JP2006086223A - 圧電素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置 - Google Patents

Abstract

【解決課題】 圧電特性の劣化を修復することができる圧電素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供する。
【解決手段】 金属酸化物層１６６は、電界が印加されることにより変形する圧電体１５６に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に設けられ、当該電界の印加により圧電体１５６内に発生する酸素空孔１８０を補償し、金属酸化物層１６４は、圧電体１５６に対して印加される電界の高電位側に設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により圧電体１５６内に蓄積される酸素空孔１８０を補償するので、圧電素子１４４の圧電特性の劣化を修復することができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、印加される電圧に応じて変形する圧電体層を備えた圧電素子、当該圧電素子を複数備えた液滴吐出ヘッド及び当該液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置に関するものである。

従来、インクジェットプリンタ等の液滴吐出装置は、インク液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えている。この液滴吐出ヘッドは、複数の液滴吐出口と、各液滴吐出口のそれぞれ連結された複数の圧力発生室と、圧力発生室毎に圧電素子アクチュエータと、を備えており、圧力発生室内に充填された液体に対し、圧電素子アクチュエータを用いて圧力波（音響波）を発生させ、その圧力波によって圧力発生室に連結された液滴吐出口からインク液滴を吐出している。一般に前記圧電素子アクチュエータは、印加される電圧に応じて変形する圧電素子と、この圧電素子の変形によって圧力発生室を膨張又は圧縮させる振動板と、を含んで構成されている。

従来、このような圧電素子は、圧電体層と、圧電体層の表裏面に形成された電極層と、を順次成膜して構成されており、その材料の例として、電極層１(金／ニッケル／クロム)／圧電体層（ピエゾ素子）／電極層２(クロム／金)が挙げられる。

このような構成とされた液滴吐出ヘッドの各圧電素子に電圧を印加して駆動させ、各液滴吐出口からインク液滴の吐出させると、圧電素子の駆動履歴の違いにより圧電素子の分極状態に差が生じ、同じ電位差の電界を印加しても変形する変位量（圧電特性）が変わってしまい、各液滴吐出口から吐出されるインク液滴の量にばらつきが発生してしまうことがある。

そこで、特許文献１には、圧電素子に対してインク液滴を吐出する際に印加する電圧と逆の電圧を印加して分極を消去する技術が記載されている。この技術により、各液滴吐出口から吐出されるインク液滴のばらつきを抑えることができる。
特開２００３−８０６９８公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、吐出されるインク液滴の量のばらつきを抑えることはできるものの、液滴吐出ヘッドの駆動時間が長くなるほど圧電素子自体の圧電特性が劣化してしまう、という問題点があった。この圧電素子の劣化が進行すると電界を印加した際の変位量が小さくなってしまい、インク液滴の吐出ができなくなってしまう場合もある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたものであり、圧電特性の劣化を修復することができる圧電素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することを目的とする。

上記目的をするために、請求項１に記載の発明は、電界が印加されることにより変形する圧電体層と、前記圧電体層に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制する第１の金属酸化物層と、前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復する第２の金属酸化物層と、を備えている。

すなわち、上述した圧電特性の劣化について調査した結果、同じ条件で製造された圧電素子でも湿度が高いほど劣化の進行が速いことが判明し、また、この原因としては、圧電素子に水滴が付着し、圧電素子を駆動させる際に印加される電圧の電界と電流の相乗効果により圧電体層が還元されて酸素空孔（＋電荷）が発生し、発生した酸素空孔が圧電体層の低電位側に蓄積され、低誘電率層が形成されることが判明した。

そこで、請求項１に記載の圧電素子では、第１の金属酸化物層は、電界が印加されることにより変形する圧電体層に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制し、第２の金属酸化物層は、前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復する。

よって、請求項１に記載の発明によれば、第１の金属酸化物層が、圧電体層に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制し、第２の金属酸化物層が、前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復するので、圧電特性の劣化を修復することができる。

また、請求項１に記載の発明は、請求項２に記載の発明のように、前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の少なくとも一方を非導電性の材料で構成し、非導電性の材料で構成した前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の前記圧電体層と接する側の反対側に金属あるいは導電性金属酸化物による電極層を更に設けてもよい。

請求項１又は請求項２記載の発明は、請求項３に記載のように、前記第１の金属酸化物層及び前記第２の金属酸化物層を、イリジウム、錫、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、ストロンチウム、インジウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、マグネシウム、シリコン、タンタル、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、オスミウム、ハフニウムの少なくとも１種類を含む材料で構成することが好ましい。

一方、上記目的をするために、請求項４に記載の発明は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の複数の圧電素子と、前記圧電素子毎に設けられ、当該圧電素子に備えられた圧電体層の変形によって外部側から加圧されてインク液滴が充填された内部の体積が変化する複数の圧力発生室と、前記圧力発生室と連結され、当該圧力発生室の体積の変化によって発生する圧力波によって前記インク液滴を吐出する液滴吐出口と、を備えている。

請求項４に記載の液滴吐出ヘッドでは、複数の圧力発生室は、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の複数の圧電素子毎に設けられ、当該圧電素子に備えられた圧電体層の変形によって外部側から加圧されてインク液滴が充填された内部の体積が変化し、液滴吐出口は、前記圧力発生室と連結され、当該圧力発生室の体積の変化によって発生する圧力波によって前記インク液滴を吐出する。

よって、請求項４に記載の発明によれば、液滴吐出ヘッドは、請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の複数の圧電素子を備えているので、請求項１と同様の効果を奏することができる。

一方、上記目的をするために、請求項５に記載の発明は、請求項４の液滴吐出ヘッドと、前記液滴吐出ヘッドに備えられた圧電素子に対して電界を印加する電界印加手段と、前記圧電素子の劣化レベルを検出する劣化検出手段と、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが所定レベル未満で、かつ前記インク液滴を吐出させる場合は、前記圧電素子に対して前記所定方向の電界を印加し、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが前記所定レベル以上である場合は、前記圧電素子に対して前記逆向きの電界を印加するように前記電界印加手段を制御する制御手段と、を備えている。

請求項５に記載の液滴吐出装置では、電界印加手段は、請求項４の液滴吐出ヘッドに備えられた圧電素子に対して電界を印加し、劣化検出手段は、前記圧電素子の劣化レベルを検出し、制御手段は、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが所定レベル未満で、かつ前記インク液滴を吐出させる場合は、前記圧電素子に対して前記所定方向の電界を印加し、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが前記所定レベル以上である場合は、前記圧電素子に対して前記逆向きの電界を印加するように前記電界印加手段を制御する。

よって、請求項５に記載の発明によれば、電界印加手段は、請求項４の液滴吐出ヘッドに備えられた圧電素子に対して電界を印加し、劣化検出手段は、前記圧電素子の劣化レベルを検出し、制御手段は、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが所定レベル未満で、かつ前記インク液滴を吐出させる場合は、前記圧電素子に対して前記所定方向の電界を印加し、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが前記所定レベル以上である場合は、前記圧電素子に対して前記逆向きの電界を印加するように前記電界印加手段を制御するので、圧電特性の劣化を修復することができる。

また、請求項５に記載の発明は、請求項６に記載の発明のように、前記劣化検出手段は、前記圧電素子の電気的特性の変化に基づき当該圧電素子の劣化レベルを検出してもよい。

請求項５又は請求項６記載の発明は、請求項７に記載のように、前記電界印加手段は、前記逆向きの電界を印加する場合に、前記所定方向に電界を印加する際に前記圧電素子に対して印加される所定の電圧値よりも小さい電圧値かつ前記圧電素子に対して印加される所定の周波数よりも大きい周波数の電圧を前記圧電素子に対して前記逆向きに印加することが好ましい。

以上説明したように、本発明によれば、第１の金属酸化物層が、圧電体層に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制し、第２の金属酸化物層が、前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復するので、圧電特性の劣化を修復することができる圧電素子、液滴吐出ヘッド及び液滴吐出装置を提供することができる、という優れた効果を有する。

以下、図面を参照して本実施の形態について詳細に説明する。

まず、本実施の形態に係る圧電素子を構成する圧電体層について説明する。圧電体層を構成する材料としては電圧を印加した際に変形可能な公知の圧電体材料であれば特に限定されないが、例えば液滴吐出用の圧電素子としては、その必要とされる特性上の観点から、圧電定数が比較的大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電体を用いることが好ましい。特にドナー（例えばＮｂ等）を添加した変性ＰＺＴは圧電定数が大きく、液滴吐出用途としては好適である。

また、圧電体層の厚みは特に限定されないが、実用上は１〜５０μｍの範囲内であることが好ましい。

また、圧電体層の両方の面には、金属酸化物層（導電性、非導電性の何れでもよい）を公知の成膜法、例えばスパッタリング法やＣＶＤ法等の気相成膜法やゾルゲル法等の液相成膜法を利用して形成する。また、金属酸化物層を構成する金属酸化物としては公知の金属酸化物であれば特に限定されないが、イリジウム、錫、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、ストロンチウム、インジウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、マグネシウム、シリコン、タンタル、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、オスミウム、ハフニウムのうちの少なくとも１種の金属元素を含む金属酸化物であることが好ましい。特に、これらの金属酸化物の中でも、圧電体層への酸素供給能力をより大きくすることができる点で、イリジウム（Ｉｒ）、ルテニウム（Ｒｕ）、錫（Ｓｎ）を含む金属酸化物がより好ましい。

また、このような金属酸化物からなる金属酸化物層の厚みは、５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましく、１００ｎｍ〜０．５μｍの範囲内であることがより好ましい。

金属酸化物層の厚みが５０ｎｍよりも薄い場合には、特に高湿下において圧電素子の低電位の電極層側に酸素空孔が蓄積され、圧電特性の経時的劣化を招いてしまう場合がある。また、金属酸化物層の厚みが１μｍよりも厚い場合には、この金属酸化物層が圧電素子の変形を阻害したり、圧電素子として求められる十分な変位量が確保できなくなる場合がある。

なお、この金属酸化物層の導電性については特に限定されないが、導電性を有する場合には、金属酸化物層を電極層として機能させことができる。一方、金属酸化物層が非導電性である場合には、この金属酸化物層の圧電体層側の反対側の面に公知の金属や導電性金属酸化物等の導電性材料からなる電極層を設ける必要がある。この電極層を形成する場合には、金属や導電性金属酸化物等の公知の導電性材料を上述した公知の成膜方法を利用して形成する。この電極層を２層以上の構成とする場合には、この金属層の表面に更に他の導電性材料を公知の成膜方法を利用して形成することができる。なお、金属酸化物層が非導電性である場合には、金属酸化物層と電極層とを合わせた厚みが５０ｎｍ〜１μｍの範囲内であることが好ましい。

このようにして作製された大きい板状の圧電素子は、ダイシング法やブラスト法等の公知の加工方法により所望のサイズに加工することによって、液滴吐出ヘッドの作製等に用いることができる。

あるいは、本実施の形態に係る圧電素子を、振動板を有する液滴吐出ヘッドの作製にのみ用いるような場合には、振動板となる基板上に、圧電素子を構成する各層を上記に例示したような気相成膜法を利用して順次成膜することにより積層して圧電素子を形成することもできる。

次に、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドについて説明する。液滴吐出ヘッドは、圧電素子を利用して液滴を液滴吐出口（ノズル）から吐出可能なものであれば特に限定されないが、具体的には次のような構成を有するものであることが好ましい。

すなわち、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドは、液体が充填される圧力発生室と、前記圧力発生室と連通し、インク液滴を吐出可能な液滴吐出口と、前記圧力発生室の壁面の少なくとも一部を構成し、振動することにより前記圧力発生室を膨張又は収縮させる振動板、および、画像情報に応じて印加された電圧によって変形することにより前記振動板を振動させる圧電素子を少なくとも備えたアクチュエーターと、を有してなるものであることが好ましい。また、本実施の形態に係る液滴吐出装置は、液滴吐出ヘッドを備えたものであれば特に限定されない。

以下に、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの具体例について図１、図２を参照しつつ詳細に説明する。

本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１１２は、インク液滴を吐出する液滴吐出口１５２（図２参照）が用紙等の記録媒体の幅方向の全幅に対応する幅にわたって多数配置された、所謂ライン型の液滴吐出ヘッド１１２であり、各液滴吐出口１５２に対してそれぞれインク液滴を吐出させるための圧電素子１４４が液滴吐出口１５２と同数配置されている。

このように、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１１２には記録媒体の幅のサイズに対応する幅にわたって多数の液滴吐出口１５２が設けられており、当該液滴吐出ヘッド１１２を用いたインクジェットプリンタ等の液滴吐出装置では、液滴吐出ヘッド１１２と記録媒体との少なくとも一方を記録媒体幅方向と直交する方向へ相対的に移動させながらインクによる画像の記録を行う。

図１は、液滴吐出ヘッド１１２の圧電素子１４４が配置されている表面を部分的に示しており、液滴吐出ヘッド１１２の裏面側に圧電素子１４４と１対１で液滴吐出口１５２（図２参照）が設けられている。この液滴吐出ヘッド１１２には、二次元的に記録媒体幅方向に多数列、記録媒体幅方向と直交する方向に４行分の圧電素子１４４が設けられている。なお、図１では、記録媒体幅方向に配置された多数の圧電素子１４４の内の４列分のみを図示している。この記録媒体幅方向と直交する方向に圧電素子１４４を４行分有するのは、記録媒体に対して１度に４行分のインク液滴の吐出を行うことで記録速度を高速化するためである。

図２には、図１のＡ−Ａ線の断面が示されている。なお、図２では、液滴吐出ヘッド１１２の1個の圧電素子１４４のみに関する部分の断面を示すが、他の圧電素子１４４に関する部分についても同様となっている。

図２に示されるように、液滴吐出ヘッド１１２は、積層流路板１１４を有している。積層流路板１１４は、下層から、ノズルプレート１１６、流路プレート１１８、供給路プレート１２０、圧力発生室プレート１２２、および振動板１２４の合計５枚のプレートを位置合わせして積層し、接着剤等の接合手段によって接合することにより形成されている。

ノズルプレート１１６には、液滴吐出口１５２が形成されており、圧力発生室プレート１２２、供給路プレート１２０、流路プレート１１８には、液滴吐出口１５２の位置毎に短孔１４７、１４８、１５０が設けられて、短孔１４７、１４８、１５０により液滴吐出口１５２毎に個別に圧力発生室１４２が構成されている。

また、流路プレート１１８には、各圧力発生室１４２へインクを供給するため記録媒体幅方向に沿って連通された長孔１３６（図１の想像線参照）が形成されており、長孔１３６と各圧力発生室１４２とはインク供給孔１４６によって繋がっている。図１に示されるように、この液滴吐出ヘッド１１２には、記録媒体幅方向と直交する方向に圧電素子が４行あるため、長孔１３６も記録媒体幅方向に沿って４つ形成されている。この各長孔１３６には、図示しないインク供給装置が接続されており、インク供給装置から長孔１３６へ供給されたインクがインク供給孔１４６を通して各圧力発生室１４２内に充填されるようになっている。

振動板１２４には、それぞれの圧力発生室１４２に対応して圧電素子１４４が取り付けられている。圧電素子１４４は、図２に示すように、圧電体（層）１５６と、この圧電体１５６の厚み方向の両端面に設けられた金属酸化物層１６４、１６６、さらに金属酸化物層１６４、１６６の圧電体１５６と面する側の反対側の面に設けられた電極層１５８、１６０と、含んで構成されている。

なお、本実施の形態では、金属酸化物層１６４、１６６を非導電性の材料とし、金属酸化物層１６４、１６６に電極層１５８、１６０を成膜した構成の圧電素子１４４を用いて説明を行うが、上述したように金属酸化物層１６４、１６６を導電性の材料で構成した場合、金属酸化物層１６４、１６６が電極層の機能も兼ねることができるため、電極層１５８、１６０が不要となる。

この圧電素子１４４に、画像情報に応じた駆動電圧波形を印加すると、圧電素子１４４が変形して振動板１２４が振動し、圧力発生室１４２を膨張または圧縮させる。これによって圧力発生室１４２に体積変化が生じると、圧力発生室１４２内に圧力波が発生する。この圧力波の作用によって圧力発生室１４２内に充填されたインクが液滴吐出口１５２から外部へ吐出される。特に、本実施の形態では、上述したように、圧電素子１４４が、圧力発生室１４２のそれぞれに対応して１対１で設けられており、圧力発生室１４２ごとに圧電素子１４４が独立して個別化されている。このため、各々の圧電素子１４４が、隣り合う圧電素子１４４の影響を受けることなく、それぞれの圧電特性を発揮できるようになっている。

ここで、本実施の形態に係る圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法について材料等の具体例を挙げて図２、図３を参照しつつ説明する。（図３は、図２の圧電素子１４４を拡大した図である）
（１）まず、必要な厚さ（例えば、３０μｍ）に加工したＰＺＴからなる圧電体１５６の振動板１２４側の面上に金属酸化物層１６６として、例えば、酸化錫膜を形成する。この場合には、酸化錫ターゲットを用いてスパッタリング法により形成したり、錫ターゲットを用いて反応性スパッタリング法により形成したりする。そして、この形成した金属酸化物層１６６が非導電性材料からなる場合には、金属酸化物層１６６の圧電体１５６とは裏側となる面上に電極層１６０を成膜する。この電極層１６０は、例えば、Ｎｉ層、Ａｕ層の２層から構成されており、Ｎｉ層をＮｉターゲットを用いてスパッタリング法により成膜し、Ａｕ層をＡｕターゲットを用いて順次スパッタリング法により成膜して電極層１６０（以下、第２の電極層という）を形成する。

（２）次に、圧電体１５６の金属酸化物層１６６とは裏側となる面上に、上述と同様に金属酸化物層１６４として、例えば、酸化錫膜を成膜する。そして、この形成した金属酸化物層１６６が非導電性材料からなる場合には、金属酸化物層１６４の圧電体１５６とは裏側となる面上に電極層１５８を成膜する。この電極層１５８は、配線の接続を容易とするために、例えば、Ｎｉ層、Ａｕ層の２層から構成されており、Ｎｉ、Ａｕの各ターゲットを用いて上述と同様にＮｉ層、Ａｕ層をスパッタリング法により順次積層して当該電極層１５８（以下、第１の電極層という）を形成する。

（３）このようにして構成された積層体を、各圧力発生室１４２に対応した形状で、且つ、積層体各層の断面が露出する構造となるようにブラスト法やダイシング法等により個別化し、圧電素子１４４を形成する。

（４）次に形成した圧電素子１４４を、あらかじめ複数のプレートが積層された積層流路板１１４（図２参照）の振動板１２４に接着剤１６２（図２参照）により接合し、圧電素子１４４と振動板１２４とでピエゾアクチュエータを構成する。

（５）圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０に半田接合等の電気接点を介してフレキシブルケーブルをそれぞれ接続する。

なお、本実施の形態に係る圧電素子１４４は、図２に示されるように、第１の電極層１５８と第２の電極層１６０とが圧電素子１４４毎に分離されているが、第１の電極層１５８のみを分離し、第２の電極層１６０を積層流路板１１４上の面で一体となって繋がるように形成してもよい。

以上により、本実施の形態に係る液滴吐出ヘッド１１２が構成されるが、圧電素子１４４及び液滴吐出ヘッド１１２の製造方法は以上の方法に限定されるものではなく、以上の方法に対して変形、改良、修正、簡略化などを加えることができることは言うまでもない。

ところで、一例として、本実施の形態に係る圧電素子１４４から金属酸化物層１６４、１６６を除いて従来の圧電素子を想定した場合、第１の電極層１５８に高電位で、第２の電極層１６０に低電位の電圧を周期的に印加して、前記従来の圧電素子を駆動させると圧電体１５６の圧電特性が劣化する場合があり、この圧電特性の劣化は、圧電体１５６での酸素空孔の発生によるものであって、この酸素空孔の発生は、電圧の印加による電界と電流の相乗効果により水分が電解されてイオンの形で圧電体１５６に進入して圧電体１５６を構成する材料を還元し、酸素空孔を発生させるものであることは前述した通りである。

これに対し、本実施の形態の圧電素子１４４では、図４（Ａ）に示されるように、この圧電体１５６に発生した酸素空孔１８０を圧電体１５６の低電位印加側の面に接して設けられた金属酸化物層１６６から供給される酸素イオン１８２により補償して打ち消すことができる。しかしながら、金属酸化物層１６６により補償できる能力には限界があるため、補償されずに蓄積される酸素空孔１８０もあり、酸素空孔１８０が蓄積されると、圧電体１５６の電気的特性が変化し、また、圧電特性も劣化していた。

このため、本実施の形態に係る液滴吐出装置では、圧電体１５６の電気的特性として静電容量を検出し、検出した静電容量を初期状態（製造時の状態）の静電容量と比較して酸素空孔１８０の蓄積による圧電特性の劣化レベルを検出し、静電容量の変化が所定の範囲を超えた場合に、一例として、図４（Ｂ）に示すように、通常のインク液滴の吐出時とは逆に第１の電極層１５８に低電位、第２の電極層１６０に高電位の電圧を印加し、逆電界を発生させて蓄積された酸素空孔１８０の補償を金属酸化物層１６４によって行い、圧電素子１４４の劣化の修復を行っている。

なお、本実施の形態の液滴吐出装置では圧電素子１４４の静電容量の変化により酸素空孔の蓄積による劣化レベルを検出しているが、酸素空孔の蓄積により静電容量以外の例えば、抵抗値等の電気的特性が変化する場合、その電気的特性を適用して劣化レベルを検出してもよい。

ここで、圧電素子１４４の静電容量を、例えば、５００ｐＦとした場合、各圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０の間に所定の周波数（例えば、１ＫＨｚ）の電圧を印加した際に流れる電流は圧電素子１４４の静電容量に応じてほぼ一定の値となる。しかし、酸素空孔１８０が蓄積した圧電素子１４４では静電容量が減少するため、前記所定の周波数（例えば、１ＫＨｚ）の電圧を印加した際に流れる電流の量が減少する。このため、圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０の間の電流量から静電容量を検出し、初期状態（製造時の状態）の静電容量と比較して静電容量の変化した割合から圧電素子１４４の劣化レベルを検出することが可能である。

図５には、所定時間使用後の複数の液滴吐出ヘッド１４４（液滴吐出ヘッドＡ〜Ｈ）における圧電素子１４４に対して、第１の電極層１５８と第２の電極層１６０との間の印加電圧を切替えて逆電界を発生させ、修復を行った結果が示されている。図５に示されるように、劣化した圧電素子１４４に対して逆電界の電圧を印加することにより、蓄積された酸素空孔１８０を補償して圧電素子１４４の劣化をある程度修復することができた。

特に、初期時の液滴吐出ヘッドの圧電素子１４４の静電容量と、所定時間使用後の液滴吐出ヘッドの圧電素子１４４の静電容量と、を比較した割合が９７％以上（劣化レベル３％以内）である場合は、ほぼ初期状態まで回復させることができることがわかった。そのため、後述する圧電素子修復処理では、劣化レベルが所定レベル（例えば、３％）以上の場合に圧電素子１４４に対して逆電界の電圧を印加して修復を行っている。

次に、図６を参照して、液滴吐出ヘッド１１２が適用された液滴吐出装置１０の要部構成を説明する。なお、同図では錯綜を回避するために、液滴吐出ヘッド１１２に設けられた圧電素子１４４を１つのみ図示している。

本実施の形態に係る液滴吐出装置１０は、当該液滴吐出装置１０全体の動作を司る制御部２００と、当該制御部２００及び液滴吐出ヘッド１１２の間に介在された駆動回路２０２と、が備えられている。

ここで、本実施の形態に係る制御部２００は、液滴吐出ヘッド１１２によって形成する画像を示す画像情報が入力されるものとして構成されており、当該画像情報が入力されると、不図示の記録媒体移動部を制御して不図示の記録媒体を記録媒体幅方向と直交する方向へ移動させると共に、入力された画像情報に基づき、前記記録媒体移動部による用紙の移動動作と協働して当該画像情報によって示される画像が用紙上に形成されるように、液滴吐出ヘッド１１２に設けられた各圧電素子１４４へ電圧を印加させるための駆動信号を駆動回路２０２に出力する。

駆動回路２０２は、各圧電素子１４４の第１の電極層１５８及び第２の電極層１６０とそれぞれフレキシブルケーブルにより接続されており、更に不図示の電源及びグランドレベル（ＧＮＤされている配線）と接続されている。

駆動回路２０２は、制御部２００から入力された駆動信号により駆動させることが指示された圧電素子１４４の第１の電極層１５８へ所定の周波数で電圧を印加すると共に、第２の電極層１６０の電位をグランドレベルとする。これにより駆動対象とされた圧電素子１４４は振動するため、液滴吐出口１５２からインク液滴が吐出され、この結果として上記画像情報によって示される画像が記録媒体に形成されることになる。なお、本実施の形態に係る液滴吐出装置１０では、第１の電極層１５８へ印加する電圧を圧電体１５６の厚さ１μｍに対して、例えば、１Vとしているので、圧電体１５６の厚さが３０μｍであるため、３０Vの電圧が印加される。また、本実施の形態では、前記所定の周波数を電圧の印加に反応して圧電体１５６を変形できる周波数できるものとして、予め定められたており、例えば、数十ＫＨｚ程度としている。なお、本実施の形態では、第１の電極層１５８に上述した３０Ｖの電圧を印加して第２の電極層１６０より高電位とし、電位差を３０Ｖとしているが、第１の電極層１５８の電位をグランドレベルとして、第２の電極層に、例えば、−３０Ｖの電圧を印加して電位差を３０Ｖとしてもよい。また、第１の電極層１５８と第２の電極層１６０に異なる電圧（極性が異なる場合も含む）を印加して電位差を発生させてもよい。

ここで、本実施の形態に係る圧電素子１４４では、前述したように、駆動信号により圧電体１５６内に発生した酸素空孔１８０を圧電体１５６の低電位印加側の面に接して設けられた金属酸化物層１６６から供給される酸素イオン１８２により補償されて打ち消すように作用するが、その後も、補償されずに蓄積される酸素空孔１８０がある。

このため、制御部２００は、画像情報に基づく駆動信号を出力していない期間に液滴吐出ヘッド１１２の各圧電素子１４４の劣化レベルを検出し、この検出結果に応じて酸素空孔１８０を補償して劣化を修復する圧電素子修復処理を行う。

一方、本実施の形態に係る液滴吐出装置１０には、液滴吐出ヘッド１１２に設けられた任意の圧電素子１４４の第１の電極層１５８及び第２の電極層１６０を後述する電流測定回路２０６に選択的かつ電気的に接続する切替制御部２０４が備えられている。

また、本実施の形態に係る液滴吐出装置１０は、電気的に接続された２点間に流れる電流のレベルを測定し、当該レベルを示す電流レベル信号を出力する電流測定回路２０６が備えられている。

ここで、切替制御部２０４は、制御部２００及び電流測定回路２０６と接続されており、当該切替制御部２０４による圧電素子１４４の選択は制御部２００によって制御されると共に、これによって選択された圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０は電流測定回路２０６に接続される。

そして、電流測定回路２０６の前記電流レベル信号を出力する出力端子は制御部２００に接続されている。従って、制御部２００は、自身が選択した圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０の間に所定の電圧を印加するように駆動回路２０２を制御すると共に、当該選択した圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０が電流測定回路２０６に接続されるように切替制御部２０４を制御することによって、自身が選択した圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０の間に流れる電流のレベルに基づき静電容量を検出することができる。

一方、制御部２００には、劣化していない初期状態（製造時の状態）の圧電素子１４４の静電容量の値が記憶されている圧電素子特性照合部２１０が設けられている。圧電素子特性照合部２１０は、電流のレベルに基づき検出された圧電素子１４４の静電容量を初期状態の静電容量と比較することにより当該圧電素子１４４の劣化の度合（以下、劣化レベルという）を検出する。

そして、制御部２００は、圧電素子特性照合部２１０の比較によって得られた劣化レベルが所定レベル（例えば、３％）以上であった場合に、当該圧電素子１４４に対する修復を行うため、駆動回路２０２へ当該圧電素子１４４の修復を指示する修復指示信号を出力する。

駆動回路２０２は、修復指示信号で指示された圧電素子１４４へインク液滴の吐出させる際の所定の周波数（数十ＫＨｚ）よりも高い周波数（数百ＫＨｚ）の電圧をインク液滴を吐出させる際とは逆向きの電界を形成するように印加する。ここで、所定の周波数よりも高い周波数とは、圧電素子１４４の圧電層１５６が印加された電圧に反応して変形することのない、インク液滴を吐出させる際の周波数よりも高い周波数である。従って、当該周波数の電圧を印加しても圧力発生室１４２内にインク液滴を吐出させるだけの圧力波が発生しないため、液滴吐出口１５２からインク液滴が吐出しない。

また、ここで、印加する電圧は、圧電体１５６の厚さ１μｍに対して、例えば、０．２Vとしており、本実施の形態では圧電体１５６の厚さが３０μｍであるため、６Ｖとしている。これにより、所定の圧電体１５６の変形が小さくなるため、液滴吐出口１５２からインク液滴が吐出することを防ぐことができる。

なお、本実施の形態の駆動回路２０２は、修復指示信号を受けると、インク液滴を吐出させる際よりも低い電圧値でかつ高い周波数の電圧を圧電素子１４４へ印加するが、何れか一方のみ満たす電圧を印加してもよい。

一方、制御部２００には、各圧電素子１４４の使用頻度を記憶している使用頻度変更部２１２が更に設けられている。制御部２００は、修復指示信号を出力して劣化の修復を行った圧電素子１４４に関して静電容量の検出を行い、上記所定レベル以上劣化している圧電素子１４４の使用頻度を低下させる。

次に、本実施の形態の作用として本発明に特に関係する圧電素子修復処理を実行する際の液滴吐出装置１０の作用を、図６を参照しつつ詳細に説明する。

なお、図６は、当該圧電素子修復処理を実行する際に制御部２００において実行される圧電素子修復処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。

まず、同図のステップ２５０では、液滴吐出ヘッド１１２における各圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０の間の電流レベルを検出するように、駆動回路２０２及び切替制御部２０４を制御する。これによって、検出された電流レベルから静電容量が検出される。

次のステップ２５４では、検出した各圧電素子１４４の静電容量に予め記憶されている初期状態（製造時の状態）の静電容量より所定値以上低下したものが存在するか否かを判定して否定判定となった場合は、本圧電素子修復処理プログラムを終了し、肯定判定となった場合は、ステップ２５６へ移行する。

すなわち、本実施の形態に係る圧電素子修復処理プログラムでは、圧電素子１４４の静電容量の低下を本発明の劣化レベルとして適用している。なお、この際、閾値として用いた上記所定値は、図５を参照して説明した所定レベルに基づき初期状態の静電容量の３％の値とすることが好ましい。例えば、初期状態の静電容量が５００ｐＦならば、所定値は５００ｐＦ×３％＝１５ｐＦとなり、検出した各圧電素子１４４の静電容量の低下が初期状態の静電容量５００ｐＦよりも１５ｐＦ以上である（すなわち、４８５ｐＦ以下）ものが存在するか否かを判定している。

次のステップ２５６では、上記ステップ２５２において酸素空孔１８０が蓄積して劣化が発生していると判定された圧電素子１４４の劣化の修復を指示する修復指示信号を駆動回路２０２へ出力し、第１の電極層１５８と第２の電極層１６０に印加される電圧をインク液滴吐出時（画像形成時）と逆極性で印加させることにより逆電界の発生を開始させ、蓄積された酸素空孔１８０の補償を開始させ、次のステップ２５８にて、所定時間の経過待ちを行う。

なお、上記所定時間として本実施の形態では、当該時間だけ逆電界の印加を行った場合に圧電素子１４４に蓄積された酸素空孔１８０を可能な限り補償することができる時間として、液滴吐出装置１０の実機を用いた実験や、液滴吐出装置１０及び液滴吐出ヘッド１１２の設計仕様等に基づくコンピュータ・シミュレーション等によって予め取得された時間を適用することができる。

次のステップ２６０では、上記ステップ２５６において駆動回路２０２に対して出力を開始した修復指示信号の出力を停止して逆電界の印加を停止させ、次のステップ２６２では、上記ステップ２５０と同様に各圧電素子１４４の第１の電極層１５８と第２の電極層１６０との間の電流レベルから静電容量を検出する処理を再度行う。

次のステップ２６４では、検出された静電容量（電気的特性）から求まる劣化レベルがが所定レベル（例えば、３％）未満であるかを判別して、圧電素子１４４の劣化が十分に修復できたか否かを判定し、肯定判定となった場合は、本圧電素子修復処理プログラムを終了し、否定判定となった場合には、ステップ２６６に移行して、当該圧電素子１４４の使用頻度を低減させるための設定を行い、当該圧電素子１４４の劣化の進行を抑制するようにした後、本圧電素子修復処理プログラムを終了する。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の金属酸化物層（ここでは、金属酸化物層１６６）は、電界が印加されることにより変形する圧電体層（ここでは、圧電体１５６）に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制し、第２の金属酸化物層（ここでは、金属酸化物層１６４）は、前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復するので、圧電素子１４４の圧電特性の劣化を修復することができる。

また、前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の少なくとも一方を非導電性の材料で構成し、非導電性の材料で構成した前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の前記圧電体層と接する側の反対側に金属あるいは導電性金属酸化物による電極層（ここでは、第１の電極層１５８又は第２の電極層１６０）を更に設けたので、第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層に非導電性の材料を適用することができる。

なお、第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層が導電性であった場合は、第１の電極層１５８と第２の電極層１６０を設けなくてもよい。

さらに、前記第１の金属酸化物層及び前記第２の金属酸化物層を、イリジウム、錫、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、ストロンチウム、インジウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、マグネシウム、シリコン、タンタル、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、オスミウム、ハフニウムの少なくとも１種類を含む材料で構成することができるので、酸素空孔１８０を酸素イオン１８２によって補償することができる。

さらに、液滴吐出ヘッド１１２は、本発明に係る圧電素子を複数備えているので、前述したような圧電素子の効果と同様に圧電特性の劣化を修復することができる。

さらに、電界印加手段（ここでは、駆動回路２０２）は、請求項４の液滴吐出ヘッド１１２に備えられた圧電素子１４４に対して電界を印加し、劣化検出手段（ここでは、圧電特性照合部２１０）は、前記圧電素子１４４の前記酸素空孔の蓄積による劣化レベルを検出し、制御手段（ここでは、制御部２００）は、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが所定レベル未満で、かつ前記インク液滴を吐出させる場合は、前記圧電素子に対して前記所定方向の電界を印加し、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが前記所定レベル以上である場合は、前記圧電素子に対して前記逆向きの電界を印加するように前記電界印加手段を制御するので、圧電特性の劣化を修復することができる。

また、前記劣化検出手段は、前記圧電素子１４４の電気的特性の変化に基づき前記酸素空孔の蓄積による当該圧電素子の劣化レベルを検出するので、容易に酸素空孔１８０を検出することができる。

また、前記電界印加手段は、前記逆向きの電界を印加する場合に、前記所定方向に電界を印加する際に前記圧電素子１４４に対して印加される所定の電圧値よりも小さい電圧値かつ前記圧電素子１４４に対して印加される所定の周波数よりも大きい周波数の電圧を前記圧電素子に対して前記逆向きに印加するので、逆向きの電界を印加する際にインク液滴が吐出されることを防ぐことができる。

（変形例）
次に、図８を参照して本実施の形態の変形例について説明する。なお、図８の図６と同一符号個所は図６と同様のものであるため説明を省略し、新しく追加した箇所は新たな符号を付して説明する。

上述した実施の形態では、各圧電素子１４４の静電容量に基づき酸素空孔１８０による劣化の検出を行ったが、本変形例の特徴は、湿度センサ２３０及び駆動数カウント部２３２を用いて高湿度環境で駆動した回数をカウントして劣化の修復を行う点にある。

酸素空孔１８０は高湿度（湿度が７０％以上）で多量に発生するため、本変形例では湿度センサ２３０を液滴吐出ヘッド１１２の近傍に配置している。

湿度センサ２３０は、液滴吐出ヘッド１１２の近傍の雰囲気の湿度を検出して湿度信号を駆動数カウント部２３２へ出力する。

駆動数カウント部２３２は、湿度センサ２３０により検出された液滴吐出ヘッド１１２の近傍の雰囲気の高湿度状態となると、制御部２００から駆動回路２０２へ駆動信号が出力された回数をカウントする。駆動数カウント部２３２には、内部に図示しないタイマーが内蔵されており、カウント数が所定の時間の間（例えば、１０分間）に所定回（例えば、１０００００００回）以上検出された場合に、修復開始信号を制御部２００へ出力する。

制御部２００は、修復開始信号を受けると全ての圧電素子１４４に対して修復指示信号を順次出力して、実施の形態の圧電素子修復処理のステップ２５６以降と同様に圧電素子１４４に蓄積された酸素空孔１８０を補償を行う。

以上のように、本変形例によれば、液滴吐出装置１０は、高湿度環境で頻繁に使用されると圧電素子１４４に酸素空孔１８０が蓄積されて劣化の進行が早いため、所定の時間の間の駆動数をカウントし、所定回以上の駆動信号が検出された場合に圧電素子１４４に対して逆電界を印加することにより、圧電素子１４４の修復処理を行うタイミングが適切になる。

よって、実施の形態のように各圧電素子１４４の劣化レベルの検出を行わなくても、圧電素子修復処理のタイミングを適切な時期に実行することができる。

実施の形態に係る液滴吐出ヘッドの構成を示す平面図である。 図１のＡ―Ａ線断面図である。 実施の形態に係る圧電素子の断面図（拡大図）である。 実施の形態に係る圧電素子の酸素空孔及び補償の説明に供する概念図である。 実施の形態に係る劣化した圧電素子に補償を行った際の効果の説明に供するグラフである。 実施の形態に係る液滴吐出装置の要部構成を示すブロック図である。 実施の形態に係る圧電素子修復処理プログラムの処理の流れを示すフローチャートである。 変形例に係る液滴吐出装置の要部構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０ 液滴吐出装置
１１２ 液滴吐出ヘッド
１４２ 圧力発生室
１４４ 圧電素子
１５０ 電極層
１５２ 液滴吐出口
１５６ 圧電層（圧電体層）
１５８ 電極層
１６０ 電極層
１６４ 金属酸化物層（第２の金属酸化物層）
１６６ 金属酸化物層（第１の金属酸化物層）
１８０ 酸素空孔
２００ 制御部（制御手段）
２０２ 駆動回路（電界印加手段）
２１０ 圧電素子特性照合部（劣化検出手段）

Claims (7)

1. 電界が印加されることにより変形する圧電体層と、
   前記圧電体層に対して所定方向の電界が印加される際の低電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界の印加により発生する前記圧電体層の劣化を抑制する第１の金属酸化物層と、
   前記圧電体層に対して印加される電界の高電位側に当該圧電体層に接して設けられ、当該電界とは逆向きの電界の印加により劣化した前記圧電体層を修復する第２の金属酸化物層と、
   を備えた圧電素子。
2. 前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の少なくとも一方を非導電性の材料で構成し、
   非導電性の材料で構成した前記第１の金属酸化物層又は第２の金属酸化物層の前記圧電体層と接する側の反対側に金属あるいは導電性金属酸化物による電極層を更に設けた
   ことを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
3. 前記第１の金属酸化物層及び前記第２の金属酸化物層を、イリジウム、錫、ルテニウム、レニウム、ロジウム、パラジウム、ストロンチウム、インジウム、チタン、ジルコニウム、ニオブ、マグネシウム、シリコン、タンタル、アルミニウム、亜鉛、マンガン、コバルト、オスミウム、ハフニウムの少なくとも１種類を含む材料で構成した
   ことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の圧電素子。
4. 請求項１乃至請求項３の何れか１項記載の複数の圧電素子と、
   前記圧電素子毎に設けられ、当該圧電素子に備えられた圧電体層の変形によって外部側から加圧されてインク液滴が充填された内部の体積が変化する複数の圧力発生室と、
   前記圧力発生室と連結され、当該圧力発生室の体積の変化によって発生する圧力波によって前記インク液滴を吐出する液滴吐出口と、
   を備えた液滴吐出ヘッド。
5. 請求項４の液滴吐出ヘッドと、
   前記液滴吐出ヘッドに備えられた圧電素子に対して電界を印加する電界印加手段と、
   前記圧電素子の劣化レベルを検出する劣化検出手段と、
   前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが所定レベル未満で、かつ前記インク液滴を吐出させる場合は、前記圧電素子に対して前記所定方向の電界を印加し、前記劣化検出手段により検出された劣化レベルが前記所定レベル以上である場合は、前記圧電素子に対して前記逆向きの電界を印加するように前記電界印加手段を制御する制御手段と、
   を備えた液滴吐出装置。
6. 前記劣化検出手段は、前記圧電素子の電気的特性の変化に基づき当該圧電素子の劣化レベルを検出する
   ことを特徴とする請求項５記載の液滴吐出装置。
7. 前記電界印加手段は、前記逆向きの電界を印加する場合に、前記所定方向に電界を印加する際に前記圧電素子に対して印加される所定の電圧値よりも小さい電圧値かつ前記圧電素子に対して印加される所定の周波数よりも大きい周波数の電圧を前記圧電素子に対して前記逆向きに印加する
   ことを特徴とする請求項５又は請求項６記載の液滴吐出装置。

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