JP5689651B2 - 液体噴射ヘッド、液体噴射装置及び液体噴射ヘッドの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、微小空間に液体を充填し、この微小空間の容積を圧電体の厚み滑り変形を利用して瞬間的に変化させて液体を吐出する液体噴射ヘッド及び液体噴射ヘッドの駆動方法に関する。

近年、記録紙等にインク滴を吐出し、文字、図形を描画する、あるいは素子基板の表面に液体材料を吐出して機能性薄膜のパターンを形成するインクジェット方式の液体噴射ヘッドが利用されている。この方式は、インクや液体材料を液体タンクから供給管を介して液体噴射ヘッドに供給し、液体噴射ヘッドに形成した微小空間にこのインクを充填し、駆動信号に応じて圧電体の電歪効果を利用して微小空間の容積を瞬間的に縮小し、微小空間に連通するノズルから液滴を吐出させて記録する。

図６（ａ）は、シェアーモードタイプの液体噴射ヘッド１００の断面模式図である。圧電体基板１０１の表面には複数の溝が形成され、この溝の上部開口がカバープレート１０６により塞がれて、複数のチャンネルが構成されている。複数のチャンネルは、液体を吐出するための吐出チャンネル１０２と液体が充填されていないダミーチャンネル１０３が交互に配列している。圧電体基板１０１は表面の垂直方向に分極処理が施されている。従って、各隔壁１０７は、矢印で示すように基板面から垂直方向に分極されている。吐出チャンネル１０２を囲む隔壁１０７の吐出チャンネル１０２側の２つの側面には共通電極１０４が設置されている。吐出チャンネル１０２を囲む隔壁１０７のダミーチャンネル１０３側の２つの側面には駆動電極１０５が設置されている。共通電極１０４及び駆動電極１０５は隔壁１０７の高さの略１／２から上部に形成されている。

吐出チャンネル１０２の２つの側面に形成された共通電極１０４は、他の吐出チャンネル１０２の共通電極１０４とともに配線電極を介してＧＮＤに共通に接続されている。吐出チャンネル１０２の両側に隣接するダミーチャンネル１０３の当該吐出チャンネル１０２側の側面に設置された２つの駆動電極１０５は配線電極を介して短絡し、駆動信号を入力するための端子Ｔに接続されている。端子Ｔに駆動信号が与えられると２つの隔壁１０７の上半分の分極方向と直交する方向に電界が印加され、各隔壁１０７は厚み滑り変形して吐出チャンネル１０２の内容積を瞬間的に変化させる。これにより、吐出チャンネル１０２に充填された液体、例えばインクがノズル１０８から吐出される。

しかし、長時間使用すると、常に同極性の駆動信号が分極方向と直交する方向に印加されることから、隔壁１０７の分極Ｐが劣化する。しかも、吐出チャンネル１０２毎に印加される駆動信号の履歴が異なるので、分極Ｐの劣化状態も吐出チャンネル１０２毎に異なる。図６（ｂ）は、長時間使用した液体噴射ヘッド１００の各隔壁１０７の分極状態を矢印で模式的に表している。各隔壁１０７の分極の劣化状態もそれぞれ異なっている。このため液体噴射ヘッド１００をそのまま使用すると、液体の吐出条件がばらついて記録品質が低下する。

特許文献１には、圧電材料がアクチュエータ等に利用される圧電体素子の再生方法が記載されている。厚さ０．５ｍｍのペレット状のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）圧電素子を用い、１０⁷回駆動した後に、キューリー温度よりも低い１００℃〜１５０℃の温度で駆動電界と逆方向に電界を与える。これにより、駆動電圧の印加により配列した荷電サイトを拡散させて破壊し、内部電界を消失させて、圧電素子の電気機械結合係数Ｋｐや機械的品質係数Ｑｍを耐久試験前の未耐久品と同様にすることが記載されている。また、この試料に分極処理を施すことにより印加電圧に対する変位量や分極量が未耐久品とほぼ同様な状態に回復できることが記載されている。

特許文献２には、屈曲モードタイプの液体吐出ヘッドに使用される圧電体素子の変位ばらつきを制御することのできる駆動装置が記載されている。この液体吐出ヘッドは、インク等の液体が充填される圧力室と、その圧力室の上部に設置される絶縁膜及び下部電極から成る振動板と、その上に設置される圧電体膜層及び上部電極からなる圧電体素子が積層される単位構造を備えている。駆動装置は、上記圧力室が多数並列する液体吐出ヘッドを駆動するための駆動波形を生成する。駆動装置は、更に、圧電体膜層の残留分極を消去するための波形も生成する。残留分極は、時間経過とともに変化して素子間ばらつきを生ずる原因となっている。そこで、圧電体素子に残留分極消去用の波形を与えて残留分極を消失させる。残留分極消去用の波形は、圧電体素子を駆動する際の駆動波形と同極性の期間とその直後の逆極性の期間を有する。同極性の期間は、圧電体膜層の抗電界を超える電界強度を与える電圧レベルを維持し、逆極性に反転する期間は、ほぼ圧電体の抗電界を与える電圧レベルを維持する。この波形を圧電体膜層の上部に形成した上部電極に印加して圧電体膜層の残留分極を０にする。これにより、残留分極が時間経過とともに変化することを防ぐことができる。残留分極消去用の波形を圧電体素子に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、廃紙後などの、インク吐出時以外の時間に行う。

特許文献３には圧電素子の再生方法が記載され、特許文献２に記載される波形を更に改良している。即ち、駆動波形と同極性の抗電界以上の電界を生ずる電圧レベルの期間と、その後の駆動波形と逆極性の抗電界又は抗電界以上の電界を生ずる電圧レベルの期間との間に、駆動波形と逆極性であり、上記逆極性電圧よりも絶対値の小さい電圧を印加する期間を挿入している。これにより、急激な電位変化による駆動回路や圧電素子への負担を軽減する、というものである。

特開平６−３４２９４６号公報 特開２００２−３５５９６７号公報 特開２００６−６８９７０号公報

近年は吐出チャンネルの高密度配列の要求が強い。シェアーモードタイプの液体噴射ヘッドの場合、チャンネルの配列を高密度化するにはその構造上チャンネルを区画する隔壁の厚さやチャンネル幅を薄くしなければならない。隔壁の厚さチャンネル幅を薄くすると隔壁を駆動するための電界強度が高くなり、分極方向に対して直交する方向に印加される電界により分極が回転し、劣化しやすくなる。そのために、圧電体隔壁の劣化した分極を再生するための有効な手段が望まれている。

特許文献１に記載される圧電素子の再生方法は、駆動電圧に対して逆方向の電圧を印加して、駆動電圧の印加によって拡散し配列した荷電サイトを破壊し、荷電サイトによる内部電界を消失させている。つまり、荷電サイトを移動させることが必要であることから、圧電素子を１００℃〜１５０℃に加熱して逆電圧を印加している。この再生方法を液体噴射ヘッドに適用しようとすると、液体噴射ヘッドから圧電体素子を分離して取り出すことが必要となる、或いは液体噴射ヘッド全体を１００℃以上に加熱することが必要となり、再生工程が複雑となる、あるいは実施することができない。

特許文献２又は特許文献３に記載の圧電体素子は屈曲モードタイプであり、シェアーモードタイプと異なる構造を有し異なる電界により駆動する。特許文献２又は特許文献３では、圧電体膜層の厚さが１μｍ〜３μｍであり、圧電体膜層の抗電界よりも十分高い電界により駆動するのに対して、シェアーモードタイプでは、圧電体の厚さが屈曲モードタイプより一桁以上厚く、分極処理が施されており、抗電界以下の電界を印加して駆動する。このため、圧電体素子の劣化モードも異なっている。特許文献２及び特許文献３では残留分極が時間経過とともに変化し、この変化した残留分極が吐出条件のばらつきとなる。そこで、圧電体膜層に対して、最初に駆動波形と同極性であり抗電界の２倍以上の電界を印加し、次に逆極性のほぼ抗電界となる電圧を与えてばらつきの元となる残留分極を消去している。一方シェアーモードタイプでは、予め圧電体を分極し、その分極方向と直交する方向に電界を印加して厚み滑り変形を誘起させる。そのため、そもそも残留分極を利用して駆動するものであり、残留分極を０にすれば厚み滑り変形を誘起させることができない。従って、特許文献２又は特許文献３の再生方法をシェアーモードタイプに適用することができない。

また、特許文献２及び特許文献３では、圧電体膜層を挟む一方の電極が共通に接続して接地され、他方の電極である上部電極（個別電極）が個別に駆動回路に接続され、この上部電極に圧電体膜層の抗電界を大きく超える駆動電圧と、この駆動電圧と極性が反転した大きな反転電圧が印加される。即ち、圧電素子を駆動する駆動回路は大きな正負の電圧を生成しなければならず、回路構成が複雑となり液体噴射ヘッドを構成する上で大きな負担となる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、シェアーモードタイプの圧電体素子を簡便に再生可能な液体噴射ヘッド及びその駆動方法を提供することを目的とするものである。

本発明による液体噴射ヘッドは、周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、前記圧電体を挟み、前記一方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、前記一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい低電圧に設定し、他方に駆動信号を供給して前記圧電体を駆動する駆動部と、を備え、前記駆動部は、前記一対の電極の一方を前記低電圧から相対的に絶対値の大きい高電圧に切り替えるスイッチ素子を備えることとした。

また、前記チャンネルは、基板表面に交互に配列する吐出チャンネルとダミーチャンネルを含み、前記圧電体は、前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとを離隔する隔壁の一部又は全部を構成し、前記一方向は前記基板表面の法線方向であり、前記一対の電極の一方は、前記隔壁の吐出チャンネル側の側面に設置された共通電極であり、前記一対の電極の他方は、前記隔壁のダミーチャンネル側の側面に設置された駆動電極であり、前記駆動部は、複数の前記吐出チャンネルの複数の前記共通電極を共通に前記低電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネルの前記駆動電極に個別に前記駆動信号を供給して前記隔壁を駆動することとした。

また、前記駆動部は、前記スイッチ素子を制御して前記共通電極を共通に前記高電圧に設定し、前記駆動電極を共通に前記低電圧に設定して、前記共通電極と前記駆動電極の間の前記隔壁に前記圧電体の抗電界を超える電界を印加することとした。

また、前記吐出チャンネルは、幅が３０μｍ〜５０μｍの細長い溝から成り、前記隔壁は、前記吐出チャンネル及び前記ダミーチャンネルが配列する配列方向の厚さが３０μｍ〜５０μｍであることとした。

また、前記スイッチ素子は、ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴが直列接続する相補型回路により構成されることとした。

本発明による液体噴射装置は、上記のいずれかに記載の液体噴射ヘッドと、前記液体噴射ヘッドを往復移動させる移動機構と、前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備えることとした。

本発明による液体噴射ヘッドの駆動方法は、周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、前記圧電体を挟み、前記一方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、前記圧電体を駆動する駆動部とを備える液体噴射ヘッドの駆動方法であって、前記駆動部は、駆動時において、前記一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい第一の低電圧に設定し、前記一対の電極の他方に一方極性の駆動信号を供給して前記圧電体を駆動し、再生時において、前記一対の電極の一方を前記駆動信号と同じ一方極性を有し、相対的に絶対値の大きい高電圧に設定し、前記一対の電極の他方を相対的に絶対値の小さい第二の低電圧に設定して前記圧電体を再生することとした。

また、前記チャンネルは、基板表面に交互に配列する吐出チャンネルとダミーチャンネルを含み、前記圧電体は、前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとを離隔する隔壁の一部又は全部を構成し、前記一対の電極の一方は、前記隔壁の吐出チャンネル側の側面に設置された共通電極であり、前記一対の電極の他方は、前記隔壁のダミーチャンネル側の側面に設置された駆動電極であり、前記駆動部は、前記駆動時において、複数の前記吐出チャンネル側の共通電極を共通に前記第一の低電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネル側の駆動電極に個別に前記駆動信号を供給し、前記再生時において、複数の前記吐出チャンネル側の共通電極を共通に前記高電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネル側の駆動電極を共通に前記第二の低電圧に設定することとした。

また、前記駆動部は、前記再生時において、前記一対の電極に前記圧電体の抗電界を超える電界を生ずる電圧を印加することとした。

本発明の液体噴射ヘッドは、周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、圧電体を挟み、一方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい低電圧に設定し、他方に駆動信号を供給して圧電体を駆動する駆動部と、を備え、駆動部は、一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい低電圧から相対的に絶対値の大きい高電圧に切り替えるスイッチ素子を備えている。これにより、正負の大きな電圧を生成することなく圧電体に反転電圧を印加して圧電体の劣化を制限した液体噴射ヘッドを提供することができる。

本発明に係る液体噴射ヘッドの基本的な構成を示す概念図である。 本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッド及び液体噴射ヘッドの駆動方法を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに使用するスイッチ素子の回路図である。 本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドに使用するスイッチ素子の他の回路図である。 本発明の液体噴射ヘッドを用いた液体噴射装置の模式的な斜視図である。 従来公知のシェアーモードタイプの液体噴射ヘッドの断面模式図である。

＜基本的な構成＞
図１は、本発明の液体噴射ヘッド1の基本的な構成を示す概念図である。液体噴射ヘッド１は、チャンネルＣＡと、電極ＥＬと、駆動部ＣＲを備える。チャンネルＣＡは、周囲を囲む壁材Ｍの一部が一方向に分極処理が施された圧電体ＰＭにより構成される。電極ＥＬは、圧電体ＰＭを挟み、圧電体ＰＭの分極Ｐの方向に略直交する方向に電界を印加する。駆動部ＣＲは、一対の電極ＥＬと、この一対の電極ＥＬの一方を相対的に絶対値の小さい低電圧Ｖｕに設定し、他方に駆動信号Ｖｓを供給して圧電体ＰＭを駆動する。駆動部ＣＲは、一対の電極ＥＬの一方を低電圧ＶＵから相対的に絶対値の大きい高電圧Ｖｈに切り替えるスイッチ素子ＳＷを備える。

圧電体ＰＭは板面と平行方向に分極処理が施されている。一対の電極ＥＬは圧電体ＰＭの分極Ｐに対して略直交する方向に電界を印加ができるように設置されている。駆動部ＣＲが一対の電極ＥＬの一方に低電圧Ｖｕを、他方に駆動信号Ｖｓを供給すると、圧電体ＰＭは厚み滑り変形してチャンネルＣＡの容積が瞬間的に変化する。これにより、チャンネルＣＡに充填された液体に圧力変動が伝達し図示しないノズルから液体が吐出される。この通常駆動に対して、本発明の液体噴射ヘッド１は、駆動部ＣＲにスイッチ素子ＳＷを設けて、一対の電極ＥＬの一方を低電圧ＶＵから高電圧Ｖｈに切り替えて、電界方向を反転させて圧電体を再生するための再生電圧を印加できるように構成した。

圧電体ＰＭは駆動信号Ｖｓが印加されると、その印加された駆動信号Ｖｓの履歴に応じて分極Ｐの方向が変化する。そのため、駆動履歴に応じて圧電体ＰＭの厚み滑り変形量がばらつき、液体吐出条件が変動する。本発明は、駆動部ＣＲに低電圧ＶＵと高電圧Ｖｈを切り替えるスイッチ素子ＳＷを設けて、通常駆動時とは圧電体ＰＭ中の電界方向が反転する高電圧の再生電圧を印加できるようにした。これにより、圧電体ＰＭの劣化を抑制し、チャンネルＣＡを多数配列して液体噴射ヘッドを構成する場合でも、吐出条件のばらつきを抑制することができる。

図１において、チャンネルＣＡを構成する左側の壁材として圧電体ＰＭとこの圧電体を挟む一対の電極ＥＬを設けたが、他の側の壁材Ｍを圧電体ＰＭとしてもよいし、左右又は上下、或いは全ての側の壁材Ｍを一対の電極ＥＬを設置した圧電体ＰＭで構成することができる。一対の電極ＥＬは圧電体ＰＭの上下方向の上半分の領域に形成することに代えて下半分の領域に形成しても良い。また、壁材Ｍの全部を圧電体ＰＭにより構成することに代えて、壁材Ｍの一部、例えば壁材Ｍの１／２の高さまで圧電体ＰＭで構成し、１／２から最上部までを非圧電性材料で構成しても良い。この場合は、圧電体ＰＭで構成した壁材Ｍの両側面の全面に一対の電極ＥＬを形成することができる。また、いずれかの側の壁材Ｍを圧電体ＰＭで構成し、その１／２の高さより下部を下方向又は上方向に分極し、その１／２の高さより上部を上方向又は下方向に分極し、壁材Ｍの両側面の全面に一対の電極ＥＬを形成してもよい。

次に、本発明の液体噴射ヘッドの基本的な駆動方法を説明する。まず、液体噴射ヘッドは、周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、上記分極方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、圧電体を駆動する駆動部とを備える。通常の駆動時において、駆動部は、上記一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい第一の低電圧、例えば接地電位に設定し、一対の電極の他方に一方極性の駆動信号を供給する。圧電体の劣化を抑制するための再生時において、駆動部は、一対の電極の一方を上記駆動信号の極性と同じ一方極性の相対的に絶対値の大きい高電圧に設定し、一対の電極の他方を相対的に絶対値の小さい第二の低電圧、例えば接地電位に設定して圧電体を再生させる。

これにより、駆動部は、一方極性の電圧の他に他方極性の電圧を生成することなく、圧電体に対して一方向の電界と、これと方向を反転させた反転方向の電界を印加するので、駆動部の回路構成を複雑にすることなく圧電体の再生処理を行うことができる。ここで、駆動時に圧電体に供給する駆動信号Ｖｓは、圧電体の抗電界を超えない電圧とすることが望ましい。駆動時に圧電体の抗電界を超える駆動信号が印加されると、圧電体の分極Ｐの分極軸が回転し、厚み滑り変形量が大きく変化するので、これを防止するためである。また、再生時に圧電体に供給する再生電圧は、圧電体の抗電界を超える電圧とすることが望ましい。また、再生時に圧電体に圧電体の抗電界を超える高電圧を印加して駆動信号によって回転した分極方向を初期状態に戻す、或いは初期状態に近い安定状態に戻すためである。以下、図面を用いて具体的に説明する。

＜実施形態＞
図２は本発明の実施形態を表し、本発明に係る液体噴射ヘッド１及びその駆動方法を説明するための図である。図２（ａ）は通常駆動時の状態を表す構成図であり、（ｂ）は再生時の状態を表す構成図である。液体噴射ヘッド１はアクチュエータ基板１２及びカバープレート１３から構成されるチャンネル構成部６とこれを駆動する駆動部ＣＲを備えている。アクチュエータ基板１２は、圧電体からなり、その基板表面に並列する複数の溝を有し、複数の溝の上部開口部をカバープレート１３が塞いで吐出チャンネル２とダミーチャンネル３を構成している。吐出チャンネル２とダミーチャンネル３は交互に配列している。吐出チャンネル２は、図示しないノズルプレートのノズル９に連通し、チャンバー内に充填された液体を吐出する機能を有している。ダミーチャンネル３には液体が供給されず、従って、ダミーチャンネル３は液体を吐出する機能を有していない。

吐出チャンネル２とダミーチャンネル３は隔壁８により離隔している。各隔壁８は圧電体により形成され、基板表面の法線方向に分極処理が施されている。吐出チャンネル２を構成する左右の隔壁８ａ、８ｂは、その吐出チャンネル２側の各側面に共通電極４を備え、隣接するダミーチャンネル３ａ、３ｂ側の各側面にそれぞれ駆動電極５ａと駆動電極５ｂを備えている。各共通電極４は配線電極を介して電気的に短絡し、駆動電極５ａと駆動電極５ｂは他の配線電極を介して電気的に短絡している。従って、駆動電極５ａ、５ｂと共通電極４の間に駆動信号を印加することにより、隔壁８ａ、８ｂに厚み滑り変形を誘起し、吐出チャンネル２の容積を拡大又は縮小して内部に充填された液体をノズル９から吐出させることができる。

駆動部ＣＲは、液体噴射ヘッド１の動作を制御する制御回路１１と、制御回路１１の制御の下で、駆動電極５ａ、５ｂに駆動信号Ｖｓを供給する駆動回路１０と、共通電極４をＧＮＤの接地電位又は再生電圧Ｖｘに切り替えて設定するスイッチ素子ＳＷを備えている。駆動回路１０は、各吐出チャンネル２を構成する隔壁８ａ、８ｂのダミーチャンネル３ａ、３ｂ側の側面に設置した駆動電極５ａ、５ｂに駆動信号Ｖｓを個別に供給する。スイッチ素子ＳＷは、各吐出チャンネル２を構成する隔壁８ａ、８ｂの吐出チャンネル２側の側面に設置した各共通電極４に共通に接続し、各共通電極４を共通に低電圧である接地電位に設定している。制御回路１１は、駆動回路１０及びスイッチ素子ＳＷの駆動を制御する。

図２（ａ）は長時間使用された液体噴射ヘッド１を表しており、各隔壁８の駆動電極５と共通電極４に挟まれる領域の圧電体の分極Ｐはその方向がばらついている。使用前の分極Ｐはアクチュエータ基板１２の表面の法線方向を向いていた。しかし、駆動時に、共通電極４が接地電位に設定され、駆動電極５に駆動信号Ｖｓが印加されたことにより、その駆動信号Ｖｓの駆動履歴に応じて分極Ｐの分極軸が回転し、その回転角にばらつきが発生する。分極Ｐの方向が変化すると厚み滑り変形量が変化し、液体の吐出速度のばらつきとなって表れる。

図２（ｂ）は、再生処理を行った状態を表している。制御回路１１は、スイッチ素子ＳＷと駆動回路１０を制御して、複数の吐出チャンネル２の共通電極４を共通に高電圧である再生電圧Ｖｘに設定し、複数のダミーチャンネル３側の駆動電極５を共通に低電圧である０ボルトに設定した。この場合に再生電圧Ｖｘは、隔壁８を構成する圧電体の抗電界を超える電界を生ずる電圧とすることが好ましい。これにより、各隔壁８を構成する圧電体の分極方向を揃えることができる。再生電圧Ｖｘを印加して圧電体の分極Ｐの方向を基板表面に対して垂直方向に揃う初期状態に戻してもよいし、図２（ｂ）に示すように、駆動信号Ｖｓにより回転した回転方向と逆方向に傾斜する程度に再生電圧Ｖｘを印加してもよい。具体的には、駆動信号Ｖｓの駆動により分極Ｐの分極軸が左側の隔壁８ａでは右回りに、右側隔壁８ｂでは左回りに回転した場合に、これを、左側の隔壁８ａでは初期分極方向（基板表面の法線方向）よりも左回りに微小角−ｄθ回転させ、右側の隔壁８ｂでは初期分極方向よりも右回りに微小角＋ｄθ回転させる程度に再生電圧Ｖｘを印加する。これにより、各吐出チャンネル２を、駆動履歴に依存しない均一な吐出特性に再生させることができる。

より具体的に説明する。圧電体からなるアクチュエータ基板１２として予め基板表面の法線方向に分極処理を施したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）セラミックスを使用した。吐出チャンネル２の幅を７５μｍ、チャンネルが配列する方向に直交する方向の隔壁８の厚さを６５μｍに形成し、斜め蒸着法により隔壁８の略１／２の高さから上方に共通電極４又は駆動電極５を形成した。使用した圧電体の抗電界強度は０．５ＫＶ／ｍｍ〜０．６ＫＶ／ｍｍである。従って、抗電界強度を生ずる電圧は３２．５Ｖ〜３９Ｖである。駆動時において、制御回路１１は、スイッチ素子ＳＷを制御して各共通電極４に接続するＣＯＭ端子をＧＮＤに接続し、駆動回路１０を制御して各吐出チャンネル２に対応する駆動電極５に上記抗電界強度を超えない電圧、例えば２０Ｖ〜２５Ｖの駆動信号Ｖｓを供給する。即ち、駆動信号Ｖｓは抗電界を与える電圧の６０％〜７０％程度である。一方、再生時において、制御回路１１は、駆動回路１０を制御して各駆動電極５を一斉にＧＮＤ電位に設定するとともに、スイッチ素子ＳＷを制御して各共通電極４に接続するＣＯＭ端子を再生電圧Ｖｘに設定し、例えば１秒から数秒間維持する。再生電圧Ｖｘは上記抗電界強度を超える電圧とする。

また、吐出チャンネルの高密度化の要請に従って、吐出チャンネル２の幅を３０μｍ〜５０μｍ、吐出チャンネル２及びダミーチャンネル３が配列する方向に直交する方向の隔壁８の厚さを３０μｍ〜５０μｍにすることができる。例えば、上記と同じ圧電体の材料を使用し、吐出チャンネルの幅を４０μｍ、隔壁８の厚さを４５μｍとする。この場合、抗電界強度を生ずる電圧は２２．５Ｖ〜２７Ｖに低下する。しかし、駆動信号Ｖｓの電圧は隔壁８の厚さに比例して低下せず、例えば２０Ｖ〜２２Ｖ程度必要となる。従って、駆動信号Ｖｓは抗電界を与える電圧の７５％〜１００％程度と高くなり、通常駆動時の駆動信号Ｖｓが隔壁８の抗電界強度に近づくことから、隔壁８の劣化が促進されやすい。しかし、駆動部ＣＲにスイッチ素子ＳＷを構成し、共通電極４と駆動電極５に反転した再生電圧を印加すれば劣化した分極を再生できるので、吐出チャンネル２を高密度に配列した液体噴射ヘッド１を各吐出チャンネル間において均一に吐出させることができる。再生電圧Ｖｘは上記抗電界強度を生ずる電圧、例えば２２．５Ｖ〜２７Ｖよりも高い電圧とする。

このように、駆動部ＣＲにスイッチ素子ＳＷを設けて各吐出チャンネル２の共通電極４をＧＮＤから再生電圧Ｖｘの高電圧に切り替え可能に構成したので、駆動回路１０が駆動用の高電圧から再生用の極性が反転した高電圧を生成する必要が無く、駆動部ＣＲに高度で複雑な回路を構成する必要が無い。また、隔壁８の劣化した分極を再生することが可能となったので、隔壁８の薄膜化が可能となり、吐出チャンネル２を高密度に構成することが可能となる。なお、再生駆動は、例えば液体噴射ヘッド１を組み込んだ液体吐出装置の起動時や、液体噴射ヘッド１のクリーニング時、或いは液体噴射ヘッド１が吐出動作を行っていないタイミングで定期的に、又は駆動積算時間に応じて実施することができる。

また、本実施形態においては、各吐出チャンネル２に液体が充填されていない時はもちろん、液体が充填されている時も、再生処理を実施することができる。つまり、液体が充填されている全ての吐出チャンネル２の液体に触れている共通電極４に電圧を掛けるため、全吐出チャンネル２の共通電極４が同電位となる。そのため、液体を介して導通することが無く、液体の電気分解が生じない。これによって、各吐出チャンネル２に液体が充填されている時も、再生処理を実施することができる。

以上の説明において、アクチュエータ基板１２として圧電体を使用したが、例えば隔壁８のみを圧電体とし、これらを保持する基板を絶縁体等から成るセラミックス基板や他の無機材料や有機材料を使用することができる。

図３は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッド１に使用するスイッチ素子ＳＷの一例を示す回路図である。スイッチ素子ＳＷは、高電圧の再生電圧Ｖｘに接続するＰチャンネルＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）（ｐＦＥＴ）と低電圧のＧＮＤに接続するＮチャンネルＦＥＴ（ｎＦＥＴ）を直列に接続し、この接続点を出力端子とする相補型回路により構成されている。ＰチャンネルＦＥＴのソースＳに再生電圧Ｖｘを入力し、ＮチャンネルＦＥＴのソースＳがＧＮＤに接続し、ＰチャンネルＦＥＴのドレインＤとＮチャンネルＦＥＴのドレインＤが出力端子ＣＯＭに接続している。ＰチャンネルＦＥＴのゲートＧは、オン電圧調整用のｎｐｎ型のトランジスタＴｒを介して制御回路１１から制御信号ＣＳを入力する。ＮチャンネルＦＥＴのゲートＧは抵抗Ｒ５を介して制御回路１１から制御信号ＣＳを入力する。トランジスタＴｒのコレクタＣはＰチャンネルＦＥＴのゲートＧに接続し、また、抵抗Ｒ３を介して再生電圧Ｖｘを入力する。トランジスタＴｒのエミッターＥはＧＮＤに接続し、ベースＢは抵抗Ｒ４を介して制御信号ＣＳを入力する。ＰチャンネルＦＥＴのゲートＧとソースＳは抵抗Ｒ１を介して接続し、ＮチャンネルＦＥＴのゲートＧとソースＳは抵抗Ｒ２を介して接続している。

この回路は次のように動作する。制御回路１１からＨレベルの制御信号ＣＳを入力すると、ベースＢがＬレベルとなるトランジスタＴｒはＯＦＦし、ＰチャンネルＦＥＴのゲートＧはＶｘレベルとなり、ＰチャンネルＦＥＴのソースＳ・ドレインＤ間は遮断される。一方、ゲートＧがＨレベルを入力したＮチャンネルＦＥＴはＯＮ動作してドレインＤ・ソースＳ間が接続状態となる。その結果、出力端子ＣＯＭはＧＮＤに接続される。これが、通常の駆動動作状態である。制御回路１１からＬレベルの制御信号ＣＳを入力すると、ベースＢがＬレベルとなるトランジスタＴｒはＯＮし、ＰチャンネルＦＥＴのゲートＧはＧＮＤレベルとなり、ＰチャンネルＦＥＴのソースＳ・ドレインＤ間は接続状態となる。一方、ゲートＧがＬレベルを入力したＮチャンネルＦＥＴはＯＦＦ動作してソースＳ・ドレインＤ間が遮断される。その結果、出力端子ＣＯＭには再生電圧Ｖｘの電圧が供給される。これが、再生動作状態である。

このように、スイッチ素子ＳＷとしてＮチャンネルＦＥＴとＰチャンネルＦＥＴによる相補型回路を付加すればよく、複雑な駆動回路を形成する必要が無い。なお、スイッチ素子ＳＷとして図３の回路構成に限定されず、要は、共通電極４を低電圧のＧＮＤレベルと高電圧の再生電圧Ｖｘとを切り替えるものであればよい。

図４は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッド１の駆動回路１０の一例を示す回路図である。駆動回路１０は、単位駆動回路ＵＣ１、ＵＣ２・・を吐出チャンネル２の数分（図４においてはｎ個）備えている。各単位駆動回路ＵＣ１、ＵＣ２・・は、制御回路１１から駆動制御信号ＤＣＳ１、ＤＣＳ２・・をそれぞれ入力し、ダミーチャンネル３ａ、３ｂの駆動電極５ａ、５ｂに駆動信号Ｖｓ１、Ｖｓ２・・をそれぞれ出力する。各単位駆動回路ＵＣ１、ＵＣ２・・はＰチャンネルＦＥＴ（ｐＦＥＴ）とＮチャンネルＦＥＴ（ｎＦＥＴ）が直列接続する相補型のスイッチング回路から構成されている。ＰチャンネルＦＥＴのソースＳが高電圧Ｖｄｄを入力し、ＮチャンネルＦＥＴのソースＳがＧＮＤに接続し、ＰチャンネルＦＥＴのドレインＤとＮチャンネルＦＥＴのドレインＤが接続して出力端を構成する。ＰチャンネルＦＥＴのゲートＧとＮチャンネルＦＥＴのゲートＧが接続し、制御回路１１から駆動制御信号ＤＣＳを入力する。

駆動時において、ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴのゲートＧが制御回路１１からＨレベルの駆動制御信号ＤＣＳを入力する。すると、ＰチャンネルＦＥＴはＯＦＦ動作してＰチャンネルＦＥＴのソースＳ・ドレインＤ間が遮断され、ＮチャンネルＦＥＴはＯＮ動作してＮチャンネルＦＥＴのドレインＤ・ソースＳ間が接続状態となる。その結果、ＧＮＤレベルの駆動信号ＶＳが２つの駆動電極５ａ、５ｂに供給される。このとき、吐出チャンネル２の共通電極４はＧＮＤレベルが与えられているので吐出チャンネル２の隔壁８ａ、８ｂは変形せず、ノズル９から液体が吐出されない。ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴのゲートＧが制御回路１１からＬレベルの駆動制御信号ＤＣＳを入力する。すると、ＰチャンネルＦＥＴはＯＮ動作してＰチャンネルＦＥＴのソースＳ・ドレインＤ間が接続状態となり、ＮチャンネルＦＥＴはＯＦＦ動作してＮチャンネルＦＥＴのソースＳ・ドレインＤ間が遮断される。その結果、高電圧Ｖｄｄの駆動信号Ｖｓが２つの駆動電極５ａ、５ｂに供給される。吐出チャンネル２の共通電極４はＧＮＤレベルに維持されているので吐出チャンネル２の隔壁８ａ、８ｂに電界が印加され、隔壁８ａ、８ｂが変形する。

そして、上記と同様にＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴのゲートＧが制御回路１１からＨレベルの駆動制御信号ＤＣＳを入力することで隔壁８ａ、８ｂの電界を解除して隔壁８ａ、８ｂが元の平坦な隔壁に戻った際にノズル９から液体が吐出される。このように、各単位駆動回路ＵＣは、制御回路１１から入力した駆動制御信号ＤＣＳの電位レベルに応じて対応する吐出チャンネル２を駆動する。これが通常の駆動動作状態である。

一方、再生駆動時において、制御回路１１は、各単位駆動回路ＵＣにＨレベルの駆動制御信号ＤＣＳを与えて各ダミーチャンネル３の駆動電極５ａ、５ｂを一斉にＧＮＤレベルに設定する。制御回路１１は同時にスイッチ素子ＳＷにＬレベルの制御信号ＣＳを与えて出力端子ＣＯＭを再生電圧Ｖｘに上昇させる。これが再生動作状態であり、圧電体が再生処理される。

図５は、本発明に係る液体噴射ヘッド１を用いた液体噴射装置３０の模式的な斜視図である。
液体噴射装置３０は、上記本発明に係る液体噴射ヘッド１、１’を往復移動させる移動機構４３と、液体噴射ヘッド１、１’に液体を供給する液体供給管３３、３３’と、液体供給管３３、３３’に液体を供給する液体タンク３１、３１’を備えている。各液体噴射ヘッド１、１’は本発明に係る液体噴射ヘッド１から構成される。即ち、液体噴射ヘッド１の駆動部は、複数の吐出チャンネルの共通電極を低電圧から高電圧に切り替えるスイッチ素子を備えている。そして、通常の駆動動作時において、複数の吐出チャンネルの共通電極を共通に低電圧、例えばＧＮＤに設定し、複数のダミーチャンネルの駆動電極に個別に駆動信号を供給し、再生動作時において、複数の吐出チャンネルの共通電極を共通に高電圧に設定し、複数のダミーチャンネルの駆動電極を共通に低電圧に設定して分極した隔壁を再生するように動作する。

具体的に説明する。液体噴射装置３０は、紙等の被記録媒体３４を主走査方向に搬送する一対の搬送手段４１、４２と、被記録媒体３４に液体を吐出する液体噴射ヘッド１、１’と、液体タンク３１、３１’に貯留した液体を液体供給管３３、３３’に押圧して供給するポンプ３２、３２’と、液体噴射ヘッド１を主走査方向と直交する副走査方向に走査する移動機構４３等を備えている。

一対の搬送手段４１、４２は副走査方向に延び、ローラ面を接触しながら回転するグリッドローラとピンチローラを備えている。図示しないモータによりグリッドローラとピンチローラを軸周りに移転させてローラ間に挟み込んだ被記録媒体３４を主走査方向に搬送する。移動機構４３は、副走査方向に延びた一対のガイドレール３６、３７と、一対のガイドレール３６、３７に沿って摺動可能なキャリッジユニット３８と、キャリッジユニット３８を連結し副走査方向に移動させる無端ベルト３９と、この無端ベルト３９を図示しないプーリを介して周回させるモータ４０を備えている。

キャリッジユニット３８は、複数の液体噴射ヘッド１、１’を載置し、例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４種類の液滴を吐出する。液体タンク３１、３１’は対応する色の液体を貯留し、ポンプ３２、３２’、液体供給管３３、３３’を介して液体噴射ヘッド１、１’に供給する。各液体噴射ヘッド１、１’は駆動電圧に応じて各色の液滴を吐出する。液体噴射ヘッド１、１’から液体を吐出させるタイミング、キャリッジユニット３８を駆動するモータ４０の回転及び被記録媒体３４の搬送速度を制御することにより、被記録媒体３４上に任意のパターンを記録することできる。

この構成において、再生動作は、例えば液体吐出装置３０の起動時や、液体噴射ヘッド１のクリーニング時、或いは液体噴射ヘッド１が吐出動作を行っていないタイミングで定期的に又は積算駆動時間に応じて実施することができる。これにより、吐出チャンネルごとの液体噴射条件のばらつきが低減し、各吐出チャンネルの吐出条件を揃えることができる。

１ 液体噴射ヘッド
２ 吐出チャンネル
３ ダミーチャンネル
４ 共通電極
５ 駆動電極
８ 隔壁
９ ノズル
１０ 駆動回路
１１ 制御回路
１２ アクチュエータ基板
１３ カバープレート
ＣＲ 駆動部
ＳＷ スイッチ素子

Claims (8)

1. 周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、前記圧電体を挟み、前記一方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、前記一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい低電圧に設定し、他方に駆動信号を供給して前記圧電体を駆動する駆動部と、を備えた液体噴射ヘッドであって、
   前記駆動部は、前記一対の電極の一方を前記低電圧から相対的に絶対値の大きい高電圧に切り替えるスイッチ素子を備えるとともに、前記一対の電極に前記圧電体の抗電界を超える電界を生ずる電圧を印加する液体噴射ヘッド。
2. 前記チャンネルは、基板表面に交互に配列する吐出チャンネルとダミーチャンネルを含み、
   前記圧電体は、前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとを離隔する隔壁の一部又は全部を構成し、前記一方向は前記基板表面の法線方向であり、
   前記一対の電極の一方は、前記隔壁の吐出チャンネル側の側面に設置された共通電極であり、前記一対の電極の他方は、前記隔壁のダミーチャンネル側の側面に設置された駆動電極であり、
   前記駆動部は、複数の前記吐出チャンネルの複数の前記共通電極を共通に前記低電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネルの前記駆動電極に個別に前記駆動信号を供給して前記隔壁を駆動する請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
3. 前記駆動部は、前記スイッチ素子を制御して前記共通電極を共通に前記高電圧に設定し、前記駆動電極を共通に前記低電圧に設定して、前記共通電極と前記駆動電極の間の前記隔壁に前記圧電体の抗電界を超える電界を印加する請求項２に記載の液体噴射ヘッド。
4. 前記吐出チャンネルは、幅が３０μｍ〜５０μｍの細長い溝から成り、
   前記隔壁は、前記吐出チャンネル及び前記ダミーチャンネルが配列する配列方向の厚さが３０μｍ〜５０μｍである請求項２又は３に記載の液体噴射ヘッド。
5. 前記スイッチ素子は、ＰチャンネルＦＥＴとＮチャンネルＦＥＴが直列接続する相補型回路により構成されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッド。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドと、
   前記液体噴射ヘッドを往復移動させる移動機構と、
   前記液体噴射ヘッドに液体を供給する液体供給管と、
   前記液体供給管に前記液体を供給する液体タンクと、を備える液体噴射装置。
7. 周囲を囲む壁材の少なくとも一部が一方向に分極処理が施された圧電体により構成されるチャンネルと、前記圧電体を挟み、前記一方向と略直交する方向に電界を印加する一対の電極と、前記圧電体を駆動する駆動部とを備える液体噴射ヘッドの駆動方法であって、
   前記駆動部は、
   駆動時において、前記一対の電極の一方を相対的に絶対値の小さい第一の低電圧に設定し、前記一対の電極の他方に一方極性の駆動信号を供給して前記圧電体を駆動し、
   再生時において、前記一対の電極の一方を前記駆動信号と同じ一方極性を有し、相対的に絶対値の大きい高電圧に設定し、前記一対の電極の他方を相対的に絶対値の小さい第二の低電圧に設定して前記圧電体を再生するとともに、前記一対の電極に前記圧電体の抗電界を超える電界を生ずる電圧を印加することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。
8. 前記チャンネルは、基板表面に交互に配列する吐出チャンネルとダミーチャンネルを含み、前記圧電体は、前記吐出チャンネルと前記ダミーチャンネルとを離隔する隔壁の一部又は全部を構成し、前記一対の電極の一方は、前記隔壁の吐出チャンネル側の側面に設置された共通電極であり、前記一対の電極の他方は、前記隔壁のダミーチャンネル側の側面に設置された駆動電極であり、
   前記駆動部は、
   前記駆動時において、複数の前記吐出チャンネル側の共通電極を共通に前記第一の低電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネル側の駆動電極に個別に前記駆動信号を供給し、
   前記再生時において、複数の前記吐出チャンネル側の共通電極を共通に前記高電圧に設定し、複数の前記ダミーチャンネル側の駆動電極を共通に前記第二の低電圧に設定する請求項７に記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。

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