縮する。そのため、圧電体に加える電界の向きを制御することで、圧力室を拡張または収縮させることが可能である。

圧電体薄膜１５を有する本実施形態のインクジェットヘッド１では、抗電界を超える電界で圧電体膜１５を動作させている。アクチェータ５の圧電体膜１５の膜厚が数μｍと薄いため、低い電圧で抗電界を超える電界が圧電体膜１５に発生する。抗電界を超える電界で圧電体膜１５を駆動すると、分極方向に対する電界の向きに関係なく圧電体のひずみ方向は同一になる。すなわち、電界の向きに関係なくアクチュエータの変位方向は一定になる。

参考のために、図６を参照して従来のインクジェットヘッドの構成と駆動電圧波形を説明する。アクチュエータは、圧力室２０の壁面の一部を成す振動板１３と、厚さ数μｍ以下の圧電体膜１５と、圧電体膜１５を挟む一対の電極と、圧電体と電極を覆う保護層１８で構成されている。すなわち、圧電体膜１５は振動板１３のインク吐出側の面上に設けられている。振動板の剛性は保護層の剛性より大きくなるよう形成されている。

従来のインクジェットヘッドでは、圧電体が一体的に設けられた振動板は電圧印加によって面方向において収縮し、結果、振動板は圧力室の容積が小さくなる方向へ変位する。前述したように、抗電界を超える電界で圧電体薄膜を駆動すると、分極方向に対する電界の向きに関係なく圧電体のひずみ方向は同一になる。そのため、引き打ち動作を行うには、インクを吐出する前の待機時に予め圧電体に電圧を加え続け、インクを吐出する時に電圧を０Ｖにして、インク吐出後再び圧電体に電圧を加える必要がある。つまり、待機状態では常時圧電体に電界を発生させ続ける必要がある。

圧電体薄膜に長時間電界を発生させ続けると、圧電体薄膜は劣化してやがて絶縁破壊を起こす可能性がある。圧電体薄膜が絶縁破壊を起こすと、インク吐出動作は不可能になる。従来、インクジェットヘッドでは、インクを吐出させない待機状態の時間は、圧電体を動作させてインクを吐出する時間より１０倍以上長いと言われている。待機状態で圧電体に電圧を印加し続ける必要がある従来構成に比べ、本実施形態の構成は待機状態で電圧を印加する必要がなくインクジェットヘッドの長寿命化を図ることが可能である。

上記のように、インクジェットプリンタ１００は、インクを貯留するインクタンクと、インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、前記圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、前記容積可変板と前記圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板とを備え、前記可変板に対し、前記電気信号を印加することにより、前記可変板を面内方向に収縮させ、もって、待機時の前記圧力室の容積を拡大させ、前記電気信号の印加停止により、待機時の前記圧力室の容積に戻すインクジェットヘッドと、前記インクタンクと前記インクジェットヘッドに連通し、待機時の前記圧力室内のインク圧力を大気圧に対して負圧に維持する圧力調整機構と、前記インクジェットヘッドから吐出したインクによって記録する用紙を搬送する用紙搬送機構を備えている。

本実施形態は、インクジェットヘッドを駆動する方法にも特徴がある。インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、前記圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、前記容積可変板と前記圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板とを備えるインクジェットヘッドを駆動する方法である。この駆動方法は、前記可変板に対し、前記電気信号を印加することにより、前記可変板を面内方向に収縮させる。これにより、前記圧力室の容積を拡大させる。前記電気信号の印加停止により、前記圧力室の容積を戻すインクジェットヘッドの駆動方法である。

前記電気信号を、０Ｖから第１の電圧に変化させた後、前記第１の電圧と同極性で第１の電圧より低い第２の電圧に変化させる。前記第２の電圧に変化させた後に電圧を０Ｖに戻す駆動方法が、より好ましい。

本実施形態のインクジェットヘッドは、圧力室が形成された基板と、圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、容積可変板と圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板とを備えている。可変板に電気信号を印加して、可変板を面内方向に収縮させて圧力室の容積を拡大させ、電気信号の印加停止により、圧力室の容積を戻して、インクを吐出させている。待機時に可変板に電圧を印加せず、インクを吐出させるときに可変板に電圧を印加するインクジェットヘッドを実現した。この構成によって、待機時に可変板に電圧を印加し続ける必要が無くなり、可変板の劣化を抑制できる。可変板の劣化を抑制して、インクジェットヘッドの寿命を長くすることができる。

本実施形態のインクジェットヘッドでは、容積可変板の曲げ剛性が、保護層の曲げ剛性より高くなっている。具体的には容積可変板は、窒化ケイ素で構成されている。窒化ケイ素は残留応力が少なく、また、曲げ剛性が高いため、インクジェットヘッドの駆動効率を高めることが可能である。さらに、インクを吐出するノズルが、容積可変板と保護層を貫通して設けられている。ノズル、容積可変板、保護層を一体的に形成することで、インクジェットヘッドを容易に製造可能になる。

（第２の実施形態）
図７を参照し、第２実施形態のインクジェットヘッド１を説明する。図７はインクジェットヘッド１をインク吐出面側から見た図になっている。アクチュエータ５がインク吐出面側から見て、長方形になっている。圧力室２０の横寸法Ｘ２は１２０μｍ、縦寸法Ｙ２は２４０μｍになっている。圧電素子は横１００μｍ、縦２２０μｍになっている。圧電素子３５の中央に直径２０μｍのノズル７が形成されている。断面の構造は図４に記載した構造と同じである。また、インクジェットプリンタ１の構造も図１の構造と同じである。

第２の実施形態のインクジェットヘッドでは、第１の実施形態のインクジェットヘッドで得られる効果を有している。さらに、Ｘ軸方向に長方形のアクチュエータ５を一列に配置することで、個別電極１１、共通電極１２の引き出し配線が容易になる。個別電極１１、共通電極１２が容易に作れることで、製造歩留まりが向上する。

（第３の実施形態）
図８、９を参照し、第３実施形態のインクジェットヘッド１を説明する。なお、インクジェットプリンタ１の構造は図１の構造と同じである。

図８（８−１）は、インクジェットヘッド１の複数の圧力室２０を示す平面図である。円筒形の圧力室２０の中心部にノズル７が配置されている。長方形の圧電素子３５は圧力室２０上部からずれた位置に配置されている。共通電極１２と個別電極１１が各圧電素子３５に接続されている。図８（８−２）は（８−１）をＢ方向から見た断面図である。図８（８−２）に示すように、インクジェットヘッド１は、圧力室２０が形成された基板３３と、圧力室２０の一方の面を形成するアクチュエータ５と、圧力室２０の他方の面を形成するノズルプレート４０を有している。すなわち、アクチュエータ５とノズル７が離れた構成になっている。図９は図８（８−２）のＡ−Ａ断面を示している。圧力室２０はアクチュエータ５の下部の圧力室２０ａに連通している。圧力室２０ａは基板３３内に作成したインク通路２０ｂを通して、インク供給部材４に連通している。アクチュエータ５は振動板１３の圧力室２０ａ側に、下部電極１４、圧電体膜１５、上部電極１６が積層された圧電素子３５を備えている。アクチュエータ５の振動板１３は曲げ剛性が大きい窒化ケイ素で出来ている。

アクチュエータ５の変形によって、インクに発生する圧力は圧力室２０ａと圧力室２０を通してノズル７からインクを吐出させる。長方形の圧電体膜１５に電圧を印加すると、圧電体膜１５が、面内方向において収縮する。圧電体膜１５が収縮すると、圧電体膜１５の上部の振動板１３は圧力室２０ａの容積が拡大するように変形する。電圧印加を停止すると、圧電体膜１５は元の形状にもどり、圧力室２０ａも元の容積に戻る。図５に示す駆動波形で圧電体膜１５を動作させている。この圧力室２０ａの容積変化によって起こるインク圧力の変化によって、引き打ち印字することが出来る。インクはインク供給口６から矢印に沿って流れノズル７から吐出される。

第３の実施形態のインクジェットヘッドにおいても、可変板（圧電体膜）の劣化を抑制して、インクジェットヘッドの寿命を長くすることができる。また、容積可変板（振動板）としての窒化ケイ素は残留応力が少なく、かつ、曲げ剛性が高いため、インクジェットヘッドの駆動効率を高めることが可能である。ノズルがノズルプレートに設けられている点が、第１、第２実施形態の構成と異なっている。第３の実施形態ではノズルプレート、基板、アクチュエータをそれぞれ別々に作成後、接着してインクジェットヘッドを作成する。別々に作成するため、ノズルプレート、基板、アクチュエータそれぞれを高精度に作ることが、可能である。

本発明の実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、 １Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１Ｄ インクジェットヘッド
２ アクチェータ基板
３ 駆動ＩＣ
４ インク供給部材
５ アクチュエータ
６ インク供給口
７ ノズル
１１ 個別電極
１２ 共通電極
１３ 振動板
１４ 下部電極
１５ 圧電体薄膜
１６ 上部電極
１７ 絶縁層
３２ コンタクトホール
１００ インクジェットプリンタ
１０２ 給紙カセット
１０３ 排紙トレイ
１０５ 保持ドラム
１１２ インク供給装置
１１３ インクタンク

Claims (5)

1. インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、
   前記圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、
   前記容積可変板と前記圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板と、
   印加することにより、前記可変板を面内方向に収縮させて、前記圧力室の容積を拡大させ、印加停止により、前記圧力室の容積を戻す前記電気信号を入力させる入力部と、を備えるインクジェットヘッド。
2. インクを吐出するノズルに連通する圧力室が形成された基板と、
   前記圧力室の容積を変化させインクに圧力変化を発生させる容積可変板と、
   前記容積可変板と前記圧力室の間に設けられ、外部から供給される電気信号に応じて、伸縮する可変板と、
   印加することにより、前記可変板を面内方向に収縮させて、前記圧力室の容積を拡大させ、印加停止により、前記圧力室の容積を戻す前記電気信号を発生する駆動回路と、を備えるインクジェットヘッド。
3. 前記可変板と前記圧力室間に保護層を備え、前記容積可変板の曲げ剛性が、前記保護層の曲げ剛性よりも大きい請求項１または２記載のインクジェットヘッド。
4. 前記電気信号は、正極性または負極性の単極電圧である請求項１乃至３の１項記載のインクジェットヘッド。
5. 前記電気信号は、０Ｖから第１の電圧に変化した後、前記第１の電圧と同極性で第１の電圧より低い第２の電圧に変化し、前記第２の電圧に変化した後に電圧を０Ｖに戻す請求項１乃至４の１項記載のインクジェットヘッド。