JP2013180530A

JP2013180530A - Liquid ejecting apparatus

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Publication number: JP2013180530A
Application number: JP2012047422A
Authority: JP
Inventors: Akio Konishi; 晃雄小西
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2013-09-12

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid ejecting apparatus which is able to obtain a sufficient displacement characteristic by using a compound oxide of a perovskite structure including bismuth, iron, barium and titanium as a piezoelectric material.SOLUTION: A liquid ejecting device includes: a piezoelectric element having a piezoelectric layer and an electrode; and a driving means which supplies a driving waveform to the piezoelectric element, wherein the piezoelectric layer is formed of a compound oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium and titanium, an is oriented with priority on a (100) plane, wherein the driving waveform includes: a polarization process of applying a first voltage equal to or larger than a coercive voltage of the piezoelectric layer to put the layer into a polarized state; a first voltage changing process of applying a voltage of polarity reverse to the first voltage from the first voltage, mitigating the polarization of the piezoelectric layer and decreasing the potential to the minimum potential; and a second voltage changing process of applying a voltage larger than the first voltage, ejecting liquid and increasing the potential to the maximum potential from the minimum potential, and wherein a difference of electric fields applied to the piezoelectric layer at the maximum potential and the minimum potential is 6.1×10(V/m) or more.

Description

本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる圧電素子を具備する液体噴射装置に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting apparatus including a piezoelectric element that causes a pressure change in a pressure generation chamber communicating with a nozzle opening.

液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズル開口からインク滴として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。 As a typical example of a liquid ejecting head mounted on a liquid ejecting apparatus, for example, a part of a pressure generating chamber communicating with a nozzle opening for ejecting ink droplets is configured by a diaphragm, and the diaphragm is deformed by a piezoelectric element. There is an ink jet recording head that pressurizes ink in a pressure generating chamber and discharges the ink as ink droplets from a nozzle opening.

このような圧電素子を構成する圧電体層として用いられる圧電材料の代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（以下「ＰＺＴ」という）が挙げられるが、環境問題の観点から、非鉛又は鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。そこで、非鉛系の圧電材料としては、例えば、Ｂｉ及びＦｅを含有するＢｉＦｅＯ_３系の圧電材料がある（例えば、特許文献１参照）。 A typical example of a piezoelectric material used as a piezoelectric layer constituting such a piezoelectric element is lead zirconate titanate (hereinafter referred to as “PZT”), but from the viewpoint of environmental problems, it contains non-lead or lead. There is a need for a piezoelectric material with a reduced amount. Thus, as a lead-free piezoelectric material, for example, there is a BiFeO ₃ -based piezoelectric material containing Bi and Fe (see, for example, Patent Document 1).

特開２００７−２８７７４５号公報JP 2007-287745 A

しかしながら、このような非鉛又は鉛の含有量を抑えた複合酸化物からなる圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）と比較すると変位量が十分ではないので、変位量の向上が求められている。 However, since the piezoelectric layer made of a composite oxide with a reduced content of lead or lead is not sufficient in displacement compared to lead zirconate titanate (PZT), an improvement in displacement is required. It has been.

なお、このような問題は、インクジェット式記録ヘッドだけではなく、勿論、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在し、また、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子においても同様に存在する。 Such a problem exists not only in the ink jet recording head, but of course in other liquid ejecting heads that eject droplets other than ink, and also in piezoelectric elements used in other than liquid ejecting heads. Exist as well.

本発明はこのような事情に鑑み、圧電材料として、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物を用いて十分な変位特性を得ることができる液体噴射装置を提供することを目的とする。 In view of such circumstances, the present invention has an object to provide a liquid ejecting apparatus that can obtain sufficient displacement characteristics using a composite oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium, and titanium as a piezoelectric material. And

上記課題を解決する本発明の態様は、圧電体層および該圧電体層に設けられた電極を備えた圧電素子と、前記圧電素子を駆動する駆動波形を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する液体噴射装置であって、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向した、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなり、前記駆動波形が、前記圧電体層の抗電圧以上の第１電圧を印加して分極状態とする分極工程と、前記第１電圧の印加状態から前記第１電圧とは逆極性の電圧を印加して前記圧電体層の分極を緩和させると共に最小電位まで降下させる第１の電圧変化工程と、前記最小電位から、前記第１電圧より大きな電圧を印加して液体を吐出すると共に最大電位まで上昇させる第２の電圧変化工程と、を有し、前記最大電位と最小電位における前記圧電体層にかかる電界の差が、６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）以上であることを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる本発明によれば、低電界で優れた圧電特性を有する液体噴射装置を実現できる。また、圧電材料を、非鉛系、すなわち、鉛を含有しないものとしているため、環境への負荷が小さい液体噴射装置を実現できる。 An aspect of the present invention that solves the above problems includes a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer, and a driving unit that supplies a driving waveform for driving the piezoelectric element to the piezoelectric element. The piezoelectric layer is made of a composite oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium, and titanium preferentially oriented in the (100) plane, and the driving waveform is the piezoelectric body. A polarization step of applying a first voltage equal to or higher than the coercive voltage of the layer to obtain a polarization state; and applying a voltage having a polarity opposite to the first voltage from the application state of the first voltage to change the polarization of the piezoelectric layer. A first voltage changing step for relaxing and dropping to a minimum potential; a second voltage changing step for applying a voltage higher than the first voltage from the minimum potential to discharge the liquid and raising the voltage to the maximum potential; Have Difference in electric field applied to the piezoelectric layer in the maximum potential and the minimum potential, a liquid-jet apparatus characterized in that ^{6.1 × 10 7 (V / m} ) or more.
According to the present invention, it is possible to realize a liquid ejecting apparatus having excellent piezoelectric characteristics with a low electric field. In addition, since the piezoelectric material is non-leaded, that is, does not contain lead, a liquid ejecting apparatus with a small environmental load can be realized.

本発明の実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略構成を示す図。1 is a diagram showing a schematic configuration of an ink jet recording apparatus according to an embodiment of the present invention. 実施形態に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating a schematic configuration of the recording head according to the embodiment. 実施形態に係る記録ヘッドの平面図。FIG. 3 is a plan view of the recording head according to the embodiment. 実施形態に係る記録ヘッドの断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view of the recording head according to the embodiment. 実施形態に係る記録装置の制御構成を示すブロック図。FIG. 3 is a block diagram illustrating a control configuration of the recording apparatus according to the embodiment. 実施形態に係る駆動信号（駆動波形）を示す図。The figure which shows the drive signal (drive waveform) which concerns on embodiment. 試験例の電界−変位量を示す図。The figure which shows the electric field-displacement amount of a test example.

（実施形態）
図１は、本発明にかかる液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。図１に示すように、インクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動可能に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。 (Embodiment)
FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of an ink jet recording apparatus that is an example of a liquid ejecting apparatus according to the invention. As shown in FIG. 1, in an ink jet recording apparatus II, recording head units 1A and 1B having an ink jet recording head are provided with cartridges 2A and 2B constituting an ink supply means in a detachable manner. 1B is mounted on a carriage shaft 5 attached to the apparatus body 4 so as to be movable in the axial direction. The recording head units 1A and 1B, for example, are configured to eject a black ink composition and a color ink composition, respectively.

そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。 Then, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is moved along the carriage shaft 5. The On the other hand, the apparatus body 4 is provided with a platen 8 along the carriage shaft 5, and a recording sheet S that is a recording medium such as paper fed by a paper feed roller (not shown) is wound around the platen 8. It is designed to be transported.

ここで、このようなインクジェット式記録装置ＩＩに搭載されるインクジェット式記録ヘッドについて、図２〜図４を参照して説明する。なお、図２は、本発明の実施形態に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図であり、図４は図３のＡ−Ａ′線断面図である。 Here, an ink jet recording head mounted on such an ink jet recording apparatus II will be described with reference to FIGS. 2 is an exploded perspective view showing a schematic configuration of an ink jet recording head which is an example of a liquid jet head according to an embodiment of the present invention, FIG. 3 is a plan view of FIG. 2, and FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line AA ′ in FIG. 3.

図２〜図４に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜５０が形成されている。 As shown in FIGS. 2 to 4, the flow path forming substrate 10 of the present embodiment is made of a silicon single crystal substrate, and an elastic film 50 made of silicon dioxide is formed on one surface thereof.

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のマニホールド部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールドの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられていることになる。 A plurality of pressure generating chambers 12 are arranged in parallel in the width direction of the flow path forming substrate 10. In addition, a communication portion 13 is formed in a region outside the longitudinal direction of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10, and the communication portion 13 and each pressure generation chamber 12 are provided for each pressure generation chamber 12. Communication is made via a supply path 14 and a communication path 15. The communication part 13 communicates with a manifold part 31 of a protective substrate, which will be described later, and constitutes a part of a manifold that becomes a common ink chamber for each pressure generating chamber 12. The ink supply path 14 is formed with a narrower width than the pressure generation chamber 12, and maintains a constant flow path resistance of ink flowing into the pressure generation chamber 12 from the communication portion 13. In this embodiment, the ink supply path 14 is formed by narrowing the width of the flow path from one side. However, the ink supply path may be formed by narrowing the width of the flow path from both sides. Further, the ink supply path may be formed by narrowing from the thickness direction instead of narrowing the width of the flow path. In the present embodiment, the flow path forming substrate 10 is provided with a liquid flow path including the pressure generation chamber 12, the communication portion 13, the ink supply path 14, and the communication path 15.

また、流路形成基板１０の開口面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱溶着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。 Further, on the opening surface side of the flow path forming substrate 10, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with the vicinity of the end of each pressure generating chamber 12 on the side opposite to the ink supply path 14 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. The nozzle plate 20 is made of, for example, glass ceramics, a silicon single crystal substrate, stainless steel, or the like.

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば厚さ３０〜５０ｎｍ程度の酸化チタン等からなり、弾性膜５０等の第１電極６０の下地との密着性を向上させるための密着層５６が設けられている。なお、弾性膜５０上に、必要に応じて酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜が設けられていてもよい。 On the other hand, the elastic film 50 is formed on the side opposite to the opening surface of the flow path forming substrate 10 as described above. On the elastic film 50, for example, titanium oxide having a thickness of about 30 to 50 nm or the like. An adhesion layer 56 for improving adhesion between the first electrode 60 such as the elastic film 50 and the like is provided. Note that an insulator film made of zirconium oxide or the like may be provided on the elastic film 50 as necessary.

さらに、この密着層５６上には、第１電極６０と、厚さが３μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜である圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段としての圧電素子３００を構成している。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び必要に応じて設ける絶縁体膜が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０や密着層５６を設けなくてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。 Further, on the adhesion layer 56, a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 which is a thin film having a thickness of 3 μm or less, preferably 0.3 to 1.5 μm, and a second electrode 80 are laminated. Thus, a piezoelectric element 300 is configured as pressure generating means for causing a pressure change in the pressure generating chamber 12. Here, the piezoelectric element 300 refers to a portion including the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80. In general, one electrode of the piezoelectric element 300 is used as a common electrode, and the other electrode and the piezoelectric layer 70 are patterned for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the first electrode 60 is a common electrode of the piezoelectric element 300, and the second electrode 80 is an individual electrode of the piezoelectric element 300. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of the drive circuit and wiring. Also, here, the piezoelectric element 300 and the diaphragm that is displaced by driving the piezoelectric element 300 are collectively referred to as an actuator device. In the above-described example, the elastic film 50, the adhesion layer 56, the first electrode 60, and the insulator film provided as necessary function as a vibration plate. However, the present invention is not limited to this. For example, the elastic film 50 and the adhesion layer 56 may not be provided. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm.

そして、本実施形態においては、圧電体層７０を構成する圧電材料は、（１００）面に優先配向した、ビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物である。ペロブスカイト構造、すなわち、ＡＢＯ_３型構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。このＡサイトにＢｉ及びＢａが、ＢサイトにＦｅ及びＴｉが位置している。 In this embodiment, the piezoelectric material constituting the piezoelectric layer 70 includes perovskite containing bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba), and titanium (Ti) preferentially oriented in the (100) plane. It is a complex oxide having a structure. In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO ₃ type structure, oxygen is 12-coordinated, and in the B site, oxygen is 6-coordinated to form an octahedron. Bi and Ba are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site.

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、または、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表される。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。 Such a composite oxide containing Bi, Fe, Ba and Ti and having a perovskite structure is a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate. Is also expressed as a solid solution in which the solid solution is uniformly dissolved. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone.

ここで、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれペロブスカイト構造を有する公知の圧電材料であり、それぞれ種々の組成のものが知られている。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、ＢｉＦｅＯ_３やＢａＴｉＯ_３以外に、元素（Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ、ＴｉやＯ）が一部欠損する又は過剰であったり、元素の一部が他の元素に置換されたものも知られているが、本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。 Here, bismuth ferrate and barium titanate are known piezoelectric materials each having a perovskite structure, and those having various compositions are known. For example, as bismuth ferrate or barium titanate, in addition to BiFeO ₃ or BaTiO ₃ , some elements (Bi, Fe, Ba, Ti, O) are partially lost or excessive, or some of the elements are other elements However, in the present invention, when expressed as bismuth ferrate or barium titanate, a component deviating from the stoichiometric composition due to deficiency or excess or a part of the element is replaced by another element. Those substituted are also included in the ranges of bismuth ferrate and barium titanate. The ratio of bismuth ferrate to barium titanate can also be changed variously.

このようなペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０の組成は、例えば、下記一般式（１）で表される混晶として表される。また、この式（１）は、下記一般式（１’）で表すこともできる。ここで、一般式（１）及び一般式（１’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成のずれは勿論、元素の一部置換等も許容される。例えば、化学量論比が１とすると、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[ＢｉＦｅＯ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （１）
（０＜ｘ＜０．４０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（Ｆｅ_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（１’）
（０＜ｘ＜０．４０） The composition of the piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having such a perovskite structure is represented, for example, as a mixed crystal represented by the following general formula (1). Moreover, this formula (1) can also be represented by the following general formula (1 ′). Here, the description of the general formula (1) and the general formula (1 ′) is a composition notation based on stoichiometry, and as described above, as long as a perovskite structure can be taken, it is inevitable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Of course, a partial substitution of elements is allowed as well as a slight compositional deviation. For example, if the stoichiometric ratio is 1, the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.
(1-x) [BiFeO ₃ ] -x [BaTiO ₃ ] (1)
(0 <x <0.40)
(Bi _1-x Ba _x ) (Fe _1-x Ti _x ) O ₃ (1 ′)
(0 <x <0.40)

また、本実施形態の圧電体層７０を構成する複合酸化物は、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉ以外の元素をさらに含んでいてもよい。他の元素としては、例えば、Ｍｎ、Ｃｏ、Ｃｒなどが挙げられる。これら他の元素を含む複合酸化物である場合も、ペロブスカイト構造を有することが好ましい。 Further, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 of the present embodiment may further include an element other than Bi, Fe, Ba, and Ti. Examples of other elements include Mn, Co, and Cr. Also in the case of a complex oxide containing these other elements, it is preferable to have a perovskite structure.

圧電体層７０が、Ｍｎ、ＣｏやＣｒを含む場合、Ｍｎ、ＣｏやＣｒはペロブスカイト構造のＢサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Ｍｎを含む場合、圧電体層７０を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のＦｅの一部がＭｎで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表され、基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上することがわかっている。また、ＣｏやＣｒを含む場合も、Ｍｎと同様にリーク特性が向上するものである。なお、Ｘ線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。また、Ｍｎ、ＣｏおよびＣｒを例として説明したが、その他遷移金属元素の２元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがわかっており、これらも圧電体層７０とすることができ、さらに、特性を向上させるため公知のその他の添加物を含んでもよい。 When the piezoelectric layer 70 contains Mn, Co, and Cr, Mn, Co, and Cr are complex oxides having a structure located at the B site of the perovskite structure. For example, when Mn is included, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a structure in which part of Fe in a solid solution in which bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved, is substituted with Mn, or ferric acid It is expressed as a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth manganate and barium titanate, and the basic characteristics are the same as those of a composite oxide having a perovskite structure of mixed crystals of bismuth ferrate and barium titanate. However, it has been found that the leakage characteristics are improved. Further, when Co or Cr is included, the leakage characteristics are improved in the same manner as Mn. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate, barium titanate, bismuth iron manganate, bismuth iron cobaltate, and bismuth iron chromate are not detected alone. Further, although Mn, Co and Cr have been described as examples, it has been found that leakage characteristics are similarly improved when two other transition metal elements are included at the same time. In addition, other known additives may be included to improve the properties.

このようなＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層７０は、例えば、下記一般式（２）で表される混晶である。また、この式（２）は、下記一般式（２’）で表すこともできる。なお一般式（２）及び一般式（２’）において、Ｍは、Ｍｎ、ＣｏまたはＣｒである。ここで、一般式（２）及び一般式（２’）の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論が１であれば、０．８５〜１．２０の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Ａサイトの元素とＢサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。
（１−ｘ）[Ｂｉ（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）Ｏ_３]−ｘ[ＢａＴｉＯ_３] （２）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０）
（Ｂｉ_１−ｘＢａ_ｘ）（（Ｆｅ_１−ｙＭ_ｙ）_１−ｘＴｉ_ｘ）Ｏ_３（２’）
（０＜ｘ＜０．４０、０．０１＜ｙ＜０．１０） The piezoelectric layer 70 made of a composite oxide having a perovskite structure including Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti is, for example, a mixed crystal represented by the following general formula (2). is there. Moreover, this formula (2) can also be represented by the following general formula (2 ′). In General Formula (2) and General Formula (2 ′), M is Mn, Co, or Cr. Here, the description of the general formula (2) and the general formula (2 ′) is a composition notation based on the stoichiometry, and as described above, as long as the perovskite structure can be taken, it is unavoidable due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Such a composition deviation is allowed. For example, if the stoichiometry is 1, one in the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide.
(1-x) [Bi (Fe _1- _{y My} ) O ₃ ] -x [BaTiO ₃ ] (2)
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
_{_{_{_{(Bi 1-x Ba x)}}}} ((Fe 1-y M y) 1-x Ti x) O 3 (2 ')
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)

そして、圧電体層７０は、（１００）面に優先配向しているものである。ここで、本明細書において、「（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば８０％以上）が（１００）面に配向している場合とを含むものである。具体的には、本実施形態の圧電体層７０は、（１００）面の配向度が０．８０以上、好ましくは０．９０以上である。なお、圧電体層７０の（１００）面の配向度は下記式で求められる。 The piezoelectric layer 70 is preferentially oriented in the (100) plane. Here, in this specification, “preferentially oriented in the (100) plane” means that all crystals are oriented in the (100) plane and most crystals (for example, 80% or more) are ( 100) plane orientation. Specifically, the piezoelectric layer 70 of the present embodiment has a (100) plane orientation degree of 0.80 or more, preferably 0.90 or more. Note that the degree of orientation of the (100) plane of the piezoelectric layer 70 is obtained by the following equation.

圧電体層７０の（１００）面の配向度＝［圧電体層７０の（１００）面に由来する回折ピークの面積］／［圧電体層７０に由来する（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折ピークの面積の総和］ Degree of orientation of (100) plane of piezoelectric layer 70 = [area of diffraction peak derived from (100) plane of piezoelectric layer 70] / [(100) plane, (110) plane derived from piezoelectric layer 70, and Total area of diffraction peaks on (111) plane]

このような圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、弾性膜５０上や必要に応じて設ける絶縁体膜上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。 Each second electrode 80, which is an individual electrode of the piezoelectric element 300, is drawn from the vicinity of the end on the ink supply path 14 side and extends to the elastic film 50 or an insulator film provided as necessary. For example, a lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is connected.

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、弾性膜５０や必要に応じて設ける絶縁体膜及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３１のみをマニホールドとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、必要に応じて設ける絶縁体膜等）にマニホールド１００と各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。 At least a part of the manifold 100 is formed on the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the elastic film 50, the insulator film provided as necessary, and the lead electrode 90. A protective substrate 30 having a manifold portion 31 constituting the above is joined via an adhesive 35. In this embodiment, the manifold portion 31 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12. As described above, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10. The manifold 100 is configured as a common ink chamber for the pressure generation chambers 12. Alternatively, the communication portion 13 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 31 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generation chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10 and a member (for example, an elastic film 50, an insulator film provided as necessary, etc.) interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 ) May be provided with an ink supply path 14 for communicating the manifold 100 and each pressure generating chamber 12.

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。 A piezoelectric element holding portion 32 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region of the protective substrate 30 that faces the piezoelectric element 300. The piezoelectric element holding part 32 only needs to have a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300, and the space may be sealed or unsealed.

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。 As such a protective substrate 30, it is preferable to use substantially the same material as the coefficient of thermal expansion of the flow path forming substrate 10, for example, glass, ceramic material, etc. In this embodiment, the same material as the flow path forming substrate 10 is used. The silicon single crystal substrate was used.

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。 The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33.

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。 A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged in parallel is fixed on the protective substrate 30. For example, a circuit board or a semiconductor integrated circuit (IC) can be used as the drive circuit 120. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。 In addition, a compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. Here, the sealing film 41 is made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 31 is sealed by the sealing film 41. The fixing plate 42 is formed of a relatively hard material. Since the area of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. Has been.

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号（駆動信号）に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、密着層５６、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。 In such an ink jet recording head I of this embodiment, ink is taken in from an ink introduction port connected to an external ink supply means (not shown), and the interior from the manifold 100 to the nozzle opening 21 is filled with ink, and then driven. In accordance with a recording signal (driving signal) from the circuit 120, a voltage is applied between the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generation chamber 12, and the elastic film 50, the adhesion layer 56, and the first electrode are applied. By bending and deforming 60 and the piezoelectric layer 70, the pressure in each pressure generating chamber 12 is increased and ink droplets are ejected from the nozzle openings 21.

図５は、このようなインクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図である。図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録装置の制御について説明する。本実施形態のインクジェット式記録装置は、図５に示すように、プリンターコントローラー５１１とプリントエンジン５１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー５１１は、外部インターフェース５１３（以下、外部Ｉ／Ｆ５１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ５１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部５１６と、クロック信号を発生する発振回路５１７と、インクジェット式記録ヘッドＩへ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路５１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン５１２に送信する内部インターフェース５２０（以下、内部Ｉ／Ｆ５２０という）とを備えている。 FIG. 5 is a block diagram showing a control configuration example of such an ink jet recording apparatus. With reference to FIG. 5, the control of the ink jet recording apparatus of the present embodiment will be described. As shown in FIG. 5, the ink jet recording apparatus of the present embodiment is schematically configured by a printer controller 511 and a print engine 512. The printer controller 511 includes an external interface 513 (hereinafter referred to as an external I / F 513), a RAM 514 that temporarily stores various data, a ROM 515 that stores a control program, a control unit 516 that includes a CPU, and the like. , An oscillation circuit 517 that generates a clock signal, a drive signal generation circuit 519 that generates a drive signal to be supplied to the ink jet recording head I, and dot pattern data (bitmap) developed based on the drive signal and print data An internal interface 520 (hereinafter referred to as an internal I / F 520) for transmitting data) to the print engine 512.

外部Ｉ／Ｆ５１３は、例えば、キャラクターコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピューター等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ５１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピューター等に対して出力される。ＲＡＭ５１４は、受信バッファー５２１、中間バッファー５２２、出力バッファー５２３、及び、図示しないワークメモリーとして機能する。そして、受信バッファー５２１は外部Ｉ／Ｆ５１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファー５２２は制御部５１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー５２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。 The external I / F 513 receives print data including, for example, a character code, a graphic function, image data, and the like from a host computer (not shown). Also, a busy signal (BUSY) and an acknowledge signal (ACK) are output to the host computer or the like through the external I / F 513. The RAM 514 functions as a reception buffer 521, an intermediate buffer 522, an output buffer 523, and a work memory (not shown). The reception buffer 521 temporarily stores print data received by the external I / F 513, the intermediate buffer 522 stores intermediate code data converted by the control unit 516, and the output buffer 523 stores dot pattern data. . This dot pattern data is constituted by print data obtained by decoding (translating) gradation data.

また、ＲＯＭ５１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。 The ROM 515 stores font data, graphic functions, and the like in addition to a control program (control routine) for performing various data processing.

制御部５１６は、受信バッファー５２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファー５２２に記憶させる。また、中間バッファー５２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ５１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部５１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファー５２３に記憶させる。さらに、制御部５１６は、波形設定手段としても機能し、駆動信号発生回路５１９を制御することにより、この駆動信号発生回路５１９から発生される駆動信号の波形形状を設定する。かかる制御部５１６は、後述する駆動回路（図示なし）などと共に本発明の駆動手段を構成する。また、インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する液体噴射駆動装置としては、この駆動手段を少なくとも具備するものであればよく、本実施形態では、プリンターコントローラー５１１を含むものとして例示してある。 The control unit 516 reads out the print data in the reception buffer 521 and stores the intermediate code data obtained by converting the print data in the intermediate buffer 522. Further, the intermediate code data read from the intermediate buffer 522 is analyzed, and the intermediate code data is developed into dot pattern data by referring to the font data and graphic functions stored in the ROM 515. Then, the control unit 516 stores the developed dot pattern data in the output buffer 523 after performing necessary decoration processing. Further, the control unit 516 also functions as a waveform setting unit, and controls the drive signal generation circuit 519 to set the waveform shape of the drive signal generated from the drive signal generation circuit 519. The control unit 516 constitutes drive means of the present invention together with a drive circuit (not shown) described later. In addition, the liquid jet driving device that drives the ink jet recording head I may be any device that includes at least the driving unit. In the present embodiment, the liquid jet driving device is exemplified as including the printer controller 511.

そして、インクジェット式記録ヘッドＩの１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ５２０を通じてインクジェット式記録ヘッドＩに出力される。また、出力バッファー５２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファー５２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。 If dot pattern data corresponding to one line of the ink jet recording head I is obtained, the dot pattern data for one line is output to the ink jet recording head I through the internal I / F 520. When dot pattern data for one line is output from the output buffer 523, the developed intermediate code data is erased from the intermediate buffer 522, and the development process for the next intermediate code data is performed.

プリントエンジン５１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構５２４と、キャリッジ機構５２５とを含んで構成してある。紙送り機構５２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッドＩの記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構５２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。 The print engine 512 includes an ink jet recording head I, a paper feed mechanism 524, and a carriage mechanism 525. The paper feed mechanism 524 includes a paper feed motor and a platen 8 and the like, and sequentially feeds a print storage medium such as a recording paper in conjunction with the recording operation of the ink jet recording head I. That is, the paper feeding mechanism 524 relatively moves the print storage medium in the sub-scanning direction.

キャリッジ機構５２５は、図１に示すようにインクジェット式記録ヘッドＩを搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッドＩを主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モーター６及びタイミングベルト７等で構成されている。 As shown in FIG. 1, the carriage mechanism 525 includes a carriage 3 on which an ink jet recording head I can be mounted, and a carriage drive unit that causes the carriage 3 to travel along the main scanning direction. As a result, the ink jet recording head I is moved in the main scanning direction. The carriage drive unit is composed of the drive motor 6 and the timing belt 7 as described above.

インクジェット式記録ヘッドＩは、副走査方向に沿って多数のノズル開口２１を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口２１から液滴を吐出する。そして、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や記録データ（ＳＩ）等が供給される。このように構成されるプリンターコントローラー５１１及びプリントエンジン５１２では、プリンターコントローラー５１１と、駆動信号発生回路５１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４等を有する駆動回路（図示なし）とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段となる。 The ink jet recording head I has a large number of nozzle openings 21 along the sub-scanning direction, and ejects droplets from the nozzle openings 21 at a timing defined by dot pattern data or the like. The piezoelectric element 300 of the ink jet recording head I is supplied with an electrical signal, for example, a driving signal (COM) or recording data (SI) described later via an external wiring (not shown). In the printer controller 511 and the print engine 512 configured as described above, the printer controller 511 and a latch 532 that selectively inputs a drive signal having a predetermined drive waveform output from the drive signal generation circuit 519 to the piezoelectric element 300, A drive circuit (not shown) including a level shifter 533 and a switch 534 serves as a drive unit that applies a predetermined drive signal to the piezoelectric element 300.

なお、これらのシフトレジスター（ＳＲ）５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３、スイッチ５３４及び圧電素子３００は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッドＩの各ノズル開口２１毎に設けられており、これらのシフトレジスター５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４は、駆動信号発生回路５１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。 The shift register (SR) 531, the latch 532, the level shifter 533, the switch 534, and the piezoelectric element 300 are provided for each nozzle opening 21 of the ink jet recording head I, and these shift registers 531 are provided. The latch 532, the level shifter 533, and the switch 534 generate a drive pulse from the ejection drive signal and the relaxation drive signal generated by the drive signal generation circuit 519. Here, the drive pulse is an applied pulse that is actually applied to the piezoelectric element 300.

このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、最初に発振回路５１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する記録データ（ＳＩ）が出力バッファー５２３からシフトレジスター５３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。 In such an ink jet recording head I, first, recording data (SI) constituting dot pattern data is serially transmitted from the output buffer 523 to the shift register 531 in synchronization with the clock signal (CK) from the oscillation circuit 517. Are set sequentially. In this case, first, the most significant bit data in the print data of all the nozzle openings is serially transmitted. When the most significant bit data serial transmission is completed, the second most significant bit data is serially transmitted. Similarly, the lower bit data is serially transmitted sequentially.

そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各シフトレジスター５３１にセットされたならば、制御部５１６は、所定のタイミングでラッチ５３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ５３２は、シフトレジスター５３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ５３２がラッチした記録データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフター５３３に印加される。このレベルシフター５３３は、記録データが例えば「１」の場合に、スイッチ５３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの記録データを昇圧する。そして、この昇圧された記録データは各スイッチ５３４に印加され、各スイッチ５３４は、当該記録データにより接続状態になる。 When all the nozzles of the recording data of the bit are set in each shift register 531, the control unit 516 causes the latch 532 to output a latch signal (LAT) at a predetermined timing. In response to this latch signal, the latch 532 latches the print data set in the shift register 531. The recording data (LATout) latched by the latch 532 is applied to a level shifter 533 that is a voltage amplifier. The level shifter 533 boosts the recording data to a voltage value that the switch 534 can drive, for example, several tens of volts when the recording data is “1”, for example. The boosted recording data is applied to each switch 534, and each switch 534 is connected by the recording data.

そして、各スイッチ５３４には、駆動信号発生回路５１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ５３４が選択的に接続状態になると、このスイッチ５３４に接続された圧電素子３００に選択的に駆動信号が印加される。このように、例示したインクジェット式記録ヘッドＩでは、記録データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、記録データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、記録データが「０」の期間においてはスイッチ５３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。この記録データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。 The drive signal (COM) generated by the drive signal generation circuit 519 is also applied to each switch 534. When the switch 534 is selectively connected, the piezoelectric element 300 connected to the switch 534 is selected. A driving signal is applied. As described above, in the illustrated ink jet recording head I, it is possible to control whether or not the ejection driving signal is applied to the piezoelectric element 300 based on the recording data. For example, since the switch 534 is connected by the latch signal (LAT) during the period when the recording data is “1”, the drive signal (COMout) can be supplied to the piezoelectric element 300, and the supplied drive signal ( The piezoelectric element 300 is displaced (deformed) by COMout). Further, since the switch 534 is in a disconnected state during a period in which the recording data is “0”, the supply of the drive signal to the piezoelectric element 300 is cut off. In the period in which the recording data is “0”, each piezoelectric element 300 holds the previous potential, so that the previous displacement state is maintained.

なお、上記の圧電素子３００は、撓み振動モードの圧電素子３００である。この、撓み振動モードの圧電素子３００を用いると、圧電体層７０が電圧印加に伴い電圧と垂直方向（３１方向）に縮むことで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２側に撓み、これにより圧力発生室１２を収縮させる。一方電圧を減少させることにより圧電体層７０が３１方向に伸びることで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２の逆側に撓み、これにより圧力発生室１２を膨張させる。このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、圧電素子３００に対する充放電に伴って対応する圧力発生室１２の容積が変化するので、圧力発生室１２の圧力変動を利用してノズル開口２１から液滴を吐出させることができる。 The piezoelectric element 300 is a flexural vibration mode piezoelectric element 300. When the piezoelectric element 300 in the flexural vibration mode is used, the piezoelectric layer 70 is contracted in the direction perpendicular to the voltage (31 direction) with the application of voltage, so that the piezoelectric element 300 and the vibration plate are bent toward the pressure generating chamber 12 side. Thereby, the pressure generation chamber 12 is contracted. On the other hand, by decreasing the voltage, the piezoelectric layer 70 extends in the 31 direction, so that the piezoelectric element 300 and the diaphragm are bent to the opposite side of the pressure generating chamber 12, thereby expanding the pressure generating chamber 12. In such an ink jet recording head I, since the volume of the corresponding pressure generation chamber 12 changes with charging / discharging of the piezoelectric element 300, a droplet is discharged from the nozzle opening 21 using the pressure fluctuation of the pressure generation chamber 12. Can be discharged.

ここで、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について説明する。なお、図６は、本実施形態の駆動信号を示す駆動波形である。 Here, a drive waveform representing the drive signal (COM) of this embodiment input to the piezoelectric element 300 will be described. FIG. 6 is a drive waveform showing the drive signal of this embodiment.

圧電素子３００に入力される駆動波形は、共通電極（第１電極６０）を基準電位（本実施形態ではＶｂｓ）として、個別電極（第２電極８０）に印加されるものである。すなわち、駆動波形によって個別電極（第２電極８０）に印加される電圧は、基準電位（Ｖｂｓ）を基準としての電位として示される。 The drive waveform input to the piezoelectric element 300 is applied to the individual electrode (second electrode 80) using the common electrode (first electrode 60) as a reference potential (Vbs in this embodiment). That is, the voltage applied to the individual electrode (second electrode 80) by the driving waveform is shown as a potential with reference to the reference potential (Vbs).

本実施形態の基準となる駆動波形は、図６に示すように、駆動波形を入力する準備状態（駆動待機状態）となると、例えば、抗電圧以上の中間電位Ｖｍが印加される状態となる。この中間電位Ｖｍを維持する工程は、圧電体層７０を分極状態とする分極工程Ｐ０１であり、これに続いて中間電位Ｖｍを維持した状態から中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電位である第１電位Ｖ１まで降下させると共に圧力発生室１２を膨張させる第１の電圧変化工程Ｐ０２と、第１電位Ｖ１を一定時間維持する第１のホールド工程Ｐ０３と、第１電位Ｖ１から第１電位Ｖ１とは逆極性で中間電位Ｖｍとは同極性で当該中間電位Ｖｍより大きい最大電位である第２電位Ｖ２まで上昇させて圧力発生室１２を収縮させる第２の電圧変化工程Ｐ０４と、第２電位Ｖ２を一定時間維持する第２のホールド工程Ｐ０５と、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより小さな第３電位Ｖ３まで下降させて圧力発生室１２を膨張させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、第３電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、第３電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８と、中間電位Ｖｍを維持する第４のホールド工程Ｐ０９とで構成されるようにしてもよい。ここで、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより少し低い第３電位Ｖ３まで下降させる第３の電圧変化工程Ｐ０６と、第３電位Ｖ３を一定時間維持する第３のホールド工程Ｐ０７と、第３電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで電位を上昇させる第４の電圧変化工程Ｐ０８とは、液滴を吐出した後のメニスカスを安定化させるためのものであり、従来より公知のものである。 As shown in FIG. 6, the drive waveform serving as a reference in the present embodiment is in a state in which, for example, an intermediate potential Vm higher than the coercive voltage is applied when the drive waveform is in a preparation state (drive standby state). The step of maintaining the intermediate potential Vm is a polarization step P01 in which the piezoelectric layer 70 is in a polarization state. Subsequently, the intermediate potential Vm is a minimum potential having a polarity opposite to that of the intermediate potential Vm from the state of maintaining the intermediate potential Vm. A first voltage changing step P02 that lowers the potential generation chamber 12 to 1 potential V1 and expands the pressure generation chamber 12, a first hold step P03 that maintains the first potential V1 for a certain period of time, and a first potential V1 to a first potential V1 Is a second voltage change step P04 in which the pressure generation chamber 12 is contracted by raising it to the second potential V2, which has the opposite polarity and the same polarity as the intermediate potential Vm and is greater than the intermediate potential Vm, and the second potential V2. Is maintained for a certain period of time, and a third voltage changing step P06 in which the pressure generating chamber 12 is expanded by lowering from the second potential V2 to the third potential V3 smaller than the intermediate potential Vm, A third hold step P07 for maintaining the third potential V3 for a certain time, a fourth voltage changing step P08 for increasing the potential from the third potential V3 to the intermediate potential Vm, and a fourth hold step for maintaining the intermediate potential Vm You may make it comprise with P09. Here, a third voltage changing step P06 for lowering the second potential V2 to a third potential V3 slightly lower than the intermediate potential Vm, a third holding step P07 for maintaining the third potential V3 for a certain time, and a third potential The fourth voltage changing step P08 for raising the potential from V3 to the intermediate potential Vm is for stabilizing the meniscus after ejecting the droplet, and is conventionally known.

本発明のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、電源オフの状態では、分極が維持されておらず、非分極状態（極一部は分極が維持されているが、実質的に非分極状態といえる場合を含む）であり、上述した駆動波形２００が圧電素子３００に出力される準備状態（駆動待機状態）になると、中間電位Ｖｍが印加された状態となり、圧電体層７０が分極状態となる。そして、上述した駆動波形が入力されると、第１の電圧変化工程Ｐ０２によって中間電位Ｖｍから逆極性の最小電位Ｖ１まで電位が変化し、圧電体層７０の分極が緩和される。これと同時に圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変形して、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側に引き込まれる。次いで、第２の電圧変化工程Ｐ０４によって、圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変形することにより、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側から大きく押し出され、ノズル開口２１から液滴が吐出される。 The predetermined piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure containing Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti of the present invention is not maintained in polarization when the power is off. In a non-polarized state (a part of the pole is maintained in polarization but includes a case where it can be said that it is substantially non-polarized), and the above-described drive waveform 200 is output to the piezoelectric element 300 (drive standby) State), the intermediate potential Vm is applied, and the piezoelectric layer 70 is polarized. When the drive waveform described above is input, the potential changes from the intermediate potential Vm to the minimum potential V1 having the opposite polarity by the first voltage changing step P02, and the polarization of the piezoelectric layer 70 is relaxed. At the same time, the piezoelectric element 300 is deformed in a direction in which the volume of the pressure generating chamber 12 is expanded, and the meniscus in the nozzle opening 21 is drawn to the pressure generating chamber 12 side. Next, in the second voltage change process P04, the piezoelectric element 300 is deformed in a direction in which the volume of the pressure generating chamber 12 is contracted, whereby the meniscus in the nozzle opening 21 is largely pushed out from the pressure generating chamber 12 side, and the nozzle opening Droplets are ejected from 21.

ここで、第１電位Ｖ１は、マイナス電位であり、例えば、−１Ｖ〜−１５Ｖとしている。この電位は、電界に換算すると、−１．１Ｖ／μｍ〜−１６．７Ｖ／μｍである。そして、第２の電圧変化工程Ｐ０４で、第１電位Ｖ１から第１電位Ｖ１とは逆極性で中間電位Ｖｍとは同極性で当該中間電位Ｖｍより大きい最大電位である第２電位Ｖ２まで上昇させる。本発明では、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との電位差を、５５Ｖ以上、電界に換算すると、６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）以上として圧力発生室１２を収縮させる。 Here, the first potential V1 is a negative potential, and is set to, for example, −1V to −15V. This potential is −1.1 V / μm to −16.7 V / μm in terms of electric field. Then, in the second voltage changing step P04, the first potential V1 is increased to the second potential V2, which has the opposite polarity to the first potential V1, the same polarity as the intermediate potential Vm, and the maximum potential greater than the intermediate potential Vm. . In the present invention, when the potential difference between the first potential V1 and the second potential V2 is converted to an electric field of 55 V or more, the pressure generating chamber 12 is contracted to 6.1 × 10 ⁷ (V / m) or more.

本発明は、上述した所定の圧電材料からなる圧電体層７０を具備する圧電素子３００を駆動する場合、駆動波形が、抗電圧以上の中間電位Ｖｍに保持して当該圧電素子を分極状態とする工程と、中間電位Ｖｍの印加状態から当該中間電位Ｖｍとは逆極性の最小電圧である第１電位Ｖ１を印加して前記圧電体層の分極を緩和させる工程と、第１電位Ｖ１の印加状態から前記中間電位Ｖｍより大きな最大電圧である第２電位Ｖ２を印加して液体を吐出する工程とを有するようにし、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との電位差を、５５Ｖ以上、電界に換算すると、６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）以上として圧力発生室１２を収縮させることで、大きな変位量を確保するという効果を奏するものである。ここで、抗電圧以上の中間電圧とは、低い周波数（例えば６６Ｈｚ〜１ｋＨｚ）で圧電体層７０のヒステリシスカーブを描いたときの抗電圧の電圧以上の電圧のことを指すが、駆動波形が高周波化することで実質的な抗電圧は高い方向に変化することに留意が必要である。本実施形態では、１０Ｖ以上であり、電界では１１．１Ｖ／μｍ以上となる。 In the present invention, when the piezoelectric element 300 including the piezoelectric layer 70 made of the predetermined piezoelectric material described above is driven, the driving waveform is maintained at the intermediate potential Vm that is equal to or higher than the coercive voltage, so that the piezoelectric element is polarized. A step of applying a first potential V1, which is a minimum voltage having a polarity opposite to that of the intermediate potential Vm from an applied state of the intermediate potential Vm, to relax the polarization of the piezoelectric layer, and an applied state of the first potential V1 And applying a second potential V2, which is a maximum voltage greater than the intermediate potential Vm, to discharge the liquid, and converting the potential difference between the first potential V1 and the second potential V2 to an electric field of 55 V or more. As a result, the pressure generating chamber 12 is contracted to be 6.1 × 10 ⁷ (V / m) or more, thereby producing an effect of securing a large amount of displacement. Here, the intermediate voltage equal to or higher than the coercive voltage refers to a voltage equal to or higher than the coercive voltage when the hysteresis curve of the piezoelectric layer 70 is drawn at a low frequency (for example, 66 Hz to 1 kHz). However, it should be noted that the substantial coercive voltage changes in the higher direction. In the present embodiment, the voltage is 10 V or more, and the electric field is 11.1 V / μm or more.

かかる本発明を完成するにあたって、まず、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉに加えてＭｎ、ＣｏやＣｒも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる所定の圧電体層７０は、分極状態を維持できず、電界を受けて分極して歪んだ状態から、電界が除去されると時間と共に分極緩和が生じて歪がない状態となり、分極状態から所定の電圧変化工程を付与すると、分極緩和が電界により促進され、短時間で分極緩和状態とし、その後、大きな変位が得られることを知見した。また、分極緩和した状態から最大電圧である第２電位Ｖ２まで電圧を変化させると、（１００）面と（１１０）面に優先配向したビスマス（Ｂｉ）、鉄（Ｆｅ）、バリウム（Ｂａ）及びチタン（Ｔｉ）を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物では、配向性の違いにより変位量が異なることを知見した。具体的には、（１００）面配向の複合酸化物の変位量は、電界印加に伴い線形的に増加するが、（１１０）面配向の変位量は、非線形的に増加する。本実施形態で用いる、菱面対称構造の（１００）面配向の複合酸化物は、自発分極の方向がすべて電界方向に対して４５°程度の傾きをもち、分極方向の合成ベクトルが電界印加方向と一致する。このため、（１００）面配向の複合酸化物では、変位が安定した状態で起こり、前記駆動波形の第２の電圧変化工程Ｐ０４で、本来の圧電定数に比例した所望の変位量を得ることができ、電圧変化を大きくするほど大きな変位量が得られる。一方、菱面対称構造の（１１０）面配向のＢｉ、Ｆｅ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物、すなわち、ＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料では、分極方向が電界に対して２つの状態をとる。そして、その一方である、電界方向に対して垂直方向の分極軸は、前記駆動波形の第２の電圧変化工程Ｐ０４で、自発分極の向きの変化、すなわち、非１８０度ドメインローテーションが発生し、本来の圧電定数に基づく変位量よりも大きな変位が発生するが、この非１８０度ドメインローテーション現象の大部分は比較的低電界領域で起こる。よって、高電界領域で圧電素子を駆動する場合は、（１００）面配向の複合酸化物を圧電素子に用いた方が、より大きな変位量を得ることができる。この大きな変位量は、一般的に圧電材料として用いられているＰＺＴを圧電素子に用いた場合と比較すると、例えば、第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差が６０Ｖ、電界に換算すると、電界が６．７×１０^７（Ｖ／ｍ）において、ほぼ同じ変位量となる。 In completing the present invention, first, the predetermined piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure including Mn, Co and Cr in addition to Bi, Fe, Ba and Ti cannot maintain a polarization state. When the electric field is removed from the state of polarization due to polarization due to the electric field, polarization relaxation occurs over time, and there is no distortion. When a predetermined voltage changing step is applied from the polarization state, polarization relaxation is promoted by the electric field. It has been found that a polarization relaxation state can be achieved in a short time, and then a large displacement can be obtained. Further, when the voltage is changed from the polarization relaxed state to the second potential V2, which is the maximum voltage, bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba) and preferentially oriented in the (100) plane and the (110) plane It was found that the amount of displacement differs depending on the orientation in the composite oxide containing titanium (Ti) and having a perovskite structure. Specifically, the displacement amount of the (100) plane-oriented complex oxide increases linearly with the application of the electric field, but the displacement amount of the (110) plane orientation increases nonlinearly. The (100) plane-oriented complex oxide having a rhombohedral structure used in the present embodiment has a spontaneous polarization direction all having an inclination of about 45 ° with respect to the electric field direction, and the resultant vector of the polarization direction is the electric field application direction. Matches. For this reason, in the complex oxide of (100) plane orientation, the displacement occurs in a stable state, and a desired displacement amount proportional to the original piezoelectric constant can be obtained in the second voltage changing step P04 of the driving waveform. The displacement can be increased as the voltage change is increased. On the other hand, in a complex oxide having a perovskite structure including Bi, Fe, Ba, and Ti with a (110) plane orientation having a rhombohedral structure, that is, a BFO-BT piezoelectric material, the polarization direction is in two states with respect to the electric field. Take. On the other hand, the polarization axis in the direction perpendicular to the electric field direction causes a change in the direction of spontaneous polarization, that is, non-180 degree domain rotation in the second voltage changing step P04 of the drive waveform, Although a displacement larger than the displacement amount based on the original piezoelectric constant occurs, most of this non-180 degree domain rotation phenomenon occurs in a relatively low electric field region. Therefore, when the piezoelectric element is driven in a high electric field region, a larger amount of displacement can be obtained by using the (100) plane oriented composite oxide for the piezoelectric element. This large amount of displacement is, for example, when the potential difference between the second potential V2 and the first potential V1 is converted to an electric field of 60 V compared to the case where PZT, which is generally used as a piezoelectric material, is used for the piezoelectric element, When the electric field is 6.7 × 10 ⁷ (V / m), the displacement amount is almost the same.

（実施例）（１００）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの膜厚で形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ５０ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。この白金膜上に、スパッター法もしくはゾル−ゲル法にてニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ_３）を４０ｎｍの厚さで成膜し、配向制御のシード層とした。 (Example) (100) Planar Orientation First, a silicon oxide (SiO ₂ ) film having a thickness of 1200 nm was formed on the surface of a (110) single crystal silicon (Si) substrate by thermal oxidation. Next, a 400 nm-thickness zirconium film was formed on the SiO ₂ film by DC sputtering, and this was heat-treated (RTA) in an oxygen atmosphere to form a zirconia layer. Zirconium was formed on the zirconia layer as an adhesion layer by DC sputtering with a film thickness of 40 nm, and then a platinum film (first electrode 60) having a thickness of 50 nm and oriented in the (111) plane was formed by DC sputtering. On this platinum film, a lanthanum nickelate (LaNiO ₃ ) film having a thickness of 40 nm was formed by sputtering or sol-gel method to form an orientation control seed layer.

次いで、第１電極６０上に圧電体膜を積層し、圧電体層７０とした。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガン、２−エチルヘキサン酸バリウム及び２−エチルヘキサン酸チタンの各ｎ−オクタン溶液を、各元素がモル比でＢｉ：Ｂａ：Ｆｅ：Ｔｉ：Ｍｎ＝７５：２５：７１．２５：２５：３．７５となるように混合して（ＢＦＯ：ＢＴ＝７５：２５）、前駆体溶液を調製した。 Next, a piezoelectric film was laminated on the first electrode 60 to form a piezoelectric layer 70. The method is as follows. First, each n-octane solution of bismuth 2-ethylhexanoate, iron 2-ethylhexanoate, manganese 2-ethylhexanoate, barium 2-ethylhexanoate and titanium 2-ethylhexanoate, each element in molar ratio A precursor solution was prepared by mixing Bi: Ba: Fe: Ti: Mn = 75: 25: 71.25: 25: 3.75 (BFO: BT = 75: 25).

そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、６５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。 And this precursor solution was dripped on the board | substrate with which the 1st electrode was formed, the board | substrate was rotated at 3000 rpm, and the piezoelectric precursor film | membrane was formed (application | coating process). Next, it was dried at 180 ° C. for 2 minutes on a hot plate (drying process). Subsequently, degreasing was performed at 350 ° C. for 4 minutes (degreasing step). Next, in an oxygen atmosphere, a piezoelectric film was formed by baking at 650 ° C. for 5 minutes with a RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus (baking step). A series of steps of the coating step, the drying step, the degreasing step, and the firing step was repeated 12 times to form a piezoelectric layer 70 having a total thickness of 900 nm composed of 12 layers of piezoelectric films.

その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてスパッター法により厚さ５０ｎｍのイリジウム膜（第２電極８０）を形成することで、Ｂｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｂａ及びＴｉを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を圧電体層７０とする圧電素子３００を形成した。 Thereafter, an iridium film (second electrode 80) having a thickness of 50 nm is formed as a second electrode 80 on the piezoelectric layer 70 by a sputtering method, and has a perovskite structure including Bi, Fe, Mn, Ba, and Ti. The piezoelectric element 300 having the composite oxide as the piezoelectric layer 70 was formed.

（比較例）（１１０）面配向
まず、（１１０）単結晶シリコン（Ｓｉ）基板の表面に熱酸化により膜厚１２００ｎｍの酸化シリコン（ＳｉＯ_２）膜を形成した。次に、ＳｉＯ_２膜上にＤＣスパッター法により膜厚４００ｎｍのジルコニウム膜を作成し、これを酸素雰囲気下で熱処理（ＲＴＡ）することによりジルコニア層を形成した。このジルコニア層に密着層としてＤＣスパッター法によりジルコニウムを４０ｎｍの厚さで形成した後、同じくＤＣスパッター法により（１１１）面に配向し厚さ１００ｎｍの白金膜（第１電極６０）を形成した。 (Comparative Example) (110) Planar Orientation First, a silicon oxide (SiO ₂ ) film having a thickness of 1200 nm was formed on the surface of a (110) single crystal silicon (Si) substrate by thermal oxidation. Next, a 400 nm-thickness zirconium film was formed on the SiO ₂ film by DC sputtering, and this was heat-treated (RTA) in an oxygen atmosphere to form a zirconia layer. Zirconium was formed to a thickness of 40 nm as an adhesion layer on this zirconia layer by DC sputtering, and then a platinum film (first electrode 60) having a thickness of 100 nm and oriented to the (111) plane was also formed by DC sputtering.

そしてこの前駆体溶液を、第１電極が形成された基板上に滴下し、３０００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に、ホットプレート上で、１８０℃で２分間乾燥した（乾燥工程）。次いで、３５０℃で４分間脱脂を行った（脱脂工程）。次に、酸素雰囲気中で、ＲＴＡ（ＲａｐｉｄＴｈｅｒｍａｌＡｎｎｅａｌｉｎｇ）装置で、７５０℃で５分間焼成を行って圧電体膜を形成した（焼成工程）。この塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程の一連の工程を１２回繰り返し、１２層の圧電体膜からなる、全体で厚さ９００ｎｍの圧電体層７０を形成した。 And this precursor solution was dripped on the board | substrate with which the 1st electrode was formed, the board | substrate was rotated at 3000 rpm, and the piezoelectric precursor film | membrane was formed (application | coating process). Next, it was dried at 180 ° C. for 2 minutes on a hot plate (drying process). Subsequently, degreasing was performed at 350 ° C. for 4 minutes (degreasing step). Next, the film was baked at 750 ° C. for 5 minutes with an RTA (Rapid Thermal Annealing) apparatus in an oxygen atmosphere to form a piezoelectric film (firing step). A series of steps of the coating step, the drying step, the degreasing step, and the firing step was repeated 12 times to form a piezoelectric layer 70 having a total thickness of 900 nm composed of 12 layers of piezoelectric films.

（試験例）
実施例の（１００）面配向の圧電体層７０を具備する圧電素子３００と比較例の（１１０）面配向の圧電体層７０を具備する圧電素子３００の変位量を測定した。 (Test example)
The displacement amounts of the piezoelectric element 300 including the (100) plane-oriented piezoelectric layer 70 of the example and the piezoelectric element 300 including the (110) plane-oriented piezoelectric layer 70 of the comparative example were measured.

図６に示す駆動波形を基本波形として用い、前記駆動波形の中間電位をＶｍ＝２０Ｖとし、最小電位である第１電位Ｖ１を各配向において変位量が最も高くなる電位、すなわち、（１００）面配向の場合はＶ１＝−７Ｖ、（１１０）面配向の場合はＶ１＝−１０Ｖとした。そして、前記駆動波形の最小電位Ｖ１から最大電位Ｖ２までの電位差ΔＶを駆動電圧（Ｖ）として、この電位差ΔＶを変化させた波形を２００ｍｓ間隔と十分なディレイタイムをとった状態で印加することにより、圧電素子３００の変位量を求めた。なお、前記駆動電圧（Ｖ）と圧電体層７０の膜厚（９００ｎｍ）との関係から電界（Ｖ／ｍ）を算出した。変位量は、グラフテック社製のレーザードップラー振動計で計測した速度データを、デクロイ社製のオシロスコープにて時間積分することにより算出している（２５℃）。測定サンプルは図３の形状に加工され、キャビティーが形成されているセグメントを使用し、各駆動波形を印加して測定した。 The drive waveform shown in FIG. 6 is used as a basic waveform, the intermediate potential of the drive waveform is Vm = 20 V, and the first potential V1, which is the minimum potential, is the potential at which the displacement amount is highest in each orientation, that is, the (100) plane. In the case of orientation, V1 = -7V, and in the case of (110) plane orientation, V1 = -10V. Then, the potential difference ΔV from the minimum potential V1 to the maximum potential V2 of the driving waveform is set as a driving voltage (V), and a waveform in which the potential difference ΔV is changed is applied with an interval of 200 ms and a sufficient delay time. The displacement amount of the piezoelectric element 300 was obtained. The electric field (V / m) was calculated from the relationship between the drive voltage (V) and the film thickness (900 nm) of the piezoelectric layer 70. The amount of displacement is calculated by time-integrating the velocity data measured with a laser Doppler vibrometer manufactured by Graphtec Corp. using an oscilloscope manufactured by Decroy Corp. (25 ° C.). The measurement sample was processed into the shape shown in FIG. 3, and a segment in which a cavity was formed was used, and each drive waveform was applied for measurement.

上記の手法で測定した各圧電素子３００の変位量（ｎｍ）と電界（Ｖ／ｍ）との関係を図７に示す。なお、電界（Ｖ／ｍ）は、図６に示す駆動波形の第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差ΔＶと圧電体層７０の膜厚（９００ｎｍ）とを考慮して、印加された電界の変化として示した。 FIG. 7 shows the relationship between the displacement (nm) of each piezoelectric element 300 and the electric field (V / m) measured by the above method. The electric field (V / m) was applied in consideration of the potential difference ΔV between the second potential V2 and the first potential V1 of the driving waveform shown in FIG. 6 and the film thickness (900 nm) of the piezoelectric layer 70. Shown as change in electric field.

この結果、実施例の（１００）面配向の圧電素子を駆動すると、前記駆動波形の第２電位Ｖ２と第１電位Ｖ１との電位差から換算した電界が６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）より大きい領域で、変位量が（１１０）面配向の比較例より大きくなり、電界が６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）より小さくなると、（１１０）面配向より小さくなることがわかった。よって、（１００）面配向のＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料を用いた圧電素子を所定の駆動波形で、電界が６．１×１０^７（Ｖ／ｍ）以上となるように駆動することにより、変位量の向上の効果を得ることができる。また、（１００）面配向の圧電素子の変位量は、低電界から高電界領域にかけて、線形的に増加するので、（１００）面配向のＢＦＯ−ＢＴ系圧電材料を用いることにより、電界強度に対応する所望の変位量を得ることができる。 As a result, when the (100) plane oriented piezoelectric element of the example is driven, the electric field converted from the potential difference between the second potential V2 and the first potential V1 of the driving waveform is 6.1 × 10 ⁷ (V / m). It was found that in a larger region, the displacement amount becomes larger than that of the comparative example of (110) plane orientation, and when the electric field is smaller than 6.1 × 10 ⁷ (V / m), it becomes smaller than (110) plane orientation. Accordingly, the piezoelectric element using the (100) -oriented BFO-BT piezoelectric material is driven with a predetermined driving waveform so that the electric field is 6.1 × 10 ⁷ (V / m) or more. The effect of improving the amount can be obtained. Further, since the displacement amount of the (100) plane-oriented piezoelectric element increases linearly from the low electric field to the high electric field region, the electric field strength can be increased by using the (100) plane-oriented BFO-BT piezoelectric material. A corresponding desired displacement amount can be obtained.

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板１０として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。 (Other embodiments)
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, the basic composition of this invention is not limited to what was mentioned above. For example, in the above-described embodiment, the silicon single crystal substrate is exemplified as the flow path forming substrate 10, but the present invention is not particularly limited thereto, and for example, a material such as an SOI substrate or glass may be used.

さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型の圧電素子を具備する液体噴射装置にも本発明を適用することができる。 Furthermore, in the above-described embodiment, the piezoelectric element 300 in which the first electrode 60, the piezoelectric layer 70, and the second electrode 80 are sequentially stacked on the substrate (the flow path forming substrate 10) is illustrated, but the present invention is not particularly limited thereto. For example, the present invention can also be applied to a liquid ejecting apparatus including a longitudinal vibration type piezoelectric element in which piezoelectric materials and electrode forming materials are alternately stacked to expand and contract in the axial direction.

なお、上記各実施形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。 In each of the above embodiments, an ink jet recording head has been described as an example of a liquid ejecting head, and an ink jet recording apparatus has been described as an example of a liquid ejecting apparatus. However, the present invention covers a wide range of liquid ejecting apparatuses in general. Of course, the present invention can also be applied to a liquid ejecting apparatus that ejects liquid other than ink. Other liquid ejecting heads include, for example, various recording heads used in image recording apparatuses such as printers, color material ejecting heads used in the manufacture of color filters such as liquid crystal displays, organic EL displays, and FEDs (field emission displays). Examples thereof include an electrode material ejection head used for electrode formation, a bio-organic matter ejection head used for biochip production, and the like, and can also be applied to a liquid ejection apparatus including such a liquid ejection head.

Ｉインクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、ＩＩインクジェット式記録装置（液体噴射装置）、１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１マニホールド部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、５０弾性膜、６０第１電極、７０圧電体層、８０第２電極、９０リード電極、１００マニホールド、１２０駆動回路、３００圧電素子 I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate, 12 pressure generating chamber, 13 communicating portion, 14 ink supply path, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 manifold portion, 32 piezoelectric element holding portion, 40 compliance substrate, 50 elastic film, 60 first electrode, 70 piezoelectric layer, 80 second electrode, 90 lead electrode, 100 manifold, 120 drive circuit, 300 piezoelectric element

Claims

A liquid ejecting apparatus comprising: a piezoelectric element including a piezoelectric layer and an electrode provided on the piezoelectric layer; and a driving unit that supplies a driving waveform for driving the piezoelectric element to the piezoelectric element,
The piezoelectric layer is made of a complex oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium and titanium, preferentially oriented in the (100) plane,
The drive waveform is
A polarization step of applying a first voltage equal to or higher than the coercive voltage of the piezoelectric layer to obtain a polarization state;
A first voltage changing step in which a voltage having a polarity opposite to that of the first voltage is applied from the application state of the first voltage to relax the polarization of the piezoelectric layer and drop it to a minimum potential;
A second voltage changing step of applying a voltage higher than the first voltage to discharge the liquid from the minimum potential and raising the voltage to the maximum potential;
A liquid ejecting apparatus, wherein a difference in electric field applied to the piezoelectric layer between the maximum potential and the minimum potential is 6.1 × 10 ⁷ (V / m) or more.