(57)【要約】【課題】使用開始時に迅速簡便に薄膜圧電体の特性を安定させられるようにする。【解決手段】本発明は、ノズル孔５５ａと連通する加圧液室Ａの一側面を区画する振動板２０と、この振動板２０とを振動させるための薄膜圧電体４０とを有し、この薄膜圧電体４０に駆動電圧を印加して液滴を吐出させる液滴吐出装置において、主電源投入後から最初の印刷開始までの間に、上記薄膜圧電体４０に、この薄膜圧電体４０の駆動時に印加する電圧以上の電圧を有する電圧波形を印加する電圧印加手段Ｃａを有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ノズル孔と連通する加圧液室の一側面を区画する振動板と、
該振動板を振動させるための薄膜圧電体と、を有し、
該薄膜圧電体に電圧を印加して液滴を吐出させる液滴吐出装置において、
主電源投入後から最初の印刷開始までの間に、前記薄膜圧電体に、該薄膜圧電体の駆動時に印加する電圧以上の電圧を有する電圧波形を印加する電圧印加手段を有することを特徴とする液滴吐出装置。
【請求項２】
前記電圧印加手段は、
主電源投入後から最初の印刷開始までの間であって、
該液滴吐出装置の制御手段が、該液滴吐出装置に接続されて該液滴吐出装置を制御する装置との間で、所定の信号の送受信を行っている間に、前記電圧波形を印加することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項３】
前記電圧印加手段は、
主電源投入後から最初の印刷開始までの間であって、
該液滴吐出装置の制御手段が、該液滴吐出装置の印刷前設定処理の実行中に、前記電圧波形を印加することを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出装置。
【請求項４】
前記電圧印加手段が印加する電圧は、該薄膜圧電体の駆動時に印加される中間電位以上の直流電圧であることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の液滴吐出装置。
【請求項５】
前記電圧印加手段は、所定の不吐出波形を印加することを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の液滴吐出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液滴吐出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリンタ、ファクシミリ、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、例えばインク等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（液滴吐出装置）がある。
【０００３】
液滴吐出ヘッドは、インクなどの液体の液滴を吐出するノズルと、このノズルに連通し液体を収容した液室（加圧液室、圧力室、加圧室、吐出室などとも称される。）と、薄膜圧電体（圧電素子）などの電気機械変換素子とを備えた構成が知られている。この液滴吐出ヘッドでは、薄膜圧電体に電圧が印加されることにより薄膜圧電体は液室の壁の一部を形成する振動板を変形させるように振動し、その振動板の変形により液室内の液体が加圧され、ノズルから液滴を吐出させることができる。
【０００４】
薄膜圧電体を用いた液滴吐出ヘッドは、その薄膜圧電体の構造上、外部からの応力影響を受けやすい。このため、当該ヘッドの部材間の熱応力差によって特性が容易に変化してしまうことを考慮し、シリコンプロセス内において、例えば分極処理やエージング（波形印加）等の処理によって特性の安定化を図ることにより液滴の吐出安定性を担保しようとしている。
【０００５】
例えば、特許文献１には、複数のノズルに連通する圧力室に圧力発生手段により圧力変動を生じさせることにより、それら各ノズルから液体を噴射させる液体噴射装置において、圧力発生手段は、駆動波形発生手段により発生させた累積印加数に応じて設定された非噴射駆動波形を用いて圧力を発生し、これにより液滴吐出ヘッドのエージング処理を行うことが開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、非画像形成時の所定時間、像担持体を回転させるとともに、接触帯電手段により像担持体表面を帯電させるエージング動作を行なわせる画像形成装置が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上記特許文献に示されるように、エージング処理等を行うことで、薄膜圧電体単体では分極が揃い安定化しているものの、最終的な液滴吐出ヘッドの一部として構成した場合、各部材間の熱応力により変位特性が変化してしまうという問題があった。
【０００８】
このために、保管環境の違いや条件によって商品として着荷時（すなわち、ユーザの初回使用開始時）に規定した状態から外れ、特性が不安定になるという問題があった。また、特に、前回の使用後に所定期間、放置された場合（２回目以降の使用開始時）にも同様の問題が生じうる。
【０００９】
さらに、高周波数を狙う高剛性な液滴吐出ヘッドやメニスカス共振を積極的に用いるものでは特性のさらなる不安定化を招来する。すなわち、内部応力や線膨張差がそれぞれ大きいことに起因し、従来の既存技術のみで特性の安定化を図ることは困難であった。
【００１０】
そこで本発明は、使用開始時に迅速簡便に薄膜圧電体の特性を安定させられる液滴吐出装置の提供を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記課題を解決するための請求項１に記載した液滴吐出装置は、ノズル孔と連通する加圧液室の一側面を区画する振動板と、該振動板を振動させるための薄膜圧電体と、を有し、該薄膜圧電体に電圧を印加して液滴を吐出させる液滴吐出装置において、主電源投入後から最初の印刷開始までの間に、前記薄膜圧電体に、該薄膜圧電体の駆動時に印加する電圧以上の電圧を有する電圧波形を印加する電圧印加手段を有するものである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、使用開始時に迅速簡便に薄膜圧電体の特性を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置に用いられる一例に係る液滴吐出ヘッドの概略正面図である。
【図２】同上の一例に係る液滴吐出ヘッドの側面図である。
【図３】同上の液滴吐出ヘッドを適用したインクカートリッジを示す斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の一例である画像形成装置の主要な構成を示す斜視図である。
【図５】同上の画像形成装置の機構部の主要部を示す側面図である。
【図６】主電源を投入した後、最初の印刷開始までの動作内容を示すフローチャートである。
【図７】主電源を投入した後、実証実験として実施した動作内容を示すフローチャートである。
【図８】中間電位以上の直流電圧を１分間印加して吐出速度の推移を測定した結果を示すグラフである。
【図９】中間電位以上の交流電圧を１分間印加して吐出速度の推移を測定した結果を示すグラフである。
【図１０】中間電位未満である１５Ｖの直流電圧を１分間印加して推移を測定した結果を示すグラフである。
【図１１】中間電位以上の２０Ｖの中間電位にて吐出波形の特性安定化電圧を１分間印加して推移を測定した結果を示すグラフである。
【図１２】インク滴の吐出速度と吐出時間の関係を示すグラフである。
【図１３】繰り返しの効果の確認実験の手順を示すフローチャート である。
【図１４】５分間での推移における最初と最後での吐出速度差を示す表である。
【図１５】本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置に用いられる他例に係る液滴吐出ヘッドの概略正面図である。
【図１６】同上の他例に係る液滴吐出ヘッドを側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置について、図面を参照して説明する。図１は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置に用いられる一例に係る液滴吐出ヘッドの概略正面図、図２は、その一例に係る液滴吐出ヘッドの側面図である。
【００１５】
図１，２に示す一例に係る液滴吐出ヘッド１の概略構成は、次のとおりである。すなわち、一例に係る液滴吐出ヘッド１は、圧力室基板１０の上部に振動板２０、下部電極３０、薄膜圧電体４０及び上部電極５０を順次積層させて接合している。一方、その圧力室基板１０の下部には、ノズル孔５５ａを形成したノズル板５５を接合した構成のものである。
【００１６】
本実施形態において示す圧力室基板１０は、液体（以下、「インク液」という。）を一時的に貯留する加圧液室Ａを区画する所要の枠型に形成したものであり、１００〜６００μｍの厚みを有するシリコン単結晶基板により形成している。
【００１７】
上記シリコン単結晶基板の面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）の三種類であるが、一般的には（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）の面方位を持つシリコン単結晶基板を採用している。
【００１８】
図１に示すような加圧液室Ａを作成する場合、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、このとき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。例えば水酸化カリウム（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。
【００１９】
従って、面方位（１００）では約５４°の傾斜を持つ構造体が作成できるのに対して、面方位（１１０）では深い溝を形成す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。本実施形態においては、（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できる。この場合、マスク材である二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）もエッチングされてしまうということがあることも留意して利用する。
【００２０】
上記の振動板２０は、加圧液室Ａの一側面を区画して、その外周部を圧力室基板１０に接合されている。この振動板２０は、薄膜圧電体（電気‐機械変換膜）４０によって発生した力を受けて変形変位し、加圧液室Ａ内の液滴（以下、「インク滴」という。）を吐出させる。そのため、振動板２０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。
【００２１】
この振動板２０の材料としては、シリコン（Ｓｉ）、ＳｉＯ2、窒化ケイ素（Ｓｉ3Ｎ4）等をＣＶＤ法により作成したものを用いることができる。また、図１に示すような下部電極３０、薄膜圧電体４０の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、薄膜圧電体４０としては、一般的に材料としてチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が使用される。このことから、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い。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。
【００２２】
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やＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコーターにて作成する。膜厚としては、０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍ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Ａの加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板２０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。
【００２３】
上記した下部電極３０は、金属又は金属と酸化物からなるものが好ましい。ここでどちらも上記した振動板２０と金属膜の間に密着層を入れて剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に密着層を含めて金属電極膜、酸化物電極膜の詳細について説明する。
【００２４】
＜密着層＞
チタン（Ｔｉ）をスパッタ成膜後、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）装置を用いて、６５０〜８００℃、１〜３０分、Ｏ2雰囲気でチタン膜を熱酸化し、チタン膜を酸化チタン膜にする。酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作成では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、ＲＴＡ装置による酸化の方がチタンＯ2膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。従って、昇温速度の速いＲＴＡによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。また、チタン（Ｔｉ）以外の材料としてはタンタル（Ｔａ）、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）等の材料でもよい。
【００２５】
膜厚としては、１０ｎｍ〜５０ｎｍが好ましく、１５ｎｍ〜３０ｎｍがさらに好ましい。この範囲以下の場合においては、密着性に懸念があるのと、この範囲以上になるとその上で作成する電極膜の結晶の質に影響が出てくる。
【００２６】
＜金属電極膜＞
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‐ロジウム等の白金族元素や、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、先の密着層を先に積層することが好ましい。作成方法としては、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、８０〜２００ｎｍが好ましく、１００〜１５０ｎｍがより好ましい。この範囲より薄い場合においては、共通電極として十分な電流を供給することができなくなり、インク滴の吐出をする際に不具合が発生する。さらに、その範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用するときにはコストアップとなる点や、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなる。この場合、その上に作成する酸化物電極膜やＰＺＴの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼし、インク滴の吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。
【００２７】
＜酸化物電極膜＞
酸化物電極膜の材料としてはルテニウム酸化物（ＳｒＲｕＯ3）を用いることが好ましい。左記以外にも、Ｓｒｘ（Ａ）（１−ｘ）Ｒｕｙ（１−ｙ）、Ａ＝Ｂａ、Ｃａ、Ｂ＝Ｃｏ、Ｎｉ、ｘ、ｙ＝０〜０．５で記述されるような材料についても挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作成される。スパッタ条件によってＳｒＲｕＯ3薄膜の膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、Ｐｔ（１１１）にならってＳｒＲｕＯ3薄膜についても（１１１）配向させるためには、成膜温度については５００℃以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
【００２８】
例えば従来のＳＲＯ成膜条件については、室温成膜でその後、ＲＴＡ処理にて結晶化温度（６５０℃）で熱酸加している。この場合、ＳＲＯ膜としては、十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、（１１０）が優先配向しやすくなり、その上に成膜したＰＺＴについても（１１０）配向しやすくなる。
【００２９】
Ｐｔ（１１１）上に作成したＳＲＯ結晶性については、ＰｔとＳＲＯで格子定数が近いため、通常のθ−２θ測定では、ＳＲＯ（１１１）とＰｔ（１１１）の２θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ｐｔについては、消滅則の関係からＰｓｉ＝３５°傾けた２θが約３２°付近の位置には回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Ｐｓｉ方向を約３５°傾けて、２θが約３２°付近のピーク強度で判断することでＳＲＯが（１１１）に優先配向しているかを確認することができる。
【００３０】
２θ＝３２°に固定し、Ｐｓｉを振ったとき、Ｐｓｉ＝０°ではＳＲＯ（１１０）ではほとんど回折強度が見られず、Ｐｓｉ＝３５°付近において、回折強度が見られる。このことから、本成膜条件にて作成したものについては、ＳＲＯが（１１１）配向していることが確認できた。また、上述した室温成膜＋ＲＴＡ処理により促成されたＳＲＯについては、Ｐｓｉ＝０°のときにＳＲＯ（１１０）の回折強度が見られる。
【００３１】
詳細については後述するが、圧電アクチュエータとして連続動作したときに、駆動させた後の変位量が、初期変位に比べてどのくらい劣化したかを見積もったところ、ＰＺＴの配向性が非常に影響しており、（１１０）では変位劣化抑制において不十分である。さらにＳＲＯ膜の表面粗さをみたときに、成膜温度に影響し、室温から３００℃では表面粗さが非常に小さく２ｎｍ以下になる。粗さについては、原子間顕微鏡（ＡＦＭ）により測定される表面粗さ（平均粗さ）を指標としている。
【００３２】
表面粗さとしては、非常にフラットにはなっているが結晶性が十分でなく、その後成膜したＰＺＴの圧電アクチュエータとしての初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。表面粗さとしては、４ｎｍ〜１５ｎｍになっていることが好ましく、６ｎｍ〜１０ｎｍがさらに好ましい。この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。従って上述に示すような、結晶性や表面粗さを得るためには、成膜温度としては５００℃〜７００℃、好ましくは５２０℃〜６００℃の範囲で成膜を実施している。
【００３３】
成膜後のＳｒとＲｕの組成比については、Ｓｒ／Ｒｕが０．８２以上１．２２以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなる。さらにＳＲＯ膜の膜厚としては、４０ｎｍ〜１５０ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜８０ｎｍがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない点やＰＺＴのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなる。この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。また比抵抗としては、５×１０-３Ω・ｃｍ以下になっていることが好ましく、さらに１×１０３Ω・ｃｍ以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると共通電極として、界面で接触抵抗が十分得られず、共通電極として十分な電流を供給することができなくなり、インク液の吐出をする際に不具合が発生する。
【００３４】
上記した薄膜圧電体４０は、加圧液室Ａを加圧することにより、その加圧液室Ａに供給されたインク液をノズル孔５５ａから吐出させる圧力発生手段である。この薄膜圧電体４０は、これの内部電極を交互に外部電極である個別電極、共通電極に電気的に接続し、それらの電極に駆動信号を付与されるようになっている。
【００３５】
薄膜圧電体４０の材料としては、ＰＺＴを主に使用した。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ3）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ3）の固溶体であり、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ＰＺＴ（５３／４７）と示される。ＰＺＴ以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウム等が挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作成することもできる。
【００３６】
これらの材料は一般式ＡＢＯ3で記述され、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。その具体的な記述として（Ｐｂ１−ｘ，  Ｂａ）（Ｚｒ，  Ｔｉ）Ｏ3、（Ｐｂ１−ｘ，  Ｓｒ）（Ｚｒ，  Ｔｉ）Ｏ3、これはＡサイトのＰｂを一部ＢａやＳｒで置換した場合である。このような置換は２価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。
【００３７】
薄膜圧電体４０の作成方法としては、スパッタ法又はＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコーターにて作成している。この場合は、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を上記Ｓｏｌ−ｇｅｌ法により作成した場合、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により、ＰＺＴ前駆体溶液を作成できる。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の安定化剤を適量、添加してもよい。
【００３８】
下地基板全面に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。
【００３９】
薄膜圧電体４０の膜厚としては０．５〜５μｍが好ましく、さらに好ましくは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。また、比誘電率としては６００以上２０００以下になっていることが好ましく、さらに１２００以上１６００以下になっていることが好ましい。このとき、この値を満たないときには十分な変位特性が得られない、またこの値より大きくなると、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する。
【００４０】
上部電極５０としては、金属又は酸化物と金属からなっていることが好ましい。以下に酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について説明する。
＜酸化物電極膜＞
酸化物電極膜としてのＳＲＯ膜の膜厚としては、２０ｎｍ〜８０ｎｍが好ましく、４０ｎｍ〜６０ｎｍがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。
【００４１】
＜金属電極膜＞
金属電極膜の膜厚としては３０〜２００ｎｍが好ましく５０〜１２０ｎｍがさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、個別電極として十分な電流を供給することができなくなり、インク滴を吐出する際に不具合が発生する。さらに、その範囲より厚い場合、白金族元素の高価な材料を使用するときにはコストアップとなる点、また、膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して電極を作成する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなる。
【００４２】
以下に、上記した液滴吐出ヘッド１の作成について詳細に説明する。６インチシリコンウェハに熱酸化膜（膜厚１ミクロン）を形成し、下部電極の密着膜として、チタン膜（膜厚３０ｎｍ）をスパッタ装置にて成膜する。その後にＲＴＡを用いて７５０℃にて熱酸化し、引き続き金属膜として白金膜（膜厚１００ｎｍ）、酸化物膜としてＳｒＲｕＯ膜（膜厚６０ｎｍ）をスパッタ成膜した。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。次に圧電体膜としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１４：５３：４７に調整された溶液を準備し、スピンコート法により膜を成膜した。
【００４３】
具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、ノルマル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、脱水した。化学両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、ノルマル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、先記の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。
【００４４】
このＰＺＴ濃度は０．５モル／リットルにした。この液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥し、５００℃で熱分解を行った。３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７５０℃）をＲＴＡ（急速熱処理）にて行った。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。
【００４５】
次に上部電極５０の酸化物膜として、ＳｒＲｕＯ膜（膜厚４０ｎｍ）、金属膜としてＰｔ膜（膜厚１２５nm）をスパッタ成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト（ＴＳＭＲ８８００）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エッチング装置（サムコ製）を用いてＰｔ膜、酸化物膜をエッチングする。その後、セミツール社製のレジスト剥離装置にてアミン系の剥離液を用いて３０分レジスト剥離処理、及びキヤノン製のアッシャーにて３分のアッシング処理を行い上部電極５０（個別電極）をパターニングした。同様に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、圧電体膜をエッチングし、レジスト剥離処理、アッシング処理を行い圧電体膜をパターニングした。次にフォトリソグラフィーで電極（共通電極）のパターンを形成した後、レジスト剥離処理、アッシング処理を行い下部電極（共通電極）をパターニングした。
【００４６】
上述の薄膜圧電体４０を用いた液滴吐出ヘッド１を作成した。図１，２に示した液滴吐出ヘッド１の作成プロセスは、加圧液室Ａを形成するための裏面からのエッチング除去、ノズル板５５を接合することによる。このヘッド作成方法は公知のヘッド作成プロセスにて行った。なお、図１，２においては、液体供給手段、流路、流体抵抗についての図示、及びそれらの説明については省略している。
【００４７】
図３は、上述した一例に係る液滴吐出ヘッドを適用したインクカートリッジを示す斜視図である。図３に示すインクカートリッジ７４は、上記したノズル孔５５ａを有する液滴吐出ヘッド１と、この液滴吐出ヘッド１に対してインク液を供給するインクタンク５６とを一体化したものである。
【００４８】
このようにインクタンク一体型の記録ヘッドの場合、製造の際の歩留まり不良は直ちにインクカートリッジ全体の不良につながるので、液滴吐出特性の向上は、ヘッド一体型インクカートリッジの信頼性の向上を図ることができる。
【００４９】
図４は、本発明の一実施形態に係る液滴吐出装置の一例である画像形成装置の主要な構成を示す斜視図、図５は、その画像形成装置の機構部の主要部を示す側面図である。なお、以下には、画像形成装置としてインクジェット型プリンタ（以下、単に「プリンタ」という。）を例として説明する。
【００５０】
このプリンタは、キャリッジ７２、このキャリッジ７２に搭載された記録ヘッド７３、この記録ヘッド７３にインクを供給するインクカートリッジ７４等で構成される印字機構部６１等を収納している。キャリッジ７２は、装置本体６０内部において主走査方向に移動可能に支持されている。
【００５１】
装置本体６０の下方部には、前方側から多数枚の用紙６２を積載可能な給紙カセット６３を抜き差し自在に装着することができようになっている。また、用紙６２を手差しで給紙するための手差しトレイ６４を開倒することができるように配設されている。これにより、給紙カセット６３や手差しトレイ６４から給送される用紙６２を取り込み、印字機構部６１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に排紙するようになっている。
【００５２】
印字機構部６１は、図示しない左右の側板に横架した主ガイドロッド７０と従ガイドロッド７１とでキャリッジ７２を主走査方向（図５において紙面垂直方向）に摺動自在に保持している。
【００５３】
このキャリッジ７２には、各色のインクを供給するための各インクカートリッジ７４を交換可能に装着した記録ヘッド７３が搭載されている。記録ヘッド７３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上記した液滴吐出ヘッド１が複数搭載されている。液滴吐出ヘッド１は、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、かつ、インク滴吐出方向を下方に向けて装着されている。
【００５４】
インクカートリッジ７４は、上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１に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いる。その多孔質体の毛管力により、液滴吐出ヘッド１に供給されるインクをわずかな負圧に維持している。なお、本実施形態においては、各色の記録ヘッド７３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個のヘッドを用いてもよい。
【００５５】
ここで、キャリッジ７２は、後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド７０に摺動自在に嵌装され、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド７１に摺動自在に載置している。また、主走査モータ７５により回転駆動される駆動プーリ７６と従動プーリ７７との間にタイミングベルト７８を張装している。そのタイミングベルト７８はキャリッジ７２に固定され、主走査モータ７５の正逆回転により上記キャリッジ７２が往復駆動され、主走査方向に移動走査される。
【００５６】
一方、給紙カセット６３にセットした用紙６２を記録ヘッド７３の下方側に搬送するために、給紙ローラ８０、フリクションパッド８１、ガイド部材８３、搬送ローラ８４、搬送コロ８５及び先端コロ８６が適宜配設されている。
【００５７】
給紙ローラ８０及びフリクションパッド８１は、給紙カセット６３から用紙６２を分離給装するものである。また、ガイド部材８３は、用紙６２を案内し、搬送ローラ８４は給紙された用紙６２を反転させて搬送するように配設されている。先端コロ８６は、その搬送ローラ８４の周面に押し付けられる搬送コロ８５及び搬送ローラ８４からの用紙６２の送り出し角度を規定するものである。なお、搬送ローラ８４は副走査モータ８７によってギヤ列を介して回転駆動される。
【００５８】
そして、キャリッジ７２の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ８４から送り出された用紙６２を記録ヘッド７３の下方側で案内する印写受け部材８９を搬送経路上に設けている。この印写受け部材８９の用紙搬送方向下流側には、搬送コロ９０及び拍車９１、排紙ローラ９２及び拍車９５、排紙経路を形成するガイド部材９６，９７が配設されている。搬送コロ９０と拍車９１は、用紙６２を排紙方向へ送り出すために、また、排紙ローラ９２と拍車９５は用紙６２を排紙トレイに送り出すように、それぞれ回転駆動されるようになっている。
【００５９】
記録時には、キャリッジ７２を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド７３を駆動することにより、停止している用紙６２にインクを吐出して１行分を記録し、用紙６２を所定量搬送後次の行の記録を行う。そして、記録終了信号又は用紙６２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６２を排紙する。
【００６０】
また、キャリッジ７２の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、記録ヘッド７３の吐出不良を回復するための回復装置１００を配置している。回復装置１００はキャッピング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７２は、印字待機中にはこの回復装置１００側に移動されてキャッピング手段で記録ヘッド７３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、記録途中等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。
【００６１】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で記録ヘッド７３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す。そして、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。以上詳述した本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１を適用することにより、接合剥れの少ない安価な液滴吐出装置を実現できる。
【００６２】
なお、上述した実施形態においては、液滴吐出装置としてプリンタを例として説明したが、インクジェットコピー、インクジェットファックス、あるいはそれらの複合型記録装置にも適用できる。また、プリンタ以外にも、インクジェット技術を用いたカラーフィルタ製造装置、金属配線製造装置、捺染装置、ＤＮＡチップ製造装置等の工業用製造装置にも適用できる。
【００６３】
次に、液滴吐出ヘッド１の吐出特性と環境の影響に関して説明する。薄膜圧電体では、従来エージング等のヘッド時や成膜時に特性を安定化させるプロセスを通じて特性の安定化を図っている。しかしながら、より高い生産性を求めて周波数を上げようとしたときに上述のエージング処理だけでは特性の安定化を担保できないことが分かった。また、薄膜固有の課題として特性劣化があり、その是正策として回復波形や回復処理のようなものも提案されているが、本課題はそれとは異なっていることが分かった。
【００６４】
本課題は、液滴吐出ヘッド１を放置している際に外部環境の温度変化によって特性が変化してしまうことにある。この問題を回避するためには、例えば、全ての部材を同一材で作成したり、接着剤レスの構成にしたり、膨大なエージング（構造的な面での枯らし処理で温度と時間を多量にかけるようなもの）時間が必要であったりというものが挙げられる。しかし、いずれもヘッドの特性を制限したり、コスト面で折り合わなかったりと現実的な対応方法ではない。その中で本方法は特性変化を安定化させるために、低コストで簡便な手法を提示するものである。
【００６５】
ところで、上記した液滴吐出ヘッド１には、図１に示すように、本装置の制御中枢となるコントローラ（コンピュータ）Ｃが接続されている。コントローラＣは、所要の制御プログラムを記憶される図示しないメモリが接続されており、その制御プログラムの実行により次の機能を発揮する。
【００６６】
（１）主電源投入後から最初の印刷開始までの間に、上記薄膜圧電体４０に、この薄膜圧電体４０の特性を安定させるための特性安定化電圧を印加する機能。この機能を「電圧印加手段Ｃａ」という。本実施形態における特性安定化電圧は、薄膜圧電体４０の駆動時に印加する以上の電圧値である。このような特性安定化電圧を、主電源投入後における制御プログラムのインストール時に電圧を印加している。「所定の特性安定化電圧」は、直流又は後述する不吐出波形のものであるが、その詳細については後述する。
【００６７】
（２）予め規定した時間が経過したか否かを判定する機能。この機能を「経過時間判定手段Ｃｂ」という。
【００６８】
次に、図６，７を参照して、主電源を投入した直後の動作内容について説明する。図６は、主電源を投入した後、最初の印刷開始までの動作内容を示すフローチャート、図７は、主電源を投入した後、実証実験として実施した動作内容を示すフローチャートである。
【００６９】
図６において、主電源が投入されるとステップ１に進む。
ステップ１（図６中、「Ｓ１ａ」と略記する。以下、同様。）：薄膜圧電体４０に所定の波形からなる特性安定化電圧を印加し、ステップ２に進む。
ステップ２：コントローラＣに信号が受信されたか否かを判定し、信号が受信されたと判定されればステップ３に進み、受信されなければステップ４に進む。
【００７０】
ステップ３：薄膜圧電体４０に印加されていた特性安定化電圧の印加を停止する。
ステップ４：予め規定した時間が経過したか否かを判定し、当該時間が経過していないと判定されればステップ１に戻り、当該時間が経過してなければステップ３に進んで、薄膜圧電体４０に印加されていた特性安定化電圧の印加を停止する。
【００７１】
上述したように、納品先にて主電源が投入されると、液滴吐出ヘッド１に中間電位以上の上記した特性安定化電圧が印加される。このときの印加電圧の波形は、例えば直流であっても不吐出波形であってもよく、実際の吐出時の中間電位よりも高い電圧であればよい。
【００７２】
上記特性安定化電圧が印加された状態を継続しながら、ＰＣなどへの制御プログラムのインストールを行い、プリンタの識別信号が送られた際にそれに同期して特性安定化電圧の印加を停止する。また、プリンタの同期が行われないときは、一定時間（例えば、１ｍｉｎ程度）で特性安定化電圧の印加が停止される。その特性安定化電圧の印加により、主電源を投入するまでに液滴吐出ヘッド１が受けていた外部の熱履歴から受ける影響がリセットされ、その後直に安定した使用を行うことができる。
【００７３】
上記特性安定化電圧の印加に関して、直流や不吐出波形が好適であることを評価検証した実験的なフローフローチャートを上記した図７に示している。液滴吐出ヘッド１の基本的な吐出特性を、次の手順に従って評価する（出荷前検査に該当）。
ステップ１（図７中、「Ｓ１ｂ」と略記する。以下、同様。）：次に、液滴吐出ヘッド１をヒートサイクルにかける（プリンタとして輸送、倉庫内放置に該当）。今回のヒートサイクルは、０℃から６０℃の範囲でのサイクルを１０サイクルかける処理を実施した。
ステップ２：主電源投入時に印加する波形の特性安定化電圧を印加する。
ステップ３：インク滴の連続吐出を行い、吐出速度の推移を測定する。この吐出速度の推移により、変化が少ないものが印加波形として好適といえる。
【実施例】
【００７４】
以下に、本発明の実施例について詳細に説明する。
（実施例１）
図８は、中間電位以上の直流電圧を１ｍｉｎ間印加して吐出速度の推移を測定した結果を示すグラフであり、縦軸が印加電圧、横軸が時間である。なお、液滴吐出ヘッド１の中間電位が１９Ｖであり、投入時に印加した直流の特性安定化電圧は２０Ｖである。波形としてＤＣを用いることで消費電力の低減を図ることができる。
【００７５】
（実施例２）
図９は、中間電位以上の交流電圧を１ｍｉｎ間印加して吐出速度の推移を測定した結果を示すグラフである。なお、縦軸が印加電圧、横軸が時間である。中間電位以上（上記と同じ２０Ｖ）にて乾燥防止用の微駆動波形の特性安定化電圧を１ｍｉｎ印加して吐出速度の推移を測定した。微駆動波形とは、立上り、立下り時間は１ｕｓ、パルス幅は３ｕｓであり、２０Ｖから１５Ｖまでの台形波を繰り返し周期１ｋＨｚで印加している。なお、不吐出波形として、図示の波形に限定されるものではなく、不吐出波形の一例としてこの波形を印加している。不吐出波形の印加により短時間での安定性確保が可能となる。
【００７６】
（比較例１）
図１０は、中間電位未満である１５Ｖの直流電圧を１ｍｉｎ間印加して推移を測定した結果を示すグラフである。なお、縦軸が印加電圧、横軸が時間である。
【００７７】
（比較例２）
図１１は、中間電位以上の２０Ｖの中間電位にて吐出波形の特性安定化電圧を１ｍｉｎ間印加して推移を測定した結果を示すグラフである。吐出波形とは立上り、立下り時間が１ｕｓ、パルス幅が１．５ｕｓで２０Ｖから２Ｖまでの台形波のものであり、これを周期１ｋＨｚで繰り返し印加している。なお、吐出波形としては、図示の波形に限定されるものではなく、吐出波形の一例としてこの波形を印加している。
【００７８】
それぞれの推移をまとめたのが図１２である。図１２は、インク滴の吐出速度と吐出時間の関係を示すグラフである。なお、図１２において縦軸はインク滴の吐出速度、横軸が吐出時間である。図１２に示すように、実施例１，２と比較例２では推移が２％未満であり、安定はしているが、比較例１は吐出開始時の変化が大きいことが分かる。このことから、吐出の安定性として比較例１は不適であることが分かった。また、比較例２に関しても、吐出安定性は確保できたが、安定化をさせている間にインク滴を吐出してしまっており、非常にコストが高いことが分かり、製品としては不適であることが分かった。
【００７９】
上述の理由により、実施例１，２に示す波形又はこれ波形に類似する波形の特性安定化電圧を印加することが好適であることが分かった。また、その印加時間に関しては、長いほど安定化に寄与するが、着荷時の初期設定時間等の使用に際しての制約を勘案し、本試験では１ｍｉｎを提示している。なお、この時間自体は一例であり、１ｍｉｎに限定されるものではないことは勿論である。
【００８０】
（実施例３）
また、繰り返しの効果に関して、図１３に示すフローチャートに示す手順に従った実験を行った。図１３は、繰り返しの効果の確認実験の手順を示すフローチャート 、図１４は、５ｍｉｎ間での推移における最初と最後での吐出速度差を示す表である。
【００８１】
ステップ１（図１３中、「Ｓ１ｃ」と略記する。以下、同様。）に示すように、所定の波形からなる電圧の印加を１ｍｉｎ間行う。
ステップ２：連続吐出評価を５ｍｉｎ間行うことにより、その推移を測定する。
ステップ３：キャッピングをしながら、ヒートサイクルを１サイクル実施した。
上記ステップ１〜３に示す実験を数回繰り返した。また、５ｍｉｎでの推移の最初と最後での吐出速度差に基づいて図１４に示す表を作成した。なお、図１４に示す表は、繰り返し３回分のデータを示している。
【００８２】
図１４に示すように、繰り返しでも上述の結果と同等の結果を得られた。これにより、例えばグリーティングカード印刷（日本では年賀状等）に代表されるような季節的な使用に際しても、上記の波形印加処理を行うことにより、液滴吐出ヘッドを安定して使用することが可能となる。換言すると、印刷するまで電源入れずに置いてあって、久しぶりに起動するような場合である。
【００８３】
上述した液滴吐出装置によれば、次の効果を得ることができる。着荷時に、電源投入と共に薄膜圧電体に電圧が印加され、その保持をし続けることにより、薄膜圧電体を着荷時のランダムな状態から安定した状態に変化させることができる。また、この電圧印加を、着荷して電圧投入して初期設定をしている間に行うため、使用者は遅滞なく安定した液滴吐出ヘッドを使用することができる。
【００８４】
また、液滴吐出装置の制御手段が、液滴吐出装置に接続され、液滴吐出装置を制御する装置（ＰＣなど）との間で、所定の信号の送受信を行っている間、例えば、主電源投入後における制御プログラムのインストール時に電圧を印加することにより、次の効果を得ることができる。すなわち、着荷（納品）時には、それ以前の温度履歴が影響し、特に吐出状態が不安定になりやすい。このため、着荷時にコンピュータの調整をしている間に電圧を印加して液滴吐出ヘッドの安定性を確保することにより、使用者を待たせることなく安定した印字を開始することができる。
【００８５】
また、液滴吐出装置の制御手段が、液滴吐出装置の印刷前に行う所定の設定処理の実行中に、電圧を印加することにより、次の効果を得ることができる。すなわち、着荷時以外での主電源投入も、それ以前は放置されており、放置期間中の影響を受ける可能性があるため、その影響をなくすことができる。また、印加自体を印刷設定中に行うことで使用者を待たせることなく印字を開始することができる。
【００８６】
次に、図１５，１６を参照して他例に係る液滴吐出ヘッドについて説明する。図１５は、他例に係る液滴吐出ヘッドの概略正面図、図１６は、その他例に係る液滴吐出ヘッドの側面図である。なお、図１５，１６において、図１，２において説明したものと同等のものについては、それらと同一の符号を付して説明を省略する。
【００８７】
図１５，１６に示す他例に係る液滴吐出ヘッド１Ａは、圧力室基板１０の上部に、振動板２０、下部電極３０、薄膜圧電体４０及び上部電極５０を順次積層させるとともに、その圧力室基板１０の下部にノズル板５５をそれぞれ接合した構成のものである。すなわち、図１，２に示す一例に係る液滴吐出ヘッド１が、下部電極３０を共通電極とし、また、上部電極５０を個別電極にしているのに対して、他例に係る液滴吐出ヘッド１Ａは、下部電極３０を個別電極、上部電極５０を共通電極としている点において相違している。このような構成であっても上記した効果を得ることができる。
【符号の説明】
【００８８】
１        液滴吐出ヘッド
１Ａ      液滴吐出ヘッド
１０      圧力室基板
２０      振動板
３０      下部電極
４０      薄膜圧電体
５０      上部電極
５０      インクタンク
５５      ノズル板
５５ａ    ノズル孔
５６      インクタンク
６０      装置本体
６１      印字機構部
６２      用紙
６３      給紙カセット
６４      手差しトレイ
７０      主ガイドロッド
７１      従ガイドロッド
７２      キャリッジ
７３      記録ヘッド
７４      インクカートリッジ
７５      主走査モータ
７６      駆動プーリ
７７      従動プーリ
７８      タイミングベルト
８０      給紙ローラ
８１      フリクションパッド
８３      ガイド部材
８４      搬送ローラ
８５      搬送コロ
８６      先端コロ
８７      副走査モータ
８９      印写受け部材
９０      搬送コロ
９１      拍車
９２      排紙ローラ
９５      拍車
９６      ガイド部材
９７      ガイド部材
１００    回復装置
Ａ        加圧液室
Ｃ        コントローラ
Ｃａ      電圧印加手段
Ｃｂ      経過時間判定手段
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８９】
【特許文献１】特開２０１３‐０２２９３１号公報
【特許文献２】特開平７‐２５９２０９号公報
【図１】
2016215446.tif 000003
【図２】
2016215446.tif 000004
【図３】
2016215446.tif 000005
【図４】
2016215446.tif 000006
【図５】
2016215446.tif 000007
【図７】
2016215446.tif 000008
【図８】
2016215446.tif 000009
【図９】
2016215446.tif 000010
【図１０】
2016215446.tif 000011
【図１１】
2016215446.tif 000012
【図１４】
2016215446.tif 000013
【図６】
2016215446.tif 000014
【図１２】
2016215446.tif 000015
【図１３】
2016215446.tif 000016
【図１５】
2016215446.tif 000017
【図１６】
2016215446.tif 000018