JPWO2003022582A1 - 液体吐出ヘッド駆動方法及び液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

目的とする良好な特性を得ることができ、かつ材料選択の幅を広げることができるような液体吐出装置を提供する。圧電体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装置であって、前記圧電体に対して液体吐出動作時に印加する駆動波形が、前記圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期（ａ２）と、前記高電位期とは電位が逆極性又は電位が零となる電圧を印加する逆電位期（ａ６）と、を含む。

Description

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などの液体を吐出する液体吐出装置に係り、特に、印刷動作時に各圧電体素子の圧電特性を最大限に発揮しうるような波形を印加するプリンタなどの液体吐出装置に関する。また、かかる波形を印加する液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。
背景技術
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。
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、圧電体膜の組成や結晶配向性などを特定のものにして良好な特性を得る努力が行なわれている。例えば、本発明者らは、１００面配向度が７０％以上のＰＺＴが良好な特性を示すという知見を得ている。
しかしながら、特定の結晶配向性などを有する圧電体膜を製造することは必ずしも容易ではない。また、結晶配向性などを特定のものに限ってしまうと、材料選択の自由度が狭められる。従って、例えば１００面配向度が７０％未満のＰＺＴでも、目的とする良好な特性を得ることができるならば、その効果は極めて大きい。
そこで、本発明は、目的とする良好な特性を得ることができ、かつ材料選択の幅を広げることができるような液体吐出装置を提供することを目的とする。
発明の開示
本発明による液体吐出装置は、圧電体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装置であって、前記圧電体に対して液体吐出動作時に印加する駆動波形が、前記圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性又は電位が零となる電圧を印加する逆電位期と、を含む。これにより、圧電体の特性をよりよく発揮させることができる。
上記液体吐出装置において、前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体の抗電界を超えない電界強度を示す電圧であることが望ましい。これにより、圧電体の特性を最大限に発揮させることができる。
上記液体吐出装置において、前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体の抗電界以上の電界強度を示す電圧であってもよい。これにより、圧電体内の残留分極を調整することができる。この液体吐出装置において、前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体に残留する分極を消去する電圧であることが望ましい。また、前記逆電位期に前記圧力室が膨張した後、前記圧力室の収縮が始まった際に、前記圧力室が再度膨張しないうちに前記高電位期にて前記圧力室を更に収縮させ前記液体を吐出させることが望ましい。これにより、抗電界を超えたことによる圧力室の収縮と、高電位期への移行による収縮を同期させることができ、変位量や変位速度を高めることができる。また、前記逆電位期のうち前記抗電界以上の電界強度を示す電圧を印加する時間は、２μ秒以下であることが望ましい。これにより、メニスカスが不安定となることを防止するとともに、より大きな変位を得ることができる。また、前記逆電位期において印加する電圧の絶対値が最大値より低下し始めてから、前記高電位期において印加する電圧の絶対値がほぼ最大となるまでの時間は、２μ秒以下であることが望ましい。これにより、変位量及び変位速度を効果的に高めることができる。
上記液体吐出装置において、前記逆電位期に印加する電圧の絶対値は、前記高電位期における最大の電圧の絶対値以下であることが望ましい。
上記液体吐出装置は、圧電体薄膜に電圧を印加するものであることが望ましい。特に、前記高電位期に、１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上の電界強度を示す電圧を印加するものであることが望ましい。また、２０ｋＨｚ以上の周波数で電圧を印加するものであることが望ましい。
上記液体吐出装置において、前記駆動波形は、前記高電位期１回につき前記逆電位期１回を備えることが望ましい。
上記液体吐出装置において、前記液体吐出動作時に印加する駆動波形のうち、前記圧力室の収縮動作時に対応する部分が、前記高電位期の少なくとも一部と、前記逆電位期の少なくとも一部と、を含むことが望ましい。これにより、大きな変位を圧力室の収縮に生かすことができる。
また、上記液体吐出装置において、前記液体吐出ヘッドによる液体吐出時の圧電体の歪みは、０．３％以上であることが望ましい。
上記液体吐出装置において、前記駆動波形は、所定の中間電位から前記高電位期における最高電位に至る電位変化により、圧力室を収縮させて液体を吐出させ、前記逆電位期を経て前記所定の中間電位に戻るように構成するとともに、前記逆電位期から前記所定の中間電位までの電位変化は、液体を吐出させないような勾配とすることが望ましい。
上記液体吐出装置において、前記高電位期における最高電位から前記逆電位期の電位まで連続的に電位を変化させることが望ましい。これにより、高周波での駆動を可能にすることができる。
上記液体吐出装置において、前記高電位期の電圧の印加１回につき、前記逆電位期の電圧を選択的に印加可能としてもよい。これにより、液滴の大きさを増減することができる。
本発明の駆動方法は、圧電体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、前記圧電体に対して印刷動作時に印加する駆動波形が、前記圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性又は電位が零となる電圧を印加する逆電位期と、を含むものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
＜１．インクジェットプリンタの全体構成＞
図１は、本発明の実施形態によ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、給紙機構６、制御回路８が備えられている。
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、ノズルからインクなどの液体を吐出可能に構成されている。
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給紙機構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を給紙機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
給紙機構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おり、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ようになっている。
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、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、駆動信号を給紙機構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に供給したりできるようになっている。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。
＜２．インクジェットプリンタの電気的構成＞
図２は、上記プリンタの電気的構成を示すブロック図である。本実施形態のプリンタの電気的構成は、図２に示すように、制御回路８とプリントエンジン１２とを備えている。
制御回路８は、外部インターフェース１３（以下、外部Ｉ／Ｆ１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部１６と、クロック信号を発生する発振回路１７と、インクジェット式記録ヘッド１へ供給するための駆動信号を発生する駆動手段である駆動信号発生回路１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン１２に送信する内部インターフェース１８（以下、内部Ｉ／Ｆ１８という）とを備えている。
外部Ｉ／Ｆ１３は、例えば、キャラクタコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピュータ等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピュータ等に対して出力される。
ＲＡＭ１４は、受信バッファ１４１、中間バッファ１４２、出力バッファ１４３、及び、図示しないワークメモリとして機能する。そして、受信バッファ１４１は外部Ｉ／Ｆ１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファ１４２は制御部１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファ１４３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。
また、ＲＯＭ１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。
制御部１６は、受信バッファ１４１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファ１４２に記憶させる。また、制御部１６は、中間バッファ１４２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファ１４３に記憶させる。
そして、インクジェット式記録ヘッド１の１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ１８を通じてインクジェット式記録ヘッド１に出力される。また、出力バッファ１４３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファ１４２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。
プリントエンジン１２は、インクジェット式記録ヘッド１と、給紙機構６と、キャリッジ機構７とを含んで構成してある。
給紙機構６は、紙送りモータと紙送りローラ等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッド１の記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この給紙機構６は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。
キャリッジ機構７は、インクジェット式記録ヘッド１を搭載可能なキャリッジ本体と、このキャリッジ本体を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してある。そして、キャリッジ本体を走行させることによりインクジェット式記録ヘッド１を主走査方向に移動させることができる。なお、キャリッジ駆動部は、タイミングベルトを用いたもの等、キャリッジ本体を走行させ得る機構であれば任意の構成を採り得る。
インクジェット式記録ヘッド１は、副走査方向に沿って多数のノズルを有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズルからインク滴を吐出する。
＜３．インクジェット式記録ヘッドの構成＞
図３は、上記液体吐出装置であるプリンタに用いら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、いわゆるたわみ振動のインクジェット式記録ヘッドであり、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、ピエゾジェット式ヘッドを構成している。
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に供給する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。
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。
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、インクタンク接続口（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のリザーバ２３に供給可能になっている。
＜４．層構造＞
図４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、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宜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。
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、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。
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。
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り、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。
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。
＜５．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、給紙機構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１１からインク滴は吐出されない。
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１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で印字データに対応した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。
＜６．インクジェット式記録ヘッドの電気的構成＞
次に、図５を参照して、上述したインクジェット式記録ヘッドの電気的構成について、より詳細に説明する。
インクジェット式記録ヘッド１は、図５に示すように、シフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４及び圧電体素子４０等を備えている。さらに、図５に示すように、これらのシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４及び圧電体素子４０は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッド１の各ノズル１１に設けたシフトレジスタ素子５１Ａ〜５１Ｎ、ラッチ素子５２Ａ〜５２Ｎ、レベルシフタ素子５３Ａ〜５３Ｎ、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎ、圧電体素子４０Ａ〜４０Ｎから構成してある。これらシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４、圧電体素子４０は、この順で電気的に接続してある。
なお、これらのシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３及びスイッチ５４は、駆動信号発生回路１９が発生した吐出駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電体素子４０に印加される印加パルスのことである。
図６は、圧電素子に駆動パルス（駆動信号）を印加する手順を説明する図である。図６を参照して、以上のような電気的構成を有するインクジェット式記録ヘッド１の制御について説明する。
上述したような電気的構成を有するインクジェット式記録ヘッド１では、図６に示すように、最初に発振回路１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する印字データ（ＳＩ）が出力バッファ１４３からシフトレジスタ５１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル１１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送される。そして、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。
そして、当該ビットの印字データが全ノズル分シフトレジスタ素子５１Ａ〜５１Ｎにセットされたならば、制御部１６は、所定のタイミングでラッチ回路５２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ回路５２は、シフトレジスタ５１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ回路５２がラッチした印字データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフタ５３に印加される。このレベルシフタ５３は、印字データが例えば「１」の場合に、スイッチ５４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの印字データを昇圧する。そして、この昇圧された印字データはスイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎに印加され、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎは、当該印字データにより接続状態になる。
そして、各スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎには、駆動信号発生回路１９が発生した吐出駆動信号も印加されている。従って、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎが接続状態になると、このスイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎに接続された圧電体素子４０Ａ〜４０Ｎに吐出駆動信号が印加される。
このように、例示したインクジェット式記録ヘッド１では、印字データによって圧電体素子４０に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、印字データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電体素子４０に供給することができる。そして、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電体素子４０が変位（変形）する。また、印字データが「０」の期間においてはスイッチ５４が非接続状態となるので、圧電体素子４０への駆動信号の供給は遮断される。なお、この印字データが「０」の期間において、各圧電体素子４０は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。
＜７．第１実施例及び比較例＞
図７は、本発明の第１実施例及び比較例の液体吐出装置及び駆動方法による駆動波形の波形図である。図８は、上記駆動波形による圧電体薄膜素子の変位量の測定結果を示すグラフである。図７に示すように、駆動波形としては、８μ秒の電位上昇期、２０μ秒の最高電位維持期、８μ秒の電位下降期を備え、最高電位と最低電位の差が２５Ｖの台形波を用いた。この台形波のオフセット電圧（駆動波形中、最低電位の対アースＤＣ電圧）ΔＶを種々変えて、圧電体薄膜素子を駆動して変位量を測定した。オフセット電圧ΔＶ＜０の場合が、逆電位期を有する第１実施例に相当し、オフセット電圧ΔＶ≧０の場合が、逆電位期を有しない比較例に相当する。圧電体薄膜素子としては、（１００）面配向度７９％のＰＺＴを用いたサンプル３点（グループ１）と、（１００）面配向度３３％のＰＺＴを用いたサンプル３点（グループ２）につき測定し、それぞれ平均を求めた。
グループ１のＰＺＴを用いた場合、まず、比較例であるオフセット電圧ΔＶ≧０付近では、約４２０〜４５０ｎｍの変位が得られた。この変位量が得られればインクジェット式記録ヘッドとしても使用可能ではあるが、より変位量が大きくなることが望ましい。次に第１実施例であるオフセット電圧ΔＶ＜０で測定したところ変位量が上昇し、ΔＶ＝−３Ｖ付近で最大変位５１３ｎｍが得られた。
グループ２のＰＺＴを用いた場合、まず、比較例であるオフセット電圧ΔＶ≧０付近では、約２９０〜３１５ｎｍの変位であった。この変位量は上記グループ１の場合と比較しても十分とは言い難く、より変位量が大きくなることが望ましい。次に第１実施例であるオフセット電圧ΔＶ＜０で測定したところ変位量が大幅に上昇し、ΔＶ＝−４．３Ｖ付近で最大変位４５１ｎｍが得られた。
なお、グループ１及びグループ２ともに、オフセット電圧ΔＶを更に低く（絶対値を大きく）すると、変位量は減少した。これは、オフセット電圧ΔＶが低すぎると抗電界を超えてしまい、歪みが反転するためであると推測される。
上記のように、グループ１及びグループ２ともに、第１実施例の液体吐出装置を用いることにより、比較例に比べて変位量が向上した。この変位量の向上は、図９（ａ）のヒステリシスカーブで説明される。同図に示すように、逆電位期を有しない比較例の駆動では、破線Ａのようなカーブになり、逆電位期を有する第１実施例の駆動では、破線Ｂのようなカーブになる。電界強度（Ｅ）の変化量が同じでも、破線Ｂの方が大きな歪み（Ｓ）を得られていることがわかる。
更に、グループ２のように、比較例では十分な特性を得ることができないと評価され得る圧電体素子でも、第１実施例の液体吐出装置を用いることにより変位量が格段に向上し、使用に堪える特性を引き出すことができるので、材料選択の余地が向上する。
また、比較例による液体吐出装置により駆動した場合には、１億パルス以上の多数回駆動を行うと、変位量が当初の変位量よりも１２％程度低下したが、第１実施例による液体吐出装置により駆動した場合には、多数回駆動時の変位低下が５％以内に収められることが確認された。その理由は以下のように推測される。圧電体の抗電界を超えて駆動する場合に、多数回駆動すると、図９（ｂ）に示すように、ヒステリシスカーブが破線のように変化してくる。これにより、逆電位期を有しない駆動では変位低下が起こる。しかし、逆電位期を設けることにより、ヒステリシスカーブが変化しても十分な変位を得ることができる。
上記グループ１とグループ２とでは、最大変位を得るためのオフセット電圧ΔＶの最適値が互いに異なっている。従って、求められる特性に応じて、オフセット電圧ΔＶの値を調節することが望ましい。
＜８．第２実施例及び第３実施例＞
図１０は、本発明の他の実施例の液体吐出装置により印刷動作時に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１０（Ａ）は第２実施例の一周期分の波形、図１０（Ｂ）は第３実施例の一周期分の波形である。かかる波形が圧電体薄膜に印加される場合は、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの周波数で印加される。この波形は印刷動作時に印加する波形であるから、印刷休止時のヘッドクリーニング中や、インクカートリッジ交換シーケンス中などに印加する波形がこれと異なっていても良い。
図１０（Ａ）に示す駆動波形は、ここでは電位維持期ａ４、電位下降期ａ５、電位維持期ａ６、電位上昇期ａ１、電位維持期ａ２、電位下降期ａ３を備えている。
電位維持期ａ４では、メニスカスの残留振動を安定させる。電位下降期ａ５及び電位維持期ａ６では、一旦メニスカスをノズル内に引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んで次の電位上昇期ａ１での吐出に備える。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ａ３では、圧力室を拡大させることにより、吐出されずに残ったインクをノズル内に引き込む。
特に電位維持期ａ６では、インクを吐出する電位維持期ａ２と逆極性の電圧（−Ｖ_１）を圧電体に印加する。この電位維持期ａ６のような電圧を印加する逆電位期を駆動波形中に設けることにより、圧電体の特性を最大限に発揮させることが可能となっている。圧電体の特性をより効果的に発揮させるためには、インクの吐出１回につき、電位維持期ａ６のような電圧を印加する逆電位期を１回設けることが望ましい。
電位維持期ａ２においては、圧電体における電界強度が、１．５×１０^７［Ｖ／ｍ］以上となるように設定する。例えば、電位維持期ａ２における印加電圧を、２０〜３０［Ｖ］程度の高い絶対値を有する値に設定する。この場合、圧電体薄膜の膜厚を１μｍとすると、電位維持期ａ２における圧電体の電界強度は、２×１０^７〜３×１０^７［Ｖ／ｍ］であり、本実施例における圧電体の抗電界２×１０^６［Ｖ／ｍ］の１０倍程度高くなっている。
第１実施例と同様に、圧電体の特性を効果的に発揮させるには、電位維持期ａ６を含む逆電位期における電位（−Ｖ_１）は、圧電体における電界強度の絶対値が圧電体の抗電界を超えないような電位であることが望ましい。また、電位維持期ａ６を含む逆電位期における電位（−Ｖ_１）の絶対値は、電位維持期ａ２のような高電位期における電位の絶対値の最大値以下であることが望ましい。例えば圧電体の膜厚が１μｍ、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ_１）＝−２Ｖとすれば、圧電体における電界強度の絶対値は２×１０^６［Ｖ／ｍ］となる。
圧力室の収縮動作を行う電位上昇期ａ１においては、電位維持期ａ６に続いて負の電位から電位が上昇し、電位維持期ａ２で最高電位に到達する。
図１０（Ｂ）に示す駆動波形は、上記ａ１〜ａ６と同様の部分の他に、電位上昇期ａ７、電位維持期ａ８、電位下降期ａ９、電位維持期ａ１０を備えている。電位上昇期ａ７、電位維持期ａ８、電位下降期ａ９は、上記電位上昇期ａ１及び電位維持期ａ２でインクを吐出するためのメニスカス制御を目的とするものであって、インク吐出前に、メニスカスに所望の振動を与えることによって吐出特性を向上させる効果を有している。
電位維持期ａ６における電圧（−Ｖ_２）は、図１０（Ａ）の波形と同様、圧電体における電界強度の絶対値が、抗電界を超えない値でありインク吐出時の電界の最高値以下となるような電圧であることが望ましい。
＜９．第４実施例及び第５実施例＞
上記第１〜第３実施例では、逆電位期の圧電体における電界強度が抗電界を超えない場合の利点について説明したが、抗電界以上となってもよい。ここで、図１０（Ａ）又は図１０（Ｂ）の駆動波形において、逆電位期のうち電位維持期ａ６における電位（−Ｖ_１又は−Ｖ_２）を、圧電体における電界強度の絶対値が圧電体の抗電界より大きくなるような電位としたものを、それぞれ第４実施例及び第５実施例とする。この場合、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ_１又は−Ｖ_２）の絶対値は電位維持期ａ２における電位の絶対値以下であることが望ましい。例えば圧電体の膜厚が１μｍ、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ_１）＝−５Ｖとすれば、圧電体における電界強度の絶対値は５×１０^６［Ｖ／ｍ］となる。
このように、電位維持期ａ６において抗電界を超えるような電界強度を示す電位とすることにより、駆動波形中に、すなわち印刷休止時間以外のときに、圧電体膜に残留する分極を消去することができる。圧電体が薄膜化されると、残留分極が比較的早く減じられる傾向にあるので、特開平９−１４１８６６号公報のような分極処理をしても、その後しばらく駆動しないと分極が低下する。この場合、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。本実施例では、駆動波形中に吐出電圧と逆極性の電圧を印加するので、印刷動作が長時間連続する場合でも圧電体素子の変位のばらつきを効果的に抑制することができる。
また、特に、圧電体薄膜を用いた液体吐出ヘッドを駆動する場合には、圧電体薄膜の歪みが大きく、０．３％以上となる。そして、基板の弾性復元力も十分ではないため、圧電体薄膜に残留歪みが生じやすい。従って、残留分極を消去することは極めて有効である。
＜１０．第６実施例及び第７実施例＞
図１１に、第４実施例の更なる変形例である第６実施例及び第７実施例の駆動波形を示す。図１２に、これら駆動波形を用いて圧電体薄膜を駆動した場合の変位の推移を示す。図１１に示す２種類の駆動波形は、逆電位期に印加する電圧の最小値が−５Ｖとなる点で共通するが、この−５Ｖの電圧を印加する時間が異なる。実線で示す波形（Ｗ６）は第６実施例に係り、−５Ｖの電圧を印加する時間を２μ秒に設定してある。一方、破線で示す波形（Ｗ７）は第７実施例に係り、−５Ｖの電圧を印加する時間を０．１３μ秒に設定してある。
圧電体薄膜の抗電界を２×１０^６［Ｖ／ｍ］、膜厚を１．５μｍとした場合、圧電体薄膜に−３Ｖより低い電圧を印加すると圧電体薄膜内の電界強度が抗電界を超える。電界強度が抗電界を超えている時間、すなわち、波形（Ｗ６）において−３Ｖより低い電圧を印加する時間は約３μ秒、波形（Ｗ７）において−３Ｖより低い電圧を印加する時間は約１．５μ秒である。
図１２の曲線（Ｃ６）は、図１１の波形（Ｗ６）を印加した際の変位の推移を示している。変位の最大値と最小値との差は、３４４ｎｍであった。この曲線（Ｃ６）に示されるように、逆電位期において抗電界を超えると、歪む方向が反転してしまう。つまり、印加電圧を下げると、抗電界に達するまでは変位が下がっていくが、抗電界に達した後は、印加電圧を下げても、変位が上昇してしまう。このことは、抗電界を超えたことによって分極が反転したことを示している。圧電体薄膜の歪む方向が曲線（Ｃ６）のように反転すると、液体吐出ヘッドを駆動した際にメニスカスの動きが不安定となり、液滴を正確に吐出することが困難になる。
一方、図１２の曲線（Ｃ７）は、図１１の波形（Ｗ７）を印加した際の変位の推移を示している。逆電位期において抗電界を超える時間を２μ秒以下としたところ、逆電位期においでも歪む方向が反転しないことがわかった。また、変位の最大値と最小値との差は、３５９ｎｍであり、曲線（Ｃ６）の場合に比べて、変位量も大きくなることがわかった。
図１３は、上記駆動波形を用いて液体吐出ヘッドを駆動した場合の振動板の変位速度の推移を測定したグラフである。第７実施例において逆電位期から高電位期に至る圧力室の収縮動作時での振動板の変位速度（Ｄ７）は、最大で１ｍ／ｓｅｃ付近まで上昇しているのに対し、第６実施例の収縮動作時での振動板の変位速度（Ｄ６）は最大で０．５ｍ／ｓｅｃと第７実施例の半分程度であった。このことから明らかなように、第７実施例の駆動波形を用いれば、振動板の変位速度を高めることができる。
以上説明したように、第７実施例の駆動方法では、逆電位期にて圧電体膜層４１に抗電界が生じる電位よりも絶対値の高い電位まで印加電圧を変化させて圧力室２１を膨張させる。そして、抗電界に伴い圧力室２１の収縮が始まった後、膨張に反転しないうちに高電位期に移り、圧力室を更に収縮させて液体を吐出させるようにした。このことで、振動板３０の変位量及び変位速度を高めることができる。すなわち、本発明の駆動方法では、抗電界による振動板３０の変位をインク吐出時のための変位として作用させるようにしたので、圧力室２１を収縮させる時の振動板３０の変位量及び変位速度を実質的に高めることができる。
また、本実施例では、逆電位期において抗電界を超える期間を２μ秒より小さく設定すれば、抗電界による振動板３０の変位量をインク吐出時のための変位として作用させることができる。また、圧力室２１が収縮し始めてから収縮し終わるまでの期間を２μ秒より小さく設定すれば、逆電位期での収縮開始から高電位期での収縮終了までの移行がスムーズとなり、振動板３５の変位量を効果的に高めることができる。これにより、インクの吐出速度を速くできるというメリットもある。
＜１１．第８実施例及び第９実施例＞
図１４は、本発明の第８実施例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
第８実施例において圧電体素子４０に印加される基本駆動信号（ＣＯＭ）は、図１４（ａ）に示すように、高電位期６０と逆電位期７０とを備えている。そして、印字データに応じて高電位期６０の電圧が圧電体素子４０に出力されることによりインク滴を吐出し、その後、逆電位期７０の電圧が圧電体素子４０に出力される。本実施例では、高電位期６０と逆電位期７０とを１回ずつ交互に出力している。
ここで、本実施例のインクジェット式記録ヘッド１は、いわゆる「引き打ち」方式のものである。高電位期６０は、中間電位ＶＭを維持した状態から電位ＶＬまで降下させて圧力室２１を膨張させる第１の膨張工程６１と、最低電位ＶＬを一定時間維持する第１のホールド工程６２と、最低電位ＶＬから最高電位ＶＨまで上昇させて圧力室２１を収縮させることによってインク滴を吐出させる収縮工程６３と、最高電位ＶＨを一定時間維持する第２のホールド工程６４と、最高電位ＶＨから中間電位ＶＭまで降下させる第２の膨張工程６５とで構成されている。
一方、逆電位期７０は、電位を中間電位ＶＭから零以下である所定電位ＶＲまで下降させる下降工程７１と、所定電位ＶＲを一定時間維持するホールド工程７２と、所定電位ＶＲから中間電位ＶＭまで上昇させる上昇工程７３とで構成されている。
そして、上記のような高電位期６０によって圧電体素子４０を駆動させると、図１４（ｂ）に示すように、圧電体素子４０が第１の膨張工程６１において中間変位ＤＭから最小変位ＤＬまで変形することによって、ノズル１１内のメニスカスは圧力室２１側に引き込まれる。次いで、第１のホールド工程６２を介して収縮工程６３が実行され、圧電体素子４０が最大変位ＤＨまで変形することによってインク滴が吐出される。すなわち、収縮工程６３は第１の膨張工程６１による振動によってメニスカスがノズル１１側に押し出されるタイミングで収縮工程６３が実行される。これにより、第１の膨張工程６１によるメニスカスの振動と収縮工程６３によるメニスカスの振動とが重なり合い、比較的高速でノズル１１からインク滴が吐出される。その後、第２の膨張工程６５よって圧電体素子４０の変位を元に戻す。
ここで、第２の膨張工程６５では、最高電位ＶＨから中間電位ＶＭまで下降させることにより、図中点線で示すように圧電体素子４０の変位を最高変位ＤＨから中間変位ＤＭに戻すようにしている。しかしながら、実際には圧電体素子４０の歪みは中間変位ＤＭまでは戻らず、圧電体素子４０の変位は中間変位ＤＭ’で維持されてしまう。
そこで、本実施例では、高電位期６０の後に、逆電位期７０を経て、中間電位ＶＭまで戻すことにより、圧電体素子４０の変位を所定の中間変位ＤＭに戻すようにした。
すなわち、インク滴吐出後に、逆電位期７０の下降工程７１によって電位を零以下、例えば、−５（Ｖ）程度まで下降させると、圧電体素子４０の変位が、一旦、中間変位ＤＭの下側まで変化する。その後、ホールド工程７２を介して上昇工程７３で電位を中間電位ＶＭまで戻すと、圧電体素子４０の変位も中間変位ＤＭに戻る。これにより、その後の高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が安定し、所望の大きさのインク滴が吐出される。
ここで、この逆電位期７０を構成する下降工程７１は、電位を零以下まで下降させることができればよく、その傾きは特に限定されないが、上昇工程７３の傾きは、メニスカスの振動に影響を与えない程度に比較的小さくすることが好ましい。これは、本実施例のインクジェット式記録ヘッド１では、上昇工程７３によって圧電体素子４０が駆動されると圧力室２１が収縮されてメニスカスにはインク滴が吐出される方向の振動が発生するため、上昇工程７３の傾きを大きくするとインク滴が誤吐出される虞があるためである。
また、上昇工程７３の傾きをあまり小さくすると、インク滴の吐出間隔を長くとらなければならず高速駆動ができなくなるため、上昇工程７３の傾きは、メニスカスの振動に影響を与えない程度にできるだけ大きくすることが望ましい。
このように、本実施例では各高電位期６０の間に逆電位期７０を設けるようにしたので、高電位期６０の電圧を圧電体素子４０に出力する際、圧電体素子４０の変位は、常に中間変位ＤＭに維持される。したがって、各高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が実質的に向上する。また、高電位期６０の最高電位ＶＨを低下させても、現状の変位量を維持し且つ耐久性を向上することができる。さらに、各高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が安定するため、比較的高速で駆動した場合でも常に所望のドット径で印刷を実行することができる。
なお、本実施例では、高電位期６０によってインク滴を吐出後、所定間隔を開けて逆電位期７０の電圧を出力するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１５に示す第９実施例の駆動波形のように、高電位期６０の電圧を出力した直後に逆電位期７０の電圧を出力するようにし、高電位期における最高電位から逆電位期の電位まで連続的に電位を変化させてもよい。何れにしても、電位を一旦零以下まで下降させることにより、圧電体素子４０の歪みを確実に所定の中間電位まで戻すことができる。そして、高電位期６０と逆電位期７０との間隔を短くすれば、比較的高速で印刷を実行することができる。
また、第８実施例及び第９実施例では、逆電位期７０の上昇工程７３の傾きを小さくすることによって、逆電位期７０の最低電位ＶＲから中間電位ＶＭまで戻す際のインク滴の誤吐出を防止するようにしたが、インク滴の誤吐出の防止方法は、これに限定されるものではない。例えば、メニスカスの振動の周期に合わせて上昇工程７３を実行することによっても、インク滴の誤吐出を防止することができる。すなわち、逆電位期７０の下降工程７１によって生じたメニスカスの振動が、圧力室２１側に引き込まれているタイミングで上昇工程７３を実行する。こうすれば、上昇工程７３によって発生するメニスカスの振動と下降工程７１によって生じたメニスカスの振動とが相殺されるため、インク滴の誤吐出を防止することができる。
これにより、逆電位期７０の上昇工程７３の傾きを比較的大きくしてもインク滴の誤吐出を防止することができるため、さらなる高速駆動を実現することができる。
＜１２．第１０実施例＞
図１６は、本発明の第１０実施例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
本実施例では、図１６（ａ）に示すように、各高電位期６０の間に逆電位期７０の電圧を選択的に出力することにより、大きさの異なる２種類のインク滴を吐出するようにした例である。
すなわち、逆電位期７０を介さずに高電位期６０の電圧を連続的に出力するようにした場合、高電位期６０を経た後の圧電体素子４０の変位は、図１６（ｂ）に示すように、中間変位ＤＭ’となる。このため、その後の高電位期６０の収縮工程６３による実際の圧電体素子４０の変位量ｄ１は、中間変位ＤＭを経た場合の変位量ｄ２よりも小さくなってしまい、吐出されるインク滴の大きさは、中間変位ＤＭを経た場合の大きさ（ノーマルドット径）よりも小さくなる。
ただし、この各高電位期６０の後の中間変位ＤＭ’は、ほぼ一定の変位となる。すなわち、高電位期６０の電圧を連続的に圧電体素子４０に出力した場合、吐出されるインク滴の大きさは、ノーマルドット径よりも小さくなるが、各インク滴の大きさは略一定の大きさとなる。
一方、高電位期６０の間に逆電位期７０の電圧を出力した場合、その後の高電位期６０の収縮工程６３による圧電体素子４０の実際の変位量ｄ３は、中間変位ＤＭを経た場合の変位量ｄ２と略同一となるため、ノーマルドット径のインク滴が吐出される。
したがって、逆電位期７０を選択的に出力することにより、大きさの異なる２種類のインク滴を容易に吐出させることができる。
例えば、高電位期６０と逆電位期７０とを圧電体素子４０に出力することにより、ノーマルドット径のインク滴を吐出させることができる。そして、逆電位期７０を介することなく高電位期６０を連続的に出力することにより、小ドット径のインク滴を吐出させることができる。
このように、駆動信号の制御のみによってドットの階調制御を行うことができ、高品質印刷を比較的容易に実現できる。
本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法及び液体吐出装置は、インクジェット記録装置に用いられるインクを吐出するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機ＥＬディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を吐出するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。
産業上の利用可能性
本発明の液体吐出装置および駆動方法によれば、目的とする良好な特性を得ることができ、かつ材料選択の幅を広げることができるような液体吐出装置及び駆動方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
図１は、本発明の実施形態によ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。
図２は、上記プリンタの電気的構成を示すブロック図である。
図３は、上記プリンタに用いら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４は、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５は、上記インクジェット式記録ヘッドの電気的構成を示す図である。
図６は、図５において圧電素子に駆動パルスを印加する手順を説明する図である。
図７は、本発明の第１実施例及び比較例の液体吐出装置及び駆動方法による、駆動波形の波形図である。
図８は、上記第１実施例及び比較例の駆動波形による圧電体薄膜素子の変位量の測定結果を示すグラフである。
図９は、圧電体薄膜の電界強度（Ｅ）に対する歪み（Ｓ）の特性を示すグラフである。
図１０は、図１０（Ａ）は、第２実施例及び第４実施例の液体吐出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り、図１０（Ｂ）は、第３実施例及び第５実施例の液体吐出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１１は、第６実施例及び第７実施例による駆動波形を示す図である。
図１２は、上記第６実施例及び第７実施例の駆動波形を用いて圧電体薄膜を駆動した場合の変位の推移を示す図である。
図１３は、上記第６実施例及び第７実施例の駆動波形により駆動した場合の振動板の変位速度の推移を示す図である。
図１４は、本発明の第８実施例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
図１５は、本発明の第９実施例に係る駆動信号の例を示す図である。
図１６は、本発明の第１０実施例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
なお、図中、１０はノズル板、 ２０は圧力室基板、 ３０は振動板、 ３１は絶縁膜、 ３２は下部電極、 ４０は圧電体素子、 ４１は圧電体薄膜層、 ４２は上部電極、 ２１は圧力室である。

Claims (18)

1. 圧電体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装置であって、
   前記圧電体に対して液体吐出動作時に印加する駆動波形が、前記圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性又は電位が零となる電圧を印加する逆電位期と、を含む、液体吐出装置。
2. 請求項１において、
   前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体の抗電界を超えない電界強度を示す電圧である、液体吐出装置。
3. 請求項１において、
   前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体の抗電界以上の電界強度を示す電圧である、液体吐出装置。
4. 請求項３において、
   前記逆電位期に印加する電圧は、前記圧電体に残留する分極を消去する電圧である、液体吐出装置。
5. 請求項３において、
   前記逆電位期に前記圧力室が膨張した後、前記圧力室の収縮が始まった際に、前記圧力室が再度膨張しないうちに前記高電位期にて前記圧力室を更に収縮させ前記液体を吐出させる、液体吐出装置。
6. 請求項３において、
   前記逆電位期のうち前記抗電界以上の電界強度を示す電圧を印加する時間は、２μ秒以下である、液体吐出装置。
7. 請求項３において、
   前記逆電位期において印加する電圧の絶対値が最大値より低下し始めてから、前記高電位期において印加する電圧の絶対値がほぼ最大となるまでの時間は、２μ秒以下である、液体吐出装置。
8. 請求項１乃至請求項７の何れか一項において、
   前記逆電位期に印加する電圧の絶対値は、前記高電位期における最大の電圧の絶対値以下である、液体吐出装置。
9. 請求項１乃至請求項８の何れか一項において、
   圧電体薄膜に電圧を印加する液体吐出装置。
10. 請求項１乃至請求項９の何れか一項において、
    前記高電位期に、１．５×１０^７Ｖ／ｍ以上の電界強度を示す電圧を印加する、液体吐出装置。
11. 請求項１乃至請求項１０の何れか一項において、
    ２０ｋＨｚ以上の周波数で電圧を印加する、液体吐出装置。
12. 請求項１乃至請求項１１の何れか一項において、
    前記駆動波形は、前記高電位期１回につき前記逆電位期１回を備えた、液体吐出装置。
13. 請求項１乃至請求項１２の何れか一項において、
    前記液体吐出動作時に印加する駆動波形のうち、前記圧力室の収縮動作時に対応する部分が、前記高電位期の少なくとも一部と、前記逆電位期の少なくとも一部と、を含む、液体吐出装置。
14. 請求項１乃至請求項１３の何れか１項において、
    前記液体吐出ヘッドによる液体吐出時の圧電体の歪みは、０．３％以上である液体吐出装置。
15. 請求項１において、
    前記駆動波形は、所定の中間電位から前記高電位期における最高電位に至る電位変化により、圧力室を収縮させて液体を吐出させ、前記逆電位期を経て前記所定の中間電位に戻るように構成するとともに、前記逆電位期から前記所定の中間電位までの電位変化は、液体を吐出させないような勾配とした、液体吐出装置。
16. 請求項１又は請求項１５において、
    前記高電位期における最高電位から前記逆電位期の電位まで連続的に電位を変化させる、液体吐出装置。
17. 請求項１において、
    前記高電位期の電圧の印加１回につき、前記逆電位期の電圧を選択的に印加可能とした、液体吐出装置。
18. 圧電体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、
    前記圧電体に対して印刷動作時に印加する駆動波形が、前記圧電体の抗電界を超えた電界強度を示す電圧を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性又は電位が零となる電圧を印加する逆電位期と、を含む、駆動方法。

Images