JP4266568B2 - 駆動装置、液体吐出装置、および駆動方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、圧電体素子に印加する電圧制御によりインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドの駆動装置に係る。特に、液体吐出動作以外の時に各圧電体素子の残留分極を調整し、素子間のばらつきを防止する駆動装置に関する。また、かかる駆動装置を備えたプリンタ等の液体吐出装置、及び液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
オンデマンド型のインクジェット式記録ヘッドは、圧電体素子や発熱素子によりインク圧力を発生させる圧力室と、圧力室にインクを供給するインク室と、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えている。そして、印字信号に対応する上記素子に駆動信号を印加して圧力を発生させ、インク滴をノズルから記録媒体に飛翔させる。特に圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドは、熱を使わないのでインクの劣化が生じにくく、目詰まりしにくいなどの長所を有している。
【０００３】
この圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜によるインクの吐出特性を向上させるため、予め圧電体膜に分極処理を行なうことが知られている。
【０００４】
図７に分極処理の概念を説明するため、圧電体膜の電界強度（Ｅ）に対する歪み（Ｓ）の特性を示す。分極処理が行われていない場合には、電界強度Ｅ＝０のとき歪みＳ＝０である。この状態で圧電体素子を駆動すると、電界強度Ｅの上昇に伴って図の太線Ｌに沿って歪みＳが上昇する。一方、予め分極処理が行われていた場合には、電界強度Ｅ＝０のとき、既に分極により歪みＳは０を超えている。この状態で圧電体素子を駆動すると、電界強度Ｅの上昇に伴って図の太線Ｈに沿って歪みＳが上昇する。このように電界強度Ｅ＝０から同じ電界強度をかけた場合でも、予め分極処理をした場合の方が、分極処理しない場合に比べて高い歪みが得られる。
【０００５】
この分極処理によって生じた分極は時間の経過に伴って次第に失われる。特開平９−１４１８６６号公報は、インク吐出時の分極方向と同極性を有する電圧により、圧電素子部材を再分極させることを開示している。これにより、経年使用後においてもインクを所望の吐出量で吐出させようとしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記分極処理は抗電界より小さい範囲で駆動する場合には有効であるが、圧電体薄膜を用いる場合には駆動の電界強度が抗電界より十分に大きくなるため、分極処理はその効果を十分に示さない。一方、圧電体薄膜は残留分極が比較的早く減じられる傾向にある。このため、駆動履歴のある素子と駆動履歴のない素子との間で分極に差が生じ、却って素子間のばらつきが生じてしまう。
【０００７】
そこで、本発明は、圧電体素子の変位のばらつきを抑制することのできる液体吐出ヘッドの駆動装置を提供することを目的とする。
【０００８】
本発明による駆動装置は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、液体吐出動作時に、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を圧電体薄膜に印加し、液体吐出動作以外の時に、圧電体薄膜に残留する分極を消去するために、駆動電圧とは逆極性であって、圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を圧電体薄膜に印加するものであって、圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されているものである。これにより、時間が経過しても素子間で分極のばらつきが生じなくなり、安定した吐出特性を得ることができる。
【０００９】
また、本発明の駆動装置は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、液体吐出動作時に、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を圧電体薄膜に印加し、液体吐出動作以外の時に、駆動電圧と同極性の電圧を印加し、更に駆動電圧と逆極性であって、圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加するものであって、圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されているものである。これにより、駆動履歴のある素子および駆動履歴のない素子のいずれについても、圧電体素子の分極を消去することができる。
【００１０】
上記駆動装置において、液体吐出動作以外の時間に印加する前記駆動波形と同極性の電圧は、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す電圧であることが望ましい。また、上記駆動装置において、液体吐出動作以外の時間に印加する電圧は、液体吐出装置の電源投入直後、ヘッド表面のクリーニング前後、カートリッジ交換時、排紙後のいずれかの時間に印加することが望ましい。
【００１１】
また、本発明の駆動装置は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を印加し、更に前記駆動電圧と逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加して前記圧電体薄膜に残留する分極を消去するものであって、圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されているものである。これにより、時間が経過しても素子間で分極のばらつきが生じなくなり、安定した吐出特性を得ることができる。
【００１３】
本発明の液体吐出装置は、上記の駆動装置を備え、当該駆動装置により液体吐出ヘッドを駆動して記録を行なうものである。上記液体吐出装置において、前記液体としてインクを吐出することにより、媒体に対する印刷をすることができる。
【００１４】
本発明の駆動方法は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、液体吐出動作時に、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を圧電体薄膜に印加し、液体吐出動作以外の時に、圧電体薄膜に残留する分極を消去するために、駆動電圧とは逆極性であって、圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を圧電体薄膜に印加するものである。
【００１５】
また、本発明の駆動方法は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、液体吐出動作時に、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を圧電体薄膜に印加し、液体吐出動作以外の時に、駆動電圧と同極性の電圧を印加し、更に駆動電圧と逆極性であって、圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加するものである。
【００１６】
また、本発明の駆動方法は、圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加し、更にこれと逆極性であって、圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加して圧電体薄膜に残留する分極を消去するものである。これにより、時間が経過しても素子間で分極のばらつきが生じなくなり、安定した吐出特性を得ることができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００１８】
（インクジェットプリンタの全体構成）
図１は、本実施形態の駆動装置が使用される液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。さらに本体２の内部には、液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド１、供給機構６、制御回路８が備えられている。制御回路８が本発明の駆動装置を備えている。
【００１９】
インクジェット式記録ヘッド１は、後述の圧電体素子を備えている。インクジェット式記録ヘッド１は、制御回路８から供給される吐出信号に対応して、ノズルからインク等の液体を吐出可能に構成されている。
【００２０】
本体２は、プリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に供給機構６を配置し、用紙５に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。トレイ３は、印字前の用紙５を供給機構６に供給可能に構成され、排出口４は、液体吐出による印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
【００２１】
供給機構６は、モータ６００、ローラ６０１・６０２、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ６００は、制御回路８から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ６００の回転力をローラ６０１・６０２に伝達可能に構成されている。ローラ６０１および６０２は、モータ６００の回転力が伝達されると回転するようになっている。これらローラ６０１および６０２は、回転によりトレイ３に載置された用紙５を引き込み、ヘッド１によって印刷可能に供給する。
【００２２】
制御回路８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備えている。この制御回路８は、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を供給機構６に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド１に供給したりすることができる。また、制御回路８は操作パネル９からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。
【００２３】
（インクジェット式記録ヘッドの構成）
図２は、上記駆動装置により駆動されるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド１は、図に示すように、ノズル板１０、圧力室基板２０および振動板３０を備えて構成されている。このヘッドは、オンデマンド形のピエゾジェット式ヘッドを構成している。
【００２４】
圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチングすることにより形成されたインクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２は圧力室２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各圧力室２１に充たすための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１にインクを導入可能に形成されている。
【００２５】
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル穴１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合わせられている。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０は、さらに筐体２５に納められて、インクジェット式記録ヘッド１を構成している。
【００２６】
振動板３０は圧力室基板２０の他方の面に貼り合わせられている。振動板３０には圧電体素子（図示しない）が設けられている。振動板３０には、インクタンク口（図示せず）が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０内部に供給可能になっている。
【００２７】
（層構造）
図３に、上記インクジェット式記録ヘッドのさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧力室及び圧電体素子の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板３０は、絶縁膜３１および下部電極３２を積層して構成される。圧電体素子４０は下部電極３２上に圧電体薄膜層４１及び上部電極４２を積層して構成されている。このインクジェット式記録ヘッド１は、圧電体素子４０、圧力室２１およびノズル穴１１が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適時設計変更が可能である。例えば４００ｄｐｉ（dot per inch）になるように配置される。
【００２８】
絶縁膜３１は、導電性でない材料、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ_２）により厚さ１μｍ程度に形成される。この絶縁膜３１は、圧電体薄膜層の変形により変形し、圧力室２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。
【００２９】
下部電極３２は、圧電体薄膜層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）などにより厚さ０．２μｍ程度に形成されている。下部電極３２は、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電体素子に共通な電極として機能するように絶縁膜３１と同じ領域に形成される。ただし、圧電体薄膜層４１と同様の大きさに、すなわち上部電極と同じ形状に形成することも可能である。
【００３０】
上部電極４２は、圧電体薄膜層に電圧を印加するための他方の電極となる。この上部電極４２は、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）で厚さ０．１μｍ程度に形成されている。
【００３１】
圧電体薄膜層４１は、例えばペロブスカイト構造を持つチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックスの結晶であり、振動板３０上に所定の形状で形成されている。圧電体薄膜層４１の厚さは２μｍ以下が好ましく、例えば１μｍ程度に形成される。この圧電体薄膜の抗電界は、例えば２×１０^６［Ｖ／ｍ］程度である。
【００３２】
（印刷動作）
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、印刷動作を説明する。制御回路８から駆動信号が出力されると、供給機構６が動作し用紙５がヘッド１によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路８から吐出信号が供給されず圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層４１には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子４０が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル穴１１からインク滴は吐出されない。
【００３３】
一方、制御回路８から吐出信号が供給され圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜層４１に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子４０が設けられている圧力室２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル穴１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で印刷させたい位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【００３４】
（駆動装置）
図４は、本実施形態による駆動装置の回路図である。図に示されるように、インクジェットヘッドのノズルごと（圧力室ごと）に備えられた圧電体薄膜素子４０は、電気回路上コンデンサとして表現される。各コンデンサの一方の電極は共通にされて当該共通電極は接地されている。
【００３５】
駆動装置は、圧電体薄膜素子４０を駆動させるための駆動波形と、圧電体薄膜素子４０に残留する分極を消去する波形とを発生する波形発生回路８１、波形発生回路８１からの駆動波形を各圧電体薄膜素子４０に選択的に伝達させるノズル選択回路８２を備えている。
【００３６】
（駆動信号）
図５は、本実施形態による駆動装置により圧電体素子に印加される電圧波形の例を示す波形図である。特に図５（Ａ）はインク吐出時の波形、図５（Ｂ）は分極消去のための波形である。
【００３７】
図５（Ａ）に示すインク吐出時の波形は、ここでは電位上昇期ａ１、電位維持期ａ２、電位下降期ａ３を備えている。電位上昇期ａ１及び電位維持期ａ２では、圧電体に電圧を印加して圧力室を収縮させることにより、インクをノズルから吐出させる。電位下降期では、圧力室を拡大させることにより、吐出されなかったインクをノズル内に引き込むとともに、図示しないインクタンクから新たにインクを引き込む。電位維持期ａ２における圧電体の電界強度は、例えば２×１０^７〜３×１０^７［Ｖ／ｍ］であり、抗電界２×１０^６［Ｖ／ｍ］の１０倍程度高くなっている。
【００３８】
図５（Ｂ）に示す分極消去のための波形は、駆動波形と同極性の電圧を印加する同極性電圧印加期ｂ１と、その直後に駆動波形と逆極性の電圧を印加する逆極性電圧印加期ｂ２とを備えている。同極性電圧印加期ｂ１における圧電体薄膜の電界強度は、５×１０^６［Ｖ／ｍ］であり、抗電界２×１０^６［Ｖ／ｍ］より高くなっている。一方、逆極性電圧印加期ｂ２における圧電体薄膜の電界強度は、−２×１０^６［Ｖ／ｍ］であり、抗電界２×１０^６［Ｖ／ｍ］と同程度となっている。
【００３９】
図６は、上記のような分極消去のための波形を印加した場合の電界強度（Ｅ）と歪み（Ｓ）との関係を説明するグラフである。残留分極のない圧電体素子に、上記の分極消去のための波形を印加すると、図６の曲線上に示した矢印に従って変化し、点ａに示す状態になる。残留分極のある圧電体素子に上記の分極消去のための波形を印加しても、点ａに示す状態となる。点ａに示す状態では、分極が０となるので、その後時間の経過により分極が変化することはなく、素子間のばらつきは生じにくい。
【００４０】
なお、駆動波形と逆極性の電圧のみ印加した場合、駆動履歴がない素子は点ｂに示す状態となってしまい、分極解消にならない。
【００４１】
上記の波形を印加するタイミングは、プリンタ電源投入直後、ヘッド表面のクリーニング前後、インクカートリッジ交換時、排紙後など、インクジェットヘッドによるインク吐出時以外の時間、特にインク吐出前が好ましい。但し、インク吐出時に、抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加し、続いてこれと逆極性の電圧を印加することにより、圧電体に残留する分極を消去してもよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明の液体吐出ヘッド駆動装置および駆動方法によれば、圧電体素子の変位のばらつきを抑制することのできる液体吐出ヘッドの駆動装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態の駆動装置が使用されるプリンタの構造を説明する斜視図である。
【図２】上記駆動装置により駆動されるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。
【図３】上記インクジェット式記録ヘッドのさらに具体的な構造を説明する断面図である。
【図４】本実施形態による駆動装置の回路図である。
【図５】本実施形態による駆動装置により圧電体素子に印加される電圧波形の例を示す波形図である。
【図６】上記のような分極消去のための波形を印加した場合の電界強度（Ｅ）と歪み（Ｓ）との関係を説明するグラフである。
【図７】圧電体膜の電界強度（Ｅ）に対する歪み（Ｓ）の特性を示すグラフである。
【符号の説明】
１０…ノズル板、 ２０…圧力室基板、 ３０…振動板、 ３１…絶縁膜、 ３２…下部電極、 ４０…圧電体素子、 ４１…圧電体薄膜層、 ４２…上部電極、 ２１…圧力室

Claims (10)

1. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、
   液体吐出動作時に、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を前記圧電体薄膜に印加し、
   液体吐出動作以外の時に、前記圧電体薄膜に残留する分極を消去するために、前記駆動電圧とは逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を前記圧電体薄膜に印加するものであって、
   前記圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されている、駆動装置。
2. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、
   液体吐出動作時に、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を前記圧電体薄膜に印加し、
   液体吐出動作以外の時に、前記駆動電圧と同極性の電圧を印加し、更に前記駆動電圧と逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加するものであって、
   前記圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されている、駆動装置。
3. 請求項２において、
   前記液体吐出動作以外の時間に印加する前記駆動波形と同極性の電圧は、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す電圧である駆動装置。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか一項において、
   前記液体吐出動作以外の時間に印加する電圧は、液体吐出装置の電源投入直後、ヘッド表面のクリーニング前後、カートリッジ交換時、排紙後のいずれかの時間に印加される駆動装置。
5. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動装置であって、
   前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を印加し、
   更に前記駆動電圧と逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加して前記圧電体薄膜に残留する分極を消去するものであって、
   前記圧電体薄膜は、２μｍ以下の厚みに形成されている、駆動装置。
6. 請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の駆動装置を備え、
   当該駆動装置により液体吐出ヘッドを駆動して記録を行なう液体吐出装置。
7. 請求項６において、前記液体はインクである、液体吐出装置。
8. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
   ２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、
   液体吐出動作時に、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を前記圧電体薄膜に印加し、
   液体吐出動作以外の時に、前記圧電体薄膜に残留する分極を消去するために、前記駆動電圧とは逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を前記圧電体薄膜に印加する、駆動方法。
9. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
   ２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、
   液体吐出動作時に、前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す駆動電圧を前記圧電体薄膜に印加し、
   液体吐出動作以外の時に、前記駆動電圧と同極性の電圧を印加し、更に前記駆動電圧と逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加する駆動方法。
10. 圧電体薄膜への電圧の印加によって圧力室を収縮させ液体を吐出させる液体吐出ヘッドの駆動方法であって、
    ２μｍ以下の厚みに形成されている前記圧電体薄膜を駆動するものであって、
    前記圧電体薄膜の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加し、
    更にこれと逆極性であって、前記圧電体薄膜の抗電界と同一の電界強度を示す電圧を印加して前記圧電体薄膜に残留する分極を消去する、駆動方法。

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