駆動方式の比較 / Comparison of Drive Methods
本ドキュメントでは、インクジェットプリントヘッドにおける代表的な駆動方式である サーマル（熱方式） と ピエゾ方式（Piezoelectric） の違いを整理します。
また、ピエゾ方式内部でもアクチュエータ構造に応じた分類（d31 vs d33）、駆動電圧・波形特性などを補足し、各社方式の理解を支援します。
🧪 1. 駆動方式の原理比較
| 項目 |
サーマル（Thermal） |
ピエゾ（Piezoelectric） |
| 駆動原理 |
抵抗体の加熱によりインクを沸騰・気泡生成 |
ピエゾ素子の変形で圧力を加えインクを押し出す |
| 主な材料 |
ヒーター（TaN, HfB₂など） |
PZT（チタン酸ジルコン酸鉛） |
| 温度ストレス |
高（200〜300℃） |
低（常温〜小発熱） |
| インク制限 |
熱安定性が必要（染料水性中心） |
広範なインク対応（顔料／UV／溶剤等） |
| 特徴 |
低コスト・高速応答 |
高精度・高信頼性・広い材料適用性 |
| 採用例 |
Canon（BubbleJet）、HP（TIJ） |
EPSON、Ricoh、Fujifilm、Konica Minolta 等 |
🔍 2. ピエゾ素子構造の分類（d31 vs d33）
◽ d31モード（横方向変位）
- 構造：バルク積層型（例：旧世代ヘッド）
- 動作：電界を加えると素子が横方向に収縮し、キャビティを押し出す
- 特徴：
- 高耐久・シンプル構造
- 駆動電圧はやや高め（30〜40V）
- 応答速度は中程度
◽ d33モード（縦方向変位）
- 構造：薄膜PZT／MEMS構造（例：μTFP）
- 動作：電界により縦に伸縮し、インク室を直接圧縮
- 特徴：
- 高密度実装が可能（300〜600dpi）
- 応答性・エネルギー効率に優れる
- 微細MEMSプロセスが必要
⚡ 3. 駆動電圧と波形設計の工夫
| 項目 |
内容 |
| 電圧レベル |
サーマル：12〜24V / ピエゾ：20〜40V |
| 駆動構成 |
ピエゾでは複数電極間の電位差で動作を制御 |
| 波形制御 |
パルス幅・振幅・立ち上がり制御で吐出量調整 |
| 特殊設計（例） |
一部ヘッドでは、圧電素子の有効変位を得るために、共通電極にオフセット（負バイアス）を与える設計が採用されていることがある |
※ 圧電材料のヒステリシス特性により、抗電界を超える電界が必要な場合があり、そのための駆動波形設計が重要となる。
🏭 4. メーカー別採用方式の概要
| メーカー |
駆動方式 |
備考（電極構成や制御方式） |
| EPSON |
ピエゾ（d33） |
薄膜PZT + MEMS構造、独自の高応答制御方式採用（詳細非公開） |
| Canon |
サーマル |
ヒーターによる気泡駆動（BubbleJet） |
| HP |
サーマル |
TIJ（Thermal InkJet）、使い捨て設計中心 |
| Ricoh |
ピエゾ（d33） |
MEMS型ピエゾヘッド、高耐久設計 |
| Fujifilm |
ピエゾ（d31/d33） |
Dimatix含む各種構成。用途に応じたモジュール設計 |
📌 今後の拡張予定
- Mermaid.js による駆動方式構造図（d31 vs d33）
- 波形制御の代表例とインク応答性のマッピング
- ヒステリシスモデルと有効変位領域の可視化（例：PZT E-Vカーブ）
📚 参考資料
- 特許：JP2018-xxxxxx, US2020/xxxxxxxA1 等
- 技術論文：応用物理学会誌／SID技術報告／JETRO報告
- メーカー技術カタログ：EPSON, Fujifilm, Ricoh 他