(57)【要約】【課題】駆動電圧を長時間印加することにより変位特性が低下してしまった圧電素子の変位量を回復させる場合に、圧電素子の負担を低減し、電気−機械変換能の低下を抑制して変位量の変化をより抑制することが可能な液滴吐出ヘッドの駆動方法を実現する。【解決手段】圧電アクチュエータに対して、電界強度が前記電気−機械変換膜の抗電界を超える第１の波形Ｆを印加した後、第１の波形Ｆに対して逆極性且つ電界強度が抗電界未満であるパルス波形であり、立ち下がり及び立ち上がりが正弦波で表現される第２の波形Ｒを印加する。【選択図】図９
2014054800.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧を印加されることにより変形する圧電体の駆動方法であって、
前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第１の波形を印加した後、前記第１の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第２の波形を印加することを特徴とする圧電体の駆動方法。
【請求項２】
電圧を印加されることにより変形する圧電体を有し、該圧電体の変形に伴う液室容積の変化によって前記液室と連通するノズル孔から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第１の波形を印加した後、前記第１の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第２の波形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３】
請求項２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形の電界強度が、前記抗電界の２０％以上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４】
請求項２又は３に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形は、パルス波形の立ち下がり及び立ち上がりが、前記液滴吐出ヘッドのメニスカス固有振動周期を示す正弦波に基づく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４に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形の前記立ち下がり時間は、前記正弦波の角周波数π／２乃至３π／２の区間に設定され、
前記第２の波形の前記立ち上がり時間は、前記正弦波の角周波数−π／２乃至π／２の区間に設定され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４又は５に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形の前記立ち下がり時間及び前記立ち上がり時間が前記メニスカス固有振動周期の整数倍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７】
請求項４乃至６の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形のパルス幅は、前記メニスカス固有振動周期の整数倍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８】
請求項４乃至６の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、
前記第２の波形のパルス幅は、前記メニスカス固有振動周期の半整数倍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９】
電圧を印加されることによって変形する圧電体と、該圧電体の変形によって容積が変化する液室と、該液室と連通し前記液室の容積の変化によって前記液室内の液体を液滴として吐出するノズル孔と、前記圧電体に駆動波形を印加する波形印加手段と、を備え、
前記波形印加手段は、請求項２乃至８の何れか一項に液滴吐出ヘッドの駆動方法により前記圧電体を駆動することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備えたことを特徴とする画像記録装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体の駆動方法、圧電体を用いた液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及びそれを備えた画像記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
インクジェット記録装置は、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あるいは画像形成装置として広く展開されている。
インクジェット記録装置等において使用される液滴吐出ヘッドは、インク滴（液滴）を吐出するノズル孔と、このノズル孔が連通する液室（吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される）と、液室内のインクを吐出するための圧力発生手段を備えている。
圧力発生手段としては、圧電体を備える圧電素子である電気−機械変換素子（圧電アクチュエータ）を用いて、吐出室の壁面を形成している振動板を変形変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型と呼ばれるものが知られている。
なお、電気−機械変換素子に用いられる圧電体は、応力が印加されると電荷が発生し、逆に電界が印加されると伸張する性質を有しており、この性質を利用して、液滴吐出ヘッドに用いることが可能な電気−機械変換素子としての圧電アクチュエータを実現している。圧電体としては、例えば、三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛、ＰＺＴを用いることが出来る。
ピエゾ型の圧力発生手段としては、ｄ３３方向（圧電素子の軸方向）の変形（伸長、収縮）を利用した縦振動（プッシュモード）型、ｄ３１方向の変形を利用した横振動（ベンドモード／たわみ振動）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。最近では半導体プロセスやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の進歩により、Ｓｉ（シリコン）基板に直接液室及び電気−機械変換素子を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。
【０００３】
ところで、このような圧電アクチュエータを繰り返し使用すると、圧電体の変位量に疲労現象が生じる。
すなわち、繰り返し駆動中に圧電体内部の分極が回転・伸縮を繰り返すため、駆動時間の経過とともに、その分極方向が内部電界形成とともに駆動電圧印加方向に沿って一部固定されてしまい、変位量が低下してしまうという問題である。
圧電体の変位量が経時によって低下すると、インクジェット式の記録装置においては、吐出滴体積、吐出滴速度などの吐出滴特性が安定しないという問題が生じる。
【０００４】
そこで、圧電素子の劣化した変位量を回復させるために、駆動電圧方向とは逆方向の電圧を印加することで、圧電体内部に形成された内部電界を破壊する方法が提案されている。
例えば、特許文献１、２には、長時間使用（駆動電圧を長時間印加）することにより圧電素子の変位特性（吐出滴特性）が低下してしまう現象を回復させる方法として、圧電素子に対し、駆動電圧方向とは逆方向（逆極性）に、抗電界以上の電界を印加することにより、圧電素子に形成された内部電界を破壊し変位特性を回復させることが開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１、２に記載された手法によっては、圧電素子に印加する駆動電圧とは逆極性の電圧の強度を圧電素子の抗電界以上としているために、駆動波形の電圧方向とは逆方向に電荷の偏り・分極の偏りが生じ、変位特性が低下してしまうという問題があった。
本発明は、かかる問題を鑑みて、駆動電圧を長時間印加することにより変位特性が低下してしまった圧電素子（圧電アクチュエータ）における圧電体の変位量をより回復させることが可能な圧電体の駆動方法を提案することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の課題を解決するために、請求項１の発明は、電圧を印加されることにより変形する圧電体の駆動方法であって、前記圧電体に対して、電界強度が前記圧電体の抗電界を超える第１の波形を印加した後、前記第１の波形に対して逆極性であり、且つ電界強度が前記抗電界未満のパルス波形である第２の波形を印加する圧電体の駆動方法を特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
以上のように構成したので、本発明によれば、駆動電圧を長時間印加することにより変位特性が低下してしまった圧電体の変位量をより回復させることが可能な圧電体の駆動方法を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の斜視説明図。
【図２】本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の機構部の側面説明図。
【図３】本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図（その１）。
【図４】本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図（その２）。
【図５】本実施形態の液滴吐出ヘッドにおいて圧電アクチュエータを駆動する処理系を示す図。
【図６】圧電アクチュエータにおいて、電気−機械変換素子、上部電極、下部電極との関係を示す模式図。
【図７】本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける圧電アクチュエータ５０の代表的なＰ−Ｅヒステリシスループを示す図。
【図８】本実施形態による電気−機械変換素子に印加される電圧波形の一例を示す図。
【図９】メニスカス固有振動周期Ｔｃと逆極性波形Ｒとの関係を示すグラフ図。
【図１０】本実施形態の電気−機械変換素子における変位変動の評価結果を示したグラフ図。
【図１１】本実施形態の電気−機械変換素子の変位の変化率を示した図。
【図１２】単純に逆極性のパルスを印加した場合（ａ）とメニスカス固有振動周期を考慮した際の振動板の変位（ｂ）を示した図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
本発明に係る電気−機械変換素子としての圧電素子は、液滴吐出ヘッド及びそれを使用した画像形成装置（インクジェット記録装置）に適用可能である。
図１は、本発明の電気−機械変換素子としての圧電素子を適用したインクジェット記録装置の斜視説明図、図２は同記録装置の機構部の側面説明図である。
図１、図２に示すインクジェット記録装置は、記録装置本体１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部２等を収納し、装置本体１の下方部には前方側から多数枚の用紙Ｐを積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙Ｐを手差しで給紙するための手差しトレイ５を開倒することができ、給紙カセット４或いは手差しトレイ５から給送される用紙Ｐを取り込み、印字機構部２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ６に排紙する。
【００１０】
印字機構部２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド７と従ガイドロッド８とでキャリッジ９を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド１０を複数のインク吐出口（ノズル孔）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。またキャリッジ９にはヘッド１０に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ１１を交換可能に装着している。
インクカートリッジ１１は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッドへ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド１０を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズル孔を有する１個のヘッドでもよい。
【００１１】
ここで、キャリッジ９は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド７に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド８に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１２で回転駆動される駆動プーリ１３と従動プーリ１４との間にタイミングベルト１５を張装し、このタイミングベルト１５をキャリッジ９に固定しており、主走査モータ１２の正逆回転によりキャリッジ９が往復駆動される。
【００１２】
一方、給紙カセット４にセットした用紙Ｐをヘッド１０の下方側に搬送するために、給紙カセット４から用紙Ｐを分離給装する給紙ローラ１６及びフリクションパッド１７と、用紙Ｐを案内するガイド部材１８と、給紙された用紙Ｐを反転させて搬送する搬送ローラ１９と、この搬送ローラ１９の周面に押し付けられる搬送コロ２０及び搬送ローラ１９からの用紙Ｐの送り出し角度を規定する先端コロ２１とを設けている。搬送ローラ１９は副走査モータ２２によってギヤ列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１９から送り出された用紙Ｐを記録ヘッド１０の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材２３を設けている。この印写受け部材２３の用紙搬送方向下流側には、用紙Ｐを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ２４、拍車２５を設け、更に用紙Ｐを排紙トレイ６に送り出す排紙ローラ２６及び拍車２７と、排紙経路を形成するガイド部材２８、２９とを配設している。
記録時には、キャリッジ９を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０を駆動することにより、停止している用紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、用紙Ｐを所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙Ｐの後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙Ｐを排紙する。
【００１３】
また、キャリッジ９の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１０の吐出不良を回復するための回復装置３０を配置している。回復装置３０はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９は印字待機中にはこの回復装置３０側に移動されてキャッピング手段でヘッド１０をキャッピングされ、吐出口部を湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド１０の吐出口（ノズル孔）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出し、吐出口面に付着したインクやゴミ等は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、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。
このインクジェット記録装置においては、下記に説明する実施例１〜５の逆極性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しているので、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、変位の変動も抑制されているため、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質を向上することが可能である。
【００１４】
以下に、図１、図２に示したインクジェット記録装置に適用可能な、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構成を説明する。
液滴吐出ヘッドは、圧電アクチュエータなどの圧力発生手段により、圧力室の容積を変化させ、圧力室内に供給されたインク等の液体をノズル孔から液滴として吐出させることにより、用紙等の記録媒体に画像を記録する。
図３、図４は、本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成を示す断面図であり、図３は、１ノズルの液滴吐出ヘッド、図４は、複数ノズル孔と各ノズル孔に対応する複数の圧力室を有する液滴吐出ヘッドを示す図である。
【００１５】
図３、図４に示す液滴吐出ヘッド４０は、主に、電気−機械変換素子としての圧電アクチュエータ５０と、液滴を吐出する一つ（図３）又は複数（図４）のノズル孔６１を形成したノズルプレート（ノズル基板）６０と、ノズル孔６１と夫々連通した圧力室７１を形成し圧力室基板７０と、圧力室の壁面（底面）を構成するとともに圧電アクチュエータの変形に伴って振動して圧力室７１の容積を変化させる振動板８０を備えている。
また、図４に示す場合、圧力室基板７０と振動板８０との間には密着層９０が介在している。この密着層については後述する。
図３、図４に示すように、圧電アクチュエータ５０は、上部電極５１と、電気−機械変換膜（圧電体）５２と、下部電極５３と、を備えている。
なお、図３、図４において、液滴吐出ヘッド４０は、不図示の液室（圧力室）７１に液体を供給する液体供給手段、流路、流体抵抗を備えている。
【００１６】
図５は、本実施形態の液滴吐出ヘッドにおいて圧電アクチュエータを駆動する処理系を示す図である。
液滴吐出ヘッド４０又は上述したインクジェット記録装置本体１は、圧電アクチュエータ５０を駆動する駆動電圧を印加するための駆動ＩＣ５５を備えている。
また、装置本体１は、駆動ＩＣを制御する制御部Ｃｔｒを備えている。
図５は、複数の液室に対応した複数の電気−機械変換膜の場合（図４の場合）を例示しているが、図３に示した単一のノズル孔とそれに対応する単一の液室を備える液滴吐出ヘッドにも適用可能であることは言うまでもない。
【００１７】
圧電アクチュエータ５０を駆動する駆動ＩＣ５５は、共通電極（下部電極）５３に基準電圧Ｖｂを印加し、個別電極（上部電極）５１に駆動電圧Ｖａをそれぞれ印加する。電気−機械変換膜５２は、｜Ｖａ−Ｖｂ｜で表される電位差に基づいて変形する。この電気−機械変換膜５２の変形が、図３、図４に示す振動板８０を介して圧力室７１に伝わり、これによるポンプ作用でインクはノズル孔６１からインク滴として吐出する。
なお、本実施例において、電気−機械変換膜５２の変位量を回復させるための信号波形は、駆動ＩＣ５５を制御する制御部Ｃｔｒによる制御によって印加されるものである。
制御部Ｃｔｒは、例えば、命令を実行するＣＰＵと、制御プログラムを格納するＲＯＭと、ＣＰＵによる実行のために制御プログラム及び一時的なデータを展開する作業領域としてのＲＡＭを少なくとも備えている。
下記に説明する信号波形の印加は、制御ブログラムに従った、ＣＰＵによる駆動ＩＣ５５の制御により実現されるものである。
【００１８】
ここで、本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造方法を説明する。
図６は、本実施形態の液滴吐出ヘッドを構成する基板或いは薄膜の配置関係を示した図である。
図６に示すように、本実施形態に係る電気−機械変換素子は、基板材料１００、成膜振動板材料１０１、第１の電極材料１０２、電気−機械変換膜材料１０３、第２の電極材料１０４と、から製造される。
【００１９】
［圧力室基板］
基板材料１００は、図３、図４に示した圧力室基板７０を構成する基板であり、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６００μｍの厚みを持つことが好ましい。
なお、シリコン単結晶の面方位は、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種あるが、半導体産業では一般的に面方位が（１００）、（１１１）のシリコン単結晶が広く使用されている。
本実施形態においても、主に（１００）の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。
また、図３、図４に示すような圧力室７１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１００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（水酸化カリウム）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を作製できるのに対して、面方位（１１０）では深い溝を掘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。
従って、本構成としては（１１０）の面方位を持ったシリコン単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、エッチングの際のマスク材である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］
振動板８０としては、図３、図４に示すように電気−機械変換膜５２によって発生した力を受けて、下地（振動板８０）が変形変位して、圧力室のインク滴を吐出させる。
そのため、下地としては所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板材料１０１としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学蒸着）法により作製したものが挙げられる。
また、振動板材料１０１としては、図３、図４に示される下部電極（共通電極）５３、電気−機械変換膜５２の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。
【００２２】
特に、電気−機械変換膜５２としては、電気−機械変換膜材料１０２（後述）として、一般的にＰＺＴ（Lead Titanate Zirconate：チタン酸ジルコン酸鉛）が使用されることから線膨張係数８×１０−６（１／Ｋ）に近い線膨張係数として、５×１０−６〜１０×１０−６の線膨張係数を有した材料が好ましく、更には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。
ＰＺＴに熱膨張係数が近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を挙げることが出来、これらの材料を用いた振動板８０は、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。
振動板８０（振動板材料１０１）の膜厚としては、０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍが更に好ましい。この範囲より膜厚が小さい（薄い）と、図３、図４に示すような圧力室７１の加工が難しくなり、この範囲より大きい（厚い）と振動板８０自体変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。
【００２３】
［上部電極、下部電極］
上部電極（個別電極）となる第１の電極材料１０２、下部電極（共通電極）となる第２の電極材料１０４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が、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、これら合金膜も用いることが出来る。
また、白金を使用する場合には、振動板８０（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９０（図４）として積層することが好ましい。
各電極の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚は０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍが更に好ましい。
また、電気−機械変換膜５２の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、第１の電極（下部電極５３）と電気−機械変換膜５２及び電気−機械変換膜５２と第２の電極（上部電極５１）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。
【００２４】
［電気−機械変換膜（圧電体］
上述したように、電気−機械変換膜５２としては、ＰＺＴを主に使用している。
ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体であり、その比率により特性が異なっている。
一般的に、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３：４７の組成で優れた圧電特性を示す。
その場合のＰＺＴを化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７）Ｏ３となり、一般的には、ＰＺＴ（５３／４７）と示される。
電気−機械変換膜５２の他の材料は、一般式ＡＢＯ３により記述され、Ａ＝Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｂ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂを主成分とする複合酸化物が該当する。
その具体的な記述は（Ｐｂ１−ｘ，Ｂａｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ）（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｎｂ１−ｘ−ｙ）Ｏ３となる。これはＡサイトのＰｂを一部Ｂａで置換した場合及びＢサイトのＺｒ、Ｔｉを一部Ｎｂで置換した場合を示している。
このような置換はＰＺＴの変位特性の改善に向けた材料改質で行なわれる。ＰＺＴ以外の酸化物としてはチタン酸バリウム、鉄酸ビスマスなどが上げられる。
【００２５】
電気−機械変化膜５２は、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。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
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ることで、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。
下地基板全面にＰＺＴ膜を得る場合、スピンコートなど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、クラックフリーな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。
電気−機械変換膜５２の膜厚は０．５〜５μｍが好ましく、更に好ましくは１μｍ〜２μｍとなる。この範囲より小さいと十分な変位を発生することが出来なくなり、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。
【００２６】
本発明によれば、圧電アクチュエータ５０が簡便な製造工程で（かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ）形成でき、その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液体吐出ヘッドが完成する。
【００２７】
以下に、本発明の実施例を詳細に説明する。
［実施例１］
まず、以下のように、圧電アクチュエータ５０を作製した。
圧力室基板７０となる基板材料１００としてのシリコンウエハに、振動板８０となる振動板材料１０１としての熱酸化膜（膜厚１μｍ）を形成し、密着層９０としてのチタン膜（膜厚５０ｎｍ）を形成した。
さらに、引き続いて、下部電極５３となる第１の電極材料１０２として白金膜（膜厚２５０ｎｍ）、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚５０ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。
上記のチタン膜は、熱酸化膜と白金膜の間の密着層９０としての役割を持つ。
下部電極５３を得るためのスパッタ成膜時の基板加熱温度については５５０℃にて成膜を実施した。
【００２８】
次に、電気−機械変換膜５２となる電気−機械変換膜材料１０３として、Ｐｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５３：４７の組成比で調合した溶液を準備した。
具体的な前駆体塗布液の合成について、出発材料として酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。
酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後に脱水した。
化学量論組成に対し、鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、上述した酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでＰＺＴ前駆体溶液を合成した。
【００２９】
このＰＺＴ濃度は、０．５モル／リットルとした。このＰＺＴ前駆体溶液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後に１２０℃乾燥→５００℃熱分解を行った。
３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７５０℃）をＲＴＡ（Rapid Heat Treatment：急速熱処理）により実施した。
このときＰＺＴの膜厚は２４０ｎｍであった。この工程を計８回（２４層）実施し、約２μｍのＰＺＴ膜厚を得た。
【００３０】
次に第２の電極５１となる第２の電極材料１０４として、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚４０ｎｍ）、白金膜（膜厚１２５ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。
このスパッタ成膜時の基板温度については３００℃にて成膜を実施した。
ＳｒＲｕＯ３膜についてはＲＴＡ処理にて酸素雰囲気中で５５０℃／３００ｓのポストアニール処理をした。
その後、フォトレジストをスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）エッチング装置を用いてパターンを作製した。
【００３１】
次に、後の圧力室７１を形成するために、シリコン単結晶基板１００を所望の厚さｔ（例えば厚さ８０μｍ）になるように、公知の技術で研磨した。
研磨法以外にもエッチングなどでもよい。次に、リソグラフィー法により、圧力室７１以外の隔壁部をレジストで被覆する。その後、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液、あるいはＴＭＨＡ溶液）で異方性ウェットエッチングをおこない圧力室７１を形成し、図３、図４のような圧電アクチュエータ５０及びそれにより構成される液体吐出ヘッドを作製した。
【００３２】
図７は、上記の手順で作製した本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける電気−機械変換素子（圧電アクチュエータ）５０の代表的なＰ−Ｅヒステリシスループを示す図である。
この圧電アクチュエータ５０の抗電界は、図７に示すように２０ｋＶ／ｃｍ程度である。なお、抗電界とは、圧電体における分極の符号（向き）が反転する電場の強さを意味する。
上記のように作成した液滴吐出ヘッドの圧電アクチュエータ５０について、変位量の変動評価を行った。
【００３３】
図８は、本実施形態において圧電アクチュエータ５０に印加される電圧波形を示す図である。
図８に示すように、最大値が電圧Ｖ１の駆動波形Ｆに対し、電気−機械変換膜５２の抗電界相当の電圧を超えない駆動波形Ｆの電圧Ｖ１とは逆極性の電圧−Ｖ２の逆極性波形Ｒが印加する。
図８に示す印加電圧波形について、［実施例１］では、上述の制御プログラムに従った制御部Ｃｔｒの制御により、抗電界（図７の（１））を超える電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動パルス波形Ｆ（駆動電圧Ｖａ）をＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、抗電界を超えない駆動波形Ｆとは逆極性の電界強度Ｖ２＝−１５ｋＶ／ｃｍの逆極性パルス波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加した。すなわち、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。
【００３４】
このときの逆極性波形Ｒの立ち下がり及び立ち上がりは半周期分の正弦波で規定した。ここでいう半周期分の正弦波は、液滴吐出ヘッドのノズル孔の液面におけるメニスカス固有振動周期Ｔｃから導出した。
逆極性波形Ｒの立ち下がり及び立ち上がりは、必ずしもメニスカス固有振動周期Ｔｃから導出する必要はないが、後述する理由によって圧電体への負荷を回避するためには、メニスカス固有振動周期Ｔｃに基づいて設定することが好適である。
【００３５】
図９は、駆動電圧と圧電素子の変位量との関係及びメニスカス固有振動周期Ｔｃと逆極性波形Ｒとの関係を示すグラフ図である。
図９に示すように、逆極性波形Ｒのパルスの立ち下がりタイミング（時間）、立ち上がりタイミング（時間）は、メニスカス固有振動周期の正弦波１１０の波形にほぼ一致するように設定されている。
逆極性波形Ｒの立ち下がりは、図９に示すメニスカス固有振動周期Ｔｃの正弦波１１０において、初期位相を０とした時の、角周波数π／２〜３π／２の区間、立ち上がりは角周波数−π／２〜π／２の区間とするのが好適である。
なお、メニスカス固有振動周期Ｔｃは、図９に示すような振動評価や等価回路法によって導出される。
［実施例１］の逆極性波形のパルス波形では、立ち下がり時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒはメニスカス固有振動周期の整数倍である３．４μｓ、パルス幅Ｔｗもメニスカス固有振動周期の整数倍である３．４μｓとした。
なお、逆極性パルス波形Ｒのパルス印加回数は、１０００回以上であることが望ましい。
【００３６】
［実施例２］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図８に示す印加電圧波形について、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動パルス波形をＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−５ｋＶ／ｃｍの逆極性パルス波形をＴ２＝５００ｍｓ印加した。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下り時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒをメニスカス固有振動周期の整数倍の３．４μｓ、パルス幅Ｔｗもメニスカス固有振動周期の整数倍の３．４μｓのパルス波形とした。
【００３７】
［実施例３］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図８に示す印加電圧波形について、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形ＦをＴ１＝９００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−１５ｋＶ／ｃｍの実施例１のパルス形状の逆極性波形をＴ２＝１００ｍｓ印加した。このときの逆極性波形Ｒのパルス波形では、立ち下り時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒを、メニスカス固有振動周期の整数倍の３．４μｓ、パルス幅Ｔｗもメニスカス固有振動周期の整数倍の３．４μｓとした。
【００３８】
［実施例４］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。具体的には、図８に示す印加電圧波形について、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−１５ｋＶ／ｃｍの逆極性波形をＴ２＝５００ｍｓ印加した。
このときの逆極性波形Ｒのパルス波形では、立ち下り時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒを共にメニスカス固有振動周期の整数倍の３．４μｓ、パルス幅Ｔｗはメニスカス固有振動周期の半整数倍の１．７μｓのパルス波形とした。
【００３９】
［実施例５］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。具体的には、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−１５ｋＶ／ｃｍの逆極性波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加した。このときの逆極性波形Ｒのパルス波形では、立ち下がり時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒが１１．７μｓ、パルス幅Ｔｗが１．７μｓのパルス波形とした。
【００４０】
［比較例１］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、抗電界を超える電界強度１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形Ｆを、５００ｍｓ印加した。駆動波形Ｆ後の逆極性波形Ｒは印加していない。
［比較例２］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。すなわち、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−１５ｋＶ／ｃｍの逆極性波形Ｒを立ち上がり時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒを共に１μｓ、パルス幅を４μｓとした波形をＴ２＝５００ｍｓ印加した。
［比較例３］
［実施例１］と同じ液滴吐出ヘッドを用い、駆動波形Ｆと逆極性ＤＣバイアスの組み合わせを１シーケンスとした波形を印加した。すなわち、電界強度Ｖ１＝１５０ｋＶ／ｃｍの駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加したあと、電界強度Ｖ２＝−５ｋＶ／ｃｍの逆極性ＤＣバイアスをＴ２＝５００ｍｓ印加した。
【００４１】
以下は、上記実施例及び比較例における駆動波形及び逆極性波形の詳細をまとめた表である。
［表１］
2014054800.tif 000003
【００４２】
［評価結果］
圧電アクチュエータ５０の変位量は、レーザードップラ振動計を用いて計測した。
圧電アクチュエータ５０の当初の変位量の絶対値を１００％とした場合に、１０１０回繰り返し駆動波形パルスを印加したあとの変位の変化率で評価した。
ここでは、逆極性波形Ｒのパルス数はカウントしておらず、駆動波形Ｆのパルス数のみをカウントした。
【００４３】
図１０は、本実施形態の電気−機械変換素子における変位変動の評価結果を示したグラフ図であり、図１１は、圧電体の変位量の変化率を示した図である。
［実施例１］〜［実施例５］については、全て変位の変動幅が３％内程度に収まっており、逆極性波形Ｒによって電気−機械変換膜５２変位の変動が抑制されていることが分かる。
これは、駆動波形Ｆの印加に伴い、電気−機械変換膜５２の膜厚方向で偏在してトラップされた電気−機械変換膜５２中の電荷を逆極性波形が取り除いているためである。
また、逆極性波形Ｒは抗電界を超えていないため、電気−機械変換膜５２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、圧電アクチュエータ５０にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることが出来るとともに、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出来る。
ところで、上述したように、本発明に係る液滴吐出ヘッドの駆動方法では、逆極性波形における立ち上がり波形、立ち下がり波形を、液滴吐出ヘッドのメニスカス固有振動周期の正弦波形で規定される波形としている。これは、以下に記載する理由による。
【００４４】
図１２は、単純に逆極性パルスを印加した場合の振動板の変位量（ａ）とメニスカス固有振動周期を考慮した逆極性パルスを印加した際の振動板の変位量（ｂ）とを示したグラフ図である。
図１２（ａ）に示される逆極性波形Ｒは、単純な逆極性のパルスのパターンであり、メニスカス固有振動周期を考慮していない。そのため、メニスカス固有振動周期に依存した変位を励起してしまい、印加した逆極性波形Ｒとは異なる変位パターン１１１で振動板が変位し、圧電体（電気−機械変換膜５２）に対して所望の電圧が印加されていないことが分かる。
【００４５】
それに比して、図１２（ｂ）のメニスカス振動の固有周期の正弦波を用いて立ち下がり及び立ち上がりを作っている逆極性波形Ｒでは、共振が抑えられている。
それに伴い、変位が印加波形に対して正しく応答できているため変位変動の抑制効果を十二分に寄与することができる。
また、逆極性波形Ｒのパルス幅に関しても、メニスカス固有振動周期の整数倍とすることにより、［実施例２］においては、逆極性波形Ｒの電界強度を抗電界に対してより低くしても、効果の発現が達成できている。
逆極性の電界強度の上限は抗電界未満であり、下限は抗電界の２０％以上であることが好ましく、上限は抗電界の８０％がより好ましい。
【００４６】
［実施例３］においては、逆極性波形Ｒ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。
逆極性波形Ｒの印加時間が短くとも、駆動波形Ｆの印加時間分でトラップされた電荷の抜き出しが出来ているためである。
逆極性波形Ｒの印加時間は、５０ｍｓ以上が好ましく、より好ましくは１００ｍｓ以上である。
また、変位の変動は駆動波形Ｆの印加に伴うトラップされた電荷の膜厚方向での偏在が進行することで生じる。
従って、駆動波形Ｆと逆極性波形Ｒとの印加時間比率が重要であり、逆極性波形Ｒの印加時間は駆動波形Ｆの印加時間の０．１倍以上であることが好ましい。
【００４７】
［実施例４］、［実施例５］においては、逆極性波形Ｒのパルス形状を操作している。パルス波形の立ち下がり、立ち上がりが緩やかであっても効果が確認できており、十分な逆極性波形Ｒの印加時間があればよい。
逆極性波形Ｒのパルス幅は短くても効果があるが、逆極性波形Ｒにより駆動中にトラップされた電荷を抽出しているため、圧電アクチュエータ５０の充放電特性との兼ね合いがあるものの、パルス幅は１μｓｅｃ以上であることが好ましい。
また、逆極性波形Ｒのパルス波形の立ち下がり時間、立ち上がり時間、パルス幅は逆極性波形の印加時間との兼ね合いもあるが、共振の抑制のために立ち下がり時間、立ち上がり時間はメニスカス固有振動周期の１倍以上の整数倍、パルス幅はメニスカス固有振動周期の１／２倍以上の整数倍及び半整数倍であることがより好ましい。
【００４８】
各比較例の評価結果は以下の通りであった。
すなわち、［比較例１］、［比較例２］では変位の変動幅が大きくなっている。
これは、［比較例１］においては逆極性波形を印加していないため、駆動中に蓄積される電荷の抜き取りが出来ておらず、経時に電荷の偏在が進行しているためである。
［比較例２］においては逆極性のＤＣバイアスを印加しているものの、変位は大きく変動している。［比較例３］においては、図１２に示したように共振により励起される余分な振動が発生している。
【００４９】
以上説明したように、駆動波形の電圧方向とは逆極性の電圧波形を非駆動時に印加することにより、駆動波形の印加によって電気−機械変換膜５２中に発生した内部電界を膜厚方向で偏在した電荷の抜き取りという形で取り除くことが出来（内部電界の発生は、駆動に伴う電気−機械変換膜５２の膜厚方向での電荷の偏在により発生しているため）、且つ、このときの逆極性電圧の電圧強度を抗電界未満とすることにより、抗電界以上に印加したときの分極軸の反転を防ぐことが出来る。
さらに、本発明によっては、逆極性パルス波形における立ち上がり、立ち下がりの波形をメニスカス固有振動周期が有する正弦波で規定される波形とすることにより、内部のメニスカス固有振動周期に由来する強制振動を抑制することで、電気−機械変換素子にかかる余分な負担を低下させることで、電気−機械変換能の低下を抑制することが出来る。
なお、本発明の駆動方法は、インクと吐出するインクジェット式記録装置だけでなく、インク以外の液体を吐出する他の液体吐出装置についても適用可能であることは言うまでも無い。
また、以上の説明では、液滴吐出装置の圧電アクチュエータに用いられる圧電体の駆動方法を説明したが、圧電体（圧電アクチュエータ）単独の駆動方法にも適用可能である。その場合は、液滴吐出装置に特有のメニスカス固有周期を考慮する必要はなくなる。
【符号の説明】
【００５０】
１  記録装置本体、２  印字機構部、４  給紙カセット、５  トレイ、６  排紙トレイ、７  主ガイドロッド、８  従ガイドロッド、９  キャリッジ、１０  記録ヘッド、１１  インクカートリッジ、１２  主走査モータ、１３  駆動プーリ、１４  従動プーリ、１５  タイミングベルト、１６  給紙ローラ、１７  フリクションパッド、１８  ガイド部材、１９  搬送ローラ、２０  搬送コロ、２１  先端コロ、２２  副走査モータ、２３  印写受け部材、２４  搬送コロ、２５  拍車、２６  排紙ローラ、２７  拍車、２８  ガイド部材、３０  回復装置、４０  インクジェットヘッド、５０  圧電アクチュエータ、５１  上部電極、５２  機械変換膜、５３  下部電極、６０  ノズルプレート、６１  ノズル孔、７０  圧力室基板、７１  圧力室、８０  振動板、９０  密着層、１００  シリコン単結晶基板材料、１０１  成膜振動板材料、１０２  第１の電極材料、１０３  機械変換膜材料、１０４  第２の電極材料
【先行技術文献】
【特許文献】
【００５１】
【特許文献１】特開平６−３４２９４６号公報
【特許文献２】特開２００３−８０６９８公報
【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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