JP2003136733A

JP2003136733A - 圧電アクチュエータ駆動方法

Info

Publication number: JP2003136733A
Application number: JP2001331220A
Authority: JP
Inventors: Toshiji Sumiya; 利治住谷; Satoru Hida; 悟飛田; Yoshitaka Akiyama; 佳孝秋山
Original assignee: Hitachi Koki Co Ltd
Current assignee: Koki Holdings Co Ltd
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2001-10-29
Publication date: 2003-05-14

Abstract

(57)【要約】【課題】圧電体素子の不良叩き出し検査による、静電
容量のばらつき発生を最低限にする。【解決手段】圧電材料と導電材料から成る複数の圧電
体素子とこれを支持する支持基板とで構成される圧電ア
クチュエータを一定時間駆動することにより初期不良の
叩き出しを行う圧電アクチュエータの検査方法におい
て、圧電アクチュエータの温度が一様となるように、中
央部と両端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュ
エータの駆動方法を異ならせた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電アクチュエー
タ駆動方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、圧電体素子を用いた圧電アク
チュエータにより、圧力室を押圧し、ノズルからインク
を吐出させるインクジェットプリントヘッドが知られて
いる。このようなインクジェットプリントヘッドに用い
られる圧電体素子は、圧電体膜を下部電極と上部電極で
挟み込んだ構造が一般的に使用され、電極に電圧を印加
することによる圧電体膜の変位を利用している。

【０００３】圧電アクチュエータには柱状の圧電体素子
が複数本存在し、1本1本が圧力室を押圧し、インクを吐
出させる。圧電アクチュエータの不良はインクの吐出不
良を招くため、圧電アクチュエータの製造時に不良診断
を行っている。

【０００４】圧電体素子の不良診断方法にあたっては、
全本数まとめて一定時間、圧電体素子を駆動すること
で、微小なクラックなどの欠陥がある圧電体素子を破壊
し、静電容量・インピーダンス特性を測定することで、
不良圧電体素子の判別行なっていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来技
術の圧電体素子の不良叩き出し検査により、圧電体素子
の静電容量が変化し特性のばらつきを生じていた。その
理由を以下に説明する。不良叩き出し検査のために圧電
体素子の駆動を行なうと、圧電体素子が発熱し、圧電体
素子の分極が進み初期的に静電容量が上昇する。圧電ア
クチュエータ中央部と端部とでは温度上昇が異なり、温
度が高い中央部の圧電体素子内の原子の活性が高く分極
が進みやすいため、圧電アクチュエータの中央部と端部
とで静電容量にばらつきを生じる。

【０００６】静電容量にばらつきを生じると、圧電体素
子に流れる電流量、および変位量にばらつきを生じ、結
果として、吐出速度のばらつきとなり、印刷品質の低下
につながる。一度ばらついた静電容量を一様にするに
は、長時間圧電アクチュエータを駆動することで、端部
の分極を進めて、中央部と端部の差を小さくする必要が
あり、作業工程が大きくなりコスト高となっていた。

【０００７】本発明は、このような従来の問題点を解決
するもので、圧電体素子の不良叩き出し検査による、静
電容量のばらつき発生を最低限にする圧電アクチュエー
タ駆動方法を提供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、圧電材料と導電材料から成る複数の圧電体
素子とこれを支持する支持基板とで構成される圧電アク
チュエータを一定時間駆動することにより初期不良の叩
き出しを行う圧電アクチュエータの検査方法において、
圧電アクチュエータの温度が一様となるように、中央部
と両端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュエー
タの駆動方法が異なることを特徴とする。

【０００９】また、本発明によれば、圧電アクチュエー
タの両端部を加熱する手段を有することを特徴とする圧
電アクチュエータ固定装置が提供される。

【００１０】さらに本発明によれば、圧電アクチュエー
タ内の圧電体素子の並びが均等となるように分割駆動す
ることで、上記目的が達成される。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施例により説明
する。図１に本発明の第１実施例におけるインクジェッ
トプリントヘッの主要部の斜視図を示してある。図１に
おいて、２は複数のオリフィス１を形成したオリフィス
プレートである。オリフィス１の開口形状の加工精度は
インクジェットプリントヘッドのインク吐出特性に大き
な影響を及ぼす。複数のオリフィス１間においてこれら
のオリフィス精度ばらつきを低く押さえるためオリフィ
スプレート２の製法は高い加工精度が要求される。この
ためオリフィスプレート２はステンレスの精密プレス
法、レーザ加工法あるいはニッケルの電鋳加工等により
形成される。このオリフィスプレート２に圧力室３が形
成されたチャンバプレート４、及びインク供給路１０と
圧力室３とを連結し圧力室３へのインク流入を制御する
リストリクタ５を形成したリストリクタプレート６を、
位置決めして接合する。更に圧電アクチュエータ１３の
圧力を効率よく圧力室に伝えるための振動板７と共通イ
ンク通路１０からリストリクタ５に流入するインク中の
ゴミ等を取り除くフィルタ部８を形成したダイアフラム
プレート９と共通インク通路１０を形成したハウジング
１１を同じように位置決めして接合する。チャンバプレ
ート４、リストリクタプレート６、ダイアフラムプレー
ト９はステンレス材のエッチング加工法またはニッケル
材の電鋳加工法で作られる。ハウジング１１はステンレ
ス材の切削加工等で形成され、外部インクタンク１９か
らインクを共通インク通路１０まで導くインク導入パイ
プ２０が接合されている。最後に、複数の圧電体素子１
４とそれを固定する支持基板１６からなる圧電アクチュ
エータ１３を位置決めして接合する。圧電アクチュエー
タ１３は複数の圧電体素子１４からなり、各々の圧電体
素子１４は圧力室の一つずつに対応するようになってい
る。更には支持基板１６にはそれぞれの圧電体素子１４
に外部駆動回路２２から独立した電気信号を送るための
個別電極１７が形成されている。外部駆動回路２２から
選択的な電気信号が圧電体素子１４に印加されることに
より圧電体素子１４はひずみを生じる。圧電体素子１４
は高剛性の支持基板１６上に接合されているため、振動
板７に優先的に変位を与え圧力室３の圧力を高める。本
実施例にて説明するインクジェットプリントヘッドはこ
うした原理によってオリフィス１からインクを吐出して
記録媒体上にインク画像を形成する装置に用いられる。

【００１２】なお、本実施例においては、配列ピッチは
７５分の１インチで約３３８μｍとしたが、ノズル数、
列数、及びユニット構成はどの様に組み合わせてもよ
い。圧電アクチュエータ１３を製作する順序は、まず支
持基板１６に圧電体素子棒を複数本並べて接着固定す
る。その後、圧電体素子棒をダイシングソー、ワイヤソ
ー等を利用した切断により分割する。分割後、圧電体素
子１４に電圧を印可する。電界を印可することにより、
圧電体素子１４内の誘電体内の正イオンは陰極側に、負
イオンは陽極側にシフトして分極される。電界を除いた
後も、分極が残り、圧電体素子１４は誘電体コンデンサ
として電荷を蓄積する。分極は一度の電圧印可では完全
には進まず、電圧印可の繰り返しにより徐々に進む。

【００１３】図２は静電容量の時間変化を示すグラフで
ある。圧電体素子１４は駆動を行なうにつれて、分極が
進み静電容量が変化する。静電容量は駆動の初期に急激
に上昇し、以降ゆるやかに漸増する。分極の進む速さは
内部の原子の活性に依存し、温度により大きく異なり、
温度が高いと分極の進み方が速くなる。分極後、電圧を
印可すると圧電体素子１４はひずみを生じるようにな
り、アクチュエータとして機能する。

【００１４】一般に、圧電アクチュエータ１３は強度的
に弱いため、製作事における切断により柱状の圧電体素
子１４が折れたり、外観では判断できない内部破損が存
在する場合がある。インクジェットプリントヘッドは圧
電体素子１４の変形によりインクを吐出するため、圧電
体素子１４の破損は、インクの不吐出の原因となる。１
つの圧電アクチュエータ１３には複数の圧電体素子１４
があるため、圧電体素子１４の１つでも破損があると、
該当する圧電アクチュエータ１３は不良品として取り除
く必要がある。

【００１５】以上の理由から、圧電体素子１４の検査が
必要となる。圧電アクチュエータ１３の検査では、上記
分極を行なった後、一定時間、圧電アクチュエータ１３
を駆動する。なぜなら、外観では判断できない微小なク
ラックが圧電体素子１４に存在する場合、圧電アクチュ
エータ１３は駆動時にクラックが拡大し不良を発生しや
すいからである。したがって、検査時に、圧電アクチュ
エータ１３を駆動することで、クラックのある圧電アク
チュエータ１３を早期に破壊する。不良の叩き出し検査
を行なうことで、初期不良がより検出しやすくなる。

【００１６】不良品かどうかを検出する１つの方法とし
て、「静電容量」および「インピーダンス」の測定を実
施することが有効である。圧電アクチュエータ１３の圧
電体素子１４の静電容量およびインピーダンスを測定す
ることにより、電気的な異常として、圧電体素子１４の
折れなどの外観上の明白な異常だけでなく、外観では判
断できない内部破損も、検出することが可能である。

【００１７】図３は圧電アクチュエータ１３の不良叩き
出し検査における電気回路の概略図である。固定ジグ２
０に圧電アクチュエータ１３を固定し、外部配線２１を
経由して、外部駆動回路２２につなぐ。外部駆動回路２
２は、波形発生部２３と電力増幅部２４とスイッチング
装置２５からなり、波形発生部２３で圧電アクチュエー
タ１３を駆動する電圧波形３０を生成し、電力増幅部２
４で増幅し、スイッチング装置２５で選択した圧電体素
子１４に電気信号を印加する。コントローラ２６は波形
発生部２３の波形発生命令やスイッチング装置２５の制
御を行う。外部駆動回路２２やコントローラ２６は専用
のＩＣ基板でもよいし、汎用の電力増幅器や任意波形発
生器、パーソナルコンピュータの組合せでもよい。

【００１８】図４は従来の不良叩き出し検査における駆
動方法を示す図である。図４(a)に示すように、スイッ
チング装置２５では全ての圧電体素子１４を選択する。
図４（ｂ）は圧電体素子１４ごとの駆動電圧を示す。電
圧波形３０は、例えば台形波のような波形で、全圧電体
素子１４で同一である。圧電アクチュエータ１３を一定
時間駆動することで、微小なクラックが存在する圧電体
素子１４を破壊し、不良の叩き出しを行なう。

【００１９】圧電アクチュエータ１３を駆動すると、圧
電体素子１４は発熱する。圧電体素子１４内部の実効電
圧Ｖｅおよび実効電流Ｉeにより電力Ｗｈ＝αＶｅ・Ｉe（αは誘電体損失を表す係数）が熱に変換される。また、電極抵抗Ｒと実効電流Ｉｅか
ら電極でも電力Ｗｒ＝Ｉｅ^２・Ｒの発熱を生じる。圧電体素子１４の発熱による温度上昇
率は以下の式で表せる。（温度上昇率）＝（発熱量）／｛（比熱）・（比重）・
（体積）｝また、放熱による温度低下率は以下となる。（温度低下率）＝（放熱量）／｛（比熱）・（比重）・（体積）｝＝｛（熱伝達率）・（温度差）・（表面積）｝／｛（比熱）・（比重）・（体積）｝圧電体素子１４は「（温度上昇率）＝（温度低下率）」
の平衡状態となるまで温度が上昇する。ここで、隣接す
る圧電体素子１４を同時に駆動すると隣接する圧電体素
子１４側の面は熱が逃げにくく放熱量が小さくなる。従
って中央部と端部では平衡状態になる温度が異なり、端
部の圧電体素子１４の温度が中央部の圧電体素子１４の
温度に対し低くなる。

【００２０】圧電アクチュエータ１３の端部では圧電体
素子１４の温度上昇が中央部に対し低いため、不良叩き
出し検査の結果、圧電体素子１４の静電容量の上昇は中
央部に対し低くなる。

【００２１】図５は従来の不良叩き出し検査における、
不良叩き出し検査前後の圧電体素子１４の静電容量の変
化を示すグラフである。横軸が１つの圧電アクチュエー
タ１３における圧電体素子１４の番号を示し１番と３２
番が端部である。実験の結果、両端部の静電容量の上昇
率が低くばらつきを生じている。

【００２２】静電容量にばらつきを生じると、圧電体素
子１４に流れる電流量、および圧電体素子１４の変位量
にばらつきを生じ、結果として、インク吐出速度のばら
つきとなり、印刷品質の低下につながる。一度ばらつい
た静電容量を一様にするには、長時間圧電アクチュエー
タ１３を駆動することで、端部の分極を進めて、中央部
と端部の差を小さくする必要がある。

【００２３】そこで本発明では、圧電体素子１４の温度
が一様となるように圧電アクチュエータ１３の駆動方法
を制御する。

【００２４】図６は本発明の第２の実施例における、不
良叩き出し検査の電気回路の概略図である。圧電アクチ
ュエータ１３の中央部の圧電体素子１４とは別に、端部
の圧電体素子１４を駆動する複数の波形発生部２３ｂと
電力増幅部２４ｂを設ける。本実施例では、波形発生部
２３ｂおよび電力増幅部２４ｂを１つずつ増設している
が必要に応じて、さらに増やしてもよい。なお、端部の
波形を中央部と同じとする場合、第２の波形発生部２３
ｂは省略し、増幅率の異なる第２の電力増幅部２４ｂだ
けでもよい。

【００２５】図７は第２の実施例における不良叩き出し
検査の駆動方法を示す図である。スイッチング装置２５
は中央部と端部とでは別の回路とし、全ての圧電体素子
１４を選択する。別の回路とする圧電体素子１４は、図
に示す両端２本に限らず、従来の駆動方法で静電容量の
ばらつきが顕著となる範囲としてよい。

【００２６】図８は本実施例における電圧波形の一例で
ある。図８（ａ）に示すように圧電アクチュエータ１３
の中央部に対し、端部の最大電圧を高くすることで、図
８（ｂ）に示すように中央部の電圧波形３１に対し端部
の電圧波形３２は電圧の傾きが大きくなる。とりうる最
大電圧は中央部の電圧波形３１の最大電圧Ｖ_０より大き
くかつ圧電体素子１４が破損しない程度の大きさとす
る。

【００２７】圧電体素子１４の発熱量は圧電体素子１４
に流れる電流に比例する。圧電体素子１４に流れる電流
Ｉは以下の式で表せる。

【００２８】Ｉ＝ＣΔＶ／Δｔ（ただし、Ｃは静電容
量、ΔＶは電圧変化量、Δｔは変化時間）したがって、端部の圧電体素子１４を駆動する波形の傾
きを大きくすると、端部の発熱量が増大し、静電容量の
ばらつきの原因となる中央部と端部の温度差を低減する
ことができる。

【００２９】図８（ａ）では駆動電圧をＶ_０、Ｖ_１の２
段階としたが、図８（ｃ）に示すように駆動電圧を３段
階以上に増やし、より中央部と端部の温度差を低減して
もよい。さらに、図９に示すように、駆動電圧は同じに
して、圧電アクチュエータ１３端部の電圧波形３２の電
圧立ち上り時間や立ち下り時間を中央部の電圧波形３１
より短くすることで、電圧波形の傾きを大きくしてもよ
い。電圧の立ち上り、立ち下がり時間の最短時間は、電
力増幅部２４が追従できる時間までとすればよい。

【００３０】また、実効電圧Ｖｅおよび実効電流Ｉeは
駆動周波数の平方根に比例するため、発熱量は駆動周波
数に比例する。したがって、図１０に示すように、圧電
アクチュエータ１３端部の電圧波形３２の駆動周波数ｆ
_２（＝１／Ｔ_２）を、中央部の電圧波形３１の駆動周波
数ｆ_１（＝１／Ｔ_１）より高くしても同様の効果が得ら
れる。駆動周波数の範囲は中央部の電圧波形３１の周波
数より高く、圧電体素子１４が破損せずかつ電力増幅部
２４が追従できる周波数とすればよい。

【００３１】また、これら両端部あるいは両端部とその
付近の駆動電圧を大きくすること、立ち上がり立ち下が
り時間を短くすること、駆動周波数を高くすることを組
み合わせてもよい。

【００３２】図１１は本発明の第３の実施例である。圧
電アクチュエータ１３を固定するジグ２０に圧電体アク
チュエータ１３の両端部を加熱するヒータ２７を設け電
力供給部２８より電力を供給する。不良の叩き出し検査
時にヒータ２７にて加熱することにより、圧電アクチュ
エータ１３の端部の放熱量が小さくなり、端部の圧電体
素子１４の温度が上昇する。したがって、中央部と端部
の圧電体素子１４の温度差を低減することができる。

【００３３】ヒータ２７は、圧電アクチュエータ１３と
同種の圧電体素子でもよいし、電気抵抗を利用した発熱
装置でもよい。圧電体素子を用いる場合は、不良叩き出
し検査における駆動波形３０を利用してもよい。

【００３４】図１２は本発明の第４の実施例である。圧
電体素子１４の並びが均等となるように分割して駆動す
ることで、同時に駆動する圧電体素子１４同士の影響を
低減し、中央部と端部の温度差を低減するものである。
本実施例では、従来一度に行なっていた駆動を、偶数番
号の圧電体素子１４と奇数番号の圧電体素子１４とに二
度に分けて駆動する。本例では、２分割駆動している
が、隣接して駆動する圧電体素子１４の影響がより小さ
くなるよう、３分割、４分割と分割数を増やしてもよ
い。

【００３５】図１３は２分割駆動をした場合の、不良叩
き出し検査前後の圧電体素子１４の静電容量である。不
良叩き出し検査の際に生じる静電容量のばらつきが低減
されている。

【００３６】本実施例の利点は、コントローラ２６のス
イッチング装置２５への指令を変えるだけで、従来の装
置と、同じ構成で実施できる点である。

【００３７】なお、上記の実施例では、電圧波形３０は
台形波を用いたが、台形波だけでなく矩形波や三角波や
Ｓｉｎ波、これらが鈍った波形、さらにこれらを組合せ
た波形でもよい。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、圧
電アクチュエータの温度が中央部と端部とで一様となる
ようにすることにより、不良叩き出し検査によって生じ
る静電容量のばらつきを最低限にすることができる。こ
のため、静電容量のばらつきを小さくする工程を省略す
ることができ、コスト削減を計ることが可能になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例であるインクジェット
プリントヘッドの主要部の斜視図である。

【図２】静電容量の時間変化を示すグラフである。

【図３】従来の不良叩き出し検査における電気回路の
概略図である。

【図４】従来の不良叩き出し検査における駆動方法を
示す図である。

【図５】従来の不良叩き出し検査における検査前後の
静電容量の変化を示すグラフである。

【図６】本発明の第１の実施例における電気回路の概
略図である。

【図７】本発明の第２の実施例における不良叩き出し
検査の駆動方法を示す図である。

【図８】本発明の第１の実施例における電圧波形の例
を示す図である。

【図９】本発明の第１の実施例における別の電圧波形
の例を示す図である。

【図１０】本発明の第１の実施例おける別の電圧波形
の例を示す図である。

【図１１】本発明の第３の実施例における電気回路の
概略図である。

【図１２】本発明の第４の実施例における不良叩き出
し検査の駆動方法を示す図である。

【図１３】本発明の第４の実施例における不良叩き出
し検査前後の静電容量の変化を示すグラフである。

【符号の説明】

１３は圧電アクチュエータ、１４は圧電体素子、１６は
支持基板、２１は外部配線、２２は外部駆動回路、２３
は波形発生部、２４は電力増幅部、２５はスイッチング
装置、２６はコントローラ、２７はヒータ、３０は電圧
波形、３１は中央部電圧波形、３２は端部電圧波形であ
る。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2C057 AF93 AG16 AP13 AP14 AP22 AP23 AP38 AP82 AQ06

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧電材料と導電材料から成る複数の圧電体
素子とこれを支持する支持基板とで構成される圧電アク
チュエータを一定時間駆動することにより初期不良の叩
き出しを行う圧電アクチュエータの検査方法において、
圧電アクチュエータの温度が一様となるように、中央部
と両端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュエー
タの駆動方法が異なることを特徴とする圧電アクチュエ
ータ駆動方法。
【請求項２】前記圧電アクチュエータの中央部よりも両
端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュエータを
駆動させる最大電圧を大きくすることを特徴とする請求
項１記載の圧電アクチュエータ駆動方法。
【請求項３】前記圧電アクチュエータの中央部よりも両
端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュエータを
駆動させる電圧の立ち上り時間および立下り時間を短く
することを特徴とする請求項１、２記載の前記圧電アク
チュエータ駆動方法。
【請求項４】前記圧電アクチュエータの中央部よりも両
端部あるいは両端部とその付近の圧電アクチュエータを
駆動させる周波数を高くすることを特徴とする請求項
１、２記載の圧電アクチュエータ駆動方法。
【請求項５】圧電材料と導電材料から成る複数の圧電体
素子とこれを支持する支持基板とで構成される圧電アク
チュエータを一定時間駆動することにより初期不良の叩
き出しを行う圧電アクチュエータの検査方法において、
圧電アクチュエータの両端部に加熱手段を有することを
特徴とする圧電アクチュエータ駆動方法。
【請求項６】圧電材料と導電材料から成る複数の圧電体
素子とこれを支持する支持基板とで構成される圧電アク
チュエータを一定時間駆動することにより初期不良の叩
き出しを行う圧電アクチュエータの検査方法において、
圧電アクチュエータ内の圧電体素子の並びが均等となる
ように分割駆動することを特徴とする圧電アクチュエー
タ駆動方法。