WO2006137528A1 - 液体吐出装置の駆動方法 - Google Patents

液体吐出装置の駆動方法 Download PDF

Info

Publication number
WO2006137528A1
WO2006137528A1 PCT/JP2006/312622 JP2006312622W WO2006137528A1 WO 2006137528 A1 WO2006137528 A1 WO 2006137528A1 JP 2006312622 W JP2006312622 W JP 2006312622W WO 2006137528 A1 WO2006137528 A1 WO 2006137528A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
piezoelectric
voltage
ceramic layer
region
piezoelectric ceramic
Prior art date
Application number
PCT/JP2006/312622
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Shuzo Iwashita
Sin Ishikura
Takayuki Yamamoto
Hisamitsu Sakai
Original Assignee
Kyocera Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kyocera Corporation filed Critical Kyocera Corporation
Priority to US11/993,010 priority Critical patent/US7896456B2/en
Priority to EP06780659A priority patent/EP1902841B1/en
Priority to JP2007522382A priority patent/JP5118485B2/ja
Publication of WO2006137528A1 publication Critical patent/WO2006137528A1/ja
Priority to US13/022,491 priority patent/US8210630B2/en

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
    • B41J2/045—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by pressure, e.g. electromechanical transducers
    • B41J2/04501—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits
    • B41J2/04525—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits reducing occurrence of cross talk
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
    • B41J2/045—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by pressure, e.g. electromechanical transducers
    • B41J2/04501—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits
    • B41J2/04581—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits controlling heads based on piezoelectric elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/015—Ink jet characterised by the jet generation process
    • B41J2/04—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand
    • B41J2/045—Ink jet characterised by the jet generation process generating single droplets or particles on demand by pressure, e.g. electromechanical transducers
    • B41J2/04501—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits
    • B41J2/04588—Control methods or devices therefor, e.g. driver circuits, control circuits using a specific waveform
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B41—PRINTING; LINING MACHINES; TYPEWRITERS; STAMPS
    • B41J—TYPEWRITERS; SELECTIVE PRINTING MECHANISMS, i.e. MECHANISMS PRINTING OTHERWISE THAN FROM A FORME; CORRECTION OF TYPOGRAPHICAL ERRORS
    • B41J2/00—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed
    • B41J2/005—Typewriters or selective printing mechanisms characterised by the printing or marking process for which they are designed characterised by bringing liquid or particles selectively into contact with a printing material
    • B41J2/01—Ink jet
    • B41J2/135—Nozzles
    • B41J2/14—Structure thereof only for on-demand ink jet heads
    • B41J2/14201—Structure of print heads with piezoelectric elements
    • B41J2/14233—Structure of print heads with piezoelectric elements of film type, deformed by bending and disposed on a diaphragm
    • B41J2002/14266—Sheet-like thin film type piezoelectric element

Definitions

  • the present invention relates to a method for driving a liquid ejection apparatus.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejection apparatus 1 used for an on-demand type ink jet printer or the like.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of the main part of an example of the liquid ejection apparatus 1.
  • the liquid ejection apparatus 1 in this example communicates with the pressurizing chamber 2 filled with ink and the pressurizing chamber 2, and the ink in the pressurizing chamber 2 is transferred to the ink.
  • a plate-shaped piezoelectric actuator 7 including a ceramic layer 6 and laminated on the substrate 5 is provided.
  • Piezoelectric actuators 7 are arranged corresponding to the individual pressurizing chambers 2, and individually applied with a voltage to individually deform and deform a plurality of piezoelectric deformation regions 8 in the thickness direction.
  • the piezoelectric deformation region 8 is disposed so as to surround the piezoelectric deformation region 8 and is partitioned into a restraining region 9 that is prevented from being deformed by being fixed to the substrate 5.
  • the piezoelectric actuator 7 in the example shown in the figure includes an individual electrode 10 that is individually formed for each pressurizing chamber 2 on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 6 in each of the drawings, and partitions the piezoelectric deformation region 8.
  • a so-called morph-type configuration comprising a common electrode 11 and a diaphragm 12 that are sequentially stacked on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 6 and have a size that covers the plurality of pressure chambers 2 together.
  • Each individual electrode 10 and the common electrode 11 are separately connected to the drive circuit 13, and the drive circuit 13 is connected to the control means 14.
  • the piezoelectric ceramic layer 6 is formed of, for example, a piezoelectric material such as PZT, and is preferentially polarized in the thickness direction of the layer to give a so-called transverse vibration mode piezoelectric deformation characteristic.
  • a piezoelectric material such as PZT
  • PZT piezoelectric material
  • both electrodes 10 The active region 15 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 sandwiched between 11 and 11, As shown by the horizontal white arrows in FIG.
  • FIG. 11 shows a driving voltage waveform of the driving voltage V applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 when the liquid ejection device 1 of FIG. Example) and this drive voltage
  • Changes in the volume velocity of ink in the nozzle 3 when a waveform is applied (indicated by a solid solid line, (+) is the tip side of the nozzle 3, that is, the ink droplet ejection side, (-) is the pressure chamber) 2 side] is a graph showing the relationship with the second side in a simplified manner.
  • FIG. 12 shows a driving voltage waveform of the driving voltage V applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 when the liquid ejection apparatus 1 of FIG. 2 is driven by the pulling driving method.
  • an ink droplet is first ejected from nozzle 3 on the left side of t in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed so as to protrude in the direction of the pressurizing chamber 2, and the state in which the volume of the pressurizing chamber 2 is reduced is maintained.
  • the ink is stationary, that is, the volume velocity of the ink at the nozzle 3 is maintained at 0, and the ink meniscus formed by the surface tension of the ink is stationary in the nozzle 3.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed.
  • the ink in the nozzle 3 is in a state where the ink meniscus is drawn in the largest amount toward the pressurizing chamber 2 (the volume velocity at time t is 0).
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed to reduce the volume of the pressurizing chamber 2 while returning from the pressurizing chamber 2 to the tip of the nozzle 3. Since the pressure of the applied ink is applied, the ink is accelerated in the direction toward the tip of the nozzle 3 and greatly protrudes outward from the nozzle 3.
  • the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is shown in the portion between t and t in FIG.
  • this protruding ink is generally referred to as an ink column.
  • the stagnation deformation of the piezoelectric deformation region 8 is released by releasing the contraction of the piezoelectric deformation region 8.
  • the ink protrudes most outward from the nozzle 3 (the volume velocity is zero at the time t).
  • the ink in the nozzle 3 from which the ink column has been cut off is again drawn in the direction of the pressurizing chamber 2.
  • the At that time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is shown in the portion between t and t in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed. Then, the ink flow between t and t
  • the ink again protrudes greatly to the outside of the nozzle 3 to form an ink column.
  • the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is between t and t in Fig. 11.
  • the ink column extending outward from the nozzle 3 is cut off, and a second ink droplet is generated.
  • the generated first and second ink droplets fly to the surface of the paper disposed facing the tip of the nozzle 3 to form one dot.
  • the pulse width T has a specific oscillation as shown by a thick dashed line in FIG.
  • Patent Document 1 JP 02- 192947 A (1990)
  • the nozzle 3 When the liquid ejection apparatus 1 having the unimorph-type piezoelectric actuator 7 shown in FIGS. 2 and 3 is driven by the pulling-type driving method, as described above, the nozzle 3 During the standby time when ink droplets are not ejected, the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 is It is necessary to continue to maintain the contracted state, and the non-active region 16 surrounding the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 is contracted in the surface direction of the active region 15 during the standby state. In the direction indicated by, it continues to stretch under a tensile stress for a long time.
  • the domain gradually rotates so as to relieve the stress therein, and gradually undergoes creep deformation.
  • the active region 15 receives a compressive stress from the inactive region 16 that has creep-deformed, and the degree to which the active region 15 cannot extend to the original stationary state increases. Therefore, in the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7, the displacement in the thickness direction between the state where the stagnation is deformed in the direction indicated by the downward white arrow in FIG. 3 and the stationary state where the stagnation is released.
  • the ink droplet ejection performance deteriorates.
  • noise is generated in the displacement vibration of the piezoelectric deformation region 8, and this noise vibration (noise vibration) is added to the ink vibration described above.
  • this noise vibration noise vibration
  • the noise vibration is caused by the piezoelectric actuator 7.
  • the so-called crosstalk that is transmitted to the other piezoelectric deformation region 8 on the upper side occurs or immediately occurs, the ink droplets from the nozzle 3 corresponding to the other piezoelectric deformation region 8 are transferred. There is also a problem that the discharge becomes unstable.
  • the cause of the occurrence of noise vibration is that the drive voltage V is continuously applied to the active region 15,
  • the piezoelectric deformation region 8 In order to drive the piezoelectric deformation region 8, the piezoelectric deformation region 8 has a large accumulation of elastic energy and a large amount of displacement of the stagnation deformation during standby when the piezoelectric deformation region 8 is continuously deformed in the thickness direction.
  • the piezoelectric ceramic layer is integrally formed so as to cover a plurality of pressurizing chambers, in response to the high definition of the dot pitch accompanying the high image quality of the ink jet printer.
  • the structure is indispensable for manufacturing a device with even smaller dimensions and with less force and with as few processes as possible, and the inactive region surrounding the active region gradually undergoes creep deformation. Therefore, there is a need for a technique that prevents noise vibrations from occurring when the piezoelectric deformation region is driven and ink droplet ejection becoming unstable.
  • An object of the present invention is that a non-active region of a piezoelectric ceramic layer of a droplet discharge device including a piezoelectric actuator including a piezoelectric ceramic layer having a size covering a plurality of pressure chambers is gradually cleaved.
  • Ink droplet ejection performance can be improved over a long period of time by preventing noise vibrations from occurring when driving the piezoelectric deformation area and causing ink droplet ejection to become unstable. It is to provide a driving method that can be maintained.
  • a plurality of liquid droplet ejection units that include a pressurizing chamber filled with liquid and a nozzle that communicates with the pressurizing chamber and ejects the liquid in the pressurizing chamber as liquid droplets in a surface direction.
  • a plurality of piezoelectric deformation regions that are disposed corresponding to the respective pressurizing chambers and individually stagnate and deform in the thickness direction by applying a voltage individually; and A first voltage and the first voltage in an arbitrary piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator of the liquid ejection device partitioned into a constraining region surrounding the piezoelectric deformation region.
  • a driving voltage waveform that is equivalent and has a reverse polarity and including a second voltage
  • the piezoelectric deformation region is squeezed and deformed in one direction in the thickness direction and in the opposite direction, respectively.
  • the piezoelectric ceramic layer is formed of a PZT-based piezoelectric ceramic material, and is divided into an active region corresponding to the piezoelectric deformation region and an inactive region corresponding to the constraining region.
  • both of the above regions are obtained from the X-ray diffraction spectrum from the intensity I of the diffraction peak of the [200] plane and the intensity I of the diffraction peak of the [002] plane by the formula (1):
  • the electric field strength E (kVZcm) and the polarization amount P of the piezoelectric ceramic layer when the drive voltage waveform is applied to the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator for driving is set in the piezoelectric deformation region to a voltage value that is twice the voltage value of the first and second voltages of the drive voltage waveform.
  • the liquid discharging apparatus according to claim 1 or 2 wherein the liquid discharging apparatus is set to 1.3 times or less of the area of the PE hysteresis loop when driving by applying a driving voltage waveform for turning on and off a single polarity voltage. This is a driving method.
  • the voltage values of the first and second voltages are determined by the electric field strength E (kVZcm) force of the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator and the strength of the coercive electric field Ec of the piezoelectric ceramic layer. 4.
  • E electric field strength
  • Ec coercive electric field Ec of the piezoelectric ceramic layer. 4
  • the invention according to claim 5 is the liquid ejection device according to any one of claims 1 to 4, which maintains a state where no voltage is applied to the piezoelectric deformation region during a standby time during which no droplet is ejected. It is a driving method.
  • the piezoelectric actuator is
  • the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator is vibrated in the thickness direction by applying a driving voltage waveform to the active region of the piezoelectric ceramic layer and expanding and contracting in the plane direction.
  • a liquid ejection apparatus driving method according to claim 1.
  • the invention according to claim 7 is the piezoelectric actuator
  • the second piezoelectric ceramic layer is opposite to the expansion and contraction of the active region in synchronization with applying a drive voltage waveform to the active region of the first piezoelectric ceramic layer and expanding and contracting in the plane direction. 6.
  • the piezoelectric actuator includes an active region corresponding to the piezoelectric deformation region and a non-active region corresponding to the constraining region that stagnate and deform in the thickness direction when a voltage is applied.
  • the piezoelectric deformation layer of the piezoelectric actuator is vibrated in a thickness direction by applying a drive voltage waveform to the piezoelectric ceramic layer. It is a drive method of a liquid discharge apparatus.
  • the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator includes a first voltage and a drive voltage including a second voltage equivalent to the first voltage and having an opposite polarity to the first voltage.
  • the waveform By applying the waveform, it stagnates and vibrates in one direction in the thickness direction and in the opposite direction. For this reason, for example, in a morph type piezoelectric actuator, the active region of the piezoelectric ceramic layer can be simply contracted in the surface direction or released from contraction as in the prior art when an ink droplet is ejected.
  • the non-active region can be extended in the direction of the surface Since the compressive stress can be applied to the non-active region surrounding the active region when extending in the direction, the non-active region gradually extends so as to unilaterally extend in the plane direction as in the prior art. Creep deformation can be prevented.
  • a non-morph type piezoelectric actuator conventionally, during standby, the active region of one piezoelectric ceramic layer (referred to as a first piezoelectric ceramic layer) continues to shrink in the plane direction while the other piezoelectric ceramic layer Since it is necessary to continue extending the active region of the second piezoelectric ceramic layer in the plane direction, each non-active region extends in the plane direction in the first piezoelectric ceramic layer, and the second region The piezoceramic layer of this type was gradually deformed so as to shrink in the surface direction.
  • the active region of the first piezoelectric ceramic layer is compressed in the inactive region surrounding the active region by extending in the plane direction.
  • tensile stress can be applied to the non-active region surrounding the active region.
  • the active region can be prevented from gradually creeping.
  • the active region of the piezoelectric ceramic layer is squeezed and deformed in one direction in the thickness direction of the layer during standby.
  • the region on the protruding side in the thickness direction was gradually creep-deformed so that the region on the opposite side was compressed in the surface direction and the region on the opposite side was expanded in the surface direction.
  • the piezoelectric ceramic layer is squeezed and deformed in the direction opposite to the thickness direction, so that the protruding side in the thickness direction of the inactive region during standby. Since a tensile stress can be applied to the region that has been and a compressive stress can be applied to the opposite region, the non-active region around the active region can be prevented from gradually creeping.
  • the displacement amount in the thickness direction of the piezoelectric deformation region at the time of stagnation deformation with respect to a stationary state where no voltage is applied to the piezoelectric actuator has been described so far. It can also be made smaller.
  • the stationary state and the stagnation deformation If the displacement in the thickness direction between the states is 1, the total displacement in the thickness direction of the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator is the same 1 in the driving method of the invention of claim 1.
  • the amount of displacement that causes the piezoelectric deformation region to stagnate and deform on one side and the opposite side in the thickness direction can be about half of the total. Therefore, when the piezoelectric deformation region is deformed by stagnation, the tensile stress applied to the inactive region of the piezoelectric ceramic layer can be reduced, so that the inactive region gradually undergoes creep deformation. It can also be prevented more reliably.
  • the piezoelectric deformation region can be constrained in a state in which the piezoelectric deformation region is distorted in the thickness direction by application of the voltage during standby, and is opposite by application of a voltage having a polarity opposite to that during driving. Since the shape can be constrained in a state of being stagnation and deformed in the direction, noise vibration can be made difficult to occur in any state.
  • the piezoelectric ceramic layer of the droplet discharge device including the piezoelectric actuator including the piezoelectric ceramic layer having a size covering the plurality of pressurizing chambers.
  • the inactive area gradually creeps, or noise vibrations occur when driving the piezoelectric deformation area, preventing ink droplet ejection from becoming unstable and improving ink droplet ejection performance. It is possible to maintain a good level for a long time.
  • the crystalline state of the non-active region can be prevented. It is possible to prevent the state from changing. At the same time, it is possible to prevent the active region from undergoing creep deformation of the non-active region force, which is also subjected to compressive stress, thereby changing its crystalline state. Therefore, the crystal state of both regions of the piezoelectric ceramic layer can be maintained in the initial state.
  • the active region and the inactive region are both [20 0 in the X-ray diffraction spectrum.
  • the electric field strength E (kVZcm) and the amount of polarization of the piezoelectric ceramic layer when the drive voltage waveform is applied to the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator for driving is the conventional drive voltage waveform shown in Fig. 11, and the drive voltage value (VH) is The hysteresis loss is reduced by setting it to 1.3 times or less of the area of the PE hysteresis loop when the voltage value is twice the voltage value of the first and second voltages.
  • the piezoelectric ceramic layer can be prevented from degrading due to self-heating and depolarization.
  • the voltage values of the first and second voltages of the drive voltage waveform are determined based on the electric field strength E (kVZcm) force of the piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator and the resistance of the piezoelectric ceramic layer. Since the hysteresis loss is further reduced by setting the voltage value to be 0.8 times or less the strength of the electric field Ec, the piezoelectric ceramic layer self-heats to cause depolarization, thereby causing piezoelectric deformation characteristics. Can be more reliably prevented from decreasing.
  • the driving method of the present invention is a unimorph type (Claim 6), a bimorph type.
  • the present invention can also be applied to a liquid ejecting apparatus including any type of piezoelectric actuator, a type (Claim 7) and a monomorph type (Claim 8).
  • the inactive region surrounding the active region of the piezoelectric ceramic layer gradually undergoes creep deformation, or noise vibration occurs when the piezoelectric deformation region is driven, and ink droplets are ejected.
  • the ink droplet ejection performance can be maintained at a good level for a long period of time.
  • FIG. 1 shows an example of a driving voltage waveform of a driving voltage V applied to an active region of a piezoelectric ceramic layer when the liquid ejection device of FIG. 2 is driven by the driving method of the present invention, and the driving voltage.
  • FIG. 6 is a graph simply showing a relationship between a change in the volume velocity of ink in a nozzle when a pressure waveform is applied.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejecting apparatus including a morph type piezoelectric actuator used for an on-demand type ink jet printer or the like.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an example of the liquid ejection apparatus.
  • FIG. 4 shows a driving voltage waveform of the driving voltage VP applied to the active region of the first piezoelectric ceramic layer when the liquid ejection apparatus of FIG. 5 is driven by the driving method of the present invention
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between a change in volume velocity of ink in a nozzle and a drive voltage waveform in a simplified manner.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejection apparatus provided with a nanomorph type piezoelectric actuator.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejection apparatus provided with a monomorph type piezoelectric actuator.
  • FIG. 7 When the liquid discharge device provided with the unimorph type piezoelectric actuator manufactured in Example 1 of the present invention is driven by the driving method of the present invention and the conventional pulling driving method. It is a graph which shows the result of having measured the drive lifetime.
  • FIG. 8 shows a piezoelectric deformation region of the piezoelectric actuator when the liquid ejection device manufactured in Example 1 is driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method of the stroke type. It is a graph which shows the relationship between the displacement amount of a thickness direction, and the applied voltage in that case.
  • FIG. 9 is a graph showing the PE hysteresis characteristics measured for the piezoelectric ceramic layer of the liquid ejection device manufactured in Example 1 above by changing the voltage value applied in the driving method of the present invention.
  • FIG. 10 PE measured by applying voltage waveforms corresponding to the driving method of the present invention and the conventional driving method for the piezoelectric ceramic layer of the liquid ejection device manufactured in Example 1 above. It is a graph which shows a hysteresis characteristic.
  • FIG. 11 shows an example of a driving voltage waveform of the driving voltage V applied to the active region of the piezoelectric ceramic layer when the liquid ejection device of FIG. 2 is driven by the conventional pulling driving method.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between a change in volume velocity of ink in a nozzle and a drive voltage waveform in a simplified manner.
  • FIG. 12 shows an example of a drive voltage waveform of the drive voltage V applied to the active region of the piezoelectric ceramic layer and the drive when the liquid ejection device of FIG. 2 is driven by the pulling drive method.
  • FIG. 4 is a graph showing, in a simplified manner, the relationship between the displacement of a piezoelectric deformation region of a piezoelectric actuator when a voltage waveform is applied.
  • FIG. 1 shows a driving voltage waveform of a driving voltage V applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 when the liquid ejection apparatus 1 of FIG. 2 is driven by the driving method of the present invention (one point of a thick line).
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejection apparatus 1 including a morph type piezoelectric actuator 7 used in an on-demand type ink jet printer or the like.
  • FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view of a main part of an example of the liquid discharge apparatus 1.
  • the liquid ejection apparatus 1 of this example communicates with the pressurizing chamber 2 filled with ink and the pressurizing chamber 2, as described above.
  • a substrate 5 formed by arranging a plurality of droplet discharge portions 4 having nozzles 3 for discharging ink in the pressurizing chamber 2 as ink droplets arranged in a plane direction, and a plurality of applied portions of the substrate 5
  • a piezoelectric ceramic layer 6 having a size covering the pressure chamber 2 is provided, and a plate-like piezoelectric actuator 7 laminated on the substrate 5 is provided.
  • Piezoelectric actuators 7 are disposed corresponding to the individual pressurizing chambers 2, and individually applied with a voltage to individually deform and deform a plurality of piezoelectric deformation regions 8 in the thickness direction.
  • the piezoelectric deformation region 8 is disposed so as to surround the piezoelectric deformation region 8 and is partitioned into a restraining region 9 in which deformation is suppressed by being fixed to the substrate 5.
  • the piezoelectric actuator 7 in the example shown in the figure is formed individually on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 6 in each of the pressurizing chambers 2 on both surfaces, and separates the piezoelectric deformation region 8 and the individual electrodes 10.
  • a so-called “morph” type structure comprising a common electrode 11 and a diaphragm 12, which are sequentially stacked on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 6 and have a size covering the plurality of pressure chambers 2.
  • Each individual electrode 10 and the common electrode 11 are separately connected to the drive circuit 13, and the drive circuit 13 is connected to the control means 14.
  • the piezoelectric ceramic layer 6 is formed of, for example, a piezoelectric material such as PZT, A piezoelectric deformation characteristic of a so-called transverse vibration mode is imparted by polarization in the thickness direction of the layer, and the drive circuit 13 is driven by a control signal from the control means 14 so that any individual electrode 10
  • a voltage in the same direction as the polarization direction in the (+) direction in FIG. 1
  • the piezoelectric deformation region 8 The corresponding active region 15 is contracted in the plane direction of the layer as shown by the horizontal white arrows in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 is indicated by a white arrow pointing downward in FIG. It stagnates and deforms so as to protrude in the direction of the pressure chamber 2.
  • the active region 15 becomes
  • the piezoelectric deformation area 8 of the piezoelectric actuator 7 extends in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 as shown by the upward arrow in FIG. It distorts and deforms. Therefore, by repeating the stagnation deformation of the piezoelectric deformation region 8 in the direction of the pressurizing chamber 2 and in the opposite direction, the ink filled in the pressurizing chamber 2 is vibrated and passed through the nozzle 3. It can be ejected as ink droplets.
  • ink droplets are ejected from nozzle 3 on the left side of t in FIG.
  • the ink remains stationary, that is, the ink volume velocity at the nozzle 3 is maintained at 0, and the ink meniscus formed by the surface tension of the ink in the nozzle 3 is Stand still.
  • the piezoelectric deformation region 8 is
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed so as to protrude in the direction of the pressurizing chamber 2 by contracting the P and P conductivity regions 15 in the surface direction.
  • the ink in the nozzle 3 is reversed from the state in which the ink meniscus is drawn most into the pressurizing chamber 2 side (the volume velocity is 0 at the time t).
  • the pressure of the ink pushed out from the pressurizing chamber 2 is reduced by reducing the volume of the pressurizing chamber 2 by squeezing and deforming the piezoelectric deformation region 8 in the direction of the pressurizing chamber 2. Therefore, the nozzle 3 is accelerated in the direction toward the tip side of the nozzle 3 and greatly protrudes outward from the nozzle 3. At that time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is between t and t in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2. Then, from the state in which the ink protrudes most outward from the nozzle 3 (the state where the volume velocity is 0 at the time t), the ink returns to the direction of the pressure chamber 2 on the contrary.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and the volume of the pressurizing chamber 2 is increased again.
  • the ink column that extends outward is cut off, and the first ink droplet is generated.
  • the ink in the nozzle 3 from which the ink column has been cut off is again drawn in the direction of the pressurizing chamber 2. At that time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is shown in a portion between t and t in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed in the direction of the pressurizing chamber 2. Then, by the same mechanism as the ink behavior between t and t, the ink is
  • the ink column is formed to protrude greatly outward from the nozzle. At this time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is large on the (+) side as shown in the portion between t and t in FIG.
  • the ink column extending outward from the nozzle 3 is cut off, and a second ink droplet is generated.
  • the generated first and second ink droplets fly to the surface of the paper disposed facing the tip of the nozzle 3 to form one dot.
  • the pulse width T is a natural vibration, as shown by a thick dashed line in FIG.
  • the inactive region 16 of the piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the constraining region 9 of the unimorph type piezoelectric actuator 7 gradually creeps by performing the above-described series of operations. Can be prevented.
  • the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 has a first voltage ( ⁇ V) and a second voltage equivalent to the first voltage ( ⁇ V) and having the opposite polarity to the first voltage ( + V)), the piezoelectric ceramic layer is deformed in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and in the direction of the pressurizing chamber 2 by applying a drive voltage waveform including
  • the active region 15 of 6 is contracted in the surface direction as in the past, and is also expanded in the surface direction just by releasing the contraction. Can. Therefore, it is possible to prevent the non-active region 16 surrounding the active region 15 from gradually creeping.
  • the amount of displacement in the thickness direction of the piezoelectric deformation region 8 with respect to the stationary state can be made smaller than before without applying voltage to the piezoelectric actuator 7.
  • the piezoelectric deformation region 8 in order to make the total displacement amount of the piezoelectric deformation region 8 in the thickness direction the same 1, the piezoelectric deformation region 8 is moved in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and in the pressurizing chamber 2.
  • the amount of displacement displaced in the direction can be about half of the whole.
  • the amount of displacement of the stagnation deformation of the piezoelectric deformation region 8 during standby can be reduced to about half of the conventional amount as described above.
  • the accumulation of elastic energy in the piezoelectric deformation region 8 can be reduced, and the shape of the piezoelectric deformation region 8 can be constrained by voltage application at any point of time during standby or driving, so that noise vibration is less likely to occur. can do.
  • the ink droplet ejection from the nozzle 3 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 becomes unstable or the ink from the nozzle 3 corresponding to the adjacent piezoelectric deformation region 8 is generated due to the occurrence of crosstalk. It is possible to prevent the droplet discharge from becoming unstable.
  • the inactive region 16 of the piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the restraining region 9 of the unimorph type piezoelectric actuator 7 gradually creeps or is deformed. It is possible to maintain the ink droplet ejection performance at a good level for a long period of time by preventing noise vibrations from occurring during the driving of the ink and destabilizing the ejection of the ink droplets. .
  • the piezoelectric ceramic layer 6 is inactivated. Therefore, it is possible to prevent the crystalline state of the non-active region 16 from changing, and the active region 15 receives compressive stress from the non-active region 16 that has creep-deformed. By receiving, it is possible to prevent the crystal state from changing. Therefore, the crystal state of both regions 15 and 16 of the piezoelectric ceramic layer 6 can be maintained in the initial state.
  • both the active region 15 and the non-active region 16 have the intensity of the diffraction peak of the [200] plane in the X-ray diffraction spectrum. From I and the intensity I of the diffraction peak on the [002] plane, Equation (1):
  • the displacement amount of the piezoelectric deformation region 8 to be displaced in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and the direction of the pressurizing chamber 2 Is set to about half the amount of displacement in one direction in the conventional driving method, the first and second voltages applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 — V, + The absolute value of V is also
  • the drive voltage can be set to about half of the absolute value of the drive voltage V in the conventional drive method.
  • the insulation structure can be simplified by lowering the withstand voltage value of the circuit from the path 13 to the electrodes 10 and 11.
  • the amount of displacement of the stagnation deformation in the thickness direction of the piezoelectric deformation region 8 This is because it is proportional to the drive voltage value applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6.
  • the electric field strength E (kV / cm) and the polarization amount P ( The area of the hysteresis loop, which shows the relationship with ⁇ C / cm 2 ), is the conventional pulling drive voltage waveform shown in FIG. 11, and the drive voltage V 1S first voltage ( 1 V) and
  • the ink droplet ejection performance can be maintained at a good level for a longer period of time.
  • the area of the P-E hysteresis loop is 1% of the area of the P-E hysteresis loop in the case of the conventional pulling type even within the above range, considering that the hysteresis loss is as small as possible. It is preferable to set it to more than 1. 1. It is more preferable to set it to 01 to 1.20 times. In order to adjust the area of the P—E hysteresis loop within the above range, the voltage value of the first voltage (1 V) and the second voltage (+ V) should be as small as possible.
  • the voltage values of the first and second voltages are set to voltage values that are greater than the strength of the electric field Ec of the piezoelectric deformation layer 8 of the piezoelectric actuator 7 and the coercive electric field Ec of the piezoelectric ceramic layer 6. Then, since the area of the P—E hysteresis loop increases abruptly, the voltage values of the first and second voltages are changed to the electric field strength E force of the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 and the piezoelectric ceramic layer 6. It is preferable to set the voltage value so that it is less than the coercive electric field Ec.
  • Electric field strength E force of piezoelectric deformation region 8 Voltage value less than 0.8 times less than coercive electric field Ec strength of piezoelectric ceramic layer 6, especially 0.5 to 0.7 times voltage value
  • the effect of preventing depolarization and preventing deterioration of the piezoelectric deformation characteristics can be further ensured.
  • the ink droplet ejection performance can be maintained at a favorable level for a longer period of time.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing an example of the liquid ejection apparatus 1 including the bimorph type piezoelectric actuator 7.
  • the configuration of liquid ejecting apparatus 1 in this example is the same as that of liquid ejecting apparatus 1 in FIG. 2 except for the piezoelectric actuator 7, so the same reference numerals are assigned to the same portions. The description is omitted.
  • Piezoelectric actuator 7 corresponds to each pressurizing chamber 2 A plurality of piezoelectric deformation regions 8 that stagnate and deform in the thickness direction individually when a voltage is applied individually, and are disposed so as to surround the piezoelectric deformation regions 8 and are fixed to the substrate 5. As a result, it is partitioned into a restraint region 9 in which deformation is suppressed.
  • the piezoelectric actuator 7 includes a first piezoelectric ceramic layer 6 having a size covering the plurality of pressurizing chambers 2 disposed on the substrate 5, and an upper surface of the first piezoelectric ceramic layer 6.
  • Each of the pressurizing chambers 2 is formed individually and is laminated in order on the lower surface of the first piezoelectric ceramic layer 6 and the individual electrodes 10 that define the piezoelectric deformation region 8.
  • 2 has a first common electrode 11, a second piezoelectric ceramic layer 17, and a second common electrode 18, and has a bimorph configuration as described above. ing.
  • Each individual electrode 10 and the first and second common electrodes 11 and 18 are separately connected to the drive circuit 13, and the drive circuit 13 is connected to the control means 14.
  • the first piezoelectric ceramic layer 6 is formed of, for example, a piezoelectric material such as PZT, and is polarized in advance in the thickness direction of the layer to give a piezoelectric deformation characteristic of a transverse vibration mode.
  • the drive circuit 13 is driven by the control signal from the control means 14, and a voltage in the same direction as the polarization direction is applied between any individual electrode 10 and the first common electrode 11. Then, the active region 15 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 sandwiched between the electrodes 10 and 11 is contracted in the plane direction of the force layer. When a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied between the electrodes 10 and 11, the active region 15 is extended in the direction of the layer surface.
  • the second piezoelectric ceramic layer 17 is similarly formed of a piezoelectric material such as PZT, and is polarized by force in the thickness direction of the layer, so that a piezoelectric in a so-called transverse vibration mode is obtained. Deformation characteristics are given.
  • the second piezoelectric ceramic layer 17 is driven by a control signal from the control means 14 and the drive circuit 13 is driven so that a voltage in the same direction as the polarization direction is applied between the first and second common electrodes 11 and 18.
  • the active region 19 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 is contracted in the plane direction of the layer when applied, and expanded in the plane direction of the layer when a reverse voltage is applied.
  • a voltage is applied from the common electrodes 11 and 18, it is partitioned into an inactive region 20 fixed to the substrate 5 and restricted in expansion and contraction.
  • a voltage in the direction opposite to the polarization direction is applied to the entire second piezoelectric ceramic layer 17 so that the active region 19 is When extending in the surface direction, the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 is deformed so as to protrude in the direction of the pressurizing chamber 2.
  • a voltage in a direction opposite to the polarization direction is applied between any individual electrode 10 and the first common electrode 11 of the first piezoelectric ceramic layer 6 so that the active region 15 faces the surface.
  • the piezoelectric layer is The piezoelectric deformation region 8 of the actuator 7 is deformed so as to protrude in a direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2.
  • the ink filled in the pressure chamber 2 is vibrated and passed through the nozzle 3.
  • it can be ejected as ink droplets.
  • FIG. 4 shows a driving voltage VP that is applied to the active region 15 of the first piezoelectric ceramic layer 6 when the liquid ejection apparatus 1 in the example of FIG. 5 is driven by the driving method of the present invention.
  • ink droplets are ejected from nozzle 3 on the left side of t in FIG.
  • the stagnation deformation of the shape region 8 is maintained, and during this time, the ink is in a stationary state, that is, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is maintained at 0, and the surface of the ink is contained in the nozzle 3.
  • the ink meniscus formed by the tension is stationary.
  • the drive voltage V is set to the first voltage (one V in the direction opposite to the polarization direction). ) (V)
  • the active region 15 is contracted in the plane direction, and the drive voltage V is changed in the direction opposite to the polarization direction.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed so as to protrude in the direction of the pressurizing chamber 2.
  • the ink in the nozzle 3 is reversed from the state in which the ink meniscus is drawn most into the pressurizing chamber 2 side (the volume velocity is 0 at the time t).
  • the pressure of the ink pushed out from the pressurizing chamber 2 is reduced by reducing the volume of the pressurizing chamber 2 by squeezing and deforming the piezoelectric deformation region 8 in the direction of the pressurizing chamber 2. Therefore, the nozzle 3 is accelerated in the direction toward the tip side of the nozzle 3 and greatly protrudes outward from the nozzle 3. At that time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is between t and t in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2.
  • the piezoelectric deformation region 8 is squeezed and deformed in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 while the pressure chamber 2 is about to return to the direction of the pressurizing chamber 2.
  • the ink column that has extended outward from the nozzle 3 is cut off, and the first ink droplet is generated.
  • the ink column is separated
  • the ink in the nozzle 3 is drawn again in the direction of the pressure chamber 2.
  • the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is large on the (one) side as shown in the portion between t and t in FIG.
  • the ink Due to the force, the ink largely protrudes again to the outside of the nozzle, and an ink column is formed. At that time, the volume velocity of the ink in the nozzle 3 is shown in the portion between t and t in Fig. 4.
  • the ink column extending outward from the nozzle 3 is cut off, and a second ink droplet is generated.
  • the generated first and second ink droplets fly to the surface of the paper disposed facing the tip of the nozzle 3 to form one dot.
  • the pulse width T is a natural vibration as shown by the dashed-dotted line in FIG.
  • the pulse may be performed only once. In addition, when one dot is formed with three or more ink droplets, the pulse may be generated as many times as the number of ink droplets.
  • the next dot is formed after the series of operations is completed, the operation starting from t is repeated again. Also, the next dot is formed
  • the inactive region 16 of the first piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the constraining region 9 of the bimorph type piezoelectric actuator 7,
  • the piezoelectric deformation region 8 in a direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and the pressurizing chamber 2 with respect to a stationary state where no voltage is applied.
  • the displacement amount to be displaced in the direction is about half of the conventional driving method of the non-morph type piezoelectric actuator 7, respectively. Since the stress in the direction of the surface can be made smaller than before, do not eject droplets! / During standby, do not apply voltage to the piezoelectric deformation area 8! In combination with the squeezing, the inactive regions 16 and 20 can be more reliably prevented from creeping.
  • the displacement amount of the stagnation deformation of the piezoelectric deformation region 8 during standby can be reduced to about half of the conventional amount, the accumulation of elastic energy in the piezoelectric deformation region 8 during standby can be reduced.
  • the shape of the piezoelectric deformation region 8 can be constrained by applying a voltage at any point of time during standby or driving, it can be suppressed to generate noise vibration. For this reason, the ejection of ink droplets from the nozzle 3 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 becomes unstable, or the ink from the nozzle 3 corresponding to the adjacent piezoelectric deformation region 8 is generated due to the occurrence of crosstalk. It is possible to prevent the ejection of droplets from becoming unstable.
  • the inactive region 16 of the first piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the constraining region 9 of the bimorph piezoelectric actuator 7 and the second piezoelectric ceramic The inactive region 20 of the layer 17 is gradually creep-deformed and noise vibration is generated when the piezoelectric deformation region 8 is driven.
  • the droplet ejection performance can be maintained at a good level for a long period of time.
  • both the first and second piezoelectric ceramic layers 6 and 17 are made of PZT-based piezoelectric ceramic material, the active regions 15 and 19 And the inactive regions 16 and 20 together, the intensity of the diffraction peak on the [200] plane in the X-ray diffraction spectrum I
  • Equation (1) From (200) and the intensity I of the diffraction peak on the [002] plane, Equation (1):
  • the degree of C-axis orientation indicating the crystalline state of the ceramic material determined by The crystalline state can be maintained so that it is within the range of 1 to 1.1 times the initial state before driving.
  • the amount of displacement of the piezoelectric deformation region 8 that is displaced in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and the direction of the pressurizing chamber 2 is the displacement amount in one direction in the conventional driving method, respectively.
  • the first and second voltages applied to the active region 15 of the first piezoelectric ceramic layer 6 the absolute values of V and + V, and the second piezoelectric ceramic layer Applied to 17 1 1
  • the withstand voltage value of the circuit from the drive circuit 13 to both electrodes 10 and 11 can be lowered to simplify the insulation structure.
  • the reason is the same as in the case of the morph type piezoelectric actuator 7 described above. That is, the displacement amount of the stagnation deformation in the thickness direction of the piezoelectric deformation region 8 is proportional to the drive voltage value applied to the active region 15 of the first piezoelectric ceramic layer 6 and the second piezoelectric ceramic layer 17. It is to do.
  • the drive voltage values applied to the first and second piezoelectric ceramic layers 6 and 17 are set to the same displacement amount in the piezoelectric deformation region.
  • the drive voltage value applied to the piezoelectric ceramic layer of the set-type piezoelectric actuator can be set to about half. Therefore, according to the driving method of this example, the absolute values of the respective voltages—V, + V, + V, and 1 V are respectively converted into 1 and 1 and 2 and 2 respectively.
  • It can be set to about 1Z4.
  • the electric field strength E (kV / cm) and the polarization amount P ( ⁇ ( ⁇ )) of the piezoelectric ceramic layer when the drive voltage waveform is applied to the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 to drive the piezoelectric deformation region 8 are measured.
  • the area of the P—E hysteresis loop showing the relationship with C / cm 2 ) is shown in Fig. 11.
  • the conventional pulling drive voltage waveform (applied to the first piezoelectric ceramic layer 6) shown in Fig. 11 and its opposite phase Drive voltage waveform (not shown) on the second piezoelectric ceramic layer 17, and the drive voltage V force is a voltage value of each of the voltages V, + V, 1 V, and + V. Double the voltage value
  • the depolarization of the first and second piezoelectric ceramic layers 6 and 17 can be prevented, and the piezoelectric deformation characteristics can be reduced. Can be prevented.
  • the area of the PE hysteresis loop is 1% of the area of the PE hysteresis loop in the case of the conventional pulling type even within the above range, considering that the hysteresis loss is as small as possible. It is preferable to set a value that is at least twice 1. It is more preferable to set a value between 01 and 1.20. In addition, in order to adjust the area of the PE hysteresis loop within the above range, the voltage values of the respective voltages —V, + V, 1 V, and + V are set to 1 and 1, respectively. 2 and 2
  • the electric field strength E of the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric ceramic layer 6 is set to a voltage value that is smaller than the coercive electric field Ec of the two piezoelectric ceramic layers 6, 17. It is preferable to set a voltage value that is not more than 0.8 times the strength, particularly a voltage value that is 0.5 to 0.7 times the strength.
  • FIG. 6 is a cross-sectional view showing an example of a liquid ejection apparatus 1 including a monomorph type piezoelectric actuator 7.
  • the configuration of liquid ejecting apparatus 1 in this example is the same as that of liquid ejecting apparatus 1 in FIG. The description is omitted.
  • Piezoelectric actuators 7 are arranged corresponding to the individual pressurizing chambers 2 and individually applied with a voltage to individually deform and stagnate in the thickness direction, and the piezoelectric deformation
  • the region 8 is disposed so as to surround the region 8 and is partitioned into a restrained region 9 in which deformation is suppressed by being fixed to the substrate 5.
  • the piezoelectric actuator 7 includes a piezoelectric ceramic layer 6 having a size covering the plurality of pressure chambers 2 disposed on the substrate 5, and an upper surface of the piezoelectric ceramic layer 6 for each pressure chamber 2.
  • An individual electrode 10 that is individually formed to partition the piezoelectric deformation region 8, and a common electrode 11 that is formed on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 6 and has a size covering the plurality of pressurizing chambers 2. As explained above, it has a monomorph type configuration.
  • the piezoelectric actuator 7 uses the force to convert the piezoelectric ceramic layer 6 into a functionally gradient material or the semiconductor effect, so that both electrodes can be formed without laminating the diaphragm and the second piezoelectric ceramic layer.
  • the piezoelectric deformation region 8 can be deformed by squeezing in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and in the direction of the pressurizing chamber 2 It is said that.
  • the monomorph type piezoelectric actuator 7 has a driving voltage waveform shown in FIG. 1 if, for example, the inclination direction of the functional material is selected. By applying the driving voltage V, the piezoelectric deformation region 8 is transformed into the morph type in FIG.
  • the ink in the pressurizing chamber 2 starts to vibrate and deforms at the time t.
  • the ink column is generated by stagnation and deforming so that it protrudes in the direction of 2.
  • the column of ink that stretches outward is cut off, producing a second ink drop. Then, the generated first and second ink droplets each fly to the surface of the paper disposed facing the tip of the nozzle 3 to form one dot.
  • the pulse width T is a natural vibration as shown by the thick dashed line in FIG.
  • the thickness direction of the inactive region 16 of the piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the constraining region 9 of the monomorph type piezoelectric actuator 7 is determined.
  • the region on the protruding side of the surface compresses in the surface direction, and the region on the opposite side extends in the surface direction.
  • the piezoelectric deformation region 8 in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 with respect to a stationary state where no voltage is applied, and
  • the amount of displacement in the direction of the pressurizing chamber 2 is about half of the conventional driving method of the monomorph type piezoelectric actuator 7, respectively. Since the stress in the surface direction applied to each region of the region 16 can be made smaller than before, the static state where no voltage is applied to the piezoelectric deformation region 8 is maintained during standby when no droplet is discharged. In combination, it is possible to more reliably prevent each of the inactive regions 16 from undergoing creep deformation.
  • the amount of displacement of the stagnation deformation in the piezoelectric deformation region 8 during standby can be reduced to about half of the conventional amount, accumulation of elastic energy in the piezoelectric deformation region 8 during standby can be reduced.
  • the shape of the piezoelectric deformation region 8 can be constrained by applying a voltage at any point of time during standby or driving, it is possible to generate noise vibration. For this reason, the ink droplet ejection from the nozzle 3 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 becomes unstable, or the ink from the nozzle 3 corresponding to the adjacent piezoelectric deformation region 8 is generated due to the occurrence of crosstalk. It is possible to prevent the ejection of droplets from becoming unstable.
  • each region force of the non-active region 16 of the piezoelectric ceramic layer 6 corresponding to the constraining region 9 of the monomorph type piezoelectric actuator 7 is gradually typified, Maintains ink droplet ejection performance at a good level over a long period of time by preventing noise vibrations from occurring when the piezoelectric deformation area 8 is driven and causing ink droplet ejection to become unstable. It becomes possible to do.
  • both the active region 15 and the inactive region 16 are Among the diffraction spectra, the intensity I of the diffraction peak on the [200] plane and the intensity I of the diffraction peak on the [002] plane
  • the degree of C-axis orientation indicating the crystalline state of the ceramic material determined by The crystalline state can be maintained so that it is within the range of 1 to 1.1 times the initial state before driving.
  • the amount of displacement of the piezoelectric deformation region 8 that is displaced in the direction opposite to the direction of the pressurizing chamber 2 and the direction of the pressurizing chamber 2 is the displacement amount in one direction in the conventional driving method, respectively.
  • the absolute values of the first and second voltages —V and + V applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 are compared with the conventional drive of the monomorph type piezoelectric actuator 7.
  • the configuration of the present invention is not limited to the example of each figure described above.
  • the drive voltage waveform applied to the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 is the voltage V in the conventional driving method of the second type. Just change the voltage + V ⁇ and change OV to the first voltage — V
  • the active region 15 of the piezoelectric ceramic layer 6 is continuously contracted by application of the second voltage + V so that the inactive region 16 around the active region 15 extends in the direction of the force plane. Creep deformation, but the first voltage V
  • the active region is applied
  • the creep deformation of the inactive region 16 can be eliminated. If the absolute value of the second voltage + V is about half of the voltage V, the
  • the loop deformation amount itself can be reduced.
  • the amount of displacement of the stagnation deformation in the piezoelectric deformation region 8 is reduced as compared with the conventional case, the accumulation of elastic energy in the piezoelectric deformation region 8 during the standby time is reduced, and the piezoelectric deformation is reduced.
  • the shape of the deformation region 8 can be constrained by applying a voltage at any point of time during standby or during driving so that noise vibration is generated. For this reason, the non-active region surrounding the active region of the piezoelectric ceramic layer gradually creep-deforms, or noise vibration occurs when the piezoelectric deformation region is driven, causing ink droplet ejection to become unstable. Therefore, the ink ejection performance can be maintained at a good level over a long period of time.
  • various changes can be made without departing from the scope of the present invention.
  • Nylon balls with an average particle size of 10 mm are blended with piezoceramic powder mainly composed of lead zirconate titanate with a particle size of 0.5-3.0 m and acrylic resin emulsion and pure water.
  • a slurry was prepared by mixing for 30 hours using a ball mill.
  • a green sheet having a thickness of 17 to 19 111 and serving as a basis for the piezoelectric ceramic layer 6 and the diaphragm 12 is formed on a polyethylene terephthalate (PET) film having a thickness of 30 m by a pulling method. Formed.
  • PET polyethylene terephthalate
  • the laminate was heated in a dryer at a temperature of 100 ° C, and the temperature was increased to 300 ° C over 25 hours at a temperature increase rate of 8 ° C per hour. After degreasing, it was cooled to room temperature. Further, the laminate was fired in a firing furnace at a peak temperature of 1100 ° C. for 2 hours to obtain a laminated body of the piezoelectric ceramic layer 6, the common electrode 11, and the diaphragm 12. The thicknesses of the piezoelectric ceramic layer 6 and the diaphragm 12 were both 10 m. The strength of the coercive electric field of the piezoelectric ceramic layer 6 is 17 kVZcm.
  • a screen printing method is applied to the exposed surface of the piezoelectric ceramic layer 6 in the laminate.
  • a pattern corresponding to a plurality of individual electrodes 10 is printed, and the metal paste is passed through a continuous furnace at a peak temperature of 850 ° C. for 30 minutes.
  • the periphery of the laminate was cut using a dicing saw, and the outer shape was aligned to a rectangle of 33mm length x 12mm width.
  • the pattern of the individual electrode layer 25 is a unimorph type piezoelectric actuator 7 by arranging two 90 rows of individual electrode layers 25 in a row at the 254 m pitch along the rectangular length direction. did.
  • a stainless steel foil with a thickness of 100 ⁇ m is punched out using a die press, and 2 pressurizing chambers 2 with a length of 2 mm x width of 0.18 mm are arranged in 90 pieces according to the formation pitch of the individual electrodes 10.
  • a first substrate arranged in a row was fabricated.
  • a stainless steel foil with a thickness of 100 m is punched using the same mold press, and a common supply path for supplying ink from the ink replenishment section of the ink jet printer to each pressure chamber, and a pressure chamber 2
  • a second substrate in which the flow path connecting the nozzle 3 and the nozzle 3 was arranged corresponding to the arrangement of the pressurizing chambers 2 was produced.
  • a 40 m thick stainless steel foil was etched and a third substrate arranged corresponding to the arrangement of the nozzle 3 force pressurizing chamber 2 having a diameter of 26 ⁇ m was produced.
  • the first to third substrates are bonded together using an adhesive to produce a substrate 5.
  • the substrate 5 and the piezoelectric actuator 7 previously manufactured are bonded together using an adhesive.
  • the individual electrode 10 and the exposed portion of the electrode layer agent filled in the through hole and connected to the common electrode 11 are connected to the drive circuit 13 using a flexible substrate.
  • the liquid discharge apparatus 1 shown in FIG. 1 was manufactured.
  • the liquid ejection apparatus 1 manufactured in Example 1 is driven by the driving method of the present invention and the conventional driving method using the driving voltage waveform generated by using a high-speed bipolar power source and a function synthesizer.
  • the transition of the displacement amount of the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 when continuously driven was measured.
  • the drive voltage applied to the liquid ejection device 1 manufactured in Example 1 is changed by the drive voltage waveform generated in the same manner as described above, using the drive method of the present invention and the conventional pulling drive method.
  • the displacement amount of the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 when being driven was measured in the same manner as described above.
  • the driving frequency was 2 kHz in all driving methods.
  • the voltage value of the first voltage ( ⁇ V) is
  • the electric field strength E when a triangular wave with a frequency of 100 Hz and amplitude—10 to +10 V, or a triangular wave with a frequency of 100 Hz and amplitude — 20 to +20 V is applied E ( The PE hysteresis loop indicating the relationship between kVZcm) and the polarization amount P (CZcm 2 ) of the piezoelectric ceramic layer 6 was measured.
  • a ferroelectric property evaluation system FCE-HS2 manufactured by Toyo Corporation was used. As a result, as shown in FIG.
  • the piezoelectric deformation region 8 of the piezoelectric actuator 7 of the liquid ejection device 1 manufactured in Example 1 has a frequency of 100H ⁇ and an amplitude of 10 to +10 V as models of the first and second voltages in the driving method of the present invention.
  • Electric field strength E (kV / cm) and piezoelectric ceramic when applying a triangular wave or a triangular wave with a frequency of 0 Hz to +20 V as a voltage model in the conventional driving method
  • the PE hysteresis loop showing the relationship with the polarization amount P ( ⁇ C / cm) of the layer 6 was measured in the same manner as described above, the result shown in FIG. 10 was obtained. From Fig.
  • the area of the PE hysteresis loop in the driving method of the present invention is the area of the PE hysteresis loop in the conventional driving method. It was confirmed that it was 1.3 times less than 1.
  • the C-axis orientation degree I force of the active region 15 is 1.5 times the initial value, and the C-axis orientation degree I force of the non-active region 16 is initial. Value of 0.7
  • the crystal state changed significantly with respect to the initial value.
  • the C-axis orientation degree I force of the active region 15 is 1.04 times the initial value
  • the C-axis orientation degree I 1S of the non-active region 16 is the initial value. 1. 07 times
  • Example 2 Similar to Example 1, except that the thickness of the piezoelectric ceramic layer 6 was 15 m and the planar shape of the pressure chamber 2 was 2.2 mm long and 0.65 mm wide, a morph-type piezoelectric actuator was used.
  • the liquid discharge apparatus 1 of FIG. The coercive electric field Ec of the piezoelectric ceramic layer 6 was 17 kVZcm.
  • the deformation region 8 is driven by a conventional pulling driving method, and ink droplets are ejected from the corresponding nozzle 3 under the condition of the leading droplet speed of 9 mZs, and 120 s from the application of the driving voltage waveform. Later, when the strobe was fired and an image of an ink droplet at a position 1 mm from the tip of nozzle 3 was photographed, a total of 5 ink droplets, 2 ink droplets of normal size and 3 ink droplets, were collected. It was confirmed that noise vibration occurred because the ink droplets were taken. In addition, when the same image was taken in the nozzle 3 corresponding to the piezoelectric deformation region 8 adjacent to the driven piezoelectric deformation region 8, a minute ink droplet was photographed and crosstalk was generated. It was confirmed.

Landscapes

  • Particle Formation And Scattering Control In Inkjet Printers (AREA)

Abstract

　複数の加圧室２を覆う大きさを有する圧電セラミック層６を含む圧電アクチュエータ７を備えた液滴吐出装置１の、任意の圧電変形領域８を、第１の電圧（－ＶL）と、前記第１の電圧と逆極性で、かつ、等価の第２の電圧（＋ＶL）とを含む駆動電圧波形を印加して、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する液滴吐出部４の、加圧室２の容積を変化させて、連通するノズル３を通して液滴を吐出させることによって、圧電セラミック層６の非活性領域１６が徐々にクリープ変形するのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘って、良好なレベルに維持する駆動方法である。

Description

明 細 書
液体吐出装置の駆動方法
技術分野
[0001] 本発明は、液体吐出装置の駆動方法に関するものである。
背景技術
[0002] 図 2は、オンデマンド型のインクジェットプリンタ等に用いられる、液体吐出装置 1の 一例を示す断面図である。また、図 3は、前記液体吐出装置 1の一例の、要部を拡大 した断面図である。図 2、図 3を参照して、この例の液体吐出装置 1は、インクが充て んされる加圧室 2と、前記加圧室 2に連通し、加圧室 2内のインクを、インク滴として吐 出させるためのノズル 3とを有する複数の液滴吐出部 4を、面方向に配列させて形成 した基板 5と、前記基板 5の複数の加圧室 2を覆う大きさを有する圧電セラミック層 6を 含み、前記基板 5上に積層された、板状の圧電ァクチユエータ 7とを備えている。
[0003] 圧電ァクチユエータ 7は、個々の加圧室 2に対応して配設され、個別に電圧が印加 されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する複数の圧電変形領域 8と、前 記圧電変形領域 8を囲んで配設され、前記基板 5に固定されることで変形が防止され た拘束領域 9とに区画されて 、る。
[0004] また、図の例の圧電ァクチユエータ 7は、圧電セラミック層 6の、両図において上面 に、加圧室 2ごとに個別に形成されて、圧電変形領域 8を区画する個別電極 10と、前 記圧電セラミック層 6の下面に、順に積層された、共に、複数の加圧室 2を覆う大きさ を有する、共通電極 11と振動板 12とを備えた、いわゆるュ-モルフ型の構成を有し ている。各個別電極 10と、共通電極 11とは、それぞれ別個に、駆動回路 13に接続さ れており、駆動回路 13は、制御手段 14に接続されている。
[0005] 圧電セラミック層 6は、例えば、 PZT等の圧電材料によって形成されていると共に、 層の厚み方向に、あら力じめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧電変形特性が 付与されており、制御手段 14からの制御信号によって、駆動回路 13が駆動されて、 任意の個別電極 10と、共通電極 11との間に、前記分極方向と同方向の電圧が印加 されると、両電極 10、 11間に挟まれた、圧電変形領域 8に対応する活性領域 15が、 図 3に横向きの白矢印で示すように、層の面方向に収縮される。
[0006] しかし、圧電セラミック層 6の下面は、共通電極 11を介して振動板 12に固定されて いるため、活性領域 15が収縮すると、それに伴って、圧電ァクチユエータ 7の圧電変 形領域 8が、図 3に下向きの白矢印で示すように、加圧室 2の方向に突出するように 橈み変形して、加圧室 2内に充てんされたインクを振動させ、この振動によって加圧 されたインク力 ノズル 3を通して、インク滴として吐出される。
[0007] 特許文献 1に記載されているように、液体吐出装置においては、いわゆる引き打ち 式の駆動方法が、広く一般に採用される。図 11は、図 2の液体吐出装置 1を引き打 ち式の駆動方法によって駆動する際に、圧電セラミック層 6の活性領域 15に印加さ れる駆動電圧 Vの駆動電圧波形 (太線の一点鎖線で示す)の一例と、この駆動電圧
P
波形が印加された際の、ノズル 3内における、インクの体積速度の変化〔太線の実線 で示す、（+ )がノズル 3の先端側、つまりインク滴の吐出側、（-)が加圧室 2側〕との 関係を簡略ィ匕して示すグラフである。
[0008] また、図 12は、図 2の液体吐出装置 1を、前記引き打ち式の駆動方法で駆動する 際に、圧電セラミック層 6の活性領域 15に印加される駆動電圧 Vの駆動電圧波形（
P
太線の一点鎖線で示す)の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、圧電ァク チユエータ 7の、圧電変形領域 8の変位量〔太線の実線で示す、（一）が加圧室 2の方 向 (加圧室 2の容積を減少させる方向）、（+ )が加圧室 2の方向と反対方向 (加圧室 2の容積を増カロさせる方向）〕との関係を簡略ィ匕して示すグラフである。
[0009] 図 2、図 3、図 11を参照して、まず、図 11中の tより左側の、ノズル 3からインク滴を
1
吐出させない待機時には、駆動電圧 Vを Vに維持 (V =V )して、活性領域 15を
P H P H
面方向に収縮させ続けることによって、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向に突出す るように橈み変形させて、前記加圧室 2の容積を減少させた状態を維持しており、こ の間、インクは静止状態、すなわち、ノズル 3におけるインクの体積速度は 0を維持し 、前記ノズル 3内に、インクの表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止し ている。
[0010] ノズル 3からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成するには、まず、その直前の tの時点で、活性領域 15に印加していた駆動電圧 Vを放電 (V =0)して、前記活 性領域 15の面方向の収縮を解除させることによって、圧電変形領域 8の橈み変形を 解除する。そうすると、加圧室 2の容積が一定量だけ増加するため、ノズル 3内のイン タメニスカスは、その容積の増加分だけ、前記加圧室 2の方向に引き込まれる。その 際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 11の tと tとの間の部分に示すように、
1 2
ー且、（一）側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。これは、太 線の実線で示す、インクの体積速度の固有振動周期 τの、ほぼ半周期分に相当す
1
る。
[0011] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づいた tの時点で、駆動電圧
2
Vを、再び Vまで充電 (V =V )して、活性領域 15を面方向に収縮させることによつ
P H P H
て、圧電変形領域 8を橈み変形させる。そうすると、ノズル 3内のインクは、インクメニス カスが加圧室 2の側に最も大きく引き込まれた状態 (tの時点の、体積速度が 0の状
2
態)から、逆に、ノズル 3の先端方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域 8を橈 み変形させて、加圧室 2の容積を減少させることによって、前記加圧室 2から押し出さ れたインクの圧力が加わることになるため、ノズル 3の先端側の方向へ加速されて、前 記ノズル 3の外方へ大きく突出する。
[0012] その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 11の tと tとの間の部分に示すよ
2 3
うに、ー且、（+ )側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。ノズル 3の外方へ突出したインクが略円柱状に見えることから、この突出状態のインクを、一 般に、インク柱と称する。
[0013] 次に、ノズル 3の外方に突出したインクの体積速度が限りなく 0に近づいた時点（図 11の の時点）で、駆動電圧 Vを、再び、放電 (V =0)して、活性領域 15の面方向
3 P P
の収縮を解除させることによって、圧電変形領域 8の橈み変形を解除する。そうすると 、インクが、ノズル 3の外方に最も大きく突出した状態 (tの時点の、体積速度が 0の状
3
態)から、逆に、加圧室 2の方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域 8の橈み 変形を解除して、加圧室 2の容積を再び増カロさせたことによる、マイナスの圧力が加 わることによって、ノズル 3の外方へ伸びきつたインク柱が切り離されて、 1滴目のイン ク滴が生成される。
[0014] インク柱が切り離されたノズル 3内のインクは、再び、加圧室 2の方向に引き込まれ る。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 11の tと tとの間の部分に示す
3 4
ように、ー且、（一）側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。これ は、先に説明したように、インクの体積速度の固有振動周期 τの、ほぼ半周期分に
1
相当する。
[0015] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づ 、た tの時点で、駆動電圧
4
Vを、再び Vまで充電 (V =V )して、活性領域 15を面方向に収縮させることによつ
P H P H
て、圧電変形領域 8を橈み変形させる。そうすると、先の、 tから tの間でのインクの挙
2 3
動と同じメカニズムによって、インクが、再び、ノズル 3の外方へ大きく突出して、インク 柱が形成される。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 11の tと tとの間
4 5 の部分に示すように、ー且、（+ )側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0 に近づく。
[0016] そして、ノズル 3でのインクの体積速度が 0になった時点（図 11の tの時点）以降、ィ
5
ンクの振動の速度が加圧室 2の側に向力うことによって、ノズル 3の外方へ伸びきつた インク柱が切り離されて、 2滴目のインク滴が生成される。生成された 1滴目および 2 滴目のインク滴は、それぞれ、ノズル 3の先端に対向させて配設した紙面まで飛翔し て、 1つのドットを形成する。
[0017] 前記一連の動作は、図 11に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅 Tが固有振
2 動周期 Tの約 1Z2倍であるパルスを 2回、含む駆動電圧波形を有する駆動電圧 V
1 P を、活性領域 15に印加していることに相当する。 1つのドットを、 1滴のみのインク滴で 形成する場合は、前記パルスを、 1回のみとすればよい。また、 1つのドットを、 3滴以 上のインク滴で形成する場合は、ノ ルスを、インク滴の数に応じた回数、発生させれ ばよい。
特許文献 1 :JP 02- 192947 A (1990)
発明の開示
発明が解決しょうとする課題
[0018] 引き打ち式の駆動方法によって、図 2、図 3に示したュニモルフ型の圧電ァクチユエ ータ 7を有する液体吐出装置 1を駆動させる際には、先に説明したように、ノズル 3か らインク滴を吐出させない待機時に、圧電セラミック層 6の活性領域 15を、面方向に 収縮させた状態を維持し続ける必要があり、圧電セラミック層 6の、活性領域 15を囲 む非活性領域 16が、待機時に、前記活性領域 15の面方向の収縮によって、図 3〖こ 黒矢印で示す方向に、長時間に亘つて、引張応力を受けて伸び続けることになる。
[0019] そして、非活性領域 16は、引張応力を受けて伸びている時間が長くなるほど、その 内部で、応力を緩和するようにドメインが回転することによって、徐々にクリープ変形 して行き、それに伴って、活性領域 15が、収縮を解除しても、クリープ変形した非活 性領域 16からの圧縮応力を受けて、もとの静止状態まで伸びきることができなくなる 度合いが大きくなる。そのため、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8における、図 3に下向きの白矢印で示した方向に橈み変形した状態と、この橈み変形を解除した 静止状態との間での、厚み方向の変位量が徐々に小さくなつて行く結果、インク滴の 吐出性能が低下するという問題を生じる。
[0020] また、前記引き打ち式の駆動方法では、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8を 駆動させるために、活性領域 15に印加していた駆動電圧 Vを放電 (V =0)させた
P P
際に、図 12に太線の実線で示すように、圧電変形領域 8の変位の振動にノイズが発 生し、このノイズの振動（ノイズ振動）が、先に説明したインクの振動に加わって、ノズ ル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕するという問題もある。
[0021] さらに、ュ-モルフ型等の、圧電セラミック層 6を、複数の加圧室 2を覆う大きさに、 一体に形成したタイプの圧電ァクチユエータ 7においては、前記ノイズ振動が、圧電 ァクチユエータ 7上の、隣接する他の圧電変形領域 8にも伝達される、いわゆるクロス トークが発生しやすぐクロストークが発生すると、前記他の圧電変形領域 8に対応す るノズル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕するという問題もある。
[0022] ノイズ振動が発生する原因としては、活性領域 15に駆動電圧 Vを印加し続けて、
P
圧電変形領域 8を、厚み方向に橈み変形させ続けている待機時における、前記橈み 変形の変位量が大きぐ弾性エネルギーの蓄積が大きいこと、圧電変形領域 8を駆 動させるために、駆動電圧 Vを放電 (V =0)すると、前記圧電変形領域 8が、前記
P P
橈み変形した状態から、一気に、印加電圧によって形状が拘束されないフリーの、振 動しやすい状態に移行すること、等が考えられる。
[0023] なお、これらの問題は、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータに限って発生するもの ではなぐ横振動モードの圧電変形特性が付与された 2層の圧電セラミック層を、互 いに、逆方向に伸縮させることで、全体を厚み方向に橈み変形させるバイモルフ型の 圧電ァクチユエータや、単層の圧電セラミック層を傾斜機能材料ィ匕したり、半導体効 果を利用したりして、振動板を積層することなぐ厚み方向に橈み変形させるモノモル フ型の圧電ァクチユエータにおいても、圧電セラミック層を、複数の加圧室を覆う大き さに一体形成している以上、同様に発生する。
[0024] しかも、圧電セラミック層を、複数の加圧室を覆う大きさに一体形成することは、イン クジェットプリンタの高画質ィ匕に伴うドットピッチの高精細化に対応して、液体吐出装 置を現状よりもさらに微細化し、し力も、できるだけ少ない工程で、生産性よく製造す る上で、どうしても欠かせない構成であり、活性領域を囲む非活性領域が、徐々にク リーブ変形したり、圧電変形領域の駆動時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出 が不安定ィ匕したりするのを防止する技術が求められている。
[0025] 本発明の目的は、複数の加圧室を覆う大きさを有する圧電セラミック層を含む圧電 ァクチユエータを備えた液滴吐出装置の、圧電セラミック層の非活性領域が徐々にク リーブ変形したり、圧電変形領域の駆動時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出 が不安定ィ匕したりするのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好 なレベルに維持することができる駆動方法を提供することにある。
課題を解決するための手段
[0026] 請求項 1記載の発明は、
(A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通し、加圧室内の液体を、液 滴として吐出させるためのノズルとを有する複数の液滴吐出部を、面方向に配列させ て形成した基板と、
(B) 前記基板の複数の加圧室を覆う大きさを有する、少なくとも 1層の圧電セラミツ ク層を含み、前記基板に積層された板状の圧電ァクチユエータと、
を備えると共に、前記圧電ァクチユエータが、個々の加圧室に対応して配設され、個 別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する複数の圧電 変形領域と、前記圧電変形領域を囲む拘束領域とに区画された液体吐出装置の、 前記圧電ァクチユエータの任意の圧電変形領域に、第 1の電圧と、前記第 1の電圧と 等価で、かつ、逆極性の、第 2の電圧とを含む駆動電圧波形を印加することで、前記 圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ橈み変形させて、 対応する液滴吐出部の、加圧室の容積を変化させることによって、連通するノズルを 通して液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置の駆動方法である。
[0027] 請求項 2記載の発明は、圧電セラミック層は、 PZT系の圧電セラミック材料によって 形成されると共に、圧電変形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活 性領域とに区画され、かつ、前記両領域は、共に、 X線回折スペクトルのうち [200]面 の回折ピークの強度 I と、 [002]面の回折ピークの強度 I とから、式 (1) :
(200) (002)
I =1 / (1 +1 ) (1)
C (002) (002) (200)
によって求められる、セラミック材料の c軸配向度 I 1S 駆動後に、駆動前の初期状
C
態の 1〜1. 1倍の範囲内を維持する請求項 1記載の液体吐出装置の駆動方法ある。
[0028] 請求項 3記載の発明は、圧電ァクチユエータの圧電変形領域に、前記駆動電圧波 形を印加して駆動させる際の、電界の強さ E (kVZcm)と、圧電セラミック層の分極量 P ( μ C/cm2)との関係を示す P—Eヒステリシスループの面積を、前記圧電変形領 域に、前記駆動電圧波形の第 1および第 2の電圧の電圧値の 2倍の電圧値を有する 、単一極性の電圧をオン オフする駆動電圧波形を印加して駆動させる際の、 P— E ヒステリシスループの面積の 1. 3倍以下に設定する請求項 1または 2記載の液体吐 出装置の駆動方法である。
[0029] 請求項 4記載の発明は、第 1および第 2の電圧の電圧値を、圧電ァクチユエータの 圧電変形領域の電界の強さ E (kVZcm)力 圧電セラミック層の抗電界 Ecの強さの 0. 8倍以下となる電圧値に設定する請求項 1〜3のいずれかに記載の液体吐出装 置の駆動方法である。また、請求項 5記載の発明は、液滴を吐出させない待機時に は、圧電変形領域に電圧を印加しな ヽ状態を維持する請求項 1〜4の ヽずれかに記 載の液体吐出装置の駆動方法である。
[0030] 請求項 6記載の発明は、圧電ァクチユエータは、
(0 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応 した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された 1層の圧電セラミツ ク層と、 GO 前記圧電セラミック層の片側に積層されて、前記活性領域の面方向の伸縮に よって厚み方向に橈み変形する振動板と、
を備えており、前記圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面方向 に伸縮させることで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動さ せる請求項 1〜5のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法である。
[0031] 請求項 7記載の発明は、圧電ァクチユエータは、
(I) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応 した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された第 1の圧電セラミツ ク層と、
(II) 前記第 1の圧電セラミック層の片側に積層されて、厚み方向に電圧が印加され ることで、面方向に伸縮する第 2の圧電セラミック層と、
を備えており、前記第 1の圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面 方向に伸縮させるのと同期させて、前記第 2の圧電セラミック層を、前記活性領域の 伸縮と逆の位相で伸縮させることで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚 み方向に振動させる請求項 1〜5のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法で ある。
[0032] 請求項 8記載の発明は、圧電ァクチユエータは、電圧が印加されることで厚み方向 に橈み変形する、圧電変形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活 性領域とに区画された 1層の圧電セラミック層を備えており、前記圧電セラミック層に 駆動電圧波形を印加することで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚み 方向に振動させる請求項 1または 2記載の液体吐出装置の駆動方法である。
発明の効果
[0033] 請求項 1記載の発明においては、圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、第 1の電 圧と、前記第 1の電圧と逆極性で、かつ、等価の第 2の電圧とを含む駆動電圧波形を 印加することで、厚み方向の一方向と、その反対方向とに、それぞれ橈み変形させて 、振動させている。そのため、例えば、ュ-モルフ型の圧電ァクチユエータにおいて は、圧電セラミック層の活性領域を、インク滴の吐出時に、従来のように、面方向に収 縮させたり、収縮を解除させたりするだけでなぐ面方向に伸長させることもでき、面 方向に伸長させた際に、前記活性領域を囲む非活性領域に圧縮応力を加えること ができるため、前記非活性領域が、従来のように、面方向に一方的に伸長するように 、徐々にクリープ変形するのを防止することができる。
[0034] このことは、他の型の圧電ァクチユエータについても同様である。例えば、ノ ィモル フ型の圧電ァクチユエータにおいては、従来、待機時に、一方の圧電セラミック層（第 1の圧電セラミック層とする）の活性領域を、面方向に収縮させ続けると共に、他方の 圧電セラミック層（第 2の圧電セラミック層とする）の活性領域を、面方向に伸長させ続 ける必要があつたため、それぞれの非活性領域が、前記第 1の圧電セラミック層では 面方向に伸張し、第 2の圧電セラミック層では面方向に収縮するように、徐々にタリー プ変形していた。
[0035] これに対し、請求項 1記載の発明の駆動方法によれば、第 1の圧電セラミック層の 活性領域を、面方向に伸長させることで、前記活性領域を囲む非活性領域に圧縮応 力を加えると共に、第 2の圧電セラミック層の活性領域を、面方向に収縮させることで 、前記活性領域を囲む非活性領域に引張応力を加えることができるため、それぞれ の活性領域の周囲の非活性領域が、徐々にクリープ変形するのを防止することがで きる。
[0036] また、モノモルフ型の圧電ァクチユエータにお 、ては、従来、待機時に、圧電セラミ ック層の活性領域を、層の厚み方向の一方向に橈み変形させ続けることになるため、 非活性領域のうち、厚み方向の突出側の領域が、面方向に圧縮し、反対側の領域が 、面方向に伸長するように、徐々にクリープ変形していた。しかし、請求項 1記載の発 明の駆動方法によれば、圧電セラミック層を、厚み方向の反対方向にも橈み変形さ せることで、非活性領域のうち、待機時に、厚み方向の突出側であった領域に引張 応力を加えると共に、反対側の領域に圧縮応力を加えることができるため、活性領域 の周囲の非活性領域が、徐々にクリープ変形するのを防止することができる。
[0037] また、請求項 1記載の発明の駆動方法によれば、圧電ァクチユエータの、電圧を印 加しない静止状態に対する、橈み変形時の圧電変形領域の、厚み方向の変位量を 、これまでより小さくすることもできる。例えば、従来の、圧電ァクチユエータの圧電変 形領域を、一方向にのみ橈み変形させる駆動方法における、静止状態と、橈み変形 状態との間の、厚み方向の変位量を 1とすると、請求項 1記載の発明の駆動方法に おいて、圧電ァクチユエータの圧電変形領域の、厚み方向のトータルの変位量を同 じ 1にするために、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方側および反対側に橈み変 形させる変位量は、それぞれ、全体の約半分とすることができる。そのため、前記圧 電変形領域が橈み変形する際に、圧電セラミック層の非活性領域が受ける引張応力 を小さくすることができるため、前記非活性領域が、徐々にクリープ変形するのを、よ り一層、確実に防止することもできる。
[0038] さらに、請求項 1記載の発明の駆動方法によれば、圧電ァクチユエータの圧電変形 領域を駆動させる際に、従来の、引き打ち式の駆動方法において発生していた、イン ク滴の吐出を不安定化させるノイズ振動が発生するのを抑制することもできる。すな わち、請求項 1記載の発明の駆動方法では、先に説明したように、待機時における、 圧電変形領域の橈み変形の変位量を、従来に比べて小さくできるため、弾性ェネル ギ一の蓄積を小さくすることができる。
[0039] また、圧電変形領域は、待機時に、前記電圧の印加によって、厚み方向に橈み変 形させた状態で形状を拘束できると共に、駆動時には、前記と逆極性の電圧の印加 によって、反対方向へ橈み変形させた状態で形状を拘束できるため、いずれの状態 においても、ノイズ振動を発生しにくくすることができる。
[0040] そのため、圧電変形領域の、駆動時の変位の振動に、ノイズ振動が発生するのを 抑制して、前記圧電変形領域に対応するノズルからの、インク滴の吐出が不安定ィ匕 したり、クロストークの発生によって、隣接する圧電変形領域に対応するノズルからの 、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを、確実に、防止することができる。
[0041] したがって、請求項 1記載の発明によれば、複数の加圧室を覆う大きさを有する圧 電セラミック層を含む圧電ァクチユエータを備えた液滴吐出装置の、前記圧電セラミ ック層の非活性領域が、徐々にクリープ変形したり、圧電変形領域の駆動時にノイズ 振動が発生して、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを防止して、インク滴の吐 出性能を、長期間に亘つて、良好なレベルに維持することが可能となる。
[0042] また、請求項 1記載の発明の駆動方法によれば、先に説明したように、圧電セラミツ ク層の、非活性領域のクリープ変形を防止できることから、前記非活性領域の結晶状 態が変化するのを防止することができる。それと共に、活性領域が、クリープ変形した 非活性領域力も圧縮応力を受けることによって、その結晶状態が変化するのを防止 することもできる。そのため、圧電セラミック層の、両領域の結晶状態を、共に初期状 態に維持することができる。
[0043] 例えば、圧電セラミック層が、 PZT系の圧電セラミック材料力もなる場合は、請求項 2に記載したように、活性領域と非活性領域とを、共に、 X線回折スペクトルのうち [20 0]面の回折ピークの強度 I と、 [002]面の回折ピークの強度 I とから、式 (1) :
(200) (002)
I C =1 (002) / (1 (002) +1 (200) ) (1)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示す c軸配向度 I 1S 駆動後に、
C
駆動前の初期状態の、 1〜1. 1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持するこ とがでさる。
[0044] 請求項 3記載の発明によれば、圧電ァクチユエータの圧電変形領域に、前記駆動 電圧波形を印加して駆動させる際の、電界の強さ E (kVZcm)と、圧電セラミック層の 分極量 P CZcm2)との関係を示す P— Eヒステリシスループの面積を、図 11に示 す、従来の引き打ち式の駆動電圧波形であって、なおかつ、駆動電圧値 (V H )が、前 記第 1および第 2の電圧の電圧値の 2倍の電圧値である場合の、 P— Eヒステリシスル ープの面積の 1. 3倍以下に設定して、ヒステリシス損失を小さくしているため、前記圧 電セラミック層が自己発熱して脱分極を生じることで、圧電変形特性が低下するのを 防止することができる。
[0045] 請求項 4記載の発明によれば、駆動電圧波形の第 1および第 2の電圧の電圧値を 、圧電ァクチユエータの圧電変形領域の電界の強さ E (kVZcm)力 圧電セラミック 層の抗電界 Ecの強さの 0. 8倍以下となる電圧値に設定することで、ヒステリシス損失 をさらに小さくしているため、前記圧電セラミック層が自己発熱して脱分極を生じること で、圧電変形特性が低下するのを、より一層、確実に防止することができる。
[0046] 請求項 5記載の発明によれば、液滴を吐出させな!/、待機時には、圧電変形領域に 電圧を印カロしな 、静止状態を維持することによって、圧電セラミック層の非活性領域 のクリープ変形を、より一層、確実に防止することができる。
[0047] 本発明の駆動方法は、先に説明したように、ュニモルフ型 (請求項 6)、バイモルフ 型（請求項 7)、およびモノモルフ型（請求項 8)の、いずれのタイプの圧電ァクチユエ ータを備えた液体吐出装置にも適用することもできる。そして、そのいずれの場合に おいても、圧電セラミック層の、活性領域を囲む非活性領域が、徐々にクリープ変形 したり、圧電変形領域の駆動時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出が不安定ィ匕 したりするのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好なレベルに 維持することができる。
図面の簡単な説明
[図 1]図 2の液体吐出装置を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、圧電セラミ ック層の活性領域に印加される駆動電圧 Vの駆動電圧波形の一例と、この駆動電
P
圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡 略ィ匕して示すグラフである。
[図 2]オンデマンド型のインクジェットプリンタ等に用いられる、ュ-モルフ型の圧電ァ クチユエータを備えた液体吐出装置の一例を示す断面図である。
[図 3]前記液体吐出装置の一例の、要部を拡大した断面図である。
[図 4]図 5の例の液体吐出装置を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、第 1の 圧電セラミック層の活性領域に印加される駆動電圧 VPの駆動電圧波形、および第
1
2の圧電セラミック層に印加される駆動電圧 VPの駆動電圧波形の一例と、これらの
2
駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との 関係を簡略ィ匕して示すグラフである。
[図 5]ノ ィモルフ型の圧電ァクチユエータを備えた液体吐出装置の一例を示す断面 図である。
[図 6]モノモルフ型の圧電ァクチユエータを備えた液体吐出装置の一例を示す断面 図である。
[図 7]本発明の実施例 1で製造した、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータを備えた液 体吐出装置を、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で駆動さ せた際の、駆動寿命を測定した結果を示すグラフである。
[図 8]上記実施例 1で製造した液体吐出装置を、本発明の駆動方法、および従来の、 引き打ち式の駆動方法で駆動させた際の、圧電ァクチユエータの圧電変形領域の、 厚み方向の変位量と、その際の印加電圧との関係を示すグラフである。
[図 9]上記実施例 1で製造した液体吐出装置の圧電セラミック層について、本発明の 駆動方法において印加する電圧値を変えて測定した、 P—Eヒステリシス特性を示す グラフである。
[図 10]上記実施例 1で製造した液体吐出装置の圧電セラミック層について、本発明 の駆動方法、および従来の、引き打ち式駆動方法に相当する電圧波形を印加して 測定した、 P—Eヒステリシス特性を示すグラフである。
[図 11]図 2の液体吐出装置を、従来の、引き打ち式の駆動方法で駆動する際に、圧 電セラミック層の活性領域に印加される駆動電圧 Vの駆動電圧波形の一例と、この
P
駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との 関係を簡略ィ匕して示すグラフである。
[図 12]図 2の液体吐出装置を、前記引き打ち式の駆動方法で駆動する際に、圧電セ ラミック層の活性領域に印加される駆動電圧 Vの駆動電圧波形の一例と、この駆動
P
電圧波形が印加された際の、圧電ァクチユエータの、圧電変形領域の変位量との関 係を簡略ィ匕して示すグラフである。
符号の説明
-V 第 1の電圧
L
+V 第 2の電圧
L
1 液体吐出装置
2 加圧室
3 ノズル
4 液滴吐出部
5 基板
6 (第 1の)圧電セラミック層
7 圧電ァクチユエータ
8 圧電変形領域
9 拘束領域
12 振動板 16 非活性領域
17 第 2の圧電セラミック層
発明の実施の形態
[0050] 図 1は、図 2の液体吐出装置 1を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、圧電 セラミック層 6の活性領域 15に印加される駆動電圧 Vの駆動電圧波形 (太線の一点
P
鎖線で示す)の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、ノズル 3内における、 インクの体積速度の変化〔太線の実線で示す、（+ )がノズル 3の先端側、つまりインク 滴の吐出側、（-)が加圧室 2側〕との関係を簡略ィ匕して示すグラフである。図 2は、ォ ンデマンド型のインクジェットプリンタ等に用いられる、ュ-モルフ型の圧電ァクチユエ ータ 7を備えた液体吐出装置 1の一例を示す断面図である。図 3は、前記液体吐出 装置 1の一例の、要部を拡大した断面図である。
[0051] 図 2、図 3を参照して、この例の液体吐出装置 1は、先に説明したように、インクが充 てんされる加圧室 2と、前記加圧室 2に連通し、加圧室 2内のインクを、インク滴として 吐出させるためのノズル 3とを有する複数の液滴吐出部 4を、面方向に配列させて形 成した基板 5と、前記基板 5の複数の加圧室 2を覆う大きさを有する圧電セラミック層 6 を含み、前記基板 5上に積層された、板状の圧電ァクチユエータ 7とを備えている。
[0052] 圧電ァクチユエータ 7は、個々の加圧室 2に対応して配設され、個別に電圧が印加 されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する複数の圧電変形領域 8と、前 記圧電変形領域 8を囲んで配設され、前記基板 5に固定されることで変形が抑制され た拘束領域 9とに区画されている。また、図の例の圧電ァクチユエータ 7は、圧電セラ ミック層 6の、両図において上面に、加圧室 2ごとに個別に形成されて、圧電変形領 域 8を区画する個別電極 10と、前記圧電セラミック層 6の下面に、順に積層された、 共に、複数の加圧室 2を覆う大きさを有する、共通電極 11と振動板 12とを備えた、い わゆるュ-モルフ型の構成を有している。各個別電極 10と、共通電極 11とは、それ ぞれ別個に、駆動回路 13に接続されており、駆動回路 13は、制御手段 14に接続さ れている。
[0053] 圧電セラミック層 6は、例えば、 PZT等の圧電材料によって形成されていると共に、 層の厚み方向に、あら力じめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧電変形特性が 付与されており、制御手段 14からの制御信号によって、駆動回路 13が駆動されて、 任意の個別電極 10と、共通電極 11との間に、前記分極方向と同方向（図 1において (+ )方向）の電圧が印加されると、両電極 10、 11間に挟まれた、圧電変形領域 8〖こ 対応する活性領域 15が、図 3に横向きの白矢印で示すように、層の面方向に収縮さ れる。そうすると、圧電セラミック層 6の下面が、共通電極 11を介して振動板 12に固 定されていることから、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8が、図 3に下向きの白 矢印で示すように、加圧室 2の方向に突出するように橈み変形する。
[0054] 一方、前記個別電極 10と、共通電極 11との間に、分極方向と逆方向（図 1におい て（-)方向）の電圧が印加されると、前記活性領域 15が、図 3の横向きの矢印と反 対に、層の面方向に伸長されるため、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8が、図 3に上向きの矢印で示すように、加圧室 2の方向と反対方向に橈み変形する。そのた め、加圧室 2の方向と、それと反対方向への、圧電変形領域 8の橈み変形を繰り返す ことで、前記加圧室 2内に充てんされたインクを振動させて、ノズル 3を通して、インク 滴として吐出させることができる。
[0055] 図 1〜図 3を参照して、まず、図 1中の tより左側の、ノズル 3からインク滴を吐出させ
1
ない待機時には、駆動電圧 Vを印加せず (V =0)、圧電変形領域 8の橈み変形を
P P
解除した状態を維持しており、この間、インクは静止状態、すなわち、ノズル 3におけ るインクの体積速度は 0を維持し、前記ノズル 3内に、インクの表面張力によって形成 されるインクメニスカスは静止して 、る。
[0056] ノズル 3からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成するには、まず、その直前の tの時点で、駆動電圧 Vを、分極方向と逆方向の第 1の電圧（一 V )まで充電 (V =
1 P L P
-V )して、活性領域 15を面方向に伸長させることで、圧電変形領域 8を、加圧室 2 し
の方向と反対方向に橈み変形させる。そうすると、加圧室 2の容積が一定量だけ増加 するため、ノズル 3内のインクメニスカスは、その容積の増加分だけ、前記加圧室 2の 方向に引き込まれる。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 1の tと tとの
1 2 間の部分に示すように、一旦、（一）側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。これは、太線の実線で示す、インクの体積速度の固有振動周期 Tの、ほ ぼ半周期分に相当する。
[0057] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づ 、た tの時点で、駆動電圧
2
Vを、今度は、分極方向と同方向の第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して、活
P し P し 性領域 15を、面方向に収縮させることによって、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向 に突出するように橈み変形させる。
[0058] そうすると、ノズル 3内のインクは、インクメニスカスが加圧室 2の側に最も大きく引き 込まれた状態 (tの時点の、体積速度が 0の状態)から、逆に、ノズル 3の先端方向へ
2
戻ろうとしているところに、圧電変形領域 8を加圧室 2の方向に橈み変形させて、加圧 室 2の容積を減少させることによって、前記加圧室 2から押し出されたインクの圧力が 加わることになるため、ノズル 3の先端側の方向へ加速されて、前記ノズル 3の外方へ 大きく突出する。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 1の tと tとの間の
2 3 部分に示すように、ー且、（+ )側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に 近づく。これにより、先に説明したインク柱が形成される。
[0059] 次に、ノズル 3の外方へ突出したインクの体積速度が限りなく 0に近づいた時点（図 1の tの時点）で、駆動電圧 Vを、再び、第 1の電圧（—V )まで充電 (V =—V )して
3 P し P し
、活性領域 15を面方向に伸長させることによって、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方 向と反対方向に橈み変形させる。そうすると、インクが、ノズル 3の外方へ最も大きく突 出した状態 (tの時点の、体積速度が 0の状態)から、逆に、加圧室 2の方向へ戻ろう
3
としているところに、圧電変形領域 8を加圧室 2の方向と反対方向に橈み変形させて 、加圧室 2の容積を再び増加させたことによる、マイナスの圧力が加わることによって 、ノズル 3の外方へ伸び切ったインク柱が切り離されて、 1滴目のインク滴が生成され る。
[0060] インク柱が切り離されたノズル 3内のインクは、再び、加圧室 2の方向に引き込まれ る。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 1の tと tとの間の部分に示す
3 4
ように、ー且、（一）側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。これ は、先に説明したように、インクの体積速度の固有振動周期 τの、ほぼ半周期分に
1
相当する。
[0061] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づ 、た tの時点で、駆動電圧 Vを、再び、第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して、活性領域 15を面方向に
P し P し
収縮させること〖こよって、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向に橈み変形させる。そう すると、先の、 tから tの間でのインクの挙動と同じメカニズムによって、インクが、再び
2 3
、ノズルの外方へ大きく突出して、インク柱が形成される。その際の、ノズル 3内でのィ ンクの体積速度は、図 1の tと tとの間の部分に示すように、ー且、（+ )側に大きくな
4 5
つた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。
[0062] そして、ノズル 3でのインクの体積速度が 0になった時点（図 1の tの時点）以降、ィ
5
ンクの振動の速度が加圧室 2の側に向力うことによって、ノズル 3の外方へ伸びきつた インク柱が切り離されて、 2滴目のインク滴が生成される。生成された 1滴目および 2 滴目のインク滴は、それぞれ、ノズル 3の先端に対向させて配設した紙面まで飛翔し て、 1つのドットを形成する。
[0063] 前記一連の動作は、図 1に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅 Tが固有振動
2
周期 Tの約 1Z2であるパルスを 2回、含む駆動電圧波形を有する駆動電圧 Vを、
1 P 活性領域 15に印加していることに相当する。 1つのドットを、 1滴のみのインク滴で形 成する場合は、前記パルスを、 1回のみとすればよい。また、 1つのドットを、 3滴以上 のインク滴で形成する場合は、ノ ルスを、インク滴の数に応じた回数、発生させれば よい。
[0064] 一連の動作が終了後、引き続いて、次のドットを形成する場合は、再び、 t
1から始ま る操作が繰り返し行われる。また、次のドットを形成しない場合は、駆動電圧 V
Pを印 加しない (V =o)待機状態とされる。
p
この例の駆動方法によれば、前記一連の動作を行うことで、ュニモルフ型の圧電ァ クチユエータ 7の拘束領域 9に対応する、圧電セラミック層 6の非活性領域 16が、徐 々にクリープ変形するのを防止することができる。
[0065] すなわち、インク滴の吐出時に、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8を、第 1の 電圧（― V )と、前記第 1の電圧と逆極性で、かつ、等価の第 2の電圧（+V )とを含 し し む駆動電圧波形を印加することで、加圧室 2の方向と反対方向と、加圧室 2の方向と に、それぞれ橈み変形させているため、圧電セラミック層 6の活性領域 15を、従来の ように、面方向に収縮させ、かつ、収縮を解除させるだけでなぐ面方向に伸長もさせ ることができる。そのため、活性領域 15を囲む非活性領域 16が、徐々にクリープ変 形するのを防止することができる。
[0066] また、この例の駆動方法では、圧電ァクチユエータ 7の、電圧を印加しな 、静止状 態に対する、圧電変形領域 8の、厚み方向の変位量を、これまでより小さくすることが できる。すなわち、図 11に示した従来の駆動方法における、静止状態 =0の状態
P
)と、橈み変形状態 (V =Vの状態）との間の、厚み方向の変位量を 1とすると、この
P H
例の駆動方法において、圧電変形領域 8の、厚み方向のトータルの変位量を同じ 1 にするために、前記圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向と反対方向、および加圧室 2 の方向に変位させる変位量は、それぞれ、全体の約半分とすることができる。
[0067] そのため、前記圧電変形領域 8が橈み変形する際に、圧電セラミック層 6の非活性 領域 16にカ卩わる面方向の応力を、これまでよりも小さくすることができるため、液滴を 吐出させな！/ヽ待機時に、圧電変形領域 8に電圧を印加しな ヽ静止状態を維持して！/ヽ ることと相まって、前記非活性領域 16がクリープ変形するのを、より一層、確実に防 止することができる。
[0068] さらに、この例の駆動方法では、待機時における、圧電変形領域 8の橈み変形の変 位量を、先に説明したように、従来の約半分にできるため、前記待機時の、圧電変形 領域 8への弾性エネルギーの蓄積を小さくできる上、前記圧電変形領域 8の形状を、 待機時および駆動時のいずれの時点でも、電圧の印加によって拘束できるため、ノィ ズ振動を発生しにくくすることができる。そのため、前記圧電変形領域 8に対応するノ ズル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕したり、クロストークの発生によって、隣接す る圧電変形領域 8に対応するノズル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりする のを防止することができる。
[0069] したがって、この例の駆動方法によれば、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータ 7の 拘束領域 9に対応する、圧電セラミック層 6の非活性領域 16が、徐々にクリープ変形 したり、圧電変形領域 8の駆動時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出が不安定 化したりするのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好なレベル に維持することが可能となる。
[0070] また、この例の駆動方法によれば、先に説明したように、圧電セラミック層 6の非活 性領域 16がクリープ変形するのを防止できることから、前記非活性領域 16の結晶状 態が変化するのを防止することができると共に、活性領域 15が、クリープ変形した非 活性領域 16から圧縮応力を受けることによって、その結晶状態が変化するのを防止 することもできる。そのため、圧電セラミック層 6の、両領域 15、 16の結晶状態を、共 に初期状態に維持することができる。
[0071] 例えば、圧電セラミック層 6が、 PZT系の圧電セラミック材料力もなる場合は、活性 領域 15と非活性領域 16とを、共に、 X線回折スペクトルのうち [200]面の回折ピーク の強度 I と、 [002]面の回折ピークの強度 I とから、式 (1) :
(200) (002)
I =1 / (1 +1 ) (1)
C (002) (002) (200)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示す c軸配向度 I 1S 駆動後に、
C
駆動前の初期状態の 1〜1. 1倍の範囲内となるように、維持することができる。
[0072] また、先に説明したように、この例の駆動方法にぉ 、て、圧電変形領域 8の、加圧 室 2の方向と反対方向、および加圧室 2の方向に変位させる変位量を、それぞれ、従 来の駆動方法における一方向への変位量の約半分に設定した場合には、圧電セラ ミック層 6の活性領域 15に印加される第 1および第 2の電圧— V 、 +Vの絶対値も、 し し
従来の駆動方法における駆動電圧 Vの絶対値の約半分に設定できるため、駆動回
H
路 13から両電極 10、 11に至る回路の耐圧値を引き下げて、絶縁構造等を簡略化で きるという利点もある。これは、一般に、横振動モードの圧電変形特性が付与された 圧電セラミック層 6を含む、ュ-モルフ型の圧電ァクチユエータ 7においては、圧電変 形領域 8の、厚み方向の橈み変形の変位量が、圧電セラミック層 6の活性領域 15に 印加される駆動電圧値に比例するためである。
[0073] また、前記圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8に、前記駆動電圧波形を印加し て駆動させる際の、電界の強さ E (kV/cm)と、圧電セラミック層 6の分極量 P ( μ C/ cm2)との関係を示す Ρ—Εヒステリシスループの面積は、図 11に示す、従来の引き打 ち式の駆動電圧波形であって、なおかつ、駆動電圧 V 1S 第 1の電圧（一 V )および
H L
第 2の電圧（+V )の電圧値の 2倍の電圧値である場合の、 P— Eヒステリシスループ し
の面積の 1. 3倍以下に設定するのが好ましい。これにより、ヒステリシス損失を小さく して、前記圧電セラミック層 6が自己発熱して脱分極を生じることで、圧電変形特性が 低下するのを防止することができる。そのため、インク滴の吐出性能を、さらに長期間 に亘つて、良好なレベルに維持することができる。
[0074] なお、前記 P— Eヒステリシスループの面積は、ヒステリシス損失をできるだけ小さく することを考慮すると、前記の範囲内でも、従来の引き打ち式の場合の、 P— Eヒステ リシスループの面積の 1倍以上に設定するのが好ましぐ 1. 01〜1. 20倍に設定す るのがさらに好ましい。 P— Eヒステリシスループの面積を、前記の範囲内に調整する ためには、第 1の電圧（一 V )および第 2の電圧（+V )の電圧値を、できるだけ小さく し し
するのが好ましい。具体的には、第 1および第 2の電圧の電圧値を、圧電ァクチユエ ータ 7の圧電変形領域 8の電界の強さ E力 圧電セラミック層 6の抗電界 Ecの強さより 大きくなる電圧値にすると、 P—Eヒステリシスループの面積が急激に増大することか ら、前記第 1および第 2の電圧の電圧値を、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8 の電界の強さ E力 圧電セラミック層 6の抗電界 Ecの強さ以下になる電圧値に設定す るのが好ましい。
[0075] また、圧電セラミック層 6の全体に圧縮応力を加えることも、 P—Eヒステリシスループ の面積を、前記の範囲内に調整するために有効である。すなわち、圧電セラミック層 6の全体に圧縮応力をカ卩えることで、分極反転が起こりにくくなるため、電界が同じで あれば、圧縮応力を大きくするほど、 P—Eヒステリシスループの面積を小さくすること ができる。
[0076] また、前記第 1および第 2の電圧—V 、 +Vの電圧値を、圧電ァクチユエータ 7の し し
圧電変形領域 8の電界の強さ E力 圧電セラミック層 6の抗電界 Ecの強さの 0. 8倍以 下となる電圧値以下、特に、 0. 5〜0. 7倍となる電圧値に設定すると、先に説明した 、脱分極を防止して、圧電変形特性が低下するのを防止する効果を、より一層、確実 なものとすることができる。そのため、インク滴の吐出性能を、より一層、長期間に亘っ て、良好なレベルに維持することができる。
[0077] 図 5は、バイモルフ型の圧電ァクチユエータ 7を備えた液体吐出装置 1の一例を示 す断面図である。図 5を参照して、この例の液体吐出装置 1は、圧電ァクチユエータ 7 以外の構成は、先の、図 2の液体吐出装置 1と同一であるので、同一箇所に同一符 号を付して、説明を省略する。圧電ァクチユエータ 7は、個々の加圧室 2に対応して 配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する 複数の圧電変形領域 8と、前記圧電変形領域 8を囲んで配設され、前記基板 5に固 定されることで変形が抑制された拘束領域 9とに区画されている。
[0078] また、圧電ァクチユエータ 7は、基板 5に配設した複数の加圧室 2を覆う大きさを有 する第 1の圧電セラミック層 6と、前記第 1の圧電セラミック層 6の上面に、加圧室 2ごと に個別に形成されて、圧電変形領域 8を区画する個別電極 10と、前記第 1の圧電セ ラミック層 6の下面に、順に積層された、いずれも、複数の加圧室 2を覆う大きさを有 する、第 1の共通電極 11と、第 2の圧電セラミック層 17と、第 2の共通電極 18とを備え 、先に説明したように、バイモルフ型の構成を有している。各個別電極 10と、第 1およ び第 2の共通電極 11、 18とは、それぞれ別個に、駆動回路 13に接続されており、駆 動回路 13は、制御手段 14に接続されている。
[0079] 第 1の圧電セラミック層 6は、例えば、 PZT等の圧電材料によって形成されていると 共に、層の厚み方向に、あらかじめ分極されて、横振動モードの圧電変形特性が付 与されており、制御手段 14からの制御信号によって、駆動回路 13が駆動されて、任 意の個別電極 10と、第 1の共通電極 11との間に、前記分極方向と同方向の電圧が 印加されると、両電極 10、 11間に挟まれた、圧電変形領域 8に対応する活性領域 1 5力 層の面方向に収縮される。また、両電極 10、 11間に、分極方向と逆方向の電 圧が印加されると、前記活性領域 15は、反対に、層の面方向に伸長される。
[0080] 一方、第 2の圧電セラミック層 17は、同様に、 PZT等の圧電材料によって形成され ていると共に、層の厚み方向に、あら力じめ分極されて、いわゆる横振動モードの圧 電変形特性が付与されている。また、第 2の圧電セラミック層 17は、制御手段 14から の制御信号によって、駆動回路 13が駆動されて、第 1および第 2の共通電極 11、 18 間に、前記分極方向と同方向の電圧が印加された際に、層の面方向に収縮され、逆 方向の電圧が印加された際に、層の面方向に伸長される、圧電変形領域 8に対応す る活性領域 19と、前記両共通電極 11、 18から電圧が印加されるものの、基板 5に固 定されて伸縮が規制された非活性領域 20とに区画されている。
[0081] 前記バイモルフ型の圧電ァクチユエータ 7においては、第 1の圧電セラミック層 6の、 任意の個別電極 10と、第 1の共通電極 11との間に、その分極方向と同方向の電圧 を印カロして、活性領域 15を面方向に収縮させるのと同期させて、第 2の圧電セラミツ ク層 17の全体に、その分極方向と逆方向の電圧を印加して、活性領域 19を面方向 に伸長させると、それに伴って、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8が、加圧室 2 の方向に突出するように橈み変形される。
[0082] 一方、第 1の圧電セラミック層 6の、任意の個別電極 10と、第 1の共通電極 11との間 に、その分極方向と逆方向の電圧を印加して、活性領域 15を面方向に伸長させるの と同期させて、第 2の圧電セラミック層 17の全体に、その分極方向と同方向の電圧を 印加して、活性領域 19を面方向に収縮させると、それに伴って、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8が、加圧室 2の方向と反対方向に突出するように橈み変形される 。そのため、前記加圧室 2の方向と、それと反対方向への、圧電変形領域 8の橈み変 形を繰り返すことによって、加圧室 2内に充てんされたインクを振動させて、ノズル 3を 通して、インク滴として吐出させることができる。
[0083] 図 4は、図 5の例の液体吐出装置 1を、本発明の駆動方法によって駆動する際に、 第 1の圧電セラミック層 6の活性領域 15に印加される駆動電圧 VPの駆動電圧波形（
1
図中上段に、太線の一点鎖線で示す）、および第 2の圧電セラミック層 17に印加され る駆動電圧 VP
2の駆動電圧波形（図中下段に、太線の一点鎖線で示す)の一例と、 これらの駆動電圧波形が印加された際の、ノズル 3内における、インクの体積速度の 変化との関係を簡略ィ匕して示すグラフである。
[0084] 図 4、図 5を参照して、まず、図 4の中の tより左側の、ノズル 3からインク滴を吐出さ
1
せない待機時には、駆動電圧 V 、 V を共に印加せず (V =0、 V =0)、圧電変
PI P2 PI P2
形領域 8の橈み変形を解除した状態を維持しており、この間、インクは静止状態、す なわち、ノズル 3におけるインクの体積速度は 0を維持し、前記ノズル 3内に、インクの 表面張力によって形成されるインクメニスカスは静止して 、る。
[0085] ノズル 3からインク滴を吐出させて、紙面にドットを形成するには、まず、その直前の tの時点で、駆動電圧 V を、分極方向と逆方向の第 1の電圧（一 V )まで充電 (V
1 P1 し 1 P1
=— V )して、活性領域 15を面方向に伸長させると共に、駆動電圧 V を、分極方 し 1 P2
向と同方向の第 1の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して、活性領域 19を面方向 し 2 P2 し 2
に収縮させることで、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向と反対方向に橈み変形させ る。
[0086] そうすると、加圧室 2の容積が一定量だけ増加するため、ノズル 3内のインクメニスカ スは、その容積の増加分だけ、前記加圧室 2の方向に引き込まれる。その際の、ノズ ル 3内でのインクの体積速度は、図 4の tと tとの間の部分に示すように、ー且、（―）
1 2
側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。
[0087] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づ 、た tの時点で、駆動電圧
2
V を、今度は、分極方向と同方向の第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して
P1 し 1 P1 し 1
、活性領域 15を、面方向に収縮させると共に、駆動電圧 V を、分極方向と逆方向の
P2
第 2の電圧（—V )まで充電 (V =— V )して、活性領域 19を面方向に伸長させる し 2 P2 し 2
ことによって、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向に突出するように橈み変形させる。
[0088] そうすると、ノズル 3内のインクは、インクメニスカスが加圧室 2の側に最も大きく引き 込まれた状態 (tの時点の、体積速度が 0の状態)から、逆に、ノズル 3の先端方向へ
2
戻ろうとしているところに、圧電変形領域 8を加圧室 2の方向に橈み変形させて、加圧 室 2の容積を減少させることによって、前記加圧室 2から押し出されたインクの圧力が 加わることになるため、ノズル 3の先端側の方向へ加速されて、前記ノズル 3の外方へ 大きく突出する。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 4の tと tとの間の
2 3
部分に示すように、ー且、（+ )側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に 近づく。これにより、先に説明したインク柱が形成される。
[0089] 次に、ノズル 3の外方へ突出したインクの体積速度が限りなく 0に近づいた時点（図 4の tの時点）で、駆動電圧 V を、再び、第 1の電圧（一 V )まで充電 (V = -V )
3 PI し 1 PI し 1 して、活性領域 15を面方向に伸長させると共に、駆動電圧 V を、再び、第 1の電圧（
P2
+V )まで充電 (V = +V )して、活性領域 19を面方向に収縮させることによって し 2 P2 し 2
、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向と反対方向に橈み変形させる。
[0090] そうすると、インクが、ノズル 3の外方へ最も大きく突出した状態 (tの時点の、体積
3
速度が 0の状態)から、逆に、加圧室 2の方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形 領域 8を加圧室 2の方向と反対方向に橈み変形させて、加圧室 2の容積を再び増加 させたことによる、マイナスの圧力が加わることによって、ノズル 3の外方へ伸び切つ たインク柱が切り離されて、 1滴目のインク滴が生成される。インク柱が切り離されたノ ズル 3内のインクは、再び、加圧室 2の方向に引き込まれる。その際の、ノズル 3内で のインクの体積速度は、図 4の tと tとの間の部分に示すように、ー且、（一）側に大き
3 4
くなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。
[0091] 次に、ノズル 3でのインクの体積速度が限りなく 0に近づ 、た tの時点で、駆動電圧
4
V を、再び、第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して、活性領域 15を面方向
P1 し 1 P1 し 1
に収縮させると共に、駆動電圧 V を、再び、第 2の電圧（一 V )まで充電 (V = -V
P2 し 2 P2
)して、活性領域 19を面方向に伸長させることによって、圧電変形領域 8を、加圧室 し 2
2の方向に橈み変形させる。そうすると、先の、 tから tの間でのインクの挙動と同じメ
2 3
力-ズムによって、インクが、再び、ノズルの外方へ大きく突出して、インク柱が形成さ れる。その際の、ノズル 3内でのインクの体積速度は、図 4の tと tとの間の部分に示
4 5
すように、ー且、（+ )側に大きくなつた後、徐々に小さくなつて、やがて 0に近づく。
[0092] そして、ノズル 3でのインクの体積速度が 0になった時点（図 4の tの時点）以降、ィ
5
ンクの振動の速度が加圧室 2の側に向力うことによって、ノズル 3の外方へ伸びきつた インク柱が切り離されて、 2滴目のインク滴が生成される。生成された 1滴目および 2 滴目のインク滴は、それぞれ、ノズル 3の先端に対向させて配設した紙面まで飛翔し て、 1つのドットを形成する。
[0093] 前記一連の動作は、図 4に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅 Tが固有振動
2
周期 Tの約 1Z2であるパルスを 2回、含む駆動電圧波形を有する駆動電圧 V を、
1 P1 活性領域 15に印加すると共に、それと同期する逆位相の駆動電圧波形を有する駆 動電圧 V を、第 2の圧電セラミック層 17に印加していることに相当する。 1つのドット
P2
を、 1滴のみのインク滴で形成する場合は、前記パルスを、 1回のみとすればよい。ま た、 1つのドットを、 3滴以上のインク滴で形成する場合は、パルスを、インク滴の数に 応じた回数、発生させればよい。一連の動作が終了後、引き続いて、次のドットを形 成する場合は、再び、 tカゝら始まる操作が繰り返し行われる。また、次のドットを形成し
1
ない場合は、駆動電圧 V 、 V を共に印カロしない (V =0、 V =0)待機状態とされ
PI P2 PI P2
る。
[0094] この例の駆動方法によれば、前記一連の動作を行うことで、バイモルフ型の圧電ァ クチユエータ 7の拘束領域 9に対応する、第 1の圧電セラミック層 6の非活性領域 16、 および、第 2の圧電セラミック層 17の非活性領域 20が、それぞれ、徐々にクリープ変 形するのを防止することができる。
[0095] また、先に説明したュ-モルフ型の場合と同様に、電圧を印加しない静止状態に 対する、圧電変形領域 8の、加圧室 2の方向と反対方向、および加圧室 2の方向に変 位させる変位量を、それぞれ、ノ ィモルフ型の圧電ァクチユエータ 7の、従来の駆動 方法の約半分として、前記圧電変形領域 8が橈み変形する際に、両非活性領域 16、 20にカ卩わる面方向の応力を、これまでよりも小さくすることができるため、液滴を吐出 させな!/ヽ待機時に、圧電変形領域 8に電圧を印加しな ヽ静止状態を維持して!/ヽるこ とと相まって、前記両非活性領域 16、 20がクリープ変形するのを、より一層、確実に 防止することができる。
[0096] さらに、待機時における、圧電変形領域 8の橈み変形の変位量を、従来の約半分 にできるため、前記待機時の、圧電変形領域 8への弾性エネルギーの蓄積を小さく できる上、前記圧電変形領域 8の形状を、待機時および駆動時のいずれの時点でも 、電圧の印加によって拘束できるため、ノイズ振動を発生しに《することができる。そ のため、前記圧電変形領域 8に対応するノズル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕 したり、クロストークの発生によって、隣接する圧電変形領域 8に対応するノズル 3から の、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを防止することができる。
[0097] したがって、この例の駆動方法によれば、バイモルフ型の圧電ァクチユエータ 7の拘 束領域 9に対応する、第 1の圧電セラミック層 6の非活性領域 16と、第 2の圧電セラミ ック層 17の非活性領域 20とが、徐々にクリープ変形したり、圧電変形領域 8の駆動 時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを防止して、イン ク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好なレベルに維持することが可能となる。
[0098] また、この例の駆動方法によれば、例えば、第 1および第 2の圧電セラミック層 6、 17 力 いずれも、 PZT系の圧電セラミック材料カゝらなる場合は、活性領域 15、 19と非活 性領域 16、 20とを、共に、 X線回折スペクトルのうち [200]面の回折ピークの強度 I
(200) と、 [002]面の回折ピークの強度 I とから、式 (1) :
(002)
I =1 / (1 +1 ) (1)
C (002) (002) (200)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示す C軸配向度 I力 駆動後に、 駆動前の初期状態の 1〜1. 1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持すること ができる。
[0099] また、圧電変形領域 8の、加圧室 2の方向と反対方向、および加圧室 2の方向に変 位させる変位量を、それぞれ、従来の駆動方法における一方向への変位量の約半 分に設定した場合には、第 1の圧電セラミック層 6の活性領域 15に印加される第 1お よび第 2の電圧—V 、 +V の絶対値、および、第 2の圧電セラミック層 17に印加さ し 1 し 1
れる第 1および第 2の電圧 +V 、 -V の絶対値を、前記従来の駆動方法における
L2 L2
駆動電圧値の約半分に設定できるため、駆動回路 13から両電極 10、 11に至る回路 の耐圧値を引き下げて、絶縁構造等を簡略ィ匕できるという利点もある。その理由は、 先に説明したュ-モルフ型の圧電ァクチユエータ 7の場合と同様である。つまり、圧 電変形領域 8の、厚み方向の橈み変形の変位量が、第 1の圧電セラミック層 6の活性 領域 15と、第 2の圧電セラミック層 17とに印加される駆動電圧値に比例するためであ る。
[0100] また、一般に、バイモルフ型の圧電ァクチユエータ 7においては、第 1および第 2の 圧電セラミック層 6、 17に印加される、それぞれの駆動電圧値を、圧電変形領域の変 位量が同じに設定された、ュ-モルフ型の圧電ァクチユエータの圧電セラミック層に 印加される駆動電圧値の約半分とすることができる。そのため、この例の駆動方法に よれば、前記各電圧— V 、 +V 、 +V 、 一 V の絶対値を、それぞれ、ュ-モルフ し 1 し 1 し 2 し 2
型の圧電ァクチユエータの、図 11に示した従来の駆動方法における駆動電圧値 V
H
の、約 1Z4に設定することができる。
[0101] また、前記圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8に、前記駆動電圧波形を印加し て駆動させる際の、電界の強さ E (kV/cm)と、圧電セラミック層の分極量 P ( μ C/c m2)との関係を示す P—Eヒステリシスループの面積を、図 11に示す、従来の引き打 ち式の駆動電圧波形 (第 1の圧電セラミック層 6に印加）と、それと逆位相の駆動電圧 波形 (第 2の圧電セラミック層 17に印カロ、図示せず)であって、なおかつ、駆動電圧 V 力、共に、前記各電圧 V 、 +V 、 一 V 、 +V の電圧値の 2倍の電圧値である
H LI LI L2 L2
場合の、 P— Eヒステリシスループの面積の 1. 3倍以下に設定することにより、前記第 1および第 2の圧電セラミック層 6、 17の脱分極を防止して、圧電変形特性が低下す るのを防止することができる。
[0102] 前記 P—Eヒステリシスループの面積は、ヒステリシス損失をできるだけ小さくすること を考慮すると、前記の範囲内でも、従来の引き打ち式の場合の、 P— Eヒステリシスル ープの面積の 1倍以上に設定するのが好ましぐ 1. 01〜1. 20倍に設定するのがさ らに好ましい。また、 P—Eヒステリシスループの面積を、前記の範囲内に調整するた めには、前記各電圧—V 、 +V 、 一 V 、 +V の電圧値を、圧電ァクチユエータ 7 し 1 し 1 し 2 し 2
の圧電変形領域 8の電界の強さ Eが、前記両圧電セラミック層 6、 17の抗電界 Ecの 強さより小さくなる電圧値に設定するのが好ましぐ特に、圧電セラミック層 6の抗電界 の強さの 0. 8倍以下となる電圧値、中でも 0. 5〜0. 7倍となる電圧値に設定するの が好ましい。
[0103] 図 6は、モノモルフ型の圧電ァクチユエータ 7を備えた液体吐出装置 1の一例を示 す断面図である。図 6を参照して、この例の液体吐出装置 1は、圧電ァクチユエータ 7 以外の構成は、先の、図 2の液体吐出装置 1と同一であるので、同一箇所に同一符 号を付して、説明を省略する。圧電ァクチユエータ 7は、個々の加圧室 2に対応して 配設され、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する 複数の圧電変形領域 8と、前記圧電変形領域 8を囲んで配設され、前記基板 5に固 定されることで変形が抑制された拘束領域 9とに区画されている。
[0104] また、圧電ァクチユエータ 7は、基板 5に配設した複数の加圧室 2を覆う大きさを有 する圧電セラミック層 6と、前記圧電セラミック層 6の上面に、加圧室 2ごとに個別に形 成されて、圧電変形領域 8を区画する個別電極 10と、前記圧電セラミック層 6の下面 に形成された、複数の加圧室 2を覆う大きさを有する共通電極 11とを備え、先に説明 したように、モノモルフ型の構成を有している。
[0105] すなわち、前記圧電ァクチユエータ 7は、圧電セラミック層 6を傾斜機能材料化する 力 もしくは、半導体効果を利用することによって、振動板や第 2の圧電セラミック層を 積層することなしに、両電極 10、 11を介して圧電セラミック層 6に印加される電圧の 方向に応じて、圧電変形領域 8を、加圧室 2の方向と反対方向、および加圧室 2の方 向に橈み変形可能とされている。前記モノモルフ型の圧電ァクチユエータ 7は、例え ば、機能材料の傾斜方向を選択する等すれば、図 1に示す駆動電圧波形を有する 駆動電圧 Vを印加することによって、その圧電変形領域 8を、図 2のュ-モルフ型の
P
ものと同様に振動させることが可能である。
[0106] つまり、図 1中の tより左側の待機時には、駆動電圧 Vを印加せず (V =0)、圧電
1 P P
変形領域 8の橈み変形を解除した状態を維持し、 tの時点で、駆動電圧 Vを第 1の
1 P 電圧（一 V )まで充電 (V = -V )して、圧電変形領域 8を加圧室 2の方向と反対方 し P L
向に橈み変形させることで、加圧室 2内のインクの振動を開始させ、 tの時点で、駆
2
動電圧 Vを第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )して、圧電変形領域 8を加圧室
P し P し
2の方向に突出するように橈み変形させて、インク柱を生成させた後、 tの時点で、再
3
び駆動電圧 Vを第 1の電圧（一 V )まで充電 (V =— V )して、圧電変形領域 8をカロ
P し P し
圧室 2の方向と反対方向に橈み変形させると、ノズル 3の外方へ伸び切ったインク柱 が切り離されて、 1滴目のインク滴が生成される。
[0107] 次いで、 tの時点で、再び駆動電圧 Vを第 2の電圧（+V )まで充電 (V = +V )し
4 P し P し て、圧電変形領域 8を加圧室 2の方向に橈み変形させて、再びインク柱を生成させる と、 tの時点以降、インクの振動の速度が加圧室 2の側に向力うことによって、ノズル 3
5
の外方へ伸びきつたインク柱が切り離されて、 2滴目のインク滴が生成される。そして 、生成された 1滴目および 2滴目のインク滴が、それぞれ、ノズル 3の先端に対向させ て配設した紙面まで飛翔して、 1つのドットを形成する。
[0108] 前記一連の動作は、図 1に太線の一点鎖線で示すように、パルス幅 Tが固有振動
2
周期 Tの約 1Z2であるパルスを 2回、含む駆動電圧波形を有する駆動電圧 Vを、
1 P 活性領域 15に印加していることに相当する。 1つのドットを、 1滴のみのインク滴で形 成する場合は、前記パルスを、 1回のみとすればよい。また、 1つのドットを、 3滴以上 のインク滴で形成する場合は、ノ ルスを、インク滴の数に応じた回数、発生させれば よい。一連の動作が終了後、引き続いて、次のドットを形成する場合は、再び、 t
1から 始まる操作が繰り返し行われる。また、次のドットを形成しない場合は、駆動電圧 V
Pを 印加しない (V =o)待機状態とされる。
p
[0109] この例の駆動方法によれば、前記一連の動作を行うことで、モノモルフ型の圧電ァ クチユエータ 7の拘束領域 9に対応する、圧電セラミック層 6の非活性領域 16のうち、 厚み方向の突出側の領域が、面方向に圧縮し、反対側の領域が、面方向に伸長す るように、徐々にクリープ変形するのを防止して、インク滴の吐出性能を、良好なレべ ノレ〖こ維持することができる。
[0110] また、先に説明したュ-モルフ型、およびバイモルフ型の場合と同様に、電圧を印 加しない静止状態に対する、圧電変形領域 8の、加圧室 2の方向と反対方向、およ び加圧室 2の方向に変位させる変位量を、それぞれ、モノモルフ型の圧電ァクチユエ ータ 7の、従来の駆動方法の約半分として、前記圧電変形領域 8が橈み変形する際 に、非活性領域 16の各領域に加わる面方向の応力を、これまでよりも小さくすること ができるため、液滴を吐出させない待機時に、圧電変形領域 8に電圧を印加しない 静止状態を維持していることと相まって、前記非活性領域 16の各領域がクリープ変 形するのを、より一層、確実に防止することができる。
[0111] さらに待機時における、圧電変形領域 8の橈み変形の変位量を、従来の約半分に できるため、前記待機時の、圧電変形領域 8への弾性エネルギーの蓄積を小さくでき る上、前記圧電変形領域 8の形状を、待機時および駆動時のいずれの時点でも、電 圧の印加によって拘束できるため、ノイズ振動を発生しに《することができる。そのた め、前記圧電変形領域 8に対応するノズル 3からの、インク滴の吐出が不安定ィ匕した り、クロストークの発生によって、隣接する圧電変形領域 8に対応するノズル 3からの、 インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを防止することができる。
[0112] したがって、この例の駆動方法によれば、モノモルフ型の圧電ァクチユエータ 7の拘 束領域 9に対応する、圧電セラミック層 6の非活性領域 16の各領域力 徐々にタリー プ変形したり、圧電変形領域 8の駆動時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出が 不安定ィ匕したりするのを防止して、インク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好な レベルに維持することが可能となる。
[0113] また、この例の駆動方法によれば、例えば、圧電セラミック層 6が PZT系の圧電セラ ミック材料カゝらなる場合は、活性領域 15と非活性領域 16とを、共に、 X線回折スぺク トルのうち [200]面の回折ピークの強度 I と、 [002]面の回折ピークの強度 I とか
(200) (002) ら、式 (1) :
I =1 / (1 +1 ) (1)
C (002) (002) (200)
によって求められる、セラミック材料の結晶状態を示す C軸配向度 I力 駆動後に、 駆動前の初期状態の 1〜1. 1倍の範囲内となるように、その結晶状態を維持すること ができる。
[0114] また、圧電変形領域 8の、加圧室 2の方向と反対方向、および加圧室 2の方向に変 位させる変位量を、それぞれ、従来の駆動方法における一方向への変位量の約半 分に設定した場合には、圧電セラミック層 6の活性領域 15に印加される第 1および第 2の電圧—V 、 +Vの絶対値を、モノモルフ型の圧電ァクチユエータ 7の、従来の駆
L L
動方法における駆動電圧値の約半分に設定できるため、駆動回路 13から両電極 10 、 11に至る回路の耐圧値を引き下げて、絶縁構造等を簡略ィ匕できるという利点もある
[0115] 本発明の構成は、以上で説明した各図の例に限定されるものではない。例えば、 図 2のュニモルフ型の圧電ァクチユエータ 7を例にとって説明すると、圧電セラミック 層 6の活性領域 15に印加する駆動電圧波形は、従来の、引き打ち式の駆動方法に おける電圧 Vを第 2の電圧 +V→に変更し、 OVを第 1の電圧— Vに変更しただけ
H L L
のちのとしてちよい。
[0116] その場合、待機時には、圧電セラミック層 6の活性領域 15が、第 2の電圧 +Vの印 し 加によって収縮し続けることで、その周りの非活性領域 16力 面方向に延びるように クリープ変形するが、インク滴の吐出時に、第 1の電圧 V
しが印加されて、活性領域
15が強制的に伸長されることで、非活性領域 16のクリープ変形を解消することがで きる。また、第 2の電圧 +Vの絶対値を、前記電圧 Vの約半分とした場合には、タリ
L H
ープ変形量自体を小さくすることもできる。
[0117] その上、圧電変形領域 8の橈み変形の変位量を、従来に比べて小さくして、前記待 機時の、圧電変形領域 8への弾性エネルギーの蓄積を小さくすると共に、前記圧電 変形領域 8の形状を、待機時および駆動時のいずれの時点でも、電圧の印加によつ て拘束して、ノイズ振動を発生しに《することもできる。そのため、圧電セラミック層の 、活性領域を囲む非活性領域が、徐々にクリープ変形したり、圧電変形領域の駆動 時にノイズ振動が発生して、インク滴の吐出が不安定ィ匕したりするのを防止して、イン ク滴の吐出性能を、長期間に亘つて、良好なレベルに維持することができる。その他 、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更を施すことができる。 実施例
[0118] 〈実施例 1〉
(圧電ァクチユエータの作製）
粒径 0. 5〜3. 0 mのチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電セラミック粉体に 対して、アクリル系榭脂エマルシヨンと、純水とを配合し、平均粒径 10mmのナイロン ボールと共に、ボールミルを用いて 30時間、混合してスラリーを調製した。次に、前 記スラリーを用いて、引き上げ法によって、厚み 30 mのポリエチレンテレフタレート (PET)フィルム上に、圧電セラミック層 6、振動板 12のもとになる、厚み17〜19 111 のグリーンシートを形成した。
[0119] 次に、前記グリーンシートを、 PETフィルムと共に、縦 50mm X横 50mmの正方形 に裁断したものを 2枚、用意し、そのうち 1枚のグリーンシートの、露出した表面のほぼ 全面に、共通電極 11のもとになる金属ペーストを、スクリーン印刷法によって印刷し た後、 2枚のグリーンシートを、防爆型の乾燥機を用いて、 50°Cで 20分間、乾燥させ た。なお、金属ペーストとしては、共に平均粒径が 2〜4 mである銀粉末とパラジゥ ム粉末とを、重量比で 7 : 3の割合で配合したものを用いた。また、もう 1枚のグリーン シートには、共通電極 11への配線のためのスルーホールを形成した。
[0120] 次に、乾燥させた 1枚目のグリーンシートの、金属ペーストを印刷した面に、もう 1枚 のグリーンシートを位置合わせしながら重ね合わせた後、その厚み方向に 5MPaの 圧力をかけながら、 60°Cで 60秒間、保持して熱圧着させ、次いで、両グリーンシート 力 PETフィルムを剥離すると共に、スルーホールに、前記と同じ金属ペーストを充 てんして積層体を作製した。
[0121] 次に、前記積層体を、乾燥機中で、 100°C力も昇温を開始して、毎時 8°Cの昇温速 度で、 25時間かけて 300°Cまで昇温させて脱脂した後、室温まで冷却した。そして、 さらに焼成炉中で、ピーク温度 1100°Cで 2時間、焼成して、圧電セラミック層 6と、共 通電極 11と、振動板 12との積層体を得た。圧電セラミック層 6、振動板 12の厚みは、 共に 10 mであった。また、圧電セラミック層 6の抗電界の強さは、 17kVZcmであ つた o
[0122] 次に、前記積層体のうち、圧電セラミック層 6の、露出した表面に、スクリーン印刷法 によって、前記と同じ金属ペーストを用いて、複数個の個別電極 10に対応するバタ ーンを印刷し、ピーク温度 850°Cで 30分間かけて連続炉中を通過させることで、金 属ペーストを焼き付けて、複数個の個別電極 10を形成した後、積層体を、ダイシング ソーを用いて周辺をカットして、外形を、縦 33mm X横 12mmの長方形に揃えた。個 別電極層 25のパターンは、 254 mピッチで 1列あたり 90個の個別電極層 25を、前 記長方形の長さ方向に沿って 2列、配列して、ュニモルフ型の圧電ァクチユエータ 7 を作製した。
[0123] (液体吐出装置の製造）
厚み 100 μ mのステンレス箔を、金型プレスを用いて打ち抜き加工して、長さ 2mm X幅 0. 18mmの加圧室 2が、前記個別電極 10の形成ピッチに合わせて、 90個ずつ 2列に配列された第 1基板を作製した。また、厚み 100 mのステンレス箔を、同じく 金型プレスを用いて打ち抜き加工して、インクジェットプリンタのインク補給部から、各 加圧室にインクを供給するための共通供給路と、加圧室 2とノズル 3とを繋ぐ流路とが 、加圧室 2の配列に対応させて配列された第 2基板を作製した。さらに、厚み 40 m のステンレス箔をエッチングカ卩ェして、直径 26 μ mのノズル 3力 加圧室 2の配列に 対応させて配列された第 3基板を作製した。
[0124] そして、前記第 1〜第 3基板を、接着剤を用いて貼り合わせて基板 5を作製し、この 基板 5と、先に作製した圧電ァクチユエータ 7とを、接着剤を用いて貼り合わせた後、 圧電ァクチユエータ 7の表面側において、各個別電極 10と、スルーホール内に充て んされ、共通電極 11と接続された電極層剤の露出部とを、フレキシブル基板を用い て、駆動回路 13に接続して、図 1の液体吐出装置 1を製造した。
[0125] (耐久性試験）
実施例 1で製造した液体吐出装置 1を、高速バイポーラ電源と、ファンクションシン セサイザ一とを用いて発生させた駆動電圧波形により、本発明の駆動方法、および 従来の、引き打ち式の駆動方法で連続的に駆動させた際の、圧電ァクチユエータ 7 の圧電変形領域 8の変位量の推移を測定した。
[0126] すなわち、連続駆動を開始する前の初期状態 (0サイクル）と、一定の駆動サイクル
(紙面に、ドットを 1つ形成するのに要する一連の動作を、 1サイクルとする）ごとに、そ れぞれ、駆動を中止して、周波数 12kHzの正弦波を印加して圧電変形領域 8を振動 させながら、その振動面に、レーザードップラー振動計を用いて、レーザーを照射し て測定した振動速度を積分処理して、そのときの、圧電変形領域 8の変位量を求め た。そして、特定の駆動サイクルが終了した時点での圧電変形領域 8の変位量が、初 期状態における変位量に対して、何パーセント変化したかを図 7にプロットした。
[0127] なお、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8に、本発明の駆動方法では、図 1に 示す駆動電圧波形（+V = + 10V、 -V = 10V、駆動周波数 2kHz)を印加し、 し し
従来の、引き打ち式の駆動方法では、図 11に示す駆動電圧波形 (V = + 20V、駆
H
動周波数 2kHz)を印加した。
[0128] その結果、図 7に示すように、従来の、引き打ち式の駆動方法で駆動させた際には 、圧電変形領域 8の変位量が、 10 X 108サイクルまでの間に、著しく低下しているの が判った。これに対し、本発明の駆動方法で駆動させた際には、測定を終了した 20 X 108サイクルまでの間、変位量が全く低下しないだけでなぐ逆に、わずかに上昇し ていることが確認された。
[0129] (電圧一変位量特性試験）
実施例 1で製造した液体吐出装置 1を、前記と同様にして発生させた駆動電圧波 形により、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で、印加する 駆動電圧を変化させて駆動させた際の、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8の 変位量を、前記と同様にして測定した。駆動周波数は、いずれの駆動方法において も 2kHzとした。そして、本発明の駆動方法においては、第 1の電圧（― V )の電圧値 し
〔=第 2の電圧（+V )の電圧値〕と、圧電変形領域 8の変位量との関係を、また、従 し
来の、引き打ち式の駆動方法においては、電圧 Vと、圧電変形領域 8の変位量との
H
関係を、図 8にプロットした。その結果、図 8に示すように、本発明の駆動方法によれ ば、同じ変位量を得るために、圧電変形領域に印加する第 1および第 2の電圧の電 圧値を、従来の、引き打ち式の駆動方法において印加する電圧 Vの電圧値の、約 1
H
Z2にできることが確認された。
[0130] (P— Eヒステリシス特性の測定 I)
実施例 1で製造した液体吐出装置 1の、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8に 、第 1および第 2の電圧のモデルとして、周波数 100Hz、振幅—10〜 + 10Vの三角 波、または、周波数 100Hz、振幅— 20〜 + 20Vの三角波を印加した際の、電界の 強さ E (kVZcm)と、圧電セラミック層 6の分極量 P ( CZcm2)との関係を示す P— Eヒステリシスループを測定した。測定には、（株)東陽テク-力製の強誘電体特性評 価システム FCE—HS2を使用した。その結果、図 9に示すように、第 1および第 2の 電圧の電圧値を、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8の電界の強さ E (kV/cm) 力 圧電セラミック層の抗電界 Ecの強さの 0. 8倍以下となる 10Vとした場合には、 0. 8倍を超える 20Vとした場合に比べて、 P—Eヒステリシスループを著しく小さくできる ことが確認された。なお、圧電セラミック層 6の厚みは 10 mであるので、圧電ァクチ ユエータ 7の圧電変形領域 8に 10Vの電圧を印加した際の、電界の強さ E (kV/cm) は 10 VZO . 001 cm = 1 OkVZcmである。
[0131] (P— Eヒステリシス特性の測定 Π)
実施例 1で製造した液体吐出装置 1の、圧電ァクチユエータ 7の圧電変形領域 8に 、本発明の駆動方法における第 1および第 2の電圧のモデルとしての、周波数 100H ζ、振幅 10〜 + 10Vの三角波、または、従来の、引き打ち式の駆動方法における 電圧のモデルとしての、周波数 100Hz、振幅 0〜 + 20Vの三角波を印加した際の、 電界の強さ E (kV/cm)と、圧電セラミック層 6の分極量 P ( μ C/cm )との関係を示 す P—Eヒステリシスループを、前記と同様にして測定したところ、図 10に示す結果が 得られた。図 10から、それぞれの P—Eヒステリシスループの面積を測定したところ、 本発明の駆動方法における P—Eヒステリシスループの面積は、従来の、引き打ち式 の駆動方法における P— Eヒステリシスループの面積の 1. 3倍以下である、 1. 2倍で あることが確認された。
[0132] (結晶状態の測定）
実施例 1で製造した液体吐出装置 1を、前記と同様にして発生させた駆動電圧波 形により、本発明の駆動方法、および従来の、引き打ち式の駆動方法で連続的に、 1 O X 108サイクル駆動させた後、装置力も圧電セラミック層 6を取り出し、個別電極 10 を除去して露出させた活性領域 15と非活性領域 16の表面に、直径 100 mの円形 X線ビームをスポット照射して、ブラッグ角 2 Θ =43〜46° の間の X線回折スペクトル を測定した。
[0133] そして、 X線回折スペクトルのうち [200]面の回折ピーク強度と、 [002]面の回折ピ ーク強度とから、前記式 (1)によって、 C軸配向度 Iを求めると共に、この C軸配向度 I
C C
力 圧電ァクチユエータを組み立てる前の圧電セラミック層について、前記と同様にし て、あら力じめ測定しておいた c軸配向度 Iの初期値の何倍になるかを求めた。
C
その結果、従来の、引き打ち式の駆動方法で駆動させた際には、活性領域 15の C 軸配向度 I力 初期値の 1. 5倍、非活性領域 16の C軸配向度 I力 初期値の 0. 7
C C
倍と、いずれも、初期値に対して大きく変化しており、結晶状態が変化していることが 判った。これに対し、本発明の駆動方法で駆動させた際には、活性領域 15の C軸配 向度 I力 初期値の 1. 04倍、非活性領域 16の C軸配向度 I 1S 初期値の 1. 07倍
C C
であってほとんど変化しておらず、初期の結晶状態が維持されて 、ることが確認され た。
[0134] 〈実施例 2〉
圧電セラミック層 6の厚みを 15 m、加圧室 2の平面形状を、長さ 2. 2mm X幅 0. 65mmとしたこと以外は、実施例 1と同様にして、ュ-モルフ型の圧電ァクチユエータ 7を有する、図 1の液体吐出装置 1を製造した。圧電セラミック層 6の抗電界 Ecは 17k VZcmであった。
[0135] (吐出試験）
実施例 2で製造した液体吐出装置 1の、圧電ァクチユエータ 7の、 1つの圧電変形 領域 8に、図 1に示す駆動電圧波形（+V = + 15V、 —V =— 15V、駆動周波数 1 し し
kHz)を印カロして、前記圧電変形領域 8を、本発明の駆動方法によって駆動させて、 対応するノズル 3から、先頭滴の速度 9mZsの条件で、インク滴を吐出させると共に、 前記駆動電圧波形の印加から 120 s後にストロボを発光させて、ノズル 3の先端か ら lmmの位置の、インク滴の像を撮影したところ、 2滴の、通常サイズのインク滴のみ が撮影されたことから、ノイズ振動が発生していないことが確認された。また、駆動さ せた圧電変形領域 8と隣接する圧電変形領域 8に対応するノズル 3において、同様 の撮影を行ったところ、インク滴は撮影されておらず、クロストークが発生していないこ とが確認された。 一方、前記液体吐出装置 1の、圧電ァクチユエータ 7の、 1つの圧電変形領域 8に、 図 11に示す駆動電圧波形 (V = + 30V、駆動周波数 1kHz)を印加して、前記圧電
H
変形領域 8を、従来の、引き打ち式の駆動方法によって駆動させて、対応するノズル 3から、先頭滴の速度 9mZsの条件で、インク滴を吐出させると共に、前記駆動電圧 波形の印加から 120 s後にストロボを発光させて、ノズル 3の先端から lmmの位置 の、インク滴の像を撮影したところ、 2滴の、通常サイズのインク滴と、 3滴の微小なィ ンク滴の、計 5滴のインク滴が撮影されたことから、ノイズ振動が発生していることが確 認された。また、駆動させた圧電変形領域 8と隣接する圧電変形領域 8に対応するノ ズル 3において、同様の撮影を行ったところ、微小なインク滴が撮影されており、クロ ストークが発生して 、ることが確認された。

Claims

請求の範囲
(A) 液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通し、加圧室内の液体を、液 滴として吐出させるためのノズルとを有する複数の液滴吐出部を、面方向に配列させ て形成した基板と、
(B) 前記基板の複数の加圧室を覆う大きさを有する、少なくとも 1層の圧電セラミツ ク層を含み、前記基板に積層された板状の圧電ァクチユエータと、
を備えると共に、前記圧電ァクチユエータが、個々の加圧室に対応して配設され、個 別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に橈み変形する複数の圧電 変形領域と、前記圧電変形領域を囲む拘束領域とに区画された液体吐出装置の、 前記圧電ァクチユエータの任意の圧電変形領域に、第 1の電圧と、前記第 1の電圧と 等価で、かつ、逆極性の、第 2の電圧とを含む駆動電圧波形を印加することで、前記 圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ橈み変形させて、 対応する液滴吐出部の、加圧室の容積を変化させることによって、連通するノズルを 通して液滴を吐出させることを特徴とする液体吐出装置の駆動方法。
圧電セラミック層は、 PZT系の圧電セラミック材料によって形成されると共に、圧電 変形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画され、か つ、前記両領域は、共に、 X線回折スペクトルのうち [200]面の回折ピークの強度 I
(200) と、 [002]面の回折ピークの強度 I とから、式 (1) :
(002)
I =1 / (1 +1 ) (1)
C (002) (002) (200)
によって求められる、セラミック材料の c軸配向度 I 1S 駆動後に、駆動前の初期状
C
態の 1〜1. 1倍の範囲内を維持する請求項 1記載の液体吐出装置の駆動方法。 圧電ァクチユエータの圧電変形領域に、前記駆動電圧波形を印加して駆動させる 際の、電界の強さ E (kV/cm)と、圧電セラミック層の分極量 P ( μ C/cm )との関係 を示す P— Eヒステリシスループの面積を、前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波 形の第 1および第 2の電圧の電圧値の 2倍の電圧値を有する、単一極性の電圧をォ ンーオフする駆動電圧波形を印加して駆動させる際の、 P— Eヒステリシスループの 面積の 1. 3倍以下に設定する請求項 1または 2記載の液体吐出装置の駆動方法。 第 1および第 2の電圧の電圧値を、圧電ァクチユエータの圧電変形領域の電界の 強さ E (kVZcm)力 圧電セラミック層の抗電界 Ecの強さの 0. 8倍以下となる電圧値 に設定する請求項 1〜3のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
[5] 液滴を吐出させな！/ヽ待機時には、圧電変形領域に電圧を印加しな！ヽ状態を維持 する請求項 1〜4のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
[6] 圧電ァクチユエータは、
(0 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応 した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された 1層の圧電セラミツ ク層と、
GO 前記圧電セラミック層の片側に積層されて、前記活性領域の面方向の伸縮に よって厚み方向に橈み変形する振動板と、
を備えており、前記圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面方向 に伸縮させることで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動さ せる請求項 1〜5のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
[7] 圧電ァクチユエータは、
(I) 厚み方向に電圧が印加されることで面方向に伸縮する、圧電変形領域に対応 した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された第 1の圧電セラミツ ク層と、
(II) 前記第 1の圧電セラミック層の片側に積層されて、厚み方向に電圧が印加され ることで、面方向に伸縮する第 2の圧電セラミック層と、
を備えており、前記第 1の圧電セラミック層の活性領域に駆動電圧波形を印加して面 方向に伸縮させるのと同期させて、前記第 2の圧電セラミック層を、前記活性領域の 伸縮と逆の位相で伸縮させることで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚 み方向に振動させる請求項 1〜5のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
[8] 圧電ァクチユエータは、電圧が印加されることで厚み方向に橈み変形する、圧電変 形領域に対応した活性領域と、拘束領域に対応した非活性領域とに区画された 1層 の圧電セラミック層を備えており、前記圧電セラミック層に駆動電圧波形を印加するこ とで、前記圧電ァクチユエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項 1ま たは 2記載の液体吐出装置の駆動方法。
PCT/JP2006/312622 2005-06-24 2006-06-23 液体吐出装置の駆動方法 WO2006137528A1 (ja)

Priority Applications (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US11/993,010 US7896456B2 (en) 2005-06-24 2006-06-23 Method for driving liquid ejector
EP06780659A EP1902841B1 (en) 2005-06-24 2006-06-23 Method for driving liquid ejector
JP2007522382A JP5118485B2 (ja) 2005-06-24 2006-06-23 液体吐出装置の駆動方法およびその方法を用いる液体吐出装置
US13/022,491 US8210630B2 (en) 2005-06-24 2011-02-07 Method for driving liquid ejector

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005185791 2005-06-24
JP2005-185791 2005-06-24
JP2005-376131 2005-12-27
JP2005376131 2005-12-27

Related Child Applications (2)

Application Number Title Priority Date Filing Date
US11/993,010 A-371-Of-International US7896456B2 (en) 2005-06-24 2006-06-23 Method for driving liquid ejector
US13/022,491 Continuation US8210630B2 (en) 2005-06-24 2011-02-07 Method for driving liquid ejector

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2006137528A1 true WO2006137528A1 (ja) 2006-12-28

Family

ID=37570545

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/JP2006/312622 WO2006137528A1 (ja) 2005-06-24 2006-06-23 液体吐出装置の駆動方法

Country Status (4)

Country Link
US (2) US7896456B2 (ja)
EP (1) EP1902841B1 (ja)
JP (1) JP5118485B2 (ja)
WO (1) WO2006137528A1 (ja)

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009246059A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Brother Ind Ltd 圧電アクチュエータ及び液体移送装置
JP2011514005A (ja) * 2008-03-11 2011-04-28 エプコス アクチエンゲゼルシャフト 圧電素子を作動させる方法
JP2014177061A (ja) * 2013-03-15 2014-09-25 Ricoh Co Ltd 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置
JP2017065094A (ja) * 2015-09-30 2017-04-06 ブラザー工業株式会社 インクジェットプリンタおよびその調整方法
JP2017119439A (ja) * 2017-03-06 2017-07-06 株式会社リコー 画像形成装置
JP2018118439A (ja) * 2017-01-25 2018-08-02 東芝テック株式会社 液体噴射装置、液体噴射装置の駆動方法、および液体供給装置

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8186790B2 (en) * 2008-03-14 2012-05-29 Purdue Research Foundation Method for producing ultra-small drops
ES2614917T3 (es) * 2009-07-17 2017-06-02 Nektar Therapeutics Sistemas y métodos para propulsión en nebulizadores sellados
JP2012223936A (ja) * 2011-04-18 2012-11-15 Seiko Epson Corp 圧電素子駆動回路および流体噴射装置
US8752926B2 (en) * 2012-02-16 2014-06-17 Seiko Epson Corporation Liquid ejecting apparatus
JP5861514B2 (ja) * 2012-03-14 2016-02-16 コニカミノルタ株式会社 インクジェット記録装置
JP5929799B2 (ja) 2013-03-22 2016-06-08 セイコーエプソン株式会社 液体吐出装置
JP6881899B2 (ja) * 2016-05-31 2021-06-02 東芝テック株式会社 インクジェットヘッド及びインクジェットプリンタ
JP2022126445A (ja) * 2021-02-18 2022-08-30 東芝テック株式会社 液体吐出ヘッド及び液体吐出装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6225059A (ja) * 1985-07-25 1987-02-03 Canon Inc 記録用ヘツドの駆動方法
JPH1134341A (ja) * 1997-07-15 1999-02-09 Brother Ind Ltd 圧電素子製造方法

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2593940B2 (ja) 1988-10-14 1997-03-26 富士電機株式会社 インクジェット記録ヘッドの駆動方法
EP0437062A3 (en) 1989-12-15 1991-12-27 Tektronix, Inc. Method and apparatus for printing with a drop-on-demand ink jet print head using an electric field
US5170177A (en) 1989-12-15 1992-12-08 Tektronix, Inc. Method of operating an ink jet to achieve high print quality and high print rate
EP0437106B1 (en) 1990-01-08 1995-01-25 Tektronix Inc. Method and apparatus for printing with ink drops of varying sizes using a drop-on-demand ink jet print head
US5155498A (en) 1990-07-16 1992-10-13 Tektronix, Inc. Method of operating an ink jet to reduce print quality degradation resulting from rectified diffusion
JP3468377B2 (ja) 1993-03-01 2003-11-17 セイコーエプソン株式会社 インクジェット式記録ヘッドの駆動方法、インクジェット式記録装置、及びインクジェット式記録ヘッドの制御装置
US5736993A (en) 1993-07-30 1998-04-07 Tektronix, Inc. Enhanced performance drop-on-demand ink jet head apparatus and method
US5689291A (en) 1993-07-30 1997-11-18 Tektronix, Inc. Method and apparatus for producing dot size modulated ink jet printing
US5495270A (en) 1993-07-30 1996-02-27 Tektronix, Inc. Method and apparatus for producing dot size modulated ink jet printing
JP3099653B2 (ja) 1993-10-19 2000-10-16 富士ゼロックス株式会社 流体噴射装置及び方法
JP2967739B2 (ja) 1996-12-17 1999-10-25 日本電気株式会社 インクジェット式プリントヘッドの駆動方法及び装置
JPH1191113A (ja) * 1997-09-22 1999-04-06 Ricoh Co Ltd インクジェット記録装置
JP4110819B2 (ja) * 2002-04-09 2008-07-02 コニカミノルタホールディングス株式会社 インクジェット記録方法
JP4247043B2 (ja) * 2002-06-28 2009-04-02 東芝テック株式会社 インクジェットヘッドの駆動装置
AU2002345509A1 (en) * 2002-06-29 2004-01-19 Shih Yi Wong A pressurisation system
US7125107B2 (en) * 2003-06-30 2006-10-24 Kyocera Corporation Method for driving piezoelectric ink jet head
US7322663B2 (en) * 2003-09-29 2008-01-29 Fujifilm Corporation Image forming apparatus having prevention of movement of ink pressure chambers

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6225059A (ja) * 1985-07-25 1987-02-03 Canon Inc 記録用ヘツドの駆動方法
JPH1134341A (ja) * 1997-07-15 1999-02-09 Brother Ind Ltd 圧電素子製造方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See also references of EP1902841A4 *

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2011514005A (ja) * 2008-03-11 2011-04-28 エプコス アクチエンゲゼルシャフト 圧電素子を作動させる方法
JP2009246059A (ja) * 2008-03-31 2009-10-22 Brother Ind Ltd 圧電アクチュエータ及び液体移送装置
JP2014177061A (ja) * 2013-03-15 2014-09-25 Ricoh Co Ltd 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置
JP2017065094A (ja) * 2015-09-30 2017-04-06 ブラザー工業株式会社 インクジェットプリンタおよびその調整方法
JP2018118439A (ja) * 2017-01-25 2018-08-02 東芝テック株式会社 液体噴射装置、液体噴射装置の駆動方法、および液体供給装置
JP2017119439A (ja) * 2017-03-06 2017-07-06 株式会社リコー 画像形成装置

Also Published As

Publication number Publication date
US7896456B2 (en) 2011-03-01
EP1902841B1 (en) 2013-03-20
EP1902841A1 (en) 2008-03-26
US8210630B2 (en) 2012-07-03
JP5118485B2 (ja) 2013-01-16
US20110148963A1 (en) 2011-06-23
JPWO2006137528A1 (ja) 2009-01-22
EP1902841A4 (en) 2009-11-04
US20100118072A1 (en) 2010-05-13

Similar Documents

Publication Publication Date Title
WO2006137528A1 (ja) 液体吐出装置の駆動方法
JPH0985946A (ja) インクジェットヘッド及びその製造方法
JP2000141647A (ja) インクジェット記録装置
JP5964947B2 (ja) 圧電アクチュエータ、インクジェットヘッド及び圧電アクチュエータの製造方法
CN100589980C (zh) 液体喷出装置的驱动方法
JP2007203550A (ja) 液体吐出装置の駆動方法
JP4777639B2 (ja) 圧電アクチュエータとその再生方法および液体吐出装置
JP4494880B2 (ja) 圧電インクジェットヘッドの駆動方法
JP2010105300A (ja) 液体吐出装置
KR20080050120A (ko) 압전방식 잉크젯 프린트헤드의 구동방법
JP2007273853A (ja) 圧電アクチュエータユニット
JP2009029012A (ja) 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP3384958B2 (ja) インクジェット記録装置とその製造方法
JP2004209740A (ja) 液体吐出ヘッド
JP4594060B2 (ja) 液体吐出装置
CN110696493B (zh) 一种喷墨打印头压电振动结构
JP2007144801A (ja) 液体吐出装置の駆動方法
JP4732877B2 (ja) 液体吐出装置の駆動方法および圧電インクジェットヘッド
CN111703205B (zh) 一种压电喷墨打印喷头的驱动元件结构
JP2011142280A (ja) アクチュエーター装置、アクチュエーター装置の製造方法、液体噴射ヘッドの製造方法および液体噴射装置の製造方法
JP2004351878A (ja) 圧電インクジェットヘッド
JP2010194832A (ja) 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びにアクチュエーター装置
JP2004299240A (ja) 圧電体薄膜を用いたインクジェットヘッドの駆動方法
JP2006076164A (ja) 液体噴出装置及びインクジェットヘッド
JP3213126B2 (ja) インクジェット記録装置の印字ヘッド

Legal Events

Date Code Title Description
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 200680022814.9

Country of ref document: CN

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2007522382

Country of ref document: JP

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 11993010

Country of ref document: US

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWE Wipo information: entry into national phase

Ref document number: 2006780659

Country of ref document: EP