(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通しており、前記加圧室内の液体を、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、
前記基板の複数の前記加圧室を覆う大きさを有しており、少なくとも１層の圧電セラミック層を含んでいる、前記基板に積層されている板状の圧電アクチュエータと、
を備えると共に、前記圧電アクチュエータが、個々の前記加圧室に対応して配設されている、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓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ている液体吐出装置の駆動方法であって、
前記圧電アクチュエータの任意の前記圧電変形領域に、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し、かつ前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域に、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、前記圧電セラミック層の分極量Ｐ（μＣ／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前記第１および前記第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倍以下にして、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する前記液滴吐出部の、前記加圧室の容積を変化させることによって、連通している前記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。
【請求項２】
前記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、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記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(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)）      (1)
によって求められる、前記圧電セラミック材料のＣ軸配向度ＩCが、駆動後に、駆動前の初期状態の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。
【請求項３】
前記第１および前記第２の電圧の電圧値を、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域の電界の強さＥ（ｋＶ／ｃｍ）が、前記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である請求項１または２に記載の液体吐出装置の駆動方法。
【請求項４】
液滴を吐出させない待機時には、前記圧電変形領域に電圧を印加しない状態を維持する請求項１〜３のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータは、
(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、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている１層の前記圧電セラミック層と、
(ii)  前記圧電セラミック層の片側に積層されており、前記活性領域の面方向の伸縮によって厚み方向に撓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前記活性領域に前記駆動電圧波形を印加して面方向に伸縮させることで、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータは、
(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、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている第１の圧電セラミック層と、
(II)  前記第１の圧電セラミック層の片側に積層されており、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前記活性領域に前記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、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、厚み方向に振動させる請求項１〜４のいずれかに記載の液体吐出装置の駆動方法。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータは、電圧が印加されることで厚み方向に撓み変形する、前記圧電変形領域に対応した活性領域と、前記拘束領域に対応した非活性領域とに区画されている１層の前記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前記駆動電圧波形を印加することで、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域を、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。
【請求項８】
液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通しており、前記加圧室内の液体を、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、
個々の前記加圧室に対応して配設され、前記基板の複数の前記加圧室を覆う大きさを有しており、少なくとも１層の圧電セラミック層を含んでいる、前記基板に積層されている板状の圧電アクチュエータであって、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓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ている圧電アクチュエータと、
を備える液体吐出装置であって、
前記圧電アクチュエータの任意の前記圧電変形領域に、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によって、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する前記液滴吐出部の、前記加圧室の容積を変化させ、連通している前記ノズルを通して液滴を吐出させるための電圧印加手段を有し、
前記電圧印加手段が、前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形を印加して駆動させる際に、電界の強さＥ（ｋＶ／ｃｍ）と、前記圧電セラミック層の分極量Ｐ（μＣ／ｃｍ２）との関係を示すＰ−Ｅヒステリシスループの面積が、前記圧電変形領域に、前記駆動電圧波形の前記第１および前記第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倍以下になることを特徴とする液体吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【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、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。【０００３】
圧電アクチュエータ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、厚み方向に撓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とに区画されている。【０００４】
また、図の例の圧電アクチュエータ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、いわゆるユニ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、あらかじめ分極されて、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、圧電アクチュエータ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撓み変形して、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が、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ＶP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〕との関係を簡略化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ＶPの駆動電圧波形（太線の一点鎖線で示す）の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、圧電アクチュエータ７の、圧電変形領域８の変位量〔太線の実線で示す、（−）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の容積を増加させる方向）〕との関係を簡略化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ｔ1より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時には、駆動電圧ＶPをＶHに維持（ＶP＝ＶH）して、活性領域１５を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撓み変形させて、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ｔ1の時点で、活性領域１５に印加していた駆動電圧ＶPを放電（ＶP＝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の撓み変形を解除する。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１１のｔ1とｔ2との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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Ｔ1の、ほぼ半周期分に相当する。【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ｔ2の時点で、駆動電圧ＶPを、再びＶHまで充電（ＶP＝ＶH）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。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（ｔ2の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、ノズル３の先端方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８を撓み変形させて、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ｔ2とｔ3との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ3の時点）で、駆動電圧ＶPを、再び、放電（ＶP＝０）して、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の撓み変形を解除する。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（ｔ3の時点の、体積速度が０の状態）から、逆に、加圧室２の方向へ戻ろうとしているところに、圧電変形領域８の撓み変形を解除して、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の外方へ伸びき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。【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ｔ3とｔ4との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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Ｔ1の、ほぼ半周期分に相当する。【００１５】
次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ4の時点で、駆動電圧ＶPを、再びＶHまで充電（ＶP＝ＶH）して、活性領域１５を面方向に収縮させることによって、圧電変形領域８を撓み変形させる。そうすると、先の、ｔ2からｔ3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、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ｔ4とｔ5との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ5の時点）以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきっ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Ｔ2が固有振動周期Ｔ1の約１／２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ＶP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、パルスを、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】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
引き打ち式の駆動方法によって、図２、図３に示したユニモルフ型の圧電アクチュエータ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に黒矢印で示す方向に、長時間に亘って、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、圧電アクチュエータ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撓み変形した状態と、この撓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って行く結果、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、圧電アクチュエータ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ＶPを放電（ＶP＝０）させた際に、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化するという問題もある。【００２１】
さらに、ユニモルフ型等の、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アクチュエータ７においては、前記ノイズ振動が、圧電アクチュエータ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く、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化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ＶPを印加し続けて、圧電変形領域８を、厚み方向に撓み変形させ続けている待機時における、前記撓み変形の変位量が大きく、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ＶPを放電（ＶP＝０）すると、前記圧電変形領域８が、前記撓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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータに限って発生するものではなく、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、全体を厚み方向に撓み変形させるバイモルフ型の圧電アクチュエータや、単層の圧電セラミック層を傾斜機能材料化したり、半導体効果を利用したりして、振動板を積層することなく、厚み方向に撓み変形させるモノモルフ型の圧電アクチュエータにおいても、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化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、しかも、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化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アクチュ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、長期間に亘って、良好なレベルに維持することができる駆動方法およびその方法を用いる液体吐出装置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、液体が充てんされる加圧室と、前記加圧室に連通しており、前記加圧室内の液体を、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、前記基板の複数の前記加圧室を覆う大きさを有しており、少なくとも１層の圧電セラミック層を含んでいる、前記基板に積層されている板状の圧電アクチュエータと、を備えると共に、前記圧電アクチュエータが、個々の前記加圧室に対応して配設されている、個別に電圧が印加されることによって、個別に、厚み方向に撓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ている液体吐出装置の駆動方法であって、前記圧電アクチュエータの任意の前記圧電変形領域に、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し、かつ前記圧電アクチュエータの前記圧電変形領域に、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、前記圧電セラミック層の分極量Ｐ（μＣ／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前記第１および前記第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倍以下にして、前記圧電変形領域を、厚み方向の一方向と、反対方向とに、それぞれ撓み変形させて、対応する前記液滴吐出部の、前記加圧室の容積を変化させることによって、連通している前記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(200)と、[００２]面の回折ピークの強度Ｉ(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(200)） (1)
によって求められる、セラミック材料のＣ軸配向度ＩCが、駆動後に、駆動前の初期状態の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である。
【００２９】
請求項３記載の発明は、第１および第２の電圧の電圧値を、圧電アクチュエータの圧電変形領域の電界の強さＥ（ｋＶ／ｃｍ）が、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液体吐出装置の駆動方法である。また、請求項４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い状態を維持する液体吐出装置の駆動方法である。
【００３０】
請求項５記載の発明は、圧電アクチュエータは、
(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１層の圧電セラミック層と、
(ii) 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撓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、前記圧電アクチュエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる液体吐出装置の駆動方法である。
【００３１】
請求項６記載の発明は、圧電アクチュエータは、
(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の圧電セラミック層と、
(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、前記圧電アクチュエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる液体吐出装置の駆動方法である。
【００３２】
請求項７記載の発明は、圧電アクチュエータは、電圧が印加されることで厚み方向に撓み変形する、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、前記圧電アクチュエータの圧電変形領域を、厚み方向に振動させる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、圧電アクチュ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、それぞれ撓み変形させて、振動させている。そのため、例えば、ユニモルフ型の圧電アクチュエータにおいては、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く、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、他の型の圧電アクチュエータについても同様である。例えば、バイモルフ型の圧電アクチュエータにおいては、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ったため、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、徐々にク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アクチュエータにおいては、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撓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撓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、圧電アクチュエータの、電圧を印加しない静止状態に対する、撓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、圧電アクチュエータの圧電変形領域を、一方向にのみ撓み変形させる駆動方法における、静止状態と、撓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、圧電アクチュ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撓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撓み変形する際に、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、圧電アクチュ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、圧電変形領域の撓み変形の変位量を、従来に比べて小さくできるため、弾性エネルギー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、厚み方向に撓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、反対方向へ撓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化したり、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化したりするのを、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アクチュ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、長期間に亘って、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、圧電セラミック層の、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からなる場合は、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[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(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(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ＩCが、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。【００４４】
請求項１記載の発明によれば、圧電アクチュ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（μＣ／ｃｍ2）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（ＶH）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３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、圧電アクチュエータの圧電変形領域の電界の強さＥ（ｋＶ／ｃｍ）が、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４記載の発明によれば、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い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、ユニモルフ型（請求項５）、バイモルフ型（請求項６）、およびモノモルフ型（請求項７）の、いずれのタイプの圧電アクチュ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、長期間に亘って、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】
【００４８】
【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ＶPの駆動電圧波形の一例と、この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化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、ユニモルフ型の圧電アクチュ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ＶＰ1の駆動電圧波形、および第２の圧電セラミック層に印加される駆動電圧ＶＰ2の駆動電圧波形の一例と、これらの駆動電圧波形が印加された際の、ノズル内における、インクの体積速度の変化との関係を簡略化して示すグラフである。
【図５】バイモルフ型の圧電アクチュ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アクチュ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、ユニモルフ型の圧電アクチュ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、圧電アクチュ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ＶPの駆動電圧波形の一例と、この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化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ＶPの駆動電圧波形の一例と、この駆動電圧波形が印加された際の、圧電アクチュエータの、圧電変形領域の変位量との関係を簡略化して示すグラフである。
【符号の説明】
【００４９】
−ＶL  第１の電圧
＋ＶL  第２の電圧
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  圧電アクチュエータ
８  圧電変形領域
９  拘束領域
１２  振動板
１５  活性領域
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ＶP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〕との関係を簡略化して示すグラフである。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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ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、板状の圧電アクチュエータ７とを備えている。
【００５２】
圧電アクチュエータ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、厚み方向に撓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、図の例の圧電アクチュエータ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、いわゆるユニ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、あらかじめ分極されて、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。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、圧電アクチュエータ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撓み変形する。
【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、圧電アクチュエータ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撓み変形する。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の撓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ｔ1より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時には、駆動電圧ＶPを印加せず（ＶP＝０）、圧電変形領域８の撓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いる。
【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ｔ1の時点で、駆動電圧ＶPを、分極方向と逆方向の第１の電圧（−ＶL）まで充電（ＶP＝−ＶL）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の方向と反対方向に撓み変形させる。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ｔ1とｔ2との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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Ｔ1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に近づいたｔ2の時点で、駆動電圧ＶPを、今度は、分極方向と同方向の第２の電圧（＋ＶL）まで充電（ＶP＝＋ＶL）して、活性領域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撓み変形させる。
【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（ｔ2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の方向に撓み変形させて、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ｔ2とｔ3との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ3の時点）で、駆動電圧ＶPを、再び、第１の電圧（−ＶL）まで充電（ＶP＝−ＶL）して、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撓み変形させる。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（ｔ3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撓み変形させて、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ｔ3とｔ4との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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Ｔ1の、ほぼ半周期分に相当する。
【００６１】
次に、ノズル３でのインクの体積速度が限りなく０に近づいたｔ4の時点で、駆動電圧ＶPを、再び、第２の電圧（＋ＶL）まで充電（ＶP＝＋ＶL）して、活性領域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の方向に撓み変形させる。そうすると、先の、ｔ2からｔ3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、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１のｔ4とｔ5との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ5の時点）以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきっ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Ｔ2が固有振動周期Ｔ1の約１／２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ＶP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、パルスを、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、ｔ1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ＶPを印加しない（ＶP＝０）待機状態とされる。
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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ７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、それぞれ撓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く、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、圧電アクチュエータ７の、電圧を印加しない静止状態に対する、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（ＶP＝０の状態）と、撓み変形状態（ＶP＝ＶHの状態）との間の、厚み方向の変位量を１とすると、この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が撓み変形する際に、圧電セラミック層６の非活性領域１６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の撓み変形の変位量を、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、ノイ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化したり、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化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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ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、長期間に亘って、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からなる場合は、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(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(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ＩCが、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、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おいて、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−ＶL、＋ＶLの絶対値も、従来の駆動方法における駆動電圧ＶHの絶対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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ７においては、圧電変形領域８の、厚み方向の撓み変形の変位量が、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、前記圧電アクチュエータ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（μＣ／ｃｍ2）との関係を示すＰ−Ｅ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ＶHが、第１の電圧（−ＶL）および第２の電圧（＋ＶL）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、さらに長期間に亘って、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く、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（−ＶL）および第２の電圧（＋ＶL）の電圧値を、できるだけ小さくするのが好ましい。具体的には、第１および第２の電圧の電圧値を、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８の電界の強さＥが、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、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８の電界の強さＥが、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加えることで、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−ＶL、＋ＶLの電圧値を、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８の電界の強さＥが、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アクチュエータ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、圧電アクチュエータ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。圧電アクチュエータ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、厚み方向に撓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、圧電アクチュエータ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１５が、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、あらかじめ分極されて、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アクチュエータ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加して、活性領域１５を面方向に収縮させるのと同期させて、第２の圧電セラミック層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、圧電アクチュエータ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撓み変形される。
【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、圧電アクチュエータ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撓み変形される。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の撓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ＶＰ1の駆動電圧波形（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ＶＰ2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化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ｔ1より左側の、ノズル３からインク滴を吐出させない待機時には、駆動電圧ＶP1、ＶP2を共に印加せず（ＶP1＝０、ＶP2＝０）、圧電変形領域８の撓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いる。
【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ｔ1の時点で、駆動電圧ＶP1を、分極方向と逆方向の第１の電圧（−ＶL1）まで充電（ＶP1＝−ＶL1）して、活性領域１５を面方向に伸長させると共に、駆動電圧ＶP2を、分極方向と同方向の第１の電圧（＋ＶL2）まで充電（ＶP2＝＋ＶL2）して、活性領域１９を面方向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撓み変形させる。
【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ｔ1とｔ2との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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に近づいたｔ2の時点で、駆動電圧ＶP1を、今度は、分極方向と同方向の第２の電圧（＋ＶL1）まで充電（ＶP1＝＋ＶL1）して、活性領域１５を、面方向に収縮させると共に、駆動電圧ＶP2を、分極方向と逆方向の第２の電圧（−ＶL2）まで充電（ＶP2＝−ＶL2）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２の方向に突出するように撓み変形させる。
【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（ｔ2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の方向に撓み変形させて、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ｔ2とｔ3との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ3の時点）で、駆動電圧ＶP1を、再び、第１の電圧（−ＶL1）まで充電（ＶP1＝−ＶL1）して、活性領域１５を面方向に伸長させると共に、駆動電圧ＶP2を、再び、第１の電圧（＋ＶL2）まで充電（ＶP2＝＋ＶL2）して、活性領域１９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の方向と反対方向に撓み変形させる。
【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（ｔ3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撓み変形させて、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。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ｔ3とｔ4との間の部分に示すように、一旦、（−）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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に近づいたｔ4の時点で、駆動電圧ＶP1を、再び、第２の電圧（＋ＶL1）まで充電（ＶP1＝＋ＶL1）して、活性領域１５を面方向に収縮させると共に、駆動電圧ＶP2を、再び、第２の電圧（−ＶL2）まで充電（ＶP2＝−ＶL2）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２の方向に撓み変形させる。そうすると、先の、ｔ2からｔ3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、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ｔ4とｔ5との間の部分に示すように、一旦、（＋）側に大きくなった後、徐々に小さくなって、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ｔ5の時点）以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきっ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Ｔ2が固有振動周期Ｔ1の約１／２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ＶP1を、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ＶP2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、ｔ1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ＶP1、ＶP2を共に印加しない（ＶP1＝０、ＶP2＝０）待機状態とされる。
【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アクチュエータ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、先に説明したユニ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、バイモルフ型の圧電アクチュエータ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が撓み変形する際に、両非活性領域１６、２０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の撓み変形の変位量を、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化したり、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化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アクチュエータ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、長期間に亘って、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が、いずれも、ＰＺＴ系の圧電セラミック材料からなる場合は、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(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(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ＩCが、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−ＶL1、＋ＶL1の絶対値、および、第２の圧電セラミック層１７に印加される第１および第２の電圧＋ＶL2、−ＶL2の絶対値を、前記従来の駆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、絶縁構造等を簡略化できるという利点もある。その理由は、先に説明したユニモルフ型の圧電アクチュエータ７の場合と同様である。つまり、圧電変形領域８の、厚み方向の撓み変形の変位量が、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アクチュエータ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、ユニモルフ型の圧電アクチュ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−ＶL1、＋ＶL1、＋ＶL2、−ＶL2の絶対値を、それぞれ、ユニモルフ型の圧電アクチュエータの、図１１に示した従来の駆動方法における駆動電圧値ＶHの、約１／４に設定することができる。
【０１０１】
また、前記圧電アクチュエータ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（μＣ／ｃｍ2）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に印加、図示せず）であって、なおかつ、駆動電圧ＶHが、共に、前記各電圧−ＶL1、＋ＶL1、−ＶL2、＋ＶL2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く、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−ＶL1、＋ＶL1、−ＶL2、＋ＶL2の電圧値を、圧電アクチュエータ７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く、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アクチュエータ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、圧電アクチュエータ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。圧電アクチュエータ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、厚み方向に撓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、圧電アクチュエータ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、前記圧電アクチュエータ７は、圧電セラミック層６を傾斜機能材料化するか、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の方向に撓み変形可能とされている。前記モノモルフ型の圧電アクチュエータ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ＶPを印加することによって、その圧電変形領域８を、図２のユニモルフ型の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ｔ1より左側の待機時には、駆動電圧ＶPを印加せず（ＶP＝０）、圧電変形領域８の撓み変形を解除した状態を維持し、ｔ1の時点で、駆動電圧ＶPを第１の電圧（−ＶL）まで充電（ＶP＝−ＶL）して、圧電変形領域８を加圧室２の方向と反対方向に撓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、ｔ2の時点で、駆動電圧ＶPを第２の電圧（＋ＶL）まで充電（ＶP＝＋ＶL）して、圧電変形領域８を加圧室２の方向に突出するように撓み変形させて、インク柱を生成させた後、ｔ3の時点で、再び駆動電圧ＶPを第１の電圧（−ＶL）まで充電（ＶP＝−ＶL）して、圧電変形領域８を加圧室２の方向と反対方向に撓み変形させると、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、ｔ4の時点で、再び駆動電圧ＶPを第２の電圧（＋ＶL）まで充電（ＶP＝＋ＶL）して、圧電変形領域８を加圧室２の方向に撓み変形させて、再びインク柱を生成させると、ｔ5の時点以降、インクの振動の速度が加圧室２の側に向かうことによって、ノズル３の外方へ伸びきっ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Ｔ2が固有振動周期Ｔ1の約１／２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ＶP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、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、ｔ1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ＶPを印加しない（ＶP＝０）待機状態とされる。
【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アクチュエータ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、良好なレベルに維持することができる。
【０１１０】
また、先に説明したユニモルフ型、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アクチュエータ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が撓み変形する際に、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の撓み変形の変位量を、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化したり、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化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アクチュエータ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、長期間に亘って、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からなる場合は、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(002)とから、式(1)：
ＩC＝Ｉ(002)／（Ｉ(002)＋Ｉ(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ＩCが、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−ＶL、＋ＶLの絶対値を、モノモルフ型の圧電アクチュエータ７の、従来の駆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、絶縁構造等を簡略化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のユニモルフ型の圧電アクチュエータ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ＶHを第２の電圧＋ＶL→に変更し、０Ｖを第１の電圧−ＶLに変更しただけのものとしてもよい。
【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＋ＶLの印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が、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−ＶL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＋ＶLの絶対値を、前記電圧ＶHの約半分とした場合には、クリ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の撓み変形の変位量を、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、電圧の印加によって拘束して、ノイズ振動を発生しにくくすることもできる。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、長期間に亘って、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〉
（圧電アクチュエータの作製）
粒径０．５〜３．０μｍ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、アクリル系樹脂エマルションと、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３０μｍ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１７〜１９μｍ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×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℃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２〜４μｍである銀粉末とパラジウム粉末とを、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℃で６０秒間、保持して熱圧着させ、次いで、両グリーンシートから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℃から昇温を開始して、毎時８℃の昇温速度で、２５時間かけて３００℃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℃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１０μｍであった。また、圧電セラミック層６の抗電界の強さは、１７ｋＶ／ｃｍであった。【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に対応するパターンを印刷し、ピーク温度８５０℃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×横１２ｍｍの長方形に揃えた。個別電極層２５のパターンは、２５４μｍ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、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ７を作製した。【０１２３】
（液体吐出装置の製造）
厚み１００μｍ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×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１００μｍ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４０μｍのステンレス箔をエッチング加工して、直径２６μｍのノズル３が、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、先に作製した圧電アクチュエータ７とを、接着剤を用いて貼り合わせた後、圧電アクチュエータ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ー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、圧電アクチュエータ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、圧電アクチュエータ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（＋ＶL＝＋１０Ｖ、−ＶL＝−１０Ｖ、駆動周波数２ｋＨｚ）を印加し、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（ＶH＝＋２０Ｖ、駆動周波数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、１０×１０8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２０×１０8サイクルまでの間、変位量が全く低下しないだけでなく、逆に、わずかに上昇していることが確認された。【０１２９】
（電圧−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、圧電アクチュエータ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（−ＶL）の電圧値〔＝第２の電圧（＋ＶL）の電圧値〕と、圧電変形領域８の変位量との関係を、また、従来の、引き打ち式の駆動方法においては、電圧ＶHと、圧電変形領域８の変位量との関係を、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ＶHの電圧値の、約１／２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、圧電アクチュエータ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（ｋＶ／ｃｍ）と、圧電セラミック層６の分極量Ｐ（μＣ／ｃｍ2）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)東陽テクニカ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、圧電アクチュエータ７の圧電変形領域８の電界の強さＥ（ｋＶ／ｃｍ）が、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１０μｍであるので、圧電アクチュエータ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１０Ｖ／０．００１ｃｍ＝１０ｋＶ／ｃｍである。【０１３１】
（Ｐ−Ｅヒステリシス特性の測定II）
実施例１で製造した液体吐出装置１の、圧電アクチュエータ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１００Ｈｚ、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（μＣ／ｃｍ2）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、１０×１０8サイクル駆動させた後、装置から圧電セラミック層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１００μｍの円形Ｘ線ビームをスポット照射して、ブラッグ角２θ＝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ＩCを求めると共に、このＣ軸配向度ＩCが、圧電アクチュ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、あらかじめ測定しておいたＣ軸配向度ＩCの初期値の何倍になるかを求めた。
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ＩCが、初期値の１．５倍、非活性領域１６のＣ軸配向度ＩCが、初期値の０．７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ＩCが、初期値の１．０４倍、非活性領域１６のＣ軸配向度ＩCが、初期値の１．０７倍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い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１５μｍ、加圧室２の平面形状を、長さ２．２ｍｍ×幅０．６５ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、ユニモルフ型の圧電アクチュエータ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１７ｋＶ／ｃｍ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、圧電アクチュエータ７の、１つの圧電変形領域８に、図１に示す駆動電圧波形（＋ＶL＝＋１５Ｖ、−ＶL＝−１５Ｖ、駆動周波数１ｋＨｚ）を印加して、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９ｍ／ｓ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１２０μｓ後にストロボを発光させて、ノズル３の先端から１ｍｍ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。【０１３６】
一方、前記液体吐出装置１の、圧電アクチュエータ７の、１つの圧電変形領域８に、図１１に示す駆動電圧波形（ＶH＝＋３０Ｖ、駆動周波数１ｋＨｚ）を印加して、前記圧電変形領域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９ｍ／ｓ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１２０μｓ後にストロボを発光させて、ノズル３の先端から１ｍｍ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滴の微小なインク滴の、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いることが確認された。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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