JP2015147330A - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】長期に亘って高い信頼性を確保できる液体噴射ヘッドを提供する。
【解決手段】圧力発生室１２が複数形成された流路形成基板１０と、圧力発生室１２に対応して設けられ、引き出し配線に接続される個別電極と、複数の圧力発生室１２に亘って設けられる共通電極と、個別電極及び共通電極の間に設けられる圧電体層７０と、を有し、共通電極が、圧力発生室１２上の撓み変形可能な可撓部３２０に対応する可撓部側共通電極８０ａと、流路形成基板１０上の引き出し配線側端部に位置し可撓部側共通電極８０ａとは電気的に絶縁された配線側共通電極８０ｂと、を具備し、配線側共通電極８０ｂを可撓部側共通電極８０ａよりも低い電位とした状態で、個別電極に駆動電位を印加する駆動手段を具備することを特徴とする。
【選択図】 図４

Description

本発明は、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

従来、インク等の液滴を噴射するインクジェットプリンターに代表される液体噴射装置として、圧電体層を２つの電極で挟んだ圧電素子を有する液体噴射ヘッドを具備するものが知られている。液体噴射ヘッドでは、駆動電位の印加により圧電素子を変位させ、ノズル開口に連通する圧力発生室内のインクを加圧して、該インクをノズル開口から噴射するようになっている。

このような液体噴射ヘッドとして、圧電体層の長手方向の端部が過度に変位することに起因したクラック発生を抑制することを目的としたものが提案されている。例えば、圧力発生室に対応して設けられた個別電極と、個別電極上に形成された圧電体層と、圧電体層上に形成され複数の圧力発生室に亘って設けられた共通電極と、を含み、個別電極及び共通電極に挟まれた圧電体層の能動部の長手方向外側において、圧電体層上に形成され、個別電極及び共通電極と絶縁された導電性部材が設けられた液体噴射ヘッドが提案されている（例えば特許文献１参照）。

特開２０１３−１６９０６１号公報

しかしながら、近年、液体噴射ヘッドには一層の高密度化及び高性能化が要求される状況にあり、より高い信頼性を長期に亘って維持する必要があった。尚、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、液体噴射装置以外に用いられる液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、長期に亘って高い信頼性を維持できる液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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、圧力発生室が複数形成された流路形成基板と、前記圧力発生室に対応して設けられ、引き出し配線に接続される個別電極と、複数の前記圧力発生室に亘って設けられる共通電極と、前記個別電極及び前記共通電極の間に設けられる圧電体層と、を有し、前記共通電極が、前記圧力発生室上の撓み変形可能な可撓部に対応する可撓部側共通電極と、前記流路形成基板上の前記引き出し配線側端部に位置し前記可撓部側共通電極とは電気的に絶縁された配線側共通電極と、を具備し、前記配線側共通電極を前記可撓部側共通電極よりも低い電位とし、前記個別電極に駆動電位を印加する駆動手段を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。

これによれば、配線側共通電極の電位を可撓部側共通電極よりも低い電位とする分、配線側の圧電体層に、可撓部側の圧電体層よりも高電圧を印加できる。従って、所定の低電圧領域において分極反転しやすくなる、すなわち変位が大きくなる圧電素子の特性を利用し、可撓部側では変位を確保して噴射特性を維持するように圧電素子を駆動でき、配線側では分極反転を抑制して不良発生が防止されるように圧電素子を駆動できる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できる。

ここで、前記圧電体層の前記圧力発生室側に前記個別電極を具備し、前記圧電体層の前記圧力発生室とは反対側に前記共通電極を具備することが好ましい。これによれば、圧力発生室側から個別電極、圧電体層及び共通電極が順次積層された圧電素子を具備する液体噴射ヘッドであっても、長期に亘って高い信頼性を維持できる。

また、前記駆動手段は、前記配線側共通電極に対して、前記個別電極との電位差の下限値が前記圧電体層の抗電界よりも大きい値となる電位を印加することが好ましい。これによれば、配線側で分極反転を確実に抑制でき、長期に亘って高い信頼性を確実に維持できる。

また、前記駆動手段は、前記配線側共通電極に対して、前記個別電極との電位差の下限値が１０Ｖ以上となる電位を供給することが好ましい。これによれば、配線側で分極反転をより確実に抑制でき、長期に亘って高い信頼性をより確実に維持できる。

また、前記配線側共通電極はグランドに接続されることが好ましい。これによれば、配線側共通電極への電位の供給を省略でき、それでいて配線側の圧電体層に可撓部側の圧電体層よりも高い電圧を印加できる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できる上、低コスト化を図りやすくなる。

また、前記配線側共通電極は前記圧力発生室上の前記可撓部内に突出して形成されており、前記可撓部内に突出した部分の距離は１０μｍ以下であることが好ましい。これによれば、配線側共通電極が可撓部内に突出する態様の液体噴射ヘッドであっても、長期に亘って高い信頼性を維持できる。

また、前記配線側共通電極上に金属層を具備することが好ましい。これによれば、配線側共通電極上の金属層によって配線側圧電体層が拘束される態様の液体噴射ヘッドであっても、長期に亘って高い信頼性を維持できる。

また、前記可撓部側共通電極の配線側共通電極とは反対側に、前記可撓部側共通電極とは電気的に絶縁された第３の共通電極を更に具備することが好ましい。これによれば、配線側のみならず、配線側とは反対側でも分極反転を抑制して不良発生が防止されるように圧電素子を駆動できる。よって、長期に亘って更に高い信頼性を維持できる。

上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記の何れかに記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。これによれば、配線側共通電極の電位を可撓部側共通電極よりも低い電位とする分、配線側の圧電体層に、可撓部側の圧電体層よりも高電圧を印加できる。従って、所定の低電圧領域において分極反転しやすくなる、すなわち変位が大きくなる圧電素子の特性を利用し、可撓部側では変位を確保して噴射特性を維持するように圧電素子を駆動でき、配線側では分極反転を抑制して不良発生が防止されるように圧電素子を駆動できる。よって、長期に亘って高い信頼性を維持できる。

実施形態１に係る記録装置の概略構成を示す図。 実施形態１に係る記録ヘッドを示す分解斜視図。 実施形態１に係る記録ヘッドを示す平面図及び断面図。 実施形態１に係る記録ヘッドを示す拡大断面図。 実施形態１に係る記録ヘッドの制御構成の概要を示すブロック図。 実施形態１に係る記録ヘッドにおける変位等を説明する図。 実施形態１に係る記録ヘッドへの駆動電位の波形の一例を示す図。 分極反転を繰り返したときの分極特性の劣化を説明する図。 実施形態２に係る記録ヘッドへの駆動電位の波形の一例を示す図。 実施形態３に係る記録ヘッドを示す拡大断面図。 実施形態４に係る記録ヘッドを示す拡大断面図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係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である。

図示するように、インクジェット式記録装置Ｉにおいて、複数のインクジェット式記録ヘッドを有するインクジェット式記録ヘッドユニットＩＩ（ヘッドユニット）が、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ている。ヘッドユニットＩＩ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に軸方向移動自在に設けられており、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されている。

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、ヘッドユニットＩＩ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には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。尚、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。

このようなインクジェット式記録装置Ｉに搭載されるインクジェット式記録ヘッド１の一例について図２〜図３を参照して説明する。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分解斜視図である。図３（ａ）は、流路形成基板の圧電素子側の平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ−Ａ′線に準ずる断面図である。

図示するように、流路形成基板１０には圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称し、第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙと称する。

流路形成基板１０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側には、圧力発生室１２の片側を第１の方向Ｘから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路１３と、第１の方向Ｘにおいて圧力発生室１２と略同じ幅を有する連通路１４と、が複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙの圧力発生室１２とは反対側）には、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の一部を構成する連通部１５が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が形成されている。

流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２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接合されている。ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。

流路形成基板１０の一方面側に対向する他方面側には振動板５０が形成されている。振動板５０は、例えば流路形成基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２と、により構成できるが前記の例に制限されない。流路形成基板１０の一部を薄く加工して弾性膜として使用することも可能である。

絶縁体膜５２上には、例えばチタンからなる密着層を介して、厚さが約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが約３．０μｍ以下、好ましくは厚さが約０．５〜１．５μｍの圧電体層７０と、厚さが約０．０５μｍの第２電極８０と、で構成される圧電素子３００が形成されている。

密着層は省略しても構わない。本実施形態では、振動板５０及び第１電極６０が振動板として作用するが、これに限定されない。弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。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。流路形成基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０及びインクが導通しないように、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。

圧電素子３００を構成する第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられており、後述する能動部毎に独立する個別電極として構成されている。この第１電極６０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいては、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域の内側に位置している。

また、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで形成されており、その一端部側（第２の方向Ｙの連通路１４とは反対側）には、本実施形態の引き出し配線を構成するリード電極９０が接続されている。尚、第１電極６０の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適に用いられる。

圧電体層７０は、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。また、圧電体層７０の第２の方向Ｙの幅は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広く、圧力発生室１２の外側まで設けられている。第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０のインク供給路１３側の端部（図３（ｂ）の右側端部）は第１電極６０の端部よりも外側に位置しており、第１電極６０の端部が圧電体層７０によって覆われている。一方、圧電体層７０のノズル開口２１側の（図３（ｂ）の左側）は第１電極６０の端部よりも内側に位置しており、圧電体層７０に覆われていない。

このような圧電素子３００では、一般的には何れか一方の電極が共通電極とされ、他方の電極が圧力発生室１２毎のパターニングにより個別電極とされる。本実施形態では、第１電極６０が個別電極とされ、第２電極８０が共通電極とされているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。本実施形態では、第２電極８０を複数の圧力発生室１２に亘って連続して形成することで共通電極としている。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなり、一般式ＡＢＯ_３で示されるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）を用いることができる。例えば、圧電体層７０は、ビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物として構成することができる。これによれば、鉛を含まない圧電素子３００を構成できるようになり、環境への負荷を低減できる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、組成式（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ_３で表される。

ただし、圧電体層７０は前記の材料に限定されず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ_３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ_１／２Ｎａ_１／２）ＴｉＯ_３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ_１／２Ｋ_１／２）ＴｉＯ_３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ_３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｔａ_２Ｏ_９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ_２Ｎｂ_２Ｏ_９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ_４Ｔｉ_３Ｏ_１２）及びこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体を用いることもできる。

このような圧電体層７０には、各隔壁１１に対応する凹部７１が形成されている。凹部７１の第１の方向Ｘの幅は、各隔壁１１の第１の方向の幅と略同一、又はそれよりも広くなっている。これにより、振動板５０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの端部に対向する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が押さえられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。

第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側に設けられており、各圧力発生室１２に共通する共通電極として構成されている。第２電極８０の材料も、第１電極６０の材料と同様に導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適に用いられる。

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、振動板５０、第１電極６０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３２を有する保護基板３０が接着剤３５により接合されている。マニホールド部３２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、上記のように流路形成基板１０の連通部１５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が構成されている。また、流路形成基板１０の連通部１５を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３２のみをマニホールドとしてもよい。更に、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及び保護基板３０の間に介在する弾性膜５１及び絶縁体膜５２に、マニホールド及び各圧力発生室１２を連通するインク供給路１３を設けるようにしてもよい。

保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、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３１が設けられている。尚、圧電素子保持部３１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、該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。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の第１電極６０から引き出されたリード電極９０の端部が、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０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、プリンターコントローラー２００に接続されている。駆動回路１２０及びリード電極９０は、貫通孔３３を挿通させた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。この駆動回路１２０が、本実施形態の駆動手段として機能する。

また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低い材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で構成できる。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。

本明細書では、第１電極６０及び第２電極で挟まれた部分であって、第１電極６０及び第２電極８０への電位の供給により圧電歪みが生じる部分を能動部と称する。以下、能動部近傍の構成等について、第２の方向Ｙに沿って切断した拡大断面図である図４（ａ）〜（ｂ）を用いて詳述する。

図示するように、能動部は、圧力発生室１２に対向する部分である可撓部３２０と、圧力発生室１２の外側の部分である非可撓部３３０とを有している。第１電極６０及び第２電極８０への電位の印加により能動部に圧電歪みが生じると、可撓部３２０が厚さ方向に変位し、圧力発生室１２内のインクが加圧され、ノズル開口２１からインクが噴射される。

一方、本実施形態では、第２の方向Ｙにおいて圧力発生室１２の外側まで圧電素子３００が形成されているため、外側部分の圧電体層７０は、その一方面側を流路形成基板１０によって拘束されることとなる。すなわち、非可撓部３３０では、第１電極６０及び第２電極への電位の印加により圧電歪みが生じ得るものの、流路形成基板１０によって一方面側を拘束されるために変位できない。

ここで、本実施形態の第２電極８０は、圧力発生室１２上の撓み変形可能な可撓部３２０に対応する可撓部側共通電極８０ａと、流路形成基板１０上のリード電極９０（引き出し配線）側端部に位置し可撓部側共通電極８０ａとは電気的に絶縁された配線側共通電極８０ｂと、を具備する。両電極が互いに絶縁されているため、それぞれ独立して駆動操作を行うことが可能となっている。

可撓部側共通電極８０ａは、該可撓部側共通電極８０ａ及び第１電極６０により挟まれた可撓部側の圧電体層（可撓部側圧電体層）７０ａを撓み変形させ、圧力発生室１２内の圧力を変化させてノズル開口２１からインクを噴射させる。可撓部側圧電体層７０ａの変位が大きいほど、インク噴射量を大きなものとしやすい。よって、可撓部側共通電極８０ａには、可撓部側での変位を確保して噴射特性が維持されるような電位を印加できる。一方、配線側共通電極８０ｂは、配線側の非可撓部３３０に形成されており、配線側共通電極８０ｂ及び第１電極６０に挟まれた配線側の圧電体層（配線側圧電体層）８０ｂにおける分極反転が抑制されるような電位を印加できる。

第２電極８０の態様は前記の例に制限されず、後の実施形態に示すように、配線側共通電極８０ｂを可撓部３２０内まで突出させるようにしてもよい。また、配線側とは反対方向にも非可撓部３３０を有する場合には、可撓部側共通電極８０ａと電気的に絶縁された第３の共通電極を更に配置してもよい。

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１を具備するインクジェット式記録装置Ｉの制御系について詳細に説明する。図５は、インクジェット式記録ヘッドに関する制御構成の概要を示すブロック図である。

図示するように、インクジェット式記録装置Ｉは、プリンターコントローラー２００と、プリントエンジン２０１と、を含んで構成されている。プリンターコントローラー２００は、外部インターフェース２０２（以下、外部Ｉ／Ｆ２０２）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ２０３と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ２０４と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部２０５と、クロック信号を発生する発振回路２０６と、インクジェット式記録ヘッド１へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号形成回路２０７と、この駆動信号形成回路２０７で使用するための電源を生成する電源生成部２０８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２０１に送信する内部インターフェース２０９（以下、内部Ｉ／Ｆ２０９）と、を具備している。

外部Ｉ／Ｆ２０２は、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、外部Ｉ／Ｆ２０２を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）等がホストコンピューター等へ出力される。ＲＡＭ２０３は、受信バッファー２１０、中間バッファー２１１、出力バッファー２１２、及び図示しないワークメモリーとして機能する。受信バッファー２１０は外部Ｉ／Ｆ２０２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２１１は制御部２０５が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー２１２はドットパターンデータを記憶する。

ＲＯＭ２０４には、各種データ処理を行わせるための制御プログラムの他に、フォントデータ等を記憶させてある。制御部２０５は、受信バッファー２１０内の印刷データを読み出すと共に、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２１１に記憶させる。また、中間バッファー２１１から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ２０４に記憶させているフォントデータ等を参照して、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２０５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２１２に記憶させる。

そして、インクジェット式記録ヘッド１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／Ｆ２０９を通じてインクジェット式記録ヘッド１に出力される。また、出力バッファー２１２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２１１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。

また、電源生成部２０８は、駆動信号形成回路２０７に駆動電位となる駆動電源を供給する。そして、駆動信号形成回路２０７は、電源生成部２０８が生成した駆動電源に基づいて駆動信号（ＣＯＭ１及びＣＯＭ２）を生成する。

プリントエンジン２０１は、インクジェット式記録ヘッド１と、紙送り機構２１３と、キャリッジ機構２１４とを含んで構成されている。紙送り機構２１３は、搬送手段の紙送りモーター等から構成してあり、記録シートＳをインクジェット式記録ヘッド１の記録動作に連動させて順次送り出す。キャリッジ機構２１４は、インクジェット式記録ヘッド１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されている。

このようなプリンターコントローラー２００から配線基板の接続配線１２１を介して、駆動回路１２０には、所定のヘッド制御信号（クロック信号ＣＬＫ、ラッチ信号ＬＡＴ、チェンジ信号ＣＨ、画素データＳＩ、設定データＳＰ等）が入力される。また、プリンターコントローラー２００の駆動信号形成回路２０７から、配線基板の接続配線１２１を介して駆動信号ＣＯＭ１及びＣＯＭ２が入力される。

ここで、圧電素子は一般に、所定の低電界領域において変位が大きくなりやすいことが知られている。図６（ａ）〜（ｂ）は、圧電体層への印加電圧に応じた変位や電流（分極反転電流）の関係を示す図である。

図６（ａ）に示すように、圧電体層７０の分極は、抗電界Ｖｃを境に例えば陰極から陽極へ反転する。抗電界Ｖｃを含む電圧が圧電体層７０に印加されると、その誘起双極子の分極の多くが反転し、圧電素子３００が大きく撓み変形して分極反転電流がピークをとる。このように圧電素子３００では、所定の低電界側領域、すなわち、抗電界Ｖｃ近傍で変位が大きくなる特性を有することが分かる。また、抗電界Ｖｃ以降、印加電圧が大きくなるにつれ、分極反転に伴う電流は低下して変位が小さくなる特性を有することも分かる。

このとき、印加電圧に基づく圧電素子３００の変位は図６（ｂ）のように示される。すなわち、抗電界Ｖｃを含む電圧Ｖ１〜Ｖ３の印加に基づく変位Ｄ１に対し、抗電界Ｖｃよりも大きい電位が下限値となる電圧Ｖ２〜Ｖ４の印加に基づく変位Ｄ２が小さくなる。より高電圧側の電圧Ｖ３〜Ｖ５の印加に基づく変位Ｄ３は更に小さいものとなる（Ｄ３＜Ｄ２＜Ｄ１）。

このような圧電素子３００の特性を利用し、駆動回路１２０は、配線側共通電極８０ｂの電位を可撓部側共通電極８０ａよりも低い電位とした状態で、第１電極６０に駆動電位を印加する。これによれば、配線側共通電極８０ｂの電位を可撓部側共通電極８０ａよりも低い電位とする分、配線側圧電体層７０ｂに、可撓部側圧電体層７０ａよりも高電圧を印加できる。

図７（ａ）〜（ｂ）は、駆動回路１２０によって第１電極６０、可撓部側共通電極８０ａ及び配線側共通電極８０ｂに印加される駆動信号ＣＯＭ１及びＣＯＭ２の波形の一例を示す図である。図７（ａ）は可撓部側への駆動信号ＣＯＭ１を示し、図７（ｂ）は配線側への駆動信号ＣＯＭ２を示す。

駆動信号ＣＯＭ１及びＣＯＭ２に共通して、第１電極６０では、例えば所定の中間電位Ｖｍを有し、約２．５Ｖを最小電位とし、約３７．５Ｖを最大電位とする駆動電位が印加される。第２電極８０の電位を基準とした第１電極６０の電位差が、圧電体層７０の駆動電圧となる。

図７（ａ）に示すように、可撓部側共通電極８０ａでは、例えば５Ｖの電位が印加される。この場合、可撓部側圧電体層７０ａへは、可撓部側共通電極８０ａの電位を基準とした第１電極６０の電位、すなわち、−２．５Ｖを最小値とし、３２．５Ｖを最大値とする駆動電圧が印加される。

第１電極６０及び第２電極８０の電位差をとることで、電源装置の出力特性の制限を受けず、圧電体層７０に低電圧、例えばマイナス電圧を付与しやすくなる。従って、所定の低電圧領域において分極反転しやすくなる、すなわち変位が大きくなる圧電素子３００の特性を利用し、可撓部側では変位を確保して噴射特性を確保するように圧電素子３００を駆動できる。

可撓部側への駆動電位は、例えば、中間電位Ｖｍ１が印加される工程Ｐ０１に続いて、中間電位Ｖｍ１を維持した状態から抗電界Ｖｃより低い第１電位（ここでは−２．５Ｖ）まで駆動電位Ｖを降下させる工程Ｐ０２と、第１電位を一定時間維持する工程Ｐ０３と、第１電位から中間電位Ｖｍより大きい第２電位（ここでは３２．５Ｖ）まで駆動電位Ｖを上昇させる工程Ｐ０４と、を有する。

このとき、工程Ｐ０２等において可撓部側の圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変位し、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。そして、上記の工程Ｐ０４等において可撓部側の圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変位し、ノズル開口２１のメニスカスが圧力発生室１２側から大きく押し出され、ノズル開口２１からインクが吐出される。

尚、可撓部側に印加される駆動電位は、更に、第２電位を一定時間維持する工程Ｐ０５と、第２電位から中間電位Ｖｍより小さい第３電位まで駆動電位Ｖを下降させる工程Ｐ０６と、第３電位を一定時間維持する工程Ｐ０７と、第３電位から中間電位Ｖｍまで駆動電位Ｖを上昇させる工程Ｐ０８と、を有する。ただし、前記の例に制限されない。

一方、図７（ｂ）に示すように、配線側共通電極８０ｂでは、第１電極６０との電位差の下限値が圧電体層７０の抗電界Ｖｃよりも大きい値となる電位が印加される。この場合、配線側圧電体層７０ｂに印加される電圧が抗電界Ｖｃよりも大きい電位を有するものとなる。つまり、配線側圧電体層７０ｂでの分極反転が少なくなるように配線側の圧電素子３００を駆動できる。

圧電体層において分極反転が過度に繰り返されると、分極軸の固定が起こりやすくなる。これは、酸素欠陥等の構造欠陥に電子がトラップされて固定電界となり、分極反転を阻害するためであると推察される。分極軸が固定された結晶格子では、分極量の低下や変位量の低下が引き起こされる。分極軸が固定された結晶格子では分極反転は起こらないが、電界に対する応答性を有しているため、分極が逆に固定された結晶が隣接している場合、その界面では高い応力が発生する。

図８（ａ）〜（ｂ）は、従来の液体噴射ヘッドを用い、分極反転を繰り返したときの分極特性の劣化を説明する図である。図示するように、分極反転を繰り返していくことで、特に配線側の圧電体層７０において分極特性が劣化し、残留分極量Ｐｍや最大分極量Ｐｒが低下する不良モード（Ｆａｔｉｇｕｅ劣化）が存在することが分かる。これは、流路形成基板１０で下方を拘束されることにより、分極軸が固定されやすい応力状態となっているためであると推察される。また配線側は、エッチングにより形成した第２電極８０の断面が位置する部分であり、このようなエッチングによるダメージにより酸素欠損が多いためであるとも推察される。

しかし、本実施形態によれば、可撓部側では変位を確保して噴射特性を維持するように圧電素子３００を駆動でき、かつ配線側では分極反転を抑制して、不良発生が防止されるように圧電素子を駆動できる。よって、応力集中等による一過性の不良を防止できるのは勿論、長期使用によって顕在化するＦａｔｉｇｕｅ劣化をも防止でき、長期に亘って高い信頼性を確保できる。

配線側共通電極８０ｂは、グランドに接続することができる。これによれば、配線側共通電極８０ｂへの電位の供給を省略し、駆動回路１２０の簡易構成化により低コスト化を図りやすくなり、それでいて配線側圧電体層７０ｂに可撓部側圧電体層７０ａよりも高い電圧を印加できる。尚、配線側への駆動電位（図７（ｂ）に示すｐ０１〜ｐ０８）は、基本的には上記の可撓部側への駆動電位（図７（ａ）に示すＰ０１〜Ｐ０８）と同様であるが、中間電位Ｖｍ２に続いて印加される最小電位が抗電界Ｖｃより大きいものとなる場合には、配線側で分極反転を確実に抑制できる。

（実施形態２）
図９は、本発明の実施形態２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が具備する駆動回路によって生成される駆動信号（ＣＯＭ１及びＣＯＭ２）の波形の一例を示す図である。以下、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略し、異なる部分を中心に詳述する。

本実施形態において、駆動信号ＣＯＭ１及びＣＯＭ２に共通して、第１電極６０では、例えば所定の中間電位Ｖｍ３を有し、約５．０Ｖを最小電位とし、約４０．０Ｖを最大電位とする駆動電位が印加される。

図９（ａ）に示すように、可撓部側共通電極８０ａでは、例えば７．５Ｖの電位が印加される。この場合、可撓部側圧電体層７０ａへは、実施形態１と同様に、−２．５Ｖを最小値とし、３２．５Ｖを最大値とする駆動電圧が印加されることとなる。

一方、図９（ｂ）に示すように、配線側共通電極８０ｂはグランドに接続でき、この場合、第１電極６０との電位差の下限値は５Ｖとなる。つまり、本実施形態の駆動回路は、配線側共通電極８０ｂに対して、第１電極６０との電位差の下限値が５Ｖ以上、好ましくは１０Ｖ以上となる電位を印加するようになっている。

上記の実施形態１においては、可撓部側圧電体層７０ａへの印加電圧（例えば図６に示すＶ１〜Ｖ３に相当）に対し、配線側圧電体層７０ｂへは高電圧（例えば図６に示すＶ２〜Ｖ４に相当）を印加でき、これにより、可撓部側では変位を確保して噴射特性を維持するように圧電素子３００を駆動でき（例えば図６（ｂ）に示すＤ１に相当）、配線側では分極反転を抑制して不良発生が防止されるように圧電素子３００を駆動できた。

本実施形態によれば、可撓部側では変位を確保して噴射特性を維持するように圧電素子３００を駆動できるのは勿論、配線側圧電体層７０ｂにより高電圧（例えば図６に示すＶ３〜Ｖ５に相当）を印加でき、これにより、配線側では分極反転を更に抑制して不良発生がより防止されるように圧電素子３００を駆動できる。本実施形態は、追加電源等の必要がある場合に実施形態１と比べて低コストの点で不利になりやすいが、長期に亘った信頼性の確保の点では有利となるため、産業用や工業用の用途に適する。

（実施形態３）
図１０は、本発明の実施形態３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能動部近傍の構成等について、第２の方向Ｙに沿って切断した拡大断面図である。以下、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略し、異なる部分を中心に詳述する。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１Ａは、配線側共通電極８０ｂが可撓部３２０内まで突出している。突出部分３４０の距離は１０μｍ以下であることが好ましい。これによれば、圧力発生室１２に対して可撓部側共通電極８０ａの面積が小さくなることに起因した噴射特性の低下を防止できる。

突出部分３４０の距離は、流路形成基板１０及び圧力発生室１２の境界を起算点として測定できる。流路形成基板１０及び圧力発生室１２の境界線が、圧電素子３００の第２の方向Ｙの中心軸に対して垂直でない場合には、例えば、流路形成基板１０及び圧力発生室１２の境界線の中心を起算点とすることができる。

（実施形態４）
図１１は、本発明の実施形態４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能動部近傍の構成等について、第２の方向Ｙに沿って切断した拡大断面図である。以下、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略し、異なる部分を中心に詳述する。

図示するように、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１Ｂは、配線側共通電極８０ｂ上に金属層９１が形成されている。流路形成基板１０のみならず金属層９１によっても配線側圧電体層７０ｂが拘束された態様であっても、長期に亘って高い信頼性を確保できる。金属層９１の材料は制限されない。金属層９１は配線側共通電極８０ｂ上に制限されず、本発明の要旨を変更しない範囲において可撓部側共通電極８０ａ上に形成されていてもよい。

更に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１Ｂは、第２の方向Ｙにおいて配線側の非可撓部３３０とは反対側にも非可撓部３３０を有しており、配線側共通電極８０ｂとは反対方向の第２の方向Ｙに非可撓部３３０も、可撓部側共通電極８０ａに絶縁された第３の共通電極８０ｃを具備している。

これによれば、配線側の不良発生のみならず、配線側とは反対側での不良発生をも好適に防止できる。第３の共通電極８０ｃは、実施形態１と同様にグランドに接続でき、噴射特性が過度に低下しない範囲において非可撓部３３０内に突出させてもよい。第３の共通電極８０ｃ上に金属層が形成されていてもよい。

Ｉ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 ＩＩ インクジェット式記録ヘッドユニット（液体噴射ヘッドユニット）、 １ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板（基板）、 １１ 隔壁、 １２ 圧力発生室、 １３ インク供給路、 １４ 連通路、 １５ 連通部、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ３１ 圧電素子保持部、 ３２ マニホールド部、 ３３ 貫通孔、 ３５ 接着剤、 ４０ コンプライアンス基板、 ４１ 封止膜、 ４２ 固定板、 ４３ 開口部、 ５０ 振動板、 ５１ 弾性膜、 ５２ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、７０ａ 可撓部側圧電体層、 ７０ｂ 配線側圧電体層、 ７１ 凹部、 ８０ 第２電極、 ８０ａ 可撓部側共通電極、 ８０ｂ 配線側共通電極、 ９０ リード電極（引き出し配線）、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路（駆動手段）、 ２００ プリンターコントローラー、 ２０１ プリントエンジン、 ３００ 圧電素子、 ３２０ 可撓部、 ３３０ 非可撓部、 ３４０ 突出部分

Claims (9)

1. 圧力発生室が複数形成された流路形成基板と、
   前記圧力発生室に対応して設けられ、引き出し配線に接続される個別電極と、
   複数の前記圧力発生室に亘って設けられる共通電極と、
   前記個別電極及び前記共通電極の間に設けられる圧電体層と、を有し、
   前記共通電極が、前記圧力発生室上の撓み変形可能な可撓部に対応する可撓部側共通電極と、前記流路形成基板上の前記引き出し配線側端部に位置し前記可撓部側共通電極とは電気的に絶縁された配線側共通電極と、を具備し、
   前記配線側共通電極を前記可撓部側共通電極よりも低い電位とし、前記個別電極に駆動電位を印加する駆動手段を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
2. 前記圧電体層の前記圧力発生室側に前記個別電極を具備し、前記圧電体層の前記圧力発生室とは反対側に前記共通電極を具備することを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記駆動手段は、前記配線側共通電極に対して、前記個別電極との電位差の下限値が前記圧電体層の抗電界よりも大きい値となる電位を印加することを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記駆動手段は、前記配線側共通電極に対して、前記個別電極との電位差の下限値が１０Ｖ以上となる電位を印加することを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記配線側共通電極はグランドに接続されることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 前記配線側共通電極は前記圧力発生室上の前記可撓部内に突出して形成されており、前記可撓部内に突出した部分の距離は１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
7. 前記配線側共通電極上に金属層を具備することを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
8. 前記可撓部側共通電極の配線側共通電極とは反対側に、前記可撓部側共通電極とは電気的に絶縁された第３の共通電極を更に具備することを特徴とする請求項１〜７の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド。
9. 請求項１〜８の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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