JP2015013370A - Droplet discharge head and image formation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a droplet discharge head capable of easily lowering the viscosity of a liquid such as a thickened ink and of reducing the frequency of maintenance by suction or the consumption of the liquid, and to provide an image formation device.SOLUTION: A droplet discharge head is composed of a nozzle plate 1 having nozzles 2, pressure chambers 3, actuator substrates 4, piezoelectric elements 6, diaphragms 5, common liquid chambers 8, frame plates 7, supply ports 9, a driving IC 10, fluid resistance parts 12, sub-frame plates 13, various wirings and the like. The driving IC 10 applies to the piezoelectric element 6, a pulse waveform in which an intermediate potential higher than that used in a drive waveform at the time when the droplet is discharged is retained as a heating waveform before the start of droplet discharge from the nozzles 2, to heat the inside of the pressure chamber 3.

Description

本発明は、ノズル孔等の穴部から液滴を吐出する液滴吐出ヘッド、および、この液滴吐出ヘッドを有するプリンタ、複写装置、ファクシミリ装置等の画像形成装置に関する。   The present invention relates to a droplet discharge head that discharges droplets from a hole such as a nozzle hole, and an image forming apparatus such as a printer, a copying apparatus, and a facsimile apparatus having the droplet discharge head.

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置において、記録液等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを搭載し、被記録媒体に画像を形成する液体吐出装置を備えたものが知られている。なお、液滴吐出装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の被記録媒体(被着媒体、記録媒体、転写紙、用紙などとも称され、これらは材質にかかわらず、同義語として使用する。)に液滴を吐出する装置を意味する。また、「画像形成」とは、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を被記録媒体に付与することをも意味し、記録、印写、印字、印刷も同義語で使用する。   In image forming apparatuses such as printers, facsimiles, copiers, plotters, and multi-function machines, a liquid discharge apparatus that mounts a liquid droplet discharge head for discharging liquid droplets such as recording liquid and forms an image on a recording medium is provided. Is known. The droplet discharge device is also called a recording medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, ceramics (attached medium, recording medium, transfer paper, paper, etc.). Is used as a synonym regardless of the material.) Means a device that ejects droplets. In addition, “image formation” not only applies an image having a meaning such as a character or a figure to a recording medium, but also applies an image having no meaning such as a pattern to the recording medium. Meaning, recording, printing, printing, and printing are also used synonymously.

このような液滴吐出ヘッドとして、ノズル孔と連通する圧力室(インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等とも称される。)に圧電素子等の圧電体で圧力変動を発生させることで、ノズル孔から液滴を吐出させる方式がある。この液滴吐出ヘッドでは、液滴吐出を行った後、所定の期間、液滴を吐出せず、その後、再度液滴吐出を行うといった間欠吐出動作を行っている。この液滴吐出していない間欠時のノズルでは、乾燥によりインク表面(以下、「メニスカス面」と言う)近傍を中心に、インクの増粘が生じることがある。この増粘により、液滴の十分な吐出を行えなくなり、画像品質に影響することがある。   As such a droplet discharge head, a piezoelectric material such as a piezoelectric element is used in a pressure chamber (also referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressurized chamber, a discharge chamber, or a liquid chamber) communicating with the nozzle hole. There is a system in which droplets are ejected from nozzle holes by generating pressure fluctuations. In this droplet discharge head, an intermittent discharge operation is performed in which a droplet is not discharged for a predetermined period after the droplet is discharged, and then the droplet is discharged again. In this intermittent nozzle that is not ejecting droplets, ink thickening may occur around the ink surface (hereinafter referred to as “meniscus surface”) due to drying. Due to this thickening, sufficient droplet ejection cannot be performed, which may affect image quality.

このようなインクの増粘による影響を防止するため、薄膜圧電体の微駆動によって圧力室内でのインクの攪拌を行う方式や、増粘したインクを強制的に外部に排出する方式等が既に知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1では、薄膜圧電体の微駆動によって圧力室内を攪拌し、ノズル孔のメニスカス面近傍の増粘したインクを圧力室内へ引き込み、圧力室内のインクをノズル孔側へ押し出す動作を繰り返している。これにより、ノズル近傍と圧力室内とのインク粘度を平均化し、メニスカス面の低粘度化を行っている。さらに、所定期間ごとに、ノズル孔近傍の増粘したインクを外部に排出さて、圧力室内のインクをノズル側に移動させることで、メニスカス面のリフレッシュを行っている。   In order to prevent such effects of ink thickening, there are already known methods such as stirring the ink in the pressure chamber by fine driving of the thin film piezoelectric body, and methods for forcibly discharging the thickened ink to the outside. (For example, refer to Patent Document 1). In Patent Document 1, the pressure chamber is agitated by fine driving of the thin film piezoelectric body, the thickened ink near the meniscus surface of the nozzle hole is drawn into the pressure chamber, and the operation of pushing out the ink in the pressure chamber to the nozzle hole side is repeated. . As a result, the ink viscosity in the vicinity of the nozzle and the pressure chamber is averaged to reduce the meniscus surface viscosity. Further, the meniscus surface is refreshed by discharging the thickened ink in the vicinity of the nozzle holes to the outside and moving the ink in the pressure chamber to the nozzle side every predetermined period.

しかしながら、このような従来の攪拌によるメニスカス表面の低粘度化のみでは、圧力室全体の粘度が次第に増粘してしまい、吐出再開のため薄膜圧電体を駆動しても、吐出力が不足し、十分な吐出が行えなくなる。そのため、吸引によるメンテナンスでのメニスカス面のリフレッシュや空吐出が頻繁に必要となったり、ノズル近傍だけでなく圧力室全体のインクを排出する必要も生じたりして、インクを無駄に消耗してしまう。   However, only by reducing the viscosity of the meniscus surface by such conventional stirring, the viscosity of the entire pressure chamber gradually increases, and even when the thin film piezoelectric body is driven to resume discharge, the discharge force is insufficient. Sufficient discharge cannot be performed. As a result, refreshing the meniscus surface during idle maintenance and empty ejection are frequently required, and it is necessary to discharge ink not only in the vicinity of the nozzle but also in the entire pressure chamber, which wastes ink. .

一方、液滴吐出ヘッドの各圧力室に加熱手段を設け、液滴吐出ヘッド内のインクの温度を調整する提案がされている(例えば、特許文献2、3参照)。特許文献2では、ノズル孔から液滴を吐出させる際には、液滴の吐出用の駆動波形を圧電体に与えている。そして、インクの非吐出時に、ノズル孔から液滴が吐出されることのない駆動波形であって、圧力室の共振周波数の2倍以上の周波数を有する加熱用の駆動波形を圧電体に与え圧力室内のインクを加熱している。しかしながら、特許文献2では、加熱により圧力室内のインク温度を所定温度に維持することが目的であり、メニスカス面の乾燥による局部的な増粘を解消するためになされたものではない。   On the other hand, it has been proposed to provide heating means in each pressure chamber of the droplet discharge head to adjust the temperature of ink in the droplet discharge head (see, for example, Patent Documents 2 and 3). In Patent Document 2, when a droplet is ejected from a nozzle hole, a driving waveform for ejecting the droplet is applied to the piezoelectric body. Then, when ink is not ejected, a driving waveform in which droplets are not ejected from the nozzle holes, and a heating driving waveform having a frequency twice or more the resonance frequency of the pressure chamber is applied to the piezoelectric body. The ink in the room is heated. However, Patent Document 2 is intended to maintain the ink temperature in the pressure chamber at a predetermined temperature by heating, and is not intended to eliminate local thickening due to drying of the meniscus surface.

これに対して、特許文献3では、ノズル孔近傍の局所的な増粘を解消する目的で、非吐出時にノズルから液滴を吐出しない程度に圧電体を駆動させ、液滴吐出の直前に圧力室からノズル孔までのインクを、インクが沸騰を起こさず、かつノズル孔から吐出しない範囲で温める方法が開示されている。しかし、この場合は、圧電体の振動と加熱手段による加熱とが必要となって手数がかかるとともに、ノズルごとに加熱手段を設けているため、部品点数や配線数が多くなる等、液滴吐出ヘッドの構成も複雑となる。   On the other hand, in Patent Document 3, for the purpose of eliminating local thickening in the vicinity of the nozzle hole, the piezoelectric body is driven to such an extent that droplets are not ejected from the nozzles during non-ejection, and pressure is applied immediately before droplet ejection. A method of heating ink from a chamber to a nozzle hole within a range in which the ink does not boil and is not discharged from the nozzle hole is disclosed. However, in this case, vibration of the piezoelectric body and heating by the heating means are required, which is troublesome, and since the heating means is provided for each nozzle, the number of parts and the number of wirings are increased. The configuration of the head is also complicated.

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、電源ON時や長期間印字を実施していない場合等のような液滴吐出の間欠動作時に、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることを可能とすることで、印字を円滑に再開することが可能であり、吸引によるメンテナンスの頻度や液体の消耗量を低減することが可能な液滴吐出ヘッド、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and the viscosity of a thickened liquid is complicated during intermittent operation of droplet discharge such as when the power is turned on or when printing is not performed for a long period of time. By enabling easy lowering without requiring a special configuration and effort, printing can be resumed smoothly, and maintenance frequency and liquid consumption can be reduced by suction. It is an object to provide a droplet discharge head and an image forming apparatus including the droplet discharge head.

上記の目的を達成するため、本願に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備え、駆動制御手段は、ノズルからの液滴の吐出の開始前に、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、圧力室内を加熱することを特徴とする。   In order to achieve the above object, a droplet discharge head according to the present application is provided with a nozzle for discharging droplets, a pressure chamber communicating with the nozzle, a diaphragm provided on the pressure chamber, and a diaphragm. A thin film piezoelectric body that changes the volume in the pressure chamber by vibrating the diaphragm, and a drive control means that applies a drive waveform for discharging droplets to the thin film piezoelectric body. Before starting the discharge of droplets from the nozzle, a pulse waveform holding an intermediate potential higher than the intermediate potential used in the drive waveform for droplet discharge is applied to the thin film piezoelectric body as a heating waveform. Is heated.

本発明によれば、電源ON時や長期間印字を実施していない場合等のような、液滴突出の間欠動作時に、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることが可能となる。そのため、印字を円滑に再開することが可能であり、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することが可能な液滴吐出ヘッド、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することができる。   According to the present invention, the viscosity of the thickened liquid can be reduced without requiring a complicated configuration or trouble at the time of intermittent operation of the liquid droplet protrusion, such as when the power is turned on or when printing is not performed for a long period of time. It can be easily lowered. Therefore, it is possible to smoothly resume printing, reduce the frequency of maintenance by suction, and reduce the amount of liquid consumption, and an image including this droplet discharge head A forming apparatus can be provided.

本願の実施形態に係る液滴吐出ヘッドの構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the droplet discharge head which concerns on embodiment of this application. 図1の液滴吐出ヘッドから、フレームを省略した平面図である。FIG. 2 is a plan view in which a frame is omitted from the droplet discharge head of FIG. 1. 圧電体の構成例を示し、(a)は断面図であり、(b)は第1絶縁保護膜の一部と、第2絶縁保護膜を省略した状態の平面図である。FIG. 2A is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a piezoelectric body, and FIG. 2B is a plan view of a state in which a part of a first insulating protective film and a second insulating protective film are omitted. 実施例1における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。It is a graph which shows the voltage and application time of the heating waveform in Example 1. FIG. 実施例2における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。It is a graph which shows the voltage and application time of the heating waveform in Example 2. FIG. 実施例3における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。It is a graph which shows the voltage and application time of the heating waveform in Example 3. 実施例4における加熱波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。It is a graph which shows the voltage and application time of the heating waveform in Example 4. 実施例1〜4におけるメニスカス表面の経時による粘度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the viscosity with time of the meniscus surface in Examples 1-4. 比較例におけるメニスカス表面の経時による粘度の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the viscosity with time of the meniscus surface in a comparative example. 実施例5の画像形成装置における主要機構部の構成を示す概略図である。FIG. 10 is a schematic diagram illustrating a configuration of a main mechanism in an image forming apparatus according to a fifth embodiment. 図10の主要機構部の要部の概略平面図である。It is a schematic plan view of the principal part of the main mechanism part of FIG.

以下、本願に係る液滴吐出ヘッドの実施形態について説明する。本願の実施形態に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する圧力室と、圧力室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備えて構成される。駆動制御手段は、ノズルからの液滴の吐出の開始前に、薄膜圧電体に、液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、圧力室内を加熱する。   Hereinafter, embodiments of the droplet discharge head according to the present application will be described. A droplet discharge head according to an embodiment of the present application includes a nozzle that discharges droplets, a pressure chamber that communicates with the nozzle, a diaphragm provided on the pressure chamber, and a diaphragm provided on the diaphragm. A thin film piezoelectric body that changes the volume in the pressure chamber by being oscillated, and a drive control unit that applies a drive waveform for discharging droplets to the thin film piezoelectric body are configured. The drive control means applies, as a heating waveform, a pulse waveform that holds an intermediate potential higher than the intermediate potential used in the drive waveform for droplet ejection to the thin film piezoelectric body before the start of droplet ejection from the nozzle. Then, the pressure chamber is heated.

このような加熱波形の印加により、液滴吐出の駆動時よりも、充放電電流が高くなって、薄膜圧電体の発熱が大きくなり、液滴吐出ヘッド全体が加熱される。そのため、間欠吐出時の乾燥によって液体内の水分が低下して増粘していても、液体の溶媒の温度依存性から、加熱によって液体が粘度化する。したがって、加熱波形を付与するだけで、複雑な構成や手数を必要とすることなく、メニスカス表面近傍の乾燥した部分の粘度を下げることができ、印字を円滑に再開することができる。また、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することが可能となる。   By applying such a heating waveform, the charge / discharge current becomes higher than when droplet discharge is driven, the heat generation of the thin film piezoelectric body increases, and the entire droplet discharge head is heated. Therefore, even if the moisture in the liquid decreases and thickens due to drying during intermittent ejection, the liquid becomes viscous by heating due to the temperature dependence of the solvent of the liquid. Therefore, the viscosity of the dried portion in the vicinity of the meniscus surface can be lowered and the printing can be resumed smoothly by simply applying the heating waveform without requiring a complicated configuration or trouble. Further, it is possible to reduce the amount of liquid consumption by reducing the frequency of maintenance by suction.

また、加熱波形が、液滴吐出時の駆動波形の波高値以上の電圧幅で印加されるパルス波形であることが望ましい。なお、駆動波形の波高値とは、中間電位から引き込み時の最低電圧までの電圧幅をいう。これにより、充放電電流量がさらに高くなり、薄膜圧電体からの発熱がさらに大きくなり、液滴吐出ヘッド全体が良好に加熱されて、液滴吐出ヘッド内の液体を短時間で低粘度化することが可能となる。   In addition, it is desirable that the heating waveform is a pulse waveform that is applied with a voltage width equal to or greater than the peak value of the drive waveform during droplet ejection. The peak value of the drive waveform refers to the voltage width from the intermediate potential to the lowest voltage at the time of pulling. As a result, the amount of charge / discharge current is further increased, the heat generation from the thin film piezoelectric body is further increased, the entire droplet discharge head is heated well, and the viscosity of the liquid in the droplet discharge head is reduced in a short time. It becomes possible.

また、加熱波形として、ノズルのメニスカス表面の反共振周波数でパルス波形を印加することが望ましい。これにより、圧力室内部の液体の攪拌を伴わずに加熱することができ、圧力室全体を加熱し易くなり、液滴吐出ヘッド内の液体の低粘度化を、より容易に行うことが可能となる。   Further, it is desirable to apply a pulse waveform at the anti-resonance frequency of the meniscus surface of the nozzle as the heating waveform. As a result, it is possible to heat the liquid inside the pressure chamber without stirring, and it becomes easy to heat the entire pressure chamber, and it is possible to easily reduce the viscosity of the liquid in the droplet discharge head. Become.

また、加熱波形は、パルス波形の立上り時間および立下り時間が、液体吐出時の駆動波形の立上り時間および立下り時間以下であることが望ましい。これにより、充放電電流量が増大して、薄膜圧電体からの発熱量が増大し、短時間での加熱が可能になる。   In addition, it is desirable that the heating waveform has a rise time and a fall time of the pulse waveform that are equal to or shorter than the rise time and the fall time of the drive waveform during liquid ejection. This increases the amount of charge / discharge current, increases the amount of heat generated from the thin film piezoelectric body, and enables heating in a short time.

また、本願の実施形態に係る画像形成装置は、上述のような液滴吐出ヘッドを備え、液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させるよう構成されている。したがって、電源ON時や長期間印字を実施していない場合等のような、液滴突出の間欠動作時にも、増粘した液体の粘度を、複雑な構成や手数を必要することなく、容易に下げることが可能となる。そのため、間欠時であっても印字を円滑に再開して、優れた画像品質を保持することが可能な画像形成装置を得ることができる。また、吸引によるメンテナンスの頻度を低減して、液体の消耗量を低減することも可能となる。   In addition, an image forming apparatus according to an embodiment of the present application includes the above-described droplet discharge head, and is configured to land droplets discharged from the droplet discharge head on a deposition medium. Therefore, even during intermittent operation of droplet protrusion, such as when the power is turned on or when printing has not been performed for a long period of time, the viscosity of the thickened liquid can be easily adjusted without requiring a complicated configuration or labor. Can be lowered. Therefore, it is possible to obtain an image forming apparatus capable of smoothly restarting printing and maintaining excellent image quality even during intermittent operation. In addition, it is possible to reduce the amount of liquid consumption by reducing the frequency of maintenance by suction.

以下、本願の液滴吐出ヘッドに係る各実施例および比較例について、図面を参照して説明する。図1は、本願の実施例に係る液滴吐出ヘッドの構成例を示す断面図である。図2は、図1の液滴吐出ヘッドの平面図であって、サブフレームを省略したものである。図3(a)は実施例で使用する圧電素子の構成例を示す断面図であり、(b)は第1絶縁保護膜の一部と、第2絶縁保護膜を省略した状態の圧電素子の平面図である。   Embodiments and comparative examples relating to the droplet discharge head of the present application will be described below with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view illustrating a configuration example of a droplet discharge head according to an embodiment of the present application. FIG. 2 is a plan view of the liquid droplet ejection head of FIG. 1, with the subframe omitted. FIG. 3A is a cross-sectional view showing a configuration example of the piezoelectric element used in the embodiment, and FIG. 3B is a view of the piezoelectric element in a state where a part of the first insulating protective film and the second insulating protective film are omitted. It is a top view.

[液滴吐出ヘッドの構成]
図1に示すように、本願の実施例に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズル2を有するノズル板1、ノズル2が連通する圧力室3、この圧力室3が設けられたアクチュエータ基板4、圧力室3内の液体を加圧する薄膜圧電体としての圧電素子6、圧電素子6と圧力室3との間に設けられた振動板5、共通液室8、共通液室8を構成するフレーム板7、インクタンク(図示せず)と連通し共通液室8に液体を供給する供給口9、圧電素子6の駆動を制御する駆動制御手段としての駆動用IC10、圧力室3にインクを供給する供給路を兼ねた流体抵抗12、圧電素子6を収納するサブフレーム板13、各種配線(図2参照)等を備えて構成されている。
[Configuration of droplet discharge head]
As shown in FIG. 1, a droplet discharge head according to an embodiment of the present invention includes a nozzle plate 1 having a nozzle 2 for discharging droplets, a pressure chamber 3 in which the nozzle 2 communicates, and an actuator provided with the pressure chamber 3. The substrate 4, the piezoelectric element 6 as a thin film piezoelectric body that pressurizes the liquid in the pressure chamber 3, the diaphragm 5 provided between the piezoelectric element 6 and the pressure chamber 3, the common liquid chamber 8, and the common liquid chamber 8 are configured. A frame plate 7 that communicates with the ink tank (not shown), a supply port 9 that supplies liquid to the common liquid chamber 8, a driving IC 10 that controls driving of the piezoelectric element 6, and ink in the pressure chamber 3. Are provided with a fluid resistance 12 that also serves as a supply path for supplying gas, a subframe plate 13 that accommodates the piezoelectric element 6, various wirings (see FIG. 2), and the like.

(ノズル板1、ノズル2の構成)
ノズル板1は、液滴吐出用のノズル2が配列された基板であり、樹脂、金属材料等から形成されている。ノズル2は、図1に示すように、圧力室3と連通し、圧力室3内の液体を液滴として外部に吐出する。ノズル2は、駆動用IC10を介して、ノズル板1の短手方向(図1の左右方向)の両側に、それぞれ、長手方向(図1の前後方向)に向かって複数配置されている。すなわち、複数のノズル2からなるノズル列(図示せず)が、ノズル板1の長手方向に2列に配列されている。
(Configuration of nozzle plate 1 and nozzle 2)
The nozzle plate 1 is a substrate on which nozzles 2 for discharging droplets are arranged, and is formed from a resin, a metal material, or the like. As shown in FIG. 1, the nozzle 2 communicates with the pressure chamber 3, and discharges the liquid in the pressure chamber 3 to the outside as droplets. A plurality of nozzles 2 are arranged on both sides of the nozzle plate 1 in the short direction (left-right direction in FIG. 1) via the driving IC 10 in the longitudinal direction (front-rear direction in FIG. 1). That is, nozzle rows (not shown) made up of a plurality of nozzles 2 are arranged in two rows in the longitudinal direction of the nozzle plate 1.

また、ノズル板1は長手方向の寸法がアクチュエータ基板4の寸法よりも長尺に形成されている。これにより、ノズル板1の長手方向の両端部には、図2に示すように、アクチュエータ基板4の端部から突出する延設部1a(一方のみ図示、他方は図示せず)が形成されている。   Further, the nozzle plate 1 is formed such that the longitudinal dimension is longer than the dimension of the actuator substrate 4. Thereby, at both ends in the longitudinal direction of the nozzle plate 1, as shown in FIG. 2, extending portions 1 a (only one is shown, the other is not shown) protruding from the end of the actuator substrate 4 are formed. Yes.

この延設部1a上には、図2に示すように、配線接続用のFPC(フレキシブル配線基板)14の配線端部14aが配設されている。この配線端部14aの表面には、複数の配線端子14bが並設されている。また、配線端部14aの裏面には裏打ち板(図示せず)が固着され、FPC14の配線端部14aが延設部1a上に取り付けられている。   On the extended portion 1a, as shown in FIG. 2, a wiring end portion 14a of an FPC (flexible wiring board) 14 for wiring connection is disposed. A plurality of wiring terminals 14b are arranged in parallel on the surface of the wiring end portion 14a. Further, a backing plate (not shown) is fixed to the back surface of the wiring end portion 14a, and the wiring end portion 14a of the FPC 14 is attached on the extending portion 1a.

(アクチュエータ基板4の構成)
アクチュエータ基板4は、ガラスや薄い金属板の積層体、シリコン基板等で形成されている。このアクチュエータ基板4の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100μm〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されている。実施例では、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような圧力室3を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していく。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
(Configuration of actuator substrate 4)
The actuator substrate 4 is formed of a laminated body of glass or a thin metal plate, a silicon substrate, or the like. As a material for the actuator substrate 4, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 μm to 600 μm. Although there are three types of plane orientations (100), (110), and (111), (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. In the examples, a single crystal substrate mainly having a (100) plane orientation was mainly used. Further, when the pressure chamber 3 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. As an etching method in this case, it is common to use anisotropic etching.

異方性エッチングとは、結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。例えば、水酸化カリウムKOH等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、(100)面に比べて(111)面は約1/400程度のエッチング速度となる。したがって、面方位(100)では約54°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位(110)では深い溝を設けることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。そのため、実施例では、(110)の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。ただし、この場合、マスク材である二酸化ケイ素SiO2(もエッチングされてしまうことがあるため、この点に留意して利用している。 Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure. For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as potassium hydroxide KOH, the (111) plane has an etching rate of about 1/400 compared to the (100) plane. Therefore, while a structure having an inclination of about 54 ° can be produced in the plane orientation (100), a deep groove can be provided in the plane orientation (110), so that the arrangement density can be increased while maintaining rigidity. I know you can. Therefore, in the embodiment, it is possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, silicon dioxide SiO 2 (which is also a mask material) may be etched, so that this point is utilized with attention being paid to this point.

(圧力室3の構成)
圧力室3は、アクチュエータ基板4上に、複数形成されている。各圧力室3は、図2に示すように、アクチュエータ基板4の短手方向(図2の左右方向)に長尺な細長い形状で形成されている。また、この圧力室3は、駆動用IC10を介して、アクチュエータ基板4の短手方向(図2の左右方向)の両側であって、長手方向(図2の上下方向)に向かって、等ピッチで複数配置され、2列の圧力室3の列を形成している。
(Configuration of pressure chamber 3)
A plurality of pressure chambers 3 are formed on the actuator substrate 4. As shown in FIG. 2, each pressure chamber 3 is formed in an elongated shape that is long in the short direction of the actuator substrate 4 (the left-right direction in FIG. 2). The pressure chambers 3 are arranged at equal pitches on both sides of the actuator substrate 4 in the short direction (left-right direction in FIG. 2) and in the longitudinal direction (up-down direction in FIG. 2) via the driving IC 10. And a plurality of rows of pressure chambers 3 are formed.

また、図1に示すように、アクチュエータ基板4の短手方向の両側には、圧力室3と連通し、この圧力室3内に液体を供給する個別流路3aが、それぞれ形成されている。この個別流路3aは、図2に示すように、アクチュエータ基板4の短手方向の両側に、長手方向に向かって複数配置され、2列の個別流路3aの列を形成している。   As shown in FIG. 1, on both sides of the actuator substrate 4 in the short direction, individual flow paths 3 a that communicate with the pressure chamber 3 and supply liquid into the pressure chamber 3 are formed. As shown in FIG. 2, a plurality of the individual flow paths 3a are arranged in the longitudinal direction on both sides in the short direction of the actuator substrate 4 to form two rows of individual flow paths 3a.

また、アクチュエータ基板4には、圧力室3および個別流路3aと連通し、個別流路3aから圧力室3に液体を供給する流体抵抗12が形成されている。この流体抵抗12は、小断面積に形成されていて、個別流路3aから圧力室3に流れる液体の流量を制限するように構成されている。なお、アクチュエータ基板4がシリコン単結晶基板等で形成されている場合には、前述したように、圧力室3、個別流路3a、および、流体抵抗12等は、エッチングにより形成することができる。   In addition, the actuator substrate 4 is formed with a fluid resistance 12 that communicates with the pressure chamber 3 and the individual flow path 3 a and supplies a liquid from the individual flow path 3 a to the pressure chamber 3. The fluid resistance 12 has a small cross-sectional area and is configured to limit the flow rate of the liquid flowing from the individual flow path 3a to the pressure chamber 3. When the actuator substrate 4 is formed of a silicon single crystal substrate or the like, as described above, the pressure chamber 3, the individual flow path 3a, the fluid resistance 12 and the like can be formed by etching.

また、図1に示すように、アクチュエータ基板4の一面側(図1の紙面下側)には、ノズル板1が接合され、圧力室3、個別流路3a、流体抵抗12の開放端が、このノズル板1で閉じられている。また、アクチュエータ基板4の他面側(図1の紙面上側)は、薄膜状の振動板5が配置され、圧力室3の他端側が、この振動板5により閉じられている。   Further, as shown in FIG. 1, the nozzle plate 1 is joined to one side of the actuator substrate 4 (the lower side in FIG. 1), and the open ends of the pressure chamber 3, the individual flow path 3a, and the fluid resistance 12 are The nozzle plate 1 is closed. A thin film-like diaphragm 5 is disposed on the other surface side of the actuator substrate 4 (upper side in FIG. 1), and the other end side of the pressure chamber 3 is closed by the diaphragm 5.

(振動板5の構成)
振動板(成膜振動板)5は、圧電素子6によって発生した力を受けて、変形変位して、圧力室3の容積を変化させることにより、ノズル2から液滴を吐出させる。そのため、図3に示す実施例1の振動板5としては、所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板5の材料としては、ケイ素Si、二酸化ケイ素SiO2、窒化ケイ素Si34が挙げられ、これらを用いて振動板5をCVD法(Chemical Vapor Deposition)により作製したものが挙げられる。
(Configuration of diaphragm 5)
The vibration plate (film formation vibration plate) 5 receives a force generated by the piezoelectric element 6 and is deformed and displaced to change the volume of the pressure chamber 3, thereby discharging a droplet from the nozzle 2. Therefore, it is preferable that the diaphragm 5 of the first embodiment shown in FIG. 3 has a predetermined strength. Examples of the material of the diaphragm 5 include silicon Si, silicon dioxide SiO 2 , and silicon nitride Si 3 N 4 , and those prepared using the diaphragm 5 by a CVD method (Chemical Vapor Deposition).

振動板5は、さらに、後述する下部電極としての第1電極601、電気機械変換膜602(図3参照)の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気機械変換膜602としては、一般的に材料としてPZT(Pb(Zr,Ti)O、ジルコニウム酸−チタン酸鉛)が使用される。このことから、振動板5の材料としては、線膨張係数8×10-6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10-6〜10×10-6の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10-6〜9×10-6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。 It is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the first electrode 601 and the electromechanical conversion film 602 (see FIG. 3) as a lower electrode, which will be described later, for the diaphragm 5. In particular, the electromechanical conversion film 602 generally uses PZT (Pb (Zr, Ti) O, zirconate-lead titanate) as a material. From this, the material of the diaphragm 5 had a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 as a linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K). A material is preferable, and a material having a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 is more preferable.

振動板5の具体的な材料としては、酸化アルミニウムAl23、酸化ジルコニウムZrO2、酸化イリジウムIrO2、酸化ルテニウムRUO2、酸化タンタルTa2O5、酸化ハフニウムHfO2、酸化オスミウムOsO、酸化レニウムReO2、酸化ロジウムRh23、酸化パラジウムPdO、および、これらの化合物等が挙げられる。これらをスパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて振動板5を作製することができる。振動板5の膜厚としては、0.1μm〜10μmが好ましく、0.5μm〜3μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと、アクチュエータ基板4への圧力室3の加工が行いにくくなり、この範囲より大きいと、振動板5が変形変位しにくくなり、液滴の吐出が不安定になるため好ましくない。 Specific materials for the diaphragm 5 include aluminum oxide Al 2 O 3 , zirconium oxide ZrO 2 , iridium oxide IrO 2 , ruthenium oxide RUO 2 , tantalum oxide Ta 2 O 5, hafnium oxide HfO 2 , osmium oxide OsO 4 , oxide Examples thereof include rhenium ReO 2 , rhodium oxide Rh 2 O 3 , palladium oxide PdO, and compounds thereof. The diaphragm 5 can be produced with a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. The film thickness of the diaphragm 5 is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 0.5 μm to 3 μm. If it is smaller than this range, it will be difficult to process the pressure chamber 3 on the actuator substrate 4, and if it is larger than this range, the vibration plate 5 will be difficult to deform and displace, and the ejection of droplets will become unstable.

また、この振動板5を開口することにより、図1に示すように、複数の圧力室3に対応する複数の個別流路3aと、共通液室8とが連通する。   Further, by opening the diaphragm 5, as shown in FIG. 1, the plurality of individual flow paths 3a corresponding to the plurality of pressure chambers 3 and the common liquid chamber 8 communicate with each other.

(圧電素子6の構成)
圧電素子6は、図1に示すように、振動板5の、圧力室3を設けた側とは反対側の面に設けられている。圧電素子6は、交流電圧が印加されることで膨張・収縮して、振動板5を振動させ、この振動板5の振動により、圧力室3の容積を変化させて圧力を作用させる。この振動板5と圧電素子6とで、圧電アクチュエータを構成している。また、この圧電素子6は、図2に示すように、振動板5の短手方向の両側に、長手方向に向かって一直線上に複数配置され、2列の圧電素子6の列を形成している。
(Configuration of piezoelectric element 6)
As shown in FIG. 1, the piezoelectric element 6 is provided on the surface of the diaphragm 5 opposite to the side on which the pressure chamber 3 is provided. The piezoelectric element 6 expands and contracts when an AC voltage is applied to vibrate the vibration plate 5, and the vibration of the vibration plate 5 changes the volume of the pressure chamber 3 to apply pressure. The diaphragm 5 and the piezoelectric element 6 constitute a piezoelectric actuator. Further, as shown in FIG. 2, a plurality of piezoelectric elements 6 are arranged on both sides in the short direction of the diaphragm 5 in a straight line in the longitudinal direction to form two rows of piezoelectric elements 6. Yes.

以下、圧電素子6の具体例として、電気機械変換素子の構成を、図3を参照して説明する。図3(a)に示すように、圧電素子6は、前述のアクチュエータ基板4、振動板(成膜振動体)5の上面に形成され、第1電極601、電気機械変換膜602、第2電極603、保護膜としての第1絶縁保護膜604、第3電極606と第4電極607(引き出し配線)、および、第2絶縁保護膜605等を有する素子構成からなる。この圧電素子6の駆動は、第1電極601および第2電極603が、それぞれ配線を介して接続された駆動用IC10(図1参照)によって行われる。   Hereinafter, as a specific example of the piezoelectric element 6, the configuration of an electromechanical conversion element will be described with reference to FIG. 3. As shown in FIG. 3A, the piezoelectric element 6 is formed on the upper surfaces of the actuator substrate 4 and the diaphragm (film-forming vibrator) 5 described above, and includes a first electrode 601, an electromechanical conversion film 602, and a second electrode. 603, an element configuration including a first insulating protective film 604 as a protective film, a third electrode 606 and a fourth electrode 607 (lead-out wiring), a second insulating protective film 605, and the like. The driving of the piezoelectric element 6 is performed by a driving IC 10 (see FIG. 1) in which the first electrode 601 and the second electrode 603 are connected to each other through wiring.

図3(b)に示すように、第1絶縁保護膜604はコンタクトホール部608を有しており、第1電極601と第3電極606、第2電極603と第4電極607とが、それぞれ導通した構成となっている。このとき、第1電極601および第3電極606を共通電極配線609とし、第2電極603および第4電極607を個別電極配線610とする。この共通電極配線609および個別電極配線610の上面に、これらを保護する第2絶縁保護膜605が形成されている。この第2絶縁保護膜605が一部開口されて(開口部O)、電極PADとして構成されている。共通電極配線609用に作製されたものを、共通電極PAD611、個別電極配線610用に作製されたものを、個別電極用PAD612としている。共通電極配線609と個別電極配線610との間に、電圧印加あるいはコロナ帯電により、分極処理を実施している。   As shown in FIG. 3B, the first insulating protective film 604 has a contact hole portion 608, and the first electrode 601 and the third electrode 606, and the second electrode 603 and the fourth electrode 607 are respectively It has a conductive configuration. At this time, the first electrode 601 and the third electrode 606 are used as the common electrode wiring 609, and the second electrode 603 and the fourth electrode 607 are used as the individual electrode wiring 610. A second insulating protective film 605 is formed on the upper surfaces of the common electrode wiring 609 and the individual electrode wiring 610 to protect them. The second insulating protective film 605 is partially opened (opening portion O) to form an electrode PAD. What is produced for the common electrode wiring 609 is the common electrode PAD 611, and what is produced for the individual electrode wiring 610 is the individual electrode PAD 612. A polarization process is performed between the common electrode wiring 609 and the individual electrode wiring 610 by voltage application or corona charging.

<第1電極601>
第1電極601としては、金属または金属と酸化物とから成ることが好ましい。ここで、どちらも振動板5と第1電極601用の金属膜との間に、密着層(図示せず)を介在させて、双方の剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に、密着層含めて第1電極601の金属電極膜、酸化物電極膜の詳細について記載する。
<First electrode 601>
The first electrode 601 is preferably made of a metal or a metal and an oxide. Here, in both cases, an adhesive layer (not shown) is interposed between the diaphragm 5 and the metal film for the first electrode 601 so as to suppress both peeling and the like. The details of the metal electrode film and oxide electrode film of the first electrode 601 including the adhesion layer will be described below.

「密着層」
密着膜としてチタンTiをスパッタ成膜後、RTA(rapid thermal annealing)装置を用いて、650℃〜800℃、1分〜30分、酸素O2雰囲気でチタン膜を熱酸化して、チタン膜を酸化チタン膜(TiO2膜)にする。酸化チタン膜を作成するには、反応性スパッタでもよいが、チタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とするからである。さらに、一般の炉による酸化よりも、RTA装置による酸化の方が、酸化チタン膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いRTA装置による酸化の方が、良好な結晶を形成するために有利になる。またTi以外の材料としては、タンタルTa、イリジウムIr、ルテニウムRu等の材料も好適に挙げられる。
"Adhesion layer"
After titanium Ti is sputter-deposited as an adhesion film, the titanium film is thermally oxidized in an oxygen O 2 atmosphere at 650 ° C. to 800 ° C. for 1 minute to 30 minutes using an RTA (rapid thermal annealing) apparatus. A titanium oxide film (TiO 2 film) is formed. In order to produce the titanium oxide film, reactive sputtering may be used, but a thermal oxidation method at a high temperature of the titanium film is desirable. This is because the production by reactive sputtering requires a special sputtering chamber configuration because the silicon substrate needs to be heated at a high temperature. Furthermore, the crystallinity of the titanium oxide film is better in the oxidation by the RTA apparatus than in the oxidation by a general furnace. This is because, according to oxidation in a normal heating furnace, a titanium film that is easily oxidized forms several crystal structures at a low temperature, and thus it is necessary to break it once. Therefore, oxidation by an RTA apparatus having a high temperature rising rate is advantageous for forming a good crystal. Moreover, as materials other than Ti, materials such as tantalum Ta, iridium Ir, ruthenium Ru, and the like are also preferable.

密着膜の膜厚としては、10nm〜50nmが好ましく、15nm〜30nmがさらに好ましい。この範囲以下の場合では、密着性に懸念があり、この範囲以上では、密着膜上で作製する電極膜の結晶の質に影響が出てくるため好ましくない。   The film thickness of the adhesion film is preferably 10 nm to 50 nm, and more preferably 15 nm to 30 nm. Below this range, there is concern about the adhesion, and above this range, the crystal quality of the electrode film produced on the adhesion film is affected, which is not preferable.

「金属電極膜」
金属電極膜の金属材料としては、従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金Ptが用いられているが、鉛Pbに対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムIrや白金−ロジウム合金などの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地である振動板5(特にSiO2)との密着性が悪いために、先の密着層を先に積層することが好ましい。
"Metal electrode film"
Conventionally, platinum Pt having high heat resistance and low reactivity has been used as the metal material of the metal electrode film, but it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead Pb. Examples include platinum group elements such as Ir and platinum-rhodium alloys, and alloy films thereof. Further, when platinum is used, it is preferable that the previous adhesive layer is laminated first because the adhesiveness to the diaphragm 5 (particularly SiO 2 ) as a base is poor.

金属電極膜の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚としては、80nm〜200nmが好ましく、100nm〜150nmがより好ましい。この範囲より薄い場合においては、共通電極として十分な電流を供給することが出来なくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。さらに、この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップとなる点や、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなる。そして、その上に作製する酸化物電極膜やPZTの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、液滴吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生するため好ましくない。   As a method for producing the metal electrode film, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. As a film thickness, 80 nm-200 nm are preferable, and 100 nm-150 nm are more preferable. When the thickness is smaller than this range, it is not preferable because a sufficient current cannot be supplied as a common electrode and a problem occurs when droplets are discharged. In addition, when the material is thicker than this range, the cost increases when using an expensive material of the platinum group element, and when the material is made of platinum, the surface is increased when the film thickness is increased. Roughness increases. Further, it is not preferable because the oxide electrode film or PZT formed thereon has an influence on the surface roughness and crystal orientation, and causes a problem that a sufficient displacement cannot be obtained for droplet discharge.

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料としては、ストロンチウム・ルテニウム酸化物SrRuO3を用いることが好ましい。左記以外にも、Srx(A)(1−x)Ruy(1−y)、A=Ba,Ca、B=Co,Ni、x,y=0〜0.5で記述されるような材料も好適に挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。スパッタ条件によって、SrRuO3薄膜の膜質が変化する。そのため、特に結晶配向性を重視し、第1電極601のプラチナPt(111)にならって、SrRuO3膜(SRO成膜とも呼ぶ)についても(111)配向させるためには、成膜温度については500℃以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
"Oxide electrode film"
As a material for the oxide electrode film, strontium / ruthenium oxide SrRuO 3 is preferably used. In addition to the materials on the left, Srx (A) (1-x) Ruy (1-y), A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5 Preferably mentioned. The film forming method is produced by sputtering. The film quality of the SrRuO 3 thin film changes depending on the sputtering conditions. For this reason, in order to place the (r) orientation of the SrRuO 3 film (also referred to as SRO film formation) in accordance with the platinum Pt (111) of the first electrode 601 with particular emphasis on the crystal orientation, It is preferable to form a film by heating the substrate at 500 ° C. or higher.

例えば、SRO成膜条件として、室温成膜でその後、RTA処理にて結晶化温度(650℃)で熱酸化する方法がある。この場合、SRO膜としては、十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られる。しかしながら、膜の結晶配向性としては、(110)が優先配向しやすくなり、その上に成膜したPZTについても(110)配向し易くなる。   For example, as SRO film formation conditions, there is a method of performing thermal oxidation at a crystallization temperature (650 ° C.) by RTA treatment after film formation at room temperature. In this case, the SRO film is sufficiently crystallized, and a sufficient value can be obtained as a specific resistance as an electrode. However, as the crystal orientation of the film, (110) is likely to be preferentially oriented, and the PZT film formed thereon is also likely to be (110) oriented.

Pt(111)上に作製したSRO結晶性については、PtとSROとで格子定数が近いため、通常のθ−2θ測定では、SRO(111)とPt(111)の2θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ptについては消滅則の関係からPsi=35°傾けた2θが約32°付近の位置には回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Psi方向を約35°傾けて、2θが約32°付近のピーク強度で判断することでSROが(111)に優先配向しているかを確認することができる。2θ=32°に固定し、Psiを振ったときのデータを、以下に示す。   Regarding SRO crystallinity produced on Pt (111), the lattice constants of Pt and SRO are close to each other. Therefore, in the usual θ-2θ measurement, the 2θ positions of SRO (111) and Pt (111) are overlapped and discriminated. Is difficult. With respect to Pt, diffraction lines cancel each other at a position where 2θ tilted by Psi = 35 ° is about 32 ° due to the disappearance rule, and no diffraction intensity is observed. Therefore, it is possible to confirm whether the SRO is preferentially oriented to (111) by tilting the Psi direction by about 35 ° and judging from the peak intensity where 2θ is about 32 °. Data when 2θ = 32 ° is fixed and Psi is shaken is shown below.

Psi=0°ではSRO(110)ではほとんど回折強度が見られず、Psi=35°付近において、回折強度が見られることから本成膜条件にて作製したものについては、SROが(111)配向していることが確認できた。また、上述した室温成膜+RTA処理により作製されたSROについては、Psi=0°のときに、SRO(110)の回折強度が見られる。   When Psi = 0 °, almost no diffraction intensity is observed with SRO (110), but near Psi = 35 °, diffraction intensity is observed. I was able to confirm. In addition, regarding the SRO produced by the room temperature film formation + RTA process described above, the diffraction intensity of SRO (110) can be seen when Psi = 0 °.

詳細は後述するが、圧電アクチュエータとして連続動作したときに、駆動させた後の変位量が、初期変位に比べてどのくらい劣化したかを見積もったところ、PZTの配向性が非常に影響しており、(110)では変位劣化抑制において不十分である。さらにSRO膜の表面粗さを見たときに、成膜温度に影響し、室温から300℃では表面粗さが非常に小さく2nm以下になる。粗さについては、AFMにより測定される表面粗さ(平均粗さ)を指標としている。表面粗さとしては、非常にフラットにはなっているが結晶性が十分でなく、その後成膜したPZTの圧電アクチュエータとしての初期変位や連続駆動後の変位劣化については、十分な特性が得られない。   Although details will be described later, when the amount of displacement after being driven is estimated to be deteriorated compared to the initial displacement when continuously operating as a piezoelectric actuator, the orientation of PZT has a great influence. (110) is insufficient in suppressing displacement deterioration. Further, when the surface roughness of the SRO film is observed, it affects the film formation temperature, and the surface roughness is very small from room temperature to 300 ° C. and becomes 2 nm or less. As for the roughness, the surface roughness (average roughness) measured by AFM is used as an index. The surface roughness is very flat but the crystallinity is not sufficient. Sufficient characteristics can be obtained for the initial displacement as a PZT piezoelectric actuator and the displacement deterioration after continuous driving. Absent.

表面粗さとしては、4nm〜15nmになっていることが好ましく、6nm〜10nmがさらに好ましい。この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなるため好ましくない。したがって、上述に示すような、結晶性や表面粗さを得るためには、成膜温度としては500℃〜700℃、好ましくは520℃〜600℃の範囲で成膜を実施している。   The surface roughness is preferably 4 nm to 15 nm, and more preferably 6 nm to 10 nm. Exceeding this range is not preferable because the dielectric strength of PZT formed thereafter is very poor and leaks easily. Therefore, in order to obtain crystallinity and surface roughness as described above, film formation is performed at a film formation temperature of 500 to 700 ° C., preferably 520 to 600 ° C.

成膜後のSrとRuの組成比については、Sr/Ruが0.82以上1.22以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなるため好ましくない。さらに、SRO膜の膜厚としては、40nm〜150nmが好ましく、50nm〜80nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと、初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない点や、PZTのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなるため好ましくない。また、この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。また比抵抗としては、5×10-3Ω・cm以下になっていることが好ましく、さらに1×10-3Ω・cm以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると、共通電極配線609として、第5電極(図示せず)との界面で接触抵抗が十分得られず、共通電極配線609として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。 Regarding the composition ratio of Sr and Ru after film formation, Sr / Ru is preferably 0.82 or more and 1.22 or less. If it is out of this range, the specific resistance increases, and sufficient conductivity as an electrode cannot be obtained. Furthermore, the film thickness of the SRO film is preferably 40 nm to 150 nm, and more preferably 50 nm to 80 nm. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for initial displacement and displacement deterioration after continuous driving, and it is difficult to obtain a function as a stop etching layer for suppressing PZT overetching. Therefore, it is not preferable. On the other hand, exceeding this range is not preferable because the dielectric strength of PZT formed thereafter is poor and leaks easily. The specific resistance is preferably 5 × 10 −3 Ω · cm or less, and more preferably 1 × 10 −3 Ω · cm or less. If it is larger than this range, sufficient contact resistance cannot be obtained at the interface with the fifth electrode (not shown) as the common electrode wiring 609, and sufficient current cannot be supplied as the common electrode wiring 609. This is not preferable because a problem occurs when droplets are ejected.

<電気機械変換膜602>
電気機械変換膜602の材料としては、PZTを主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO3)とチタン酸(PbTiO3)との固溶体であり、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrO3とPbTiO3との比率が53:47の割合である。化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般的にはPZT(53/47)と示される。
<Electromechanical conversion film 602>
As a material for the electromechanical conversion film 602, PZT was mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, a composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. The chemical formula indicates Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , generally PZT (53/47).

PZT以外の複合酸化物としては、チタン酸バリウムBaTiO3などが挙げられ、この場合はバリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒に溶解させることで、チタン酸バリウム前駆体溶液を作製することも可能である。 Examples of composite oxides other than PZT include barium titanate BaTiO 3. In this case, a barium titanate precursor solution is prepared by dissolving barium alkoxide and a titanium alkoxide compound in a common solvent. It is also possible.

これら材料は、一般式ABO3で記述され、A=Pb,Ba,Sr、B=Ti,Zr,Sn,Ni,Zn,Mg,Nbを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として(Pb1−x,Ba)(Zr,Ti)O3、(Pb1−x,Sr)(Zr,Ti)O3、これはAサイトのPbを一部BaやSrで置換した場合である。このような置換は、2価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。 These materials are described by the general formula ABO 3 , and correspond to composite oxides containing A = Pb, Ba, Sr, B = Ti, Zr, Sn, Ni, Zn, Mg, and Nb as main components. Specific descriptions thereof include (Pb1-x, Ba) (Zr, Ti) O 3 , (Pb1-x, Sr) (Zr, Ti) O 3 , which partially replaces Pb at the A site with Ba or Sr. This is the case. Such substitution is possible with a divalent element, and the effect thereof has an effect of reducing characteristic deterioration due to evaporation of lead during heat treatment.

電気機械変換膜602の作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。   As a method for manufacturing the electromechanical conversion film 602, it can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

PZTをSol−gel法により作製した場合、酢酸鉛PbO、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒としてメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ることで、PZT前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトンC582、酢酸C242、ジエタノールアミンC411NO2などの安定化剤を適量、添加してもよい。 When PZT is produced by the Sol-gel method, a PZT precursor solution can be produced by using lead acetate PbO, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compound as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. Since metal alkoxide compounds are easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, acetylacetone C 5 H 8 O 2 , acetic acid C 2 H 4 O 2 , diethanolamine C 4 H 11 NO 2, etc. are used as stabilizers in the precursor solution. An appropriate amount of stabilizer may be added.

下地基板全面にPZT膜を得る場合、スピンコートなどの溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴う。そのため、クラックフリーな膜を得るには、一度の工程で100nm以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。   When a PZT film is obtained on the entire surface of the base substrate, it is obtained by forming a coating film by a solution coating method such as spin coating and performing heat treatments such as solvent drying, thermal decomposition, and crystallization. The transformation from the coating film to the crystallized film is accompanied by volume shrinkage. Therefore, in order to obtain a crack-free film, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step.

電気機械変換膜602の膜厚としては、0.5μm〜5μmが好ましく、1μm〜2μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと、十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなるので好ましくない。   The thickness of the electromechanical conversion film 602 is preferably 0.5 μm to 5 μm, and more preferably 1 μm to 2 μm. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate a sufficient displacement, and if it is larger than this range, many layers will be laminated.

また比誘電率としては、600以上2,000以下になっていることが好ましく、1,200以上1,600以下になっていることがさらに好ましい。この値を満たさないと、十分な変位特性が得られず、この値より大きくなると、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生するため好ましくない。   Further, the relative dielectric constant is preferably 600 or more and 2,000 or less, and more preferably 1,200 or more and 1,600 or less. If this value is not satisfied, sufficient displacement characteristics cannot be obtained. If the value is larger than this value, polarization processing is not performed sufficiently, and there is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained for displacement degradation after continuous driving. It is not preferable.

<第2電極603>
第2電極603としては、金属または酸化物と金属とから成ることが好ましい。以下に、酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について記載する。
<Second electrode 603>
The second electrode 603 is preferably made of a metal or an oxide and a metal. Details of the oxide electrode film and the metal electrode film are described below.

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料等については、第1電極601で使用した酸化物電極膜で記載したとおりである。SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、40nm〜60nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られず、この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。
"Oxide electrode film"
The material and the like of the oxide electrode film are as described for the oxide electrode film used in the first electrode 601. The film thickness of the SRO film is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 40 nm to 60 nm. If the film thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for the initial displacement and displacement deterioration characteristics, and if it exceeds this range, the dielectric strength of the PZT formed thereafter is poor and it is liable to leak.

「金属電極膜」
金属電極膜の材料等については、第1電極601で使用した金属電極膜で記載したとおりである。膜厚としては30nm〜200nmが好ましく、50nm〜120nmがさらに好ましい。この範囲より膜厚が薄い場合、個別電極配線610として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。さらに、この範囲より膜厚が厚い場合、白金族元素の高価な材料を使用するとコストアップとなる。この理由や、白金を材料とし、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第6電極(図示せず)を作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなるため好ましくない。
"Metal electrode film"
The material of the metal electrode film is as described for the metal electrode film used in the first electrode 601. The film thickness is preferably 30 nm to 200 nm, and more preferably 50 nm to 120 nm. When the film thickness is smaller than this range, it is not preferable because a sufficient current cannot be supplied as the individual electrode wiring 610 and a problem occurs when droplets are discharged. Furthermore, when the film thickness is larger than this range, the use of an expensive platinum group element material increases the cost. For this reason, the surface roughness increases when the film thickness is increased by using platinum as a material, and when the sixth electrode (not shown) is produced through the insulating protective film, a process such as film peeling is performed. This is not preferable because defects are likely to occur.

<第1絶縁保護膜604>
第1絶縁保護膜604は、成膜・エッチングの工程による圧電素子6へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、緻密な無機材料とする必要がある。有機材料では十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるため、好ましくない。第1絶縁保護膜604を厚い膜とした場合、振動板5の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまうことが要因である。
<First insulating protective film 604>
The first insulating protective film 604 needs to be made of a dense inorganic material because it is necessary to select a material that prevents moisture in the atmosphere from passing through while preventing damage to the piezoelectric element 6 due to the film formation / etching process. is there. An organic material is not preferable because the film thickness needs to be increased in order to obtain sufficient protection performance. When the first insulating protective film 604 is a thick film, the vibration displacement of the diaphragm 5 is remarkably hindered, resulting in a droplet discharge head having a low discharge performance.

第1絶縁保護膜604を薄膜で高い保護性能を得るようにするためには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いるのが好ましいが、絶縁膜の下地となる、電極材料、圧電体材料、振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、成膜法も電気機械変換素子を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法や、プラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第1絶縁保護膜604の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD法(Chemical Vapor Deposition)等が例示できるが、使用できる材料の選択肢が広い点で、ALD法が好ましい。   In order to obtain high protection performance with a thin film of the first insulating protective film 604, it is preferable to use an oxide, nitride, or carbide film, but an electrode material, piezoelectric material, It is necessary to select a material having high adhesion to the diaphragm material. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the electromechanical transducer. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing plasma to collide with a target material and flying is not preferable. Examples of a preferable film formation method for the first insulating protective film 604 include a vapor deposition method and an ALD method (Chemical Vapor Deposition), but the ALD method is preferable in that a wide range of materials can be used.

第1絶縁保護膜604の好ましい材料としては、酸化アルミニウムAl23、酸化亜鉛ZrO2、酸化イットリウムY23、酸化タンタルTa23、酸化チタンTiO2などのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特に、ALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制しようとしている。 Preferred materials for the first insulating protective film 604 include oxides used for ceramic materials such as aluminum oxide Al 2 O 3 , zinc oxide ZrO 2 , yttrium oxide Y 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 3 , titanium oxide TiO 2, and the like. An example is a membrane. In particular, by using the ALD method, a thin film having a very high film density is produced and damage in the process is to be suppressed.

第1絶縁保護膜604の膜厚としては、圧電素子6の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板5の変位を阻害しないように、可能な限り薄くする必要がある。第1絶縁保護膜604の好ましい膜厚は、20nm〜100nmの範囲である。100nmより厚い場合は、振動板の変位が低下し、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなるため好ましくない。一方、20nmより薄い場合は圧電素子6の保護層としての機能が不足してしまい、圧電素子6の性能が前述の通り低下してしまうため好ましくない。   The first insulating protective film 604 needs to be thin enough to ensure the protection performance of the piezoelectric element 6 and at the same time, as thin as possible so as not to inhibit the displacement of the diaphragm 5. is there. A preferable film thickness of the first insulating protective film 604 is in a range of 20 nm to 100 nm. When the thickness is larger than 100 nm, the displacement of the vibration plate is reduced, and a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained, which is not preferable. On the other hand, when the thickness is less than 20 nm, the function of the piezoelectric element 6 as a protective layer is insufficient, and the performance of the piezoelectric element 6 is deteriorated as described above.

また、第1絶縁保護膜604を2層にする構成であってもよい。この場合は、2層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第2電極603付近において、2層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。このとき2層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物、またはこれらの複合化合物を用いることができる。この中でも、半導体デバイスで一般的に用いられる二酸化ケイ素SiO2を用いることができる。 Further, the first insulating protective film 604 may have a two-layer structure. In this case, in order to increase the thickness of the second insulating protective film, a configuration in which the second insulating protective film is opened in the vicinity of the second electrode 603 so as not to significantly disturb the vibration displacement of the diaphragm can be cited. . At this time, any oxide, nitride, carbide, or a composite compound thereof can be used as the second insulating protective film. Among these, silicon dioxide SiO 2 generally used in semiconductor devices can be used.

第1絶縁保護膜604の成膜は、任意の手法を用いることができ、CVD法、スパッタリング法が例示できる。この中でも、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。2層目の絶縁保護膜の膜厚は、下部電極としての第1電極601と個別電極配線610に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち絶縁保護膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、2層目の絶縁保護膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、膜厚は200nm以上必要であり、500nm以上がさらに好ましい。   Arbitrary methods can be used for forming the first insulating protective film 604, and a CVD method and a sputtering method can be exemplified. Among these, it is preferable to use a CVD method capable of forming an isotropic film in consideration of the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion. The film thickness of the second insulating protective film needs to be a film thickness that does not cause dielectric breakdown by the voltage applied to the first electrode 601 as the lower electrode and the individual electrode wiring 610. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the insulating protective film within a range not causing dielectric breakdown. Further, in consideration of the surface property of the base of the second insulating protective film, pinholes, etc., the film thickness is required to be 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more.

<第3電極606および第4電極607>
第3電極606、第4電極607の材料としては、Ag(銀)合金、銅Cu、アルミニウムAl、金Au、白金Pt、イリジウムIrのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。第3電極606、第4電極607の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
<Third electrode 606 and fourth electrode 607>
The material of the third electrode 606 and the fourth electrode 607 is preferably a metal electrode material made of Ag (silver) alloy, copper Cu, aluminum Al, gold Au, platinum Pt, or iridium Ir. As a method for manufacturing the third electrode 606 and the fourth electrode 607, a sputtering method and a spin coating method are used, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

第3電極606、第4電極607の膜厚としては、0.1μm〜20μmが好ましく、0.2μm〜10μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなって電極に十分な電流を流すことができなくなり、ヘッド吐出が不安定になるため好ましくない。この範囲より大きいと、プロセス時間が長くなるため好ましくない。また、共通電極配線609、個別電極配線610とした場合、コンタクトホール部608(10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極配線609としては、10Ω以下が好ましく、個別電極配線610としては、1Ω以下が好ましい。また、共通電極配線609としては、5Ω以下がさらに好ましく、個別電極配線610としては、0.5Ω以下がさらに好ましい。この範囲を超えると、十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。   The film thickness of the third electrode 606 and the fourth electrode 607 is preferably 0.1 μm to 20 μm, and more preferably 0.2 μm to 10 μm. If it is smaller than this range, the resistance becomes large and it becomes impossible to pass a sufficient current through the electrode, and the head ejection becomes unstable, which is not preferable. If it is larger than this range, the process time becomes longer, which is not preferable. Further, when the common electrode wiring 609 and the individual electrode wiring 610 are used, the contact resistance at the contact hole portion 608 (10 μm × 10 μm) is preferably 10Ω or less as the common electrode wiring 609 and 1Ω as the individual electrode wiring 610. The following is preferred. Further, the common electrode wiring 609 is more preferably 5Ω or less, and the individual electrode wiring 610 is more preferably 0.5Ω or less. Exceeding this range is not preferable because a sufficient current cannot be supplied and a problem occurs when droplets are ejected.

<第2絶縁保護膜605>
第2絶縁保護膜605は、個別電極配線610や共通電極配線609の保護層の機能を有するパシベーション層である。図3に示すように、個別電極配線610の引き出し部と、図示しないが共通電極配線609の引き出し部とを除き、個別電極配線610と共通電極配線609との上面を第2絶縁保護膜605で被覆する。これにより、電極材料に安価なAlまたはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッドとすることができる。
<Second insulating protective film 605>
The second insulating protective film 605 is a passivation layer that functions as a protective layer for the individual electrode wiring 610 and the common electrode wiring 609. As shown in FIG. 3, the upper surface of the individual electrode wiring 610 and the common electrode wiring 609 is covered with a second insulating protective film 605 except for the leading portion of the individual electrode wiring 610 and the leading portion of the common electrode wiring 609 (not shown). Cover. Thus, inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

第2絶縁保護膜605の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、後述のパターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上に窒化ケイ素Si34を用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。 As the material of the second insulating protective film 605, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, in the case of an organic material, it is necessary to form a thick film, which is not suitable for patterning described later. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use silicon nitride Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a technology that has been proven in semiconductor devices.

また、第2絶縁保護膜605の膜厚としては、200nm以上とすることが好ましく、500nm以上とすることがさらに好ましい。膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できず、配線材料の腐食による断線が発生し、液滴吐出ヘッドの信頼性を低下させてしまうため好ましくない。   The thickness of the second insulating protective film 605 is preferably 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more. A thin film thickness is not preferable because a sufficient passivation function cannot be exhibited, disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and the reliability of the droplet discharge head is lowered.

また、第2絶縁保護膜605は、圧電素子6上とその周囲の振動板5上に開口部Oをもつ構造が好ましい(図3(a)参照)。これは、前述の第1絶縁保護膜604の圧力室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッドとすることが可能になる。   The second insulating protective film 605 preferably has a structure having an opening O on the piezoelectric element 6 and the surrounding diaphragm 5 (see FIG. 3A). This is the same reason that the pressure chamber region of the first insulating protective film 604 is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

この開口部Oの形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが、第1絶縁保護膜604および第2絶縁保護膜605で圧電素子6が保護されているため可能である。また、PAD部の面積については、50×50μm2以上が好ましく、100×300μm2以上がさらに好ましい。この値に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなり、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生するため好ましくない。 The opening O can be formed by using a photolithography method and dry etching because the piezoelectric element 6 is protected by the first insulating protective film 604 and the second insulating protective film 605. Further, the area of the PAD part is preferably 50 × 50 μm 2 or more, and more preferably 100 × 300 μm 2 or more. If it is less than this value, it is not preferable because sufficient polarization treatment cannot be performed, and there is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving.

(配線の構成)
配線は、振動板5の、圧力室3を設けた面とは反対側の面に形成されている。この配線として、図2に示すように、振動板5の短手方向の両側縁に沿って、長手方向に長尺に延びるCom配線15が、エッチング等により形成されている。このCom配線15に、複数の圧電素子6がそれぞれ接続されている。
ている。
(Wiring configuration)
The wiring is formed on the surface of the diaphragm 5 opposite to the surface on which the pressure chamber 3 is provided. As this wiring, as shown in FIG. 2, a Com wiring 15 extending in the longitudinal direction along the both lateral edges of the diaphragm 5 is formed by etching or the like. A plurality of piezoelectric elements 6 are connected to the Com wiring 15.
ing.

また、図2に示すように、振動板5の長手方向の端部には、Com配線15から分岐する入力端子15aが形成されている。また、この振動板5の端部の中央付近には、一対のVcom配線16が形成されている。また、Vcom配線16には、当該Vcom配線16から分岐する複数の入力端子16aが形成されている。振動板5の端部には、さらに、一対のVcom配線16の入力端子16a間に位置させた複数の入力端子17が形成されている。これらの入力端子15a,16a,
17は、前述のFPC14の配線端部14aに設けられた複数の配線端子14bに、ボンデイングワイヤ(図示せず)により、それぞれボンデイング接続(ワイヤボンディング)されている。
As shown in FIG. 2, an input terminal 15 a that branches from the Com wiring 15 is formed at the longitudinal end of the diaphragm 5. In addition, a pair of Vcom wirings 16 is formed near the center of the end of the diaphragm 5. Further, the Vcom wiring 16 is formed with a plurality of input terminals 16 a branched from the Vcom wiring 16. A plurality of input terminals 17 positioned between the input terminals 16 a of the pair of Vcom wires 16 are further formed at the end of the diaphragm 5. These input terminals 15a, 16a,
Reference numeral 17 denotes a bonding connection (wire bonding) to a plurality of wiring terminals 14b provided on the wiring end portion 14a of the FPC 14 by bonding wires (not shown).

(サブフレーム板13の構成)
サブフレーム板13は、図1に示すように、振動板5上に接合または固着されている。このサブフレーム板13には、短手方向に2列形成された圧電素子6の列の、それぞれの圧電素子6を収容する振動許容凹部13aが複数形成されている。この複数の振動許容凹部13aは、短手方向に長尺な圧力室3とほぼ同一形状に形成され、各圧力室3の位置と上下方向で一致して、互いに重なるように設けられている。
(Configuration of subframe plate 13)
As shown in FIG. 1, the subframe plate 13 is bonded or fixed on the diaphragm 5. The sub-frame plate 13 is formed with a plurality of vibration allowing recesses 13a for accommodating the respective piezoelectric elements 6 in the rows of the piezoelectric elements 6 formed in two rows in the short direction. The plurality of vibration allowing recesses 13a are formed in substantially the same shape as the pressure chambers 3 that are long in the lateral direction, and are provided so as to coincide with the positions of the pressure chambers 3 in the vertical direction and to overlap each other.

サブフレーム板13には、図1に示すように、短手方向の中央に、長手方向に長尺な配設空間13bが形成されている。この配設空間13b内には、振動板5上に固定した駆動用IC(ドライバー集積回路)10が、制御装置(制御部、制御回路)として配設されている。この駆動用IC10は、アンダーフィル剤11により封止されていて、裏面側が他部品と接触することのない状態となっている。   As shown in FIG. 1, the subframe plate 13 has an arrangement space 13 b elongated in the longitudinal direction at the center in the lateral direction. In this arrangement space 13b, a driving IC (driver integrated circuit) 10 fixed on the diaphragm 5 is arranged as a control device (control unit, control circuit). The driving IC 10 is sealed with the underfill agent 11 so that the back surface side does not come into contact with other components.

また、駆動用IC10は、振動板5上の圧電素子6を駆動制御するように、各圧電素子6の一端に配線接続され、さらに、入力端子16a,17に配線接続されている(図2参照)。   The driving IC 10 is wired to one end of each piezoelectric element 6 and further connected to input terminals 16a and 17 so as to drive and control the piezoelectric element 6 on the diaphragm 5 (see FIG. 2). ).

(フレーム板7の構成)
フレーム板7は、図1に示すように、サブフレーム板13上に接合または固着されている。サブフレーム板13とフレーム板7との短手方向の両側には、2列に配列された圧電素子6の列の外側に、図1に示すように、サブフレーム板13とフレーム板7にまたがるように、一対の共通液室8が形成されている。この一対の共通液室8は、長手方向に配列された個別流路3aの列の配列方向に沿って、長手方向に長尺に形成されている。フレーム板7には、圧電素子6の各列に対応する部分に、図1に示すように、各共通液室8にそれぞれ連通する供給口9が形成されている。各供給口9は、例えば、圧電素子6の各列の延びる方向(長手方向)の略中央、または、端部側に位置するように、フレーム板7に設けている。
(Configuration of frame plate 7)
As shown in FIG. 1, the frame plate 7 is bonded or fixed onto the subframe plate 13. On both sides of the subframe plate 13 and the frame plate 7 in the short direction, the subframe plate 13 and the frame plate 7 are straddled as shown in FIG. 1 outside the row of the piezoelectric elements 6 arranged in two rows. As described above, a pair of common liquid chambers 8 is formed. The pair of common liquid chambers 8 are elongated in the longitudinal direction along the arrangement direction of the rows of individual flow paths 3a arranged in the longitudinal direction. In the frame plate 7, supply ports 9 that communicate with the respective common liquid chambers 8 are formed in portions corresponding to the respective rows of the piezoelectric elements 6, as shown in FIG. 1. Each supply port 9 is provided in the frame plate 7 so as to be positioned at, for example, the approximate center in the extending direction (longitudinal direction) of each row of the piezoelectric elements 6 or the end side.

[液滴吐出ヘッドの作製例]
次に、各実施例および比較例で使用する、液滴吐出ヘッドの作製手順を、以下に具体的に説明する。6インチシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、第1電極601としての密着膜として、チタン膜(膜厚30nm)をスパッタ装置にて成膜した。その後に、RTA装置を用いて750℃にて熱酸化し、引き続き金属膜として白金膜(膜厚100nm)、酸化物膜としてSrRuO膜(膜厚60nm)をスパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板の加熱温度は550℃とし、この条件下で成膜を実施した。
[Production example of droplet discharge head]
Next, a procedure for manufacturing a droplet discharge head used in each example and comparative example will be specifically described below. A thermal oxide film (film thickness of 1 micron) was formed on a 6-inch silicon wafer, and a titanium film (film thickness of 30 nm) was formed as an adhesion film as the first electrode 601 by a sputtering apparatus. Thereafter, thermal oxidation was performed at 750 ° C. using an RTA apparatus, and subsequently a platinum film (film thickness: 100 nm) as a metal film and an SrRuO film (film thickness: 60 nm) as an oxide film were formed by sputtering. The substrate heating temperature during sputtering film formation was 550 ° C., and film formation was performed under these conditions.

次に、電気機械変換膜602として、Pb:Zr:Ti=114:53:47に調整された溶液を準備し、スピンコート法により膜を成膜した。具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。   Next, a solution adjusted to Pb: Zr: Ti = 114: 53: 47 was prepared as the electromechanical conversion film 602, and a film was formed by spin coating. For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.

イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでPZT前駆体溶液を合成した。このPZT濃度は0.5モル/Lにした。このPZT前駆体溶液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、120℃乾燥、次いで、500℃熱分解を行った。3層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理(温度750℃)をRTA(急速熱処理)にて行った。このときPZTの膜厚は240nmであった。この工程を計8回(24層)実施し、約2μmのPZT膜厚を得た。   Isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were dissolved in methoxyethanol, the alcohol exchange reaction and the esterification reaction were advanced, and the PZT precursor solution was synthesized by mixing with the methoxyethanol solution in which the lead acetate was dissolved. The PZT concentration was 0.5 mol / L. Using this PZT precursor solution, a film was formed by spin coating, dried at 120 ° C., and then thermally decomposed at 500 ° C. After thermal decomposition treatment of the third layer, crystallization heat treatment (temperature: 750 ° C.) was performed by RTA (rapid heat treatment). At this time, the film thickness of PZT was 240 nm. This process was performed a total of 8 times (24 layers) to obtain a PZT film thickness of about 2 μm.

次に、第2電極603としての酸化物膜として、SrRuO膜(膜厚40nm)、金属膜としてPt膜(膜厚125nm)をスパッタ成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いてパターンを作製した。   Next, an SrRuO film (film thickness: 40 nm) was formed as an oxide film as the second electrode 603, and a Pt film (film thickness: 125 nm) was formed as a metal film by sputtering. Thereafter, a photoresist (TSMR8800) manufactured by Tokyo Ohka Co., Ltd. was formed by spin coating, a resist pattern was formed by ordinary photolithography, and then a pattern was prepared using an ICP etching apparatus (manufactured by Samco).

次に、第1絶縁保護膜604として、ALD工法を用いてAL23膜を50nm成膜した。このとき原材料としてALについては、TMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたO3を交互に積層させることで、成膜を進めた。その後、エッチングによりコンタクトホール部608を形成する。次いで、第3電極606および第4電極607として、ALをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。また、第2絶縁保護膜605として、Si34をプラズマCVDにより500nm成膜し、圧電素子6を作製した。このとき、6インチウェハ内30mm×10mm四方のエリアを25個配置した。 Next, as the first insulating protective film 604, an AL 2 O 3 film having a thickness of 50 nm was formed using an ALD method. At this time, film formation was advanced by alternately laminating TMA (Sigma Aldrich Co.) for AL as a raw material and O 3 generated by an ozone generator for O. Thereafter, a contact hole portion 608 is formed by etching. Next, AL was sputtered as the third electrode 606 and the fourth electrode 607, and was patterned by etching. Further, as the second insulating protective film 605, Si 3 N 4 was formed to a thickness of 500 nm by plasma CVD, and the piezoelectric element 6 was manufactured. At this time, 25 areas of 30 mm × 10 mm square in a 6 inch wafer were arranged.

このように形成したアクチュエータ基板4に対して、共通液室8(図1参照)の一部を形成する開口部を設けたサブフレーム板13(図1参照)を接着接合した。このサブフレーム板13はシリコンウェハを活用し、熱酸化膜を形成した。なお、実施例1ではアルミニウムをスパッタリングで形成したが、金、白金、等の電極を活用することもできる。また、アクチュエータ基板4上の個別電極に対してAuスタッドバンプ(図示せず)を形成した。   The sub-frame plate 13 (see FIG. 1) provided with an opening for forming a part of the common liquid chamber 8 (see FIG. 1) was adhesively bonded to the actuator substrate 4 thus formed. As the subframe plate 13, a silicon wafer was used to form a thermal oxide film. In Example 1, aluminum is formed by sputtering, but electrodes such as gold and platinum can also be used. Further, Au stud bumps (not shown) were formed on the individual electrodes on the actuator substrate 4.

この後、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理には直径50μmのタングステンのワイヤーを用い、コロナワイヤに7kV、サブフレーム上のガード電極に2kvの電圧を印加し、30秒間処理を行った。そして、DrICをアクチュエータ基板4上に実装した。また、シリコンウェハの圧力室3の加工を行い、ノズル接合等、ヘッド組立を行った。以上により、図1に示すような液滴吐出ヘッドを作製した。   Thereafter, polarization treatment was performed by corona charging treatment. For the corona charging treatment, a tungsten wire having a diameter of 50 μm was used. A voltage of 7 kV was applied to the corona wire and a voltage of 2 kv was applied to the guard electrode on the subframe, and the treatment was performed for 30 seconds. Then, DrIC was mounted on the actuator substrate 4. Moreover, the pressure chamber 3 of the silicon wafer was processed, and head assembly such as nozzle bonding was performed. Thus, a droplet discharge head as shown in FIG. 1 was produced.

<比較例>
比較例では、上述のように作製した液滴吐出ヘッドを用いて、吐出評価を行ない、評価を一度中断した後、再度吐出を行ったところ、液滴速度(以下「Vj」と呼ぶ)が約4%低下した。その後、吐出を繰り返すに従い、Vjが正常に戻ってくることを確認した。このときのメニスカス表面からの粘度(レーザードップラーによる残留振動測定)を観察した。その結果、連続駆動後の吐出終了時、吐出中断時、再度駆動開始した際の吐出開始時、連続吐出時度のメニスカス表面の粘度は、図9に示すようになっていることを確認した。したがって、Vjの低下は、吐出の中断中に、メニスカス表面が乾燥(メニスカス表面からの水分の揮発)することによって、液体が増粘された影響であると考えられる。
<Comparative example>
In the comparative example, discharge evaluation was performed using the droplet discharge head manufactured as described above. When the evaluation was interrupted once and then discharged again, the droplet velocity (hereinafter referred to as “Vj”) was about It decreased by 4%. Thereafter, it was confirmed that Vj returned to normal as the discharge was repeated. The viscosity from the meniscus surface at this time (residual vibration measurement by laser Doppler) was observed. As a result, it was confirmed that the viscosity of the meniscus surface was as shown in FIG. 9 at the end of discharge after continuous drive, when discharge was stopped, when discharge was started again, and at the time of continuous discharge. Therefore, the decrease in Vj is considered to be due to the effect of the liquid being thickened by drying the meniscus surface (volatilization of water from the meniscus surface) during the interruption of ejection.

<実施例1>
次に、上述の液滴吐出ヘッド用いた実施例1の液滴吐出制御について、図4を用いて説明する。実施例1では、液滴吐出ヘッドから液滴を吐出後、1時間中断し、吐出を再開するに当たり、図4に示すような加熱波形を印加した。この加熱波形としては、駆動時の中間電位よりも中間電位を高くして、パルスの波高値を駆動時の波高値よりも高くした。
<Example 1>
Next, the droplet discharge control of the first embodiment using the above-described droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 1, a heating waveform as shown in FIG. 4 was applied when the liquid droplet was ejected from the liquid droplet ejection head, suspended for one hour, and restarting the ejection. As the heating waveform, the intermediate potential was made higher than the intermediate potential at the time of driving, and the peak value of the pulse was made higher than the peak value at the time of driving.

一例として、圧力室3の共振周期が5us(μsec)である液滴吐出ヘッドに対して、加熱波形の時間間隔Tを3usとした。このときの加熱波形全体のプロファイルを以下に示す。加熱波形の立下り(Tf)時間、および、立上り(Tr)時間を1usとした。加熱波形の中間電位を、駆動時の中間電位15Vよりも高い20Vとし、波高値を、駆動時が18Vであるのに対して20Vとした(図4参照)。このような加熱波形を30sec印加することで、液滴吐出ヘッド全体が加熱され、圧力室3内のインクの粘度が低下した。加熱波形後に駆動波形を印加してVjを測定したところ、Vj低下率は2%以下に低減できることを確認した。   As an example, the time interval T of the heating waveform is 3 us for the droplet discharge head in which the resonance period of the pressure chamber 3 is 5 us (μsec). The profile of the entire heating waveform at this time is shown below. The fall (Tf) time and rise (Tr) time of the heating waveform were 1 us. The intermediate potential of the heating waveform was set to 20 V higher than the intermediate potential of 15 V during driving, and the peak value was set to 20 V compared to 18 V during driving (see FIG. 4). By applying such a heating waveform for 30 seconds, the entire droplet discharge head was heated, and the viscosity of the ink in the pressure chamber 3 decreased. When Vj was measured by applying a drive waveform after the heating waveform, it was confirmed that the Vj reduction rate could be reduced to 2% or less.

<実施例2>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例2の液滴吐出制御について、図5を用いて説明する。実施例2では、液滴吐出ヘッドからの液滴の吐出後、1時間中断し、吐出を再開するに当たり、図5に示すような加熱波形を印加した。この加熱波形として中間電位を20Vとし、波高値は駆動波形と同じ18Vとし、圧力室3の共振周期は5usのため反共振の周期として加熱波形の時間間隔T=2.5usにして、実施例1と同様の実験を行った。このとき、波形の印加時間20secにて、実施例1と同等の結果(Vj低下率が2%以下に低減、以下の実施例でも同様)を得ることができた。
<Example 2>
Next, the droplet discharge control of the second embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 2, the heating waveform as shown in FIG. 5 was applied when the liquid ejection from the liquid droplet ejection head was interrupted for 1 hour and the ejection was resumed. In this heating waveform, the intermediate potential is set to 20 V, the peak value is set to 18 V, which is the same as that of the driving waveform, and the resonance period of the pressure chamber 3 is 5 us. The same experiment as 1 was performed. At this time, a result equivalent to that in Example 1 (Vj reduction rate was reduced to 2% or less, and the same in the following examples) was obtained with a waveform application time of 20 sec.

<実施例3>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例3の液滴吐出制御について、図6を用いて説明する。実施例3では、図6に示すように、加熱波形のTr,Tfを1usから0.8usとしたこと以外は、実施例2と同様の条件とした。この条件で、実施例1、2と同様の実験を行ったところ、他の実施例と同様の効果を得ることができた。
<Example 3>
Next, the droplet discharge control of the third embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 3, as shown in FIG. 6, the conditions were the same as those in Example 2 except that Tr and Tf of the heating waveform were changed from 1 us to 0.8 us. Under these conditions, the same experiment as in Examples 1 and 2 was performed, and the same effects as in the other examples could be obtained.

<実施例4>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例4の液滴吐出制御について、図7を用いて説明する。実施例4では、図7に示すように、実施例3と同様の条件で、さらに加熱波形の波高値を18Vから20Vにしたこと以外は、実施例4と同様の条件とした。この条件で、実施例1、2と同様の実験を行ったところ、他の実施例と同様の効果を得ることができた。
<Example 4>
Next, the droplet discharge control of the fourth embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 4, as shown in FIG. 7, the conditions were the same as those in Example 4 except that the peak value of the heating waveform was changed from 18 V to 20 V under the same conditions as in Example 3. Under these conditions, the same experiment as in Examples 1 and 2 was performed, and the same effects as in the other examples could be obtained.

上記実施例ごとに、実施例1と同等の結果を得るのに要した加熱波形の印加時間を、下記表1に示す。また、表1に、実施例1の充放電電流および発熱量をそれぞれ基準「1」としたときの実施例2〜実施例4の充放電電流および発熱量を併記した。充放電電流は、圧電素子6の静電容量を基に、各実施例において、上述のように印加した加熱波形から計算し、そこから発熱量を試算した。   Table 1 below shows the application time of the heating waveform required to obtain the same result as in Example 1 for each of the above Examples. Table 1 also shows the charge / discharge currents and the heat generation amounts of Examples 2 to 4 when the charge / discharge current and the heat generation amount of Example 1 are set to be “1”, respectively. The charge / discharge current was calculated from the heating waveform applied as described above in each example based on the electrostatic capacitance of the piezoelectric element 6, and the calorific value was calculated from that.

また、確認実験として、各実施例での加熱波形でのメニスカス表面の粘度変化の測定を行った。測定方法としては、各実施例において、上述のように加熱波形を印加し、ノズル表面のメニスカス振動を、レーザードップラー干渉計を用いて計測することで、振動の挙動から粘度を算出した。測定結果を図8に示す。図8に示すように、実施例1で加熱波形を30sec印加したときの粘度を基準として、実施例2〜実施例4の加熱波形で、この基準粘度に到達する時間を測定したところ、表1に示す加熱波形の印加時間とほぼ一致がみられた。   In addition, as a confirmation experiment, a change in the viscosity of the meniscus surface with the heating waveform in each example was measured. As a measurement method, in each Example, the heating waveform was applied as described above, and the meniscus vibration on the nozzle surface was measured using a laser Doppler interferometer, whereby the viscosity was calculated from the vibration behavior. The measurement results are shown in FIG. As shown in FIG. 8, when the heating waveform in Example 1 was applied for 30 seconds and the viscosity of the heating waveform in Examples 2 to 4 was used as a reference, the time to reach this reference viscosity was measured. The heating waveform application time shown in FIG.

以上のように、実施例1〜実施例4の液滴吐出ヘッドでは、間欠動作時に吐出を再開する前に、液滴吐出時の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位に保持されるパルス波形を印加し、圧力室内のインクを加熱している。このようなインクは、その溶媒の温度依存性によって、加熱することで粘度が低下する性質を有するため、充放電電流による発熱により圧力室内のインクが加熱されることで、インクの粘度は低下する。したがって、電源ON時や長期間印字を実施していない場合等に、メニスカス表面が乾燥し、インク内の水分が低下して増粘していても、各実施例のような加熱波形を付与するだけで、加圧室内のインクだけでなく、メニスカス表面近傍の乾燥し増粘した部分の粘度を、より効率的に下げることができる。その結果、印字を円滑に再開することができるとともに、吸引によるメンテナンスの頻度や液体の消耗量を低減することができる。   As described above, in the liquid droplet ejection heads of the first to fourth embodiments, the pulse that is held at an intermediate potential higher than the intermediate potential used in the drive waveform at the time of droplet ejection before resuming ejection during the intermittent operation. A waveform is applied to heat the ink in the pressure chamber. Since such an ink has the property that the viscosity is lowered by heating due to the temperature dependence of the solvent, the ink viscosity is lowered by heating the ink in the pressure chamber by heat generated by the charge / discharge current. . Therefore, even when the power is turned on or when printing is not performed for a long period of time, even if the meniscus surface is dried and the moisture in the ink is reduced and thickened, the heating waveform as in each embodiment is applied. As a result, not only the ink in the pressurizing chamber but also the viscosity of the dried and thickened portion near the meniscus surface can be lowered more efficiently. As a result, printing can be resumed smoothly, and the frequency of maintenance due to suction and the amount of liquid consumption can be reduced.

<実施例5>
次に、実施例5では、本願の液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例を、図10および図11を参照して説明する。図10は画像形成装置の主要機構部の構成を示す概略図であり、図11は同主要機構部の要部の概略平面図である。
<Example 5>
Next, in Example 5, an example of an image forming apparatus including the droplet discharge head of the present application will be described with reference to FIGS. 10 and 11. FIG. 10 is a schematic view showing the configuration of the main mechanism of the image forming apparatus, and FIG. 11 is a schematic plan view of the main part of the main mechanism.

[画像形成装置の構成]
図10、図11に示すように、実施例に係る画像形成装置100は、シリアル型画像形成装置であり、図11に示すように、左右の側板(図示せず)に横架したガイド部材であるガイドロッド101とガイドレール102とで、キャリッジ103を主走査方向に摺動自在に保持している。この保持状態で、主走査モータ104で駆動プーリ106Aと従動プーリ106Bとの間に架け渡したタイミングベルト105を介して、キャリッジ103を矢示方向(主走査方向)に移動走査する。
[Configuration of Image Forming Apparatus]
As shown in FIGS. 10 and 11, the image forming apparatus 100 according to the embodiment is a serial type image forming apparatus. As shown in FIG. 11, the image forming apparatus 100 is a guide member horizontally mounted on left and right side plates (not shown). A guide rod 101 and a guide rail 102 hold the carriage 103 slidably in the main scanning direction. In this holding state, the main scanning motor 104 moves and scans the carriage 103 in the direction indicated by the arrow (main scanning direction) via the timing belt 105 spanned between the driving pulley 106A and the driven pulley 106B.

このキャリッジ103には、例えば、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の各色の記録液の液滴を吐出する本願の実施例と同様の液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yで構成した記録ヘッド107を主走査方向に沿う方向に配置し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、ここでは独立した液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yを用いているが、本願がこれに限定されるものではない。例えば、各色の記録液の液滴を吐出する複数のノズル列を有する1又は複数のヘッドを用いる構成とすることもできる。また、色の数および配列順序はこれに限るものではない。また、キャリッジ103には、記録ヘッド107に各色の液滴を供給するための各色のサブタンク108を搭載している。このサブタンク108には、図10に示すように、記録液供給チューブ109を介して、メインタンク(インクカートリッジ、図示せず)から記録液が補充供給される。   For example, a droplet discharge head 107k similar to the embodiment of the present application for discharging droplets of recording liquids of each color of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y) is applied to the carriage 103. , 107c, 107m, and 107y are arranged in a direction along the main scanning direction, and are mounted with the droplet discharge direction facing downward. Here, although the independent droplet discharge heads 107k, 107c, 107m, and 107y are used, the present application is not limited to this. For example, a configuration using one or a plurality of heads having a plurality of nozzle rows for discharging recording liquid droplets of each color may be employed. Further, the number of colors and the arrangement order are not limited to this. The carriage 103 is also equipped with a sub tank 108 for each color for supplying droplets of each color to the recording head 107. As shown in FIG. 10, the sub tank 108 is replenished with recording liquid from a main tank (ink cartridge, not shown) via a recording liquid supply tube 109.

一方、画像形成装置100の本体は、図10に示すように、被着媒体(以下「用紙」と呼ぶ)112を積載した用紙積載部(圧板)111を備える給紙カセット110と、この給紙カセット110から用紙112を給紙するための給紙部とを備える。この給紙部は、用紙積載部111から用紙112を1枚ずつ分離給送する半月コロ(以下、「給紙ローラ」と呼ぶ)113と、この給紙ローラ113に対向し摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド114と、を備えている。この分離パッド114は、付勢手段(図示せず)により、給紙ローラ113側に付勢されている。   On the other hand, as shown in FIG. 10, the main body of the image forming apparatus 100 includes a paper feed cassette 110 including a paper stacking unit (pressure plate) 111 on which an adherent medium (hereinafter referred to as “paper”) 112 is stacked, and this paper feed. A paper feeding unit for feeding paper 112 from the cassette 110. The paper feeding unit includes a half-moon roller (hereinafter referred to as “paper feeding roller”) 113 that separates and feeds paper 112 from the paper stacking unit 111 one by one, and a material having a large friction coefficient facing the paper feeding roller 113. And a separation pad 114 made of The separation pad 114 is urged toward the paper feed roller 113 by urging means (not shown).

そして、この給紙部から給紙された用紙112を、記録ヘッド107の下方側で搬送するための搬送部を備えている。この搬送部として、搬送ベルト121と、カウンタローラ122と搬送ガイド123と、加圧コロ125Aおよび先端加圧コロ125Bと、帯電ローラ126と、を備えている。   A transport unit is provided for transporting the paper 112 fed from the paper feed unit below the recording head 107. As the conveyance unit, a conveyance belt 121, a counter roller 122, a conveyance guide 123, a pressure roller 125A, a tip pressure roller 125B, and a charging roller 126 are provided.

搬送ベルト121は、給紙部から給紙された用紙112を静電吸着して搬送するためのものである。カウンタローラ122は、給紙部からガイド115を介して送られる用紙112を搬送ベルト121との間で挟んで搬送するためのものである。搬送ガイド123は、カウンタローラ122と搬送ベルト121とで略鉛直上方に送られる用紙112を、略90°方向転換させて搬送ベルト121上に倣わせるためのものである。加圧コロ125Aおよび先端加圧コロ125Bは、押さえ部材124で搬送ベルト121側に付勢されている。帯電ローラ126は、搬送ベルト121表面を帯電させるための帯電手段である。   The transport belt 121 is for electrostatically attracting and transporting the paper 112 fed from the paper feed unit. The counter roller 122 is for conveying the paper 112 fed from the paper supply unit via the guide 115 with the conveyance belt 121 interposed therebetween. The conveyance guide 123 is for causing the paper 112 fed substantially vertically upward by the counter roller 122 and the conveyance belt 121 to change the direction by approximately 90 ° and to follow the conveyance belt 121. The pressure roller 125 </ b> A and the tip pressure roller 125 </ b> B are urged toward the transport belt 121 by the pressing member 124. The charging roller 126 is a charging unit for charging the surface of the conveyance belt 121.

ここで、搬送ベルト121は、無端状ベルトであり、搬送ローラ127とテンションローラ128との間に掛け渡されている。搬送ローラ127は、副走査モータ131からタイミングベルト132およびタイミングローラ133を介して回転されることで、ベルト搬送方向(副走査方向)に周回するように構成されている。なお、搬送ベルト121の裏面側には、記録ヘッド107による画像形成領域に対応してガイド部材129を配置している。帯電ローラ126は、搬送ベルト121の表層に接触し、搬送ベルト121の回動に従動して回転するように配置され、加圧力として軸の両端に各2.5Nをかけている。   Here, the conveyance belt 121 is an endless belt, and is stretched between the conveyance roller 127 and the tension roller 128. The conveyance roller 127 is configured to rotate in the belt conveyance direction (sub-scanning direction) by being rotated from the sub-scanning motor 131 via the timing belt 132 and the timing roller 133. Note that a guide member 129 is disposed on the back surface side of the conveyor belt 121 in correspondence with an image forming area formed by the recording head 107. The charging roller 126 is arranged so as to contact the surface layer of the conveyor belt 121 and rotate following the rotation of the conveyor belt 121, and applies 2.5N to both ends of the shaft as a pressing force.

画像形成装置100は、さらに、記録ヘッド107で記録された用紙112を排紙するための排紙部として、搬送ベルト121から用紙112を分離するための分離部としての排紙ローラ152および排紙コロ153と、排紙される用紙112をストックする排紙トレイ154と、を備えている。また、画像形成装置100の背部には、両面給紙ユニット155が着脱自在に装着されている。この両面給紙ユニット155は、搬送ベルト121の逆方向回転で戻される用紙112を取り込んで反転させ、再度カウンタローラ122と搬送ベルト121との間に給紙する。   The image forming apparatus 100 further includes a paper discharge roller 152 and a paper discharge unit as a paper discharge unit for discharging the paper 112 recorded by the recording head 107 as a separation unit for separating the paper 112 from the conveyance belt 121. A roller 153 and a paper discharge tray 154 for stocking the paper 112 to be discharged are provided. A double-sided paper feeding unit 155 is detachably attached to the back of the image forming apparatus 100. The double-sided paper feeding unit 155 takes in and reverses the paper 112 returned by the reverse rotation of the transport belt 121 and feeds it again between the counter roller 122 and the transport belt 121.

画像形成装置100は、さらに、図11に示すように、キャリッジ103の走査方向の一方側の非印字領域には、記録ヘッド107のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構156を配置している。この維持回復機構156は、記録ヘッド107の各ノズル面をキャッピングするための複数のキャップ157と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード158と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行なうときの液滴を受ける空吐出受け159と、等を備えている。   As shown in FIG. 11, the image forming apparatus 100 further includes a maintenance / recovery mechanism 156 for maintaining and recovering the state of the nozzles of the recording head 107 in the non-printing area on one side of the carriage 103 in the scanning direction. It is arranged. The maintenance / recovery mechanism 156 discharges the thickened recording liquid by a plurality of caps 157 for capping each nozzle surface of the recording head 107, a wiper blade 158 as a blade member for wiping the nozzle surface, and the like. And a blank discharge receptacle 159 for receiving droplets when performing blank discharge for discharging droplets that do not contribute to recording.

以上のように構成した画像形成装置100においては、給紙部から用紙112が1枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙112はガイド115で案内される。その後、用紙112は搬送ベルト121とカウンタローラ122との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド123で案内されて先端加圧コロ125Bで搬送ベルト121に押し付けられ、略90°搬送方向を転換される。   In the image forming apparatus 100 configured as described above, the sheets 112 are separated and fed one by one from the sheet feeding unit, and the sheet 112 fed substantially vertically upward is guided by the guide 115. Thereafter, the paper 112 is sandwiched between the transport belt 121 and the counter roller 122 and transported, and further, the leading end is guided by the transport guide 123 and pressed against the transport belt 121 by the front end pressure roller 125B, and the transport direction is approximately 90 °. To be converted.

このとき、制御回路(図示せず)によって、ACバイアス供給部(図示せず)から帯電ローラ126に対してプラス出力とマイナス出力とが交互に繰り返すように、つまり交番する電圧が印加される。この電圧は、搬送ベルト121が交番する帯電電圧パターン、すなわち、周回方向である副走査方向に、プラスとマイナスが所定の幅で帯状に交互に帯電されたものとなる。このプラスとマイナスとが交互に帯電した搬送ベルト121上に用紙112が給送されると、用紙112が搬送ベルト121に静電力で吸着され、搬送ベルト121の周回移動によって用紙112が副走査方向に搬送される。   At this time, a positive voltage and a negative output are alternately applied to the charging roller 126 from an AC bias supply unit (not shown) by a control circuit (not shown), that is, an alternating voltage is applied. This voltage is a charging voltage pattern in which the conveyor belt 121 alternates, that is, a positive and a negative are alternately charged in a strip shape with a predetermined width in the sub-scanning direction that is the circumferential direction. When the sheet 112 is fed onto the conveyance belt 121 charged with the plus and minus alternately, the sheet 112 is attracted to the conveyance belt 121 by electrostatic force, and the sheet 112 is moved in the sub-scanning direction by the circumferential movement of the conveyance belt 121. To be transported.

そこで、キャリッジ103を往路および復路方向に移動させながら、画像信号に応じて記録ヘッド107を駆動することにより、停止している用紙112に液滴を吐出して用紙112に着弾させることで1行分を記録し、用紙112を所定量搬送後、次の行の記録を行う。そして、記録終了信号または用紙112の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了して、用紙112を排紙トレイ154に排紙する。   Accordingly, by driving the recording head 107 in accordance with the image signal while moving the carriage 103 in the forward and backward directions, droplets are ejected onto the stopped paper 112 and landed on the paper 112 to make one line. Minutes are recorded, and after the paper 112 is conveyed by a predetermined amount, the next line is recorded. When the recording end signal or the signal that the rear end of the paper 112 reaches the recording area is received, the recording operation is finished, and the paper 112 is discharged onto the paper discharge tray 154.

また、両面印刷の場合には、用紙112の表面(最初に印刷する面)の記録が終了したときに、搬送ベルト121を逆回転させることで、記録済みの用紙112を両面給紙ユニット155内に送り込み、用紙112を反転させる(裏面が印刷面となる状態にする)。この反転した用紙112を、再度カウンタローラ122と搬送ベルト121との間に給紙し、タイミング制御を行って、前述したと同様に搬送ベルト121上に搬送して裏面に記録を行った後、排紙トレイ154に排紙する。   In the case of double-sided printing, when recording on the front surface (first printed surface) of the paper 112 is completed, the transported belt 121 is rotated in the reverse direction so that the recorded paper 112 is stored in the double-sided paper feed unit 155. And the paper 112 is reversed (the back side becomes the print side). The reversed paper 112 is fed again between the counter roller 122 and the transport belt 121, and the timing is controlled. After the paper 112 is transported onto the transport belt 121 and recorded on the back surface as described above, The paper is discharged to a paper discharge tray 154.

また、印字(記録)待機中には、キャリッジ103は維持回復機構156側に移動されて、キャップ157で記録ヘッド107のノズル面がキャッピングされて、ノズルを湿潤状態に保つことにより、液滴の乾燥による吐出不良を防止する。また、キャップ157で記録ヘッド107をキャッピングした状態で、ノズルから記録液を吸引し(「ノズル吸引」又は「ヘッド吸引」という)、増粘した記録液や気泡を排出する回復動作を行う。この回復動作によって、記録ヘッド107のノズル面に付着した液滴を清掃除去するためにワイパーブレード158でワイピングを行なう。また、記録開始前や、記録途中などに記録と関係しない液滴を吐出する空吐出動作を行う。これによって、記録ヘッド107の安定した吐出性能を維持する。また、電源ON時や長期間印字を実施していない場合等に、印字を再開する際には、上記実施例1〜実施例4で説明したような加熱波形を印加する。これにより、メニスカス表面の乾燥により増粘した記録液の粘度を下げることができ、液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yから液滴吐出を円滑に行うことができる。また、ノズル吸引や空吐出等の動作を低減することができる。   During printing (recording) standby, the carriage 103 is moved to the maintenance / recovery mechanism 156 side, the nozzle surface of the recording head 107 is capped by the cap 157, and the nozzles are kept in a wet state. Prevents ejection failures due to drying. In the state where the recording head 107 is capped with the cap 157, the recording liquid is sucked from the nozzle (referred to as “nozzle suction” or “head suction”), and a recovery operation is performed to discharge the thickened recording liquid and bubbles. By this recovery operation, wiping is performed by the wiper blade 158 in order to clean and remove the droplets adhering to the nozzle surface of the recording head 107. In addition, an empty discharge operation is performed to discharge droplets not related to recording before starting recording or during recording. Thereby, the stable ejection performance of the recording head 107 is maintained. Further, when resuming printing when the power is turned on or when printing is not performed for a long period of time, the heating waveform as described in the first to fourth embodiments is applied. Thereby, the viscosity of the recording liquid thickened by the drying of the meniscus surface can be lowered, and the liquid droplets can be smoothly discharged from the liquid droplet discharge heads 107k, 107c, 107m, and 107y. Further, operations such as nozzle suction and idle discharge can be reduced.

以上のように、本願に係る実施例5の画像形成装置100では、本願に係る液体吐出ヘッドを備え、液滴吐出の中断後の再開時に、加熱波形を印加してインク粘度を下げている。そのため、印字を円滑に再開することが可能となり、画像品質に優れた印字を続行することができる。また、ノズル吸引によるメンテナンスの頻度や記録液の消耗量を低減して、コスト性も向上させることができる。なお、実施例5では、本願をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これらの複合機等の画像形成装置に適用することができる。また、記録液以外の液体として、定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。   As described above, the image forming apparatus 100 according to the fifth embodiment of the present application includes the liquid ejection head according to the present application, and applies the heating waveform to reduce the ink viscosity when restarting after the droplet ejection is interrupted. Therefore, printing can be resumed smoothly, and printing with excellent image quality can be continued. Further, the maintenance frequency by nozzle suction and the consumption amount of the recording liquid can be reduced, and the cost can be improved. In the fifth embodiment, the present application is described as an example in which the present application is applied to an image forming apparatus having a printer configuration. However, the present invention is not limited to this. For example, the present invention is applied to an image forming apparatus such as a facsimile, a copying apparatus, a plotter, and a multi-function machine. Can be applied. Further, the present invention can be applied to an image forming apparatus that uses a fixing processing liquid as a liquid other than the recording liquid.

以上説明した実施例1〜5は一例であって、本願がこれらの実施例に限定されるものではない。液滴吐出を中断し、再開する際に、液体の粘度を良好に下げることが可能な構成であれば、本願の課題を解決できるものである。また、上記各実施例では、本願に係る液滴吐出ヘッドとして、インク等の記録液を吐出する液滴吐出ヘッドを示したが、液滴吐出ヘッドとしてはこれに限定されることはない。記録液以外の液体、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッド等に適用してもよい。   Examples 1 to 5 described above are examples, and the present application is not limited to these examples. The present invention can solve the problems of the present invention as long as the liquid viscosity can be satisfactorily lowered when the droplet discharge is interrupted and restarted. In each of the above embodiments, the droplet discharge head for discharging a recording liquid such as ink is shown as the droplet discharge head according to the present application. However, the droplet discharge head is not limited to this. The present invention may be applied to a liquid droplet ejection head that ejects a liquid other than the recording liquid, for example, a liquid resist for patterning, a liquid droplet ejection head that ejects a gene analysis sample, and the like.

1 ノズル板
2 ノズル
3 圧力室
5 振動板
6 圧電素子(薄膜圧電体)
10 駆動用IC(駆動制御手段)
100 画像形成装置
107k,107c,107m,107y 液滴吐出ヘッド
112 用紙(被着媒体)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Nozzle plate 2 Nozzle 3 Pressure chamber 5 Vibrating plate 6 Piezoelectric element (thin film piezoelectric body)
10 Drive IC (drive control means)
100 Image forming apparatus 107k, 107c, 107m, 107y Droplet discharge head 112 Paper (attached medium)

特開平9−29996号公報Japanese Patent Laid-Open No. 9-29996 特許第4645947号公報Japanese Patent No. 4645947 特開平10−286947号公報Japanese Patent Laid-Open No. 10-286947

Claims (5)

液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する圧力室と、
前記圧力室上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、前記圧力室内の容積を変化させる薄膜圧電体と、
前記薄膜圧電体に、前記液滴の吐出用の駆動波形を印加する駆動制御手段と、を備え、
前記駆動制御手段は、前記ノズルからの前記液滴の吐出の開始前に、前記薄膜圧電体に、前記液滴の吐出用の駆動波形で用いる中間電位よりも高い中間電位が保持されるパルス波形を加熱波形として印加し、前記圧力室内を加熱することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets;
A pressure chamber communicating with the nozzle;
A diaphragm provided on the pressure chamber;
A thin film piezoelectric body provided on the diaphragm and changing the volume in the pressure chamber by vibrating the diaphragm;
Drive control means for applying a drive waveform for discharging the droplets to the thin film piezoelectric body,
The drive control means has a pulse waveform in which an intermediate potential higher than the intermediate potential used in the drive waveform for discharging the droplet is held in the thin film piezoelectric body before the start of discharging the droplet from the nozzle. Is applied as a heating waveform to heat the pressure chamber.
前記加熱波形が、前記液滴吐出時の前記駆動波形の波高値であって前記中間電位から引き込み時の最低電圧までの電圧幅以上の電圧幅で印加されるパルス波形であることを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。   The heating waveform is a pulse waveform which is a peak value of the driving waveform at the time of discharging the droplet and is applied with a voltage width equal to or greater than a voltage width from the intermediate potential to the lowest voltage at the time of drawing. The droplet discharge head according to claim 1. 前記加熱波形として、前記ノズルのメニスカス表面の反共振周波数でパルス波形を印加することを特徴とする請求項1または2に記載の液滴吐出ヘッド。   The droplet discharge head according to claim 1, wherein a pulse waveform is applied as the heating waveform at an anti-resonance frequency on the meniscus surface of the nozzle. 前記加熱波形は、前記パルス波形の立上り時間および立下り時間が、前記液滴吐出時の前記駆動波形の立上り時間および立下り時間以下であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。   4. The heating waveform according to claim 1, wherein a rise time and a fall time of the pulse waveform are equal to or less than a rise time and a fall time of the drive waveform when the droplet is discharged. The droplet discharge head according to Item. 請求項1〜4の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドを備え、前記液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させることを特徴とする画像形成装置。   An image forming apparatus comprising the liquid droplet ejection head according to claim 1, wherein the liquid droplets ejected from the liquid droplet ejection head are landed on an adherend medium.
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