JP3821231B2

JP3821231B2 - 液体噴射ヘッドの駆動方法及び液体噴射装置

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Publication number: JP3821231B2
Application number: JP2003017160A
Authority: JP
Inventors: 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2006-09-13
Anticipated expiration: 2023-01-27
Also published as: JP2004223979A; US7055921B2; US20040252147A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、液体を噴射するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板の表面に圧電素子を形成して、圧電素子の変位により液体を噴射させる液体噴射ヘッドの駆動方法及び液体噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液体噴射装置としては、例えば、圧電素子や発熱素子によりインク滴吐出のための圧力を発生させる複数の圧力発生室と、各圧力発生室にインクを供給する共通のリザーバと、各圧力発生室に連通するノズル開口とを備えたインクジェット式記録ヘッドを具備するインクジェット式記録装置があり、このインクジェット式記録装置では、印字信号に対応するノズル開口と連通した圧力発生室のインクに吐出エネルギを印加してノズル開口からインク滴を吐出させる。
【０００３】
インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴を吐出させるインクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものの２種類が実用化されている。
【０００４】
前者は圧電素子の端面を振動板に当接させることにより圧力発生室の容積を変化させることができて、高密度印刷に適したヘッドの製作が可能である反面、圧電素子をノズル開口の配列ピッチに一致させて櫛歯状に切り分けるという困難な工程や、切り分けられた圧電素子を圧力発生室に位置決めして固定する作業が必要となり、製造工程が複雑であるという問題がある。
【０００５】
これに対して後者は、圧電材料のグリーンシートを圧力発生室の形状に合わせて貼付し、これを焼成するという比較的簡単な工程で振動板に圧電素子を作り付けることができるものの、たわみ振動を利用する関係上、ある程度の面積が必要となり、高密度配列が困難であるという問題がある。
【０００６】
一方、後者の記録ヘッドの不都合を解消すべく、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成することで高密度配列を実現したものがある。
【０００７】
また、このようなインクジェット式記録ヘッドの圧電素子を駆動する駆動信号としては、矩形波からなる駆動波形を用いていた。この矩形波からなる駆動波形は、待機状態の中間駆動電圧から放電を行い圧力室を膨張させて圧力室にインクを吸入する工程と、最低駆動電圧を維持する工程と、充電を行い圧力発生室の収縮を行いインクを射出する工程と、充電最終電圧を維持する工程と、放電を行い中間駆動電圧に復帰する工程とを有し、この駆動波形によりインク滴を射出していた（例えば、特許文献１参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−２５００６１号公報（第３〜４頁、第３図）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来の矩形波からなる駆動波形を用いて、多ノズル化したインクジェット式記録ヘッドの圧電素子を駆動すると、電流（回路を移動する電荷）が大きくなってしまい、大きな電流によって駆動ＩＣ及び駆動配線が破壊されてしまい、高密度化及び多ノズル化が困難であるという問題がある。
【００１０】
なお、このような問題は、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても、同様に存在する。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑み、高密度化及び多ノズル化を行うことができると共に、低電圧で消費電流を低減した液体噴射ヘッドの駆動方法及び液体噴射装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決する本発明の第１の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの駆動方法において、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていると共に、前記圧電体層がリラクサ強誘電体からなり、当該圧電素子の容量−電位曲線で、当該圧電素子の容量が最大となる電位Ｖ₁と、この電位Ｖ₁の絶対値より大きな絶対値となり且つ前記容量−電位曲線の変曲点となる電位Ｖ₂との間の電圧を駆動開始電位Ｖ₀とすると共に、該駆動開始電位Ｖ₀から前記圧電体層に電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍの駆動電界を発生させる電位Ｖ₃まで変化させることで前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口から液滴を吐出させる吐出工程を有する駆動波形を用いて前記圧電素子を駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００１３】
かかる第１の態様では、所定の範囲の駆動電圧を用いてリラクサ強誘電体からなる圧電体層を有する圧電素子を駆動することで、低電圧及び低電流で圧電素子に所望の歪み変形を行わせることができると共に駆動ＩＣ及び配線基板が破壊されることなく高密度化及び多ノズル化することができる。また、圧電素子を高密度に配設でき、高品質印刷を実現できる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、第１の態様において、前記駆動波形は前記吐出工程の前に、前記駆動開始電位Ｖ_０と同極性で且つ当該駆動開始電位Ｖ_０の絶対値よりも大きな絶対値となる中間電位から当該駆動開始電位Ｖ_０まで変化させて前記圧力発生室を膨張させる第１の膨張工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００１５】
かかる第２の態様では、圧力発生室内を膨張させた後に収縮させて液滴を吐出させることで、圧力発生室内に確実に液体を充填すると共に、安定した吐出を行うことができる。
【００１６】
本発明の第３の態様は、第１又は２の態様において、前記駆動波形は前記吐出工程の後に、前記電位Ｖ_３から当該電位Ｖ_３と同極性で且つ前記電位Ｖ_３の絶対値よりも小さな絶対値となる中間電位まで変化させて前記圧力発生室を膨張させる第２の膨張工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００１７】
かかる第３の態様では、第２の膨張工程により、圧電素子の変位を元に戻すことができる。
【００１８】
本発明の第４の態様は、第１〜３の何れかの態様において、前記駆動波形は前記吐出工程の後に、所定の中間電位から前記駆動開始電位Ｖ_０と同極性で且つ当該駆動開始電位Ｖ_０の絶対値よりも小さな絶対値となる電位Ｖ_４まで変化させると共に、前記電位Ｖ_４から前記中間電位まで戻す緩和工程をさらに有することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００１９】
かかる第４の態様では、緩和工程によって圧電素子の歪みが緩和されるため、その後の吐出工程で圧電素子に所定量の変位を確実に行わせることができ、吐出される液滴の大きさが安定する。
【００２０】
本発明の第５の態様は、第１〜４の何れかの態様において、前記駆動波形は前記吐出工程の後に、所定の中間電位から−Ｖ_３となる電位Ｖ_５まで変化させると共に、前記電位Ｖ_５から前記中間電位まで戻す初期化工程をさらに有することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００２１】
かかる第５の態様では、初期化工程によって圧電素子の歪みが緩和されるため、その後の吐出工程で圧電素子に所定量の変位を確実に行わせることができ、吐出される液滴の大きさが安定する。
【００２２】
本発明の第６の態様は、第１〜５の何れかの態様において、前記圧電体層の膜厚が、０．５〜１．０μｍであることを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。
【００２３】
かかる第６の態様では、所定の膜厚の圧電体層を用いることで、所望の電界強度を低電圧で得ることができ、所定量の変位を確実に行わせることができる。また、圧電素子を高密度に配設でき、高品質印刷を実現できると共に高周波数駆動が可能となり高速印刷を実現できる。
【００２６】
本発明の第７の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドが搭載された液体噴射装置において、前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていると共に、前記圧電体層がリラクサ強誘電体からなり、当該圧電素子の容量−電位曲線で、当該圧電素子の容量が最大となる電位Ｖ₁と、この電位Ｖ₁の絶対値より大きな絶対値となり且つ前記容量−電位曲線の変曲点となる電位Ｖ₂との間の電圧Ｖ₀を駆動開始電位Ｖ₀とすると共に、該駆動開始電位Ｖ₀から前記圧電体層に電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍの駆動電界を発生させる電位Ｖ₃まで変化させることで前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口から液滴を吐出させる吐出工程を有する駆動波形を前記圧電素子に出力する駆動手段を具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
【００２７】
かかる第７の態様では、所定の範囲の駆動電圧を用いてリラクサ強誘電体からなる圧電体層を有する圧電素子を駆動することで、低電圧及び低電流で圧電素子に所望の歪み変形を行わせることができると共に駆動ＩＣ及び配線基板が破壊されることなく高密度化及び多ノズル化して高品質印刷を実現できる。また、圧電素子を高密度に配設でき、高品質印刷を実現できる。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、実施形態１に係る液体噴射装置の一例を示す概略図である。図１に示すように、液体噴射ヘッドを有する噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、液体として、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。
【００２９】
そして、駆動モータ６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、噴射ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８上に搬送されるようになっている。そして、このような液体噴射装置では、キャリッジ３がキャリッジ軸５に沿って移動されると共に液体噴射ヘッドによって液体が吐出されて記録シートＳに印刷される。
【００３０】
図２は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの概略を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図及び断面図である。ここで、図２及び図３を参照して上述のような液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドについて説明する。図２及び図３に示すように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方面には予め熱酸化により形成した酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる、厚さ１〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。
【００３１】
この流路形成基板１０には、シリコン単結晶基板をその一方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が幅方向に並設されている。また、その長手方向外側には、後述する封止基板３０のリザーバ部３２と連通される連通部１３が形成されている。また、この連通部１３は、各圧力発生室１２の長手方向一端部でそれぞれ液体供給路１４を介して連通されている。
【００３２】
ここで、異方性エッチングは、シリコン単結晶基板のエッチングレートの違いを利用して行われる。例えば、本実施形態では、シリコン単結晶基板をＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬すると、徐々に侵食されて（１１０）面に垂直な第１の（１１１）面と、この第１の（１１１）面と約７０度の角度をなし且つ上記（１１０）面と約３５度の角度をなす第２の（１１１）面とが出現し、（１１０）面のエッチングレートと比較して（１１１）面のエッチングレートが約１／１８０であるという性質を利用して行われる。かかる異方性エッチングにより、二つの第１の（１１１）面と斜めの二つの第２の（１１１）面とで形成される平行四辺形状の深さ加工を基本として精密加工を行うことができ、圧力発生室１２を高密度に配列することができる。
【００３３】
本実施形態では、各圧力発生室１２の長辺を第１の（１１１）面で、短辺を第２の（１１１）面で形成している。この圧力発生室１２は、流路形成基板１０をほぼ貫通して弾性膜５０に達するまでエッチングすることにより形成されている。ここで、弾性膜５０は、シリコン単結晶基板をエッチングするアルカリ溶液に侵される量がきわめて小さい。また各圧力発生室１２の一端に連通する各液体供給路１４は、圧力発生室１２より浅く形成されており、圧力発生室１２に流入する液体の流路抵抗を一定に保持している。すなわち、液体供給路１４は、シリコン単結晶基板を厚さ方向に途中までエッチング（ハーフエッチング）することにより形成されている。なお、ハーフエッチングは、エッチング時間の調整により行われる。
【００３４】
このような圧力発生室１２等が形成される流路形成基板１０の厚さは、圧力発生室１２を配設する密度に合わせて最適な厚さを選択することが好ましい。例えば、１インチ当たり１８０個（１８０ｄｐｉ）程度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１８０〜２８０μｍ程度、より望ましくは、２２０μｍ程度とするのが好適である。また、例えば、３６０ｄｐｉ程度と比較的高密度に圧力発生室１２を配置する場合には、流路形成基板１０の厚さは、１００μｍ以下とするのが好ましい。これは、隣接する圧力発生室１２間の隔壁１１の剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるからである。なお、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２の液体供給路１４とは反対側で連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が接着剤や熱溶着フィルム等を介して固着されている。
【００３５】
一方、流路形成基板１０の開口面とは反対側の弾性膜５０の上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約０．５〜１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．１μｍの上電極膜８０とが積層形成されて、圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、下電極膜６０、圧電体層７０、及び上電極膜８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、下電極膜６０は圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部が形成されていることになる。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせて圧電アクチュエータと称する。なお、上述した例では、弾性膜５０及び下電極膜６０が振動板として作用する。
【００３６】
ここで、このような圧電素子３００を構成する各層について説明する。下電極膜６０は、例えば、本実施形態では、スパッタリング法で弾性膜５０の全面に形成後、下電極膜６０をパターニングして全体パターンを形成する。下電極膜６０の材料としては、白金（Ｐｔ）やイリジウム（Ｉｒ）が好適である。また、このような下電極膜６０上の圧電体層７０は、リラクサ強誘電体で形成されている。ここで、リラクサ強誘電体とは、室温付近にキュリー温度があり、誘電率がＰＺＴなどの圧電体に比べて大きく（例えば、比誘電率が５０００以上など）、電界誘起歪みがＰＺＴなどの圧電体に比べて大きいものである。例えば、ＰＺＴなどの圧電体は、電界誘起歪みが０．３％程度なのに対し、リラクサ強誘電体は、電界誘起歪みが１．２％程度となる。このようなリラクサ強誘電体は、電界誘起歪みが１．２％程度と大きい一方、誘電率が非常に大きいので、駆動電荷量が大きくなってしまうが、後述するように所定の駆動波形を用いることにより、駆動電荷量を著しく大きくすることなく大きな変形を得ることができる。
【００３７】
このような、リラクサ強誘電体としては、例えば、チタン酸鉛を含有するリラクサ強誘電体、例えば、ＰＭＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＺＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｚｎ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＮＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｎｉ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＩＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｉｎ_１／２Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＳＴ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｔａ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＰＳＮ−ＰＴ（Ｐｂ（Ｓｃ_１／３Ｎｂ_１／２）Ｏ_３−ＰｂＴｉＯ_３）、ＢＳ−ＰＴ（ＢｉＳｃＯ_３−ＰＴ）、ＢｉＹｂＯ_３−ＰＴ等を挙げることができる。
【００３８】
また、リラクサ強誘電体からなる圧電体層７０は、ＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法、スパッタ法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などにより形成することができる。ＣＳＤ法としては、例えば、ゾル−ゲル法、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法を挙げることができる。さらに、圧電体層７０上の上電極膜８０を形成する材料としては、導電性の高い材料であればよく、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金、イリジウム等の多くの金属や、導電性酸化物等を使用できる。本実施形態では、イリジウムをスパッタリングにより成膜している。また、このような構成の各圧電素子３００の上電極膜８０には、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０は、各圧電素子３００の長手方向端部近傍から引き出され、液体供給路１４に対応する領域の弾性膜５０上までそれぞれ延設されている。
【００３９】
流路形成基板１０の圧電素子３００側には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を確保した状態で、その空間を密封可能な圧電素子保持部３１を有する封止基板３０が接合され、圧電素子３００はこの圧電素子保持部３１内に密封されている。このような封止基板３０には、各圧力発生室１２の共通の液体室となるリザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部３２が設けられ、このリザーバ部３２は、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通の液体室となるリザーバ１００を構成している。
【００４０】
また、封止基板３０の圧電素子保持部３１とリザーバ部３２との間、すなわち液体供給路１４に対応する領域には、この封止基板３０を厚さ方向に貫通する接続孔３３が設けられている。さらに、封止基板３０の圧電素子保持部３１側とは反対側の表面には図示しない外部配線が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０は、この接続孔３３まで延設されており、例えば、ワイヤボンディング等により外部配線と接続される。
【００４１】
封止基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなる。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のリザーバ１００に対向する領域には、厚さ方向に完全に除去された開口部４３が形成され、リザーバ１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。
【００４２】
図４は、液体噴射装置の制御構成を示す図である。ここで、図４を参照して、本実施形態の液体噴射装置の制御について説明する。本実施形態の液体噴射装置は、図４に示すように、プリンタコントローラ１１１とプリントエンジン１１２とから概略構成されている。プリンタコントローラ１１１は、外部インターフェース１１３（以下、外部Ｉ／Ｆ１１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ１１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部１１６と、クロック信号を発生する発振回路１１７と、液体噴射ヘッド１１８へ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路１１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン１１２に送信する内部インターフェース１２０（以下、内部Ｉ／Ｆ１２０という）とを備えている。
【００４３】
外部Ｉ／Ｆ１１３は、例えば、キャラクタコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピュータ等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ１１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピュータ等に対して出力される。ＲＡＭ１１４は、受信バッファ１２１、中間バッファ１２２、出力バッファ１２３、及び、図示しないワークメモリとして機能する。そして、受信バッファ１２１は外部Ｉ／Ｆ１１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファ１２２は制御部１１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファ１２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。
【００４４】
また、ＲＯＭ１１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。制御部１１６は、受信バッファ１２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファ１２２に記憶させる。また、中間バッファ１２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ１１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部１１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファ１２３に記憶させる。
【００４５】
そして、液体噴射ヘッド１１８の１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ１２０を通じて液体噴射ヘッド１１８に出力される。また、出力バッファ１２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファ１２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。
【００４６】
プリントエンジン１１２は、液体噴射ヘッド１１８と、紙送り機構１２４と、キャリッジ機構１２５とを含んで構成してある。紙送り機構１２４は、紙送りモータとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体を液体噴射ヘッド１１８の記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構１２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。
【００４７】
キャリッジ機構１２５は、液体噴射ヘッド１１８を搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッド１１８を主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モータ６及びタイミングベルト７等で構成されている。
【００４８】
液体噴射ヘッド１１８は、副走査方向に沿って多数のノズル開口を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口からインク滴を吐出する。そして、このような液体噴射ヘッド１１８の圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や印字データ（ＳＩ）等が供給される。なお、このように構成されるプリンタコントローラ１１１及びプリントエンジン１１２では、駆動信号発生回路１１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ１３２、レベルシフタ１３３及びスイッチ１３４等が駆動手段となる。このように構成された液体噴射ヘッド１１８では、圧電素子３００に電圧が印加されると、圧電素子３００が撓むことによって振動板が変位し、圧力発生室１２が収縮することによってノズル開口２１から液滴が吐出される。
【００４９】
図５は、液体噴射ヘッドの電気的構成を示す概略図であり、図６は、圧電素子に駆動パルスを印加する手順を示す図である。ここで、液体噴射ヘッド１１８の電気的構成について説明する。液体噴射ヘッド１１８は、図５に示すように、シフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３、スイッチ１３４及び圧電素子３００等を備えている。さらに、図６に示すように、これらのシフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３、スイッチ１３４及び圧電素子３００は、それぞれ、液体噴射ヘッド１１８の各ノズル開口２１毎に設けたシフトレジスタ素子１３１Ａ〜１３１Ｎ、ラッチ素子１３２Ａ〜１３２Ｎ、レベルシフタ素子１３３Ａ〜１３３Ｎ、スイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎ、圧電素子３００Ａ〜３００Ｎから構成してあり、シフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３、スイッチ１３４、圧電素子３００の順で電気的に接続してある。なお、これらのシフトレジスタ１３１、ラッチ１３２、レベルシフタ１３３及びスイッチ１３４は、駆動信号発生回路１１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。
【００５０】
次に、このような電気的構成を有する液体噴射ヘッド１１８の制御について説明する。まず、圧電素子３００に駆動パルスを印加する手順について説明する。上述したような電気的構成を有する液体噴射ヘッド１１８では、図６に示すように、最初に発振回路１１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する印字データ（ＳＩ）が出力バッファ１２３からシフトレジスタ１３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口２１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。
【００５１】
そして、当該ビットの印字データが全ノズル分シフトレジスタ素子１３１Ａ〜１３１Ｎにセットされたならば、制御部１１６は、所定のタイミングでラッチ１３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ１３２は、シフトレジスタ１３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ１３２がラッチした印字データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフタ１３３に印加される。このレベルシフタ１３３は、印字データが例えば「１」の場合に、スイッチ１３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの印字データを昇圧する。そして、この昇圧された印字データはスイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎに印加され、スイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎは、当該印字データにより接続状態になる。
【００５２】
そして、各スイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎには、駆動信号発生回路１１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎが接続状態になると、このスイッチ素子１３４Ａ〜１３４Ｎに接続された圧電素子３００Ａ〜３００Ｎに駆動信号が印加される。このように、例示した液体噴射ヘッド１１８では、印字データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、印字データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ１３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、印字データが「０」の期間においてはスイッチ１３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。なお、この印字データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。
【００５３】
図７（ａ）は、圧電素子の容量−電位曲線を示す図であり、図７（ｂ）は、圧電素子の変位−電位曲線を示す図であり、図７（ｃ）は、駆動信号を表す駆動波形を示す図である。ここで図７を参照して本実施形態の駆動信号を表す駆動波形について説明する。圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、上述のようにリラクサ強誘電体からなり、この圧電体層７０で構成された圧電素子３００の容量−電位特性（Ｃ−Ｖ特性）を示すＣ−Ｖ曲線では、図７（ａ）に示すように、圧電素子は、電位Ｖ_１（−Ｖ_１）で容量が最大となると共に電位Ｖ_２（−Ｖ_２）でＣ−Ｖ曲線の変曲点となる。
【００５４】
また、図７（ａ）に示すＣ−Ｖ曲線で表されるＣ−Ｖ特性を有する圧電体層７０で構成された圧電素子３００の電位と変位との関係としては、図７（ｂ）に示すような変位−電位曲線を示す。この変位−電位曲線では、容量が最大となる電位Ｖ_１から変曲点となる電位Ｖ_２までの間（電位−Ｖ_１から電位−Ｖ_２までの間）の駆動電圧を用いた圧電素子３００の駆動では、圧電素子３００の大きな変位を得ることができる。また、電位Ｖ_１から電位Ｖ_２までの間の電位を用いた駆動電圧に比べ、電位−Ｖ_１から電位Ｖ_１までの間の駆動電圧で圧電素子３００を駆動しても圧電素子３００の小さな変位しか得られず、さらに、電位Ｖ_２よりも大きな電位（または電位−Ｖ_２よりも小さな電位）の範囲を用いた駆動電圧で圧電素子３００を駆動しても、圧電素子３００に大きな変位を得られない。このことから、電位Ｖ_１から電位Ｖ_２までの間の電位を用いた駆動電圧により圧電素子３００を駆動して変位させることで、小さな駆動電圧で効率よく所望の変位を得ることができる。なお、以下、本実施形態では、電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２が正極性のＣ−Ｖ曲線を用いて説明する。
【００５５】
また、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形は、図７（ｃ）に示すように、液滴を吐出する吐出工程１４０と、圧電素子３００の歪み履歴（ヒステリシス）を緩和する緩和工程１５０と、圧電素子３００の歪み履歴を初期化する初期化工程１６０とで構成された矩形波であり、印字データに応じて駆動波形の吐出工程１４０が圧電素子３００に入力されることで、液体噴射ヘッド１１８から液滴が吐出される。
【００５６】
ここで、本実施形態の液体噴射ヘッド１１８は、いわゆる「引き打ち」方式のものであり、駆動波形の吐出工程１４０は、中間電位ＶＭを維持した状態から駆動開始電位Ｖ_０まで降下させて圧力発生室１２を膨張させる第１の膨張工程１４１と、駆動開始電位Ｖ_０を一定時間維持する第１のホールド工程１４２と、駆動開始電位Ｖ_０から最大電位Ｖ_３まで上昇させて圧力発生室１２を収縮させることによって液滴を吐出させる収縮工程１４３と、最大電位Ｖ_３を一定時間維持する第２のホールド工程１４４と、最大電位Ｖ_３から中間電位ＶＭまで降下させる第２の膨張工程１４５とで構成されている。
【００５７】
この駆動開始電位Ｖ_０は、図７（ａ）に示す圧電素子３００の容量が最大となる電位Ｖ_１と、この電位Ｖ_１と同極性で且つ圧電素子３００の容量の変曲点となる電位Ｖ_２との間の電圧である。本実施形態では、圧電素子３００を構成する圧電体層７０として、例えば、膜厚が０．５μｍであるＰＭＮ−ＰＴを用いたので、圧電素子３００が最大容量となる電位Ｖ_１が１．０Ｖ、電位Ｖ_１と同極性で且つ圧電素子３００の容量の変曲点となる電位Ｖ_２が５．０Ｖとなるため、駆動開始電位Ｖ_０を１．０Ｖよりも大きく且つ５．０Ｖよりも小さな電位とすればよい。
【００５８】
また、最大電位Ｖ_３は、圧電素子３００に駆動開始電位Ｖ_０から最大電位Ｖ_３まで電圧を印加することによって、圧電体層７０に電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍの駆動電界を発生させる電位となっている。この、圧電体層７０に発生させる１００〜５００ｋＶ／ｃｍの電界強度とは、駆動電圧／（圧電体層７０の膜厚）となる。本実施形態では、圧電体層７０として、ＰＭＮ−ＰＴからなるリラクサ強誘電体を膜厚が０．５μｍで形成したため、電界強度が１００〜５００ｋＶとなる駆動電圧は５．０〜２５Ｖであり、このような駆動電圧となる最大電位Ｖ_３を駆動開始電位Ｖ_０の値から適宜設定すればよい。
【００５９】
また、圧電体層７０として用いられるリラクサ強誘電体は、ＰＺＴなどの圧電体に比べて電界誘起歪みが１．２％程度と大きい分、誘電率が非常に大きく、通常の駆動では駆動電荷量が大きくなってしまう。この駆動電荷量は図７（ａ）に示すＣ−Ｖ曲線の積分で表され、例えば、駆動開始電位を電位零から電位Ｖ_１の間の電位Ｖ_４とし、この電位Ｖ_４から最大電位Ｖ_３までの電圧を印加して圧電素子３００を駆動すると、領域２００に示すように駆動電荷量が大きくなる。このことから、駆動開始電位Ｖ_０を電位Ｖ_１から電位Ｖ_２までの間とすることで、領域２０１に示すように駆動電荷量を著しく大きくすることなく圧電素子３００に比較的大きな変形を行わせることができる。これにより、圧電素子３００を低電圧で消費電流を低減させた駆動を行わせることができ、回路に与える負荷を低減して、液体噴射ヘッド１１８を、例えば、６００ｄｐｉの高密度化及び多ノズル化しても、また、圧電素子３００を同時に駆動しても駆動ＩＣ及び配線を破壊することがない。
【００６０】
また、この駆動波形の吐出工程１４０では、第２の膨張工程１４５において、最大電位Ｖ_３から中間電位ＶＭまで電位を下げることにより、圧電素子３００の変位を戻すようにしているが、実際には、圧電素子３００の歪みは十分に緩和されず、圧電素子３００の変位が維持されてしまう。このため、駆動波形の吐出工程１４０の複数回毎に駆動波形の緩和工程１５０及び初期化工程１６０の駆動波形を圧電素子３００に入力することにより、圧電素子３００の歪みを緩和させるようになっている。
【００６１】
ここで、駆動波形の緩和工程１５０は、電位を中間電位ＶＭから、初期駆動電位Ｖ_０よりも小さく且つ同極性の電位Ｖ_４まで下降させる下降工程１５１と、電位Ｖ_４を一定時間維持するホールド工程１５２と、電位Ｖ_４から中間電位ＶＭまで上昇させる上昇工程１５３とで構成されている。そして、このような緩和工程１５０によって、圧電素子３００の吐出工程１４０に伴う歪みを緩和させることができるので、次の吐出工程１４０でも、圧電素子３００を初回と同じ歪みで駆動し、安定した液滴の吐出を行わせることができる。
【００６２】
また、駆動波形の初期化工程１６０は、電位を中間電位ＶＭから、−Ｖ_３となる電位Ｖ_５まで下降させる下降工程１６１と、電位Ｖ_５を一定時間維持するホールド工程１６２と、電位Ｖ_５から中間電位ＶＭまで上昇させる上昇工程１６３とで構成されている。そして、このような初期化工程１６０によって、緩和工程１５０では緩和できない圧電素子３００の歪みを初期化して、次の吐出工程１４０でも、圧電素子３００を初回と同じ歪みで駆動し、安定した液滴の吐出を行わせることができる。
【００６３】
なお、本実施形態の圧電素子３００を構成する圧電体層７０は、リラクサ強誘電体からなり、ＰＺＴ等の圧電体に比べて歪みの履歴（ヒステリシス）が微小であるという特徴がある。このため、このような緩和工程１５０及び初期化工程１６０は、吐出工程１４０と吐出工程１４０との間に必ず入力する必要はなく、吐出工程１４０が複数回行われた後に圧電素子３００に入力されればよい。また、緩和工程１５０又は初期化工程１６０は、それぞれを複数回毎の吐出工程１４０の間に入力するようにしてもよく、両方を複数回毎の吐出工程１４０の間に入力するようにしてもよい。
【００６４】
また、緩和工程１５０及び初期化部１６０の上昇工程１５３、１６３の傾きは、特に限定されないが、ノズル開口２１に形成された液体のメニスカスの振動に影響を与えない程度に比較的小さくするのが好ましい。これは、本実施形態の液体噴射ヘッド１１８では、上昇工程１５３、１６３によって圧電素子３００が駆動されると圧力発生室１２が収縮されてメニスカスには液滴が吐出される方向の振動が発生するため、上昇工程１５３、１６３の傾きを大きくすると液滴が誤吐出される虞があるためである。また、上昇工程１５３、１６３の傾きをあまり小さくすると、インク滴の吐出間隔を長くとらなければならず高速駆動ができなくなるため、上昇工程１５３、１６３の傾きは、メニスカスの振動に影響を与えない程度にできるだけ大きくすることが望ましい。
【００６５】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１を説明したが、本発明の構成は上述したものに限定されるものではない。上述した実施形態１では、圧電素子３００のＣ−Ｖ曲線として、電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２が正極性のものを用いた駆動波形を例示したが、特にこれに限定されず、圧電素子３００のＣ−Ｖ曲線の電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２が負極性のものを用いてもよい。この電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２が負極性の場合は、電位Ｖ_３が圧電素子３００の圧電体層７０に所定の電界強度を発生させる最小の電位となる。
【００６６】
また、上述した実施形態１では、圧電素子３００のＣ−Ｖ曲線で表されるＣ−Ｖ特性により、駆動開始電位Ｖ_０を規定する電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２を求めるようしたが、特にこれに限定されず、駆動開始電位Ｖ_０を規定する電位Ｖ_１及び電位Ｖ_２をＣ−Ｖ曲線と同等の曲線となる誘電率−電位特性（ε−Ｖ特性）から求めるようにしても同等の値を得ることができる。さらに、上述した実施形態１では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型の液体噴射ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型の液体噴射ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００６７】
さらに、本発明は、広く液体噴射ヘッドの全般を対象としたものであり、例えば、プリンタ等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、液晶ディスプレー等のカラーフィルタの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレー、ＦＥＤ（面発光ディスプレー）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等にも適用することができる。勿論、このような液体噴射ヘッドを搭載した液体噴射装置も特に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１に係る液体噴射装置の概略図である。
【図２】実施形態１に係る液体噴射ヘッドの分解斜視図である。
【図３】実施形態１に係る液体噴射ヘッドの平面図及び断面図である。
【図４】実施形態１に係る液体噴射装置の制御構成を示す図である。
【図５】実施形態１に係る液体噴射ヘッドの電気的構成を示す図である。
【図６】実施形態１に係る駆動パルスの印加手順を示す図である。
【図７】実施形態１に係る圧電素子の特性及び駆動波形を示す図である。
【符号の説明】
１０流路形成基板、１２圧力発生室、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０封止基板、５０弾性膜、６０下電極膜、７０圧電体層、８０上電極膜、１００リザーバ、１１１プリンタコントローラ、１１２プリントエンジン、１１８液体噴射ヘッド、３００圧電素子

Claims

ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの駆動方法において、
前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていると共に、前記圧電体層がリラクサ強誘電体からなり、当該圧電素子の容量−電位曲線で、当該圧電素子の容量が最大となる電位Ｖ₁と、この電位Ｖ₁の絶対値より大きな絶対値となり且つ前記容量−電位曲線の変曲点となる電位Ｖ₂との間の電圧を駆動開始電位Ｖ₀とすると共に、該駆動開始電位Ｖ₀から前記圧電体層に電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍの駆動電界を発生させる電位Ｖ₃まで変化させることで前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口から液滴を吐出させる吐出工程を有する駆動波形を用いて前記圧電素子を駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。
前記駆動波形は前記吐出工程の前に、前記駆動開始電位Ｖ₀と同極性で且つ当該駆動開始電位Ｖ₀の絶対値よりも大きな絶対値となる中間電位から当該駆動開始電位Ｖ₀まで変化させて前記圧力発生室を膨張させる第１の膨張工程を有することを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。
前記駆動波形は前記吐出工程の後に、前記電位Ｖ₃から当該電位Ｖ₃と同極性で且つ前記電位Ｖ₃の絶対値よりも小さな絶対値となる中間電位まで変化させて前記圧力発生室を膨張させる第２の膨張工程を有することを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。
前記駆動波形は前記吐出工程の後に、所定の中間電位から前記駆動開始電位Ｖ₀と同極性で且つ当該駆動開始電位Ｖ₀の絶対値よりも小さな絶対値となる電位Ｖ₄まで変化させると共に、前記電位Ｖ₄から前記中間電位まで戻す緩和工程をさらに有することを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。
前記駆動波形は前記吐出工程の後に、所定の中間電位から−Ｖ₃となる電位Ｖ₅まで変化させると共に、前記電位Ｖ₅から前記中間電位まで戻す初期化工程をさらに有することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。
前記圧電体層の膜厚が、０．５〜１．０μｍであることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。
ノズル開口に連通する圧力発生室が形成される流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に振動板を介して設けられる下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドが搭載された液体噴射装置において、
前記圧電素子の各層が成膜及びリソグラフィ法により形成されていると共に、前記圧電体層がリラクサ強誘電体からなり、当該圧電素子の容量−電位曲線で、当該圧電素子の容量が最大となる電位Ｖ₁と、この電位Ｖ₁の絶対値より大きな絶対値となり且つ前記容量−電位曲線の変曲点となる電位Ｖ₂との間の電圧Ｖ₀を駆動開始電位Ｖ₀とすると共に、該駆動開始電位Ｖ₀から前記圧電体層に電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍの駆動電界を発生させる電位Ｖ₃まで変化させることで前記圧力発生室を収縮させて前記ノズル開口から液滴を吐出させる吐出工程を有する駆動波形を前記圧電素子に出力する駆動手段を具備することを特徴とする液体噴射装置。