JP2013146962A

JP2013146962A - 液体噴射装置及びその製造方法

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Publication number: JP2013146962A
Application number: JP2012010507A
Authority: JP
Inventors: Haruki Kobayashi; 陽樹小林
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-20
Filing date: 2012-01-20
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2032-01-20
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Abstract

【課題】環境負荷が小さく且つ安定した変位量の液体噴射装置及びその製造方法を提供する。
【解決手段】非鉛系複合酸化物からなる圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子に供給する駆動波形の制御を行う補正手段と、を有する液体噴射装置であって、第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲として前記補正手段５４２が保持し、前記補正手段５４２は、前記駆動電圧範囲の間で規定された最小電圧と最大電圧とを有する駆動波形に変更する。
【選択図】図５

Description

本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる電極及び圧電体層を有する圧電素子を具備する液体噴射装置及びその製造方法に関する。

液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、例えば撓み振動モードのアクチュエーター装置として液体噴射ヘッドに搭載される。ここで、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。

このような圧電素子を構成する圧電体層として用いられる圧電材料には高い圧電特性が求められており、圧電材料の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられるが、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料（非鉛系圧電材料）が求められている。鉛を含有しない圧電材料としては、例えば、チタン酸バリウム系のペロブスカイト型結晶構造を持つ材料が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、鉛の含有量を抑えた圧電材料としては、例えば非鉛圧電材料とＰＺＴ系の材料の混晶材料が挙げられる。

特開２００４−６７２２号公報

しかしながら、このチタン酸バリウム系の圧電材料は、主にバルクの圧電材料として検討されているものであり、基板上に化学溶液法やスパッターリング法等で形成される薄膜のものとしてはあまり検討されていない。このような非鉛又は鉛の含有量を抑えた複合酸化物からなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較すると変位量が十分ではないので、変位量の向上が求められるのは勿論であるが、安定した駆動が求められる。

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、環境負荷が小さく且つ変位量が安定した液体噴射装置及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、非鉛系複合酸化物からなる圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子に供給する駆動波形の制御を行う補正手段と、を有する液体噴射装置であって、第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を、前記第一電圧と前記第二電圧との電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲として前記補正手段が保持し、前記補正手段は、前記駆動電圧範囲の間で規定された最小電圧と最大電圧とを有する駆動波形に変更することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、圧電素子の変位量の電圧依存性を予め把握しておいて所定の駆動電圧範囲を特定しておき、例えば、圧電素子の劣化や環境温度の変化に応じて補正手段が駆動電圧を変更するにあたり、駆動電圧範囲内で規定された駆動波形に変更することにより、変位量の安定した液体噴射装置を実現する。

ここで、前記駆動電圧範囲は、前記基準波形を、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の変位を各電圧毎に測定して最大変位から所定割合だけ変位が低下した際の第一電圧及び第二電圧を閾値第一電圧及び閾値第二電圧として当該閾値第一電圧及び閾値第二電圧から決定される所定電圧範囲であるとするのが好ましい。これによれば、電圧変化に対する変位量の変化が所定割合内に維持されるので、変位量の安定した液体噴射装置が実現される。

また、前記第一電圧が相対的に低い電圧である基準波形を供給した際の最小電圧から最大電圧までの第一電圧範囲とする一方、前記第一電圧が相対的に高い電圧である基準波形を供給した際の最小電圧から最大電圧までの第二電圧範囲とし、前記第一電圧範囲と前記第二電圧範囲とが重なった電圧範囲を前記所定電圧範囲とするのが好ましい。これによれば、基準電圧に対して相対的に低い電圧で規定される駆動波形を用いる場合でも、安定した変位量が維持される。

本発明の他の態様は、非鉛系複合酸化物からなる圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置の製造方法であって、第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲とし、前記駆動手段が前記圧電素子に供給する駆動波形を、前記駆動電圧範囲で規定された最小電圧と最大電圧との間で規定された駆動波形とすることを特徴とする液体噴射装置の製造方法にある。
かかる態様では、圧電素子の変位量の電圧依存性を予め把握しておいて所定の駆動電圧範囲を特定しておき、駆動手段が各圧電素子に供給する駆動波形を、駆動電圧範囲で規定された駆動波形とすることにより、変位量の安定した液体噴射装置を製造することができる。

本発明の一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略構成を示す図。実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。実施形態１に係る記録ヘッドの平面図。実施形態１に係る記録ヘッドの断面図。実施形態１に係るインクジェット式記録装置の制御構成を示すブロック図。実施形態１に係る駆動信号（駆動波形）例を示す図。試験例で用いた基準波形を説明する図。試験例で用いた基準波形を説明する図。試験例の結果を示す図。試験例の結果を示す図。

（実施形態１）
図１は、本発明にかかる液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

そして、本実施形態のキャリッジ３には記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂの温度を測定するための温度センサー９が設けられている。本実施形態では、温度センサー９はサーミスタからなる。

ここで、このようなインクジェット式記録装置ＩＩに搭載されるインクジェット式記録ヘッドについて、図２〜図４を参照して説明する。なお、図２は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。

図２〜図４に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。

さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０や密着層５６を設けなくてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

そして、本実施形態においては、圧電体層７０を構成する圧電材料は、チタン酸バリウム系複合酸化物からなる。かかる圧電材料は、チタン、バリウムを含むペロブスカイト構造を有する酸化物であり、Ａサイトのバリウムの一部をＳｒやＣａなどで置換したものや、Ｂサイトのチタンの一部をＺｒやＨｆで置換したものであってもよい。また、チタン酸バリウム系複合酸化物としては、このようなチタン酸バリウムやバリウムやチタンの一部を他の元素に置換したものの他、これらに、他の鉛を含有しないペロブスカイト型圧電材料を固溶したものも含む。チタン酸バリウムやその一部置換したものに固溶させるペロブスカイト型圧電材料としては、チタン酸ビスマスナトリウム系、アルカリニオブ系、鉄酸ビスマス系の圧電材料を挙げることができる。

このような本発明で用いる圧電材料は、特に、チタン酸ビスマスは、実際に駆動される電圧範囲により変位量が大きく変化するという変位量の電圧依存性があることを知見した。すなわち、ＰＺＴの場合には、使用電圧範囲が変化しても、電圧変化量に対しての変位量の変化量はほぼ一定であるが、上述した非鉛系の圧電材料では、電圧範囲が変化すると、電圧変化量に対する変位量の変化量が大きく変化する領域があり、その領域は製造された圧電素子毎に変化することが確認された。

よって、製造された液体噴射ヘッド毎に最適な駆動電圧範囲を把握しておき、ヘッド毎に最適な駆動電圧範囲を設定し、当該駆動電圧範囲内で規定される駆動波形により駆動されるようにする必要がある。

また、初期に設定される駆動波形の他、例えば、環境温度により駆動電圧を変化させたり、使用による劣化状態に応じて駆動電圧を変化させるような補正が行われる場合、上述した駆動電圧範囲を考慮して補正後の駆動波形が駆動電圧範囲内で規定されるようにする必要がある。

このような圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号（駆動信号）に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

図５は、このようなインクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図である。図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録装置の制御について説明する。本実施形態のインクジェット式記録装置は、図５に示すように、プリンターコントローラー５１１とプリントエンジン５１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー５１１は、外部インターフェース５１３（以下、外部Ｉ／Ｆ５１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ５１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部５１６と、クロック信号を発生する発振回路５１７と、インクジェット式記録ヘッドＩへ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路５１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン５１２に送信する内部インターフェース５２０（以下、内部Ｉ／Ｆ５２０という）とを備えている。

外部Ｉ／Ｆ５１３は、例えば、キャラクターコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピューター等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ５１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピューター等に対して出力される。ＲＡＭ５１４は、受信バッファー５２１、中間バッファー５２２、出力バッファー５２３、及び、図示しないワークメモリーとして機能する。そして、受信バッファー５２１は外部Ｉ／Ｆ５１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファー５２２は制御部５１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー５２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。

また、ＲＯＭ５１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。

制御部５１６は、受信バッファー５２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファー５２２に記憶させる。また、中間バッファー５２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ５１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部５１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファー５２３に記憶させる。さらに、制御部５１６は、波形設定手段としても機能し、駆動信号発生回路５１９を制御することにより、この駆動信号発生回路５１９から発生される駆動信号の波形形状を設定する。かかる制御部５１６は、後述する駆動回路（図示なし）などと共に本発明の駆動手段を構成する。また、インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する液体噴射駆動装置としては、この駆動手段を少なくとも具備するものであればよく、本実施形態では、プリンターコントローラー５１１を含むものとして例示してある。

そして、インクジェット式記録ヘッドＩの１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ５２０を通じてインクジェット式記録ヘッドＩに出力される。また、出力バッファー５２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファー５２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。

プリントエンジン５１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構５２４と、キャリッジ機構５２５とを含んで構成してある。紙送り機構５２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッドＩの記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構５２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。

キャリッジ機構５２５は、インクジェット式記録ヘッドＩを搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッドＩを主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モーター６及びタイミングベルト７等で構成されている。

インクジェット式記録ヘッドＩは、副走査方向に沿って多数のノズル開口２１を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口２１から液滴を吐出する。そして、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や記録データ（ＳＩ）等が供給される。このように構成されるプリンターコントローラー５１１及びプリントエンジン５１２では、プリンターコントローラー５１１と、駆動信号発生回路５１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４等を有する駆動回路（図示なし）とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段となる。

なお、これらのシフトレジスター（ＳＲ）５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３、スイッチ５３４及び圧電素子３００は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッドＩの各ノズル開口２１毎に設けられており、これらのシフトレジスター５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４は、駆動信号発生回路５１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。

ここで、吐出駆動信号となる駆動波形としては、通常、例えば、大ドット用、中ドット用、及び小ドット用のそれぞれの標準的な駆動波形が供給されるようになっており、これらの駆動波形は、後述するように決定された所定の駆動電圧範囲内で規定されたものとなるように設定されている。また、例えば、環境温度が低温となって十分な変位量が得られない場合などに使用する補正用の駆動波形を形成できるようになっているが、このような補正用の駆動波形も、所定の駆動電圧範囲内で規定されたものとなるように設定されている。

なお、このように補正用の駆動波形を供給する制御を行うのは補正手段５４２である。補正手段５４２は、温度センサー９からの温度を取得し、例えば、所定範囲以下となった場合に、補正用の駆動波形を生成するように駆動信号発生回路５１９を制御する。この点の詳細は後述する。

このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、最初に発振回路５１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する記録データ（ＳＩ）が出力バッファー５２３からシフトレジスター５３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口２１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。

そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各シフトレジスター５３１にセットされたならば、制御部５１６は、所定のタイミングでラッチ５３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ５３２は、シフトレジスター５３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ５３２がラッチした記録データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフター５３３に印加される。このレベルシフター５３３は、記録データが例えば「１」の場合に、スイッチ５３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの記録データを昇圧する。そして、この昇圧された記録データは各スイッチ５３４に印加され、各スイッチ５３４は、当該記録データにより接続状態になる。

そして、各スイッチ５３４には、駆動信号発生回路５１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ５３４が選択的に接続状態になると、このスイッチ５３４に接続された圧電素子３００に選択的に駆動信号が印加される。このように、例示したインクジェット式記録ヘッドＩでは、記録データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、記録データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、記録データが「０」の期間においてはスイッチ５３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。この記録データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。

なお、上記の圧電素子３００は、撓み振動モードの圧電素子３００である。この、撓み振動モードの圧電素子３００を用いると、圧電体層７０が電圧印加に伴い電圧と垂直方向（３１方向）に縮むことで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２側に撓み、これにより圧力発生室１２を収縮させる。一方電圧を減少させることにより圧電体層７０が３１方向に伸びることで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２の逆側に撓み、これにより圧力発生室１２を膨張させる。このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、圧電素子３００に対する充放電に伴って対応する圧力発生室１２の容積が変化するので、圧力発生室１２の圧力変動を利用してノズル開口２１から液滴を吐出させることができる。

ここで、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について説明する。なお、図６は、本実施形態の駆動信号を示す駆動波形である。

圧電素子３００に入力される駆動波形は、共通電極（第１電極６０）を基準電位（本実施形態ではＶｂｓ）として、個別電極（第２電極８０）に印加されるものである。すなわち、駆動波形によって個別電極（第２電極８０）に印加される電圧は、基準電位（Ｖｂｓ）を基準としての電位として示される。

本実施形態の一例となる駆動波形は、図６に示すように、駆動波形２００を入力する準備状態（駆動待機状態）となると、中間電位Ｖｍが印加された状態となる。この中間電位Ｖｍを維持する待機工程Ｐ０１に続いて、中間電位Ｖｍを維持した状態から中間電圧とは逆極性の最小電位Ｖ_１まで降下させて圧力発生室１２を膨張させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、最小電位Ｖ_１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３と、最小電位Ｖ_１から最小電位Ｖ_１とは逆極性の最大電位Ｖ_２まで上昇させて圧力発生室１２を収縮させる第２の電圧変化工程Ｐ０４と、最大電位Ｖ_２を一定時間維持する第２のホールド工程Ｐ０５と、最大電位Ｖ_２から中間電位Ｖｍまで下降させて圧力発生室１２を膨張させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、中間電位Ｖｍを維持する待機工程Ｐ０７とで構成されている。

このような駆動波形２００を圧電素子３００に供給して駆動する場合、最小電圧Ｖ_１及び最大電圧Ｖ_２の電位に依存して変位量の変化の状態が変位する。すなわち、ＰＺＴからなる圧電素子の場合、最小電圧Ｖ_１と最大電圧Ｖ_２との電圧差を同一として最小電圧Ｖ_１及び最大電圧Ｖ_２の電位を増減しても、変位量には大きな変化はないが、圧電素子３００が非鉛系の複合酸化物の場合、例えば、本実施例のようなチタン酸バリウムの場合、最小電圧Ｖ_１と最大電圧Ｖ_２との電圧差を同一として最小電圧Ｖ_１及び最大電圧Ｖ_２の電位を増減した場合に、変位量に大きな変化がある場合があり、この領域は圧電素子３００の製造条件等に依存して変化することがわかっている。

よって、本実施形態での圧電素子３００は、インクジェット式記録ヘッドＩに搭載される前に、安定して最適な変位量となる駆動電圧範囲を決定するための試験を行い、この駆動電圧範囲で前記駆動波形２００が規定されている。

また、上述した補正手段５４２は、この駆動電圧範囲を保持しており、補正用の駆動波形も駆動電圧範囲内で規定されたものとなるように制御する。

（試験例）
ここで、駆動電圧範囲を決定する試験方法の一例を説明する。
上述したような最適な駆動電圧範囲を決定するためには、図７や図８に示したような第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を用い、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係を求め、この関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲とするのが好ましいことが種々の試験によりわかっている。

図７に示す基準波形は、第一電圧であるＶ_Ｓ１を保持する工程Ｐ１１と、第一電圧であるＶ_Ｓ１から第二電圧であるＶ_Ｓ２まで比較的緩やかに電圧を変化させる第一の電圧変化工程Ｐ１２と、第二電圧であるＶ_Ｓ２を保持する保持工程Ｐ１３と、第二電圧であるＶ_Ｓ２から第一電圧であるＶ_Ｓ１まで電圧を変化させる第二の電圧変化工程Ｐ１４と、第一電圧であるＶ_Ｓ１を保持する工程Ｐ１５とを具備する。このように、図７の基準波形は、第一電圧より第二電圧が相対的に高い波形であり、両者の電圧差の絶対値をＶｈとする。

図８に示す基準波形は、第一電圧であるＶ_Ｓ１を保持する工程Ｐ２１と、第一電圧であるＶ_Ｓ１から第二電圧であるＶ_Ｓ２まで比較的緩やかに電圧を変化させる第一の電圧変化工程Ｐ２２と、第二電圧であるＶ_Ｓ２を保持する保持工程Ｐ２３と、第二電圧であるＶ_Ｓ２から第一電圧であるＶ_Ｓ１まで電圧を変化させる第二の電圧変化工程Ｐ２４と、第一電圧であるＶ_Ｓ１を保持する工程Ｐ２５とを具備する。このように、図８の基準波形は、第一電圧より第二電圧が相対的に低い波形であり、両者の電圧差の絶対値をＶｈとする。

図９は、図７に示す基準波形を、電圧差Ｖｈ＝２０Ｖと固定してＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２を変化させて供給した際の、変位量とＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２との関係を示したグラフである。変位量は最大値を１００％として示してある。

図９に示すように、変位量はＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２に依存して変化し、特に、Ｖ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２が所定範囲より小さい場合に、変位量が大きく低下することが確認される。よって、本実施形態では、変位量の閾値を９５％に設定し、最大変位量に対して９５％となる場合のＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２をそれぞれ閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２として（閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２は２点ずつ存在する）決定し、閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２の最大範囲Ａを所定電圧範囲とし、これを駆動電圧範囲とし、この駆動電圧範囲内で規定される駆動波形を用いるのが好ましいこととなる。ここで、駆動電圧範囲内で駆動波形を規定するとは、例えば、図６に示した駆動波形の場合、第一電圧であるＶ_Ｓ１が閾値電圧範囲Ｓ１の間、すなわち、範囲Ａ１に存在し、第二電圧であるＶ_Ｓ２が閾値電圧範囲Ｓ２の間、すなわち、範囲Ａ２に存在することをいう。そして、このような駆動波形は、このような条件を満足するのであれば、第一電圧であるＶ_Ｓ１と第二電圧であるＶ_Ｓ２との電圧差を変化させてもよく、このような波形を、例えば補正用の駆動波形とするのが好ましい。

図１０は、図８に示す基準波形を、電圧差Ｖｈ＝２０Ｖと固定してＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２を変化させて供給した際の、変位量とＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２との関係を示したグラフである。変位量は最大値を１００％として示してある。

図１０に示す場合にも、変位量はＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２に依存して変化し、特に、Ｖ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２が所定範囲より小さい場合に、変位量が大きく低下することが確認される。そして、この場合にも、変位量の閾値を９５％に設定し、最大変位量に対して９５％となる場合のＶ_Ｓ１及びＶ_Ｓ２をそれぞれ閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２として（閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２は２点ずつ存在する）決定し、閾値第一電圧Ｓ１及び閾値第二電圧Ｓ２の最大範囲Ｂを所定電圧範囲とし、これを駆動電圧範囲とすることができる。ここで、この駆動電圧範囲内で駆動波形を規定するとは、例えば、図６に示した駆動波形の第一電圧および第二電圧を逆にした反転した駆動波形となり、第一電圧であるＶ_Ｓ１が閾値電圧範囲Ｓ１の間、すなわち、範囲Ｂ１に存在し、第二電圧であるＶ_Ｓ２が閾値電圧範囲Ｓ２の間、すなわち、範囲Ｂ２に存在することをいう。

図７及び図８に示す基準波形の何れかを用いて試験を行えばよいが、両方を行ってもよい。両方の試験を行った場合、範囲Ａ且つ範囲Ｂを駆動電圧範囲とすることにより、より安定した変位量が得られることになる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子を具備する液体噴射装置にも本発明を適用することができる。

なお、上記各実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１マニホールド部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、６０第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００マニホールド、１２０駆動回路、３００圧電素子

Claims

非鉛系複合酸化物からなる圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子に供給する駆動波形の制御を行う補正手段と、を有する液体噴射装置であって、
第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を、前記第一電圧と前記第二電圧の電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲として前記補正手段が保持し、
前記補正手段は、前記駆動電圧範囲の間で規定された最小電圧と最大電圧とを有する駆動波形に変更することを特徴とする液体噴射装置。
前記駆動電圧範囲は、前記基準波形を、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の変位を各電圧毎に測定して最大変位から所定割合だけ変位が低下した際の第一電圧及び第二電圧を閾値第一電圧及び閾値第二電圧として当該閾値第一電圧及び閾値第二電圧から決定される所定電圧範囲である、ことを特徴とする液体噴射装置。
前記第一電圧が相対的に低い電圧である基準波形を供給した際の最小電圧から最大電圧までの第一電圧範囲とする一方、前記第一電圧が相対的に高い電圧である基準波形を供給した際の最小電圧から最大電圧までの第二電圧範囲とし、前記第一電圧範囲と前記第二電圧範囲とが重なった電圧範囲を前記所定電圧範囲とすることを特徴とする液体噴射装置。
非鉛系複合酸化物からなる圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置の製造方法であって、
第一電圧から電圧差を有する第二電圧まで電圧を変化させる工程及び第二電圧から第一電圧まで変化させる工程を有する基準波形を、電圧差を一定にして前記第一電圧及び第二電圧を変化させて供給した際の各電圧と変位との関係から変位が所定割合より大きな所定電圧範囲を駆動電圧範囲とし、
前記駆動手段が前記圧電素子に供給する駆動波形を、前記駆動電圧範囲で規定された最小電圧と最大電圧との間で規定された駆動波形とすることを特徴とする液体噴射装置の製造方法。