JP6091095B2 - 液体噴出ヘッドおよびその駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、複数の圧電素子を用いて液滴を吐出して画像形成を行う液体噴射装置の液体噴出ヘッドおよびその駆動方法に関する。

記録ヘッドの複数の圧電素子を充放電して駆動し、液体が充填された圧力室に圧力を発生させ、ノズルから液体を噴出させて画像形成を行う液体噴出装置が知られている。近年、高画質で高速に印刷を行うことが求められている。

高速および高画質の印刷を実現するには、多数のノズルを高密度に配置し、各ノズルに対応する圧電素子を駆動するため配線を基板に多数引き回す必要がある。この場合、配線の配置が困難になるという問題や、ＦＰＣ（Ｆｌｅｘｉｂｌｅ Ｐｒｉｎｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ）およびコネクタ等の部品点数が増えるという問題が新たに発生する。

この問題を解決するための方法が特許文献１に開示されている。特許文献１では、駆動回路のＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）を流路形成基板に一体的に形成して個々の圧電素子と駆動回路を短い配線で接続する技術が提案されている。この方法によれば、ヘッドから外部に引き出す配線の本数を減らし、部品点数を削減することが可能となる。

特開２００１−１６２７９４号公報

特許文献１に開示された方法では、１列に並んだ圧電素子と駆動回路の間の配線を短くし、かつ配線領域の面積を減らすために細長い駆動回路を圧電素子の並びと平行に配置する必要がある。駆動回路の長辺側に並んだ、駆動電圧信号の出力端子と圧電素子を短い配線で接続し、駆動回路の短辺側の入力端子から駆動回路に制御信号と駆動電圧信号を入力する構成になる。

しかし、特許文献１に開示された方法では、ノズル数が増えると、ノズル数に比例して圧電素子の充放電の総電流が増えてしまう。また、配置される圧電素子の数に応じて駆動回路の長さが長くなると、駆動回路内の駆動電圧信号の全長も長くなり、配線での電圧降下が大きくなってしまうという問題がある。

本発明は上述したような技術が有する問題点を解決するためになされたものであり、駆動電圧信号配線の電圧降下を低減することを可能にした液体噴出ヘッドおよびその駆動方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明の液体噴出ヘッドは、液体を吐出するための２次元に配置されたノズル孔と、前記ノズル孔から吐出される液体を貯留するための圧力室と、駆動電圧信号が入力されると、前記圧力室の体積を変化させる圧電素子と、前記駆動電圧信号が入力される配線と前記圧電素子との間に配置されたスイッチ素子と、を備え、液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は前記圧電素子を構成する圧電体で形成されている液体噴出ヘッドであって、前記供給方向と交差する方向における前記圧力室を通る前記液体噴出ヘッドの断面に関して、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向の夫々において、前記圧力室の両側に、内側面に電極を備える複数の空気室と、前記圧力室の側壁の一部を構成する第１の溝と、前記空気室の一部を構成する第２の溝とが交互に並列して形成された第１の基板と、前記空気室の一部を形成する複数の第３の溝が並列して形成された第２の基板と、が積層されたヘッドブロックと、前記スイッチ素子を備え、前記ヘッドブロックの前記供給方向に関する一端側又は他端側に設けられた板部材と、を備え、前記ノズル孔に対応して２次元に配置された複数の前記スイッチ素子が、所定の方向に平行な複数の列にグループ化され、前記複数の列のうち、少なくとも１つの列のスイッチ素子が、前記液体を噴出させるか否かの情報を含む画像データに対応してオンまたはオフに動作し、他の列のスイッチ素子がオフ状態になり、前記少なくとも１つの列が、外部から入力される前記画像データに対応して、前記複数の列の中で順次切り替えられる。

また、本発明の液体噴出ヘッドの駆動方法は、液体を吐出するための２次元に配置されたノズル孔と、該ノズル孔から吐出される液体を貯留するための圧力室と、駆動電圧信号が入力されると、該圧力室の体積を変化させる圧電素子と、前記駆動電圧信号が入力される配線と前記圧電素子との間に配置されたスイッチ素子とを備え、液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は前記圧電素子を構成する圧電体で形成されている液体噴出ヘッドの駆動方法であって、前記液体噴出ヘッドは、前記供給方向と交差する方向における前記圧力室を通る前記液体噴出ヘッドの断面に関して、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向の夫々において、前記圧力室の両側に、内側面に電極を備える複数の空気室と、前記圧力室の側壁の一部を構成する第１の溝と、前記空気室の一部を構成する第２の溝とが交互に並列して形成された第１の基板と、前記空気室の一部を形成する複数の第３の溝が並列して形成された第２の基板と、が積層されたヘッドブロックと、前記スイッチ素子を備え、前記ヘッドブロックの前記供給方向に関する一端側又は他端側に設けられた板部材と、を備え、前記ノズル孔に対応して２次元に配置された複数の前記スイッチ素子を、所定の方向に平行な複数の列にグループ化し、前記複数の列のうち、少なくとも１つの列のスイッチ素子を、前記液体を噴出させるか否かの情報を含む画像データに対応してオンまたはオフに動作させ、他の列のスイッチ素子をオフ状態にする制御を、前記複数の列の中で前記少なくとも１つの列を順次切り替えて行う。

本発明によれば、駆動させる圧電素子の充放電電流を減らすことで、駆動電圧信号の配線における電圧降下を低減できる。

実施例１の液体噴出ヘッドの全体構成を示す斜視図である。 実施例１の液体噴出ヘッドの全体構成を示す側面図である。 ヘッドブロックの一部を拡大した断面図および側面図である。 ヘッドブロックに設けられた電極と後方絞り板に設けられた駆動回路との接合方法を説明するための側面図である。 後方絞り板に設けられた駆動回路および配線を示す平面図である。 図４に示した後方絞り板の一部を拡大した図である。 実施例１の液体噴出ヘッドを用いて画像形成を行う場合の動作を説明するための図である。 実施例１の液体噴出ヘッドを用いて画像形成を行うための駆動回路の一例を示す図である。 ２次元配列のノズルで画像を形成する場合の動作を説明するための図である。 圧電素子の充放電電流のピークを低減することを可能にする方法を説明するための図である。 駆動電圧信号配線の配線抵抗を低減可能にした構成例を示す図である。 オリフィスプレートに駆動回路を実装した場合の構成を示す図である。 実施例２の液体噴出ヘッドを用いて画像形成を行う場合の動作を説明するための図である。 実施例２の液体噴出ヘッドを用いて画像形成を行うための駆動回路の一例を示す図である。 実施例２の液体噴出ヘッドの駆動回路の別の構成例を示す図である。 実施例２の液体噴出ヘッドの液体噴出に対する別の分割駆動方法を説明するための図である。 図１５に示した分割駆動方法を実行可能にした駆動回路の構成例を示す図である。

本発明における一実施例の液体噴出ヘッドの構成を説明する。図１Ａは本実施例の液体噴出ヘッドの全体の構成を示す斜視図であり、図１Ｂは本実施例の液体噴出ヘッドの全体の構成を示す側面図である。図１Ａおよび図１Ｂでは、構成をわかりやすくするために液体噴出ヘッドを分解した状態を示す。

図１Ａに示すように、液体噴出ヘッドは、オリフィスプレート１０１と、ヘッドブロック１０３と、後方絞り板１０４と、ブロック１２０とを有する。

オリフィスプレート１０１はシリコンやポリイミドなどの材質で作製されている。オリフィスプレート１０１には、液体を噴出するノズル孔１０２が設けられている。ヘッドブロック１０３は、圧電体で作製されている。ヘッドブロック１０３の内部には、液体が充填される圧力室が設けられている。

ブロック１２０は共通液室１０６を有する。液体１０７が外部から液体入出ポート１０８を介して共通液室１０６に供給される。後方絞り板１０４はシリコン基板で作製されている。後方絞り板１０４は、ヘッドブロック１０３の圧力室の圧力をブロック１２０の共通液室側に逃がさないようにするための絞り孔１０５と、駆動回路（不図示）とを有する。

図１Ｂに示すように、ヘッドブロック１０３には、圧電素子の共通電極を引き出すための共通電極配線ケーブル１０９が設けられている。後方絞り板１０４には、駆動回路に駆動電圧信号および制御信号を伝達するための信号配線ケーブル１１０が設けられている。共通電極配線ケーブル１０９および信号配線ケーブル１１０は、例えば、ＦＰＣで形成されている。

図２は、図１Ａに示したヘッドブロックを後方絞り板の方向から見たときの一部を拡大した断面図とその側面図である。図２の左側が断面図であり、図２の右側が側面図である。

図２の断面図に示すように、ヘッドブロック１０３は、圧電基板２０１と圧電基板２０２が交互に複数積層された構成である。圧電基板２０１は、圧電体の板に溝加工で圧力室２０３および空気室２０４が形成され、その後に電極が形成され、さらに、電極に電圧を印加する分極処理が行われている。圧電基板２０２は、圧電基板２０１と同様に溝加工で空気室２０５が形成された構成である。圧力室２０３の周囲に設けられた圧電素子は、空気室２０４および空気室２０５により分離され、個々に変位することが可能になっている。圧力室２０３はノズル孔１０２と連通している。

このように、圧力室２０３が設けられた基板を積層構造にすることで圧力室２０３と、圧力室２０３に対応するノズル孔１０２が２次元に配列され、高密度で、多ノズルの液体噴出ヘッドを実現することが可能となる。

本実施例では、液体噴出ヘッドが、圧電基板２０１と圧電基板２０２とが交互に８層積層され、その積層方向にノズル孔１０２が８列並んだ構成の場合とする。そして、このような構成の液体噴出ヘッドを用いて、その積層方向に記録媒体を相対的に移動させて画像を描画させる場合の動作を説明する。

図２の側面図に示すように、圧力室２０３の内壁面には駆動電極２０６が形成されている。駆動電極２０６は、ヘッドブロック１０３の後方絞り板１０４との接合面に形成された接合電極２０７と接続されている。空気室２０４と空気室２０５の内壁面には共通電極２０８が形成されている。全ての共通電極２０８は、ヘッドブロック１０３のオリフィスプレート１０２が接着される面に形成された共通電極２０９と接続されており、共通電極配線ケーブル１０９（図１Ｂ参照）により外部に引き出される。

図１Ｂに示すように、液体入出ポート１０８より共通液室１０６に供給される液体１０７は、後方絞り板１０４の絞り孔１０５を通って、図２に示す圧力室２０３に充填される。絞り孔１０５は液体１０７を共通液室１０６から圧力室２０３に供給するための液体流路としての役目も果たす。駆動電極２０６と共通電極２０９の間に駆動電圧が印加されると、駆動電極２０６に対応する圧力室２０３の周りの圧電素子が収縮して圧力室２０３の体積が減ることで、圧力室内の圧力が上昇する。その結果、ノズル孔１０２より液体が噴出する。

この液体噴出ヘッドを用いて、画像データに対応したノズル孔１０２から液体を噴出させて記録媒体に画像を形成するには、ノズル孔１０２に対応する圧力室２０３の駆動電極２０６に画像データに対応して駆動電圧を印加する必要がある。画像データは、記録対象の画像に対応して、ノズル孔１０２から液体を噴出させるか否かを示す情報を含むデータである。

図３は、図１Ａに示した後方絞り板のシリコン基板上に設けられ、圧電素子に駆動電圧を印加する駆動回路とヘッドブロックの駆動電極との接続方法を説明するための側面図である。

駆動回路３０１に設けられた接合電極３０２の表面には、金をメッキして形成したバンプ３０３が設けられている。このバンプ３０３を介して、接合電極３０２は、ヘッドブロック１０３側の接合電極２０７と電気的に接合される。駆動回路３０１から出力される駆動電圧は、接合電極３０２、バンプ３０３および接合電極２０７を介して、図２に示した駆動電極２０６に印加される。バンプ３０３で電気的に接合している部分以外は、図に示さない接着剤などで後方絞り板１０４とヘッドブロック１０３が接合されている。このような構成にすることで、後方絞り孔１０５から供給される液体１０７が圧力室２０３以外の所に入るのを防止している。

なお、電気的接合のためのバンプ３０３は金メッキ以外の方法としてボンディングなどで形成してもよい。また、導電性接着剤、異方導電性接着テープまたはハンダボールなどで、接合電極３０２および接合電極２０７を電気的に接合することも可能である。

図４と図５は図１Ａに示した後方絞り板のシリコン基板に設けられた駆動回路の構成を示す平面図である。図４は後方絞り板の全体を示す図であり、図５はその一部を拡大して示した図である。

本実施例における駆動回路３０１は、図４に示す、複数の接続端子４０１、複数の駆動電圧信号配線４０２および制御回路４０３と、図５に示す複数のスイッチ素子５０２とを有する。

図４に示すように、後方絞り板１０４の長辺の端部には、複数の接続端子４０１が設けられている。接続端子４０１は長辺に沿って一定の間隔で配置されている。後方絞り板１０４の２つの短辺のうち、一方の短辺側に、シフトレジスタおよびラッチレジスタを含む制御回路４０３が設けられている。接続端子４０１は、図１Ｂに示した信号配線ケーブル１１０と接続され、圧電素子に駆動電圧を印加するための駆動電圧信号と、画像データを含む制御信号とが信号配線ケーブル１１０を介して外部から入力される。制御信号は、画像データの他に、外部から入力される信号と同期をとるためのクロックと、ラッチレジスタにデータを取り込むタイミングを指示するためのラッチパルスとを含む。

後方絞り板１０４の長辺に平行な方向を所定の方向とすると、後方絞り板１０４の短辺は、長辺に直交する方向の辺に相当する。

図４では、後方絞り板１０４の長辺に平行に配置された、絞り孔１０５の列に対応して、後方絞り板１０４の短辺の横に、１から８の番号を付している。この１から８の番号は、それぞれの絞り孔１０５の列に対応するノズル孔１０２の列の番号に相当する。以下では、番号毎に、１列に配置された複数のノズル孔１０２を「ノズル孔列」と称する。

図４に示す構成例では、後方絞り板１０４の２つの長辺のうち、図の上側の長辺の近傍に配置された接続端子４０１は１番目から４番目のノズル孔列の液体噴出のために用いられる。図の下側の長辺の近傍に配置された接続端子４０１は、５番目から８番目のノズル孔列の液体噴出のために用いられる。

また、図４に示すように、後方絞り板１０４の短辺に平行に複数の駆動電圧信号配線４０２が設けられている。駆動電圧信号配線４０２の長手方向が後方絞り板１０４の短辺と平行である。各駆動電圧信号配線４０２は接続端子４０１と接続されている。図５に示すように、駆動電圧信号配線４０２と各接合電極３０２との間にスイッチ素子５０２が設けられている。スイッチ素子５０２は、制御端子を含む３つの端子を有し、制御端子に入力される信号の電圧にしたがって、他の２つの端子の接続（オン状態）と遮断（オフ状態）を切り替える。この２つの端子のうち、一方の端子が駆動電圧信号配線４０２と接続され、他方の端子が接合電極３０２と接続されている。

駆動電圧信号は接続端子４０１および駆動電圧信号配線４０２を介してスイッチ素子５０２に入力される。画像データを含む制御信号は、接続端子４０１を介して、シフトレジスタおよびラッチレジスタを含む制御回路４０３に入力される。

スイッチ素子５０２は、制御入力５０１として、制御回路４０３から制御端子に入力される画像データの電圧レベルにしたがって、オン／オフの動作を行う。制御入力５０１が予め決められた基準電圧よりも高い電圧レベル（以下では、Ｈレベルと称する）である場合、スイッチ素子５０２はオン状態に遷移する。スイッチ素子５０２がオンになると、駆動電圧信号が駆動電圧信号配線４０２からスイッチ素子５０２を介して、図２に示した駆動電極２０６に伝送される。

一方、制御入力５０１が基準電圧よりも低い電圧レベル（以下では、Ｌレベルと称する）である場合、スイッチ素子５０２はオフ状態に遷移する。スイッチ素子５０２がオフになると、駆動電圧信号配線４０２と駆動電極２０６との接続が切り離され、駆動電極２０６に駆動電圧が印加されなくなる。

次に、外部から入力される画像データに対応して、どのようにして画像を記録媒体に形成するかを簡単に説明する。

外部から液体噴出ヘッドに入力される画像データは、信号線の数を削減するために、シリアルの制御信号に変換されて送られてくる。転送クロックに同期してシリアルに変換されて送られてきた画像データは、制御回路４０３内のシフトレジスタでパラレルに変換される。パラレルに変換された画像データは、ラッチパルスによりラッチレジスタに保持される。その後、ラッチレジスタから出力された画像データが、その画像データに対応してスイッチ素子５０２を動作させる。スイッチ素子５０２がオンすると、駆動電圧信号配線４０２に印加された駆動電圧がスイッチ素子５０２および接合電極３０２を介して、駆動電極２０６に印加される。その結果、圧電素子が駆動してノズル孔１０２から液体を噴出させ、記録媒体に画像が形成される。

本実施例では、図４に示すように、駆動電圧信号の接続端子４０１を、後方絞り板１０４の長辺の端部に複数配置することにより、後方絞り板１０４の短辺側に駆動電圧信号を入力するための端子を配置する場合に比べて、回路内の配線を短くできる。このような構成により、電圧降下を防止するために配線を広く、かつ厚くする必要がなくなり、駆動回路のＩＣを作成するのが困難になるという問題を回避できる。

なお、図５に示す平面図では、本実施例をわかりやすく説明するために、駆動電圧信号配線４０２およびスイッチ素子５０２を含む構成を簡略化して同一平面上に示している。駆動回路３０１は、シリコン基板上にトランジスタを形成し、その上に絶縁膜と配線を複数層形成し、層間の配線をビアホールで接続することで作製されている。

図６は本実施例の液体噴出ヘッドによる画像形成動作とそれに対応する画像データの送信方法を示す図である。図７は図６に示した画像データにしたがって画像形成を行う場合の駆動回路の一例を示す図である。

図７に示す駆動回路３０１は、図４に示した後方絞り板１０４の短辺方向に沿って配置された８つのノズル孔１０２の液体噴出を制御するためのものである。短辺方向に沿って配置された８つのノズル孔１０２の列を「短辺方向列」と称する。図７に示す駆動回路３０１が、後方絞り板１０４の長辺方向に並んだ短辺方向列の数に応じて、後方絞り板１０４に設けられている。

制御回路４０３には、液体噴出ヘッドのノズル孔１０２に対応して、シフトレジスタ７０１およびラッチレジスタ７０２がノズル孔１０２と同じ数だけ設けられている。図７では、図を簡略化するために、複数のシフトレジスタを１つの構成で示し、複数のラッチレジスタを１つの構成で示している。また、スイッチ素子５０２は、図４に示した絞り孔１０５毎に設けられているが、図７では、１つのノズル孔列に対して、１つだけ示している。

各ノズル孔１０２に対応して、シフトレジスタ７０１、ラッチレジスタ７０２およびスイッチ素子５０２が接続されている。シフトレジスタ７０１の出力端子がラッチレジスタ７０２の入力端子に接続され、ラッチレジスタ７０２の出力端子がスイッチ素子５０２の制御端子に接続されている。

図７に示す駆動回路３０１の動作を簡単に説明する。以下では、画像データの電圧レベルがＨレベルである場合、ノズル孔１０２から液体を噴出させ、画像データの電圧レベルがＬレベルである場合、ノズル孔１０２から液体を噴出させないものとする。

画像データが、クロックＣＬＫに同期してシリアル信号ＳＤで外部から制御回路４０３に転送されると、シフトレジスタ７０１でパラレルに変換された後、ラッチパルスＬＴでラッチレジスタ７０２に保持される。ラッチレジスタ７０２に保持された画像データは、制御入力３０５としてスイッチ素子５０２の制御端子に入力され、スイッチ素子５０２をオン／オフする。

Ｈレベルを記憶するラッチレジスタ７０２と接続されるスイッチ素子５０２は、制御入力３０５の入力によりオンになる。オンしたスイッチ素子５０２は、駆動電圧信号が入力されると、駆動電極２０６に駆動電圧を印加する。駆動電極２０６に駆動電圧が印加されると、その駆動電極２０６に対応する圧力室２０３の周囲の圧電素子が収縮し、ノズル孔１０２より液体が噴出する。

次に、液体噴出ヘッドに設けられた複数のノズル孔１０２を複数にグループ化し、グループ毎に液体噴出を実行させる場合を、図６および図７を参照して説明する。

ここでは、図４を参照して説明した、１から８番のノズル孔列を、次の４つのグループに分ける。１列目および５列目のノズル孔列を第１グループとし、２列目および６列目のノズル孔列を第２グループとする。また、３列目および７列目のノズル孔列を第３グループとし、４列目および８列目のノズル孔列を第４グループとする。

さらに、これら４つのグループに対応して、液体噴出の周期を４つに分割する。１周期を均等に分割した期間を「分割期間」と呼ぶと、１つの分割期間に対して、液体噴出を実行可能なグループを１つにする。図６に示すノズル孔列の番号１から８は、図７に示す、圧電基板２０１、２０２の層の番号１から８に対応している。

最初の分割期間で、第１グループのノズル孔列のノズル孔１０２では液体を噴出可能にし、他のグループのノズル孔列のノズル孔１０２では液体を噴出できないようにする画像データを、外部から制御回路４０３のシフトレジスタ７０１に転送する。この画像データは、第１グループのノズル孔列については、液体を噴出させるノズル孔１０２に対応するデータがＨレベルになっており、液体を噴出させないノズル孔１０２に対応するデータがＬレベルになっている。ノズル孔１０２に液体を噴出させるか否かは、記録対象の画像によって決まる。また、この画像データは、他のグループのノズル孔列については、全てのノズル孔１０２に対応するデータがＬレベルになっている。

上記の画像データが、シフトレジスタ７０１からラッチレジスタ７０２に転送され、ラッチレジスタ７０２で保持された後、外部から接続端子４０１に駆動電圧信号を印加する。これにより、第１グループのノズル孔列に対応する１層目および５層目の駆動電極２０６にのみ駆動電圧が印加される。その結果、１列目および５列目のノズル孔列のノズル孔１０２が液体を噴出し、他のノズル孔列のノズル孔１０２は液体を噴出しない。

図６に示すように、分割期間毎に、制御対象のグループを第１グループ→第２グループ→第３グループ→第４グループに順次切り替える手順を繰り返し、駆動電圧を駆動電圧配線４０２に印加し、制御対象のグループのノズル孔１０２に液体を噴出させる。

図６は、第１から第４のグループのノズル孔列の圧電素子を順に駆動させ、さらに次の周期の第１のグループのノズル孔列の圧電素子を駆動させる様子を表している。

このようにして、複数の圧電素子を分割して時間をずらして駆動させる時分割駆動を行うことで、液体噴出動作により同時に充放電する圧電素子の数を減らすことができる。その結果、駆動電圧信号配線４０２と共通電極配線ケーブル１０９との間に流れる電流が減り、電圧降下が少なくなる。そのため、これらの配線を細く、かつ薄くすることが可能となる、ノイズが減るなどの効果が得られる。

図８は、圧電基板２０１と圧電基板２０２とが交互に８層積層され、その積層方向にノズル孔１０２が８列並んだ構成を有する液体噴出ヘッドを用いて、その積層方向に記録媒体を相対的に移動させて画像を描画させる場合の動作を説明するための図である。

記録ドット格子の寸法Ｐで画像を描画できるようにするために、各圧電基板の層に対応するノズル孔列におけるノズル孔は互いに寸法Ｐだけ横方向にずらして配置されている。この液体噴出ヘッドで時分割駆動を行う場合、各ノズル孔列の間隔Ｌを描画画像の記録ドット格子の寸法Ｐの整数倍で変えることが望ましい。

ここで、ノズル孔列の間隔Ｌ［ｍｍ］の算出方法の一例を説明する。描画画像の記録ドット格子の寸法Ｐを６００ＤＰＩ（ｄｏｔｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）とする。ｍ、ｎを正の整数とすると、液体噴出の周期を等間隔にｎ分割し、隣接するノズル孔列を（ｍ／ｎ）周期だけ遅らせて液体を噴出して画像を形成する場合を考える。この場合、ｎ＝４とすると、ノズル孔列の間隔Ｌ［ｍｍ］を、以下に示す算出式で求まる寸法にする。

Ｌ［ｍｍ］=Ｐ×（ｋ＋ｍ／ｎ）＝２５．４／６００×（ｋ＋ｍ／４）
ｋは、定数であり、設計および製法等で決まる任意の自然数である。ｍは一度に動作させたいノズル孔列の数に相当し、隣接するノズル孔列が順番に液体を噴出して画像を形成する場合は、ｍ＝１になる。

なお、本実施例では、液体噴出の周期を４つに分割する場合を説明したが、分割数は４に限らない。噴出周期を２分割し、４つの層に同時に駆動電圧を印加して液体を噴出する動作を繰り返す場合でも、全部の層（ここでは、８つの層に相当）の圧電素子を同時に駆動する場合と比較して配線に流れる電流を半分に減らすことができる。

さらに、同時に充放電する圧電素子の数を減らし、共通電極配線ケーブル１０９に流れる電流を減らす方法として、噴出周期を８つに分割し、８層の圧電基板に対して１層毎に順番に駆動電極に駆動電圧を印加し、液体を噴出させる動作を繰り返してもよい。この場合、８つのノズル孔列を列毎に動作させることが可能となる。

また、周期を４分割する場合において、図４に示した駆動回路３０１の上側の接続端子４０１に入力される駆動電圧信号と、下側の接続端子４０１に入力される駆動電圧信号の波形をずらしてもよい。図９は、制御回路の接続端子を２つのグループに分け、グループ分けされた接続端子に対応して駆動電圧信号の波形をずらした場合を示す図である。

図９に示すように、駆動信号波形１は１番目から４番目のノズル孔列に対応する駆動電圧信号に相当し、駆動信号波形２は５番目から８番目のノズル孔列に対応する駆動電圧信号に相当する。例えば、最初の分割期間に注目すると、１番目と５番目のノズル孔列に対して駆動電圧が印加されるが、駆動電圧の印加されるタイミングが１番目よりも５番目の方が遅くなっている。このようにして、外部から駆動電圧信号が入力されるタイミングをずらすことで、圧電素子の充電または放電の時間が重ならないようになり、配線に流れる電流をさらに減らすことができる。

また、図４に示す平面図では、接続端子４０１から後方絞り板１０４の短辺方向に伸びるように駆動電圧信号配線４０２を設けた場合を示したが、図１０に示すように、後方絞り板１０４の長辺方向に伸びる配線を追加してもよい。図１０に示すように、交差する駆動電圧信号配線４０２同士を接続し、配線に流れる電流の経路を複数にすることで、電圧降下を低減することが可能となる。

また、本実施例では、シリコン基板で作製された後方絞り板１０４に駆動回路３０１を設ける場合で説明したが、オリフィスプレート１０１に駆動回路３０１を設けてもよい。図１１はオリフィスプレートに駆動回路を設けた場合を示す側面図である。オリフィスプレート１０１がシリコン基板で形成されていれば、半導体集積回路の製造技術を用いて駆動回路３０１をオリフィスプレート１０１に形成することが可能である。その際、図３に示したヘッドブロック１０３の前後を逆にして、オリフィスプレート１０１との接合面に接合電極２０７が対向するようにして、接合電極２０７を駆動回路３０１と電気的に接合する。

本実施例によれば、駆動回路内の駆動電圧信号の配線を短くし、圧電素子を分割駆動することで、流れる充放電電流を減らすことが可能となり、駆動電圧信号の配線での電圧降下を低減できる。

特許文献１に開示された方法では、駆動電圧信号の電圧降下を防止するためには駆動回路内の駆動電圧信号の配線を太く、厚くする必要があり、この場合、駆動回路を作成するのが困難になるという問題がある。しかし、本実施例では、駆動電圧信号の配線での電圧降下が低減するので、駆動電圧信号を供給するための配線を細く、薄くすることが可能となり、駆動回路の作成が容易になる。

本実施例は、複数のノズル孔列のうち、液体を噴出させるノズル孔列を選択する列選択制御を行うことを可能にしたものである。

本実施例の液体噴出ヘッドの構成および駆動方法を説明する。なお、本実施例では、実施例１の構成と同様な構成についての詳細な説明を省略し、実施例１と異なる構成を詳しく説明する。

図１２と図１３は本実施例における液体噴出ヘッドの駆動方法および駆動回路を説明するための構成図である。本実施例は、駆動電極に駆動電圧を印加し液体を噴出する列を選択するのに列選択用の信号線を用いて分割駆動する場合である。

はじめに、図１３を参照して、本実施例の駆動回路の構成を説明する。

本実施例の駆動回路は、ノズル孔１０２に対応して設けられた、シフトレジスタ７０１、ラッチレジスタ７０２およびスイッチ素子５０２の他に、図１３に示すように、複数のＡＮＤ回路７０３を有する。スイッチ素子５０２に対応して、ＡＮＤ回路７０３が設けられている。ＡＮＤ回路７０３の２つの入力端子のうち、一方の入力端子がラッチレジスタ７０２の出力端子に接続され、他方の入力端子が列選択用の信号線に接続されている。そして、ＡＮＤ回路７０３の出力端子がスイッチ素子５０２の制御端子と接続されている。

本実施例では、列選択用の信号線が４つの場合である。これら４つの信号線が、実施例１で説明した、ノズル孔列の４つのグループに対応している。４つの列選択用の信号線に入力される列選択信号を区別するために、列選択信号の符号をＢＥ１〜ＢＥ４で表す。列選択信号ＢＥ１〜ＢＥ４は、液体を噴出させるノズル孔列のグループを選択するための信号である。列選択信号ＢＥ１〜ＢＥ４のそれぞれが、ノズル孔列の第１グループ〜第４グループのそれぞれに対応している。

次に、外部から入力される制御信号および駆動電圧信号を、図１２を参照して説明する。本実施例においても、図６を参照して説明したように、液体噴出を実行させる周期を４分割している。

図１２に示すように、液体噴出ヘッドの駆動回路に全ノズル孔に対応する画像データを１度に外部から転送し、画像データをノズル孔１０２と同じ数のラッチレジスタ７０２に保持する。続いて、液体を噴出させるノズル孔の列を選択するための列選択信号ＢＥ１〜ＢＥ４を外部から駆動回路に順次入力し、駆動電圧信号を印加することで分割駆動を行う。

次に、図１２に示した信号波形に対する駆動回路の動作を、図１３を参照して説明する。

シフトレジスタ７０１にシリアル信号ＳＤとクロックＣＬＫで画像データを外部から転送し、ラッチパルスＬＴでラッチレジスタ７０２に全ノズル孔に対応する画像データを保持する。その後、最初の分割期間で、列選択信号ＢＥ１をＨレベルにし、ラッチレジスタ７０２から画像データを出力すると、列選択信号ＢＥ１が入力される信号線に接続されたＡＮＤ回路７０３がＨレベルを出力する。１層目および５層目の圧電基板に対応するスイッチ素子５０２の制御端子にＨレベルの電圧が印加されると、スイッチ素子５０２はオンする。

その状態で駆動電圧信号配線４０２に駆動電圧信号を印加することで、第１グループのノズル孔列に対応する１層目および５層目の駆動電極２０６にのみ駆動電圧が印加される。その結果、１列目および５列目のノズル孔列のノズル孔１０２が液体を噴出し、他のノズル孔列のノズル孔１０２は液体を噴出しない。

次の分割時間では、列選択信号ＢＥ２のみをＨレベルにして、駆動電圧信号を入力する。このようにして、分割期間毎に、制御対象のグループを第１グループ→第２グループ→第３グループ→第４グループに順次切り替える手順を繰り返す分割駆動を行うことで、画像を形成する。ＡＮＤ回路７０３は、駆動させるノズル孔列を選択するための列選択部に相当する。

次に、本実施例の液体噴出ヘッドの駆動回路の別の構成例を説明する。図１４は本実施例の液体噴出ヘッドの駆動回路の別の構成例を示す図である。

図１４に示す駆動回路は、図１３に示したＡＮＤ回路７０３の代わりにスイッチ素子５０３が設けられている。ただし、信号線の接続方法が図１３に示す回路と異なっている。スイッチ素子５０２にスイッチ素子５０３が直列に接続されている。スイッチ素子５０２は、図７に示した構成と同様に、制御端子がラッチレジスタ７０２の出力端子と接続され、他の２つの端子のうち、一方の端子が駆動電圧信号配線４０２と接続されている。本実施例では、スイッチ素子５０２の他の２つの端子のうち、他方の端子がスイッチ素子５０３と接続されている。スイッチ素子５０３は、駆動させるノズル孔列を選択するための列選択部に相当する。

スイッチ素子５０３は、制御端子を含む３つの端子のうち、制御端子が列選択用の信号線と接続され、他の２つの端子のうち、一方の端子がスイッチ素子５０２と接続され、他方の端子が接合電極３０２と接続されている。

次に、図１４に示す駆動回路の動作を説明する。このとき、外部から入力される制御信号および駆動電圧信号の波形は図１２に示したものと同様である。

シフトレジスタ７０１にシリアル信号ＳＤとクロックＣＬＫで画像データを外部から転送し、ラッチレジスタ７０２に全ノズル孔に対応画像データを保持する。その後、最初の分割期間で列選択信号ＢＥ１のみをＨレベルにすると、列選択信号ＢＥ１が入力される信号線に接続されたスイッチ素子５０３がオンになる。また、スイッチ素子５０３に直列に接続されたスイッチ素子５０２は、Ｈレベルの画像データに対応してオンになる。その状態で駆動電圧信号を印加すると、直列に接続された２つのスイッチ素子５０２、５０３の両方がオンなので、第１グループのノズル孔列に対応する１層目および５層目の駆動電極２０６にのみ駆動電圧が印加される。その結果、１列目および５列目のノズル孔列のノズル孔１０２が液体を噴出し、他のノズル孔列のノズル孔１０２は液体を噴出しない。

次の分割時間では、列選択信号ＢＥ２のみをＨレベルにして、駆動電圧信号を入力する。このようにして、分割期間毎に、制御対象のグループを第１グループ→第２グループ→第３グループ→第４グループに順次切り替える手順を繰り返す分割駆動を行うことで、画像を形成する。

次に、図１２に示した分割駆動方法とは異なる方法を説明する。

図１５は本実施例の液体噴出ヘッドの液体噴出に対する別の分割駆動方法を説明するための図である。

図１５に示す信号波形を用いた分割駆動方法は、各分割期間に噴出するノズル孔の列に対応する画像データを転送し、列選択信号ＢＥ１〜ＢＥ４を順次入力し、駆動電圧信号を印加するものである。最初の分割期間に第１グループのノズル孔列の画像データを制御回路４０３に外部から転送し、次の分割期間に第２グループのノズル孔列の画像データを制御回路４０３に外部から転送する。このようにして、分割期間毎に、外部から制御回路４０３に転送する画像データを、第１グループ→第２グループ→第３グループ→第４グループに順次切り替える手順を繰り返す。この方法によれば、シフトレジスタ７０１とラッチレジスタ７０２の数を（全ノズル数／分割数）に削減することができる。

図１６は図１５に示した分割駆動方法を実行可能にした駆動回路の構成例を示す図である。図１６に示す駆動回路の構成を説明する。

図１６に示す駆動回路は、スイッチ素子５０２ａ〜５０２ｈのそれぞれにＡＮＤ回路７０３ａ〜７０３ｈのそれぞれが接続されているが、信号線の接続方法が図１３に示した構成と異なる。スイッチ素子５０２ａ〜５０２ｄのそれぞれは、１層目〜４層目の圧電基板の駆動電極２０６のそれぞれと接続されている。スイッチ素子５０２ｅ〜５０２ｈのそれぞれは、５層目〜８層目の圧電基板の駆動電極２０６のそれぞれと接続されている。

図１６に示す構成例では、シフトレジスタ７０１およびラッチレジスタ７０２のそれぞれの数は２つ（＝８（全ノズル数）／４（分割数））である。２つのラッチレジスタ７０２のうち、一方のラッチレジスタ７０２の出力端子がＡＮＤ回路７０３ａ〜７０３ｄのそれぞれの入力端子に接続され、他方のラッチレジスタ７０２の出力端子がＡＮＤ回路７０３ｅ〜７０３ｈのそれぞれの入力端子に接続されている。

ＡＮＤ回路７０３ａ〜７０３ｈのそれぞれは、２つの入力端子のうち、一方の入力端子がラッチレジスタ７０２の出力端子に接続され、他方の入力端子が列選択用の信号線に接続されている。列選択信号ＢＥ１の信号線がＡＮＤ回路７０３ａ、７０３ｅの入力端子に接続され、列選択信号ＢＥ２の信号線がＡＮＤ回路７０３ｂ、７０３ｆの入力端子に接続されている。また、列選択信号ＢＥ３の信号線がＡＮＤ回路７０３ｃ、７０３ｇの入力端子に接続され、列選択信号ＢＥ４の信号線がＡＮＤ回路７０３ｄ、７０３ｈの入力端子に接続されている。ＡＮＤ回路７０３ａ〜７０３ｈは、駆動させるノズル孔列を選択するための列選択部に相当する。

次に、図１６に示す駆動回路の動作を説明する。このとき、外部から入力される制御信号および駆動電圧信号の波形は図１５に示したものと同様である。

２つのシフトレジスタ７０１にシリアル信号ＳＤとクロックＣＬＫで１列目と５列目のノズル孔列に対応する画像データを外部から転送し、それらの画像データを２つのラッチレジスタ７０２に保持する。その後、最初の分割期間で、列選択信号ＢＥ１のみをＨレベルにし、ラッチレジスタ７０２が１列目の画像データをＡＮＤ回路７０３ａに送信し、５列目の画像データをＡＮＤ回路７０３ｅに送信する。これにより、ＡＮＤ回路７０３ａ、７０３ｅは、Ｈレベルの画像データが入力されると、Ｈレベルの信号をスイッチ素子５０２ａ、５０２ｅの制御端子に出力する。その結果、１列目と５列目のノズル孔列に対応するスイッチ素子５０２ａ、５０２ｅのうち、Ｈレベルの画像データに対応するスイッチ素子がオンになる。

その状態で駆動電圧信号配線４０２に駆動電圧信号を印加することで、第１グループのノズル孔列に対応する１層目および５層目の駆動電極２０６にのみ駆動電圧が印加される。その結果、１列目および５列目のノズル孔列のノズル孔１０２が液体を噴出し、他のノズル孔列のノズル孔１０２は液体を噴出しない。

次の分割期間では、２列目と６列目のノズル孔列に対応する画像データを２つのラッチレジスタ７０２に保持した後、列選択信号ＢＥ２のみをＨレベルにし、駆動電圧信号を駆動電圧信号配線４０２に入力する。

このようにして、分割期間毎に、外部から制御回路４０３に転送する画像データを、第１グループ→第２グループ→第３グループ→第４グループに順次切り替える手順を繰り返す分割駆動を行うことで、画像を形成する。

なお、図１３、図１４および図１６では、列選択信号ＢＥ１〜ＢＥ４の４つの信号を４つの接続端子４０１を介して外部から制御回路４０３に入力する場合の構成を示した。この場合に限らず、４つの信号を２つの信号にまとめて外部から制御回路４０３に入力し、制御回路４０３の内部で２つの信号をデコードして４つの信号に分けてもよい。また、列選択信号を画像データと一緒して、シリアルデータに乗せて制御回路４０３に入力してもよい。

１０１ オリフィスプレート
１０２ ノズル孔
１０３ ヘッドブロック
１０４ 後方絞り板
１０５ 絞り孔
１０６ 共通液室
１０８ 液体入出ポート
１０９ 共通電極配線ケーブル
１１０ 信号配線ケーブル
２０１、２０２ 圧電基板
２０３ 圧力室
２０４、２０５ 空気室
３０１ 駆動回路
３０２ 接合電極
４０１ 接続端子
４０２ 駆動電圧信号配線
４０３ 制御回路
５０２ スイッチ素子
７０１ シフトレジスタ
７０２ ラッチレジスタ
７０３ ＡＮＤ回路

Claims (7)

1. 液体を吐出するための２次元に配置されたノズル孔と、前記ノズル孔から吐出される液体を貯留するための圧力室と、駆動電圧信号が入力されると、前記圧力室の体積を変化させる圧電素子と、前記駆動電圧信号が入力される配線と前記圧電素子との間に配置されたスイッチ素子と、を備え、液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は前記圧電素子を構成する圧電体で形成されている液体噴出ヘッドであって、
   前記供給方向と交差する方向における前記圧力室を通る前記液体噴出ヘッドの断面に関して、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向の夫々において、前記圧力室の両側に、内側面に電極を備える複数の空気室と、
   前記圧力室の側壁の一部を構成する第１の溝と、前記空気室の一部を構成する第２の溝とが交互に並列して形成された第１の基板と、前記空気室の一部を形成する複数の第３の溝が並列して形成された第２の基板と、が積層されたヘッドブロックと、
   前記スイッチ素子を備え、前記ヘッドブロックの前記供給方向に関する一端側又は他端側に設けられた板部材と、を備え、
   前記ノズル孔に対応して２次元に配置された複数の前記スイッチ素子が、所定の方向に平行な複数の列にグループ化され、
   前記複数の列のうち、少なくとも１つの列のスイッチ素子が、前記液体を噴出させるか否かの情報を含む画像データに対応してオンまたはオフに動作し、他の列のスイッチ素子がオフ状態になり、
   前記少なくとも１つの列が、外部から入力される前記画像データに対応して、前記複数の列の中で順次切り替えられる、液体噴出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液体噴出ヘッドにおいて、
   前記複数のスイッチ素子と接続され、前記画像データを保持する複数のラッチレジスタをさらに有し、
   前記複数のラッチレジスタは、順次切り替えられる前記少なくとも１つの列毎にタイミングをずらして前記画像データを前記複数のスイッチ素子に出力する、液体噴出ヘッド。
3. 請求項１に記載の液体噴出ヘッドにおいて、
   前記複数のスイッチ素子と接続され、前記画像データを保持する複数のラッチレジスタと、
   前記複数の列毎にタイミングをずらして、前記少なくとも１つの列のスイッチ素子を選択する列選択部と、をさらに有し、
   前記列選択部によって選択されたスイッチ素子が、前記ラッチレジスタから入力される前記画像データに対応してオンまたはオフに動作する、液体噴出ヘッド。
4. 請求項１に記載の液体噴出ヘッドにおいて、
   前記少なくとも１つの列のスイッチ素子に対応する前記画像データを保持するラッチレジスタと、
   前記複数の列毎にタイミングをずらして、前記少なくとも１つの列のスイッチ素子を選択する列選択部と、をさらに有し、
   前記列選択部によって選択されたスイッチ素子が、前記ラッチレジスタから入力される前記画像データに対応してオンまたはオフに動作する、液体噴出ヘッド。
5. 請求項１から４のいずれか１項記載の液体噴出ヘッドにおいて、
   前記駆動電圧信号が入力される配線は、長手方向が前記所定の方向と直交する方向であり、
   複数の前記圧電素子は、前記複数の列に対応して、列毎に異なるタイミングで駆動する、液体噴出ヘッド。
6. 請求項１から５のいずれか１項記載の液体噴出ヘッドにおいて、
   前記複数の列の数をｎとし、前記少なくとも１つの列の数をｍとしたとき、
   前記少なくとも１つの列に対応する前記ノズル孔が液体を噴出するタイミングと、隣接する他の列に対応する前記ノズル孔が液体を噴出するタイミングとのずれが、１周期×（ｍ／ｎ）である、液体噴出ヘッド。
7. 液体を吐出するための２次元に配置されたノズル孔と、該ノズル孔から吐出される液体を貯留するための圧力室と、駆動電圧信号が入力されると、該圧力室の体積を変化させる圧電素子と、前記駆動電圧信号が入力される配線と前記圧電素子との間に配置されたスイッチ素子とを備え、液体の供給方向に関して前記圧力室を構成する側壁は前記圧電素子を構成する圧電体で形成されている液体噴出ヘッドの駆動方法であって、
   前記液体噴出ヘッドは、前記供給方向と交差する方向における前記圧力室を通る前記液体噴出ヘッドの断面に関して、第１の方向と、該第１の方向と交差する第２の方向の夫々において、前記圧力室の両側に、内側面に電極を備える複数の空気室と、
   前記圧力室の側壁の一部を構成する第１の溝と、前記空気室の一部を構成する第２の溝とが交互に並列して形成された第１の基板と、前記空気室の一部を形成する複数の第３の溝が並列して形成された第２の基板と、が積層されたヘッドブロックと、
   前記スイッチ素子を備え、前記ヘッドブロックの前記供給方向に関する一端側又は他端側に設けられた板部材と、を備え、
   前記ノズル孔に対応して２次元に配置された複数の前記スイッチ素子を、所定の方向に平行な複数の列にグループ化し、
   前記複数の列のうち、少なくとも１つの列のスイッチ素子を、前記液体を噴出させるか否かの情報を含む画像データに対応してオンまたはオフに動作させ、他の列のスイッチ素子をオフ状態にする制御を、前記複数の列の中で前記少なくとも１つの列を順次切り替えて行う、液体噴出ヘッドの駆動方法。

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