JP2017159673A

JP2017159673A - 液滴吐出ヘッド、および、画像形成装置

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Publication number: JP2017159673A
Application number: JP2017122125A
Authority: JP
Inventors: 孝和木平; Takakazu Kihira; 佐野　武; Takeshi Sano; 武佐野
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2017-06-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2017-09-14
Anticipated expiration: 2033-07-03
Also published as: JP6278145B2

Abstract

【課題】増粘したインク等の液体の粘度を容易に下げることを可能とし、吸引によるメンテナンスの頻度や液体の消耗量を低減することが可能な液滴吐出ヘッド、および、画像形成装置を提供する。【解決手段】液滴吐出ヘッドを、ノズル２を有するノズル板１、圧力室３、アクチュエータ基板４、圧電素子６、振動板５、共通液室８、フレーム板７、供給口９、駆動用ＩＣ１０、流体抵抗１２、サブフレーム板１３、各種配線等を備えて構成する。駆動用ＩＣ１０は、ノズル２からの液滴吐出の開始前に、圧電素子６に、液滴の吐出時の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、圧力室３内を加熱する。【選択図】図１

Description

本発明は、ノズル孔等の穴部から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド、および、この液滴吐出ヘッドを有するプリンタ、複写装置、ファクシミリ装置等の画像形成装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置において、記録液等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載し、被記録媒体に画像を形成する液体吐出装置を備えたものが知られている。なお、液滴吐出装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体（被着媒体、記録媒体、転写紙、用紙などとも称され、これらは材質にかかわらず、同義語として使用する。）に液滴を吐出する装置を意味する。また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録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被記録媒体に付与することをも意味し、記録、印写、印字、印刷も同義語で使用する。

このような液滴吐出ヘッドとして、ノズル孔と連通する圧力室（インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等とも称される。）に圧電素子等の圧電体で圧力変動を発生させることで、ノズル孔から液滴を吐出させる方式がある。この液滴吐出ヘッドでは、液滴吐出を行った後、所定の期間、液滴を吐出せず、その後、再度液滴吐出を行うといった間欠吐出動作を行っている。この液滴吐出していない間欠時のノズルでは、乾燥によりインク表面（以下、「メニスカス面」と言う）近傍を中心に、インクの増粘が生じることがある。この増粘により、液滴の十分な吐出を行えなくなり、画像品質に影響することがある。

このようなインクの増粘による影響を防止するため、薄膜圧電体の微駆動によって圧力室内でのインクの攪拌を行う方式や、増粘したインクを強制的に外部に排出する方式等が既に知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１では、薄膜圧電体の微駆動によって圧力室内を攪拌し、ノズル孔のメニスカス面近傍の増粘したインクを圧力室内へ引き込み、圧力室内のインクをノズル孔側へ押し出す動作を繰り返している。これにより、ノズル近傍と圧力室内とのインク粘度を平均化し、メニスカス面の低粘度化を行っている。さらに、所定期間ごとに、ノズル孔近傍の増粘したインクを外部に排出さて、圧力室内のインクをノズル側に移動させることで、メニスカス面のリフレッシュを行っている。

しかしながら、このような従来の攪拌によるメニスカス表面の低粘度化のみでは、圧力室全体の粘度が次第に増粘してしまい、吐出再開のため薄膜圧電体を駆動しても、吐出力が不足し、十分な吐出が行えなくなる。そのため、吸引によるメンテナンスでのメニスカス面のリフレッシュや空吐出が頻繁に必要となったり、ノズル近傍だけでなく圧力室全体のインクを排出する必要も生じたりして、インクを無駄に消耗してしまう。

一方、液滴吐出ヘッドの各圧力室に加熱手段を設け、液滴吐出ヘッド内のインクの温度を調整する提案がされている（例えば、特許文献２、３参照）。特許文献２では、ノズル孔から液滴を吐出させる際には、液滴の吐出用の駆動波形を圧電体に与えている。そして、インクの非吐出時に、ノズル孔から液滴が吐出されることのない駆動波形であって、圧力室の共振周波数の２倍以上の周波数を有する加熱用の駆動波形を圧電体に与え圧力室内のインクを加熱している。しかしながら、特許文献２では、加熱により圧力室内のインク温度を所定温度に維持することが目的であり、メニスカス面の乾燥による局部的な増粘を解消するためになされたものではない。

これに対して、特許文献３では、ノズル孔近傍の局所的な増粘を解消する目的で、非吐出時にノズルから液滴を吐出しない程度に圧電体を駆動させ、液滴吐出の直前に圧力室からノズル孔までのインクを、インクが沸騰を起こさず、かつノズル孔から吐出しない範囲で温める方法が開示されている。しかし、この場合は、圧電体の振動と加熱手段による加熱とが必要となって手数がかかるとともに、ノズルごとに加熱手段を設けているため、部品点数や配線数が多くなる等、液滴吐出ヘッドの構成も複雑となる。

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、電源ＯＮ時や長期間印字を実施していない場合等のような液滴吐出の間欠動作時に、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることを可能とすることで、印字を円滑に再開することが可能であり、吸引によるメンテナンスの頻度や液体の消耗量を低減することが可能な液滴吐出ヘッド、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本願に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備え、駆動制御手段は、ノズルからの液滴の吐出の開始前に、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、圧力室内を加熱することを特徴とする。

本発明によれば、電源ＯＮ時や長期間印字を実施していない場合等のような、液滴突出の間欠動作時に、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることが可能となる。そのため、印字を円滑に再開することが可能であり、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することが可能な液滴吐出ヘッド、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することができる。

本願の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構成例を示す断面図である。図１の液滴吐出ヘッドから、フレームを省略した平面図である。圧電体の構成例を示し、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は第１絶縁保護膜の一部と、第２絶縁保護膜を省略した状態の平面図である。実施例１における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。実施例２における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。実施例３における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。実施例４における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。実施例１〜４におけるメニスカス表面の経時による粘度の変化を示すグラフである。比較例におけるメニスカス表面の経時による粘度の変化を示すグラフである。実施例５の画像形成装置における主要機構部の構成を示す概略図である。図１０の主要機構部の要部の概略平面図である。

以下、本願に係る液滴吐出ヘッドの実施形態について説明する。本願の実施形態に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備えて構成される。駆動制御手段は、ノズルからの液滴の吐出の開始前に、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、圧力室内を加熱する。

このような加熱波形の印加により、液滴吐出の駆動時よりも、充放電電流が高くなって、薄膜圧電体の発熱が大きくなり、液滴吐出ヘッド全体が加熱される。そのため、間欠吐出時の乾燥によって液体内の水分が低下して増粘していても、液体の溶媒の温度依存性から、加熱によって液体が粘度化する。したがって、加熱波形を付与するだけで、複雑な構成や手数を必要とすることなく、メニスカス表面近傍の乾燥した部分の粘度を下げることができ、印字を円滑に再開することができる。また、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することが可能となる。

また、加熱波形が、液滴吐出時の駆動波形の波高値以上の電圧幅で印加されるパルス波形であることが望ましい。なお、駆動波形の波高値とは、中間電位から引き込み時の最低電圧までの電圧幅をいう。これにより、充放電電流量がさらに高くなり、薄膜圧電体からの発熱がさらに大きくなり、液滴吐出ヘッド全体が良好に加熱されて、液滴吐出ヘッド内の液体を短時間で低粘度化することが可能となる。

また、加熱波形として、ノズルのメニスカス表面の反共振周波数でパルス波形を印加することが望ましい。これにより、圧力室内部の液体の攪拌を伴わずに加熱することができ、圧力室全体を加熱し易くなり、液滴吐出ヘッド内の液体の低粘度化を、より容易に行うことが可能となる。

また、加熱波形は、パルス波形の立上り時間および立下り時間が、液体吐出時の駆動波形の立上り時間および立下り時間以下であることが望ましい。これにより、充放電電流量が増大して、薄膜圧電体からの発熱量が増大し、短時間での加熱が可能になる。

また、本願の実施形態に係る画像形成装置は、上述のような液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させるよう構成されている。したがって、電源ＯＮ時や長期間印字を実施していない場合等のような、液滴突出の間欠動作時にも、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることが可能となる。そのため、間欠時であっても印字を円滑に再開して、優れた画像品質を保持することが可能な画像形成装置を得ることができる。また、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することも可能となる。

以下、本願の液滴吐出ヘッドに係る各実施例および比較例について、図面を参照して説明する。図１は、本願の実施例に係る液滴吐出ヘッドの構成例を示す断面図である。図２は、図１の液滴吐出ヘッドの平面図であって、サブフレームを省略したものである。図３（ａ）は実施例で使用する圧電素子の構成例を示す断面図であり、（ｂ）は第１絶縁保護膜の一部と、第２絶縁保護膜を省略した状態の圧電素子の平面図である。

［液滴吐出ヘッドの構成］
図１に示すように、本願の実施例に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル２を有するノズル板１、ノズル２が連通する圧力室３、この圧力室３が設けられたアクチュエータ基板４、圧力室３内の液体を加圧する薄膜圧電体としての圧電素子６、圧電素子６と圧力室３との間に設けられた振動板５、共通液室８、共通液室８を構成するフレーム板７、インクタンク（図示せず）と連通し共通液室８に液体を供給する供給口９、圧電素子６の駆動を制御する駆動制御手段としての駆動用ＩＣ１０、圧力室３にインクを供給する供給路を兼ねた流体抵抗１２、圧電素子６を収納するサブフレーム板１３、各種配線（図２参照）等を備えて構成されている。

（ノズル板１、ノズル２の構成）
ノズル板１は、液滴吐出用のノズル２が配列された基板であり、樹脂、金属材料等から形成されている。ノズル２は、図１に示すように、圧力室３と連通し、圧力室３内の液体を液滴として外部に吐出する。ノズル２は、駆動用ＩＣ１０を介して、ノズル板１の短手方向（図１の左右方向）の両側に、それぞれ、長手方向（図１の前後方向）に向かって複数配置されている。すなわち、複数のノズル２からなるノズル列（図示せず）が、ノズル板１の長手方向に２列に配列されている。

また、ノズル板１は長手方向の寸法がアクチュエータ基板４の寸法よりも長尺に形成されている。これにより、ノズル板１の長手方向の両端部には、図２に示すように、アクチュエータ基板４の端部から突出する延設部１ａ（一方のみ図示、他方は図示せず）が形成されている。

この延設部１ａ上には、図２に示すように、配線接続用のＦＰＣ（フレキシブル配線基板）１４の配線端部１４ａが配設されている。この配線端部１４ａの表面には、複数の配線端子１４ｂが並設されている。また、配線端部１４ａの裏面には裏打ち板（図示せず）が固着され、ＦＰＣ１４の配線端部１４ａが延設部１ａ上に取り付けられている。

（アクチュエータ基板４の構成）
アクチュエータ基板４は、ガラスや薄い金属板の積層体、シリコン基板等で形成されている。このアクチュエータ基板４の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００μｍ〜６００μｍ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。実施例では、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１に示すような圧力室３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。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、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。したがって、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）では深い溝を設け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。そのため、実施例では、(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。ただし、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ことがあるため、この点に留意して利用している。

（圧力室３の構成）
圧力室３は、アクチュエータ基板４上に、複数形成されている。各圧力室３は、図２に示すように、アクチュエータ基板４の短手方向（図２の左右方向）に長尺な細長い形状で形成されている。また、この圧力室３は、駆動用ＩＣ１０を介して、アクチュエータ基板４の短手方向（図２の左右方向）の両側であって、長手方向（図２の上下方向）に向かって、等ピッチで複数配置され、２列の圧力室３の列を形成している。

また、図１に示すように、アクチュエータ基板４の短手方向の両側には、圧力室３と連通し、この圧力室３内に液体を供給する個別流路３ａが、それぞれ形成されている。この個別流路３ａは、図２に示すように、アクチュエータ基板４の短手方向の両側に、長手方向に向かって複数配置され、２列の個別流路３ａの列を形成している。

また、アクチュエータ基板４には、圧力室３および個別流路３ａと連通し、個別流路３ａから圧力室３に液体を供給する流体抵抗１２が形成されている。この流体抵抗１２は、小断面積に形成されていて、個別流路３ａから圧力室３に流れる液体の流量を制限するように構成されている。なお、アクチュエータ基板４がシリコン単結晶基板等で形成されている場合には、前述したように、圧力室３、個別流路３ａ、および、流体抵抗１２等は、エッチングにより形成することができる。

また、図１に示すように、アクチュエータ基板４の一面側（図１の紙面下側）には、ノズル板１が接合され、圧力室３、個別流路３ａ、流体抵抗１２の開放端が、このノズル板１で閉じられている。また、アクチュエータ基板４の他面側（図１の紙面上側）は、薄膜状の振動板５が配置され、圧力室３の他端側が、この振動板５により閉じられている。

（振動板５の構成）
振動板（成膜振動板）５は、圧電素子６によって発生した力を受けて、変形変位して、圧力室３の容積を変化させることにより、ノズル２から液滴を吐出させる。そのため、図３に示す実施例１の振動板５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５の材料としては、ケイ素Ｓｉ、二酸化ケイ素ＳｉＯ₂、窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄が挙げられ、これらを用いて振動板５をＣＶＤ法（Chemical Vapor Deposition）により作製したものが挙げられる。

振動板５は、さらに、後述する下部電極としての第１電極６０１、電気機械変換膜６０２（図３参照）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、電気機械変換膜６０２としては、一般的に材料としてＰＺＴ（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ、ジルコニウム酸−チタン酸鉛）が使用される。このことから、振動板５の材料としては、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、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。

振動板５の具体的な材料としては、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、酸化ジルコニウムＺｒＯ₂、酸化イリジウムＩｒＯ₂、酸化ルテニウムＲＵＯ₂、酸化タンタルＴａ₂Ｏ₅、酸化ハフニウムＨｆＯ₂、酸化オスミウムＯｓＯ_４、酸化レニウムＲｅＯ₂、酸化ロジウムＲｈ₂Ｏ₃、酸化パラジウムＰｄＯ、および、これらの化合物等が挙げられる。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ーにて振動板５を作製することができる。振動板５の膜厚としては、０．１μｍ〜１０μｍが好ましく、０．５μｍ〜３μｍがさらに好ましい。この範囲より小さいと、アクチュエータ基板４への圧力室３の加工が行いにくくなり、この範囲より大きいと、振動板５が変形変位しにくくなり、液滴の吐出が不安定になるため好ましくない。

また、この振動板５を開口することにより、図１に示すように、複数の圧力室３に対応する複数の個別流路３ａと、共通液室８とが連通する。

（圧電素子６の構成）
圧電素子６は、図１に示すように、振動板５の、圧力室３を設けた側とは反対側の面に設けられている。圧電素子６は、交流電圧が印加されることで膨張・収縮して、振動板５を振動させ、この振動板５の振動により、圧力室３の容積を変化させて圧力を作用させる。この振動板５と圧電素子６とで、圧電アクチュエータを構成している。また、この圧電素子６は、図２に示すように、振動板５の短手方向の両側に、長手方向に向かって一直線上に複数配置され、２列の圧電素子６の列を形成している。

以下、圧電素子６の具体例として、電気機械変換素子の構成を、図３を参照して説明する。図３（ａ）に示すように、圧電素子６は、前述のアクチュエータ基板４、振動板（成膜振動体）５の上面に形成され、第１電極６０１、電気機械変換膜６０２、第２電極６０３、保護膜としての第１絶縁保護膜６０４、第３電極６０６と第４電極６０７（引き出し配線）、および、第２絶縁保護膜６０５等を有する素子構成からなる。この圧電素子６の駆動は、第１電極６０１および第２電極６０３が、それぞれ配線を介して接続された駆動用ＩＣ１０（図１参照）によって行われる。

図３（ｂ）に示すように、第１絶縁保護膜６０４はコンタクトホール部６０８を有しており、第１電極６０１と第３電極６０６、第２電極６０３と第４電極６０７とが、それぞれ導通した構成となっている。このとき、第１電極６０１および第３電極６０６を共通電極配線６０９とし、第２電極６０３および第４電極６０７を個別電極配線６１０とする。この共通電極配線６０９および個別電極配線６１０の上面に、これらを保護する第２絶縁保護膜６０５が形成されている。この第２絶縁保護膜６０５が一部開口されて（開口部Ｏ）、電極ＰＡＤとして構成されている。共通電極配線６０９用に作製されたものを、共通電極ＰＡＤ６１１、個別電極配線６１０用に作製されたものを、個別電極用ＰＡＤ６１２としている。共通電極配線６０９と個別電極配線６１０との間に、電圧印加あるいはコロナ帯電により、分極処理を実施している。

＜第１電極６０１＞
第１電極６０１としては、金属または金属と酸化物とから成ることが好ましい。ここで、どちらも振動板５と第１電極６０１用の金属膜との間に、密着層（図示せず）を介在させて、双方の剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に、密着層含めて第１電極６０１の金属電極膜、酸化物電極膜の詳細について記載する。

「密着層」
密着膜としてチタンＴｉをスパッタ成膜後、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）装置を用いて、６５０℃〜８００℃、１分〜３０分、酸素Ｏ₂雰囲気でチタン膜を熱酸化して、チタン膜を酸化チタン膜（ＴｉＯ₂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製では、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からである。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、酸化チタン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。したがって、昇温速度の速いＲＴＡ装置による酸化の方が、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等の材料も好適に挙げられる。

密着膜の膜厚としては、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では、密着性に懸念があり、この範囲以上では、密着膜上で作製する電極膜の結晶の質に影響が出てくるため好ましくない。

「金属電極膜」
金属電極膜の金属材料としては、従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金Ｐｔが用いられているが、鉛Ｐｂ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Ｉｒや白金−ロジウム合金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である振動板５（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。

金属電極膜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。膜厚としては、８０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましく、１００ｎｍ〜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出来なくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。さらに、こ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場合においては、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、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなる。そして、その上に作製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て、液滴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ため好ましくない。

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料としては、ストロンチウム・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も好適に挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。スパッタ条件によって、ＳｒＲｕＯ₃薄膜の膜質が変化する。そのため、特に結晶配向性を重視し、第１電極６０１のプラチナＰｔ（１１１）にならって、ＳｒＲｕＯ₃膜（ＳＲＯ成膜とも呼ぶ）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。

例えば、ＳＲＯ成膜条件として、室温成膜でその後、ＲＴＡ処理にて結晶化温度（６５０℃）で熱酸化する方法がある。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。しかしながら、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）配向し易くなる。

Ｐｔ（１１１）上に作製したＳＲＯ結晶性については、ＰｔとＳＲＯと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。２θ＝３２°に固定し、Ｐｓｉを振ったときのデータを、以下に示す。

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とから本成膜条件にて作製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処理により作製されたＳＲＯについては、Ｐｓｉ＝０°のときに、ＳＲＯ（１１０）の回折強度が見られる。

詳細は後述するが、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膜の表面粗さを見たときに、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、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。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ため好ましくない。したがって、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。

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ため好ましくない。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ため好ましくない。また、この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。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１×１０^-3Ω・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、共通電極配線６０９として、第５電極（図示せず）との界面で接触抵抗が十分得られず、共通電極配線６０９として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。

＜電気機械変換膜６０２＞
電気機械変換膜６０２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）との固溶体であり、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との比率が５３：４７の割合である。化学式で示すと、Ｐｂ（Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７）Ｏ₃、一般的には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ＢａＴｉＯ₃などが挙げられ、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とし、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製することも可能である。

これら材料は、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。

電気機械変換膜６０２の作製方法としては、スパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコーター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、酢酸鉛ＰｂＯ、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とし、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、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトンＣ₅Ｈ₈Ｏ₂、酢酸Ｃ₂Ｈ₄Ｏ₂、ジエタノールアミンＣ₄Ｈ₁₁ＮＯ₂などの安定化剤を適量、添加してもよい。

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。そのため、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６０２の膜厚としては、０．５μｍ〜５μｍが好ましく、１μｍ〜２μｍがさらに好ましい。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ので好ましくない。

また比誘電率としては、６００以上２，０００以下になっていることが好ましく、１，２００以上１，６００以下になっていることがさらに好ましい。この値を満たさないと、十分な変位特性が得られず、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ため好ましくない。

＜第２電極６０３＞
第２電極６０３としては、金属または酸化物と金属とから成ることが好ましい。以下に、酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について記載する。

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料等については、第１電極６０１で使用した酸化物電極膜で記載したとおりである。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ず、この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。

「金属電極膜」
金属電極膜の材料等については、第１電極６０１で使用した金属電極膜で記載したとおりである。膜厚としては３０ｎｍ〜２００ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜１２０ｎｍがさらに好ましい。この範囲より膜厚が薄い場合、個別電極配線６１０として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。さらに、この範囲より膜厚が厚い場合、白金族元素の高価な材料を使用するとコストアップとなる。この理由や、白金を材料とし、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第６電極（図示せず）を作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなるため好ましくない。

＜第１絶縁保護膜６０４＞
第１絶縁保護膜６０４は、成膜・エッチングの工程による圧電素子６へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、緻密な無機材料とする必要がある。有機材料では十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるため、好ましくない。第１絶縁保護膜６０４を厚い膜とした場合、振動板５の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまうことが要因である。

第１絶縁保護膜６０４を薄膜で高い保護性能を得るようにするためには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いるのが好ましいが、絶縁膜の下地となる、電極材料、圧電体材料、振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、成膜法も電気機械変換素子を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマＣＶＤ法や、プラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第１絶縁保護膜６０４の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ＡＬＤ法（Chemical Vapor Deposition）等が例示できるが、使用できる材料の選択肢が広い点で、ＡＬＤ法が好ましい。

第１絶縁保護膜６０４の好ましい材料としては、酸化アルミニウムＡｌ₂Ｏ₃、酸化亜鉛ＺｒＯ₂、酸化イットリウムＹ₂Ｏ₃、酸化タンタルＴａ₂Ｏ₃、酸化チタンＴｉＯ₂などのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特に、ＡＬＤ法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制しようとしている。

第１絶縁保護膜６０４の膜厚としては、圧電素子６の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板５の変位を阻害しないように、可能な限り薄くする必要がある。第１絶縁保護膜６０４の好ましい膜厚は、２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。１００ｎｍより厚い場合は、振動板の変位が低下し、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなるため好ましくない。一方、２０ｎｍより薄い場合は圧電素子６の保護層としての機能が不足してしまい、圧電素子６の性能が前述の通り低下してしまうため好ましくない。

また、第１絶縁保護膜６０４を２層にする構成であってもよい。この場合は、２層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第２電極６０３付近において、２層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。このとき２層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物、またはこれらの複合化合物を用いることができる。この中でも、半導体デバイスで一般的に用いられる二酸化ケイ素ＳｉＯ₂を用いることができる。

第１絶縁保護膜６０４の成膜は、任意の手法を用いることができ、ＣＶＤ法、スパッタリング法が例示できる。この中でも、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるＣＶＤ法を用いることが好ましい。２層目の絶縁保護膜の膜厚は、下部電極としての第１電極６０１と個別電極配線６１０に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち絶縁保護膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、２層目の絶縁保護膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、膜厚は２００ｎｍ以上必要であり、５００ｎｍ以上がさらに好ましい。

＜第３電極６０６および第４電極６０７＞
第３電極６０６、第４電極６０７の材料としては、Ａｇ（銀）合金、銅Ｃｕ、アルミニウムＡｌ、金Ａｕ、白金Ｐｔ、イリジウムＩｒのいずれかから成る金属電極材料であることが好・BR>ワしい。第３電極６０６、第４電極６０７の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。

第３電極６０６、第４電極６０７の膜厚としては、０．１μｍ〜２０μｍが好ましく、０．２μｍ〜１０μｍがさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなって電極に十分な電流を流すことができなくなり、ヘッド吐出が不安定になるため好ましくない。この範囲より大きいと、プロセス時間が長くなるため好ましくない。また、共通電極配線６０９、個別電極配線６１０とした場合、コンタクトホール部６０８（１０μｍ×１０μｍ）での接触抵抗として、共通電極配線６０９としては、１０Ω以下が好ましく、個別電極配線６１０としては、１Ω以下が好ましい。また、共通電極配線６０９としては、５Ω以下がさらに好ましく、個別電極配線６１０としては、０．５Ω以下がさらに好ましい。この範囲を超えると、十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。

＜第２絶縁保護膜６０５＞
第２絶縁保護膜６０５は、個別電極配線６１０や共通電極配線６０９の保護層の機能を有するパシベーション層である。図３に示すように、個別電極配線６１０の引き出し部と、図示しないが共通電極配線６０９の引き出し部とを除き、個別電極配線６１０と共通電極配線６０９との上面を第２絶縁保護膜６０５で被覆する。これにより、電極材料に安価なＡｌまたはＡｌを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッドとすることができる。

第２絶縁保護膜６０５の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、後述のパターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Ａｌ配線上に窒化ケイ素Ｓｉ₃Ｎ₄を用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。

また、第２絶縁保護膜６０５の膜厚としては、２００ｎｍ以上とすることが好ましく、５００ｎｍ以上とすることがさらに好ましい。膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できず、配線材料の腐食による断線が発生し、液滴吐出ヘッドの信頼性を低下させてしまうため好ましくない。

また、第２絶縁保護膜６０５は、圧電素子６上とその周囲の振動板５上に開口部Ｏをもつ構造が好ましい（図３（ａ）参照）。これは、前述の第１絶縁保護膜６０４の圧力室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッドとすることが可能になる。

この開口部Ｏの形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが、第１絶縁保護膜６０４および第２絶縁保護膜６０５で圧電素子６が保護されているため可能である。また、ＰＡＤ部の面積については、５０×５０μｍ²以上が好ましく、１００×３００μｍ²以上がさらに好ましい。この値に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなり、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ため好ましくない。

（配線の構成）
配線は、振動板５の、圧力室３を設けた面とは反対側の面に形成されている。この配線として、図２に示すように、振動板５の短手方向の両側縁に沿って、長手方向に長尺に延びるＣｏｍ配線１５が、エッチング等により形成されている。このＣｏｍ配線１５に、複数の圧電素子６がそれぞれ接続されている。

また、図２に示すように、振動板５の長手方向の端部には、Ｃｏｍ配線１５から分岐する入力端子１５ａが形成されている。また、この振動板５の端部の中央付近には、一対のＶｃｏｍ配線１６が形成されている。また、Ｖｃｏｍ配線１６には、当該Ｖｃｏｍ配線１６から分岐する複数の入力端子１６ａが形成されている。振動板５の端部には、さらに、一対のＶｃｏｍ配線１６の入力端子１６ａ間に位置させた複数の入力端子１７が形成されている。これらの入力端子１５ａ，１６ａ，１７は、前述のＦＰＣ１４の配線端部１４ａに設けられた複数の配線端子１４ｂに、ボンデイングワイヤ（図示せず）により、それぞれボンデイング接続（ワイヤボンディング）されている。

（サブフレーム板１３の構成）
サブフレーム板１３は、図１に示すように、振動板５上に接合または固着されている。このサブフレーム板１３には、短手方向に２列形成された圧電素子６の列の、それぞれの圧電素子６を収容する振動許容凹部１３ａが複数形成されている。この複数の振動許容凹部１３ａは、短手方向に長尺な圧力室３とほぼ同一形状に形成され、各圧力室３の位置と上下方向で一致して、互いに重なるように設けられている。

サブフレーム板１３には、図１に示すように、短手方向の中央に、長手方向に長尺な配設空間１３ｂが形成されている。この配設空間１３ｂ内には、振動板５上に固定した駆動用ＩＣ（ドライバー集積回路）１０が、制御装置（制御部、制御回路）として配設されている。この駆動用ＩＣ１０は、アンダーフィル剤１１により封止されていて、裏面側が他部品と接触することのない状態となっている。

また、駆動用ＩＣ１０は、振動板５上の圧電素子６を駆動制御するように、各圧電素子６の一端に配線接続され、さらに、入力端子１６ａ，１７に配線接続されている（図２参照）。

（フレーム板７の構成）
フレーム板７は、図１に示すように、サブフレーム板１３上に接合または固着されている。サブフレーム板１３とフレーム板７との短手方向の両側には、２列に配列された圧電素子６の列の外側に、図１に示すように、サブフレーム板１３とフレーム板７にまたがるように、一対の共通液室８が形成されている。この一対の共通液室８は、長手方向に配列された個別流路３ａの列の配列方向に沿って、長手方向に長尺に形成されている。フレーム板７には、圧電素子６の各列に対応する部分に、図１に示すように、各共通液室８にそれぞれ連通する供給口９が形成されている。各供給口９は、例えば、圧電素子６の各列の延びる方向（長手方向）の略中央、または、端部側に位置するように、フレーム板７に設けている。

［液滴吐出ヘッドの作製例］
次に、各実施例および比較例で使用する、液滴吐出ヘッドの作製手順を、以下に具体的に説明する。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、第１電極６０１としての密着膜として、チタン膜（膜厚３０ｎｍ）をスパッタ装置にて成膜した。その後に、ＲＴＡ装置を用いて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の加熱温度は５５０℃とし、この条件下で成膜を実施した。

次に、電気機械変換膜６０２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。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／Ｌにした。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、１２０℃乾燥、次いで、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。

次に、第２電極６０３としての酸化物膜として、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）を用いてパターンを作製した。

次に、第１絶縁保護膜６０４として、ＡＬＤ工法を用いてＡＬ₂Ｏ₃膜を５０ｎｍ成膜した。このとき原材料としてＡＬについては、ＴＭＡ（シグマアルドリッチ社）、Ｏについてはオゾンジェネレーターによって発生させたＯ₃を交互に積層させることで、成膜を進めた。その後、エッチングによりコンタクトホール部６０８を形成する。次いで、第３電極６０６および第４電極６０７として、ＡＬをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。また、第２絶縁保護膜６０５として、Ｓｉ₃Ｎ₄をプラズマＣＶＤにより５００ｎｍ成膜し、圧電素子６を作製した。このとき、６インチウェハ内３０ｍｍ×１０ｍｍ四方のエリアを２５個配置した。

このように形成したアクチュエータ基板４に対して、共通液室８（図１参照）の一部を形成する開口部を設けたサブフレーム板１３（図１参照）を接着接合した。このサブフレーム板１３はシリコンウェハを活用し、熱酸化膜を形成した。なお、実施例１ではアルミニウムをスパッタリングで形成したが、金、白金、等の電極を活用することもできる。また、アクチュエータ基板４上の個別電極に対してＡｕスタッドバンプ（図示せず）を形成した。

この後、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理には直径５０μｍのタングステンのワイヤーを用い、コロナワイヤに７ｋＶ、サブフレーム上のガード電極に２ｋｖの電圧を印加し、３０秒間処理を行った。そして、ＤｒＩＣをアクチュエータ基板４上に実装した。また、シリコンウェハの圧力室３の加工を行い、ノズル接合等、ヘッド組立を行った。以上により、図１に示すような液滴吐出ヘッドを作製した。

＜比較例＞
比較例では、上述のように作製した液滴吐出ヘッドを用いて、吐出評価を行ない、評価を一度中断した後、再度吐出を行ったところ、液滴速度（以下「Ｖｊ」と呼ぶ）が約４％低下した。その後、吐出を繰り返すに従い、Ｖｊが正常に戻ってくることを確認した。このときのメニスカス表面からの粘度（レーザードップラーによる残留振動測定）を観察した。その結果、連続駆動後の吐出終了時、吐出中断時、再度駆動開始した際の吐出開始時、連続吐出時度のメニスカス表面の粘度は、図９に示すようになっていることを確認した。したがって、Ｖｊの低下は、吐出の中断中に、メニスカス表面が乾燥（メニスカス表面からの水分の揮発）することによって、液体が増粘された影響であると考えられる。

＜実施例１＞
次に、上述の液滴吐出ヘッド用いた実施例１の液滴吐出制御について、図４を用いて説明する。実施例１では、液滴吐出ヘッドから液滴を吐出後、１時間中断し、吐出を再開するに当たり、図４に示すような加熱波形を印加した。この加熱波形としては、駆動時の中間電位よりも中間電位を高くして、パルスの波高値を駆動時の波高値よりも高くした。

一例として、圧力室３の共振周期が５ｕｓ（μｓｅｃ）である液滴吐出ヘッドに対して、加熱波形の時間間隔Ｔを３ｕｓとした。このときの加熱波形全体のプロファイルを以下に示す。加熱波形の立下り（Ｔｆ）時間、および、立上り（Ｔｒ）時間を１ｕｓとした。加熱波形の中間電位を、駆動時の中間電位１５Ｖよりも高い２０Ｖとし、波高値を、駆動時が１８Ｖであるのに対して２０Ｖとした（図４参照）。このような加熱波形を３０ｓｅｃ印加することで、液滴吐出ヘッド全体が加熱され、圧力室３内のインクの粘度が低下した。加熱波形後に駆動波形を印加してＶｊを測定したところ、Ｖｊ低下率は２％以下に低減できることを確認した。

＜実施例２＞
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例２の液滴吐出制御について、図５を用いて説明する。実施例２では、液滴吐出ヘッドからの液滴の吐出後、１時間中断し、吐出を再開するに当たり、図５に示すような加熱波形を印加した。この加熱波形として中間電位を２０Ｖとし、波高値は駆動波形と同じ１８Ｖとし、圧力室３の共振周期は５ｕｓのため反共振の周期として加熱波形の時間間隔Ｔ＝２．５ｕｓにして、実施例１と同様の実験を行った。このとき、波形の印加時間２０ｓｅｃにて、実施例１と同等の結果（Ｖｊ低下率が２％以下に低減、以下の実施例でも同様）を得ることができた。

＜実施例３＞
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例３の液滴吐出制御について、図６を用いて説明する。実施例３では、図６に示すように、加熱波形のＴｒ，Ｔｆを１ｕｓから０．８ｕｓとしたこと以外は、実施例２と同様の条件とした。この条件で、実施例１、２と同様の実験を行ったところ、他の実施例と同様の効果を得ることができた。

＜実施例４＞
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例４の液滴吐出制御について、図７を用いて説明する。実施例４では、図７に示すように、実施例３と同様の条件で、さらに加熱波形の波高値を１８Ｖから２０Ｖにしたこと以外は、実施例４と同様の条件とした。この条件で、実施例１、２と同様の実験を行ったところ、他の実施例と同様の効果を得ることができた。

上記実施例ごとに、実施例１と同等の結果を得るのに要した加熱波形の印加時間を、下記表１に示す。また、表１に、実施例１の充放電電流および発熱量をそれぞれ基準「１」としたときの実施例２〜実施例４の充放電電流および発熱量を併記した。充放電電流は、圧電素子６の静電容量を基に、各実施例において、上述のように印加した加熱波形から計算し、そこから発熱量を試算した。

また、確認実験として、各実施例での加熱波形でのメニスカス表面の粘度変化の測定を行った。測定方法としては、各実施例において、上述のように加熱波形を印加し、ノズル表面のメニスカス振動を、レーザードップラー干渉計を用いて計測することで、振動の挙動から粘度を算出した。測定結果を図８に示す。図８に示すように、実施例１で加熱波形を３０ｓｅｃ印加したときの粘度を基準として、実施例２〜実施例４の加熱波形で、この基準粘度に到達する時間を測定したところ、表１に示す加熱波形の印加時間とほぼ一致がみられた。

以上のように、実施例１〜実施例４の液滴吐出ヘッドでは、間欠動作時に吐出を再開する前に、液滴吐出時の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位に保持されるパルス波形を印加し、圧力室内のインクを加熱している。このようなインクは、その溶媒の温度依存性によって、加熱することで粘度が低下する性質を有するため、充放電電流による発熱により圧力室内のインクが加熱されることで、インクの粘度は低下する。したがって、電源ＯＮ時や長期間印字を実施していない場合等に、メニスカス表面が乾燥し、インク内の水分が低下して増粘していても、各実施例のような加熱波形を付与するだけで、加圧室内のインクだけでなく、メニスカス表面近傍の乾燥し増粘した部分の粘度を、より効率的に下げることができる。その結果、印字を円滑に再開することができるとともに、吸引によるメンテナンスの頻度や液体の消耗量を低減することができる。

＜実施例５＞
次に、実施例５では、本願の液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例を、図１０および図１１を参照して説明する。図１０は画像形成装置の主要機構部の構成を示す概略図であり、図１１は同主要機構部の要部の概略平面図である。

［画像形成装置の構成］
図１０、図１１に示すように、実施例に係る画像形成装置１００は、シリアル型画像形成装置であり、図１１に示すように、左右の側板（図示せず）に横架したガイド部材であるガイドロッド１０１とガイドレール１０２とで、キャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持している。この保持状態で、主走査モータ１０４で駆動プーリ１０６Ａと従動プーリ１０６Ｂとの間に架け渡したタイミングベルト１０５を介して、キャリッジ１０３を矢示方向（主走査方向）に移動走査する。

このキャリッジ１０３には、例えば、ブラック（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の各色の記録液の液滴を吐出する本願の実施例と同様の液滴吐出ヘッド１０７ｋ，１０７ｃ，１０７ｍ，１０７ｙで構成した記録ヘッド１０７を主走査方向に沿う方向に配置し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、ここでは独立した液滴吐出ヘッド１０７ｋ，１０７ｃ，１０７ｍ，１０７ｙを用いているが、本願がこれに限定されるものではない。例えば、各色の記録液の液滴を吐出する複数のノズル列を有する１又は複数のヘッドを用いる構成とすることもできる。また、色の数および配列順序はこれに限るものではない。また、キャリッジ１０３には、記録ヘッド１０７に各色の液滴を供給するための各色のサブタンク１０８を搭載している。このサブタンク１０８には、図１０に示すように、記録液供給チューブ１０９を介して、メインタンク（インクカートリッジ、図示せず）から記録液が補充供給される。

一方、画像形成装置１００の本体は、図１０に示すように、被着媒体（以下「用紙」と呼ぶ）１１２を積載した用紙積載部（圧板）１１１を備える給紙カセット１１０と、この給紙カセット１１０から用紙１１２を給紙するための給紙部とを備える。この給紙部は、用紙積載部１１１から用紙１１２を１枚ずつ分離給送する半月コロ（以下、「給紙ローラ」と呼ぶ）１１３と、この給紙ローラ１１３に対向し摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド１１４と、を備えている。この分離パッド１１４は、付勢手段（図示せず）により、給紙ローラ１１３側に付勢されている。

そして、この給紙部から給紙された用紙１１２を、記録ヘッド１０７の下方側で搬送するための搬送部を備えている。この搬送部として、搬送ベルト１２１と、カウンタローラ１２２と搬送ガイド１２３と、加圧コロ１２５Ａおよび先端加圧コロ１２５Ｂと、帯電ローラ１２６と、を備えている。

搬送ベルト１２１は、給紙部から給紙された用紙１１２を静電吸着して搬送するためのものである。カウンタローラ１２２は、給紙部からガイド１１５を介して送られる用紙１１２を搬送ベルト１２１との間で挟んで搬送するためのものである。搬送ガイド１２３は、カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１とで略鉛直上方に送られる用紙１１２を、略９０°方向転換させて搬送ベルト１２１上に倣わせるためのものである。加圧コロ１２５Ａおよび先端加圧コロ１２５Ｂは、押さえ部材１２４で搬送ベルト１２１側に付勢されている。帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１表面を帯電させるための帯電手段である。

ここで、搬送ベルト１２１は、無端状ベルトであり、搬送ローラ１２７とテンションローラ１２８との間に掛け渡されている。搬送ローラ１２７は、副走査モータ１３１からタイミングベルト１３２およびタイミングローラ１３３を介して回転されることで、ベルト搬送方向（副走査方向）に周回するように構成されている。なお、搬送ベルト１２１の裏面側には、記録ヘッド１０７による画像形成領域に対応してガイド部材１２９を配置している。帯電ローラ１２６は、搬送ベルト１２１の表層に接触し、搬送ベルト１２１の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各２．５Ｎをかけている。

画像形成装置１００は、さらに、記録ヘッド１０７で記録された用紙１１２を排紙するための排紙部として、搬送ベルト１２１から用紙１１２を分離するための分離部としての排紙ローラ１５２および排紙コロ１５３と、排紙される用紙１１２をストックする排紙トレイ１５４と、を備えている。また、画像形成装置１００の背部には、両面給紙ユニット１５５が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット１５５は、搬送ベルト１２１の逆方向回転で戻される用紙１１２を取り込んで反転させ、再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙する。

画像形成装置１００は、さらに、図１１に示すように、キャリッジ１０３の走査方向の一方側の非印字領域には、記録ヘッド１０７のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構１５６を配置している。この維持回復機構１５６は、記録ヘッド１０７の各ノズル面をキャッピングするための複数のキャップ１５７と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード１５８と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行なうときの液滴を受ける空吐出受け１５９と、等を備えている。

以上のように構成した画像形成装置１００においては、給紙部から用紙１１２が１枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙１１２はガイド１１５で案内される。その後、用紙１１２は搬送ベルト１２１とカウンタローラ１２２との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド１２３で案内されて先端加圧コロ１２５Ｂで搬送ベルト１２１に押し付けられ、略９０°搬送方向を転換される。

このとき、制御回路（図示せず）によって、ＡＣバイアス供給部（図示せず）から帯電ローラ１２６に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加される。この電圧は、搬送ベルト１２１が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラスとマイナスとが交互に帯電した搬送ベルト１２１上に用紙１１２が給送されると、用紙１１２が搬送ベルト１２１に静電力で吸着され、搬送ベルト１２１の周回移動によって用紙１１２が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ１０３を往路および復路方向に移動させながら、画像信号に応じて記録ヘッド１０７を駆動することにより、停止している用紙１１２に液滴を吐出して用紙１１２に着弾させることで１行分を記録し、用紙１１２を所定量搬送後、次の行の記録を行う。そして、記録終了信号または用紙１１２の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙１１２を排紙トレイ１５４に排紙する。

また、両面印刷の場合には、用紙１１２の表面（最初に印刷する面）の記録が終了したときに、搬送ベルト１２１を逆回転させることで、記録済みの用紙１１２を両面給紙ユニット１５５内に送り込み、用紙１１２を反転させる（裏面が印刷面となる状態にする）。この反転した用紙１１２を、再度カウンタローラ１２２と搬送ベルト１２１との間に給紙し、タイミング制御を行って、前述したと同様に搬送ベルト１２１上に搬送して裏面に記録を行った後、排紙トレイ１５４に排紙する。

また、印字（記録）待機中には、キャリッジ１０３は維持回復機構１５６側に移動されて、キャップ１５７で記録ヘッド１０７のノズル面がキャッピングされて、ノズルを湿潤状態に保つことにより、液滴の乾燥による吐出不良を防止する。また、キャップ１５７で記録ヘッド１０７をキャッピングした状態で、ノズルから記録液を吸引し（「ノズル吸引」又は「ヘッド吸引」という）、増粘した記録液や気泡を排出する回復動作を行う。この回復動作によって、記録ヘッド１０７のノズル面に付着した液滴を清掃除去するためにワイパーブレード１５８でワイピングを行なう。また、記録開始前や、記録途中などに記録と関係しない液滴を吐出する空吐出動作を行う。これによって、記録ヘッド１０７の安定した吐出性能を維持する。また、電源ＯＮ時や長期間印字を実施していない場合等に、印字を再開する際には、上記実施例１〜実施例４で説明したような加熱波形を印加する。これにより、メニスカス表面の乾燥により増粘した記録液の粘度を下げることができ、液滴吐出ヘッド１０７ｋ，１０７ｃ，１０７ｍ，１０７ｙから液滴吐出を円滑に行うことができる。また、ノズル吸引や空吐出等の動作を低減することができる。

以上のように、本願に係る実施例５の画像形成装置１００では、本願に係る液体吐出ヘッドを備え、液滴吐出の中断後の再開時に、加熱波形を印加してインク粘度を下げている。そのため、印字を円滑に再開することが可能となり、画像品質に優れた印字を続行することができる。また、ノズル吸引によるメンテナンスの頻度や記録液の消耗量を低減して、コスト性も向上させることができる。なお、実施例５では、本願をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置に適用することができる。また、記録液以外の液体として、定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。

以上説明した実施例１〜５は一例であって、本願がこれらの実施例に限定されるものではない。液滴吐出を中断し、再開する際に、液体の粘度を良好に下げることが可能な構成であれば、本願の課題を解決できるものである。また、上記各実施例では、本願に係る液滴吐出ヘッドとして、インク等の記録液を吐出する液滴吐出ヘッドを示したが、液滴吐出ヘッドとしてはこれに限定されることはない。記録液以外の液体、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッド等に適用してもよい。

１ノズル板
２ノズル
３圧力室
５振動板
６圧電素子（薄膜圧電体）
１０駆動用ＩＣ（駆動制御手段）
１００画像形成装置
１０７ｋ，１０７ｃ，１０７ｍ，１０７ｙ液滴吐出ヘッド
１１２用紙（被着媒体）

特開平９−２９９９６号公報特許第４６４５９４７号公報特開平１０−２８６９４７号公報

Claims

液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する圧力室と、
前記圧力室上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、前記圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、
前記薄膜圧電体に、前記液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備え、
前記駆動制御手段は、前記ノズルからの前記液滴の吐出の開始前に、前記薄膜圧電体に、前記液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、前記圧力室内を加熱することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
前記加熱波形が、前記液滴吐出時の前記駆動波形の波高値であって前記中間電位から引き込み時の最低電圧までの電圧幅以上の電圧幅で印加されるパルス波形であることを特徴とする請求項１に記載の液滴吐出ヘッド。
前記加熱波形として、前記ノズルのメニスカス表面の反共振周波数でパルス波形を印加することを特徴とする請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッド。
前記加熱波形は、前記パルス波形の立上り時間および立下り時間が、前記液滴吐出時の前記駆動波形の立上り時間および立下り時間以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。
請求項１〜４の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドを備え、前記液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させることを特徴とする画像形成装置。