JP2006142571A - 液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 インク等の液滴を吐出する場合に、そのノズル数に対して駆動用の制御回路の出力数を少なくすることができ、制御回路のコストダウンを図る。
【解決手段】 圧電アクチュエータ２の活性部２０の変位により、キャビティユニット１にて液体が充填された圧力室５の容積を変化させて、キャビティユニット１のノズル４から液滴を吐出させる液滴吐出装置において、圧電アクチュエータ２は、ｍ行×ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）に配置された各圧力室５と対応する位置で、複数の列に渡って連続し各行毎に独立した複数の第１の電極３２を有する層と、前記各圧力室５と対応する位置で複数の行に渡って連続し各列毎に独立した複数の第２の電極３５を有する層とを備え、第１の電極３２の任意の行と第２の電極３５の任意の列とに選択的に印加する電圧を制御し、該行と列とに対応する前記活性部２０を圧力室５に対して変位させる制御手段を備える。
【選択図】 図４

Description

本発明は、インクジェットヘッド等の液滴吐出装置に関するものである。

液滴吐出装置としては、例えば、インク滴を吐出させるインクジェットヘッドがある。インクジェットヘッドとしては、特許文献１等に、複数個のノズルとノズル毎に対応して設けられた圧力室とを備えたキャビティユニットと、前記圧力室の容積を変化させることのできる活性部を各圧力室毎に有する圧電アクチュエータと、圧電アクチュエータに駆動電圧を供給するフレキシブルフラットケーブルとを備えた構造が記載されている。

特許文献１では、キャビティユニットの背面側に複数の圧力室が設けられ、各圧力室に各活性部が個別に対応するように、キャビティユニットの背面側に圧電アクチュエータが配置されている。圧電アクチュエータは、各圧力室毎に対応して電気的に独立して設けられた個別電極の層と、全部の圧力室に共通して設けられたコモン電極の層とが、圧電材料からなる圧電層を挟んで交互に配置されており、個別電極とコモン電極とに挟まれた圧電層の領域が活性部となる。活性部の圧電層はその厚み方向に分極されているから、コモン電極を接地し個別電極に選択的に駆動電圧を印加することで、活性部の圧電層が厚み方向に伸縮し、対応する圧力室の容積を変化させる。圧力室にはインクが充填されているから、圧力室の容積変化に伴って、これに連通するノズルからインク滴が吐出される。

特許文献１では、４層の個別電極の層と３層のコモン電極の層とが設けられ、個別電極とコモン電極に挟まれた６層の圧電層が活性部となっている。従って、インクを吐出させる圧力室では、これに対応する４層の個別電極に同時に駆動電圧を印加すると活性部の圧電層が一斉に伸長する。そして、各圧電層の伸び量の和が、活性部全体の積層方向の伸び量となる。一方、インクを吐出させない圧力室では、対応する４層の個別電極全てに駆動電圧を印加しないので、活性部全体が全く伸縮せず、ひいては圧力室の容積を変化させることもない。なお、活性部の圧電層を一斉に縮小させることで、対応する圧力室に容積変化を与える場合もある。
特開２００２−５９５４７号公報（図５参照）

しかしながら、特許文献１では、駆動電圧が印加される個別電極は、各圧力室毎に対応し電気的に独立しているから、圧力室の数すなわちノズルの数だけ必要である。

例えば、ノズル数が１列当たり７５ノズルで２列に配列されたインクジェットヘッドの場合には、各電極に駆動電圧を印加する制御回路において、個別電極用の出力だけでも１５０本の出力数が必要となる。そのため、制御回路のコストが嵩むうえに、この制御回路の出力線が配線されるフレキシブルフラットケーブルでは、接続先のインクジェットヘッド自体が微小部品であるため、ケーブル内での出力線の配線を高密度にしなければならないという問題を有している。

また、インクジェットヘッドでは、記録のカラー化、高速化、高密度化等のために、１ヘッド当たりのノズル数が増加する傾向にある。上記従来の電極構成では、ノズルの列数が２倍（４列）になると、個別電極用の出力数も２倍（３００本）必要で、制御回路及びフレキシブルフラットケーブルのさらなるコストアップが避けられない。

本発明は、上記問題を解消するものであり、インク等の液滴を吐出する場合に、そのノズル数に対して駆動用の制御回路の出力数を少なくすることができ、制御回路のコストダウンを図ることのできる液滴吐出装置の実現を目的とする。

前記目的を達成するために、請求項１に記載の発明における液滴吐出装置は、複数のノズルと、各ノズル毎に設けられる圧力室とを有し、この圧力室がｍ行×ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）に配置されたキャビティユニットと、活性部を各圧力室毎に対応して有する圧電アクチュエータとを備え、前記活性部の変位により、液体が充填された前記圧力室の容積を変化させて、前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置において、前記活性部は、複数の電極層間に介挿された圧電材料からなり、前記複数の電極層は、前記各圧力室と対応する位置で複数の列に渡って連続し各行毎に独立した複数の第１の電極を有する層と、前記各圧力室と対応する位置で複数の行に渡って連続し各列毎に独立した複数の第２の電極を有する層とを備え、前記第１の電極の任意の行と前記第２の電極の任意の列とに選択的に印加する電圧を制御し、該行と列とに対応する前記活性部を前記圧力室に対して変位させる制御手段を備えるものである。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の液滴吐出装置において、前記圧電材料は、複数層あり、前記複数の電極層は、前記第１の電極及び第２の電極とそれぞれ前記圧電材料を介して対向する第３の電極を有する層を有し、前記制御手段は、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部、及び前記第２の電極と第３の電極との間の前記活性部をそれぞれ前記圧力室に対して変位させるように、前記第１の電極、第２の電極及び第３の電極へ印加する電圧を制御することを特徴とするものである。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、液滴を吐出させる前記圧力室に対して、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部、及び前記第２の電極と第３の電極との間の前記活性部の変位の和が所定値を超え、液滴を吐出させない前記圧力室に対して、前記両活性部の変位の和が所定値を超えないように、前記各行及び列に対する電圧を制御することを特徴とするものである。

また、請求項４に記載の発明は、請求項２または３に記載の液滴吐出装置において、前記圧電材料は、４層あり、前記各電極は、前記圧電材料の各層を順次挟んで、前記第３の電極、第１の電極、第３の電極、第２の電極及び第３の電極の順に配置されていることを特徴とするものである。

また、請求項５に記載の発明は、請求項２に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、第３の電極と少なくとも２つの前記圧力室に渡って連続した前記第１の電極との間に電圧を印加して、該２つの圧力室の一方が液滴を吐出させ、他方が液滴を吐出させないとき、前記一方の圧力室と対応する前記両電極間の活性部の変位にもとづいて前記液滴を吐出させ、前記他方の前記圧力室と対応する前記第２の電極と第３の電極との間に、前記電圧による前記第１の電極と第３の電極との間の活性部の変位方向とは反対方向の変位を生じさせる電圧を印加し、前記液滴を吐出させないことを特徴とするものである。

また、請求項６に記載の発明は、請求項５に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、前記他方の前記圧力室と対応する前記第３の電極に、前記第１の電極に印加した電圧による前記活性部の変位を減少させ、かつ前記第２の電極と前記第３の電極との間の活性部に、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部の変位方向とは反対方向の変位を生じさせる電圧を印加することを特徴とするものである。

また、請求項７に記載の発明は、請求項２から６のいずれかに記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、前記第１、第２及び第３の電極に印加する電圧値を、所定の比率に設定していることを特徴とするものである。

また、請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、前記第１電極に印加する電圧値に対して前記第２及び第３の電極に印加する電圧値を低い一定の値に設定していることを特徴とするものである。

また、請求項９に記載の発明は、請求項７に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、前記第１、第２及び第３の電極に、それぞれ所定の電圧を印加あるいはその印加を停止するものである。

また、請求項１０に記載の発明は、請求項１に記載の液滴吐出装置において、前記第１の電極の行と前記第２の電極の列とに挟まれた各位置に前記活性部を有し、前記制御手段は、前記両電極の行と列とに選択的に電圧を制御することで、前記活性部を前記圧力室に対して変位させることを特徴とするものである。

また、請求項１１に記載の発明は、請求項１０に記載の液滴吐出装置において、前記制御手段は、第２の電極と少なくとも２つの前記圧力室に渡って連続した第１の電極との間に電圧を印加して、該２つの圧力室の一方が液滴を吐出させ、他方が液滴を吐出させないとき、前記一方の圧力室と対応する前記第２の電極と、前記他方の圧力室と対応する前記第２の電極とに印加する電圧を異ならせることを特徴とするものである。

請求項１に記載の発明によれば、第１の電極層は、圧力室の複数の列に渡って連続して設けられているから、異なる列に並ぶ複数の圧力室に対して、第１の電極は共通で使用され、また、第２の電極は、圧力室の複数の行に渡って連続しているから、異なる行に並ぶ複数の圧力室に対して、第２の電極は共通で使用される。そして、第１の電極の任意の行と第２の電極の任意の列とに選択的に印加する電圧を制御することで、該行と列とに対応する活性部が変位される。すなわち、１つの電極を複数の圧力室に対応させるから、電気的に独立して設けられる電極の数を、圧力室数（ノズル数）よりも少なくできるので、制御手段における出力数を減らして制御回路のコストダウンを図ることができる。また、制御手段の出力がフレキシブルフラットケーブルに配線される場合には、その配線密度を緩和できるという効果も奏する。

請求項２に記載の発明によれば、制御手段は、活性部のうちの、第１の電極と第３の電極との間の活性部と、第２の電極と第３の電極との間の活性部とを分けて、それぞれに変位量や変位方向を変えることが可能となる。従って、圧力室毎に電気的に独立した電極を設けていなくても、第１の電極と第３の電極との間の活性部の変位と、第２の電極と第３の電極との間の活性部の変位とを組み合せることにより、圧力室毎に選択的に異なる変位を与えることが可能となる。

請求項３に記載の発明によれば、圧力室毎に電気的に独立した電極を設けていないから、液滴を吐出させる圧力室に対応する電極への電圧の印加に伴って、液滴を吐出させない圧力室に対応する電極にも電圧が印加されてその活性部でも変位が生じる場合があるが、この液滴を吐出させない活性部の変位の和が所定値を超えないように、これに対応する他の電極への電圧の印加を制御することで、ノズルからの吐出、非吐出を選択的に行うことが可能となる。

請求項４に記載の発明によれば、４層ある圧電材料のうちの２層の変位は、第１の電極と第３の電極との間に印加される電圧により制御することができ、残りの２層の変位は、第２の電極と第３の電極との間に印加される電圧により制御することができる。

請求項５に記載の発明によれば、前記他方の圧力室に対応する第１の電極が、前記一方の圧力室に対応する第１の電極に連続しているためにその影響を受けていても、前記他方の圧力室に対しては、これに対応する第２の電極と第３の電極との間の活性部に、第１の電極と第３の電極との間の活性部の変位方向とは反対方向の変位を生じさせるから、活性部全体の変位の和を所定値を超えないように小さくすることができる。

請求項６に記載の発明によれば、前記他方の圧力室に対応する活性部では、前記一方の圧力室に対応する活性部に比べて、第１の電極と第３の電極との間で変位の絶対量を小さくし且つ第２の電極と第３の電極との間で変位の方向を逆にするように、印加する電圧を制御するから、活性部全体の変位の和を所定値を超えない小さい値に抑えることができる。

請求項７に記載の発明によれば、各電極に印加する電圧値が所定の比率に設定されているから、制御手段にて各電圧値の設定をする際の、電圧値の分配が容易になる。

請求項８に記載の発明によれば、第１の電極と第３の電極との間の電位差が大きくなるから、液滴を吐出させる前記一方の圧力室で、第１の電極と第３の電極との間に電圧を印加したときに、この電極間の１層当たりの変位を大きくできる。

請求項９に記載の発明によれば、制御手段は、各電極への電圧の印加、及び各電極への電圧の印加を停止を組み合せて行うことで、各活性部の変位を選択的に制御する。

請求項１０に記載の発明によれば、制御手段は、複数の列に渡って連続した第１の電極と複数の行に渡って連続した第２の電極とを制御するだけであるから、制御回路を簡易化し、そのコストを低減することができる。また、制御手段の出力がフレキシブルフラットケーブルに配線される場合には、その配線密度を緩和できるという効果も奏する。

請求項１１に記載の発明によれば、前記一方の圧力室と対応する第２の電極に印加する電圧と、前記他方の圧力室と対応する第２の電極に印加する電圧とを異ならせるという簡単な制御により、圧力室毎に選択的に異なる変位を与えることが可能となる。

以下に、本発明の基本的な実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明を適用した第１実施形態のインクジェットヘッドの分解斜視図、図２はキャビティユニットの分解斜視図、図３はキャビティユニットの拡大分解斜視図、図４は圧電アクチュエータの分解斜視図、図５（ａ）はコモン電極層の平面図、図５（ｂ）は列別電極層の平面図、図５（ｃ）は行別電極層の平面図、図６は電極と圧力室との重なりを示す平面図、図７は図１のVII −VII 線矢視における積層状態での断面図、図８は図１のVIII−VIII線矢視断面図、図９は制御手段のブロック図、図１０（ａ）は駆動電圧の設定と伸縮量の関係の一例を示す図、図１０（ｂ）は各列各行に付した名称の説明図、図１１（ａ）〜図１１（ｃ）は具体的な実施例における駆動電圧の設定と伸縮量の関係を示す図である。

本発明を適用したインクジェットヘッド１００では、図１に示ように、前面（図１では下面）に配列された複数のノズル４と各ノズル４毎に設けられる圧力室５とを有するキャビティユニット１の背面（図１では上面）に、活性部２０を各圧力室５毎に対応して有する圧電アクチュエータ２が接合され、この圧電アクチュエータ２の背面には、圧電アクチュエータ２に駆動電圧を供給するフレキシブルフラットケーブル３が重ね接合される。そして、キャビティユニット１に開口されたノズル４から、下向きにインクが吐出するものとする（図８参照）。

キャビティユニット１は、図２及び図３に示すように、ノズルプレート１１、２枚のマニホールドプレート１２ａ、１２ｂ、ベースプレート１３、及びキャビティプレート１４の合計５枚の薄い平板を、その各平板面が対向するように接着剤を介して積層し、重ね接合した構造となっている。

最下層のノズルプレート１１には、インク吐出用の微小径のノズル４が微小間隔で多数個穿設されている。そして、各ノズル４に対応して、最上層のキャビティプレート１４には、圧力室５が、ｍ行×ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）に配列されている。実施形態では、ノズル４及び圧力室５はいずれも、７５（ｍ＝７５）行×２（ｎ＝２）列で配列しているとするが、各図では、ノズル４及び圧力室５の行数を省略して記載している。ノズル４及び圧力室５は、ノズルプレート１１及びキャビティプレート１４の長辺方向（Ｘ方向）である第１の方向に沿って７５行が並び、第１の方向に直交する第２の方向としての短辺方向（Ｙ方向）に沿って２列が並んで配置され、前記２列は千鳥配列状になっている。

各圧力室５は、略細長形状で、その長手方向がキャビティプレート１４の短辺方向（第２の方向、Ｙ方向）に沿うようにして設けられ、各圧力室５における一端部５ａは、べースプレート１３及び２枚のマニホールドプレート１２ａ、１２ｂに、同じく千鳥配列状に穿設されている微小径の連通孔６を介して、ノズルプレート１１における各ノズル４に連通している。各圧力室５の他端部５ｂは、ベースプレート１３の長辺寄りの両側部位に穿設された貫通孔８を介して、後述する共通インク室７に連通している。なお、他端部５ｂは、図３に示すように、キャビティプレート１４の下面側にのみ開口するように凹み形成されているものである。

２枚のマニホールドプレート１２ａ、１２ｂには、その長辺方向（Ｘ方向）に沿って長い２つの共通インク室７が、前記ノズル４の各列に沿って延びるように形成されている。図２及び図３に示すように、下方のマニホールドプレート１２ａに設けられた上面開口の長い凹みに、上方のマニホールドプレート１２ｂに穿設された長穴を重ね、さらにベースプレート１３を積層することで、２つの共通インク室７が密閉状に形成される。各共通インク室７は、各プレートの積層方向から平面視したときに、前記各圧力室５の一部と重なって長辺方向（Ｘ方向）に長く延びている。

また、図２に示すように、キャビティプレート１４の一方の短辺寄りには、キャビティユニット１へのインクの入口として２つインク供給口９が穿設されている。これら２つのインク供給口９は、ベースプレート１３に穿設された開口を介して、共通インク室７の長手方向の一端部に接続されている。また、インク供給口９の上面には、インク供給源からのインクに含まれる塵等を除去するために、フィルタ体１６が接着剤等で貼着されている。

実施形態では、各プレート１１〜１４は５０〜１５０μｍ程度の厚さを有し、ノズルプレート１１はポリイミド等の合成樹脂製で、その他のプレート１２〜１４は４２％ニッケル合金鋼板製である。またノズル径は２５μｍ程度である。

これにより、インク供給口９からノズル４に至るインク流通路では、インク供給源からのインクが、インク供給口９から共通インク室７に供給された後、ベースプレート１３の貫通孔８を介して各圧力室５に分配供給される。そして、圧電アクチュエータ２の駆動により、インクは各圧力室５内から前記連通孔６を通って、その圧力室に対応するノズル４に至るという構成になっている（図２、図３及び図８参照）。

一方、圧電アクチュエータ２は、図７に示すように、各圧力室５毎に対応する位置に、電極間に挟まれた活性部２０を有し、活性部２０の変位により、インクが充填された圧力室５の容積を変化させるように構成されている。圧電アクチュエータ２は、圧電材料からなる圧電シートの広幅面の上面に導電ペーストによる電極パターンが形成されたものが複数枚積層、焼成されて一体化されている。第１実施形態では、圧電アクチュエータ２全体としては、図４及び図７に示すように、全部で７枚の圧電シートが重ねられて焼成され、７層の圧電層２１〜２７が形成されているが、そのうち活性部２０は、５層の電極層の間に介挿された４層の圧電層２２〜２５で構成されている。

電極層としては、図４に示すように、７層の圧電層２１〜２７のうち、まず下から２層目の圧電層２２の上面には、第１の電極として、各圧力室５に対応する形状の第１個別電極部３１を、複数の列に渡って（第２の方向、Ｙ方向）連続し各行ごとに独立した形状の行別電極３２が形成されている。従って、行別電極３２は、圧力室５の行数分（ｍ個）に電気的に分割された形状となっている（図５（ｃ）及び図６参照）。行別電極３２の各行はいずれも、圧電アクチュエータ２の一方の長辺側の端縁にまで延長されており、この延長部分は、前記一方の長辺側に対応する圧電アクチュエータ２の側面（広幅面に直交する面）に上下方向に延びて設けられた側面電極３６（図１参照）を介して、後述する最上面の表面電極のうちの行別電極３２に対応する部分にそれぞれ電気的に接続されている。

また、下から４層目の圧電層２４の上面には、第２の電極として、各圧力室５に対応する形状の第２個別電極部３３を、複数の行に渡って（第１の方向、Ｘ方向）連続し各列毎に独立した形状の列別電極３４が形成されている。従って、列別電極３４は、圧力室５の列数分（ｎ個）に電気的に分割された形状となっている（図５（ｂ）及び図６参照）。列別電極３４の各列はいずれも、圧電アクチュエータ２の一方の短辺側の端縁にまで延長されており、この延長部分は、前記一方の短辺側に対応する圧電アクチュエータ２の側面に上下方向に延びて設けられた側面電極３７（図１参照）を介して、後述する最上面の表面電極のうちの列別電極３４に対応する部分にそれぞれ電気的に接続されている。

また、下から１層目、３層目、及び５層目の圧電層２１、２３、２５の上面には、前記行別電極３２及び列別電極３４とそれぞれ対向するように、第３の電極としてコモン電極３５が形成されている。この実施形態では、コモン電極３５は、各圧力室５の列毎（ｎ列）に、列全体を覆う形状に設けられており、各層では圧力室５の列数分（ｎ個）に電気的に分割された形状となっている（図５（ａ）及び図６参照）。なお、各層のコモン電極３５は、列別電極３４と同様の第２個別電極部３３を有する形状であってもよい。そして、コモン電極３５の各列はいずれも、圧電アクチュエータ２における、列別電極３４が延長された側とは反対の他方の短辺側の端縁にまで延長されている。この延長部分は、前記他方の短辺側に対応する圧電アクチュエータ２の側面に上下方向に延びて設けられた側面電極３８（図１参照）を介して、後述する最上面の表面電極のうちのコモン電極３５に対応する部分にそれぞれ電気的に接続されている。圧電層２１、２３、２５の各層上に形成されたコモン電極３５は、上下に対応する電極同士が側面電極３８によって電気的に接続されている。そのため、コモン電極３５は、電気的には全体としてｎ個に分割されている。

７層目（最上層）の圧電層２７の上面には、フレキシブルフラットケーブル３との電気的な接続のために、表面電極３９（図１参照）が形成されている。この表面電極は、前述のｍ個の行別電極３２、ｎ個の列別電極３４、及びｎ個のコモン電極３５のそれぞれに対応して独立して形成されており、フレキシブルフラットケーブル３から送られた駆動電圧をそれぞれに選択的に印加できるように構成されている。

このように構成された圧電層の分極処理は、行列電極３２及び列別電極３４と、３層の各コモン電極３５との間に、行列電極３２からコモン電極３５方向、及び列別電極３４からコモン電極３５方向の電界が生じるように、後述する駆動電圧よりも高電圧を印加すると、各電極間に挟まれる部分の圧電層は、上記電界の方向（図７に矢印で示す）に分極され、活性部２０として形成される。これにより、行別電極３２とコモン電極３５との間に、行別電極３２が高電位となるように駆動電圧を印加すると、行別電極３２とコモン電極３５とに上下を挟まれた圧電層２２、２３の活性部２０に分極方向に対して順方向の電界が生じ、該活性部２０は積層方向に伸長し、行別電極３２が低電位となるように駆動電圧を印加すると、前記活性部２０に分極方向と逆方向の電界が生じ、該活性部２０は積層方向に縮小する。同じく列別電極３４とコモン電極３５との間に、列別電極３４が高電位となるように駆動電圧を印加すると、列別電極３４とコモン電極３５とに上下を挟まれた圧電層２４、２５の活性部２０が伸長し、列別電極３４が低電位となるように駆動電圧を印加すると、前記活性部２０が縮小する。

７層の圧電層のうち、下から６層目、７層目（最上層）の圧電層２６、２７は、分極処理が施されずに、伸縮変形しない拘束部として形成されている。活性部２０の上方に拘束部を設けることで、活性部２０を下面側となる圧力室５側へ変位させている。

次に、各電極に印加する駆動電圧を制御するための制御手段の構成を、図９に基づいて説明する。この制御手段は、フレキシブルフラットケーブル３上に配置されるＬＳＩチップ４０として設けられている。これに、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５のそれぞれに対応する表面電極が接続されている。また、ＬＳＩチップ４０には、クロックライン４１、データライン４２、電圧ライン４３及びアースライン４４も接続されている。ＬＳＩチップ４０は、クロックライン４１から供給されるクロックパルスに基づいて、データライン４２上に現れるデータから、どのノズル４にてインクを吐出するべきかを判断し、インクを吐出させる活性部２０と、インクを吐出させない活性部２０とに対して、対応する電極へ印加する駆動電圧の制御を行う。すなわち、インクの吐出の有無に応じて、対応する活性部２０の行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５のそれぞれに対して、電圧ライン４３に基づく駆動電圧の印加やアースライン４４への接続を選択的に行う。

第１実施形態の構成によるインクジェットヘッド１００の駆動方法について、図１０（ａ）及び図１０（ｂ）を用いて説明する。図１０（ｂ）は、ノズル４の各列各行を識別するために付した名称を説明する図であり、各列にＡ列、Ｂ列と付し、各行に１ｃｈ、２ｃｈ、３ｃｈ・・・ｍｃｈと付すが、各ノズル４に対応する圧力室５及び活性部２０を識別する際にも使用するものとする。活性部２０の図１０（ａ）は、Ａ列１ｃｈ、Ａ列２ｃｈ、Ｂ列１ｃｈ、及びＢ列２ｃｈの４つのノズル４（圧力室５）を例示して、Ａ列１ｃｈのノズル４のみインクを吐出させ、その他のノズル４ではインクを非吐出とする場合についての、各電極に対する駆動電圧の設定と活性部２０の変位量との関係を示している。

行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５に印加する駆動電圧は、所定の比率で設定されており、図１０（ａ）に示す例では、前記各駆動電圧の比率は２：１：１で、行別電極３２の駆動電圧が最も高く設定されている。なお、この駆動電圧の比率は一例であり、これに限定するものではない。図１０（ａ）では、列別電極３４及びコモン電極３５に印加する駆動電圧を「＋Ｖ」としたとき、行別電極３２に印加する駆動電圧を「＋２Ｖ」とする。また、駆動電圧の印加を制御した結果得られた活性部２０の変位は、積層方向に伸長する場合の「＋」及び縮小する場合の「−」に、電位差２Ｖで生じる変位量「２」及び電位差Ｖで生じる変位量「１」を組み合わせて表示し、変位しない場合には「０」で表示している。すなわち、変位「＋２」の表示は電位差２Ｖに基づく変位量が圧電層の伸びる方向に発生し、変位「−１」の表示は電位差Ｖに基づく変位量が圧電層の縮む方向に発生していることを示している。そして、このインクジェットヘッド１００は、活性部２０の変位の合計が「＋５」を超えたら、インクを吐出させることができるものである。

また、同一ｃｈに配置されたノズル同士のうち、本来非吐出であるべきノズルが、吐出ノズルへの駆動電圧の印加の影響を受けて吐出してしまうことを避けるために、各列への駆動電圧の印加は、互いにタイミングをずらして行われる。

Ａ列１ｃｈでインクを吐出するとき、図１０（ａ）に示すように、行別電極３２に駆動電圧「＋２Ｖ」を印加し、列別電極３４に駆動電圧「＋Ｖ」を印加し、コモン電極３５を駆動電圧「０」とする、すなわちアースラインに接続する。その結果、Ａ列１ｃｈに対応する位置において、２層目〜５層目の圧電層２２〜２５のうち、行別電極３２とコモン電極３５とに挟まれた２層目及び３層目の圧電層２２、２３の活性部２０では、行別電極３２がコモン電極３５よりも電位差２Ｖで高電位となるので変位が各々「＋２」となり、列別電極３４とコモン電極３５とに挟まれた圧電層２４、２５の活性部２０では、列別電極３４がコモン電極３５よりも電位差Ｖで高電位となるので変位が各々「＋１」となる。従って、Ａ列１ｃｈの活性部２０全体の変位は、吐出に必要な所定値を超えた「＋６」となる。

前記Ａ列１ｃｈに対応する行別電極３２は、Ｂ列１ｃｈにも跨って連続しているため、Ｂ列１ｃｈに対応する行別電極３２には、Ａ列１ｃｈを吐出させることに伴って、駆動電圧「＋２Ｖ」が印加されることになる。そのため、Ｂ列１ｃｈではコモン電極３５に駆動電圧「＋Ｖ」を印加することで、２層目及び３層目の圧電層２２、２３の活性部２０に作用する電位差が分極方向と順方向のＶとなって、その変位が各々、Ａ列１ｃｈの活性部２０の変位よりも小さい「＋１」となる。一方、４層目及び５層目の圧電層２４、２５の活性部２０には、分極方向と逆方向の電界が生じ、上記２層目及び３層目の圧電層の活性部２０の伸長変位と反対に縮小変位、すなわち「−１」の変位を生じさせている。その結果、Ｂ列１ｃｈでは、活性部２０全体の変位としては、吐出に必要な所定値を超えない「０」となる。

また、前記Ａ列１ｃｈに対応する列別電極３４及びコモン電極３５は、Ａ列２ｃｈにも跨って連続しているため、Ａ列１ｃｈを吐出させることに伴って、Ａ列２ｃｈの列別電極３４には駆動電圧「＋Ｖ」が印加されている。そのため、Ａ列２ｃｈでは、行別電極３２の駆動電圧を「０」、すなわちアースラインに接続することで、Ａ列２ｃｈでの２層目及び３層目の圧電層２２，２３の活性部２０の変位が「０」、４層目及び５層目の圧電層２４、２５の活性部２０の変位が分極方向と順方向に各々「＋１」となる。その結果、Ａ列２ｃｈでは、活性部２０全体の変位としては、吐出に必要な所定値を超えない「＋２」となる。

また、Ｂ列２ｃｈでは、Ｂ列１ｃｈの列別電極３４及びコモン電極３５が連続し、またＡ列２ｃｈの行別電極３２が連続しているため、Ｂ列２ｃｈの駆動電圧としては、必然的に行別電極３２と列別電極３４が「０」となり、コモン電極３５に「＋Ｖ」が印加される。その結果、Ｂ列２ｃｈでは、各圧電層２２〜２５に分極方向と逆方向の電界が生じ、各々縮小変位し、活性部２０全体の変位量としては、吐出に必要な所定値を超えない「−４」となる。

このように、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５への駆動電圧の印加を制御することで、ノズル４からのインク滴の吐出、非吐出を選択的に行うことができる。なお、図１０（ａ）では、Ａ列１ｃｈのみを吐出させる場合を示しているが、Ａ列の他の任意のｃｈあるいは全部のｃｈを吐出させる場合には、吐出させるｃｈを１ｃｈと同様の設定にすればよく、吐出させない場合には２ｃｈと同様の設定にすればよい。また、Ｂ列を吐出させる場合は、図１０（ａ）のＡ列の設定とＢ列の設定とを入れ替えればよい。

なお、この実施形態では、上記のように活性部２０が伸長したときに、圧力室５のインクを押して吐出させるようにしているが、すべての圧力室の活性部を上記のように電圧を印加して圧力室５側に伸長した状態とし、吐出させようとする圧力室の活性部への電圧の印加を停止することで圧力室５の容積を一旦拡大した後、再び活性部を伸長して圧力室５のインクを押すようにしてもよい。この場合も、各電極で変化させる電圧の比を上記のようにする。

また、第１実施形態の５層の電極層と各電極層間に介挿された４層の圧電層を１つの積層組として、この積層組を積層方向に複数重ねて、各活性部２０の積層方向の変位の和がさらに大きくなるように構成してもよい。

上記構成の第１実施形態では、制御手段に必要な出力数は、ｍ個の行別電極３２と、ｎ個の列別電極３４と、ｎ個のコモン電極とに印加するために合計（ｍ＋ｎ＋ｎ）本でよい。ｍ＝７５、ｎ＝２の場合には、制御手段における出力数は７９本となり、同じノズル配列の従来例で出力数が１５０本必要であったことに比べると、大幅に制御手段の出力数を減らすことができる。従って、第１実施形態では、制御回路の簡易化を図れるため、コストを削減することができる。

また、この第１実施形態では、ノズルの列数が仮に４列（ｍ＝７５、ｎ＝４）となり、全ノズル数が２倍になっても、制御手段における出力数は８３本でよい。すなわち、ノズル数が大幅に増加しても、制御手段における出力数は僅かしか増加しないため、インクジェットヘッドンのカラー化、高速化、高密度化等に伴ってノズル数が増加しても、制御回路のコストアップを抑制することができる。

さらに、制御回路の出力数が少ないため、この出力線が配線されフレキシブルフラットケーブル３では、配線密度を緩和でき、出力線の極細化等を防止することができる。

次に、駆動電圧の印加の制御の具体的な実施例について例示する。実施例１〜３は、１Ｖの電位差で０．２５ｎｍ変位する圧電層を用いたインクジェットヘッド１００において、図１０（ａ）と同様の制御を実施した場合の計算結果である。

図１１（ａ）に示す実施例１は、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５の駆動電圧の比率を、図１０（ａ）と同じ２：１：１にして、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５の各駆動電圧値は、２０．００Ｖ、１０．００Ｖ、１０．００Ｖとしている。実施例１の駆動電圧値で図１０（ａ）と同様の印加の制御を行うと、インクを吐出させたいＡ列１ｃｈの活性部２０ではその合計の変位が吐出に必要な値を超えた１５．００ｎｍとなるが、インクを吐出させたくない他のノズル４の活性部２０ではいずれも合計の変位が吐出に必要な値（１０．２５ｎｍ）を超えないことが確認できた。

図１１（ｂ）に示す実施例２では、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５の駆動電圧の比率を、図１０（ａ）とは異なる４：２：１にして、行別電極３２、列別電極３４、及びコモン電極３５の各駆動電圧値は、２０．００Ｖ、１０．００Ｖ、５．００Ｖとしている。実施例２の駆動電圧値でも図１０（ａ）と同様の印加の制御を行うと、インクを吐出させたいＡ列１ｃｈの活性部２０ではその合計の変位が吐出に必要な値を超えた１５．００ｎｍとなるが、インクを吐出させたくない他のノズル４の活性部２０ではいずれも合計の変位が吐出に必要な値を超えないことが確認できた。

図１１（ｃ）に示す実施例３は、図１０（ａ）に示したコモン電極３５の設定を変形させた例である。実施例３のコモン電極３５は、図１０（ａ）に示すコモン電極３５と同じ条件時に駆動電圧が印加されるが、１、３、及び５層目の圧電層２１、２３、２５の上面に形成された３層のコモン電極３５に、各層毎に異なる駆動電圧値を設定し、個別に印加できるように構成している。図１１（ｃ）では、３層のコモン電極３５をそれぞれ、下コモン電極３５、中コモン電極３５、上コモン電極３５と記載している。そして、行別電極３２、列別電極３４、上コモン電極３５、中コモン電極３５、下コモン電極３５の駆動電圧の比率を、４：２：２：１．５：−１として、行別電極３２、列別電極３４、上コモン電極３５、中コモン電極３５、下コモン電極３５の各駆動電圧値は、２０．００Ｖ、１０．００Ｖ、１０．００Ｖ、７．５０Ｖ、−５．００Ｖとしている。この実施例３でも図１０（ａ）と同様の印加の制御を行うと、インクを吐出させたいＡ列１ｃｈの活性部２０ではその合計の変位が吐出に必要な値を超えた１５．００ｎｍとなるが、インクを吐出させたくない他のノズル４の活性部２０ではいずれも合計の変位が吐出に必要な値を超えないことが確認できた。

次に、本発明を適用したインクジェットヘッドの第２の実施形態について説明する。図１２は第２実施形態の圧電アクチュエータの分解斜視図、図１３は図７に相当する断面図、図１４は第２実施形態の駆動電圧の設定と伸縮量の関係の一例を示す図である。第２実施形態は第１実施形態の変形例であるため、同様の構造には同一符号を付し、詳細な説明は省略する。

第１実施形態では、活性部２０に３種類の電極層として、第１の電極である行別電極３２、第２の電極である列別電極３４、第３の電極であるコモン電極３５を設けたが、第２実施形態の電極層は、第３の電極であるコモン電極３４を設けずに、第１の電極である行別電極３２と第２の電極である列別電極３４との２種類で構成することを特徴としている。

第２実施形態の圧電アクチュエータ２も、図１２に示すように、７層の圧電層２１〜２７により構成されているが、１層目、３層目、及び５層目の圧電層２１、２３、２５の各上面には、列別電極３４が設けられ、２層目及び４層目の圧電層２２、２４の各上面には、行別電極３２が設けられている。７層目の上面には各列別電極３４及び各行別電極３２に対応する表面電極（図示せず）が設けられるとともに、６層目及び７層目は第１実施形態と同じ拘束部となっている。そして、行別電極３２を列別電極３４よりも高電位にして分極処理を施して、圧電層２２〜２５を行別電極３２から列別電極３４に向かう方向（図１２の矢印に示す分極方向）に分極し、活性部２０を積層方向に伸縮可能に形成している。

上記第２実施形態の構成によるインクジェットヘッドの駆動方法について、図１４を用いて説明する。各行各列の名称は図１０（ｂ）と同じであり、図１４でも、Ａ列１ｃｈ、Ａ列２ｃｈ、Ｂ列１ｃｈ、及びＢ列２ｃｈを例示して、Ａ列１ｃｈのノズルのみインクを吐出、その他のノズルを非吐出とする場合についての、各電極に対する駆動電圧の設定と活性部２０の変位量との関係の一例を示している。このインクジェットヘッド１００の場合では、活性部２０の変位の合計が「＋５」を超えたら、インクを吐出させることができるものとする。

インクを吐出するＡ列１ｃｈでは、行別電極３２に駆動電圧「＋Ｖ」を印加し、列別電極３４に駆動電圧「−Ｖ」を印加すると、２層目〜５層目の圧電層２２〜２５は、すべて行別電極３２が分極方向と順方向に列別電極３４よりも電位差２Ｖで高電位となるので各変位が各々「＋２」となる。その結果、活性部２０全体の変位としては、吐出に必要な値を超えた「＋６」が得られる。

一方、Ａ列１ｃｈの行別電極３２は、Ｂ列１ｃｈにも跨って連続しているため、Ｂ列１ｃｈの行別電極３２には、Ａ列１ｃｈを吐出させることに伴って、駆動電圧「＋Ｖ」が印加されることになる。そのため、Ｂ列１ｃｈの列別電極３４の駆動電圧を「０」として、Ａ列１ｃｈの列別電極３４の駆動電圧とは異ならせ、圧電層２２〜２５の各変位が「＋１」になるようにしている。その結果、Ｂ列１ｃｈでは、活性部２０全体の変位が吐出に必要な変位を超えない「＋４」となり、非吐出となる。

また、Ａ列１ｃｈの列別電極３４には、Ａ列２ｃｈにも跨って連続しているため、Ａ列１ｃｈを吐出させることに伴って、Ａ列２ｃｈの列別電極３４には、駆動電圧「−Ｖ」が印加されている。そのため、Ａ列２ｃｈの行別電極３２の駆動電圧を「０」として、Ａ列１ｃｈの行別電極３２の駆動電圧とは異ならせ、圧電層２２〜２５の各変位が「＋１」になるようにしている。その結果、Ａ列２ｃｈでは、活性部２０全体の変位が吐出に必要な変位を超えない「＋４」となり、非吐出となる。

また、Ｂ列２ｃｈでは、Ａ列２ｃｈの行別電極３２が跨って連続し、またＢ列１ｃｈの列別電極３４が跨って連続しているため、Ｂ列２ｃｈの駆動電圧としては、必然的に行別電極３２と列別電極３４が両方とも「０」となる。その結果、Ｂ列２ｃｈでは、活性部２０全体の変位が吐出に必要な値を超えない「０」となり、非吐出となる。

上記構成の第２実施形態では、制御手段に必要な出力数は、ｍ個の行別電極３２と、ｎ個の列別電極３４とに印加するための合計（ｍ＋ｎ）本でよい。ｍ＝７５、ｎ＝２の場合には、出力数は７７本となり、第２実施形態では、第１実施形態よりもさらに、制御手段の出力数を減らすことができる。従って、第２実施形態でも、制御回路の簡易化が図れるため、コストを削減することができる。

なお、上述した第１及び第２実施形態では、列別電極３４及びコモン電極３５を１列に配置された圧力室５の全てに渡って連続して設け、行別電極を１行に配置された圧力室５の全てに渡って連続して設けているが、必要に応じて、中途で分割してもよい。

また、第１及び第２実施形態では、活性部２０全体の伸び量（＋の値）が所定値を超えて大きく伸びることを利用してインクを吐出させていたが、活性部２０全体の縮み量（−の値）が所定値を超えて大きく縮むことを利用してインクを吐出させるように、各駆動電圧の印加の制御を行ってよい。

また、本発明は、インクジェットヘッドに限らず、その他の液滴吐出装置に適用できることは言うまでもない。

本発明を適用した第１実施形態のインクジェットヘッドの分解斜視図である。 キャビティユニットの分解斜視図である。 キャビティユニットの拡大分解斜視図である。 圧電アクチュエータの分解斜視図である。 （ａ）はコモン電極層の平面図、（ｂ）は列別電極層の平面図、（ｃ）は行別電極層の平面図である。 電極と圧力室との重なりを示す平面図である。 図１のVII −VII 線矢視における積層状態での断面図である。 図１のVIII−VIII線矢視断面図である。 制御手段のブロック図である。 （ａ）は駆動電圧の設定と伸縮量の関係の一例を示す図、（ｂ）は各列各行に付した名称の説明図である。 （ａ）は実施例１における駆動電圧の設定と伸縮量の関係を示す図、（ｂ）は実施例２における駆動電圧の設定と伸縮量の関係を示す図、（ｃ）は実施例３における駆動電圧の設定と伸縮量の関係を示す図である。 第２実施形態の圧電アクチュエータの分解斜視図である。 第２実施形態において図７に相当する断面図である。 第２実施形態の駆動電圧の設定と伸縮量の関係の一例を示す図である。

符号の説明

１ キャビティユニット
２ 圧電アクチュエータ
３ フレキシブルフラットケーブル
４ ノズル
５ 圧力室
１１ ノズルプレート
１２ａ、１２ｂ マニホールドプレート
１３ ベースプレート
１４ キャビティプレート
２０ 活性部
２１〜２７ 圧電層
３２ 行別電極
３４ 列別電極
３５ コモン電極
３６、３７、３８ 側面電極
４０ ＬＳＩチップ
４１ クロックライン
４２ データライン
４３ 電圧ライン
４４ アースライン
１００ インクジェットヘッド

Claims (11)

1. 複数のノズルと、各ノズル毎に設けられる圧力室とを有し、この圧力室がｍ行×ｎ列（ｍ、ｎは２以上の整数）に配置されたキャビティユニットと、活性部を各圧力室毎に対応して有する圧電アクチュエータとを備え、前記活性部の変位により、液体が充填された前記圧力室の容積を変化させて、前記ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出装置において、
   前記活性部は、複数の電極層間に介挿された圧電材料からなり、
   前記複数の電極層は、前記各圧力室と対応する位置で複数の列に渡って連続し各行毎に独立した複数の第１の電極を有する層と、前記各圧力室と対応する位置で複数の行に渡って連続し各列毎に独立した複数の第２の電極を有する層とを備え、
   前記第１の電極の任意の行と前記第２の電極の任意の列とに選択的に印加する電圧を制御し、該行と列とに対応する前記活性部を前記圧力室に対して変位させる制御手段を備える液滴吐出装置。
2. 前記圧電材料は、複数層あり、
   前記複数の電極層は、前記第１の電極及び第２の電極とそれぞれ前記圧電材料を介して対向する第３の電極を有する層を有し、
   前記制御手段は、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部、及び前記第２の電極と第３の電極との間の前記活性部をそれぞれ前記圧力室に対して変位させるように、前記第１の電極、第２の電極及び第３の電極へ印加する電圧を制御する請求項１に記載の液滴吐出装置。
3. 前記制御手段は、液滴を吐出させる前記圧力室に対して、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部、及び前記第２の電極と第３の電極との間の前記活性部の変位の和が所定値を超え、液滴を吐出させない前記圧力室に対して、前記両活性部の変位の和が所定値を超えないように、前記各行及び列に対する電圧を制御する請求項２に記載の液滴吐出装置。
4. 前記圧電材料は、４層あり、
   前記各電極は、前記圧電材料の各層を順次挟んで、前記第３の電極、第１の電極、第３の電極、第２の電極及び第３の電極の順に配置されている請求項２または３に記載の液滴吐出装置。
5. 前記制御手段は、
   第３の電極と少なくとも２つの前記圧力室に渡って連続した前記第１の電極との間に電圧を印加して、該２つの圧力室の一方が液滴を吐出させ、他方が液滴を吐出させないとき、
   前記一方の圧力室と対応する前記両電極間の活性部の変位にもとづいて前記液滴を吐出させ、
   前記他方の前記圧力室と対応する前記第２の電極と第３の電極との間に、前記電圧による前記第１の電極と第３の電極との間の活性部の変位方向とは反対方向の変位を生じさせる電圧を印加し、前記液滴を吐出させない請求項２に記載の液滴吐出装置。
6. 前記制御手段は、
   前記他方の前記圧力室と対応する前記第３の電極に、前記第１の電極に印加した電圧による前記活性部の変位を減少させ、かつ前記第２の電極と前記第３の電極との間の活性部に、前記第１の電極と第３の電極との間の前記活性部の変位方向とは反対方向の変位を生じさせる電圧を印加する請求項５に記載の液滴吐出装置。
7. 前記制御手段は、前記第１、第２及び第３の電極に印加する電圧値を、所定の比率に設定している請求項２から６のいずれかに記載の液滴吐出装置。
8. 前記制御手段は、前記第１電極に印加する電圧値に対して前記第２及び第３の電極に印加する電圧値を低い一定の値に設定している請求項６に記載の液滴吐出装置。
9. 前記制御手段は、前記第１、第２及び第３の電極に、それぞれ所定の電圧を印加あるいはその印加を停止する請求項７に記載の液滴吐出装置。
10. 前記第１の電極の行と前記第２の電極の列とに挟まれた各位置に前記活性部を有し、
    前記制御手段は、前記両電極の行と列とに選択的に電圧を制御することで、前記活性部を前記圧力室に対して変位させる請求項１に記載の液滴吐出装置。
11. 前記制御手段は、
    第２の電極と少なくとも２つの前記圧力室に渡って連続した第１の電極との間に電圧を印加して、該２つの圧力室の一方が液滴を吐出させ、他方が液滴を吐出させないとき、
    前記一方の圧力室と対応する前記第２の電極と、前記他方の圧力室と対応する前記第２の電極とに印加する電圧を異ならせる請求項１０に記載の液滴吐出装置。

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