JP2013184309A - 電気機械変換素子の駆動方法、液滴吐出ヘッド、インクジェット記録装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変位量の低下を抑制可能な電気機械変換素子の駆動方法を提供すること。
【解決手段】本電気機械変換素子の駆動方法は、電気機械変換膜を有する電気機械変換素子の駆動方法であって、前記電気機械変換素子の駆動時に、前記電気機械変換素子に対して前記電気機械変換膜の抗電界を越える第１の電界強度を示す駆動波形を印加し、前記電気機械変換素子の非駆動時に、前記駆動波形に対して逆極性であって、かつ、前記抗電界未満の第２の電界強度を示す逆極性波形を印加する。
【選択図】図６

Description

本発明は、電気機械変換素子の駆動方法、前記電気機械変換素子の駆動方法により電気機械変換素子を駆動する駆動手段を搭載した液滴吐出ヘッド、前記液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置に関する。

インクジェット記録装置には、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。

インクジェット記録装置において使用す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で構成されている。

上記のような圧力発生手段としては、圧電素子等の電気機械変換素子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のもの、吐出内に配設した発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いてインクの膜沸騰でバブルを発生させてインク滴を吐出させるサーマル型（バブル型）のもの等がある。

更にピエゾ型のものにはｄ３３方向の変形を利用した縦振動（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）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等があるが、最近では半導体プロセスやＭＥＭＳの進歩により、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。

このような電気機械変換素子の１つである圧電素子は、圧電体に応力が印加されると電荷が発生し、電界を印加すると圧電体が伸張する性質を有している。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）等がある。

しかしながら、このような電気機械変換素子を繰り返し使用すると、印加した電界方向に圧電体が伸張し、印加電圧に対する変位量が低下する傾向がある。又、圧電体の結晶は分極方向が揃ったドメインの集まりによって構成されているが、酸素欠損の存在により生じる分極ドメインのピンニングにより分極軸が固定されて変位量が低下する傾向がある。

このような電気機械変換素子が搭載されたインクジェット記録装置では、電気機械変換素子及び振動板の変位量が駆動時間の経過に伴って変動してしまい、吐出滴体積、吐出滴速度等の吐出滴特性が安定しないという問題がある。このような問題はインクを吐出するインクジェット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滴吐出装置においても同様に存在する。

このように長時間使用して変位特性（吐出滴特性）が低下してしまう現象に対し、回復させる方法が提案されている。例えば、電気機械変換素子に対し、駆動電圧方向とは逆方向に電界を抗電界以上に印加する方法である。すなわち、駆動電圧を長時間印加した際に電気機械変換素子（電気機械変換膜）に形成された内部電界を、抗電界以上の逆極性の電界を印加することで、内部電界を破壊し変位特性を回復させている（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、駆動電圧とは逆極性の電圧を抗電界以上印加することで、電気機械変換素子の分極が反転して電気機械変換素子にかかる負担が大きくなり、変位特性が低下するという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、変位量の低下を抑制可能な電気機械変換素子の駆動方法を提供することを課題とする。

本電気機械変換素子の駆動方法は、電気機械変換膜を有する電気機械変換素子の駆動方法であって、前記電気機械変換素子の駆動時に、前記電気機械変換素子に対して前記電気機械変換膜の抗電界を越える第１の電界強度を示す駆動波形を印加し、前記電気機械変換素子の非駆動時に、前記駆動波形に対して逆極性であって、かつ、前記抗電界未満の第２の電界強度を示す逆極性波形を印加することを要件とする。

開示の技術によれば、変位量の低下を抑制可能な電気機械変換素子の駆動方法を提供できる。

第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図（その１）である。 第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図（その２）である。 インクジェット記録装置を例示する斜視図である。 インクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。 電気機械変換素子の代表的なＰ−Ｅヒステリシスループを例示する図である。 変位量の変動評価において電気機械変換素子に印加する電圧波形を例示する図である。 変位量の変動の評価結果を示す図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図（その１）である。図１を参照するに、液滴吐出ヘッド１は、大略すると、ノズル板１０と、基板２０と、振動板３０と、電気機械変換素子４０とを有する。ノズル板１０には、インク滴を吐出するノズル１１が形成されている。ノズル板１０、基板２０、及び振動板３０により、ノズル１１に連通する圧力室２１（インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある）が形成されている。振動板３０は、圧力室２１の壁面の一部を形成している。

電気機械変換素子４０は、大略すると、第１の電極４１と、電気機械変換膜４２と、第２の電極４３とを有する。電気機械変換素子４０は、電気信号を機械的変位に変換し、或いは機械的変位を電気信号に変換する素子である。電気機械変換素子４０は、基板２０の一方の面に成膜された振動板３０の、圧力室２１と平面視において重複する位置に搭載されている。

液滴吐出ヘッド１は、電気機械変換素子４０が駆動されることにより、ノズル１１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１は、第１の電極４１及び第２の電極４３に給電することで電気機械変換膜４２に応力を発生させて振動板３０を振動させ、振動板３０の振動に伴ってノズル１１から圧力室２１内のインクを液滴状に吐出する機能を有する。なお、圧力室２１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。

図２は、第１の実施の形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する断面図（その２）である。図２に示すように、液滴吐出ヘッド１を複数個並設し、液滴吐出ヘッド２を構成してもよい。

以下、液滴吐出ヘッド１及び２の各構成要素について詳説する。基板２０としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、１００〜６００μｍ程度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）が広く使用されており、本実施の形態においては、（１００）の面方位を持つ単結晶基板を主に使用する。

圧力室２１を作製する場合、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。

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、配列密度を高くできる。

本実施の形態において、（１１０）の面方位を持つ単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるシリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）もエッチングされてしまう点に留意が必要である。

振動板３０は電気機械変換膜４２によって発生した力を受けて変形変位し圧力室２１のインク滴を吐出させるため、所定の強度を有することが好ましい。振動板３０としては、例えば、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等をＣＶＤ法により作製したもの等を用いることができる。振動板３０の材料としては、第１の電極４１、電気機械変換膜４２の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。

後述のように、電気機械変換膜４２の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を使用する場合がある。そのため、振動板３０として、ＰＺＴの線膨張係数８×１０^−６（１／Ｋ）に近い５×１０^−６〜１０×１０^−６程度の線膨張係数を有する材料を用いることが好ましく、７×１０^−６〜９×１０^−６程度の線膨張係数を有する材料を用いることがより好ましい。

ＰＺＴの線膨張係数に近い振動板３０の材料としては、例えば、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できる。これらの材料を用いた振動板３０は、スパッタ法やＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製できる。

振動板３０の膜厚としては０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍがより好ましい。振動板３０の膜厚がこの範囲より小さいと圧力室２１の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板３０自身が変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になるためである。

第１の電極４１及び第２の電極４３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。又、白金を使用する場合には下地（特にＳｉＯ_２）との密着性が悪いために、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、Ｔａ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_３Ｎ_５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法等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍがより好ましい。

又、電気機械変換膜４２の変位量の経時的な疲労特性に対する懸念から、第１の電極４１と電気機械変換膜４２及び電気機械変換膜４２と第２の電極４３との間にＳｒＲｕＯ_３膜、ＬａＮｉＯ_３膜等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。

電気機械変換膜４２の材料としては、例えば、ＰＺＴを用いることができる。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体である。例えば、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ_０．５３、Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３、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。

電気機械変換膜４２の他の材料系としては、一般式ＡＢＯ_３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（Ｐｂ_１−ｘ、Ｂａ_ｘ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ）（Ｚｒ_ｘ、Ｔｉ_ｙ、Ｎｂ_{１−ｘ−ｙ}）Ｏ_３、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で置換した場合である。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、鉄酸ビスマス等が挙げられる。

電気機械変換膜４２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。

電気機械変換膜４２の膜厚としては０．５〜５μｍが好ましく、１〜２μｍ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。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、液滴吐出ヘッド２（図２参照）を搭載したインクジェット記録装置の例を示す。図３は、インクジェット記録装置を例示する斜視図である。図４は、インクジェット記録装置の機構部を例示する側面図である。

図３及び図４を参照するに、インクジェット記録装置３は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジ９３に搭載した液滴吐出ヘッド２の一実施形態であるインクジェット記録ヘッド９４、インクジェット記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納する。

記録装置本体８１の下方部には、多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット８４（或いは給紙トレイでもよい）を抜き差し自在に装着することができる。又、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができる。給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。

印字機構部８２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９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持する。キャリッジ９３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インクジェット記録ヘッド９４を、複数のインク吐出口（ノズル）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。又、キャリッジ９３は、インクジェット記録ヘッド９４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９５を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９５は、上方に大気と連通する図示しない大気口、下方にはインクジェット記録ヘッド９４へインクを供給する図示しない供給口を、内部にはインクが充填された図示しない多孔質体を有している。多孔質体の毛管力によりインクジェット記録ヘッド９４へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。又、インクジェット記録ヘッド９４としてここでは各色のヘッドを用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個のヘッドを用いてもよい。

キャリッジ９３は、用紙搬送方向下流側を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、用紙搬送方向上流側を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００を張装し、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。タイミングベルト１００は、キャリッジ９３に固定されている。

又、インクジェット記録装置３は、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１、フリクションパッド１０２、用紙８３を案内するガイド部材１０３、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５、搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６、を設けている。これにより、給紙カセット８４にセットした用紙８３を、インクジェット記録ヘッド９４の下方側に搬送される。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。

用紙ガイド部材である印写受け部材１０９は、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３をインクジェット記録ヘッド９４の下方側で案内する。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２を設けている。更に、用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５、１１６とを配設している。

画像記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じてインクジェット記録ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号又は用紙８３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８３を排紙する。

キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、インクジェット記録ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を有する。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有する。キャリッジ９３は、印字待機中に回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でインクジェット記録ヘッド９４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。又、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。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でインクジェット記録ヘッド９４の吐出口を密封し、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。又、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。更に、吸引されたインクは、本体下部に設置された図示しない廃インク溜に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。以下、実施例を説明する。

［実施例1］
まず、シリコン基板２０（シリコンウエハ）に振動板３０として熱酸化膜（膜厚１μm）を形成し、密着層としてチタン膜（膜厚５０ｎｍ）、第１の電極４１として白金膜（膜厚２５０ｎｍ）及びＳｒＲｕＯ_３膜（膜厚５０ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。チタン膜については、熱酸化膜と白金膜の間の密着層としての役割を持つ。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、電気機械変換膜４２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は、出発材料に酢酸鉛三水和物、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、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、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、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。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℃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（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。

次に、第２の電極４３としてＳｒＲｕＯ_３膜（膜厚４０ｎｍ）、白金膜（膜厚１２５ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板温度は３００℃とした。ＳｒＲｕＯ_３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法でレジストパターンを形成した後、ＩＣＰエッチング装置を用いてパターンを作製した。

次に、後の圧力室２１を形成するために、シリコン基板２０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。研磨法以外にエッチング等を用いてもよい。次に、リソグラフィー法により、圧力室２１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行って圧力室２１を形成し、電気機械変換素子４０を有する液滴吐出ヘッド１（図１参照）を作製した。作製した電気機械変換素子４０の代表的なＰ−Ｅヒステリシスループを図５に示す。電気機械変換素子４０における電気機械変換膜４２の抗電界は２０ｋＶ／ｃｍ程度である。

次に、作製した液滴吐出ヘッド１の電気機械変換素子４０について、変位量の変動評価を行った。電気機械変換素子４０の変位量の変動評価は、電気機械変換素子４０の駆動時に、電気機械変換素子４０に対して電気機械変換膜４２の抗電界を越える電界強度を示す駆動波形を印加し、電気機械変換素子４０の非駆動時に、駆動波形に対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度を示す逆極性波形を印加することにより行った。

図６は、変位量の変動評価において電気機械変換素子に印加する電圧波形（駆動波形及び逆極性波形）を例示する図である。図６に示す電圧波形では、最大値がＶ１［Ｖ］の駆動波形Ｆに対し、駆動波形Ｆの電圧とは逆極性の電圧−Ｖ２［Ｖ］の逆極性波形Ｒが印加されている。但し、Ｖ１［Ｖ］は電気機械変換膜４２の抗電界を越える電界強度を示す電圧に設定し、−Ｖ２［Ｖ］は電気機械変換膜４２の抗電界未満の電界強度を示す電圧に設定する。

実施例１では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度Ｅ２＝−１５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加するという駆動波形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。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下がり時間Ｔｆ＝１μｓ、パルス幅Ｔｗ＝４μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝１μｓのパルス波形である。

［実施例２］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。実施例２では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度Ｅ２＝−５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加するという駆動波形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。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下がり時間Ｔｆ＝１μｓ、パルス幅Ｔｗ＝４μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝１μｓのパルス波形である。

［実施例３］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。実施例３では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝９００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度Ｅ２＝−１５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性波形ＲをＴ２＝１００ｍｓ印加するという駆動波形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。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下がり時間Ｔｆ＝１μｓ、パルス幅Ｔｗ＝４μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝１μｓのパルス波形である。

［実施例４］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。実施例４では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度Ｅ２＝−１５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加するという駆動波形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。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下がり時間Ｔｆ＝２μｓ、パルス幅Ｔｗ＝４μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝２μｓのパルス波形である。

［実施例５］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。実施例５では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度Ｅ２＝−１５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性波形ＲをＴ２＝５００ｍｓ印加するという駆動波形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。このときの逆極性波形Ｒのパルス形状は、立ち下がり時間Ｔｆ＝１μｓ、パルス幅Ｔｗ＝２μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝１μｓのパルス波形である。

［比較例１］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。比較例１では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形Ｆを連続的に印加し、逆極性波形Ｒは印加しなかった。

［比較例２］
実施例１で作製した電気機械変換素子４０を用いて変位量の変動評価を行った。比較例２では、抗電界を超える電界強度Ｅ１＝１５０ｋＶ／ｃｍを示す駆動波形ＦをＴ１＝５００ｍｓ印加した後、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、かつ、抗電界未満の電界強度−５ｋＶ／ｃｍを示す逆極性ＤＣバイアスをＴ２＝５００ｍｓ印加するという駆動波形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。

［検討］
実施例１〜５、比較例１及び２の結果について検討する。実施例１〜５、比較例１及び２において、変位量はレーザードップラ振動計を用いて計測した。電気機械変換素子４０の最初の変位量の絶対値を１００％としたときの１０^１０回繰り返し駆動波形Ｆのパルスを印加した後の変位量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。図７に１０^１０回駆動での変位量の変動の評価結果を、表１に１０^１０回繰り返した後の変位量の変化率をまとめた。ここで正符号は１００％より大きい状態、負符号は１００％より小さい状態である。

図７及び表１を参照するに、実施例１〜５については全て変位量の変動幅が３％内程度に収まっており、逆極性波形Ｒにより変位量の変動（低下）が抑制されていることが分かる。駆動波形Ｆの印加に伴い、膜厚方向で偏在してトラップされた電気機械変換膜４２中の電荷を逆極性波形Ｒが取り除いているためである。又、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４２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、電気機械変換素子４０にかかる負担が小さく、安定した変位量を得られると共に、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できる。

実施例２においては、逆極性波形Ｒの電界強度Ｅ２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Ｅ２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％未満であることがより好ましい。

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の印加時間が短くても、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できているためである。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。又、変位量の変動は駆動波形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。

実施例４及び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時間Ｔｆ及び立ち上がり時間Ｔｒ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。パルス波形のパルス幅Ｔｗ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、電気機械変換素子４０の充放電特性との兼ね合いで、パルス幅は１μｓ以上であることが好ましい。パルス波形の立ち下がり時間Ｔｆ、立ち上がり時間Ｔｒ、パルス幅Ｔｗは逆極性波形Ｒの印加時間Ｔ２との兼ね合いがあるが、立ち下がり時間Ｔｆ及び立ち上がり時間Ｔｒは各々１μｓ以上４μｓ以下、パルス幅Ｔｗも１μｓ以上４μｓ以下であることがより好ましい。

又、実施例１〜５の何れにおいても、逆極性波形Ｒのパルスを１０００回以上（１０００パルス以上）印加している。逆極性波形Ｒのパルスを１０００回以上（１０００パルス以上）印加することにより、十分な効果の発現が達成できる。

比較例１及び２では変位量の変動幅（低下幅）が大きくなっている。比較例１においては逆極性波形Ｒ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できていない。そのため、経時に電荷の偏在が進行しているからである。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、変位量は大きく変動している。つまり、ＤＣバイアスを印加しても効果は得られない。

このように、駆動波形Ｆとは逆極性の逆極性波形Ｒを電気機械変換素子４０の非駆動時に印加することにより、駆動波形Ｆの印加によって電気機械変換膜４２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できる。又、逆極性波形Ｒにより発生する電界強度を抗電界未満とすることにより、抗電界以上の電界強度が発生したときに生じる分極軸の反転を防ぎ、電気機械変換素子４０にかかる負担を低下させることで、電気機械変換性能の低下を抑制できる。つまり、電気機械変換素子４０の変位量の低下を抑制できる。

従って、上記駆動方法を実現する駆動手段（電気回路や半導体素子等）を第１の実施の形態で示した液滴吐出ヘッド１及び液滴吐出ヘッド２、又は第２の実施の形態で示したインクジェット記録装置３に搭載し、搭載した駆動手段で電気機械変換素子４０を駆動することにより、電気機械変換素子４０の変位量の低下を抑制できる。これにより、液滴吐出ヘッド１及び２では振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく安定したインク滴吐出特性が得られる。その結果、インクジェット記録装置３では画像品質を向上できる。

以上、好ましい実施の形態及び実施例について詳説したが、上述した実施の形態及び実施例に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態及び実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

１、２ 液滴吐出ヘッド
３ インクジェット記録装置
１０ ノズル板
１１ ノズル
２０ 基板
２１ 圧力室
３０ 振動板
４０ 電気機械変換素子
４１ 第１の電極
４２ 電気機械変換膜
４３ 第２の電極
８１ 記録装置本体
８２ 印字機構部
８３ 用紙
８４ 給紙カセット（或いは給紙トレイ）
８５ 手差しトレイ
８６ 排紙トレイ
９１ 主ガイドロッド
９２ 従ガイドロッド
９３ キャリッジ
９４ インクジェット記録ヘッド
９５ インクカートリッジ
９７ 主走査モータ
９８ 駆動プーリ
９９ 従動プーリ
１００ タイミングベルト
１０１ 給紙ローラ
１０２ フリクションパッド
１０３ ガイド部材
１０４ 搬送ローラ
１０５ 搬送コロ
１０６ 先端コロ
１０７ 副走査モータ
１０９ 印写受け部材
１１１ 搬送コロ
１１２ 拍車
１１３ 排紙ローラ
１１４ 拍車
１１５、１１６ ガイド部材
１１７ 回復装置

特開平６−３４２９４６号公報 特開２００３−８０６９８号公報

Claims (10)

1. 電気機械変換膜を有する電気機械変換素子の駆動方法であって、
   前記電気機械変換素子の駆動時に、前記電気機械変換素子に対して前記電気機械変換膜の抗電界を越える第１の電界強度を示す駆動波形を印加し、
   前記電気機械変換素子の非駆動時に、前記駆動波形に対して逆極性であって、かつ、前記抗電界未満の第２の電界強度を示す逆極性波形を印加することを特徴とする電気機械変換素子の駆動方法。
2. 前記逆極性波形がパルス波形であることを特徴とする請求項１記載の電気機械変換素子の駆動方法。
3. 前記第２の電界強度は、前記抗電界の２０％以上であることを特徴とする請求項２記載の電気機械変換素子の駆動方法。
4. 前記パルス波形の立ち下がり時間及び立ち上がり時間が各々１μｓ以上であることを特徴とする請求項２又は３記載の電気機械変換素子の駆動方法。
5. 前記パルス波形のパルス幅が１μｓ以上であることを特徴とする請求項２乃至４の何れか一項記載の電気機械変換素子の駆動方法。
6. 前記パルス波形の印加回数が１０００回以上であることを特徴とする請求項２乃至５の何れか一項記載の電気機械変換素子の駆動方法。
7. 前記逆極性波形の印加時間が５０ｍｓ以上であることを特徴とする請求項１乃至６の何れか一項記載の電気機械変換素子の駆動方法。
8. 前記逆極性波形の印加時間が前記駆動波形の印加時間の０．１倍以上であることを特徴とする請求項１乃至７の何れか一項記載の電気機械変換素子の駆動方法。
9. 電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドであって、
   請求項１乃至８の何れか一項記載の電気機械変換素子の駆動方法により前記電気機械変換素子を駆動する駆動手段を搭載したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 請求項９記載の液滴吐出ヘッドを搭載したことを特徴とするインクジェット記録装置。

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