(57)【要約】【課題】低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保する。【解決手段】ＰＺＴからなるアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドで、正負何れか一方の極性の電圧を出力し、上部電極にパルス形状の電圧を、下部電極に直流電圧を印加する駆動ＩＣを介して圧電素子に駆動波形を印加して液滴を吐出させる。駆動波形と次の駆動波形との間で、回復波形として、上部電極に、下部電極に印加した直流電圧とにより駆動電界とは逆極性の回復用電界を形成する電圧部分し、メニスカス固有周期と共振しないパルス形状の電圧を印加する。【選択図】図１２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズルに連通する加圧液室を形成する基板上に、振動板と、一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜を一対の電極で挟んだ圧電素子とを積層形成したアクチュエータを用い、
駆動ＩＣを介して該圧電素子に、該加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させるための駆動波形の電圧を印加し、該駆動波形と次の駆動波形との間に該圧電素子の変位特性の低下を抑制するための回復波形の電圧を印加する液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
上記駆動ＩＣは、正負何れか一方の極性を有する電圧を出力し、上記一対の電極のうちの一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するものであり、
上記駆動波形は、吐出させない状態に対応する第１電界を上記圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、吐出させる状態に対応する第２電界を該圧電体薄膜に生じさせる電圧部分とを有し、
上記回復波形における該パルス形状の電圧は、吐出させない状態に対応する第３電界を該圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、該他方の電極に印加する直流電圧と共に、該第１の電界と第２の電界とのうち、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を該圧電体薄膜に生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有し、該所定時間は、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、該メニスカス周期の整数倍の以外の時間であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項２】
請求項１の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記回復用電界は上記圧電素子の抗電界未満であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項３】
請求項１または２の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記駆動ＩＣは、上記一対の電極のうち上記基板側の電極に直流電圧を印加し、反対側の電極に上記パルス形状の電圧を印加することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項４】
請求項１、２または３の何れかの液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記回復波形におけるパルス形状の電圧の立上り時間、及び、立下り時間が上記メニスカス共振周期よりも長いことを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項５】
請求項１、２、３または４の何れかの液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記回復波形における上記回復用電界を生じさせるための電圧を印加する上記所定時間はメニスカス共振周期の半整数倍の時間であることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項６】
請求項１、２、３、４または５の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記第３電界は上記第１電界以上の大きさを有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
【請求項７】
ノズルに連通する加圧液室を形成する基板上に、振動板と、一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜を一対の電極で挟んだ圧電素子とを積層形成したアクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドにおいて、
請求項１乃至７の何れかの液滴吐出ヘッドの駆動方法により上記液滴吐出ヘッドを駆動する駆動ＩＣを備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項８】
媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を該媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、
上記前記液滴吐出手段として請求項７の液滴体吐出ヘッドを採用したことを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法、この駆動方法を採用した液滴吐出ヘッド、及び、この液滴吐出ヘッドを採用した画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドによりインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する（単に液滴を吐出する）ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液滴となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液滴の総称として用いる。
【０００３】
インクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室（インク流路、加圧室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）と、加圧液室内のインクを吐出するための圧力発生手段で構成されている。圧力発生手段としては、加圧液室の一壁面を構成する振動板上に配置した圧電素子を用い、振動板を変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のものが挙げられる。
【０００４】
さらに、最近では半導体プロセスやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）の進歩により、加圧液室を形成するＳｉ基板に、薄膜ピエゾアクチュエータ（以下、薄膜ピエゾという）を構成する振動板や圧電素子の構成層の薄膜を直接形成し高密度に作り込むものが実用化されている。圧電素子は、基板側電極、圧電体層、表面電極から構成される。圧電体層の薄膜としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表される、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等が用いられている。しかしながら、駆動波形を繰り返し印加して薄膜ピエゾの駆動をおこなっていると、駆動波形に対する変位量（以下、変位特性という）が低下し、経時で吐出特性が低下してしまうという問題が発生した。
【０００５】
薄膜ピエゾの変位特性の低下に対して、以下のような電圧を印加して、その回復を図るものが提案がされている。
特許文献１には、圧電体薄膜の鉛と水分との反応による変位低下を課題として、駆動波形と駆動波形の間で直流電圧を回復波形として印加するものが記載されている。
特許文献２には、駆動波形と駆動波形の間で駆動波形を反転した回復波形を印加するものが記載されている。
特許文献３には、圧電体薄膜の非活性領域の変形による変位低下を課題として、駆動波形中に逆極性の電圧を含むように構成することで、薄膜ピエゾに駆動電界とは逆方向の電界を形成するものが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明者らは研究の結果、ペロブスカイト結晶構造を有するＰＺＴ等の圧電体薄膜を用いた薄膜ピエゾにおいて、圧電素子を一方向の駆動電界を印加しつづけると、以下の現象に起因した変位特性の低化が発生することを見出した。
圧電素子を駆動するために印加された電界により、ＰＺＴ中の鉛欠陥が負電圧側の電極に向かって引き寄せられる。引き寄せられた鉛欠陥は、負電圧側の電極との界面でトラップされることで電極界面に偏在してしまう。この偏在した鉛欠陥が内部電界を生じて駆動波形の実効電圧を低下させ、薄膜ピエゾの変位特性が低下する。
さらに、この鉛欠陥のトラップは非常に深い準位であり、一度トラップされてしまうと容易にデトラップされず、通常の液滴を吐出させる使用条件内ではほぼ不可逆的な変化となる。すなわち、鉛欠陥のトラップという不可逆的な変化に起因する薄膜ピエゾの変位特性の低下は、通常の使用条件内で回復することはできず、経時で変位特性の低下が進行していく。
【０００７】
上記特許文献１は、薄膜ピエゾの、鉛と水分の反応による変位低下を課題として、駆動波形と駆動波形の間で直流電圧を印加するものである。直流電圧のみで、上記鉛欠陥の偏在を解消しようとするとかなり長い印加時間が必要であり、駆動波形と駆動波形の間で印加するシーケンスとして成立し難い。
【０００８】
上記特許文献３では、駆動波形中に逆極性の電圧を含むように構成することで、薄膜ピエゾに駆動電界とは逆方向の電界が形成され、電極との界面における鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。しかしながら、駆動波形中に圧電素子の変位低下を抑制するための特性を有する一定条件の逆極性の波形を導入しているため、駆動波形に制約ができてしまい、安定した吐出性能が得られない場合がある。
【０００９】
上記特許文献２では、駆動電圧の印加後に、駆動電圧と同じ波形で極性を反転した電圧が印加するものである。これによれば、駆動電界とは逆方向の電界が形成され、電極との界面における鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。しかしながら、駆動電圧と同じ波形の反対極性の電圧を出力する電源を新たに設けると、駆動ＩＣが大幅なコスト増加を招いてしまう。また、特許文献２では、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転させているが、スイッチを設けることによっても駆動ＩＣのコスト増加を招いてしまう。液滴吐出ヘッドの製品化するためには、駆動ＩＣのコストアップを抑えて、経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保することが重要であり、駆動ＩＣのコストが高くなると、製品として成立しない場合もある。
【００１０】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び、画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、ノズルに連通する加圧液室を形成する基板上に、振動板と、一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜を一対の電極で挟んだ圧電素子とを積層形成したアクチュエータを用い、
駆動ＩＣを介して該圧電素子に、該加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させるための駆動波形の電圧を印加し、該駆動波形と次の駆動波形との間に該圧電素子の変位特性の低下を抑制するための回復波形の電圧を印加する液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
上記駆動ＩＣは、正負何れか一方の極性を有する電圧を出力し、上記一対の電極のうちの一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するものであり、
上記駆動波形は、吐出させない状態に対応する第１電界を上記圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、吐出させる状態に対応する第２電界を該圧電体薄膜に生じさせる電圧部分とを有し、
上記回復波形における該パルス形状の電圧は、吐出させない状態に対応する第３電界を該圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、該他方の電極に印加する直流電圧と共に、該第１の電界と第２の電界とのうち、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を該圧電体薄膜に生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有し、該所定時間は、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、該メニスカス周期の整数倍の以外の時間であることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、低コストで、アクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける薄膜ピエゾアクチュエータの基本構成を示す断面図。
【図２】薄膜ピエゾアクチュエータの基本的層構成を示す断面図。
【図３】本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図であり、（ａ）は幅方向、（ｂ）はノズル列方向を示す。
【図４】本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図（その１）。
【図５】本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図（その２）。
【図６】液滴吐出ヘッドで液滴を吐出させる駆動波形の一例を示す図。
【図７】圧電素子に対する印加電圧と変位量との関係の一例を示すグラフ。
【図８】変位量の計測方法の説明図。
【図９】バイアス電圧を印加した駆動波形の一例の説明図。
【図１０】圧電素子のヒステリシスカーブ。
【図１１】本実施形態中でのパルス幅時間、立上り時間、立下り時間の説明図。
【図１２】本実施形態の駆動波形と回復波形の説明図。
【図１３】メニスカス共振周期の説明図。
【図１４】実施例１に係る回復波形の説明図。
【図１５】実施例２に係る回復波形の説明図。
【図１６】実施例３に係る回復波形の説明図。
【図１７】実施例４に係る回復波形の説明図。
【図１８】実施例５に係る回復波形の説明図。
【図１９】比較例１に係る回復波形の説明図。
【図２０】実施例及び比較例の吐出速度の評価結果を示すグラフ。
【図２１】本実施形態のインクジェットプリンタの斜視図。
【図２２】本実施形態のインクジェットプリンタの機構部の側面図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の一実施形態に係る液滴吐出ヘッドについて説明する。
図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける薄膜ピエゾアクチュエータの基本構成を示す断面図である。この液滴吐出ヘッド５１は、ノズル板２と、液室基板４と、振動板５５と、圧電素子５６とを積層している。ノズル板２には、インク滴を吐出するノズル２０が形成されている。ノズル板２、液室基板４、及び振動板５５により、ノズル２０に連通する加圧液室１４（インク流路、加圧室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）が形成されている。振動板５５は、加圧液室１４の一壁面を形成している。
【００１５】
薄膜ピエゾアクチュエータ２００は振動板５５と圧電素子５６とからなる。圧電素子５６は、基板側電極となる下部電極１５１と、圧電体薄膜１５２と、表面電極となる上部電極１５３とを有する。圧電素子５６は、電気信号を機械的変位に変換する素子である。圧電素子５６は、液室基板４の一方の面に成膜された振動板５５の、加圧液室１４に対応する位置に設けられている。
【００１６】
液滴吐出ヘッド５１は、薄膜ピエゾアクチュエータ２００を駆動することで、ノズル２０からインクの液滴を吐出するヘッドである。具体的には、液滴吐出ヘッド５１は、圧電素子５６の下部電極１５１または上部電極１５３に電圧を印加することで圧電体薄膜１５２に応力を発生させて振動板５５を振動させる。この振動板５５の振動に伴ってノズル２０から加圧液室１４内のインクを液滴状に吐出する機能を有する。なお、加圧液室１４内にインクを供給するインク供給手段、インクの流路、流体抵抗等についての図示及び説明は省略している。
【００１７】
図２は、薄膜ピエゾアクチュエータの基本的層構成を示す断面図である。上述のように、圧電素子５６は、液室基板４と振動板５５とを積層形成した上に、下部電極１５１と、圧電体薄膜１５２と、上部電極１５３を積層して形成される。圧電素子５６を、図１に示す形状に形成するためには、圧電体薄膜１５２と、上部電極１５３を形成した後に、所望の形状に圧電体薄膜１５２と、上部電極１５３の形状をエッチング技術により形成する。また、図示しない保護層、層間絶縁層（図５，６参照）は所望の部分にのみ形成すれば良く、所望の形状となるようエッチング技術により形成する。
【００１８】
以下、各層に使用される材料およびその製造プロセスに関して説明を加える。
液室基板４としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６００［μｍ］の厚みを持つことが好ましい。面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種あるが、半導体産業では一般的に（１００）、（１１１）が広く使用されている。本実施形態においては、主に（１００）の面方位を持つ単結晶基板を主に使用する。
【００１９】
また、図１に示すような加圧液室１４を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。異方性エッチングとは結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。
【００２０】
例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、（１００）面に比べて（１１１）面は約１/４００程度のエッチング速度となる。従って、面方位（１００）では約５４°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位（１１０）では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。本実施形態で(１１０)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるＳｉＯ２もエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。
【００２１】
振動板５５としては、図１に示すように圧電素子５６によって発生した力を受けて変形変位し、加圧液室１４内のインク滴を吐出させる。このような機能を有するため、振動板５５は所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。さらに、下部電極１５１と、圧電体薄膜１５２の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
【００２２】
後述のように、圧電体薄膜１５２としては、一般的にＰＺＴが使用される。そのため、振動板５５として、圧電体薄膜１５２の線膨張係数８×１０−６（１／Ｋ）に近い、５×１０−6〜１０×１０−6の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには、７×１０−6〜９×１０−6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等である。これらをスパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製することができる。
【００２３】
振動板５５の膜厚としては０．１〜１０［μｍ］が好ましく、０．５〜３［μｍ］がさらに好ましい。この範囲より小さいと、図１に示すような加圧液室１４の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板５５が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。
【００２４】
下部電極１５１、上部電極１５３としては、金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金が用いられている。しかし、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地（特にＳｉＯ２）との密着性が悪いために、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ３Ｎ５等を先に密着層として積層することが好ましい。作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、０．０５〜１［μｍ］が好ましく、０．１〜０．５［μｍ］がさらに好ましい。
【００２５】
また、圧電体薄膜１５２の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、下部電極１５１と圧電体薄膜１５２、および、圧電体薄膜１５２と上部電極１５３との間にＳｒＲｕＯ３、ＬａＮｉＯ３などの導電性酸化物を電極部として積層することが好ましい。
【００２６】
圧電体薄膜１５２としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を使用する。ＰＺＴとは、ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）Ｏ３、一般にはＰＺＴ（５３／４７）と示されるＰＺＴ等を使用することができる。
【００２７】
圧電体薄膜１５２は、例えば、スパッタ法若しくはＳｏｌ−Ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソグラフィを用いたエッチング等により所望のパターンを得る。
【００２８】
ＰＺＴをＳｏｌ−Ｇｅｌ法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、ＰＺＴ前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。
【００２９】
振動板５５の全面にＰＺＴ膜を得る場合、スピンコート等の溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックの発生しない膜を得るには一度の工程で１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。
【００３０】
圧電体薄膜１５２の膜厚としては０．５〜５［μｍ］が好ましく、１〜２［μｍ］がより好ましい。この範囲より小さいと十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。
【００３１】
次に、上記アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド５１について説明する。
図３は本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図であり（ａ）は幅方向断面図、（ｂ）はノズル列方向断面図である。なお、便宜上、（ａ）では液滴吐出ヘッドの右半分を、（ｂ）では二つの加圧液室１４に対応する部分のみ示している。
【００３２】
液室基板４には、加圧液室１４、流体抵抗部１５などのインク流路となる溝部が形成されている。
液室基板４としては、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコンが張り合わされたＳＯＩ基板を用いている。また、振動板５５は、ＳＯＩ基板のシリコン層（Ｓｉ層）表面にパイロ酸化法を適用し、シリコン酸化膜を形成したものである。そして、この振動板５５の上に圧電素子５６を形成して、薄膜ピエゾアクチュエータ２００を構成する。
【００３３】
圧電素子５６は、振動板５５の上に下部電極１５１となる白金膜、圧電体薄膜１５２となるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）の膜、上部電極１５３となる白金膜の多層構造を積層することで形成している。下部電極１５１は共通電極であり、上部電極１５３は個別電極である。圧電素子５６は、シリコン基板をエッチングすることにより形成された加圧液室１４に対向する領域に形成されている。
【００３４】
液室基板４は、下部電極１５１及び上部電極１５３のそれぞれに電位を印加する配線部材１５４を備える。配線部材１５４としては、下部電極パッド部１５７を下部電極１５１に電気的に接続する下配線部材１５４ａと、上部電極パッド部１５８を上部電極１５３に電気的に接続する上配線部材１５４ｂとが設けられている。また、液室基板４は、下部電極１５１及び上部電極１５３と配線部材１５４との層間に配置する層間絶縁膜１５５を備える。さらに、液室基板４には、配線部材１５４を保護するためのパッシベーション膜１５６が薄膜ピエゾアクチュエータ２００の上面及び側面を覆うように配置されている。
【００３５】
ノズル板２は、厚さ３０〜５０［μｍ］のＳＵＳ（ステンレス鋼）基板からなり、プレス加工と研磨加工とによりノズル２０が形成されている。このノズル２０はノズル板２と液室基板４とを組み付けたときに、液室基板４の加圧液室１４と対向し、加圧液室１４と外部空間とを連通するように形成される。
【００３６】
保護基板３は、圧電素子保護空間２２を形成する基板である。この保護基板３には、共通液室１８としてインク流路となる溝部と、圧電素子５６の保護及び変位を妨げないための圧電素子保護空間２２とが形成されている。また、液室基板４の液室隔壁４ａの剛性を高めるために振動板５５を介して液室隔壁４ａを補強する補強壁２３が形成されている。補強壁２３は、液室隔壁４ａを補強することで、液室隔壁４ａによって形成される加圧液室１４全体を支えている。
また、振動板５５には、保護基板３に形成された共通液室１８から液室基板４に形成された加圧液室１４へインクを供給する流路となる部分に個別供給口６０が設けられている。液室基板４に薄膜ピエゾアクチュエータ２００を形成し、保護基板を接合した基板はアクチュエータ基板１と呼ばれる。
【００３７】
次に、本実施形態の液滴吐出ヘッド５１の製造方法について、製造工程を示す工程断面図である図４及び図５に従って説明する。本製造方法では、液室基板４であるシリコン基板に振動板５５の材料及び圧電素子５６の材料を成膜していくことで薄膜ピエゾアクチュエータ２００を作成していく。
先ず、図４（ａ）に示すように、厚み４００［μｍ］の＜１００＞シリコン層（シリコン基板）の表面に、０．２［μｍ］厚のシリコン酸化膜及び２．０［μｍ］厚のシリコンを張り合わせたＳＯＩ基板を用いる。このＳＯＩ基板表面にパイロ（Ｗｅｔ）酸化法によりシリコン酸化膜を０．３［μｍ］形成し、これを振動板５５とする。
【００３８】
その後、圧電素子５６の下部電極１５１となる下白金層をスパッタ法により０．２［μｍ］成膜し、パターニングすることで図４（ｂ）に示す状態となる。更に、ゾルゲル法により圧電体薄膜１５２を２［μｍ］成膜し、さらに上部電極１５３となる上白金層を０．１［μｍ］成膜する。その後、フォトリソグラフィイを用いたエッチングにより上部電極１５３及び圧電体薄膜１５２をパターニングする。これにより、図４（ｃ）に示す状態となる。
【００３９】
次に、プラズマＣＶＤ法により層間絶縁膜１５５となる絶縁体層を０．３［μｍ］成膜し、リソエッチ法により圧電素子５６の上部に開口部１５５ｃを形成する。また、層間絶縁膜１５５には、上導通部１５５ｂ、下導通部１５５ａ及び貫通部１５５ｄをパターニングによって形成する。これにより、図４（ｄ）に示す状態となる。
図４（ｄ）に示す上導通部１５５ｂは、次に形成する上配線部材１５４ｂと上部電極１５３との導通部であり、下導通部１５５ａは次に形成する下配線部材１５４ａと下部電極１５１との導通部である。また、貫通部１５５ｄは、共通液室１８から各個別インク供給室２４へのインク供給孔となる開口部である。
【００４０】
更に、アルミ材料により、上配線部材１５４ｂ、下配線部材１５４ａなどの配線部材１５４となる層を形成することで、図４（ｅ）に示す状態となる。この配線部材１５４によって形成される上配線部材１５４ｂは、圧電素子５６の駆動による振動板５５の振動によって応力を受ける。このため、振動板５５の振動によって上配線部材１５４ｂが断線しないように、配線部材１５４としては、やわらかい導電性材料（本実施形態ではアルミニウム）を使い、１［μｍ］程度の厚い層厚で形成されている。
【００４１】
次に、配線部材１５４を保護するためのパッシベーション膜１５６としてプラズマＣＶＤ法によるシリコン窒化膜を２［μｍ］成膜し、パターニングする。そして、振動板５５の個別供給口６０となる部分を事前にエッチングする。これにより、図４（ｆ）に示す状態となる。
【００４２】
次に、金をメッキ法により積層して、上部電極パッド部１５８と下部電極パッド部１５７とを同時に形成することにより、図５（ａ）に示す状態となる。上部電極パッド部１５８は上配線部材１５４ｂにより上部電極１５３に接続される。また、下部電極パッド部１５７は下配線部材１５４ａにより下部電極１５１に接続される。このように、上部電極パッド部１５８及び下部電極パッド部１５７を金で形成することで、図示しない駆動ＩＣとの電気的接続を低温のワイヤボンディングで接続できる。また、金は抵抗値が低く、上部電極１５３及び下部電極１５１の抵抗値を下げる効果が大きい。
なお、下部電極パッド部１５７は、上部電極パッド部１５８と形成工程を分けて形成してもよい。また、上部電極パッド部１５８及び下部電極パッド部１５７の材料としては、金に限らず、銅やアルミニウムなどを使用することもできる。しかし、金以外の材料を用いる場合は、その表面が他の層で覆われない上部電極パッド部１５８に対しては、腐食から保護する保護層が必要となる場合もある。
【００４３】
また、上述した液室基板４に対する成膜等とは、別途に、ガラス基板にブラスト加工で柱を形成した保護基板３を作成する。そして、上部電極パッド部１５８と下部電極パッド部１５７とを形成した後、液室基板４となる部分の振動板５５を挟んでパッシベーション膜１５６側に接合する。これにより、図５（ｂ）に示す状態となる。
さらに、液室基板４となる部分の振動板５５を挟んで保護基板３を接合した側とは反対側の液室基板４の表面を、液室基板４が所望の厚さとなるまで研磨する。
保護基板３はシリコン製の板状部材にフォトリソグラフィを用いたエッチングで凹部を加工したものでも良く、＜１００＞シリコン製の板状部材をＴＭＡＨ、ＫＯＨなどのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでも構わない。
また、樹脂モールドやメタルインジェクションモールドなどの成型部品でも構わない。また、駆動ＩＣをアクチュエータ基板上に一体形成する際に、パイロ酸化法で形成した酸化膜をＬＯＣＯＳ酸化法で形成し、酸化膜の形成領域を選択することで、駆動ＩＣを同一基板上に形成することもできる。
【００４４】
図５（ｂ）に示す状態から液室基板４が所望の厚さとなるまで研磨した後、液室基板４の振動板５５とは反対側となる面に対して、ＩＣＰ（（Inductively Coupled Plasma）ドライエッチングを行う。このＩＣＰドライエッチングによって加圧液室１４、流体抵抗部１５及び個別インク供給室２４となる凹部を形成する。これにより、図５（ｃ）の状態となる。
【００４５】
液室基板４を形成した後、別途に作成したノズル板２を液室基板４の液室隔壁形成面に接着することで、図５（ｄ）の状態になる。ここで、ノズル板２は、厚さ３０〜５０［μｍ］のＳＵＳ基板にプレス加工と研磨加工によりノズル２０を形成したものである。液室基板４にノズル板２を接着した後、圧電素子５６の上部電極１５３及び下部電極１５１に接続された上部電極パッド部１５８と下部電極パッド部１５７とを不図示の駆動ＩＣに接続する。これにより、液滴吐出ヘッド５１の主要部分が完成する。
【００４６】
次に、本実施形態の液滴吐出ヘッド５１の特徴部である駆動方法について説明する。
図６は、液滴吐出ヘッドで液滴を吐出させる駆動波形の説明図である。駆動波形としては、吐出させない状態に対応する第１電界を圧電体薄膜１５２に生じさせる電圧部分（Ｖ１）と、吐出させる状態に対応する第２電界を圧電体薄膜１５２に生じさせる電圧部分（Ｖ２）とを有するパルス形状の電圧を印加する。具体的には、図６に示すように、吐出させる状態に対応する第２電界の電位が異なる複数のパルス波形を組み合わせて用いることで、吐出させる液滴の体積を、大滴、中滴、小滴のように制御している。なお、図６においてｄは、メニスカスの乾燥防止のための微小振動波形である。
【００４７】
また、本実施形態では、駆動ＩＣ（不図示）より、圧電素子５６に駆動波形を印加する際、個別電極である上部電極１５３に上部電極パッド部１５８を介して駆動信号に基づき、上記パルス形状の電圧を印加する。同時に、共通電極である下部電極１５１に下部電極パッド部１５７を介して直流電圧Ｖｄｃをバイアス電圧として印加する駆動方法を用いている。これにより、以下のようにして圧電素子５６の変位効率の向上を図っている。
【００４８】
図７は、圧電素子に対する印加電圧と変位量との関係の一例を示すグラフである。なお、図７では、印加電圧は、電位差の関係が  上部電極１５３＞下部電極１５１  である状態を正として表している。また、変位量は、図８に示すようにレーザードップラーで加圧液室１４側から変位量を計測した結果を用いている。図７中、矢印ｅで示す変位は、印加電圧として正側の電圧のみを用いている。これに対して、図７中、矢印ｆで示す変位は、矢印ｅで示す変位と同じ電位差を設けているが、正側から抗電界以下の負側の電圧まで使用したほうが、圧電素子の変位量が大きくなることを示している。このため、下部電極１５１より直流電圧Ｖｄｃを印加してバイアス電圧とすることで、上部電極１５３から印加されたパルス形状を有する電圧により、正側から負側の抗電界以下の電圧まで範囲を使用できるようにしている。
【００４９】
図９は、バイアス電圧を印加した駆動波形の一例の説明図である。本実施形態では、負側の抗電界Ｅｃに対して、第２電界を圧電体薄膜１５２に生じさせる電圧（Ｖ２）の最小値Ｖｍｉｎと、バイアス電圧Ｖｄｃとは、Ｖｍｉｎ−Ｖｄｃ＞Ｅｃ  の関係を満たせばよい。本実施形態では、図１０から得られる圧電素子のヒステリシスカーブから得られる負側の抗電界（Ｅｃ）は−４Ｖである。このため、上部電極１５３より最小値Ｖｍｉｎ＝３Ｖのパルス形状の電圧を印加し、下部電極１５１よりＶｄｃ＝６Ｖの直流電圧を印加することで、負側の抗電界以下の領域を使用して変位効率を向上させることができる。本実施形態中での、立上り時間幅Ｔｆ，パルス時間幅Ｐｗ，立下り時間Ｔｒは図１１に基づく時間により定義される。図９において、駆動波形の立上り時間幅Ｔｆ，パルス時間幅Ｐｗ，立下り時間Ｔｒは、Ｔｆ＝１μｓ、Ｐｗ＝１．７μｓ、Ｔｒ＝１μｓの条件を用いている。なお、パルス波形とパルス波形の間隔は吐出させる液滴の体積等に基づき適宜調整される。
【００５０】
さらに、この駆動波形を形成する駆動ＩＣを利用して、駆動波形と駆動波形との間で圧電素子の変位特性を回復するための回復波形を印加する。
図１２は、本実施形態の駆動波形と回復波形の説明図である。駆動波形は、下部電極１５１から直流電圧Ｖｄｃを印加し、上部電極１５３から上述のパルス形状の電圧を印加する。なお、パルス形状で、吐出させない状態に対応する第１電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧を中間電位Ｖ１とし、吐出させる状態に対応する第２電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧をＶ２としている。これにより、所望の液滴が吐出される。
また、回復波形としては、駆動ＩＣを介して、下部電極１５１に直流電圧Ｖｄｃをバイアス電圧として印加する。これと共に、上部電極１５３より吐出させない状態に対応する第３電界を圧電体薄膜１５２に生じさせる電圧部分（Ｖ３）と、直流電圧Ｖｄｃよりも小さい電圧部分（Ｖ４）を有するパルス波形の電圧を印加する。この回復波形では、パルス波形のＶ４の領域で直流電圧Ｖｄｃを印加した下部電極１５１との間に、駆動波形で形成される鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界が形成される。この逆電界により、駆動電界を繰り返し形成したことにより発生した、下部電極１５１との界面におけるＰＺＴの圧電体薄膜１５２中の鉛欠陥のトラップを解消することができる。
【００５１】
なお、回復波形として上部電極１５３から印加されるパルス波形の最小値Ｖ４は、駆動波形として上部電極１５３と印加されるパルス波形のＶ２の最小値Ｖｍｉｎと同じく、負側の抗電界Ｅｃに対して、Ｖ４−Ｖｄｃ＞Ｅｃ  の関係を満たせばよい。なお、駆動波形のパルス波形のＶ２の最小値であるＶｍｉｎと回復波形のパルス波形の最小値であるＶ４は等しい必要はない。
【００５２】
しかしながら、回復波形として、上部電極１５３に単に駆動時と同じパルス時間幅Ｐｗのパルス波形を印加すると、駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴を吐出させてしまう。具体的には、パルス時間幅Ｐｗがメニスカス共振周期の整数倍または１周以下の時間であると、回復波形により発生した圧電素子の変位がメニスカス共振を励起して、加圧液室１４内に液滴を吐出させるための圧力変動を生じさせてしまう。駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴吐出させないためには、回復波形のパルス時間幅Ｐｗを、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間とする。さらに、回復波形のパルス時間幅Ｐｗをメニスカス共振周期の反共振周期となる反整数値倍とすることが好ましい。これにより、駆動波形と駆動波形との間で、加圧液室１４内に液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
【００５３】
ここで、メニスカス共振周期とは、図１３（ａ）に示すように加圧液室１４内の振動によってメニスカス面が変位してしまう、液室固有の周期（図１３（ｂ）である。このメニスカス固有周期（時間）に近いパルス時間幅Ｐｗの波形は、加圧液室内の圧力増幅を発生させる。また、メニスカス固有周期よりも短い時間の圧力変動（立上り時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒ）も、この振動の励起に寄与してしまい、圧力増幅を発生させてしまう。一方、メニスカス共振周期の反共振周期をパルス時間幅にもつパルス電圧を印加すると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。さらに、立上り時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒをメニスカス共振周期よりも長くすると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
【００５４】
本実施形態では、上述のように圧電素子に液滴を吐出させる駆動波形を形成するための駆動ＩＣを用いて、駆動電界とは逆方向の電界を形成する回復波形を形成する。回復波形としては、駆動波形を印加する駆動ＩＣを用いて、上部電極１５３に印加するパルス波形の最小値と、パルス時間幅を上述のように調整することだけで実現可能である。また，本実施形態の液滴吐出ヘッド５１では、駆動ＩＣは正極性の電圧を出力するものであり、上部電極１５３にパルス波形の電圧を印加し、下部電極１５１に直流電圧を印加する構成であれば良い。このため、駆動波形と反対極性のパルス波形を出力する構成や、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転する構成に較べて、駆動ＩＣのコストアップが抑えられる。
【００５５】
次に、上記駆動方法を用いて形成した回復波形を実施例に基づき詳細に説明する。駆動波形としては、駆動ＩＣ（不図示）より上部電極パッド部１５８を介して上部電極１５３に中間電位Ｖ１とＶ２とを有するパルス形状の電圧を印加し、下部電極パッド部１５７を介して下部電極１５１に直流電圧Ｖｄｃを印加する。これにより、正電圧側が抗電界を越える１５０ｋＶ／ｃｍ、負極性側は抗電界を越えない−１５ｋＶ／ｃｍの電圧幅を持つ駆動波形を形成する。なお、以下の圧電体薄膜１５２に形成される電界強度を用いて説明をおこなう。
【００５６】
＜実施例１＞
上記駆動波形を５００ｍｓ印加したあと、上部電極１５３にパルス波形、下部電極１５１に直流電圧Ｖｄｃを印加して、正極性側の電界強度が１５０ｋＶ／ｃｍ、逆極性の電界強度−１５ｋＶ／ｃｍを持つ回復波形を５００ｍｓ印加する。この駆動波形と回復波形の組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。図１４は、実施例１に係る回復波形の一例の説明図である。回復波形のパルス波形の立上り時間Ｔｆ、パルス時間幅Ｐｗ，立下り時間Ｔｒはメニスカス共振周期より長い。本実施形態の液滴吐出ヘッド５１のヘッド構成ではメニスカス共振周期Ｔｃ＝３．７μｓのため、立上り時間Ｔｆ＝２５μｓ、パルス幅時間＝２５μｓ、立下りＴｒ＝２５μｓのパルス波形を印加した。パルス波形の電圧Ｖ３は、正極性側が中間電位（図１２のＶ３）で、最小値（図１２のＶ４）が直流電圧Ｖｄｃよりも小さく、負極性側での抗電界を超えないよう、Ｖ４−Ｖｄｃ＞Ｅｃ  を満足するものである。本実施例では、−１５ｋＶ／ｃｍの逆電界を形成するパルス波形を印加した。
【００５７】
＜実施例２＞
図１５は、実施例２に係る回復波形の説明図である。実施例１と同様の駆動波形を５００ｍｓ印加し、回復波形として、正極性側は２００ｋＶ／ｃｍ、負極性側は−１５ｋＶ／ｃｍとなるパルス波形を５００ｍｓ印加したものを１シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例１と同様、立上り時間Ｔｆ＝２５μｓ、パルス幅時間＝２５μｓ、立下りＴｒ＝２５μｓである。
【００５８】
＜実施例３＞
図１６は、実施例３に係る回復波形の説明図である。実施例１と同様の駆動波形を５００ｍｓ印加し、回復波形として、正極性側は１５０ｋＶ／ｃｍ、負極性側は−１５ｋＶ／ｃｍとなるパルス波形を１００ｍｓ印加し、その後４００ｍｓ間は波形を印加しないものを１シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例１と同様、立上り時間Ｔｆ＝２５μｓ、パルス幅時間２５μｓ、立下りＴｒ＝２５μｓである。
【００５９】
＜実施例４＞
図１７は、実施例４に係る回復波形の説明図である。実施例１と同様の駆動波形を５００ｍｓ印加し、４００ｍｓ間は波形を印加せず、その後回復波形として、正極性側は１５０ｋＶ／ｃｍ、負極性側は−１５ｋＶ／ｃｍとなるパルス波形を１００ｍｓ印加したものを１シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例１と同様、立上り時間Ｔｆ＝２５μｓ、パルス幅時間２５μｓ、立下りＴｒ＝２５μｓである。
【００６０】
＜実施例５＞
図１８は、実施例５に係る回復波形の説明図である。実施例１と同様の駆動波形を５００ｍｓ印加し、回復波形として正極性側は１５０ｋＶ／ｃｍ、負極性側は−１５ｋＶ／ｃｍとなるパルス波形を１００ｍｓ印加し、４００ｍｓ間は波形を印加せず、再び回復波形を１００ｍｓ印加したものを１シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例１と同様、立上り時間Ｔｆ＝２５μｓ、パルス幅時間２５μｓ、立下りＴｒ＝２５μｓである。
【００６１】
＜比較例１＞
図１９は、実施例５に係る回復波形の説明図である。実施例１と同様の方法で、駆動波形を５００ｍｓ印加し、その後の５００ｍｓでは波形は印加していない。
【００６２】
上述の圧電素子５６を用い、実施例１〜５、比較例１の波形を印加して、吐出速度の変動評価をおこなった。初期の吐出速度を基準としてとしたときの１０１０回繰り返し、上記波形を印加した後の吐出速度の変化率を評価した。ここでは、回復波形のパルス数はカウントしておらず、駆動波形のパルス数のみをカウントした。図２０に、１０１０回駆動での吐出速度の評価結果を示す。また、表１に、１０１０回繰り返した後の吐出速度の変化率をまとめた。変化率については正符号となっているのは初期よりも吐出速度が速くなっている状態、負符号は初期の吐出速度よりも遅くなっている状態である。
【表１】
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【００６３】
実施例１〜５については、すべて吐出速度の変動幅が５％内程度に収まっている。これは、上記駆動方法による回復波形により圧電素子の阻止の変位の変動が抑制されたために、吐出速度の変動が抑制されていることが分かる。これは、駆動波形を繰り返し形成したことにより発生した、ＰＺＴの圧電体薄膜１５２中の鉛欠陥の下部電極１５１との界面におけるトラップを、回復波形により形成される逆電界が取り除いているためである。さらに、回復波形は負極性側で抗電界Ｅｃを超えていないため、圧電体薄膜１５２の分極状態は長期駆動を実施しても反転を繰り返すことはない。そのため、圧電素子５６にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることができるとともに、抗電界での分極反転に伴う電流増大といった問題も回避することができる。
【００６４】
実施例１の波形ではメニスカス固有周期よりも長い立上り時間、立下り時間を有するため、共振が抑えられ、液室内の圧力増幅を抑制し、回復動作時の液滴の吐出を抑えている。
【００６５】
実施例２においては回復波形の正側の電界強度を駆動波形の電界強度よりも高くしているが、電界強度を高くしても求める効果の発現が確認されている。回復波形の正側の電界強度は駆動波形の中間電位Ｖ１により形成される電界強度相当が好ましく、中間電位よりも高い方がなお好ましい。これは駆動波形以上の電圧幅で圧電体を動かすことで、駆動波形で用いる電圧内での圧電体の変形の仕方を安定化させるためである。
【００６６】
実施例３、４、５においては回復波形の印加時間が短くなっても効果の発現が達成できている。回復波形の印加時間が短くても、駆動波形の印加時間分でトラップされた欠陥の解消が出来ているためである。回復波形の印加時間は１００ｍｓ以上が好ましい。また、回復波形の印加タイミングは駆動波形の直前もしくは直後が好ましく、前後ともに印加されることがより好ましい。これは、駆動波形の印加に伴うトラップされた電荷をリセットするため、駆動の直後または、直前に行うことでリセットの効果が最大限得られるためである。
【００６７】
また、パルス電圧の形状に関しては、特許文献１にように、負側の直流電圧だけを印加するものでは、本発明のような効果が十分に発現しなかった。これは抗電界以下では印加時間が十分に確保できない点、直流のみでは電極表面に電荷が過剰に蓄積し、その影響で回復効果を十分に得ることができなくなっているためと考えられる。このため、回復波形をパルス形状にすることで、電界を十分に圧電体に印加することを実現している。
【００６８】
比較例１では吐出速度の変動幅が大きくなっている。比較例１においては回復波形を印加していないため、駆動中にトラップされる電荷のリセットができていないため、経時的に電荷の偏在が進行しているためである。
【００６９】
次に、上記液滴吐出ヘッドを搭載する画像形成装置としてのインクジェットプリンタについて説明する。インクジェットプリンタには、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのため、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として広く展開されている。
【００７０】
まず、インクジェットプリンタ（以下、プリンタという）の基本的な構成について説明する。図２１は、プリンタ１００の斜視図であり、図２２は、プリンタ１００主走査方向の図２１中の手前側から見たときのインクカートリッジ１０２を含む断面における概略断面図である。
プリンタ１００は、キャリッジ１０１と、液滴吐出ヘッド５１と、インクカートリッジ１０２とを含んで構成される印字機構部１０３を本体内部に有している。キャリッジ１０１は、プリンタ１００本体内部において、用紙Ｓの搬送方向に対して直交方向である主走査方向（図２１中の矢印Ａ方向、図２２中の紙面に直交する方向）に移動可能な部材である。液滴吐出ヘッド５１は、キャリッジ１０１に搭載した液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドであり、インクカートリッジ１０２は液滴吐出ヘッド５１にタンク部１０２ａ内のインクを供給する。
【００７１】
図２２に示すように、プリンタ１００は、印字機構部１０３の下方に給紙機構部１０４を有している。プリンタ１００は、詳細は後述するが、給紙機構部１０４の給紙トレイ２３０または手差しトレイ１０５から給送される用紙Ｓを装置内に取り込む。そして、印字機構部１０３によって所定の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ１０６に排紙する。
【００７２】
液滴吐出ヘッド５１は、イエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、ブラック（Ｂ）の各色のインクを吐出するインク吐出ヘッドである。液滴吐出ヘッド５１は、複数のインク吐出孔（後述する「ノズル２０」）を、主走査方向に対して直交する副走査方向（図中の矢印Ｂ方向）に配列している。また、液滴吐出ヘッド５１は、インクの吐出方向が下方となるようにキャリッジ１０１に装着されている。
印字機構部１０３のキャリッジ１０１には、液滴吐出ヘッド５１に供給するためのイエロー（Ｙ）、マゼンタ（Ｍ）、シアン（Ｃ）、及び、ブラック（Ｂ）の各色のインクを収容した四つのインクカートリッジ１０２がそれぞれ交換可能に装着されている。
【００７３】
インクカートリッジ１０２のタンク部１０２ａの上方（図２２中の上方）には、大気と連通する不図示の大気口が備えられている。また、タンク部１０２ａの下方には、タンク部１０２ａ内のインクを液滴吐出ヘッド５１に向けて排出するインク排出口１０２ｂが設けられている。さらに、タンク部１０２ａの内部には、インクが充填された不図示の多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド５１へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
液滴吐出ヘッド５１としては、プリンタ１００では、各色に対応した複数のヘッド部を用いる構成となっているが、各色のインクを吐出するノズルを有する一個のヘッド部でもよい。
【００７４】
印字機構部１０３はキャリッジ１０１を保持する保持手段として、プリンタ１００本体の主走査方向の両側面板（１００ａ及び１００ｂ）に横架したガイド部材として、主ガイドロッド１０７と従ガイドロッド１０８とを有する。主ガイドロッド１０７は、キャリッジ１０１の後方側（用紙搬送方向下流側、図２２中の右側）を貫通する。また、従ガイドロッド１０８は、主ガイドロッド１０７と一定間隔をおいて並行に延在し、キャリッジ１０１の前方側（用紙搬送方向上流側、図２２中の左側）が載置される。キャリッジ１０１は、主ガイドロッド１０７及び従ガイドロッド１０８によって主走査方向に移動可能なように摺動自在に保持されている。
【００７５】
また、印字機構部１０３は、キャリッジ１０１を主走査方向に移動走査するための移動手段として、タイミングベルト１１２を有する。さらに、印字機構部１０３は、タイミングベルト１１２を張架する駆動プーリ１１０及び従動プーリ１１１と、駆動プーリ１１０を回転駆動する主走査モータ１０９とを有している。図２１に示すように、駆動プーリ１１０はプリンタ１００本体の一方の側面板（１００ｂ）側に配置し、従動プーリ１１１は、本体の他方の側面板（１００ａ）側に配置して、タイミングベルト１１２が主走査方向に平行に延在するようにしている。また、タイミングベルト１１２にはキャリッジ１０１が固定されている。
【００７６】
主走査モータ１０９は、駆動プーリ１１０を正逆回転させる駆動源であり、駆動プーリ１１０が回転すると、タイミングベルト１１２が主走査方向に沿って無端移動する。キャリッジ１０１は、タイミングベルト１１２に固定されているため、タイミングベルト１１２とともに主走査方向に移動する。このため、主走査モータ１０９によって駆動プーリ１１０を正逆回転させることで、キャリッジ１０１が主走査方向に往復移動される。
【００７７】
給紙機構部１０４は、用紙Ｓを積載した給紙トレイ２３０と、給紙ローラ１１３と、フリクションパッド１１４と、ガイド部材１１５と、搬送ローラ１１６とを備える。給紙トレイ２３０は、図２２中の右側から複数枚の用紙Ｓの束を積載可能となっており、プリンタ１００本体に対して着脱可能に装着されている。
給紙ローラ１１３及びフリクションパッド１１４は、用紙Ｓを、液滴吐出ヘッド５１の下方に搬送するために、給紙トレイ２３０内にセットした用紙Ｓの束の最上段の一枚を分離給紙する。ガイド部材１１５は、給紙トレイ２３０から分離給紙された用紙Ｓを搬送ローラ１１６によって搬送される領域に案内する。
【００７８】
給紙ローラ１１３によって給紙され、ガイド部材１１５によって案内された用紙Ｓを、搬送ローラ１１６が反転させて、液滴吐出ヘッド５１の下面と対向する位置に搬送する。また、搬送ローラ１１６の周囲には、搬送コロ１１７及び先端コロ１１８が配置されている。搬送コロ１１７は用紙Ｓを搬送ローラ１１６に押し付けて、用紙Ｓが搬送ローラ１１６から分離することを防止している。先端コロ１１８は、液滴吐出ヘッド５１の下面と対向する位置に所定の送り出し角度で用紙Ｓを送り出す。搬送ローラ１１６は、副走査モータ１３０によって不図示のギヤ列を介して回転駆動が伝達され、図２２中の時計周り方向に回転する。
【００７９】
液滴吐出ヘッド５１の下面と対向する位置には、印写受け部材１１９が設けられている。印写受け部材１１９は、キャリッジ１０１の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１１６から送り出された用紙Ｓを液滴吐出ヘッド５１の下方側で案内する用紙ガイド部材である。この印写受け部材１１９の用紙搬送方向下流側には、用紙Ｓを排出方向に送り出すための印写後搬送ローラ１２０と、印写後搬送ローラ１２０に対向する印写後搬送拍車１２１とが配置されている。さらに、印写後搬送ローラ１２０によって送り出された用紙Ｓを排紙トレイ１０６に排出する排紙ローラ１２３と排紙ローラ１２３に対向する排紙拍車１２４とを備えている。また、印写後搬送ローラ１２０と排紙ローラ１２３との間には、排紙経路を形成する一対のガイド部材として下ガイド部材１２５及び上ガイド部材１２６が配設されている。
【００８０】
また、プリンタ１００には、手差しで用紙Ｓを給紙するための手差しトレイ１０５が設けられている。この手差しトレイ１０５は、トレイ開閉軸１０５ｂを中心にプリンタ１００本体に対して開倒可能に取り付けられている。この手差しトレイ１０５上に載置された用紙Ｓは、手差し給紙ローラ１０５ａによって搬送ローラ１１６に搬送される。
【００８１】
印字機構部１０３における主走査方向のキャリッジ１０１の移動範囲の一端である、図２１中の右手前側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド５１の吐出不良を回復するための回復装置１２７を配置している。回復装置１２７は、キャッピング部材と吸引手段とクリーニング手段とを有している。印字待機中には、キャリッジ１０１を回復装置１２７側（図２１中の右手前側）に移動し、不図示のキャッピング部材で液滴吐出ヘッド５１をキャッピングする。これにより、液滴吐出ヘッド５１のノズルを湿潤状態に保つことができ、インク乾燥による吐出不良を防止することができる。また、記録途中などに回復装置１２７と対向する位置にキャリッジ１０１を移動し、記録とは関係しないインクを吐出することにより、全てのノズルのインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持することができる。
【００８２】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング部材で液滴吐出ヘッド５１下面のノズルを密封し、キャッピング部材に設けられた不図示のチューブを通して、吸引手段でノズルからインクとともに気泡等を吸い出す。さらに、ノズルが開口しているヘッド面（下面）に付着したインクやゴミ等は不図示のヘッド面クリーニング手段により除去され、吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、プリンタ１００本体下部に設置された不図示の廃インクタンクに排出され、廃インクタンク内部のインク吸収体に吸収保持される。
【００８３】
次に、プリンタ１００のプリント動作について説明する。
プリンタ１００は、パーソナルコンピュータ等の外部装置から画像情報などの信号が送られ、プリント動作を実行する。プリント動作が実行されると、給紙トレイ２３０から給紙ローラ１１３によって、または、手差しトレイ１０５から手差し給紙ローラ１０５ａによって、用紙Ｓが給紙される。給紙トレイ２３０から給紙された用紙Ｓは、ガイド部材１１５や搬送コロ１１７に案内されて、搬送ローラ１１６に搬送されつつ反転し、液滴吐出ヘッド５１と対向する位置に搬送される。一方、手差しトレイ１０５から供給された用紙Ｓは、搬送コロ１１７に案内されて、搬送ローラ１１６に搬送されて液滴吐出ヘッド５１と対向する位置に搬送される。
【００８４】
液滴吐出ヘッド５１に対向する位置に搬送された用紙Ｓが所定位置に達したら、搬送ローラ１１６の回転を停止して用紙Ｓの移動を停止する。そして、キャリッジ１０１が画像信号に応じて主走査方向に往復移動しながら、停止した用紙Ｓの所定箇所に所定のインクを吐出して一行分の画像を用紙Ｓに形成する。ここで、一行とは、液滴吐出ヘッド５１が用紙Ｓへ記録可能な副走査方向（液滴吐出ヘッド５１に対向する位置での用紙Ｓの移動方向）の範囲を言う。
主走査方向に一行分の画像形成が終了したら、搬送ローラ１１６を所定時間回転させ、用紙Ｓを一行分、排紙トレイ１０６方向に移動させて停止する。そして、キャリッジ１０１が画像信号に応じて主走査方向に往復移動しながら一行分の画像を形成する。
【００８５】
このような工程を所定回数繰り返して行い、用紙Ｓに所望の画像をプリントする。外部装置から記録終了信号を受信して所望の画像がプリントされた場合、または、用紙Ｓの後端が記録領域に到達した信号を受信した場合には、用紙Ｓは、排紙トレイ１０６に排出される。このとき、用紙Ｓは、印写後搬送ローラ１２０及び印写後搬送拍車１２１と排紙ローラ１２３及び排紙拍車１２４とによって搬送され、排紙トレイ１０６に排出される。画像形成が終了すると、キャリッジ１０１を図２１中右手前側の回復装置１２７と対向する位置に移動させ、図示しないキャッピング部材で液滴吐出ヘッド５１のノズルをキャッピングする。
【００８６】
このように、このインクジェットプリンタにおいては、上記実施例１〜５の駆動波形および回復波形を有した波形で駆動させるインクジェットヘッドを搭載する。これにより、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。
【００８７】
以上に説明したものは一例であり、本発明は、次に態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
ノズル２０に連通する加圧液室１４を形成する液室基板４などの基板上に、振動板５５と、一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜１５２を下部電極１５１、上部電極１５３などの一対の電極で挟んだ圧電素子５６とを積層形成した薄膜ピエゾアクチュエータ２００などのアクチュエータを用い、駆動ＩＣを介して圧電素子に、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させるための駆動波形の電圧を印加し、駆動波形と次の駆動波形との間に圧電素子の変位特性の低下を抑制するための回復波形の電圧を印加する液滴吐出ヘッドの駆動方法である。駆動ＩＣは、正負何れか一方の極性を有する電圧を出力し、一対の電極のうちの一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するものであり、駆動波形は、吐出させない状態に対応する第１電界を上記圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、吐出させる状態に対応する第２電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧部分とを有し、回復波形におけるパルス形状の電圧は、吐出させない状態に対応する第３電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、他方の電極に印加する直流電圧と共に、第１の電界とは第２の電界のうち、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を圧電体薄膜に生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有し、所定時間は、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間である。
【００８８】
（態様Ａ）においては、駆動ＩＣは正負何れか一方の極性の電圧を出力し、一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するよう構成する。この駆動ＩＣを用いて、駆動波形と駆動波形との間で、駆動電界とは逆方向の電界を形成する回復波形の電圧を印加する。これにより、駆動ＩＣのコストを抑えつつ、経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保するものである。
【００８９】
液滴吐出時は、上記第１電界と上記第２電界を形成する駆動波形の電圧を圧電素子に印加して圧電素子を駆動することで、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させる。回復波形として、一方の電極に、上記第３電界を形成する電圧部分と、他方の電極に印加する直流電圧と共に、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有するパルス形状の電圧を印加する。トラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界が形成された所定時間では、圧電体薄膜の電極界面に偏在する鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。
【００９０】
しかしながら、上記第３電界を形成する電圧部分と、上記回復用電界を形成する電圧部分を有する波形の電圧を圧電素子に印加すると、駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴を吐出させてしまう虞がある。これは、回復用電界を生じさせる電圧の継続時間が、メニスカス共振周期の整数倍または１周以下の時間の場合である。この場合、回復波形により発生した圧電素子の変位がメニスカス共振を励起して、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を生じさせてしまうためである。駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴吐出させないためには、回復用電界を生じさせる電圧の継続時間を、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間とする。これにより、上記第３電界と上記回復用電界を形成する波形の電圧を駆動波形と駆動波形との間で、加圧液室内に液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
【００９１】
本発明の駆動方法では、駆動ＩＣは正負何れか一方の極性の電圧を出力するものである。この駆動ＩＣを用いて、一方の電極に印加するパルス形状の電圧の値とその継続時間を上述のように調整することだけで、液滴を吐出させずに回復用電界を形成することができる。このため、駆動ＩＣのコストアップが、回復用電界を形成するために正負両極性のパルス形状の電圧を出力するような構成の駆動ＩＣや、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転する構成の駆動ＩＣに較べて大幅に抑えられる。これにより、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる。
【００９２】
（態様Ｂ）
（態様Ａ）において、回復用電界は上記圧電素子の抗電界未満である。これによれば、圧電体薄膜の分極状態は長期駆動を実施しても反転を繰り返すことはない。このため、圧電素子にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることができるとともに、抗電界での分極反転に伴う電流増大といった問題も回避することができる。
【００９３】
（態様Ｃ）
（態様Ａ）または（態様Ｂ）において、上記一対の電極のうち下部電極１５１等の基板側の電極に直流電圧を印加し、上部電極１５３など反対側の電極に上記パルス電圧を印加する。これによれば、駆動電界を繰り返し形成したことにより基板側の電極との界面に発生した圧電体薄膜中の鉛欠陥のトラップを解消して、経時における変位特性の低下を抑制することができる。
【００９４】
（態様Ｄ）
（態様Ａ）、（態様Ｂ）または（態様Ｃ）の何れかにおいて、駆動波形と次の駆動波形との間で、他方の電極に印加されるパルス波形の電圧の立上り時間Ｔｆ、及び、立下り時間Ｔｒがメニスカス共振周期よりも長い。メニスカス固有周期よりも短い時間の圧力変動（立上り時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒ）も、この振動の励起に寄与してしまい、圧力増幅を発生させてしまう。立上り時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒがメニスカス固有周期よりも短い時間であると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
【００９５】
（態様Ｅ）
（態様Ａ）、（態様Ｂ）、（態様Ｃ）または（態様Ｄ）の何れかにおいて、回復波形における回復用電界を生じさせるための電圧を印加するパルス波形の電圧のパルス時間幅Ｐｗはａメニスカス共振周期の半整数倍の時間である。これによれば、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
【００９６】
（態様Ｆ）
（態様Ａ）、（態様Ｂ）、（態様Ｃ）、（態様Ｄ）または（態様Ｅ）の何れかにおいて、駆動波形と次の駆動波形との間で、上記他方の電極に印加されるパルス電圧の最大値Ｖ４が、駆動波形として上記他方の電極に印加されるパルス電圧の最大値Ｖ１以上である。これによれば、駆動波形以上の電圧幅で圧電体を動かすことで、駆動波形で用いる電圧内での圧電体の変形の仕方を安定化させることができる。
【００９７】
（態様Ｇ）
ノズル２０に連通する加圧液室を形成する液室基板４上に、振動板５５と、一般式Ｐｂ（Ｔｉｘ，Ｚｒｙ，Ｍｚ）Ｏ３で表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜１５２を一対の電極で挟んだ圧電素子とを積層形成した液滴吐出ヘッドにおいて、（態様Ａ）乃至（態様Ｆ）の何れかの液滴吐出ヘッドの駆動方法により液滴吐出ヘッドを駆動する駆動ＩＣを備える。これによれば、上記実施形態について説明したように、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる。
【００９８】
（態様Ｈ）
媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、液滴吐出手段として（態様Ｇ）の液滴体吐出ヘッドを採用する。これによれば、低コストで、高品位な画像が得られる画像形成装置を提供できる。
【符号の説明】
【００９９】
１  アクチュエータ基板
２  ノズル板
４  液室基板
１４  加圧液室
１８  共通液室
２０  ノズル
５１  液滴吐出ヘッド
５５  振動板
５６  圧電素子
１５１  下部電極（基板側の電極）
１５２  圧電体薄膜
１５３  上部電極（表面側の電極）
１５４  配線部材
１５４ａ  下配線部材
１５４ｂ  上配線部材
１５７  下部電極パッド部
１５８  上部電極パッド部
１００  プリンタ
２００  薄膜ピエゾアクチュエータ
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１００】
【特許文献１】特開２００９−０７１１１３号公報
【特許文献２】特許４５９４０６９号公報
【特許文献３】ＷＯ２００６／１３７５２８号公報
【特許文献４】特許３７９７１６１号公報
【図１】
2014177061.tif 000004
【図２】
2014177061.tif 000005
【図３】
2014177061.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
2014177061.tif 000009
【図７】
2014177061.tif 000010
【図８】
2014177061.tif 000011
【図９】
2014177061.tif 000012
【図１０】
2014177061.tif 000013
【図１１】
2014177061.tif 000014
【図１２】
2014177061.tif 000015
【図１３】
2014177061.tif 000016
【図１４】
2014177061.tif 000017
【図１５】
2014177061.tif 000018
【図１６】
2014177061.tif 000019
【図１７】
2014177061.tif 000020
【図１８】
2014177061.tif 000021
【図１９】
2014177061.tif 000022
【図２０】
2014177061.tif 000023
【図２１】
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【図２２】
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