(57)【要約】【課題】湿度のみならずそれ以外の故障要因も考慮して、インクを吐出する圧電素子の故障の発生を予測し、これによって、上記圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止する。【解決手段】インクジェットヘッドは、インク吐出用圧電素子２と、インク吐出用圧電素子２の故障を監視するためのモニタ用圧電素子３とを備えている。モニタ用圧電素子３は、インク吐出用圧電素子２よりも、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低い。【選択図】図４
2014151508.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
インクを吐出するインクジェットヘッドであって、
インク吐出用圧電素子と、
前記インク吐出用圧電素子の故障を監視するためのモニタ用圧電素子とを備え、
前記モニタ用圧電素子は、前記インク吐出用圧電素子よりも、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低いことを特徴とするインクジェットヘッド。
【請求項２】
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子は、同一基板上に、下部電極、圧電層、上部電極をそれぞれ積層して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項３】
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子は、異なる基板上に、下部電極、圧電層、上部電極をそれぞれ積層して構成されていることを特徴とする請求項１に記載のインクジェットヘッド。
【請求項４】
前記モニタ用圧電素子の圧電層は、前記インク吐出用圧電素子の圧電層よりも薄いことを特徴とする請求項２または３に記載のインクジェットヘッド。
【請求項５】
前記モニタ用圧電素子の上部電極は、前記インク吐出用圧電素子の上部電極よりも大きいことを特徴とする請求項２から４のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項６】
前記モニタ用圧電素子の圧電層は、前記インク吐出用圧電素子の圧電層よりも角を多く有していることを特徴とする請求項２から５のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項７】
前記モニタ用圧電素子の上部電極は、前記インク吐出用圧電素子の上部電極よりも角を多く有していることを特徴とする請求項２から６のいずれかに記載のインクジェットヘッド。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載のインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドのモニタ用圧電素子の故障に基づいてインク吐出用圧電素子の故障を予告するインクジェットプリンタ。
【請求項９】
前記インクジェットヘッドのインク吐出用圧電素子およびモニタ用圧電素子の繰り返し駆動時における、前記モニタ用圧電素子の故障を検知する故障検知部と、
前記故障検知部が前記モニタ用圧電素子の故障を検知したときに、外部に報知する故障報知部とを備えていることを特徴とする請求項８に記載のインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力室からインクを吐出する圧電素子を備えたインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、インクを吐出する複数のチャネル（圧力室）を有するインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタが知られている。用紙や布などの記録メディアに対してインクジェットヘッドを相対的に移動させながら、インクの吐出を制御することにより、記録メディアに対して二次元の画像を出力することができる。インクの吐出は、アクチュエータ（圧電式、静電式、熱変形など）を利用したり、熱によって管内のインクに気泡を発生させることで行うことができる。中でも、圧電式のアクチュエータは、出力が大きい、変調が可能、応答性が高い、インクを選ばない、などの利点を有しており、近年よく利用されている。
【０００３】
図１０は、従来の圧電式アクチュエータ１００の平面図およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。圧電式アクチュエータ１００は、圧力室１０１ａを有する基板１０１上に、絶縁層１０２、下部電極１０３、圧電膜１０４、上部電極１０５をこの順で積層して構成されている。基板１０１における圧力室１０１ａの上壁１０１ｂは従動膜を構成しており、圧電膜１０４の伸縮に伴って変位する。
【０００４】
すなわち、下部電極１０３および上部電極１０５に駆動回路１０６から電圧を印加し、圧電膜１０４が伸縮すると、圧電膜１０４と従動膜との長さの違いにより、従動膜に曲率が生じ、従動膜が膜に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室１０１ａ内のインクが外部に吐出される。このような圧電式アクチュエータ１００を横方向に並べることにより、インクジェットヘッドが構成される。
【０００５】
ところで、圧電式アクチュエータに用いられる圧電体には、ＢａＴｉＯ3や、ＰＺＴと呼ばれるＰｂ（Ｔｉ／Ｚｒ）Ｏ3など、ペロブスカイト型の金属酸化物が広く用いられている。図１１は、ＰＺＴのミクロな結晶構造を示している。
【０００６】
また、ＰＺＴにおいては、粉末の材料を焼成するバルク型と、気相や液相から成膜する薄膜型との２種類が知られている。図１２は、バルク型、薄膜型のそれぞれのＰＺＴのマクロな結晶構造を示している。バルク型、薄膜型のいずれにおいても、数ミクロンレベルの結晶粒２０１が寄り集まった多結晶体となっており、隣り合う結晶粒２０１の隙間には粒界２０１ａが存在する。粒界２０１ａでは、結晶構造が不連続になり、組成も不均一（元素の過剰や欠損）となるため、結晶性が低下する。
【０００７】
また、周辺の水分、電極として用いられる金属材料であるＰｔやＡｕの触媒効果、印加電界などの影響により、金属酸化物である圧電体は還元されやすい。圧電体は、還元されると金属の性質が強くなり、絶縁性が低下するため、ピンホールおよび電圧リークによる故障が生じる。
【０００８】
また、圧電体と下層（例えば下部電極）との界面も粒界と同様に結晶性が低下しており、圧電体が還元されると下層との密着性が低下して剥離による故障が生じる。特に、高温高湿の環境下で連続駆動すると、圧電体や電極の周縁において剥離による故障が生じやすくなる。
【０００９】
図１３は、アクチュエータの故障の一例を示している。上の図は、ＰＺＴの還元によって圧電体３０２にピンホール３０２ａが生じている様子を示している。このようなピンホール３０２ａが生じると、下部電極３０１と上部電極３０３との間で電流リークが発生する。また、下の図は、ＰＺＴの還元により、圧電体３０２がその周縁で下部電極３０１から剥離している様子を示している。
【００１０】
圧電体の還元を抑えるため、圧電体をシールなどで外気から遮断する方法も提案されているが、ピンホールなどの初期不良や材質の経時劣化により、圧電体に徐々に水分が侵入し、いつかは圧電体が損傷することになる。
【００１１】
そこで、圧電体または圧電素子の配置空間内の湿度を検出または制御することで、圧電体等の劣化や損傷を抑制する技術が知られている。例えば特許文献１では、圧電体の駆動時には、湿度保持手段を作動させて圧電体近傍の湿度を一定に保持し、圧電体の非駆動時は、湿度保持手段を駆動させないようにしている。このように、必要なときのみ湿度を調整することで、圧電体の劣化を抑制するとともに、余分な電力消費を抑えるようにしている。
【００１２】
特許文献２では、圧電素子を収納する封止ケースと、封止ケース内を乾燥させる乾燥ユニットとを連結し、封止ケース内の湿度を静電容量型の湿度センサにて計測するとともに、封止ケース内の湿度が上昇傾向にあるときには、ユーザに乾燥ユニットの交換を通知するようにしている。これにより、乾燥システムを適切な湿度範囲に維持して圧電素子の絶縁破壊を抑え、圧電素子を長期間安定して駆動するようにしている。
【００１３】
特許文献３では、圧電素子をダミー素子で取り囲み、ダミー素子で取り囲まれた領域に封止材を流し込んで圧電素子を封止することにより、圧電素子の防湿性を確保し、絶縁破壊を防止するようにしている。
【００１４】
特許文献４では、圧電素子を保護する圧電素子保持部内に給気孔から乾燥気体を供給し、排気孔を介して圧電素子保持部内に存在する気体を排出して、圧電素子保持部内の換気を行うことにより、圧電素子保持部内を常に低湿度に維持し、圧電素子の破壊を長期間にわたって防止するようにしている。
【００１５】
特許文献５では、インク吐出用の第１の圧電体とは別に、誘電率検知用の第２の圧電体を設け、誘電率センサが第２の圧電体の誘電率の変化を検知するようにしている。第２の圧電体の誘電率の低下が検知されると、密閉空間内の吸湿剤の吸湿性が低下して、密閉空間内の湿度が高くなっているものと判断できる。したがって、第２の圧電体の誘電率の変化に基づいて、吸湿剤の交換時期を判断して吸湿剤の交換を促すことで、湿気による絶縁破壊を防止することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２０１１−１３５００１号公報（請求項１、段落〔０００９〕、〔００２６〕等参照）
【特許文献２】特開２００９−２６２４２１号公報（請求項１、段落〔００１７〕、〔００１９〕、〔０１４３〕〜〔０１４５〕、図９等参照）
【特許文献３】特開２００７−２３７４７４号公報（請求項１、８、段落〔０００４〕、〔０００６〕、〔００２３〕等参照）
【特許文献４】特開２００５−７４９６６号公報（請求項１、段落〔０００８〕、〔０００９〕等参照）
【特許文献５】特開２００４−２５４７６号公報（請求項１、６、９、段落〔００２０〕、〔００２５〕、〔００２７〕、〔００４０〕、〔００７５〕、〔００７８〕等参照）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
ところで、圧電素子の故障によるインク不吐出などの致命的な欠陥を防止するためには、圧電素子の故障の発生前に部品交換を促すようにすることが必要であり、そのためには、圧電素子の故障の発生を事前に予測することが必要となる。
【００１８】
しかし、圧電素子の故障は、周囲の湿度が高い場合のみならず、周囲の湿度が低くても、長期間にわたる膜質劣化進行など、湿度以外の要因によって突発的に発生する場合があり、故障の発生を予測することは一般的に困難である。なお、圧電素子の寿命（繰り返し駆動が可能な回数や駆動可能時間）が予め定められていても、実際の使用環境や使用条件により、圧電素子の劣化の仕方は変わるため、圧電素子の故障時期は定められた寿命通りになるとは限らない。
【００１９】
この点、上記した特許文献１〜５は、圧電素子の周囲の湿度を湿度センサ等を用いて制御して圧電素子の劣化を抑えるに留まるものであり、圧電素子の故障の発生を事前に予測するものではなく、ましてや、湿度以外の要因も含めた圧電素子の突発的な故障の発生を予測できるものでもない。したがって、圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥が生じるのを未然に防止することはできない。
【００２０】
なお、特許文献５は、上述のように、インク吐出用の第１の圧電体とは別の第２の圧電体を設けて誘電率の変化を検知することで、吸湿剤の交換の必要性を判断するものであるが、第２の圧電体の絶縁破壊を防止するために、その駆動電圧は最大電圧の１／１０以下に抑えられている。このように第２の圧電体は低電圧駆動であり、その寿命が第１の圧電体よりも長くなると思われるため（第１の圧電体のほうが寿命が短いため）、第２の圧電体の誘電率が低下したときには、第１の圧電体の劣化が既に進んでいる可能性が高い。したがって、第２の圧電体の誘電率の変化に基づいて、第１の圧電体の故障の発生を予測することはできない。
【００２１】
本発明は、上記の問題点を解決するためになされたもので、その目的は、湿度のみならずそれ以外の故障要因も考慮して、インクを吐出する圧電素子の故障の発生を予測することができ、これによって、インク吐出用圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することができるインクジェットヘッドと、そのインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタとを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明の一側面に係るインクジェットヘッドは、インクを吐出するインクジェットヘッドであって、インク吐出用圧電素子と、前記インク吐出用圧電素子の故障を監視するためのモニタ用圧電素子とを備え、前記モニタ用圧電素子は、前記インク吐出用圧電素子よりも、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低い構成である。
【００２３】
モニタ用圧電素子は、インク吐出用圧電素子よりも、繰り返し駆動時の電気的破壊（例えば電流リーク）および機械的破壊（例えば膜剥離）に対する耐性が低いため、繰り返し駆動時には、インク吐出用圧電素子よりも早く故障することになり、このモニタ用圧電素子の故障から、インク吐出用圧電素子の故障の発生を予測することが可能となる。つまり、湿度センサのような圧電素子の劣化を監視する専用のセンサを用いなくても、モニタ用圧電素子を上記センサの代わりに用いて、インク吐出用圧電素子の故障が近いことを予測できる。
【００２４】
しかも、モニタ用圧電素子の実際の故障要因には、湿度のみならずそれ以外の要因（経時的な膜質劣化など）も含まれており、同一ヘッドにおいては、インク吐出用圧電素子も同じような故障要因の影響を受けているものと考えることができる。したがって、モニタ用圧電素子の故障に基づき、湿度以外の故障要因も全て考慮した上で、インク吐出用圧電素子の故障の発生を予測でき、湿度センサを用いる場合よりもはるかに高精度にインク吐出用圧電素子の故障の発生を予測できる。
【００２５】
その結果、インク吐出用圧電素子の故障前にユーザに部品交換（ヘッドの交換）を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。
【００２６】
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子は、同一基板上に、下部電極、圧電層、上部電極をそれぞれ積層して構成されていてもよい。
【００２７】
インク吐出用圧電素子とモニタ用圧電素子とで基板を共通化しているので、同じ製造工程で圧電層や上部電極のパターニングのみを変えることにより、これらの各圧電素子を製造することが可能となり、製造コストを低減できる。
【００２８】
前記インク吐出用圧電素子および前記モニタ用圧電素子は、異なる基板上に、下部電極、圧電層、上部電極をそれぞれ積層して構成されていてもよい。
【００２９】
このように、インク吐出用圧電素子とモニタ用圧電素子とが別体であっても、モニタ用圧電素子の故障に基づいて、インク吐出用圧電素子の故障の発生を予測することができる。
【００３０】
前記モニタ用圧電素子の圧電層は、前記インク吐出用圧電素子の圧電層よりも薄くてもよい。また、前記モニタ用圧電素子の上部電極は、前記インク吐出用圧電素子の上部電極よりも大きくてもよい。また、前記モニタ用圧電素子の圧電層は、前記インク吐出用圧電素子の圧電層よりも角を多く有していてもよい。また、前記モニタ用圧電素子の上部電極は、前記インク吐出用圧電素子の上部電極よりも角を多く有していてもよい。
【００３１】
上記いずれの場合でも、モニタ用圧電素子における繰り返し駆動時の電気的または機械的破壊に対する耐性を、インク吐出用圧電素子よりも低くできる。
【００３２】
本発明の他の側面に係るインクジェットプリンタは、上述したインクジェットヘッドを備え、前記インクジェットヘッドのモニタ用圧電素子の故障に基づいてインク吐出用圧電素子の故障を予告する構成である。
【００３３】
この構成では、インク吐出用圧電素子の故障の予告によって、故障前にヘッドの交換をユーザに促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を防止することができる。
【００３４】
上記のインクジェットプリンタは、前記インクジェットヘッドのインク吐出用圧電素子およびモニタ用圧電素子の繰り返し駆動時における、前記モニタ用圧電素子の故障を検知する故障検知部と、前記故障検知部が前記モニタ用圧電素子の故障を検知したときに、外部に報知する故障報知部とを備えていてもよい。
【００３５】
この場合、故障検知部がモニタ用圧電素子の故障を検知したときに、故障報知部によって外部に報知されるので、ユーザはその報知に基づいてヘッドの交換作業を行うことができ、これによってインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することが可能となる。
【発明の効果】
【００３６】
上記構成によれば、湿度のみならずそれ以外の故障要因も考慮して、モニタ用圧電素子の故障の発生に基づいてインク吐出用圧電素子の故障の発生を高精度に予測することができる。これにより、インク吐出用圧電素子の故障前に部品交換を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の一形態に係るインクジェットプリンタの一部を拡大して示す斜視図である。
【図２】上記インクジェットプリンタの概略の構成を示すブロック図である。
【図３】上記インクジェットプリンタが備えるインクジェットヘッドの主要部の構成を示す平面図である。
【図４】図３におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図５】上記インクジェットヘッドのインク吐出用圧電素子およびモニタ用圧電素子の主要部の構成を示す平面図である。
【図６】上記インク吐出用圧電素子および上記モニタ用圧電素子の主要部のさらに他の構成を示す平面図である。
【図７】上部電極の大きさおよび圧電層の形状の違いによる剥離応力の違いをシミュレーションした結果を示す説明図である。
【図８】上記インク吐出用圧電素子の製造工程を示す断面図である。
【図９】上記インクジェットヘッドの主要部の他の構成を示す断面図である。
【図１０】従来の圧電式アクチュエータの平面図およびＡ−Ａ’線矢視断面図である。
【図１１】ＰＺＴのミクロな結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図１２】バルク型、薄膜型のそれぞれのＰＺＴのマクロな結晶構造を模式的に示す説明図である。
【図１３】アクチュエータの故障の一例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
本発明の実施の一形態について、図面に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、インク吐出用圧電素子とは別にモニタ用圧電素子をインクジェットヘッドに設け、モニタ用圧電素子をインク吐出用圧電素子よりも早く故障する構造で設計することにより、モニタ用圧電素子の故障の発生からインク吐出用圧電素子の将来の故障の発生を予測し、事前にヘッド交換を促すことを可能にしてインク不吐出のような致命的な欠陥を防止するようにしている。以下、具体的に説明する。
【００３９】
〔インクジェットプリンタおよびインクジェットヘッドの構成〕
図１は、本実施形態のインクジェットプリンタ１の一部を拡大して示す斜視図である。インクジェットプリンタ１は、一部が開口した筐体１ａ内に、左右方向（図中Ｂ方向）に移動可能なキャリッジ１ｂを有している。このキャリッジ１ｂには、複数の色（例えばイエロー、マゼンタ、シアン、ブラックの４色）の各々に対応するインクジェットヘッド１０が一列に並んで搭載されている。図示しない記録媒体をプリンタの奥側から手前側（図中Ａ方向）に向かって搬送しながら、キャリッジ１ｂを左右に移動させて各色のインクを対応するインクジェットヘッド１０から吐出させることにより、記録媒体上にカラーの画像を形成することができる。
【００４０】
また、図２は、インクジェットプリンタ１の概略の構成を示すブロック図である。インクジェットプリンタ１は、モニタ用圧電素子３の故障に基づいてインク吐出用圧電素子２の故障を予告するものであり、上記のインク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３に加えて、駆動部４と、故障検知部５と、故障時期判断部６と、故障報知部７とを備えている。インク吐出用圧電素子２、モニタ用圧電素子３および駆動部４で、インクジェットヘッド１０が構成されている。
【００４１】
インク吐出用圧電素子２は、圧力室１１ａ（図４参照）から記録媒体に向けてインクを吐出する圧電素子である。モニタ用圧電素子３は、インク吐出用圧電素子２の故障を監視（モニタ）するための圧電素子であり、インク吐出用圧電素子２よりも、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなる構造に設計がされている。なお、モニタ用圧電素子３の詳細については後述する。駆動部４は、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３に電圧を印加してこれらを繰り返し（連続）駆動する駆動回路である。
【００４２】
故障検知部５は、駆動部４によるインク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３の繰り返し駆動時における、モニタ用圧電素子３の故障を検知するものであり、例えばＬＣＲメータやブリッジ回路など、公知の誘電体評価装置で構成されている。このような誘電体評価装置によって、モニタ用圧電素子３の圧電層１４（図４参照）の内部抵抗、誘電損失（ｔａｎδ）、静電容量（誘電率）、共振周波数などを測定することにより、圧電層１４における電流リークや剥離などの故障の有無を検知することができる。
【００４３】
つまり、圧電層１４において電流リークが増加すると、圧電層１４の内部抵抗が低下し、誘電損失が増加する。また、電流リークや剥離が増加すると、静電容量（誘電率）が低下する。さらに、圧電層１４の剥離が生じると、共振周波数が低下する。したがって、圧電層１４の内部抵抗、誘電損失、静電容量、共振周波数を検知することで、電流リークや剥離の有無を検知することができる。
【００４４】
故障時期判断部６は、故障検知部５の検知結果に基づいて、インク吐出用圧電素子２の故障時期を判断（予測）するものであり、ＣＰＵ（中央演算処理装置）のような制御部と、記憶部とで構成することが可能である。例えば、事前のテストにより、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３を繰り返し駆動したときに、モニタ用圧電素子３が故障してからインク吐出用圧電素子２が故障するまでの駆動時間を測定しておき、その駆動時間を初期値として記憶部に記憶させておけば、実際の使用時（画像描画時）にモニタ用圧電素子３が故障したときに、モニタ用圧電素子３の故障が発生した日時に、記憶部に記憶させた時間を足した日時を、インク吐出用圧電素子２の故障が発生する時期と予測することができる。
【００４５】
なお、画像描画時のインク吐出用圧電素子２の駆動時間は、描画する画像に応じてチャネル（圧力室１１ａに対応）ごとに異なるので、上記駆動時間をチャネルごとに記憶部に記憶させて、モニタ用圧電素子３の故障時期からインク吐出用圧電素子２の故障時期をチャネルごとに予測するとともに、最も故障時期が早いチャネルにおけるその故障時期を、インク吐出用圧電素子２自体の故障時期（ヘッドの交換時期）と予測してもよい。
【００４６】
故障報知部７は、故障検知部５がモニタ用圧電素子３の故障を検知したときに、故障時期判断部６からの制御信号に基づき、モニタ用圧電素子３の故障を外部に報知するものであり、例えばＬＥＤ、（液晶）表示部、鳴動部などで構成されている。つまり、故障報知部７は、故障検知部５が故障を検知したときに、ＬＥＤを点灯させたり、上記故障が発生した旨を表示部に表示させたり、ブザーや音声を発することで、外部にモニタ用圧電素子３の故障を報知することができる。このような故障の報知により、ユーザに対してインク吐出用圧電素子２の故障の発生が近いことを認知させ、インクジェットヘッド１０の交換を促すことができる。したがって、そのような部品交換によって、インク吐出用圧電素子２からのインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することができる。なお、故障報知部７は、モニタ用圧電素子３の故障を報知すると同時に、故障時期判断部６にて予測されるインク吐出用圧電素子２の故障時期を報知（例えば表示）するようにしてもよい。
【００４７】
〔圧電素子の構成〕
次に、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３の詳細について説明する。図３は、インクジェットヘッド１０の主要部の構成を示す平面図であり、図４は、図３におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。なお、図３の平面図では、インク吐出用圧電素子２と明確に区別する目的で、モニタ用圧電素子３にハッチングを付している。
【００４８】
インク吐出用圧電素子２は、圧力室１１ａを有する基板１１上に、熱酸化膜１２、下部電極１３、圧電層１４および上部電極１５をこの順で積層して構成されている。基板１１における圧力室１１ａの上壁１１ｂは従動膜を構成しており、圧電層１４の伸縮に伴って変位する。下部電極１３および上部電極１５は、上記した駆動部４と接続されている。基板１１において、圧力室１１ａは千鳥状でかつ２列に並ぶように複数形成されている。
【００４９】
モニタ用圧電素子３もインク吐出用圧電素子２と同様の層構成であり、圧力室１１ａを有する基板１１上に、熱酸化膜１２、下部電極１３、圧電層１４および上部電極１５をこの順で積層して構成されている。モニタ用圧電素子３においても、基板１１における圧力室１１ａの上壁１１ｂは従動膜を構成しており、圧電層１４の伸縮に伴って変位する。下部電極１３および上部電極１５は、上記した駆動部４のみならず、故障検知部５とも接続されている。また、モニタ用圧電素子３の圧力室１１ａは、インク吐出用圧電素子２の各圧力室１１ａの配列方向の両側に位置している。
【００５０】
インク吐出用圧電素子２とモニタ用圧電素子３とで、基板１１、熱酸化膜１２および下部電極１３は共通しており、圧電層１４および上部電極１５は、基板１１に千鳥状に形成された各圧力室１１ａに対応して形成されている。すなわち、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３は、同一の基板１１上に、下部電極１３、圧電層１４、上部電極１５をそれぞれ積層して構成されている。これにより、圧電層１４や上部電極１５のパターニングのみを変えるだけで、同じ製造工程でインク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３を同時に製造することが可能となり、製造コストを低減できる。なお、製造方法の詳細については後述する。
【００５１】
また、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３の各圧力室１１ａは、共通インク室と連通するインク流路と接続されており、インク吐出が可能となっている。インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３において、下部電極１３および上部電極１５に駆動部４から電圧を印加し、圧電層１４が伸縮すると、圧電層１４と従動膜との長さの違いにより、従動膜に曲率が生じ、従動膜が膜に垂直な方向に変位する。これにより、圧力室１１ａ内のインクが外部に吐出される。
【００５２】
なお、モニタ用圧電素子３のインク吐出側には、吐出されたインクを吸収または遮断する部材（スポンジまたはシャッタ）が配置されており、インクが記録媒体に付着しないようにしている。すなわち、記録媒体にインクを吐出して画像形成を行う役割は、専らインク吐出用圧電素子２に持たせており、モニタ用圧電素子３は画像形成を行う役割を持たない。
【００５３】
インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３のそれぞれにおいて、基板１１は、厚さが例えば３００〜５００μｍ程度の単結晶Ｓｉ（シリコン）単体からなる半導体基板またはＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板で構成されている。熱酸化膜１２は、例えば厚さが０．１μｍ程度のＳｉＯ2（酸化シリコン）からなり、基板１１の保護および絶縁の目的で形成されている。
【００５４】
下部電極１３は、Ｔｉ（チタン）層とＰｔ（白金）層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、熱酸化膜１２とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１μｍ程度である。
【００５５】
上部電極１５は、Ｔｉ層とＰｔ層とを積層して構成されている。Ｔｉ層は、圧電層１４とＰｔ層との密着性を向上させるために形成されている。Ｔｉ層の厚さは例えば０．０２μｍ程度であり、Ｐｔ層の厚さは例えば０．１〜０．２μｍ程度である。
【００５６】
圧電層１４は、ＰＴＯ（ＰｂＴｉＯ3；チタン酸鉛）とＰＺＯ（ＰｂＺｒＯ3；ジルコン酸鉛）との固溶体であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の薄膜で構成されている。ただし、圧電層１４の厚さは、インク吐出用圧電素子２とモニタ用圧電素子３とで異なっている。より詳しくは、図４に示すように、モニタ用圧電素子３の圧電層１４は、インク吐出用圧電素子２の圧電層１４よりも薄くなっている。圧電層１４への印加電圧を一定とした場合、圧電層１４が薄いほど、単位厚さ当たりの電界強度が大きくなるため、還元反応が進みやすくなり、圧電層１４の劣化が早くなって電流リークや剥離が生じやすくなる。つまり、上記の膜厚設計により、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが、繰り返し駆動時の電気的および機械的破壊に対する耐性が低くなる。
【００５７】
これにより、繰り返し駆動時には、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが早く故障することになり、このモニタ用圧電素子３の故障から、インク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測することが可能となる。このとき、本実施形態では、湿度センサのような圧電素子の劣化を監視する専用のセンサを別途設けてはおらず、インク吐出用圧電素子２と同種（同様の層構成）の圧電素子であるモニタ用圧電素子３を上記センサの代わりに用いることで、インク吐出用圧電素子２の故障が近いことを予測できる。
【００５８】
しかも、モニタ用圧電素子３の実際の故障は、周囲の湿度のみならず、経時的な膜質劣化などの他の要因も含んだ上での故障であり、同一ヘッドに設けられたインク吐出用圧電素子２も同じように湿度や経時的な膜厚劣化などの要因の影響を受けていると考えられる。したがって、湿度以外の故障要因も含めて、モニタ用圧電素子３の故障の発生からインク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測することができ、上記の湿度センサを用いる場合よりもはるかに高精度にインク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測できる。
【００５９】
その結果、インク吐出用圧電素子２の故障前にユーザにインクジェットヘッド１０の交換）を促して、インク不吐出などの致命的な欠陥を未然に防止することが可能となる。
【００６０】
特に、本実施形態では、故障検知部５がモニタ用圧電素子３の故障を検知したときに、故障報知部７によって外部に報知されるので、ユーザはその報知に基づいてインクジェットヘッド１０の交換作業を行うことができ、これによってインク不吐出などの致命的な欠陥が生ずるのを未然に防止することが確実に可能となる。
【００６１】
ところで、図５は、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３の主要部の他の構成を示す平面図である。同図に示すように、モニタ用圧電素子３の上部電極１５は、インク吐出用圧電素子２の上部電極１５よりも（面積が）大きい形状であってもよい。この場合、インク吐出用圧電素子２とモニタ用圧電素子３とで、圧電層１４の直径を同じとした場合に、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが、圧電層１４において上部電極１５への電圧印加時に駆動されない部分（上部電極１５からはみ出た部分）が少なくなる。このため、圧電層１４の周縁部における剥離応力が大きくなり、剥離が生じやすくなる。したがって、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが、繰り返し駆動時の機械的破壊に対する耐性が低くなる。
【００６２】
また、図６は、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３の主要部のさらに他の構成を示す平面図である。同図に示すように、モニタ用圧電素子３の圧電層１４は、インク吐出用圧電素子２の圧電層１４よりも角を多く有していてもよい。つまり、インク吐出用圧電素子２の圧電層１４が平面視で円形であれば、モニタ用圧電素子３の圧電層１４は平面視で多角形状（例えば四角形状）であってもよい。また、モニタ用圧電素子３の上部電極１５は、インク吐出用圧電素子２の上部電極１５よりも角を多く有していてもよい。つまり、インク吐出用圧電素子２の上部電極１５が平面視で円形であれば、モニタ用圧電素子３の上部電極１５は平面視で多角形状（例えば四角形状）であってもよい。
【００６３】
圧電層１４に角があると、剥離応力が角の部分に集中するため、圧電層１４が剥離しやすくなる。この場合、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが、繰り返し駆動時の機械的破壊に対する耐性が低くなる。また、上部電極１５に角があると、電界がその部分に集中するため、電流リークが生じやすくなる。この場合、インク吐出用圧電素子２よりもモニタ用圧電素子３のほうが、繰り返し駆動時の電気的破壊に対する耐性が低くなる。
【００６４】
つまり、図５および図６のように圧電層１４または上部電極１５の形状を設定することによっても、モニタ用圧電素子３における繰り返し駆動時の電気的または機械的破壊に対する耐性を、インク吐出用圧電素子２よりも低くできるので、繰り返し駆動によるモニタ用圧電素子３の故障の発生がインク吐出用圧電素子２よりも早くなり、モニタ用圧電素子３の故障をもとにして、インク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測することが可能となる。なお、図４〜図６で示した膜厚や形状の設定を適宜組み合わせて、インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３を構成してもよい。
【００６５】
ちなみに、図７は、上部電極１５の大きさおよび圧電層１４の形状の違いによる剥離応力の違いをシミュレーションした結果を示している。なお、圧電層１４の幅をＡ（μｍ）とし、上部電極１５の幅をＢ（μｍ）としたとき、Ａ＞Ｂとする。図７より、Ｂの値が増大するほど、つまり、圧電層１４において上部電極１５からはみ出た部分の面積が減少するほど、圧電層１４の剥離応力は増大していることがわかる。また、ＡおよびＢを一定としたとき、圧電層１４の形状が円形の場合よりも正方形の場合のほうが（圧電層１４が角部を有しているほうが）、剥離応力が増大していることがわかる。したがって、モニタ用圧電素子３の上部電極１５を、インク吐出用圧電素子２の上部電極１５よりも大きく形成したり、モニタ用圧電素子３の圧電層１４を、インク吐出用圧電素子２の圧電層１４よりも角を多く有する形状で形成することにより、インク吐出用圧電素子２よりも圧電層１４の剥離応力を増大させて、モニタ用圧電素子３の繰り返し駆動時の機械的破壊に対する耐性を低くできることがわかる。
【００６６】
〔圧電素子の製造方法〕
次に、本実施形態の圧電素子の製造方法について説明する。図８は、インク吐出用圧電素子２の製造工程を示す断面図である。なお、モニタ用圧電素子３の製造方法については、圧電層１４や上部電極１５のパターニング形状や膜厚が異なるだけで、製造工程自体はインク吐出用圧電素子２と同様であるため、ここではその説明を省略する。
【００６７】
まず、基板１１を用意する。基板１１としては、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）に多く利用されている結晶シリコン（Ｓｉ）を用いることができ、ここでは、酸化膜１１ｅを介して２枚のＳｉ基板１１ｃ・１１ｄが接合されたＳＯＩ（Silicon on Insulator）構造のものを用いている。
【００６８】
基板１１を加熱炉に入れ、１５００℃程度に所定時間保持して、Ｓｉ基板１１ｃ・１１ｄの表面にＳｉＯ2からなる熱酸化膜１２ａ・１２ｂをそれぞれ形成する。次に、一方の熱酸化膜１２ａ上に、チタンおよび白金の各層をスパッタ法で順に成膜し、下部電極１３を形成する。
【００６９】
続いて、基板１１を６００℃程度に再加熱し、変位膜となるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の層１４ａをスパッタ法で成膜する。そして、基板１１に感光性樹脂２１をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂２１の不要な部分を除去し、形成する圧電層１４の形状を転写する。その後、感光性樹脂２１をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層１４ａの形状を加工し、圧電層１４とする。
【００７０】
次に、圧電層１４を覆うように下部電極１３上に、チタン、白金層をスパッタ法で順に成膜し、層１５ａを形成する。続いて、層１５ａ上に感光性樹脂２２をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって感光性樹脂２２の不要な部分を除去し、形成する上部電極１５の形状を転写する。その後、感光性樹脂２２をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて層１５ａの形状を加工し、上部電極１５を形成する。
【００７１】
次に、基板１１の裏面に感光性樹脂２３をスピンコート法で塗布し、マスクを介して露光、エッチングすることによって、感光性樹脂２３の不要な部分を除去し、形成しようとする圧力室１１ａの形状を転写する。そして、感光性樹脂２３をマスクとして、反応性イオンエッチング法を用いて基板１１の除去加工を行い、圧力室１１ａを形成する。これにより、インク吐出用圧電素子２が完成する。その後、熱酸化膜１２ｂを除去し、基板１１と中間ガラス、および中間ガラスとノズルプレートとをそれぞれ陽極接合することにより、インクジェットヘッド１０が完成する。なお、中間ガラスおよびノズルプレートには、圧力室１１ａ内のインクを外部に吐出するための穴がそれぞれ形成されている。
【００７２】
〔その他の構成〕
図９は、インクジェットヘッド１０の主要部の他の構成を示す断面図である。インク吐出用圧電素子２およびモニタ用圧電素子３は、異なる基板１１・１１上に、熱酸化膜１２、下部電極１３、圧電層１４、上部電極１５をそれぞれ積層して構成されていてもよい。このように、インク吐出用圧電素子２とモニタ用圧電素子３とが別体であっても、モニタ用圧電素子３の故障に基づいて、インク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測することは可能である。また、インク吐出用圧電素子２とモニタ用圧電素子３とが別体であることにより、インクジェットヘッド１０の設計自由度も増大する。
【００７３】
本実施形態では、圧電層１４を構成する材料としてＰＺＴを用いているが、ＰＺＴ以外の圧電材料を用いてもよい。例えば、ＰＺＴにＮｂ、Ｌａ、Ｍｎなど様々な不純物を添加したもの、ＰＭＮ−ＰＴ（（ＰｂＭｇ1/3Ｎｂ2/3）Ｏ3とＰｂＴｉＯ3との固溶体）などの圧電特性の高いもの、ＢａＴｉＯ3などの非鉛系材料を圧電材料として利用することができる。
【００７４】
本実施形態では、モニタ用圧電素子３の圧力室１１ａがインク流路と接続されている場合について説明したが、インク流路と接続されていなくてもよい。この場合、圧力室１１ａ内にインクが存在する場合に比べて、従動膜の変位の際の負荷が軽減されるため、圧電層１４の伸縮時に従動膜の変位が大きくなる。したがって、モニタ用圧電素子３の故障がより生じやすくなり、より厳しい故障条件でインク吐出用圧電素子２の故障の発生を予測することができる。
【００７５】
本実施形態では、圧電層１４を圧電薄膜で構成した場合について説明したが、バルクで構成した場合でも、本実施形態の厚さや形状に関する膜設計を適用することは可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明のインクジェットヘッドは、インクジェットプリンタに利用可能である。
【符号の説明】
【００７７】
１      インクジェットプリンタ
２      インク吐出用圧電素子
３      モニタ用圧電素子
５      故障検知部
７      故障報知部
１０      インクジェットヘッド
１１      基板
１１ａ    圧力室
１３      下部電極
１４      圧電層
１５      上部電極
【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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【図１３】
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