JP2015208925A - 圧電素子の設計手法、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Abstract

【課題】環境負荷が小さく且つ変位量が高い圧電素子の設計手法、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの駆動方法を提供する。
【解決手段】 第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子の設計手法であって、前記第１電極と前記第２電極との間に、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを描く工程と、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離する工程と、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される有効電界（分圧）が大きくなると判断して適正な吐出周波数を算出する工程、とを具備する。
【選択図】 図６

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の設計手法、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの駆動方法に関する。

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。

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、Ｂｉ及びＦｅを含有するＢｉＦｅＯ_３系の圧電材料がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−２８７７４５号公報

しかしながら、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ている。

なお、このような問題は、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だけでなく、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電体層についても存在し、さらに、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高い圧電素子の設計手法、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの駆動方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成する本発明の態様は、第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子の設計手法であって、前記第１電極と前記第２電極との間に、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを描く工程と、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離する工程と、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される有効電界（分圧）が小さくなると判断して適正な吐出周波数を算出する工程と、を具備することを特徴とする圧電素子の設計手法にある。
かかる態様では、圧電素子の変位に直接関係する圧電素子に印加される電圧である分圧以外の、寄生容量に対応する寄生成分の分圧が小さくなる周波数を把握することができ、寄生成分の分圧が小さくなる領域での周波数に対応する吐出周波数で駆動することにより、圧電素子の変位を向上させることができる。

ここで、前記複数の円弧のそれぞれに対応する寄生容量を低下させるように、前記圧電体層を作成する条件を設計することが好ましい。これによれば、寄生成分の分圧が小さくなる圧電素子を設計することができる。

また、前記複数の円弧に対応する複数の寄生容量の温度依存性と周波数との関係を求め、温度依存性の良好な吐出周波数を把握する工程をさらに具備することが好ましい。これによれば、変位の温度依存性を低下させた圧電素子が設計できる。

本発明の他の態様は、第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子と、前記圧電素子に駆動波形を供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを求め、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離し、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される分圧が小さくなると判断して適正な吐出周波数を算出し、前記駆動手段は、前記吐出周波数で前記駆動波形を用いて駆動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、圧電素子の変位に直接関係する圧電素子に印加される電圧である分圧以外の、寄生容量に対応する寄生成分の分圧が小さくなる周波数を把握し、寄生成分の分圧が小さくなる領域での周波数に対応する吐出周波数で駆動することにより、圧電素子の変位を向上した液体噴射装置が実現できる。

また、本発明の他の態様では、第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子と、前記圧電素子に駆動波形を供給する駆動手段と、を有する液体噴射ヘッドの駆動方法であって、前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを求め、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離し、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される分圧が小さくなると判断して適正な吐出周波数を算出し、前記駆動手段は、前記吐出周波数で前記駆動波形を用いて駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
かかる態様では、圧電素子の変位に直接関係する圧電素子に印加される電圧である分圧以外の、寄生容量に対応する寄生成分の分圧が小さくなる周波数を把握し、寄生成分の分圧が小さくなる領域での周波数に対応する吐出周波数で駆動することにより、圧電素子の変位を向上した液体噴射ヘッドの駆動が実現できる。

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。 ＲＣ並列回路モデルが３つ直列に並んだモデルを示す図。 実施形態１のＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの例を示す図。 ＲＣ並列回路を用いた等価回路にてフィッティングを行った結果を示す図。 ＲＣ並列回路を用いた等価回路にてフィッティングを行った他の結果を示す図。

（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に軸方向移動自在に設けられている。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。なお、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１００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、および物理吸着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３００〜１５００ｎｍ程度の酸化シリコン等からなり、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、および弾性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、および弾性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、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ＡＢＯ_３型構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。このＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表されるが、混晶又は固溶体として表される組成からずれた組成であってもよい。なお、混晶又は固溶体として表される組成であっても、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。

ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、ＢｉＦｅＯ_３やＢａＴｉＯ_３以外に、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、ＴｉやＯ）が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。

このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０の組成は、例えば、代表的には、下記一般式（１）で表される混晶として表される。また、この式（１）は、下記一般式（１’）で表すこともできる。ここで、一般式（１）及び一般式（１’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損やＡサイト欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が１とすると、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。

（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （１）
（０＜ｘ＜０．４０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（Ｆｅ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３ （１’）
（０＜ｘ＜０．４０）

また、本実施形態の圧電体層７０を構成する複合酸化物は、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉ以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｒ、Ｎｂなどが挙げられる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。

圧電体層７０が、Ｍｎ、ＣｏやＣｒ、Ｓｒ、Ｎｂを含む場合、Ｍｎ、ＣｏやＣｒはペロブスカイト構造のＢサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Ｍｎを含む場合、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のＦｅの一部がＭｎで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、耐電圧特性が向上することがわかっている。また、ＣｏやＣｒを含む場合も、Ｍｎと同様に耐電圧特性が向上するものである。Ｓｒ、Ｎｂは誘電率の上昇による変位向上の効果があることが分かっている。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｒを例として説明したが、その他遷移金属元素の２元素を同時に含む場合にも同様に耐電圧特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層７０とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒ、Ｓｒ、Ｎｂも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０は、例えば、下記一般式（２）で表される混晶である。また、この式（２）は、下記一般式（２’）で表すこともできる。なお一般式（２）及び一般式（２’）において、Ｍは、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｓｒ、Ｎｂから選ばれる１種または２種以上である。ここで、一般式（２）及び一般式（２’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損、Ａサイト欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が１であれば、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。

（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）Ｏ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （２）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３ （２’）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）

ただし、圧電体層７０は前記圧電材料に限定されず、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および金属配線をエポキシ樹脂等の上に形成させたフレキシブル基板等からなる接続配線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、紙送りモーターと搬送ローラー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は直前の電圧を保持するので、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）を基準電圧（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、基準電圧（Ｖｂｓ）を基準としての電圧として示される。

本実施形態の基準となる駆動波形は、図６に示すように、駆動波形を入力する準備状態（駆動待機状態）となると、例えば、抗電圧より高い中間電圧Ｖｍが印加される状態となる。ここで、中間電圧Ｖｍとは、圧力室を膨張させるための第１電圧と、圧力室を収縮させるための第２電圧との間の電圧値である。この中間電圧Ｖｍが印加される待機工程Ｐ０１に続いて、中間電圧Ｖｍを維持した状態から中間電圧Ｖｍとは逆極性の第１電圧Ｖ１まで降下させると共に圧力発生室１２を膨張させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、第１電圧Ｖ１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３と、第１電圧Ｖ１から第１電圧Ｖ１とは逆極性で中間電圧Ｖｍとは同極性で当該中間電圧Ｖｍより大きい第２電圧Ｖ２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、第２電圧Ｖ２を一定時間維持する第２のホールド工程Ｐ０５と、第２電圧Ｖ２から中間電圧Ｖｍより小さな第３電圧Ｖ３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、第３電圧Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、電圧Ｖ３から中間電圧Ｖｍまで電圧を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８と、中間電圧Ｖｍを維持する工程Ｐ０９とで構成される。ここで、第２電圧Ｖ２から中間電圧Ｖｍより少し低い第３電圧Ｖ３まで下降させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、第３電圧Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、第３電圧Ｖ３から中間電圧Ｖｍまで電圧を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８とは、液滴を吐出した後のメニスカスを安定化させるためのものであり、従来より公知のものであるが、これらの工程は省略してもよい。

本発明のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、Ｃｏ、Ｃｒの何れかも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、電源オフの状態では、分極が維持されておらず、非分極状態（極一部は分極が維持されているが、実質的に非分極状態といえる場合を含む）であり、上述した駆動波形２００が圧電素子３００に出力される準備状態（駆動待機状態）になると、中間電圧Ｖｍが印加された状態となり、圧電体層７０が分極状態となる。そして、上述した駆動波形が入力されると、第１の電圧変化工程Ｐ０２によって中間電圧Ｖｍから逆極性の電圧Ｖ１まで電圧が変化し、第１電圧Ｖ１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３において、圧電体層７０の分極が緩和される。これと同時に圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変形して、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側に引き込まれる。次いで、第２の電圧変化工程Ｐ０４によって、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形することにより、ノズル開口２１内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から液滴が吐出される。

本発明は、このように圧電素子３００を駆動する際に、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加した場合、実際に圧電体層７０のひずみに関与する電圧は印加電圧の一部であり、他の電圧は圧電体層７０のひずみに関与しない、という新たな知見に基づくものである。

ここで、圧電体層７０のひずみに実際に関与した電圧を圧電体層７０に印加される分圧を定義し、圧電体層７０のひずみに実際に関与しない電圧を寄生成分に印加される分圧と定義する。

そして、このような寄生成分への分圧は、第１電極６０と第２電極８０との間に、周波数を変化させた交流電圧を圧電体層７０に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを描くことにより把握できる。すなわち、このようなＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを描くと、完全な円弧形状ではなく、略円弧形状となり、これは複数の寄生成分に対応する複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離することができる。

そして、複数の円弧に対応する容量的成分が小さいほど寄生成分に印加される分圧が大きくなり、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加した際の圧電体層７０に実際に印加される電圧である分圧が小さくなると判断できる。

このような手法は全く新規なものであり、圧電素子３００の最適な駆動条件を把握する上で、極めて重要な手法である。

ここで、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットはインピーダンスアナライザーによって容易に得ることができる。また、略円弧形状を複数の寄生成分に対応する、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離する方法は、複数のＲＣ並列回路をもつ等価回路モデルを作成することにより、容易に求めることができ、Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの円弧形状は各ＲＣ並列回路に対して測定周波数に対応したインピーダンスの抵抗的成分Ｚｒと容量的成分Ｚｃを求めることで得られる。たとえば、東陽テクニカ社製 ＺＰｌоｔを用いることで容易に複数のＲＣ並列等価回路モデルを得ることができ、各周波数における以下の式を満たすＲＣ並列回路モデルを連立方程式で解くことで得られる。

図７には、ＲＣ並列回路モデルが４つ直列に並んだモデルを示す。図７は、寄生成分が３つと仮定したものであり、容量１、容量２、容量３、容量４で示し、それぞれが、抵抗的成分Ｚｒと容量的成分Ｚｃとからなると仮定したものである。そして、それぞれの抵抗的成分Ｚｒ及び容量的成分Ｚｃを、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４［Ω］、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４［Ｆ］とすると、容量１のインピーダンスは下記式１で示され、右辺の第１項は抵抗的成分Ｚｒを表し、第２項は容量的成分Ｚｃを表す。また、容量２、容量３、容量４も同様に式２、式３、式４で示される。なお、式において、ω（＝２πｆ）は角周波数であり、ｆは周波数であり、ｊは係数である。

下記式１〜４の連立方程式を解くことにより、複数の寄生成分に対応する、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離することができる。

ここで、第１電極６０と第２電極８０との間に、周波数を変化させた交流電圧を圧電体層７０に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの例を図８に示す。また、これを複数の寄生容量に対応する複数の円弧から計算により算出された各周波数での分圧を図９に示す。

Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットは、圧電素子を、キャパシタと抵抗とで構成されたＲＣ並列回路を直列に接続した等価回路に見立てて把握するものである。

この例においてＲＣ並列回路を用いた等価回路にてフィッティングを行った結果、ＢＦＭ−ＢＴ層（Ｃ１）以外に、Ｃ２〜Ｃ４の３つの寄生容量を含むことが示唆された。また、図９の寄生容量は、種々の寄生成分に起因して生じていることもわかっている。

例えば、寄生容量Ｃ２は、結晶内の、酸素欠陥、格子外の欠陥、Ａサイト欠陥などに基づく可動イオンが動くことにより形成されると推定している。また、寄生容量Ｃ３は、第２電極８０と圧電体層７０との界面の欠陥に由来すると推定している。また、寄生容量Ｃ４は、熱履歴に依存するものか、第１電極６０と圧電体層７０との間の界面の欠陥に由来するものと推定している。

図９において、左が低周波数、右が高周波数であり、周波数によって寄生成分への分圧の大きさが異なることがわかる。よって、寄生成分への分圧の小さな周波数領域で駆動すれば、圧電体層７０の分圧が実質的に大きくなる。ここで、圧電素子を駆動する周波数とは、インクジェット装置においては吐出周波数である。

このような手法を用いると、効率的に駆動でき、実質的な変位を向上させることができる圧電素子が設計できる。

Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物（ＢＦＭ）からなる圧電体層を有する圧電素子では、高周波数側で分圧が非常に小さくなることが把握できた。（図９）
また、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層を有する圧電素子では、低周波数側で分圧が小さくなることが把握できた。（図１０）
さらに、圧電体層の分圧は、周波数によって、温度依存性がある領域と、温度依存性が非常に小さい領域とが存在することが把握できた。よって、この場合、温度依存性の小さな周波数で駆動する方が、変位の温度依存性が小さくなるので好ましいことは容易に想像できる。

また、上述した手法により、寄生容量を低減した圧電素子を設計し、製造することもできる。例えば、圧電材料の組成を変化させることにより、寄生容量Ｃ２を変化させることができ、また、熱履歴を変更することにより、寄生容量Ｃ２、Ｃ４を変化させることができ、さらに製造プロセスを変更することにより、寄生容量Ｃ３、Ｃ４を変化させることができる。よって、これらを総合的に調整することにより、使用したい吐出周波数で寄生容量Ｃ２〜Ｃ４が小さい圧電素子を設計、製造することが可能となる。

これにより、圧電体層の分圧が７０％以上、好ましくは９０％以上となる圧電素子の設計、製造が可能となる。

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 (5)

1. 第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子の設計手法であって、
   前記第１電極と前記第２電極との間に、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを描く工程と、
   前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離する工程と、
   複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される有効電界（分圧）が大きくなると判断して適正な吐出周波数を算出する工程、
   とを具備することを特徴とする圧電素子の設計手法。
2. 前記複数の円弧のそれぞれに対応する寄生容量を低下させるように、前記圧電体層を作成する条件を設計することを特徴とする請求項１に記載の圧電素子の設計手法。
3. 前記複数の円弧に対応する複数の寄生容量の温度依存性と周波数との関係を求め、温度依存性の良好な吐出周波数を把握する工程をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子の設計手法。
4. 第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子と、前記圧電素子に駆動波形を供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを求め、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離し、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される有効電界（分圧）が大きくなると判断して適正な吐出周波数を算出し、
   前記駆動手段は、前記吐出周波数で前記駆動波形を用いて駆動することを特徴とする液体噴射装置。
5. 第１電極と、第１電極に設けられた圧電体層と、圧電体層に設けられた第２電極とを備える圧電素子と、前記圧電素子に駆動波形を供給する駆動手段と、を有する液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
   前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加し、周波数を変化させた交流電圧を前記圧電体層に印加した際のインピーダンスＺ（Ω）と位相差（θ）から算出される抵抗的成分Ｚｒ（Ω）と容量的成分Ｚｃ（Ω）との関係を示すＣｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットを求め、前記Ｃｏｌｅ−Ｃｏｌｅプロットの略円弧形状を、複数の寄生容量に対応する複数の円弧に分離し、複数の円弧に対応する寄生容量的成分が小さいほど前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加した際の前記圧電体層に印加される有効電界（分圧）が大きくなると判断して適正な吐出周波数を算出し、
   前記駆動手段は、前記吐出周波数で前記駆動波形を用いて駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。