JP6048306B2 - インクジェットヘッドおよびその駆動方法と、インクジェットプリンタ - Google Patents

Description

本発明は、圧電素子を駆動して振動板を振動させることにより、圧力室内のインクを外部に吐出させるインクジェットヘッドおよびその駆動方法と、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。

従来から、インクを吐出する複数のチャネルを有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形などによるもの）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。

圧電式のアクチュエータには、バルク状の圧電体を用いたものと、薄膜の圧電体（圧電薄膜）を用いたものとがある。前者は出力が大きいため、大きな液滴を吐出することができるが、大型でコストが高い。これに対して、後者は出力が小さいため、液滴を大きくできないが、小型でコストが低い。高解像度（小液滴で良い）で小型、低コストのプリンタを実現するには、圧電薄膜を用いてアクチュエータを構成することが適していると言える。

圧電薄膜は、一対の電極（上部電極、下部電極）で挟まれた状態で、圧力室の上壁を構成する従動膜（振動板）の上に位置する。圧力室にインクを収容した状態で、一対の電極に電圧（駆動信号）を印加して圧電薄膜を伸縮させ、振動板を振動させることにより、圧力室内のインクに圧力が付与される。これにより、圧力室内のインクを外部に吐出することができる。このような圧電式のアクチュエータを横方向に並べることにより、インクジェットヘッドが構成される。

圧力室からインクを吐出させる方法としては、インクの安定吐出に有効な点で、圧力室の容積を一旦膨張させ、その後収縮させてインクを吐出させる、引き打ち方式が広く用いられている。引き打ち方式では、待機時に一定の電圧（このときの待機電位をＶ１とする）をアクチュエータに印加して、振動板を一定量変形させておき、インク吐出時に電位をＶ０（＜Ｖ１）に下げ、その後、待機電位Ｖ１に戻すことで、圧力室の容積の膨張および収縮を行っている。

上記のような圧電式のアクチュエータに用いられる圧電体には、ＢａＴｉＯ₃や、ＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｏ₃など、ペロブスカイト型の金属酸化物が広く用いられている。圧電薄膜を用いたアクチュエータでは、基板上に例えばＰＺＴを成膜して作製される。ＰＺＴの成膜は、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、ゾルゲル法など、種々の方法を用いて行うことが可能である。なお、圧電材料の結晶化には高温が必要となるため、基板にはＳｉが良く用いられる。

ところで、近年では、圧電素子（ここでは一対の電極で圧電薄膜を挟んだものを指す）を用いたインクジェットプリンタでは、より高精細な画像を高速で形成することが求められている。それに伴い、圧電素子には、小型化と高密度化とが求められている。また、圧電素子の駆動には、駆動周期の短縮化と多階調化とが求められている。

圧電素子の小型化、高密度化に関しては、例えば特許文献１において、圧電体をスパッタ法等で薄膜形成し、フォトリソグラフィー法を用いてパターニングすることにより、薄型で小型化および高密度化を実現する技術が提案されている。また、駆動周期の短縮化、多階調化に関しては、例えば特許文献２において、１画素を描画する周期（以下、１画素周期とも称する）内で、同電位の第１パルスと第２パルスとをＡＬの間隔をあけて圧電素子に印加する駆動方法で、第２パルスの有無で吐出液滴量を切り替え、高い駆動周波数で多階調化させる技術が提案されている（第２パルス有りで液滴量大、第２パルス無しで液滴量小）。なお、ＡＬは、インクを収容する圧力室の固有振動周期の半周期を指す。これらの技術を組み合わせることで、薄膜の圧電素子を用いた構成で、高い駆動周波数で多階調表示を実現できるインクジェットプリンタが得られるものと考えられる。

特開平１０−２８６９５３号公報（請求項１、段落〔０００５〕、図１、図５等参照） 特開２０１２−１２６０４６号公報（段落〔００４４〕〜〔００６１〕、図６、図８等参照）

ところで、図１２は、特許文献２における圧電素子の駆動信号と、その圧電素子の駆動に伴って振動する圧力室上方の振動板の振動波形とを模式的に示している。同図のように、１画素周期内で、圧電素子に印加する２つの吐出パルス（第１パルスＰ１、第２パルスＰ２）の電位が、それぞれ待機電位Ｖ１よりも低いＶ０で同電位であると、振動板の振動振幅は、第１パルスＰ１の印加時（第１振動）よりも第２パルスＰ２の印加時（第２振動）のほうが大きくなる。これは、第２振動では、第１振動後の振動板の残響振動に、第２パルスＰ２の印加による振動が上乗せされるためである。なお、特許文献２では、振動板の振動波形は図示されていないが、上記の理由により、第１振動と第２振動とで振動板の振動振幅が変化すると言える。

このように、第１振動と第２振動とで振動板の振動振幅が変化すると、連続駆動を行ったときに圧電素子の圧電特性（例えば圧電定数ｄ₃₁）が変化し、連続駆動前とは異なるインク吐出特性となる。この結果、連続駆動の前後でインクの吐出速度が変化し、描画する画素によってインクの吐出位置がずれる、いわゆる画素ズレ（描画乱れ）が生じる。

本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、高速で（高い駆動周波数で）、多階調表示が可能で、かつ、連続駆動時の圧電特性の変動を抑え、これによって描画乱れを抑えることができるインクジェットヘッドおよびその駆動方法と、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。

本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、インクを収容する圧力室と、駆動信号に基づいて駆動される圧電素子と、前記圧電素子の駆動に伴って振動し、前記圧力室内のインクに圧力を付与して前記インクを外部に吐出させる振動板とを備え、前記駆動信号に含まれる、１画素を描画する周期内の吐出パルスの数に応じた階調表示を行うインクジェットヘッドであって、１画素を描画する周期内で、前記吐出パルスとして、第１パルスと第２パルスとが順に前記圧電素子に印加されるときに、前記第１パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅と、前記第２パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅とが略等しくなるように、前記第２パルスの電位、前記第２パルスの直前の電位、前記第２パルスの直後の電位の少なくともいずれかがオフセットされている。

上記構成のインクジェットヘッドは、１画素を描画する周期（１画素周期）内の吐出パルスの数に応じた階調表示を行うので、高速で（高い駆動周波数で）各画素の描画を行う場合でも、各画素ごとに多階調の表示を行うことができる。

また、１画素を描画する周期（１画素周期）内で、吐出パルスとして、第１パルスと第２パルスとが順に圧電素子に印加されるとき、第２パルスの電位、第２パルスの直前の電位、第２パルスの直後の電位の少なくともいずれかがオフセットされる結果、振動板の最大振幅が、第１パルス印加時（第１振動）と第２パルス印加時（第２振動）とで略等しくなる。これにより、連続駆動を行ったときでも圧電素子の圧電特性（例えば圧電定数ｄ₃₁）が変化するのを抑えて、インクの吐出速度が変化するのを抑えることができる。その結果、連続駆動の前後で、描画する画素によってインクの吐出位置がずれる描画乱れ（画素ズレ）が生じるのを抑えることができる。

前記第２パルスは、描画する画素に応じて前記圧電素子に印加されてもよい。この場合、第２パルスの有無により、吐出するインクの液滴量を画素に応じて切り替えて多階調の表示を行うことができる。

前記圧力室の固有振動周期の半分の期間をＡＬとしたとき、前記第１パルスと前記第２パルスとの間隔が、ＡＬの奇数倍であることが望ましい。この場合、振動板の振動を、第１振動と第２振動とで同位相にすることができる（振動板の振動波形の位相を変化させないようにできる）。これにより、第１振動と第２振動とで振動板がスムーズに振動し、圧電素子を安定して動作（駆動）させることができる。

前記駆動信号は、前記吐出パルスの印加後の前記振動板の残響振動を抑制するための第３パルスをさらに含み、前記第３パルスが、前記第１パルスの印加終了時点から、ＡＬの偶数倍の期間が経過した時点で前記圧電素子に印加されてもよい。

この場合、第１パルスまたは第２パルスと同極性の第３パルスＰ３を用いて、第１パルスまたは第２パルスの印加による振動板の残響振動を効率よく抑えることができる。また、第３パルスを第２パルスの印加直後に圧電素子に印加すれば、残響振動を早く止めることが可能となり、複数の画素を描画するときの駆動周期を短くしてさらに高速な描画を実現することが可能となる。

前記第２パルスが、複数のパルスからなっていてもよい。この場合、第２パルスに含まれるパルスの数に応じた多階調の表示を行うことが可能となる。

前記圧電素子が、薄膜圧電素子であってもよい。薄膜圧電素子は小型化、高密度化が可能であるが、薄いため歪みやすく、連続駆動時に圧電特性が変動しやすい。したがって、第１振動と第２振動とで振動板の振動振幅を揃えて圧電特性の変動を抑えるための、上述した吐出パルス等の電位をオフセットする手法が非常に有効となる。

前記駆動信号の駆動波形が、片極性であることが望ましい。圧電素子の待機電位に対して、駆動信号の駆動波形が片極性であれば、両極性の場合よりも駆動時の電位の変動幅（電圧幅）が狭いため、連続駆動時の圧電特性の変動をさらに抑えて、圧電素子を安定して動作させることができる。

本発明の他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させる構成である。この場合、記録媒体に対して高精細で高品位な画像を高速で描画可能な、高性能なインクジェットプリンタを実現できる。

本発明のさらに他の側面に係るインクジェットヘッドの駆動方法は、駆動信号に基づいて圧電素子を駆動して振動板を振動させることにより、圧力室内のインクを外部に吐出させるとともに、前記駆動信号に含まれる、１画素を描画する周期内の吐出パルスの数に応じた階調表示を行うインクジェットヘッドの駆動方法であって、１画素を描画する周期内で、前記吐出パルスとして、第１パルスと第２パルスとを順に前記圧電素子に印加するときに、前記第１パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅と、前記第２パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅とが略等しくなるように、前記第２パルスの電位、前記第２パルスの直前の電位、前記第２パルスの直後の電位の少なくともいずれかをオフセットさせて前記圧電素子を駆動する。

このような駆動方法により、高速で多階調の表示を実現できるとともに、連続駆動を行ったときでも圧電素子の圧電特性（例えば圧電定数ｄ₃₁）が変化するのを抑えることができ、連続駆動時の描画乱れを抑えることができる。

上記したインクジェットヘッドおよびその駆動方法によれば、高速かつ多階調表示が可能で、連続駆動時の圧電特性の変動を抑えて描画乱れを抑えることができる。

本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの概略の構成を示す説明図である。 上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドのアクチュエータの概略の構成を示す平面図、およびその平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。 上記インクジェットヘッドの断面図である。 上記インクジェットヘッドの製造工程を示す断面図である。 上記インクジェットヘッドの圧電素子に印加される駆動信号の一例を示す説明図である。 上記駆動信号と、上記圧電素子の駆動に伴って振動する振動板の振動波形と、インクの吐出タイミングとを併せて示した説明図である。 上記駆動信号の他の例を示す説明図である。 上記駆動信号のさらに他の例を示す説明図である。 上記駆動信号のさらに他の例を示す説明図である。 上記駆動信号のさらに他の例を示す説明図である。 上記駆動信号のさらに他の例を示す説明図である。 従来の圧電素子の駆動信号と、上記圧電素子の駆動に伴って振動する振動板の振動波形とを模式的に示す説明図である。

本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。

〔インクジェットプリンタの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略の構成を示す説明図である。インクジェットプリンタ１は、インクジェットヘッド部２において、インクジェットヘッド２１が記録媒体の幅方向にライン状に設けられた、いわゆるラインヘッド方式のインクジェット記録装置である。

インクジェットプリンタ１は、上記のインクジェットヘッド部２と、繰り出しロール３と、巻き取りロール４と、２つのバックロール５・５と、中間タンク６と、送液ポンプ７と、貯留タンク８と、定着機構９とを備えている。

インクジェットヘッド部２は、インクジェットヘッド２１から記録媒体Ｐに向けてインクを吐出させ、画像データに基づく画像形成（描画）を行うものであり、一方のバックロール５の近傍に配置されている。なお、インクジェットヘッド２１の詳細については後述する。

繰り出しロール３、巻き取りロール４および各バックロール５は、軸回りに回転可能な円柱形状からなる部材である。繰り出しロール３は、周面に幾重にも亘って巻回された長尺状の記録媒体Ｐを、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて繰り出すロールである。この繰り出しロール３は、モータ等の図示しない駆動手段によって回転することで、記録媒体Ｐを図１のＸ方向へ繰り出して搬送する。

巻き取りロール４は、繰り出しロール３より繰り出されて、インクジェットヘッド部２によってインクが吐出された記録媒体Ｐを周面に巻き取る。

各バックロール５は、繰り出しロール３と巻き取りロール４との間に配設されている。記録媒体Ｐの搬送方向上流側に位置する一方のバックロール５は、繰り出しロール３によって繰り出された記録媒体Ｐを、周面の一部に巻き付けて支持しながら、インクジェットヘッド部２との対向位置に向けて搬送する。他方のバックロール５は、インクジェットヘッド部２との対向位置から巻き取りロール４に向けて、記録媒体Ｐを周面の一部に巻き付けて支持しながら搬送する。

中間タンク６は、貯留タンク８より供給されるインクを一時的に貯留する。また、中間タンク６は、複数のインクチューブ１０と接続され、各インクジェットヘッド２１におけるインクの背圧を調整して、各インクジェットヘッド２１にインクを供給する。

送液ポンプ７は、貯留タンク８に貯留されたインクを中間タンク６に供給するものであり、供給管１１の途中に配設されている。貯留タンク８に貯留されたインクは、送液ポンプ７によって汲み上げられ、供給管１１を介して中間タンク６に供給される。

定着機構９は、インクジェットヘッド部２によって記録媒体Ｐに吐出されたインクを当該記録媒体Ｐに定着させる。この定着機構９は、吐出されたインクを記録媒体Ｐに加熱定着するためのヒータや、吐出されたインクにＵＶ（紫外線）を照射することによりインクを硬化させるためのＵＶランプ等で構成されている。

上記の構成において、繰り出しロール３から繰り出される記録媒体Ｐは、バックロール５により、インクジェットヘッド部２との対向位置に搬送され、インクジェットヘッド部２から記録媒体Ｐに対してインクが吐出される。その後、記録媒体Ｐに吐出されたインクは定着機構９によって定着され、インク定着後の記録媒体Ｐが巻き取りロール４によって巻き取られる。このようにラインヘッド方式のインクジェットプリンタ１では、インクジェットヘッド部２を静止させた状態で、記録媒体Ｐを搬送しながらインクが吐出され、記録媒体Ｐに画像が形成される。

なお、インクジェットプリンタ１は、シリアルヘッド方式で記録媒体に画像を形成する構成であってもよい。シリアルヘッド方式とは、記録媒体を搬送しながら、その搬送方向と直交する方向にインクジェットヘッドを移動させてインクを吐出し、画像を形成する方式である。

〔インクジェットヘッドの構成〕
次に、上記したインクジェットヘッド２１の構成について説明する。図２は、インクジェットヘッド２１のアクチュエータ２１ａの概略の構成を示す平面図と、その平面図におけるＡ−Ａ’線矢視断面図とを併せて示したものである。また、図３は、図２のアクチュエータ２１ａにノズル基板３１を接合してなるインクジェットヘッド２１の断面図である。

インクジェットヘッド２１は、複数の圧力室２２ａを有する基板２２上に、熱酸化膜２３、下部電極２４、圧電薄膜２５、上部電極２６をこの順で有している。

基板２２は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。なお、図２では、基板２２をＳＯＩ基板で構成した場合を示している。ＳＯＩ基板は、酸化膜を介して２枚のＳｉ基板を接合したものである。基板２２における圧力室２２ａの上壁は、従動膜となる振動板２２ｂを構成しており、圧電薄膜２５の駆動（伸縮）に伴って変位（振動）し、圧力室２２ａ内のインクに圧力を付与する。

熱酸化膜２３は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ₂（酸化シリコン）からなり、基板２２の保護および絶縁の目的で形成されている。

下部電極２４は、複数の圧力室２２ａに共通して設けられるコモン電極であり、Ｔｉ（チタン）層とＰｔ（白金）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、熱酸化膜２３とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１μｍ程度である。

圧電薄膜２５は、例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されており、各圧力室２２ａに対応して設けられている。ＰＺＴは、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ₃；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ₃；ジルコン酸鉛）との固溶体である。圧電薄膜２５の膜厚は、例えば３〜５μｍである。

上部電極２６は、各圧力室２２ａに対応して設けられる個別電極であり、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電薄膜２５とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１〜０．２μｍ程度である。上部電極２６は、下部電極２４との間で圧電薄膜２５を挟むように設けられている。

下部電極２４、圧電薄膜２５および上部電極２６は、圧力室２２ａ内のインクを外部に吐出させるための薄膜の圧電素子２７を構成している。この圧電素子２７は、駆動回路２８から下部電極２４および上部電極２６に印加される電圧（駆動信号）に基づいて駆動される。駆動回路２８は、圧力室２２ａからインクを吐出させるための上記駆動信号を生成して圧電素子２７に印加するが、その駆動信号の具体例については後述する。

圧力室２２ａの振動板２２ｂとは反対側には、ノズル基板３１が接合されている。ノズル基板３１には、圧力室２２ａ内のインクをインク滴として外部に吐出するための吐出孔（ノズル孔）３１ａが形成されている。圧力室２２ａには、中間タンク６より供給されるインクが収容される。

上記の構成において、駆動回路２８から下部電極２４および上部電極２６に電圧（駆動信号）を印加すると、圧電薄膜２５が、下部電極２４と上部電極２６との電位差に応じて、厚さ方向に垂直な方向（基板２２の面に平行な方向）に伸縮する。そして、圧電薄膜２５と振動板２２ｂとの長さの違いにより、振動板２２ｂに曲率が生じ、振動板２２ｂが厚さ方向に変位（湾曲、振動）する。つまり、振動板２２ｂは、圧電素子２７の駆動に伴って振動する。

したがって、圧力室２２ａ内にインクを収容しておけば、上述した振動板２２ｂの振動により、圧力室２２ａ内のインクに圧力が付与され、圧力室２２ａ内のインクが吐出孔３１ａからインク滴として外部に吐出される。

〔インクジェットヘッドの製造方法〕
次に、本実施形態のインクジェットヘッド２１の製造方法について以下に説明する。図４は、インクジェットヘッド２１の製造工程を示す断面図である。

まず、基板２２を用意する。基板２２としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に多く利用されている結晶シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ここでは、酸化膜２２ｅを介して２枚のＳｉ基板２２ｃ・２２ｄが接合されたＳＯＩ構造のものを用いている。

基板２２を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、Ｓｉ基板２２ｃ・２２ｄの表面にＳｉＯ₂からなる熱酸化膜２３ａ・２３ｂをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜２３ａ上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極２４を形成する。

続いて、基板２２を６００℃程度に再加熱し、変位膜となるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の層２５ａをスパッタ法で成膜する。そして、基板２２に感光性樹脂４１をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４１の不要な部分を除去し、形成する圧電薄膜２５の形状を転写する。その後、感光性樹脂４１をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２５ａの形状を加工し、圧電薄膜２５とする。

次に、圧電薄膜２５を覆うように下部電極２４上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層２６ａを形成する。続いて、層２６ａ上に感光性樹脂４２をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂４２の不要な部分を除去し、形成する上部電極２６の形状を転写する。その後、感光性樹脂４２をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層２６ａの形状を加工し、上部電極２６を形成する。

次に、基板２２の裏面（熱酸化膜２２ｄ側）に感光性樹脂４３をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂４３の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室２２ａの形状を転写する。そして、感光性樹脂４３をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板２２の除去加工を行い、圧力室２２ａを形成する。

その後、基板２２と、吐出孔３１ａを有するノズル基板３１とを、接着剤等を用いて接合する。これにより、インクジェットヘッド２１が完成する。なお、吐出孔３１ａに対応する位置に貫通孔を有する中間ガラスを用い、熱酸化膜１２ｂを除去して、基板２２と中間ガラス、および中間ガラスとノズル基板３１とをそれぞれ陽極接合するようにしてもよい。この場合は、接着剤を用いずに３者（基板２２、中間ガラス、ノズル基板３１）を接合することができる。

なお、下部電極２４を構成する電極材料は、上述したＰｔに限定されるわけではなく、その他にも、例えばＡｕ（金）、Ｉｒ（イリジウム）、ＩｒＯ₂（酸化イリジウム）、ＲｕＯ₂（酸化ルテニウム）、ＬａＮｉＯ₃（ニッケル酸ランタン）、ＳｒＲｕＯ₃（ルテニウム酸ストロンチウム）等の金属または金属酸化物、およびこれらの組み合わせが考えられる。

また、下部電極２４と圧電薄膜２５との間に、ＰＬＴ（チタン酸ランタン鉛）、ＬａＮｉＯ₃またはＳｒＲｕＯ₃からなる配向制御層（シード層）を設けるようにしてもよい。

また、圧電薄膜２５を構成する材料は、上述したＰＺＴに限定されるわけではなく、その他にも、例えばＰＺＴにＬａ（ランタン）や、Ｎｂ（ニオブ）、Ｓｒ（ストロンチウム）を添加したもの、ＢａＴｉＯ₃（チタン酸バリウム）、ＬｉＴａＯ₃（タンタル酸リチウム）、Ｐｂ（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ₃、Ｐｂ（Ｎｉ，Ｎｂ）Ｏ₃、ＰｂＴｉＯ₃等の酸化物やこれらの組み合わせが考えられる。

〔駆動信号について〕
次に、駆動回路２８が圧電素子２７に印加する駆動信号の具体例について、以下に説明する。なお、以下では、１画素を描画する周期（以下、１画素周期とも称する）内で、１滴のインク滴を圧力室２２ａから吐出させるような圧電素子２７の駆動を、１ｄｐｄ（drop per dot）駆動と呼ぶ。これに対して、１画素周期内で、２滴のインク滴を圧力室２２ａから吐出させるような圧電素子２７の駆動を、２ｄｐｄ駆動と呼ぶ。１ｄｐｄ駆動と２ｄｐｄ駆動とを組み合わせ、１画素周期内で０〜２滴のインク滴の吐出を制御することにより、多階調の表示を行うことができる。

図５は、圧電素子２７に印加される駆動信号の一例を、１ｄｐｄ駆動と２ｄｐｄ駆動とのそれぞれについて示している。同図に示すように、２ｄｐｄ駆動において、１画素周期内で、駆動信号の吐出パルスとして第１パルスＰ１と第２パルスＰ２とが順に圧電素子２７に印加されるとき、第２パルスＰ２の電位は、第１パルスＰ１の電位からオフセットされている。より具体的には、第２パルスＰ２の電位Ｖ２は、後述する待機電位Ｖ１と第１パルスＰ１の電位Ｖ０との間に設定（調整）されており、第１パルスＰ１の電位Ｖ０からずれている。上記の第２パルスＰ２は、描画する画素に応じて圧電素子２７に印加されるが、図５より、第１パルスＰ１および第２パルスＰ２は、電位Ｖ１に対して極性が同じ（つまり片極性）である。

なお、図中のＡＬは、圧力室２２ａの固有振動周期の半分の期間（例えばμｓｅｃ）を指す。本実施形態では、第１パルスＰ１と第２パルスＰ２との間隔は、ＡＬ（ＡＬの１倍）となっているが、ＡＬの奇数倍であればよい。また、第１パルスＰ１および第２パルスＰ２の各パルス幅は、圧力室２２ａから安定した吐出特性でインク滴を吐出させるため、圧力室２２ａの固有振動周期に基づいてＡＬと等しくなるように設定されている。

図６は、図５で示した駆動信号と、振動板２２ｂの振動波形と、インクの吐出タイミングとを併せて示したものである。なお、第１パルスＰ１の印加によって圧電素子２７を駆動したときに、その駆動に伴う振動板２２ｂの振動を第１振動とする。また、第２パルスＰ２の印加によって圧電素子２７を駆動したときに、その駆動に伴う振動板２２ｂの振動を第２振動とする。

ここで、本実施形態では、圧力室２２ａからインクを吐出させる方法として、インクの安定吐出の観点から、引き打ち方式を採用している。この引き打ち方式では、待機時に一定の電圧（待機電位Ｖ１（例えば＋２５Ｖ））を圧電素子２７に印加して、振動板２２ｂを一定量変形させておき、インク吐出時に電位をＶ１よりも下げ、その後、待機電位Ｖ１に戻すことで、圧力室２２ａの容積の膨張および収縮を行い、圧力室２２ａからインクを吐出させる。本実施形態では、第１パルスＰ１の電位を待機電位Ｖ１よりも低いＶ０（例えばＧＮＤ）とし、第２パルスＰ２の電位Ｖ２を、電位Ｖ１とＶ０との間にオフセットすることで、引き打ち方式でのインク吐出を実現している。

図６のように、第１パルスＰ１または第２パルスＰ２が圧電素子２７に印加され、振動板２２ｂが振動すると、圧力室２２ａ内のインクは、第１振動、第２振動ともに振動板２２ｂの振動振幅が最大のときにインク滴として外部に吐出される。そして、インク吐出後の残響により、振動板２２ｂは最大振幅以下の振幅で減衰しながら振動する。

上記のように、第２パルスＰ２の電位Ｖ２を第１パルスＰ１の電位Ｖ０からオフセットし、第２パルスＰ２の電圧幅（電位Ｖ１−Ｖ２）を第１パルスＰ１の電圧幅（電位Ｖ１−Ｖ０）よりも狭めることにより、振動板２２ｂの第２振動を、第１振動後の振動板２２ｂの残響振動に、第２パルスＰ２の印加による振動を上乗せした振動としながらも、図６のように、第２振動の最大振幅（振動中心からの幅）を第１振動における最大振幅と略等しくする（ほぼ揃える）ことができる。

このように、第１振動による残響を加味して第２振動の最大振幅を第１振動の最大振幅と略等しくできるので、連続駆動を行ったときに、振動板２２ｂの振動によって圧電素子２７にかかる応力を一定にすることができる。これにより、連続駆動を行った場合でも、圧電素子２７の圧電特性（例えば圧電定数ｄ₃₁）が変化するのを抑えて、インクの吐出速度が変化するのを抑えることができる。その結果、連続駆動の前後で描画乱れ（画素ズレ）が生じるのを抑えることができる。なお、振動板２２ｂの第２振動後の残響による応力は小さいため、その応力は圧電素子２７の圧電特性の変動にはほとんど影響しない。

また、図６に示すように、１画素周期内の吐出パルスの数に応じて、１画素周期内で吐出するインク滴の数が変わるので、複数の画素を高速で（高い駆動周波数で）描画する場合でも、上記吐出パルスの数に応じた階調表示を行うことができる。これにより、高速でかつ多階調の表示を行うことができる。

特に、第２パルスＰ２は、描画する画素に応じて圧電素子２７に印加されるので、第２パルスＰ２の有無により、吐出するインクの液滴量を画素に応じて切り替えて多階調の表示を行うことができる（１ｄｐｄ：液滴量小、２ｄｐｄ：液滴量大）。また、図６で示すように、第１振動と第２振動とで振動板２２ｂの最大振幅は略等しく、多階調での描画時に圧電素子２７にかかる応力は、１ｄｐｄと２ｄｐｄとで一定にできるので、連続駆動時の圧電素子２７の圧電特性の変動を抑えて、多階調の描画を安定して行うことができる。

また、図５で示したように、第１パルスＰ１と第２パルスＰ２との間隔がＡＬの奇数倍であることにより、第１パルスＰ１および第２パルスＰ２の各パルス幅をＡＬとして、図６のように振動板２２ｂの振動を第１振動と第２振動とで同位相にすることができる。これにより、第１振動と第２振動とで振動板２２ｂがスムーズにかつ効率よく振動するため、圧電素子２７の動作を安定させることができる。

また、本実施形態のように、圧電素子２７が、圧電薄膜２５を有する薄膜の圧電素子である場合、小型化、高密度化が容易であっても、膜厚が薄いために歪みやすく、連続駆動時に圧電特性が変動しやすい。したがって、第２パルスＰ２の電位Ｖ２のオフセットによって、第１振動と第２振動とで振動板２２ｂの振動振幅を揃えて圧電特性の変動を抑える本実施形態の駆動方法が非常に有効となる。

また、本実施形態のように、駆動信号の駆動波形が片極性である場合、待機電位Ｖ１に対して両極性の場合よりも、駆動時の電圧幅が狭い。したがって、連続駆動時の圧電特性の変動をさらに抑えて、圧電素子２７をさらに安定して動作させることができる。また、圧電素子２７の駆動電圧幅が狭いことで、駆動電圧が素子の耐電圧を超えて絶縁破壊が生じるのを極力抑えることができ、圧電素子２７ひいてはインクジェットヘッド２１の信頼性を向上させることができる。

図７は、圧電素子２７に印加される駆動信号の他の例を示しており、図８は、上記駆動信号のさらに他の例を示している。連続駆動時の圧電特性の変化を抑えて描画乱れを抑えるべく、振動板２２ｂの第１振動における最大振幅と第２振動における最大振幅とを略等しくすることができるのであれば、図７に示すように、第２パルスＰ２の電位が第１パルスＰ１と同電位Ｖ０で、第２パルスＰ２の直前の電位および第２パルスＰ２の直後の電位が、待機電位Ｖ１から第１パルスＰ１の電位Ｖ０側にオフセットされた電位Ｖ３であってもよい（電位Ｖ０＜Ｖ３＜Ｖ１）。また、図８に示すように、第２パルスＰ２の電位Ｖ２が第１パルスＰ１の電位Ｖ０からオフセットされ、かつ、第２パルスＰ２の直後の電位Ｖ３が待機電位Ｖ１からオフセットされた電位であってもよい（電位Ｖ０＜Ｖ２＜Ｖ３＜Ｖ１）。さらに、図示はしないが、第２パルスＰ２の電位が第１パルスＰ１と同電位で、第２パルスＰ２の直前の電位のみが（待機電位から）オフセットされていてもよく、第２パルスＰ２の電位、第２パルスＰ２の直前の電位、第２パルスＰ２の直後の電位が全て、オフセットされていてもよい。

以上のことから、本実施形態では、第１パルスＰ１の印加時の振動板２２ｂの最大振幅と、第２パルスＰ２の印加時の振動板２２ｂの最大振幅とが略等しくなるように、第２パルスＰ２の電位、第２パルスＰ２の直前の電位、第２パルスＰ２の直後の電位の少なくともいずれかがオフセットされていれば、連続駆動時の圧電特性の変化を抑えて描画乱れを抑えることができると言える。

図９は、圧電素子２７に印加される駆動信号のさらに他の例を示している。２ｄｐｄ駆動において、第２パルスＰ２が、複数のパルス（同図では３つのパルス）からなっていてもよい。なお、第２パルスＰ２を構成する各パルスの電位Ｖ２は、電位Ｖ１とＶ０との間の電位であれば、全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。この場合、第２パルスＰ２に含まれるパルスの数に応じて、吐出するインク滴の数を制御して、表示できる階調数を増大させることができ、さらに多階調の表示が可能となる。なお、第２パルスＰ２において、後のパルスほど、電位がＶ１側にオフセットされていれば、各パルス印加時の振動板２２ｂの最大振幅を略等しくして、連続駆動時の圧電特性の変化および描画乱れをさらに抑えることができる。

図１０は、圧電素子２７に印加される駆動信号のさらに他の例を示している。圧電素子２７に印加される駆動信号は、上記の吐出パルス（第１パルスＰ１、第２パルスＰ２）に加えて、第３パルスＰ３を含んでいてもよい。第３パルスＰ３は、上記吐出パルスの印加後の振動板２２ｂの残響振動を抑制するための、第１パルスＰ１と同極性のパルスである。このような第３パルスＰ３を駆動信号に含める場合、第３パルスＰ３は、１画素周期内で、第１パルスＰ１の印加終了時点から、ＡＬの偶数倍の期間が経過した時点で圧電素子２７に印加されることが望ましい。なお、第３パルスＰ３のパルス幅は、ここではＡＬとしているが、ＡＬと異なっていてもよい。

第１パルスＰ１と第３パルスＰ３との間隔がＡＬの偶数倍の期間だけ空くので、１ｄｐｄ駆動の場合でも、２ｄｐｄ駆動の場合でも、第１パルスＰ１または第２パルスＰ２の印加による振動板２２ｂの残響振動を、第１パルスＰ１または第２パルスＰ２と同極性の第３パルスＰ３を用いて効率よく抑えることができる。つまり、引き打ち方式では、圧力室２２ａに負圧を作用させてインクを圧力室２２ａ内に引き込んでいる状態から、吐出パルスの印加により、圧力室２２ａに正圧を作用させてインクを吐出させるが、第１パルスＰ１と第３パルスＰ３との間隔がＡＬの偶数倍である場合、第１パルスＰ１または第２パルスＰ２の印加後の残響振動により、圧力室２２ａに負圧が作用する期間に、圧力室２２ａに正圧を作用させる第３パルスＰ３を印加して、上記の残響振動を効率よく抑えることができる。

また、第１パルスＰ１と第３パルスＰ３との間隔がＡＬの２倍である場合、図示はしないが、２ｄｐｄ駆動において、第２パルスＰ２の印加直後に第３パルスＰ３を圧電素子２７に印加して、残響振動を早く止めるようにすることが可能となる。これにより、複数の画素を描画する周期を短縮化してさらに高速な描画を実現することが可能となる。なお、第２パルスＰ２の印加によるインク吐出特性を安定させるためには（第３パルスＰ３の印加の影響で２滴目のインク吐出を不安定にさせないためには）、図１０のように、第２パルスＰ２と第３パルスＰ３との間隔を、少なくともＡＬの２倍確保することが望ましい。

図１１は、圧電素子２７に印加される駆動信号のさらに他の例を示しており、本実施形態で示した第２パルスＰ２の電位のオフセットを、特許文献２の駆動信号に適用したものである。特許文献２の駆動信号では、２ｄｐｄ駆動において、第１パルスＰ１および第３パルスＰ３の各パルス幅をＡＬとし、第２パルスＰ２のパルス幅をＡＬよりもｔだけ短いＡＬ−ｔとし、第２パルスＰ２と第３パルスＰ３との間隔をｔとすることで、第３パルスＰ３の印加によって残響振動を抑えながら、第２パルスＰ２の印加による運動エネルギーの増大を抑えて、インク滴の吐出速度を１画素周期内でも各画素周期間でも同じようにしている。

したがって、特許文献２の駆動波形において、第２パルスＰ２の電位を、第１パルスＰ１と同じ電位Ｖ０からＶ２にオフセットさせることにより、振動板２２ｂの最大振幅を第１振動と第２振動とで略等しくして、連続駆動時の圧電素子２７の圧電特性の変化を抑えながら、特許文献２と同様の効果を得ることができ、描画乱れ（画素ズレ）をさらに抑えることが可能となる。

〔圧電特性の変動確認テスト〕
次に、連続駆動時の圧電素子２７の圧電特性の変動について、以下の確認テストを行った。ここでは、同一構成のインクジェットヘッド２１を、（ａ）１ｄｐｄ駆動、（ｂ）２ｄｐｄ駆動（第１振動の最大振幅＝第２振動の最大振幅）、（ｃ）２ｄｐｄ駆動（第１振動の最大振幅：第２振動の最大振幅＝１：１．２）の３通りで駆動し、連続駆動前後での振動板２２ｂの振動振幅の最大幅および圧電素子２７の圧電定数ｄ₃₁をそれぞれ求めた。その結果を表１に示す。なお、（ａ）〜（ｃ）において、圧電素子２７の駆動周波数は５０ｋＨｚとし、連続駆動時間は１時間とした。また、駆動電圧幅は２５Ｖ（待機電位Ｖ１：＋２５Ｖ、第１パルスＰ１の電位：０Ｖ（ＧＮＤ））とした。また、圧電定数ｄ₃₁については、圧電変位測定計によって測定される圧電素子２７（圧電薄膜２５）の圧電変位に基づいて求めた。

（ａ）および（ｂ）の駆動については、連続駆動前後において、振動板２２ｂの振動振幅の最大幅に変化はなく、圧電素子２７にかかる最大応力は一定であり、圧電特性の変化はなかった。一方、（ｃ）の駆動については、連続駆動前後で振動振幅の最大幅が変化し、圧電特性の変化が見られた。

なお、（ｃ）の駆動において、連続駆動前の振動板の第２振動の最大振幅は、第１振動の最大振幅の１．２倍と大きく、連続駆動後の圧電定数ｄ₃₁は連続駆動前の圧電定数ｄ₃₁に比べて増大した。表１の例では、連続駆動後の圧電定数ｄ₃₁は連続駆動前の１．１倍になった。また、振動板２２ｂの振幅の最大幅は、連続駆動開始後１時間で飽和し、その後は数時間連続駆動しても一定値（表１の例では８５８ｎｍ）であったが、（ｃ）の連続駆動を行った圧電素子２７に、（ｂ）の連続駆動を１時間行ったところ、振動板２２ｂの振動振幅の最大幅は７８０ｎｍとなり、（ｃ）の連続駆動前の状態（初期状態）に戻った。

以上より、２ｄｐｄ駆動において、第１振動と第２振動とで振動板２２ｂの最大振幅が一定の場合（振動振幅の最大幅が一定の場合）、圧電特性が変化しないため、連続駆動の前後で画素ズレのない良好な画像が得られ、第１振動と第２振動とで最大振幅が変化すると（振動振幅の最大幅が変化すると）、圧電特性が変化するため、連続駆動の前後で画素ズレが起こり、描画乱れが生じるものと考えられる。

〔補足〕
本実施形態では、第１パルスＰ１と第２パルスＰ２とによる２ｄｐｄ駆動と、第１パルスＰ１のみによる１ｄｐｄ駆動とを組み合わせた多階調描画を行っている。一方、単階調描画については、１ｄｐｄ駆動だけを使って行うことができるが、２ｄｐｄ駆動だけを使って行うようにしてもよい。２ｄｐｄ駆動による単階調描画は、１ｄｐｄ駆動による単階調描画に比べて、濃度の高い描画が可能である。

また、２ｄｐｄ駆動による単階調描画で、１ｄｐｄ駆動と同じ濃度の描画を行う場合、１ｄｐｄ駆動よりも低い電圧で駆動を行えるため、駆動電圧の低電圧化が可能である。また、このときの振動板の振動振幅は、１ｄｐｄ駆動よりも２ｄｐｄ駆動のほうが小さいため、薄膜の圧電素子（特に圧電薄膜（ＰＺＴ））にかかる剥離応力が小さくなる。

圧電素子に圧電薄膜を用いた場合、電圧印加による絶縁破壊や、振動による膜剥離が発生することがある。２ｄｐｄ駆動で圧電素子を低電圧、低剥離応力で駆動することで、圧電薄膜の耐久性を改善できる。また、第１振動と第２振動とで最大振幅が略等しいので、圧電特性が安定し、変動しない。

また、圧電薄膜において、良好な圧電特性を得るには、薄膜の結晶性が重要である。結晶性が悪いと、圧電特性が悪く、駆動時に高電圧が必要となり、絶縁破壊（不良）が発生しやすくなる。結晶性をよくする方法としては、圧電薄膜の下地膜に配向制御膜を使う方法がある。例えばスパッタ成膜されるＰＺＴ薄膜（（１００）の配向が好適）の場合、下地膜に（１１１）配向のＰｔ膜が好適である。

なお、圧電薄膜と下地膜は一般的に密着力が弱く、大きな振動をさせると、ＰＺＴとＰｔとの界面で剥離が発生するといった不良が発生することがある。このため、単階調描画を行う場合には、１ｄｐｄ駆動よりも２ｄｐｄ駆動を用いて、圧電素子を低電圧で駆動するほうが有利である。

本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。

１ インクジェットプリンタ
２１ インクジェットヘッド
２２ａ 圧力室
２２ｂ 振動板
２７ 圧電素子
Ｐ１ 第１パルス
Ｐ２ 第２パルス
Ｐ３ 第３パルス

Claims (8)

1. インクを収容する圧力室と、
   駆動信号に基づいて駆動される圧電素子と、
   前記圧電素子の駆動に伴って振動し、前記圧力室内のインクに圧力を付与して前記インクを外部に吐出させる振動板とを備え、前記駆動信号に含まれる、１画素を描画する周期内の吐出パルスの数に応じた階調表示を行うインクジェットヘッドであって、
   １画素を描画する周期内で、前記吐出パルスとして、第１パルスと第２パルスとが順に前記圧電素子に印加されるときに、前記第１パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅と、前記第２パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅とが略等しくなるように、前記第２パルスの電位が前記第１パルスの電位からオフセットされ、
   前記第２パルスが、複数のパルスからなることを特徴とするインクジェットヘッド。
2. 前記第２パルスは、描画する画素に応じて前記圧電素子に印加されることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
3. 前記圧力室の固有振動周期の半分の期間をＡＬとしたとき、
   前記第１パルスと前記第２パルスとの間隔が、ＡＬの奇数倍であることを特徴とする請求項１または２に記載のインクジェットヘッド。
4. 前記駆動信号は、前記吐出パルスの印加後の前記振動板の残響振動を抑制するための第３パルスをさらに含み、
   前記第３パルスが、前記第１パルスの印加終了時点から、ＡＬの偶数倍の期間が経過した時点で前記圧電素子に印加されることを特徴とする請求項３に記載のインクジェットヘッド。
5. 前記圧電素子が、薄膜圧電素子であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
6. 前記駆動信号の駆動波形が、片極性であることを特徴とする請求項５に記載のインクジェットヘッド。
7. 請求項１から６のいずれかに記載のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドから記録媒体に向けてインクを吐出させることを特徴とするインクジェットプリンタ。
8. 駆動信号に基づいて圧電素子を駆動して振動板を振動させることにより、圧力室内のインクを外部に吐出させるとともに、前記駆動信号に含まれる、１画素を描画する周期内の吐出パルスの数に応じた階調表示を行うインクジェットヘッドの駆動方法であって、
   １画素を描画する周期内で、前記吐出パルスとして、第１パルスと第２パルスとを順に前記圧電素子に印加するときに、前記第１パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅と、前記第２パルスの印加時に振動する前記振動板の最大振幅とが略等しくなるように、前記第２パルスの電位を前記第１パルスの電位からオフセットさせて前記圧電素子を駆動し、
   前記第２パルスが、複数のパルスからなることを特徴とするインクジェットヘッドの駆動方法。

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