JP2018190811A - 圧電振動素子、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子の変形により液体を噴射する動作の高速化を可能とする。【解決手段】圧電振動材料からなる複数の圧電体層４４と、駆動電極部と、共通電極群５０とが積層配置して構成される圧電振動子ユニット４０であって、駆動電極部は、複数の第１駆動電極５４を含む第１駆動電極群５３と、第１駆動電極５４とは電気的に非接続とされる複数の第２駆動電極５７を含む第２駆動電極群５６と、を含み、共通電極群５０は、複数の共通電極５１を含み、圧電体層４４の積層方向に対して、各々の第１駆動電極５４及び第２駆動電極５７は圧電体層４４により挟まれる、圧電振動子ユニット４０。【選択図】図５

Description

本発明は、圧電振動素子、液体噴射ヘッド、及び、液体噴射装置に関する。

従来、圧電素子を利用してインクを吐出するインクジェット記録装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１記載のインクジェット記録装置は、インク供給口を通じてインクを圧力発生室に供給し、圧電振動子に電圧を印加することにより圧力発生室を変形させて、インク滴をノズル開口から吐出する。

特開平６−３４００７５号公報

近年、印刷装置の高精細化に伴いインクヘットヘッドの動作の高速化が望まれている。インクジェットヘッドの動作を高速化するためには、インク吐出後の圧電素子の振動を速やかに減衰させる必要がある。例えば、圧力発生室にインクを供給する流路の抵抗を大きくすると、振動の減衰を促すことが期待できる。しかしながら、抵抗の増大に伴い圧力発生室へのインクの充填に時間がかかるため、かえって高速化を妨げる可能性もある。また、例えば、インクの温度が低いと振動が減衰しやすい特性を利用し、高速化のためにインクの温度上昇の抑制または放冷を促進することが考えられる。しかしながら、インクの温度が低いとインクの粘度が増し、圧力発生室へのインクの充填に時間がかかるため、かえって高速化を妨げる可能性もある。このように、圧電素子の変形によりインク等の液体を噴射する構成において、動作を高速化することは容易ではなかった。
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、圧電素子の変形により液体を噴射する動作の高速化を可能とすることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明は、圧電振動材料からなる複数の圧電体層と、駆動電極部と、共通電極部とが積層配置して構成される圧電振動素子であって、前記駆動電極部は、複数の第１駆動電極を含む第１駆動電極群と、前記第１駆動電極とは電気的に非接続とされる複数の第２駆動電極を含む第２駆動電極群と、を含み、前記共通電極部は、複数の共通電極を含み、前記圧電体層の積層方向に対して、各々の前記第１駆動電極及び前記第２駆動電極は前記圧電体層により挟まれる。
本発明によれば、電気的に非接続とされる第１駆動電極と第２駆動電極のそれぞれに電圧を印加することで圧電振動材料を変形させることができる。このため、第１駆動電極に印加される駆動信号で駆動される圧電体層と、第２駆動電極に印加される駆動信号で駆動される圧電体層とを、異なる態様で駆動できる。従って、積層された複数の圧電体層を、異なる特性で駆動させることができ、動作を高速化できる。

また、上記構成において、前記第１駆動電極と前記共通電極、及び、前記第２駆動電極と前記共通電極は、前記圧電体層を挟んで対向し、前記第１駆動電極群と前記共通電極部との間の第１静電容量は、前記第２駆動電極群と前記共通電極部との間の第２静電容量と等しい構成であってもよい。
この構成によれば、第１駆動電極に印加される駆動信号により第１駆動電極と共通電極との間の圧電体層を駆動し、第２駆動電極に印加される駆動信号により第２駆動電極と共通電極との間の圧電体層を駆動できる。これらの圧電体層の静電容量が等しいことにより、圧電振動素子全体の特性を、第１駆動電極に印加される駆動信号で駆動する場合と、第２駆動電極に印加される駆動信号で駆動する場合とで顕著に異ならせることができる。従って、圧電振動素子全体の動作特性を切り替えることで、動作を高速化できる。

また、上記構成において、前記第１駆動電極、前記第２駆動電極、及び、前記共通電極は板状の電極で構成され、前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とが前記共通電極及び前記圧電体層を介して交互に配置された構成であってもよい。
この構成によれば、複数の圧電体層と板状の電極とを積層した構成であるため、圧電振動素子を容易に製造できる。

また、上記構成において、前記圧電体層の積層方向において、前記第１駆動電極、前記共通電極、前記第２駆動電極の順に、前記圧電体層を挟んで積層された構成であってもよい。
この構成によれば、第１駆動電極に印加される駆動信号で駆動される圧電体層と、第２駆動電極に印加される駆動信号で駆動される圧電体層とを有する圧電振動素子を、容易に構成できる。

また、上記目的を達成するために、本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、前記圧力発生室に配設された振動板と、前記振動板を駆動することにより前記圧力発生室への液体の流入と排出とを行わせる請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電振動素子と、を備える。
本発明によれば、第１駆動信号および第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を用いることで、圧電振動素子を、異なる複数の駆動特性で駆動できる。これにより、圧電振動素子を、圧力発生室への液体の流入に適した態様と、ノズルから液体を排出する過程に適した態様とで駆動でき、液体を噴射する動作を高速化できる。

また、上記目的を達成するために、本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室、前記圧力発生室に配設された振動板、及び、前記振動板を駆動する請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電振動素子を有する液体噴射ヘッドと、前記圧電振動素子に駆動信号を印加することにより前記振動板を駆動して、前記圧力発生室への液体の流入と排出とを行わせる駆動制御部と、を備え、前記駆動制御部は、前記圧電振動素子の前記第１駆動電極に第１駆動信号を印加し、前記第２駆動電極に、前記第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を印加する。
本発明によれば、第１駆動信号および第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を用いることで、圧電振動素子を、異なる複数の駆動特性で駆動できる。これにより、圧電振動素子を、圧力発生室への液体の流入に適した態様と、ノズルから液体を排出する過程に適した態様とで駆動でき、液体を噴射する動作を高速化できる。

実施形態の印刷装置の斜視図。 印刷装置の機能ブロック図。 インクジェットヘッドの分解斜視図。 圧電振動子ユニットの配置状態を示す要部斜視図。 圧電振動子ユニットの構成を示す模式図。 圧電振動子ユニットの動作を示す要部断面視図。 圧電振動子ユニットの動作を示す要部断面視図。 第１及び第２駆動電極と共通電極との接続状態を示す模式図。 インクジェットヘッドの駆動信号を示す説明図。 インクの温度と粘度の相関を示す図表。

［印刷装置の構成］
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は印刷装置１の概略構成を示す斜視図である。印刷装置１は、インク（液体、流体）を吐出するインクジェットヘッド３を備えるインクジェット式の印刷装置であり、本発明の液体噴射装置に相当する。また、インクジェットヘッド３は本発明の液体噴射ヘッドに相当する。

印刷装置１は、略箱型のフレーム１Ａを有し、フレーム１Ａに各部が取り付けられる。印刷装置１は、印刷対象の媒体である印刷媒体Ｐを搬送する搬送機構を備える。印刷媒体Ｐは、紙や合成樹脂で構成されるシートであり、所定サイズにカットされたカットシート、或いはロール紙等の連続シートを用いることができる。印刷媒体Ｐは、図中に符号Ｆで示す搬送方向に沿って、印刷装置１の後部から前方に向けて搬送される。

印刷装置１は、インクジェットヘッド３、及び、インクジェットヘッド３にインクを供給するインクタンク５を搭載するキャリッジ４と、キャリッジ４を搬送方向Ｆと交差する走査方向Ｗに移動させるキャリッジモーター６とを有する。

キャリッジモーター６は、フレーム１Ａの幅方向の一端部に設置される。キャリッジモーター６の出力軸にはプーリー７Ａが取り付けられ、フレーム１Ａの他端部にはプーリー７Ｂが取り付けられ、プーリー７Ａ、７Ｂにベルト７Ｃが架け渡される。また、フレーム１Ａの幅方向にガイド軸９が延設され、キャリッジ４はガイド軸９に沿って移動可能に、ガイド軸９に取り付けられる。キャリッジ４はベルト７Ｃの一部に固定される。このため、キャリッジモーター６の回転によりベルト７Ｃが駆動されると、このベルト７Ｃの動作に追従してキャリッジ４が走査方向Ｗに走査される。また、キャリッジモーター６は正転および逆転動作が可能であり、キャリッジ４は、キャリッジモーター６の回転方向に対応して、往復走査される。

インクジェットヘッド３は、印刷媒体Ｐの搬送経路の上側に位置し、印刷媒体Ｐの印刷面に対向する。フレーム１Ａには、印刷媒体Ｐを挟んでインクジェットヘッド３に対向するプラテン８が設置される。プラテン８はローラープラテンであり、後述する搬送モーター１７（図２）の動力により回転して、印刷媒体Ｐを搬送する。プラテン８は、搬送機構を構成する。また、プラテン８の他に、搬送モーター１７の動力により回転して印刷媒体Ｐを搬送する搬送ローラー（図示略）を設けてもよい。

本実施形態の印刷装置１は、シアン、マゼンタ、イエロー、ブラックの４色のインクをそれぞれ収容する４つのインクタンク５を備え、これら４色のインクをインクジェットヘッド３から吐出するカラーインクジェットプリンターとして説明する。これは一例であって、印刷装置１は、例えば、上記の４色に加えてライトシアン及びライトマゼンタのインクを吐出する６色プリンターであってもよい。また、レッド及びブラックの２色のインクを吐出する２色プリンターであってもよいし、ブラックのインクのみを吐出して印刷を行うモノクロプリンターであってもよい。

印刷装置１は、印刷媒体Ｐを搬送方向Ｆに搬送し、キャリッジ４を走査方向Ｗに沿って走査させながら、インクジェットヘッド３からインクを吐出することにより、印刷媒体Ｐにインクを付着させてドットを形成し、画像を印刷する。

［印刷装置の制御系の構成］
図２は、印刷装置１の制御系の構成を示す機能ブロック図である。
印刷装置１は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１１、ＲＯＭ（Read Only Memory）１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３を有する制御部１０を備える。制御部１０は、ＣＰＵ１１によってＲＯＭ１２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、印刷装置１を制御する。ＲＯＭ１２は、ＣＰＵ１１により実行される制御プログラムや、ＣＰＵ１１により処理されるデータ等を不揮発的に記憶する。ＲＡＭ１３は、ＣＰＵ１１がプログラムを実行する場合のワークエリアを形成する。

印刷装置１は、電源部１９を備える。電源部１９は、外部のＡＣアダプター（図示略）等から供給される直流電源、或いは、商用交流電源に基づき、制御部１０、駆動信号出力部１５及びモーター駆動部１６を含む各部に対し、電力を供給する。

制御部１０には、駆動信号出力部１５及びモーター駆動部１６が接続される。駆動信号出力部１５は、制御部１０の制御に従って、電源部１９から供給される電力に基づき、インクジェットヘッド３に対して第１駆動信号Ｓ１、及び第２駆動信号Ｓ２を出力する。

制御部１０（駆動制御部）は、外部のホストコンピューター（図示略）から入力される印刷データを取得して解析し、印刷装置１により印刷する画像（文字、記号、図形等を含む）である印刷イメージデータを生成する。制御部１０は、印刷イメージデータに基づき、インクジェットヘッド３が搭載するノズル開口３２（図６）のうちインクを吐出するノズル開口３２を決定する。制御部１０は、インクを吐出するノズル開口３２に対応する圧電振動子ユニット４０（図４）を、駆動信号出力部１５によって選択させ、選択された圧電振動子ユニット４０に対して駆動信号出力部１５から、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２を出力させる。これにより、インクジェットヘッド３から印刷媒体Ｐに対してインクが吐出され、印刷イメージデータに基づく画像が印刷媒体Ｐに形成される。

制御部１０は、ＲＯＭ１２に記憶した設定データや外部装置から入力される設定データに基づき、第１駆動信号Ｓ１、第２駆動信号Ｓ２として出力する信号波形を選択する。制御部１０は、選択した信号波形の波形データに基づく演算処理を実行し、駆動信号出力部１５に対し、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２の波形及び出力タイミングに関するデータを出力する。駆動信号出力部１５は、制御部１０から入力されるデータに基づき、スイッチング素子（図示略）の切り替えなどを行い、インクジェットヘッド３に接続される端子から、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２の各々を出力する。

モーター駆動部１６は、キャリッジモーター６、及び、搬送モーター１７に接続される。キャリッジモーター６及び搬送モーター１７は、例えばステッピングモーターで構成される。モーター駆動部１６は、キャリッジモーター６及び搬送モーター１７に対し、制御部１０の制御に従って、駆動パルスを供給し、キャリッジモーター６及び搬送モーター１７を動作させる。

［インクジェットヘッドの構成］
図３は、インクジェットヘッド３の構成を示す分解斜視図である。
インクジェットヘッド３は、インクを吐出するノズル開口３２（図６）が開口するノズルプレート３０を備える。ノズルプレート３０には、所定のピッチ、例えば１８０ＤＰＩとなるようにノズル開口３２が列をなして配置されたノズル開口列３１が形成される。ノズル開口列３１は、上述した４色のインクに対応して、４つの列を形成する。

また、インクジェットヘッド３は、基台３５を備える。基台３５は、インクジェットヘッド３をキャリッジ４（図１）に固定するための基板２１に取り付けられる。基台３５には、ノズル開口列３１に対応して配置されるユニット収容穴３６と、ノズル開口列３１の各ノズル開口３２に対応して配置される圧電振動子ユニット４０（圧電振動素子）とを備える。

ノズルプレート３０と基台３５との間には、スペーサー３３、及び、振動板３４が配置される。スペーサー３３は、ノズル開口列３１を構成する各々のノズル開口３２に対応する開口を有する。振動板３４は、基台３５に配置された圧電振動子ユニット４０に接して、圧電振動子ユニット４０の変形を伝達する。振動板３４は、圧電振動子ユニット４０の変形を伝達する剛性を有する板状部材であり、例えば、絶縁膜と弾性膜とを複合した複合材料により構成される。スペーサー３３は、ノズルプレート３０及び振動板３４の間に位置して、後述する圧力発生室６２（図６）、リザーバー６３（図６）及びインク供給口６４（図６）を形成する。

基台３５の表面に重ねて配置される振動板３４、スペーサー３３、及びノズルプレート３０は、枠体３９により位置決めされ、基台３５に固定される。枠体３９は、静電シールドを兼ねており、基台３５と一体となってインクジェットヘッド３を構成する。

基板２１には、駆動信号出力部１５（図２）を構成する集積回路（図示略）が実装される。この集積回路は、フレーム１Ａに取り付けられる制御部１０（図２）及び電源部１９（図２）に対しフレキシブルケーブル（図示略）等により接続され、制御部１０の制御に従って動作する。

図４は、圧電振動子ユニット４０の配置状態を示す要部斜視図である。
圧電振動子ユニット４０は、ノズル開口列３１におけるノズル開口３２の配列に対応して、図４に示すように列をなして、固定基板２３により固定される。固定基板２３は、基板２１（図３）により支持され、ノズル開口列３１に対応する列ごとに圧電振動子ユニット４０を固定する。

固定基板２３は、圧電振動子ユニット４０が有する電極、すなわち図５を参照して後述する共通電極接続部５２、第１駆動電極接続部５５、及び第２駆動電極接続部５８の各々に接続される回路パターン（図示略）を有する。これらの回路パターンは、駆動信号出力部１５（図２）と圧電振動子ユニット４０の各電極とを接続する。また、固定基板２３は、基板２１に実装される集積回路に接続され、この集積回路から出力される第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２を、圧電振動子ユニット４０の電極に入力させる。

圧電振動子ユニット４０は、駆動信号出力部１５（図２）により第１駆動信号Ｓ１、及び第２駆動信号Ｓ２が印加されることにより、ｄ３１モードで変形し、図中符号Ｄで示す方向に伸縮する。

［圧電振動子ユニットの構成］
図５は、圧電振動子ユニット４０の構成を示す模式図である。
圧電振動子ユニット４０は、複数の圧電体層４４と電極とが交互に配置されて積層されたサンドイッチ構造を有する。圧電体層４４は、セラミックス等、電圧が印加されることにより変形する圧電材料により構成される。圧電体層４４と積層される電極は、共通電極５１、第１駆動電極５４、及び第２駆動電極５７を含み、これらの電極は薄層の導体（金属等）であり、圧電体層４４に対し金属を蒸着させる等の方法で容易に形成できる。

圧電振動子ユニット４０において、圧電体層４４、共通電極５１、圧電体層４４、第１駆動電極５４、圧電体層４４、及び第２駆動電極５７が順に積層される。
圧電振動子ユニット４０が備える複数の共通電極５１は、共通電極群５０（共通電極部）を構成する。各々の共通電極群５０は共通電極接続部５２に電気的に接続される。

圧電振動子ユニット４０が備える複数の第１駆動電極５４は、第１駆動電極群５３を構成する。第１駆動電極群５３の各々の第１駆動電極５４は、第１駆動電極接続部５５に電気的に接続される。また、圧電振動子ユニット４０が備える複数の第２駆動電極５７は、第２駆動電極群５６を構成し、各々の第２駆動電極５７は、第２駆動電極接続部５８に電気的に接続される。

圧電振動子ユニット４０において、共通電極接続部５２は各共通電極５１を接地させる接地電極として機能する。また、第１駆動電極接続部５５は各々の第１駆動電極５４に電圧を入力する入力側の電極として機能し、第２駆動電極接続部５８は各々の第２駆動電極５７に電圧を入力する入力側の電極として機能する。

圧電振動子ユニット４０において、第１駆動電極５４は、圧電体層４４を介して共通電極５１に対向する。また、第２駆動電極５７は、圧電体層４４を介して共通電極５１に対向する。また、第１駆動電極５４と第２駆動電極５７との間には少なくとも１の共通電極５１が位置する。このため、図５に示すように、断面において第１駆動電極５４及び第２駆動電極５７と共通電極５１とが櫛歯状に並ぶ。

本実施形態では、圧電振動子ユニット４０において、第１駆動電極５４と第２駆動電極５７とが共通電極５１を挟んで交互に配置された構成を例示する。圧電振動子ユニット４０の構成はこれに限定されず、第１駆動電極５４の数と第２駆動電極５７の数との比が異なる構成であってもよい。

第１駆動電極群５３と第２駆動電極群５６とは、それぞれ駆動信号出力部１５（図２）に接続され、互いに電気的に非接続である。より詳細には、第１駆動電極群５３には第１駆動電極接続部５５を介して駆動信号出力部１５から第１駆動信号Ｓ１が入力される。これにより、第１駆動電極５４と共通電極５１とに挟まれた圧電体層４４には、第１駆動信号Ｓ１の電圧が印加される。

また、第２駆動電極群５６には第２駆動電極接続部５８を介して、駆動信号出力部１５から第２駆動信号Ｓ２が入力される。これにより、第２駆動電極５７と共通電極５１とに挟まれた圧電体層４４には、第２駆動信号Ｓ２の電圧が印加される。

第１駆動電極５４と共通電極５１とに挟まれた圧電体層４４は、第１駆動電極群５３と共通電極群５０との間に電圧が印加されることにより図中Ｄ方向に収縮し、印加電圧の低下に伴い復元する。また、第２駆動電極５７と共通電極５１とに挟まれた圧電体層４４は、第２駆動電極群５６と共通電極群５０との間に電圧が印加されることにより図中Ｄ方向に収縮し、印加電圧の低下により復元する。従って、第１駆動電極接続部５５に入力される第１駆動信号Ｓ１、及び、第２駆動電極接続部５８に入力される第２駆動信号Ｓ２の電圧値に応じて、圧電振動子ユニット４０が図中Ｄ方向に伸縮する。

図６は、圧電振動子ユニット４０の動作を示す要部断面視図である。
図６に示すように、圧電振動子ユニット４０の先端は、振動板３４に形成されるアイランド部３４Ａに接する。振動板３４とノズルプレート３０との間には、スペーサー３３により囲まれる空間が形成され、この空間は、アイランド部３４Ａに対応する位置でノズル開口３２と振動板３４との間に形成される圧力発生室６２と、リザーバー６３とに区画される。

リザーバー６３は、図示しないインク供給路によりインクタンク５（図１）に連通し、インクタンク５に収容されたインクがリザーバー６３に流入する。リザーバー６３と圧力発生室６２とは、インク供給口６４によって繋がっている。インク供給口６４は、インクを流通させる管を構成し、管の径は、リザーバー６３から圧力発生室６２に流入するインクに対し、所定の流路抵抗を与えるサイズに設定される。

上述のように、圧電振動子ユニット４０は、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２の電圧により収縮する。図６には、圧電振動子ユニット４０に電圧が印加されて圧電振動子ユニット４０が収縮した状態を示す。

図６に示す状態から圧電振動子ユニット４０が伸長すると、アイランド部３４Ａを介して振動板３４がノズルプレート３０側に変位する。

図７は、圧電振動子ユニット４０の動作を示す要部断面視図であり、圧電振動子ユニット４０が伸長した状態を示す。
図７に示す状態では、圧電振動子ユニット４０に印加された電圧が低下することにより、Ｄ方向（図５）に収縮していた圧電振動子ユニット４０が伸長している。圧電振動子ユニット４０が伸長したことにより、振動板３４はアイランド部３４Ａにおいて圧電振動子ユニット４０に押圧される。

これにより、振動板３４が変形して、圧力発生室６２の容積が縮小し、圧力発生室６２内部のインクに圧力を与え、この圧力によりインクがノズル開口３２から噴射される。また、圧電振動子ユニット４０が収縮すると、振動板３４の復元力により、圧力発生室６２の容積が拡大する。これに伴い、リザーバー６３からインク供給口６４を通じて、圧力発生室６２にインクが充填される。

図８は、第１駆動電極５４及び第２駆動電極５７と共通電極５１との接続状態を示す模式図である。
図８に示すように、圧電振動子ユニット４０に配置される第１駆動電極５４及び第２駆動電極５７は、共通電極５１を含んで交互に配置される。このため、第１駆動電極５４と共通電極５１との間には第１駆動信号Ｓ１の電圧値に対応する電圧が印加され、第２駆動電極５７と共通電極５１との間には第２駆動信号Ｓ２の電圧値に対応する電圧が印加される。

圧電体層４４は絶縁体であるため、共通電極５１と第１駆動電極５４との間、及び、共通電極５１と第２駆動電極５７との間には、それぞれ静電容量が発生する。この静電容量は複数の第１駆動電極５４、及び複数の第２駆動電極５７の各々において発生するので、圧電振動子ユニット４０全体としては、共通電極群５０と第１駆動電極群５３、第２駆動電極群５６との間に静電容量が発生する。

本実施形態では、一例として、共通電極群５０と第１駆動電極群５３との間の静電容量を静電容量Ｃ１とし、共通電極群５０と第２駆動電極群５６との間の静電容量を静電容量Ｃ２とすると、例えば、Ｃ１＝Ｃ２とする。

各圧電体層４４の厚みや断面積が等しいとすれば、Ｃ１＝Ｃ２である場合、第１駆動信号Ｓ１により駆動される圧電体層４４と、第２駆動信号Ｓ２により駆動される圧電体層４４との数に大きな差がない。この構成によれば、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２のそれぞれによって、圧電振動子ユニット４０を効果的に駆動できる。
さらに、Ｃ１＝Ｃ２とすれば、制御部１０及び駆動信号出力部１５が、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２を同じ処理で制御できるという利点がある。

［圧電振動子ユニットの駆動信号の詳細］
図９は、インクジェットヘッドの駆動信号を示す説明図である。
図９の横軸は時間の経過を示し、縦軸は電圧値を示す。縦軸において第１駆動信号Ｓ１を上に、第２駆動信号Ｓ２を下に図示しているが、第１駆動信号Ｓ１の電圧値が第２駆動信号Ｓ２の電圧値よりも高いことを限定する意味はない。第１駆動信号Ｓ１の電圧値を示す電圧Ｖ１、Ｖ２及びＶ３についてはＶ３＞Ｖ２＞Ｖ１であり、第２駆動信号Ｓ２の電圧値を示す電圧Ｖ１１、Ｖ１２、Ｖ１３についてはＶ１３＞Ｖ１２＞Ｖ１１が成立する。一方、電圧Ｖ１〜Ｖ３と電圧Ｖ１１〜Ｖ１３との大小関係はこの限りではない。

図９に示す第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２は、インクジェットヘッド３が搭載する複数の圧電振動子ユニット４０のうち、駆動信号出力部１５が選択するいずれかの圧電振動子ユニット４０に印加される。

図９における期間Ｔ１は第１駆動信号Ｓ１の１周期を示し、第１駆動信号Ｓ１の繰返周波数ｆ１は１ｋＨｚ〜１０ｋＨｚ程度である。第１駆動信号Ｓ１は、圧電振動子ユニット４０を伸縮させて、圧力発生室６２へのインクの充填及びノズル開口３２からのインクの噴射（吐出）を行わせるための駆動信号である。時刻ｔ１−ｔ２の期間Ｔ１１はインク充填期間である。期間Ｔ１１では、第１駆動信号Ｓ１の電圧値が上昇し、これに伴い圧電振動子ユニット４０がＤ方向に収縮して圧力発生室６２の容積が拡大する。これにより、インク供給口６４を通じて圧力発生室６２にインクが充填される。

時刻ｔ２−ｔ３は第１駆動信号Ｓ１の電圧が一定であり、圧力発生室６２内のインクを安定させる期間に相当する。
時刻ｔ３−ｔ４の期間Ｔ１２は、第１駆動信号Ｓ１の電圧値が急峻に低下してインクがノズル開口３２から噴射される噴射期間である。この期間では、第１駆動信号Ｓ１の電圧値の低下に伴い圧電振動子ユニット４０が伸長して、圧力発生室６２のインクが押圧され、ノズル開口３２から吐出される。

その後、時刻ｔ５−ｔ６の期間Ｔ１３において、第１駆動信号Ｓ１の電圧値は電圧Ｖ２まで上昇する。期間Ｔ１３は、インクを吐出した後の振動板３４及び圧電振動子ユニット４０の振動を減衰させる制振期間である。

第２駆動信号Ｓ２は、第１駆動信号Ｓ１による圧電振動子ユニット４０の動作に対応して、圧電振動子ユニット４０の温度を高める加熱用信号である。

時刻ｔ０−ｔ１において、期間Ｔ１１で第１駆動信号Ｓ１によりインクが充填される前に、第１駆動信号Ｓ１より高周波の第２駆動信号Ｓ２が出力される。時刻ｔ０−ｔ１における第２駆動信号Ｓ２の波形Ｓ２１は、圧電振動子ユニット４０を振動させ、この振動による作動熱で圧電振動子ユニット４０及び圧力発生室６２の温度を高める効果がある。

時刻ｔ１−ｔ２では、時刻ｔ０−ｔ１よりも周波数が低い第２駆動信号Ｓ２が出力される。時刻ｔ１−ｔ２における第２駆動信号Ｓ２の波形Ｓ２２は、圧電振動子ユニット４０を振動させ、この振動による作動熱で圧電振動子ユニット４０及び圧力発生室６２の温度を高める効果がある。一方、波形S２２は波形Ｓ２１に比べて周波数が低く低電圧であるため、圧電振動子ユニット４０が発生する熱量は小さい。

ここで、波形Ｓ２１の周波数をｆ２、電圧値をＶ１３とし、波形Ｓ２２の周波数をｆ３、電圧値をＶ１２とすると、ｆ２＞ｆ３、かつ、Ｖ１３＞Ｖ１２である。周波数ｆ２、ｆ３はいずれも第１駆動信号Ｓ１の周波数よりも高周波であり、４０ｋＨｚ以上が好ましく、好ましい例として１００ｋＨｚ近傍である。

時刻ｔ２以後、期間Ｔ１において第２駆動信号Ｓ２の電圧値は電圧Ｖ１１（例えば、０Ｖ）であり、第２駆動信号Ｓ２による作動熱の発生はない。期間Ｔ１２でインクを噴射すると、熱を蓄積したインクが圧力発生室６２の外に排出されることで、圧力発生室６２及び圧電振動子ユニット４０から熱が奪われる。このため、インクの噴射を開始する時刻ｔ３からｔ５までの期間Ｔ２２は、圧電振動子ユニット４０の熱を放出する排熱期間に相当する。

圧電振動子ユニット４０及び振動板３４の温度による動作特性は、インクの粘度の影響を受ける。温度が低い状態ではインクの粘度が高いため、インク吐出後の圧電振動子ユニット４０及び振動板３４の残留振動が速やかに減衰するが、インク供給口６４の抵抗が増すため圧力発生室６２へのインクの充填に時間がかかる。これに対し、温度が高い状態ではインクの粘度が低いため、圧力発生室６２にインクを充填する過程が速やかに完了するが、圧電振動子ユニット４０及び振動板３４の残留振動を減衰させる効果が低下する。

図９に示したように、印刷装置１は、第１駆動信号Ｓ１により圧電振動子ユニット４０及び振動板３４を変位させてインクの充填と噴射を行い、第２駆動信号Ｓ２により圧電振動子ユニット４０の作動熱を発生させる。

詳細には、インクを充填する期間Ｔ１１及びその前を含む期間Ｔ２１で、第１駆動信号Ｓ１より高周波の第２駆動信号Ｓ２を出力することにより、インクを加熱する。また、時刻ｔ３でインク充填が完了した後は、第２駆動信号Ｓ２を出力しない。このためインクを噴射する期間Ｔ１２ではインク排出により熱が奪われ、その後の期間を含む期間Ｔ２２で、圧力発生室６２の温度を低く保つことで残留振動を速やかに減衰させる。期間Ｔ２２では第２駆動信号Ｓ２による加熱を行わないことと、熱を持ったインクが排出されることにより、圧力発生室６２の温度を効果的に低下させることができる。
このように、第１駆動信号Ｓ１及び第２駆動信号Ｓ２を組み合わせて圧電振動子ユニット４０を駆動することで、インク充填時間による遅延を防止（インク充填を高速化）し、残留振動の制振をすることができ、インクジェットヘッド３の動作を高速化できる。

図１０は、インクの温度と粘度の相関を示す図表である。
図１０に示す相関は、印刷装置１で使用されるインクに相当する液体の粘度を、一例として示すものである。
液体Ａ、液体Ｂのいずれも、温度が高いほど低粘度であり、温度が低いほど高粘度を示すことが明らかであり、例えば３０℃における粘度は５０℃における粘度の２倍以上である。

また、インクジェットヘッド３において、インク供給口６４の大きさは一定であるから、圧力発生室６２へのインクの充填（流入）が完了するまでの時間は、インクの粘度により決定される。インク充填が完了するまでの時間の長さは、インクの粘度と明らかに一致する相関を示し、例えば図１０に示した粘度と同様の温度特性を呈する。

印刷装置１は、第２駆動信号Ｓ２により圧電振動子ユニット４０の作動熱を制御することで、インクを充填する過程と、圧電振動子ユニット４０の残留振動を制振する過程とで、インクの粘度を変化させる。これにより、インクの充填に要する時間および残留振動の制振に要する時間を、いずれも短縮でき、インクジェットヘッド３の動作の高速化を図ることができる。

以上説明したように、印刷装置１のインクジェットヘッド３に搭載される圧電振動子ユニット４０は、圧電振動材料からなる複数の圧電体層４４と、駆動電極部と、共通電極群５０とが積層配置して構成される。駆動電極部は、複数の第１駆動電極５４を含む第１駆動電極群５３と、第１駆動電極５４とは電気的に非接続とされる複数の第２駆動電極５７を含む第２駆動電極群５６と、を含む。共通電極群５０は、複数の共通電極５１を含む。圧電振動子ユニット４０の圧電体層４４の積層方向に対して、各々の第１駆動電極５４及び第２駆動電極５７は圧電体層４４により挟まれる。

本発明の圧電振動素子を適用した圧電振動子ユニット４０によれば、電気的に非接続とされる第１駆動電極５４と第２駆動電極５７のそれぞれに電圧を印加することで圧電体層４４を変形させることができる。このため、第１駆動電極５４に印加される駆動信号で駆動される圧電体層４４と、第２駆動電極５７に印加される駆動信号で駆動される圧電体層４４とを、異なる態様で駆動できる。従って、積層された複数の圧電体層４４を、異なる特性で駆動させることができ、動作を高速化できる。

また、圧電振動子ユニット４０において、第１駆動電極５４と共通電極５１、及び、第２駆動電極５７と共通電極５１は、圧電体層４４を挟んで対向する。第１駆動電極５４群５３と共通電極群５０との間の第１静電容量Ｃ１は、第２駆動電極群５６と共通電極群５０との間の第２静電容量Ｃ２と等しい。これにより、第１駆動電極５４に印加される第１駆動信号Ｓ１により第１駆動電極５４と共通電極５１との間の圧電体層４４を駆動し、第２駆動電極５７に印加される第２駆動信号Ｓ２により第２駆動電極５７と共通電極５１との間の圧電体層４４を駆動できる。静電容量Ｃ１と静電容量Ｃ２とが等しいことで、圧電振動子ユニット４０の動作特性（動作の態様）を、第１駆動信号Ｓ１で駆動する場合と、第２駆動信号Ｓ２で駆動する場合とで顕著に異ならせることができる。従って、圧電振動子ユニット４０全体の動作特性を切り替えることで、動作を高速化できる。さらに、第１駆動信号Ｓ１と第２駆動信号Ｓ２とを同様に制御できるため、回路構成を簡略化できるという利点がある。

また、圧電振動子ユニット４０において、第１駆動電極５４、第２駆動電極５７、及び、共通電極５１は板状の電極で構成され、第１駆動電極５４と第２駆動電極５７とが共通電極５１及び圧電体層４４を介して交互に配置された構成である。これにより、複数の圧電体層４４と板状の電極とを積層した構成であるため、圧電振動子ユニット４０を容易に製造できる。

また、圧電振動子ユニット４０は、圧電体層４４の積層方向において、第１駆動電極５４、共通電極５１、第２駆動電極５７の順に、圧電体層４４を挟んで積層された構成である。これにより、第１駆動電極５４に印加される駆動信号で駆動される圧電体層４４と、第２駆動電極５７に印加される駆動信号で駆動される圧電体層４４とを有する圧電振動子ユニット４０を、容易に構成できる。

また、本発明の液体噴射ヘッドを適用したインクジェットヘッド３は、ノズル開口３２に連通する圧力発生室６２と、圧力発生室に配設された振動板３４とを備える。また、振動板３４を駆動することにより圧力発生室６２への液体の流入と排出とを行わせる圧電振動子ユニット４０を備える。これにより、第１駆動信号および第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を用いることで、圧電振動子ユニット４０を、異なる複数の駆動特性で駆動できる。これにより、圧電振動子ユニット４０を、圧力発生室６２へのインクの充填（流入）に適した態様と、ノズル開口３２からインクを排出する過程に適した態様とで駆動でき、インクを噴射する動作を高速化できる。

また、本発明の液体噴射装置を適用した印刷装置１は、インクジェットヘッド３と、駆動信号出力部１５と、を備える。駆動信号出力部１５は、圧電振動子ユニット４０の第１駆動電極５４に第１駆動信号Ｓ１を印加し、第２駆動電極５７に、第１駆動信号Ｓ１より周波数が高い第２駆動信号Ｓ２を印加する。これにより、第１駆動信号および第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を用いることで、圧電振動子ユニット４０を、異なる複数の駆動特性で駆動できる。これにより、圧電振動子ユニット４０を、圧力発生室６２へのインクの充填（流入）に適した態様と、ノズル開口３２からインクを排出する過程に適した態様とで駆動でき、インクを噴射する動作を高速化できる。

なお、上記実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明を実施する具体的態様に過ぎず、本発明を限定するものではなく、上記実施形態で説明した構成の全てが本発明の必須構成要件であることも限定されない。また、この発明は上記実施形態の構成に限られるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の態様において実施することが可能である。

例えば、上記実施形態において、圧電振動子ユニット４０を構成する圧電体層４４に対し、共通電極５１、第１駆動電極５４、及び第２駆動電極５７が交互に配置された構成としたが、これは一例である。例えば、第１駆動電極５４と共通電極５１とを１対１で組合せ、第２駆動電極５７と共通電極５１とを１対１で組み合わせて、これらの組合せを複数配置してもよい。この場合、共通電極５１と共通電極５１との間、共通電極５１と第１駆動電極５４との間、或いは、共通電極５１と第２駆動電極５７との間に絶縁体を配置してもよい。この絶縁体は、熱伝導性が高いものであればよい。また、第１駆動電極５４の数と第２駆動電極５７の数とは同数に限定されず、これらの電極のサイズ等も任意に変更可能である。

また、上記実施形態では、本発明の液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を、インクを吐出するインクジェット式印刷装置のインクジェットヘッドに適用した例を示したが、本発明の適用対象はこれに限定されず、多方面の用途に応用可能である。

例えば、本発明の適用対象は、印刷媒体Ｐに代わる対象物として、回路基板（プリント基板）に吐出用液体としての導電性液体を吐出することにより電子回路の配線パターンを描画するパターン描画装置としてもよい。また、対象物としての基板に吐出用液体としての透明樹脂を吐出して、マイクロレンズを形成するマイクロレンズ製造装置に応用してもよい。この場合、基板に付着した透明樹脂を、紫外線等の照射によって固化する構成を具備してもよい。また、対象物としての基板に吐出用液体として着色用樹脂を吐出することによりカラーフィルターの着色層を形成するカラーフィルター製造装置に応用してもよい。また、対象物としての基板に吐出用液体としての電気光学物質、つまりエレクトロルミネセンスを呈する蛍光性有機化合物を吐出することにより、有機エレクトロルミネセンス（ＥＬ）表示板を形成する有機ＥＬ表示板製造装置に応用してもよい。また、溶融樹脂を吐出する３Ｄプリンターにおいて、樹脂を噴射するヘッドに本発明を適用してもよい。

図２に示した各機能ブロックのうち少なくとも一部は、ハードウェアで実現してもよいし、ハードウェアとソフトウェアの協働により実現される構成としてもよく、図に示した通りに独立したハードウェア資源を配置する構成に限定されない。その他の細部構成も適宜変更可能である。

１…印刷装置（液体噴射装置）、３…インクジェットヘッド（液体噴射ヘッド）、４…キャリッジ、５…インクタンク、１０…制御部（駆動制御部）、１５…駆動信号出力部、３０…ノズルプレート、３１…ノズル開口列、３２…ノズル開口、３４…振動板、３４Ａ…アイランド部、４０…圧電振動子ユニット（圧電振動素子）、４４…圧電体層、５０…共通電極群（共通電極部）、５１…共通電極、５２…共通電極接続部、５３…第１駆動電極群（駆動電極部）、５４…第１駆動電極、５５…第１駆動電極接続部、５６…第２駆動電極群（駆動電極部）、５７…第２駆動電極、５８…第２駆動電極接続部、６２…圧力発生室、６３…リザーバー、６４…インク供給口。

Claims (6)

1. 圧電振動材料からなる複数の圧電体層と、駆動電極部と、共通電極部とが積層配置して構成される圧電振動素子であって、
   前記駆動電極部は、複数の第１駆動電極を含む第１駆動電極群と、前記第１駆動電極とは電気的に非接続とされる複数の第２駆動電極を含む第２駆動電極群と、を含み、
   前記共通電極部は、複数の共通電極を含み、
   前記圧電体層の積層方向に対して、各々の前記第１駆動電極及び前記第２駆動電極は前記圧電体層により挟まれる、圧電振動素子。
2. 前記第１駆動電極と前記共通電極、及び、前記第２駆動電極と前記共通電極は、前記圧電体層を挟んで対向し、
   前記第１駆動電極群と前記共通電極部との間の第１静電容量は、前記第２駆動電極群と前記共通電極部との間の第２静電容量と等しい、請求項１記載の圧電振動素子。
3. 前記第１駆動電極、前記第２駆動電極、及び、前記共通電極は板状の電極で構成され、
   前記第１駆動電極と前記第２駆動電極とが前記共通電極及び前記圧電体層を介して交互に配置された、請求項１または２記載の圧電振動素子。
4. 前記圧電体層の積層方向において、前記第１駆動電極、前記共通電極、前記第２駆動電極の順に、前記圧電体層を挟んで積層された、請求項３記載の圧電振動素子。
5. ノズル開口に連通する圧力発生室と、
   前記圧力発生室に配設された振動板と、
   前記振動板を駆動することにより前記圧力発生室への液体の流入と排出とを行わせる請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電振動素子と、を備える液体噴射ヘッド。
6. ノズル開口に連通する圧力発生室、
   前記圧力発生室に配設された振動板、及び、
   前記振動板を駆動する請求項１から４のいずれか１項に記載の圧電振動素子を有する液体噴射ヘッドと、
   前記圧電振動素子に駆動信号を印加することにより前記振動板を駆動して、前記圧力発生室への液体の流入と排出とを行わせる駆動制御部と、を備え、
   前記駆動制御部は、前記圧電振動素子の前記第１駆動電極に第１駆動信号を印加し、前記第２駆動電極に、前記第１駆動信号より周波数が高い第２駆動信号を印加する、液体噴射装置。

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