JP6164511B2 - 液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

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。

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、媒体を搬送しながらインク滴を用紙に付着させて画像形成を行うインクジェット記録装置がある。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体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体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体の総称として用いる。

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圧電素子などの電気機械変換素子を配置したものが知られている。

電気機械変換素子は、一対の電極に挟まれた電気機械変換膜からなり、電気機械変換膜に応力が加えられると電荷が発生し、電圧を印加すると電気機械変換膜が伸張する性質を有している。液滴吐出ヘッドは、このような電気機械変換素子に駆動電圧を印加して、駆動電圧に応じた電気機械変換素子の変位を振動板を介して加圧液室内のインクに伝達する構成であり、加圧された加圧液室内のインクはノズルから吐出される。

このような電気機械変換素子に繰り返し駆動電圧を印加していると、駆動電圧に対する変位量（以下、変位特性という）が低下する、いわゆる電気機械変換素子の疲労現象が発生する。疲労現象は、駆動電圧を繰り返し印加すると、次第に、電荷が偏在してトラップされたり、分極方向が駆動電圧により形成される電界に沿って一部固定されたりすることにより発生する。変位特性が変化する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、吐出特性が安定しないという問題がある。

変位特性の低下を解決する方法として、分極方向の固定により形成された電気機械変換素子の内部電界を破壊するよう、駆動電圧と逆極性の電圧を印加する方法が知られている。例えば、特許文献１に記載されるように、電気機械変換素子に抗電界以上の電界強度を有する逆極性の電圧を印加することで、駆動電圧を繰り返して印加した際に電気機械変換素子に形成された内部電界を破壊して変位特性を回復させている。

しかしながら、駆動電圧とは逆極性の抗電界以上の電界を形成することで、電気機械変換素子の分極が反転する。このような反転を長期に繰り返すと、電気機械変換素子にかかる負担が大きくなって、変位特性が低下してしまう。

本出願人は、特願２０１２−０４８９５８号(以下、先願という）にて、電気機械変換素子の駆動時に、電気機械変換素子に対して電気機械変換膜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電気機械変換素子の駆動方法を提案している。この駆動方法では、逆極性波形が、駆動波形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中の電荷を取り除くことにより変位特性を回復させている。また、逆極性波形は抗電界を超えていないため、電気機械変換膜の分極状態は反転を繰り返すことはない。このため、電気機械変換素子にかかる負担が小さくなり、変位特性の低下を抑制できる。

本発明者は、先願の電気機械変換素子の駆動方法をさらに検討し、逆極性波形の波形によって変位特性の回復効果に差があることを見出した。

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、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することのできる液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び、インクジェット記録装置を提供することである。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、液滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧液室と、該加圧液室の一壁面を構成する振動板上に設けられた電気機械変換素子とを備え、該電気機械変換素子に電圧を印加することで該振動板を介して加圧液室内の液体を加圧して該ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、駆動時に上記電気機械変換素子に対して抗電界を越える電界強度を示す駆動波形を印加し、非駆動時に該駆動波形に対して逆極性であって、抗電界未満の電界強度を示すパルス波形からなる逆極性波形を印加し、上記パルス波形は、パルス幅、立ち下がり時間及び立ち上がり時間が、上記加圧液室内の液体のメニスカス固有周期の半整数倍を基準とするものであることを特徴とするものである。

本発明においては、非駆動時に駆動波形に対して逆極性であって、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で、先願と同様の理由で繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を抑制できる。さらに、この逆極性波形を、メニスカス固有周期の半整数倍を基準とした波形とすることで、以下の理由により、変位特性の低下を良好に抑制することができる。
電気機械変換素子に駆動波形が入力されて液滴が吐出されると、電気機械変換素子は収縮し、加圧液室は減圧状態となり、一度メニスカスは後退する。加圧液室内には特定周期の圧力波が発生しており、その周期に従ってメニスカスは振動する。この特定周期は、固有周期という。
電気機械変換素子に印加する逆極性波形がメニスカス固有周期の半整数倍を基準としていない場合は、逆極性波形による振動と、メニスカス振動とが共振し、印加した逆極性波形による振動が打ち消されてしまう。すなわち、電気機械変換素子は、印加された逆極性波形に対して良好な応答を示せず、逆極性波形による変位特性の回復効果が得られ難い。一方、逆極性波形として、メニスカス固有周期の半整数倍を基準とした波形を印加すると、メニスカス振動との共振を抑えることができる。このため、印加した逆極性波形に電気機械変換素子が良好な応答を示すことができ、逆極性波形による変位特性の回復効果が得られる。よって、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

本発明によれば、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができるという優れた効果がある。

本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの基本構成を示す断面図。 電気機械変換素子の基本層構成を示す断面図。 電気機械変換素子の代表的なＰ−Ｅヒステリシスループ。 メニスカス固有振動Ｔｃを導出するための振動評価の説明図。 電気機械変換素子に印加する駆動波形及び逆極性波形の説明図。 実施例、比較例の変位量の変動の評価結果をしめすグラフ。 逆極性波形の波形の差による振動板の変位を示すグラフであり、（ａ）はメニスカス固有振動を考慮しない場合、（ｂ）はメニスカス固有周期の半整数倍を基準とする場合。 インクジェット記録装置に搭載した液滴吐出ヘッドの断面図。 本実施形態のインクジェット記録装置の斜視図。 本実施形態のインクジェット記録装置の斜視図。

以下、本発明の一実施形態に係る液滴吐出ヘッドついて説明する。
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、圧電素子などの電気機械変換素子を用いて吐出室の壁面を形成す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が知られている。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、さら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の進歩により、以下に示すように、Ｓｉ基板に直接加圧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用いられている。

図１は、本実施形態の液滴吐出ヘッドの基本構成を示す断面図である。この液滴吐出ヘッド１は、ノズル板１０と、基板２０と、振動板３０と、電気機械変換素子４０とを有している。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、加圧液室基板２０、及び振動板３０により、ノズル１１に連通する加圧液室２１（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３０は、圧力液室２１の一壁面を形成している。

電気機械変換素子４０は、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、加圧液室２１に対応する位置に設けられている。また、電気機械変換素子４０の第２の電極４３の上に、図示しない保護層、層間絶縁層等を設けている。

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または第２の電極４３に電圧を印加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を振動させる。この振動板３０の振動に伴ってノズル１１から加圧液室２１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、上記電気機械変換素子４０の一例である圧電素子の基本的層構成を示す断面図である。上述のように、電気機械変換素子４０は、基板２０と振動板３０とを積層形成した上に、第１の電極４１と、圧電体膜（電気機械変換膜）４２と、第２の電極４３を積層して形成される。電気機械変換素子４０を、図１に示す形状に形成するためには、圧電体膜（電気機械変換膜）４２と、第２の電極４３を形成した後に、所望の形状に圧電体膜（電気機械変換膜）４２と、第２の電極４３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。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、詳しく説明を加える。

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、通常１００〜６００μｍ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。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。

また、図１に示すような圧力液室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。

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ＳｉＯ_２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。

振動板３０としては、図１に示すように電気機械変換素子４０によって発生した力を受けて変形変位し、加圧液室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３０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、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。さらに、第１の電極４１と、圧電体膜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、圧電体膜４２としては、一般的にＰＺＴが使用される。そのため、振動板３０として、圧電体膜４２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り、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。

振動板３０の膜厚としては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に示すような圧力室の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板３０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。

第１、２の電極４１，４３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がさらに好ましい。

また、圧電体膜４２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４１と圧電体膜４２および圧電体膜４２と第２の電極４３との間にＳｒＲｕＯ_３、ＬａＮｉＯ_３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。

圧電体膜（電気機械変換膜）４２としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を主に使用した。ＰＺＴとは、ジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）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、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）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。

圧電体膜（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。

圧電体膜（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。

振動板３０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。

圧電体膜（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。

以下、実施例１〜５に基づき説明する。
＜実施例１＞
Ｓｉ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ＳｒＲｕＯ３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。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、加圧液室２１を形成するために、Ｓｉ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、加圧液室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加圧液室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。図３に、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、抗電界未満の電界強度を示し、加圧室内２１内のインクのメニスカス固有周期の半整数倍を基準とする波形からなる逆極性波形を印加することによりおこなった。

電気機械変換素子４０にパルス状の駆動波形が入力して液滴が吐出されると、電気機械変換素子４０は収縮し、加圧液室２１は減圧状態となり、一度メニスカスは後退する。加圧液室２１内には特定周期の圧力波が発生しており、その周期に従ってメニスカスは振動する。この特定周期は、固有周期（Ｔｃ）という。
図４は、インク滴吐出時の振動板３０の変位（振動）を観察したグラフである。点線でしめす波形の電圧を印加すると、実線でしめす振動板３０の変位が観測される。この振動板３０の減衰周期（図４では、５μｓ以降）が液室の圧力に起因するメニスカス固有周期Ｔｃである。メニスカス固有周期Ｔｃは、図４に示されるような振動評価での共振周期、または、流体の伝播を電気回路に見立てて計算する等価回路法により、導出される。
本実施例の液滴吐出ヘッドの構成では、メニスカス共振Ｔｃ＝３．７μｓであった。

図５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）の説明図である。図５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＝５．５μｓ、パルス幅Ｔｗ＝１．７μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝５．５μｓ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＝５．５μｓ、パルス幅Ｔｗ＝１．７μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝５．５μｓ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＝５．５μｓ、パルス幅Ｔｗ＝１．７μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝５．５μｓ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＝５．５μｓ、パルス幅Ｔｗ＝５．５μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝５．５μｓ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＝１３μｓ、パルス幅Ｔｗ＝１．７μｓ、立ち上がり時間Ｔｒ＝１３μｓ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−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。

＜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６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６および表１に示すように、実施例１〜５についてはすべ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わかる。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。

逆極性波形Ｒは加圧室内２１内のインクのメニスカス固有周期の半整数倍を基準にしているため、以下のような理由で変位量の変動幅が良好に抑制される。
図７は、（ａ）メニスカス固有周期を考慮しないで、単純に逆極性のパルス波形を印加した場合(比較例２)と、（ｂ）メニスカス固有周期を考慮して固有周期の半整数倍を基準とするパルス波形を印加した場合（実施例）との振動板３０の変位を示したグラフである。

図７（ａ）に示すように、逆極性波形Ｒがメニスカス固有周期Ｔｃの半整数倍ではない場合は、加圧液室２１内のメニスカス振動と共振し、振動板３０の振動を励振して、印加した逆極性波形とは異なる変位で振動板３０が変位してしまう。すなわち、電気機械変換素子４０が振動しようとしても、メニスカス振動と共振して、電気機械変換素子４０は印加された逆極性波形Ｒに対して良好に応答できない。このため、逆極性波形Ｒによる変位特性の回復効果が得られ難い。

一方、図７（ｂ）に示すように、逆極性波形Ｒとして、メニスカス固有周期Ｔｃの半整数倍となる波形を印加すると、加圧液室２１内のメニスカスの共振による振動板３０の強制振動を抑えることができる。このため、印加した逆極性波形Ｒに電気機械変換素子４０が良好な応答を示すことができ、逆極性波形Ｒによる変位特性の回復効果が得られる。このため、電気機械変換素子４０の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

実施例１では、パルス幅Ｔｗはメニスカス固有共振の１／２倍としている。また、立ち上がり時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒは、メニスカス固有共振の３／２倍としている。立ち上がり時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒを、メニスカス固有周期Ｔｃの１／２倍とした場合は、共振の周期以下のため共振が励起されてしまうため好ましくない。なお、パルス幅Ｔｗはメニスカス固有共振の１／２の幅でも電圧変動がないため、問題ない。

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。

実施例３においては、逆極性波形Ｒの印加時間Ｔ２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Ｔ２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Ｔ２は５０ｍｓs以上が好ましく、より好ましくは１００ｍｓ以上である。また、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Ｔ２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、５においては、逆極性波形Ｒのパルス形状の変化させている。
実施例４においては、パルス幅Ｔｗをメニスカス固有共振の３／２倍としても効果の発現が達成できている。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するため、1μｓ以上であることが好ましい。なお、パルス幅の長さは、電気機械変換素子の充放電特性も考慮して決められる。
実施例５に示すように、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。
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は逆極性波形の印加時間との兼ね合いがあるが、立ち上がり時間Ｔｆ、立下り時間Ｔｒは、メニスカス固有周期Ｔｃの３／２倍以上の半整数値倍、パルス幅Ｔｗはメニスカス固有周期Ｔｃの１／２倍以上であることがより好ましい。

比較例１、２では変位の変動幅が大きくなっている。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できていないため、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、駆動波形Ｆに対して逆極性であって、抗電界未満の電界強度を示し、メニスカス固有周期の半整数倍ではないパルス幅を有する逆極性波形を印加しているため、逆極性波形Ｒによる効果が良好に得られない。

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記録装置について説明する。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。

本実施形態のインクジェット記録装置には、図８に示すような、図１にしめす基本構成を有する液体吐出ヘッドを複数個配置した液滴吐出ヘッド１０７を用いる。この液滴吐出ヘッドは、上述のように、電気機械変換素子４０を簡便な製造工程で形成し、その後の加圧液室形成のために、基板２０の裏面からのエッチング除去を行い、ノズルを有するノズル板１０を接合することで形成される。

９は、本実施形態のインクジェット記録装置の斜視図、図１０は同記録装置の機構部の側面図である。
このインクジェット記録装置は、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、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８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができ、また、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、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し、このキャリッジ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本発明に係るインクジェットヘッドからなるヘッド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。またキャリッジ９３にはヘッド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９４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個のヘッドでもよい。

ここで、キャリッジ９３は後方側（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、前方側（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、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、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。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、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及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する先端コロ１０６とを設けている。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。

そして、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を記録ヘッド９４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１０９を設けている。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、さらに用紙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。

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。記録終了信号または、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。

また、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、ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。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している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段でヘッド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。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９４の吐出口（ノズル）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。

このように、このインクジェット記録装置においては、上記実施例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。

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）
液滴を吐出するノズル１１と、ノズルに連通する加圧液室２１と、加圧液室の一壁面を構成する振動板３０上に設けられた電気機械変換素子４０とを備え、電気機械変換素子に電圧を印加することで振動板を介して加圧液室内の液体を加圧してノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法である。駆動時に電気機械変換素子に対して抗電界を越える電圧を有する駆動波形Ｆを印加し、非駆動時に起動波形に対して逆極性であって、抗電界未満の電界強度を示し、且つ、加圧室内の液体のメニスカス固有周期Ｔｃの半整数倍のパルス幅を有する逆極性波形Ｒを印加する。これよれば、上記実施形態について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｂ）
（態様Ａ）において、逆極性波形の電界強度は抗電界の２０％以上である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｃ）
（態様Ａ）または（態様Ｂ）において、逆極性波形がパルス波形である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｄ）
（態様Ａ）、（態様Ｂ）または（態様Ｃ）において、逆極性波形の印加時間が５０ｍｓｅｃ以上である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｅ）
（態様Ｃ）または（態様Ｄ）において、逆極性波形の立ち下がり時間及び立ち上がり時間がメニスカス固有周期の３／２倍以上の半整数倍である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｆ）
（態様Ｃ）または（態様Ｄ）において、逆極性波形のパルス幅がメニスカス固有周期の１／２倍以上の半整数倍である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｇ）
（態様Ｃ）、（態様Ｄ）、（態様Ｅ）または（態様Ｆ）において、逆極性のパルス波形の印加回数が１０００回以上である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｈ）
（態様Ａ）、（態様Ｂ）、（態様Ｃ）、（態様Ｄ）、（態様Ｅ）、（態様Ｆ）または（態様Ｇ）において、逆極性波形の印加時間が駆動波形の印加時間の０．１倍以上である。これによれば、上記実施例１〜５について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制することができる。

（態様Ｈ）
液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する加圧液室と、加圧液室の一壁面を構成する振動板上に設けられた電気機械変換素子とを備え、電気機械変換素子に電圧を印加することで振動板を介して加圧液室内の液体を加圧してノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、（態様Ａ）、（態様Ｂ）、（態様Ｃ）、（態様Ｄ）、（態様Ｅ）、（態様Ｆ）、（態様Ｇ）または（態様Ｈ）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手段を備える。これによれば、上記実施形態について説明したように、電気機械変換素子の繰り返し駆動に伴う変位特性の低下を良好に抑制し、経時で安定した吐出性能が得られる。

（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（態様Ｈ）の液滴体吐出ヘッドを採用する。これによれば、上記実施形態について説明したように、高品位な画像が得られる。

１ 液滴吐出ヘッド
１０ ノズル板
１１ ノズル
２０ 基板
３０ 振動板
４０ 電気機械変換素子
４１ 第１の電極４１
４２ 電気機械変換膜
４３ 第２の電極

特開２００３−８０６９８号公報

Claims (9)

1. 液滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧液室と、該加圧液室の一壁面を構成する振動板上に設けられた電気機械変換素子とを備え、該電気機械変換素子に電圧を印加することで該振動板を介して加圧液室内の液体を加圧して該ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドの駆動方法であって、
   駆動時に上記電気機械変換素子に対して抗電界を越える電界強度を示す駆動波形を印加し、非駆動時に該駆動波形に対して逆極性であって、抗電界未満の電界強度を示すパルス波形からなる逆極性波形を印加し、
   上記パルス波形は、パルス幅、立ち下がり時間及び立ち上がり時間が、上記加圧液室内の液体のメニスカス固有周期の半整数倍を基準とするものであることを特徴とする液滴吐出ヘッドの駆動方法。
2. 請求項１の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記逆極性波形の電界強度は、上記抗電界の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。
3. 請求項１または２に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記逆極性波形の印加時間が５０ｍｓｅｃ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。
4. 請求項１乃至３の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記パルス波形の立ち下がり時間及び立ち上がり時間がメニスカス固有周期の３／２倍以上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。
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記逆極性波形のパルス幅がメニスカス固有周期の１／２倍以上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。
6. 請求項１乃至５の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記逆極性波形の印加回数が１０００回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。
7. 請求項１乃至６の何れか１項に記載の液滴吐出ヘッドの駆動方法において、上記逆極性波形の印加時間が上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液滴吐出ヘッドの駆動方法。
8. 液滴を吐出するノズルと、該ノズルに連通する加圧液室と、該加圧液室の一壁面を構成する振動板上に設けられた電気機械変換素子とを備え、該電気機械変換素子に電圧を印加することで該振動板を介して加圧液室内の液体を加圧して該ノズルから液滴を吐出させる液滴吐出ヘッドにおいて、
   請求項１乃至７の何れか１項に記載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手段を備えたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 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、
   上記液滴吐出手段として請求項８に記載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。

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