JP2015147332A - Liquid ejection head, driving method of the same and liquid ejection device - Google Patents

Liquid ejection head, driving method of the same and liquid ejection device Download PDF

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力 小島
晃雄 小西
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a liquid ejection head capable of improving ejection characteristics.SOLUTION: A liquid ejection head I comprises: a flow passage formation substrate 10 formed with pressure generating chambers 12; a diaphragm 50 provided on the flow passage formation substrate 10 so as to cover the pressure generating chambers 12; and a piezoelectric element 300 having a first electrode 60, a piezoelectric layer 70 and a second electrode 80 provided on the diaphragm 50. In a driving method of the liquid ejection head I, the diaphragm 50 has deflection causing opposite sides to the pressure generating chambers 12 to protrude in a state that an electric field is not applied to the piezoelectric element 300. In the piezoelectric element 300, relaxation time of polarization of the piezoelectric layer 70 is less than an oscillation period of media in the pressure generating chambers.

Description

本発明は、液体噴射ヘッド及びその駆動方法並びに液体噴射装置に関する。   The present invention relates to a liquid ejecting head, a driving method thereof, and a liquid ejecting apparatus.

従来、インクジェットプリンター等の液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの代表例として、インクジェット式記録ヘッドが知られている。インクジェット式記録ヘッドは、ノズル開口に連通する圧力発生室の一部が振動板で構成されており、圧電素子への電圧印加によってこれを変位させ、圧力発生室内を加圧し、ノズル開口からインクを噴射するようになっている。   Conventionally, an ink jet recording head is known as a typical example of a liquid ejecting head mounted on a liquid ejecting apparatus such as an ink jet printer. In the ink jet recording head, a part of the pressure generating chamber communicating with the nozzle opening is configured by a diaphragm, and this is displaced by applying a voltage to the piezoelectric element, pressurizing the pressure generating chamber, and supplying ink from the nozzle opening. It comes to inject.

この種のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子を構成する2つの電極が、圧力発生室に共通する共通電極と、圧力発生室毎の個別電極と、として構成され、その駆動に際して所定の駆動波形が印加される。例えば、個別電極に供給される駆動波形が、中間電圧を基準として電圧を上昇又は下降する波形であり、共通電極には中間電圧より高い基準電圧が印加されるようにしたものが提案されている(例えば特許文献1参照)。   In this type of ink jet recording head, the two electrodes constituting the piezoelectric element are configured as a common electrode common to the pressure generation chamber and an individual electrode for each pressure generation chamber, and a predetermined drive waveform is used for the drive. Applied. For example, the drive waveform supplied to the individual electrode is a waveform in which the voltage is increased or decreased with reference to the intermediate voltage, and a reference voltage higher than the intermediate voltage is applied to the common electrode. (For example, refer to Patent Document 1).

このようなインクジェット式記録ヘッドの駆動モードとしては、圧力発生室の容積を初期値より減少させる押し打ちモードや、圧力発生室の容積を初期値よりいったん増加させた後に減少させる引き打ちモード等が知られている。何れの駆動モードにおいても、圧電素子への電圧印加によって圧電体層に分極を生じさせ、この分極に応じた電気機械変換特性や振動板等のコンプライアンス(所定の応力に対する変位のしやすさ)に応じて圧力発生室の容積が変化することで、インク等の液体が噴射されるようになっている。   As a driving mode of such an ink jet recording head, there are a pushing mode in which the volume of the pressure generating chamber is decreased from the initial value, a pulling mode in which the volume of the pressure generating chamber is once increased from the initial value, and then decreased. Are known. In any driving mode, the piezoelectric layer is polarized by applying a voltage to the piezoelectric element, and the electromechanical conversion characteristics corresponding to this polarization and the compliance of the diaphragm (ease of displacement with respect to a predetermined stress) are achieved. Accordingly, the volume of the pressure generating chamber is changed, so that liquid such as ink is ejected.

特開2013−159081号JP2013-159081A

しかしながら、特許文献1では、駆動波形の印加によって圧電体層に分極を保持させたとき、その分極によって圧電素子に作用する応力状態が変化して、圧電素子や振動板が下凸(圧力発生室側に凸)となる撓み状態になることがあった。そして、駆動波形の印加停止後もこのような下凸状態が維持されて、振動板等のコンプライアンスが小さい領域を通過するようにしか該振動板等を変位させることができなくなって変位効率が低下し、噴射特性に悪影響が生じるおそれがあった。   However, in Patent Document 1, when polarization is maintained in the piezoelectric layer by applying a drive waveform, the stress state acting on the piezoelectric element changes due to the polarization, and the piezoelectric element and the diaphragm are convex downward (pressure generation chamber). It may be in a bent state (convex to the side). And even after the application of the drive waveform is stopped, such a downwardly convex state is maintained, and the diaphragm can only be displaced so as to pass through a region where the compliance such as the diaphragm is small, and the displacement efficiency is lowered. However, there is a possibility that the injection characteristics are adversely affected.

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

本発明は上記状況に鑑みてなされたもので、噴射特性を向上させることができる液体噴射ヘッド及びその駆動方法並びに液体噴射装置を提供することを目的とする。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it provides a liquid ejecting head, a driving method thereof, and a liquid ejecting apparatus capable of improving ejection characteristics.

上記課題を解決する本発明の態様は、圧力発生室が形成された流路形成基板と、前記圧力発生室を塞ぐように前記流路形成基板に設けられた振動板と、前記振動板に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、を具備する液体噴射ヘッドにおいて、前記振動板は、前記圧電素子に電界を印加していない状態で前記圧力発生室とは反対側が凸となる撓みを有し、前記圧電素子は、前記圧電体層の分極の緩和時間が前記圧力発生室内の媒質の振動周期以下であることを特徴とする液体噴射ヘッドにある。   An aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber is formed, a vibration plate provided on the flow path formation substrate so as to close the pressure generation chamber, and the vibration plate. And a piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode, wherein the diaphragm is a pressure generating chamber in a state where an electric field is not applied to the piezoelectric element. The liquid ejecting head is characterized in that the opposite side has a convex bend, and the piezoelectric element has a polarization relaxation time equal to or less than a vibration period of a medium in the pressure generating chamber.

かかる態様によれば、振動板が上凸(圧力発生室とは反対側に凸)となる撓み状態を有するため、振動板のコンプライアンスが大きい領域を通過するように該振動板を下凸に変位させることができ、その変位効率を実質的に増加させることができる。そして、所定の圧電素子を用いるため、駆動波形の印加によって下凸に変位させられた圧電素子や振動板を、次回の駆動波形の印加前に上凸に戻すことができる。よって、液体噴射ヘッドの駆動周期毎に、振動板のコンプライアンスが大きい領域を通過するように該振動板等を変位させることができるようになり、変位効率が向上した状態を確保できるようになって噴射効率を向上させることができる。   According to this aspect, since the diaphragm has a bent state that is convex upward (convex on the side opposite to the pressure generating chamber), the diaphragm is displaced downward so as to pass through a region where the compliance of the diaphragm is large. And the displacement efficiency can be substantially increased. Since a predetermined piezoelectric element is used, the piezoelectric element and the diaphragm that are displaced downward by applying the drive waveform can be returned to the upward protrusion before the next drive waveform is applied. Accordingly, the vibration plate and the like can be displaced so as to pass through a region where the compliance of the vibration plate is large every drive cycle of the liquid jet head, and a state in which the displacement efficiency is improved can be secured. The injection efficiency can be improved.

ここで、前記圧電体層として、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなるものを用いることが好ましい。これによれば、圧電体層の分極の緩和時間が前記圧力発生室内の媒質の振動周期以下である圧電素子を得やすくなり、上記の液体噴射ヘッドを容易に提供できる。   Here, it is preferable that the piezoelectric layer is made of a composite oxide having a perovskite structure containing bismuth, iron, barium, and titanium. According to this, it becomes easy to obtain a piezoelectric element in which the relaxation time of polarization of the piezoelectric layer is equal to or less than the vibration period of the medium in the pressure generating chamber, and the liquid ejecting head can be easily provided.

また、前記圧電体層として、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるものを用いることが好ましい。これによれば、圧電体層の分極の緩和時間が前記圧力発生室内の媒質の振動周期以下である圧電素子を得やすくなり、上記の液体噴射ヘッドを更に容易に提供できる。   The piezoelectric layer is preferably made of a composite oxide having a mixed crystal perovskite structure of bismuth ferrate and barium titanate. According to this, it becomes easier to obtain a piezoelectric element in which the relaxation time of polarization of the piezoelectric layer is equal to or less than the vibration period of the medium in the pressure generating chamber, and the liquid ejecting head can be provided more easily.

上記課題を解決する本発明の他の態様は、圧力発生室が形成された流路形成基板と、前記圧力発生室を塞ぐように前記流路形成基板に設けられた振動板と、前記振動板に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、を具備する液体噴射ヘッドの駆動方法において、前記液体噴射ヘッドの駆動周期毎に前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加し、前記圧電素子を駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法にある。   Another aspect of the present invention that solves the above problems includes a flow path forming substrate in which a pressure generation chamber is formed, a vibration plate provided on the flow path formation substrate so as to close the pressure generation chamber, and the vibration plate. And a piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer, and a second electrode, and a polarization direction of the piezoelectric layer is reversed at each driving period of the liquid ejecting head. In the method of driving a liquid jet head, a voltage to be applied is applied to drive the piezoelectric element.

かかる態様によれば、液体噴射ヘッドの駆動周期毎に所定の電圧を印加するため、駆動波形の印加によって下凸に変位させられた振動板等を、次回の駆動波形の印加前に上凸に戻すことができる。よって、液体噴射ヘッドの駆動周期毎に、振動板のコンプライアンスが大きい領域を通過するように該振動板等を変位させることができるようになり、変位効率が向上した状態を確保できるようになって噴射効率を向上させることができる。   According to this aspect, in order to apply a predetermined voltage every driving cycle of the liquid ejecting head, a diaphragm or the like that is displaced downward by applying the driving waveform is made convex upward before the next driving waveform is applied. Can be returned. Accordingly, the vibration plate and the like can be displaced so as to pass through a region where the compliance of the vibration plate is large every drive cycle of the liquid jet head, and a state in which the displacement efficiency is improved can be secured. The injection efficiency can be improved.

ここで、前記圧電体層の分極方向を反転させる前記電圧として、前記圧電体層の抗電圧近傍の電圧を用いることが好ましい。これによれば、圧電体層の分極を確実に減分極させることができるようになり、上記の液体噴射ヘッドの駆動方法を確実に提供できる。   Here, it is preferable to use a voltage in the vicinity of the coercive voltage of the piezoelectric layer as the voltage for reversing the polarization direction of the piezoelectric layer. According to this, the polarization of the piezoelectric layer can be surely depolarized, and the driving method of the liquid ejecting head can be reliably provided.

また、前記分極方向を反転させる電圧を保持する時間は、前記圧力発生室内の媒質の振動周期の整数倍であることが好ましい。これによれば、圧力発生室内の媒質の振動を利用して、噴射特性に有利なタイミングで、圧力発生室内を加圧するための電圧を印加することができる。よって、より噴射特性を向上させることができる液体噴射ヘッドの駆動方法を提供できる。   Moreover, it is preferable that the time for holding the voltage for reversing the polarization direction is an integral multiple of the vibration period of the medium in the pressure generating chamber. According to this, it is possible to apply a voltage for pressurizing the pressure generating chamber at a timing that is advantageous for the injection characteristics by using the vibration of the medium in the pressure generating chamber. Therefore, it is possible to provide a method of driving the liquid ejecting head that can further improve the ejecting characteristics.

上記課題を解決する本発明の更に他の態様は、上記の何れか1つに記載の液体噴射ヘッド又はその駆動方法を利用した液体噴射装置にある。かかる態様によれば、液体噴射ヘッドの駆動周期毎に、振動板のコンプライアンスが大きい領域を通過するように該振動板等を変位させることができるようになり、変位効率が向上した状態を確保できるようになって噴射効率を向上させることができる。   According to still another aspect of the invention for solving the above-described problem, a liquid ejecting apparatus using the liquid ejecting head according to any one of the above or a driving method thereof is provided. According to this aspect, the vibration plate and the like can be displaced so as to pass through a region where the compliance of the vibration plate is large every drive cycle of the liquid jet head, and a state in which the displacement efficiency is improved can be ensured. As a result, the injection efficiency can be improved.

実施形態1に係る記録装置の概略構成を示す図。FIG. 2 is a diagram illustrating a schematic configuration of a recording apparatus according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドを示す分解斜視図。FIG. 3 is an exploded perspective view illustrating the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドを示す平面図。FIG. 3 is a plan view illustrating the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドを示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの機能等を説明する図。FIG. 3 is a diagram for explaining functions and the like of a recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドへの駆動波形の一例を示す図。FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a driving waveform for a recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る駆動電圧、圧力発生室の圧力及び分極率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the drive voltage which concerns on Embodiment 1, the pressure of a pressure generation chamber, and a polarizability. 実施形態1に係る記録ヘッドに関する特性を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining characteristics related to a recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造例を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining a manufacturing example of a recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造例を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining a manufacturing example of a recording head according to the first embodiment. 実施形態1に係る記録ヘッドの製造例を説明する図。FIG. 4 is a diagram for explaining a manufacturing example of a recording head according to the first embodiment. 実施形態2に係る記録ヘッドの駆動方法を説明するための図。FIG. 9 is a diagram for explaining a recording head driving method according to a second embodiment. 実施形態2に係る駆動電圧及び分極率の関係を示す図。The figure which shows the relationship between the drive voltage which concerns on Embodiment 2, and a polarizability.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
(実施形態1)
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置の概略構成を示している。図示するように、インクジェット式記録装置IIにおいて、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット1A及び1Bが、インク供給手段を構成するカートリッジ2A及び2Bに着脱可能に設けられている。記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3は、装置本体4に取り付けられたキャリッジ軸5に軸方向移動自在に設けられており、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を噴射するものとされている。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Embodiment 1)
FIG. 1 shows a schematic configuration of an ink jet recording apparatus which is an example of a liquid ejecting apparatus according to Embodiment 1 of the invention. As shown in the figure, in the ink jet recording apparatus II, recording head units 1A and 1B having ink jet recording heads are detachably provided in cartridges 2A and 2B constituting ink supply means. The carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted is provided on a carriage shaft 5 attached to the apparatus main body 4 so as to be axially movable, and ejects a black ink composition and a color ink composition, respectively. ing.

インクジェット式記録装置IIでは、駆動モーター6の駆動力が、図示しない複数の歯車及びタイミングベルト7を介してキャリッジ3に伝達されることで、記録ヘッドユニット1A及び1Bを搭載したキャリッジ3がキャリッジ軸5に沿って移動する。一方、装置本体4には、搬送手段としての搬送ローラー8が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートSが搬送ローラー8により搬送されるようになっている。記録シートSを搬送する搬送手段は搬送ローラー8に制限されず、ベルトやドラム等であってもよい。   In the ink jet recording apparatus II, the driving force of the driving motor 6 is transmitted to the carriage 3 via a plurality of gears and a timing belt 7 (not shown), so that the carriage 3 on which the recording head units 1A and 1B are mounted becomes a carriage shaft. Move along 5. On the other hand, the apparatus main body 4 is provided with a conveyance roller 8 as a conveyance means, and a recording sheet S which is a recording medium such as paper is conveyed by the conveyance roller 8. The conveying means for conveying the recording sheet S is not limited to the conveying roller 8 and may be a belt, a drum, or the like.

次に、本実施形態のインクジェット式記録装置IIに搭載される液体噴射ヘッドの一例である、インクジェット式記録ヘッドについて詳述する。図2は本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図3は図2の平面図である。図4(a)は図3のA−A′線に準ずる断面図であり、図4(b)は図4(a)のB−B′線に準ずる断面図である。   Next, an ink jet recording head, which is an example of a liquid ejecting head mounted on the ink jet recording apparatus II of this embodiment, will be described in detail. FIG. 2 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of this embodiment, and FIG. 3 is a plan view of FIG. 4A is a cross-sectional view corresponding to the line AA ′ in FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view corresponding to the line BB ′ in FIG. 4A.

図示するように、流路形成基板10には圧力発生室12が形成され、複数の隔壁11によって区画された圧力発生室12が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口21が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室12の並設方向、又は第1の方向Xと称し、第1の方向Xと直交する方向を第2の方向Yと称する。   As shown in the drawing, a pressure generating chamber 12 is formed in the flow path forming substrate 10, and a plurality of nozzle openings 21 for discharging ink of the same color are arranged in parallel in the pressure generating chamber 12 partitioned by a plurality of partition walls 11. Are arranged along the direction. Hereinafter, this direction is referred to as a direction in which the pressure generating chambers 12 are arranged in parallel, or a first direction X, and a direction orthogonal to the first direction X is referred to as a second direction Y.

流路形成基板10の圧力発生室12の第2の方向Yの一端部側には、圧力発生室12の片側を第1の方向Xから絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路13と、第1の方向Xにおいて圧力発生室12と略同じ幅を有する連通路14と、が複数の隔壁11によって区画されている。連通路14の外側(第2の方向Yの圧力発生室12とは反対側)には、各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100の一部を構成する連通部15が形成されている。すなわち、流路形成基板10には、圧力発生室12、インク供給路13及び連通部15からなる液体流路が形成されている。   An ink supply path 13 having an opening area reduced by narrowing one side of the pressure generation chamber 12 from the first direction X on one end side in the second direction Y of the pressure generation chamber 12 of the flow path forming substrate 10; A communication passage 14 having substantially the same width as the pressure generation chamber 12 in the first direction X is partitioned by a plurality of partition walls 11. On the outside of the communication path 14 (on the side opposite to the pressure generation chamber 12 in the second direction Y), a communication portion 15 that forms a part of the manifold 100 serving as a common ink chamber for each pressure generation chamber 12 is formed. ing. That is, the flow path forming substrate 10 is formed with a liquid flow path including a pressure generation chamber 12, an ink supply path 13, and a communication portion 15.

流路形成基板10の一方面側、すなわち圧力発生室12等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室12に連通するノズル開口21が穿設されたノズルプレート20が、接着剤や熱溶着フィルム等によって接合されている。ノズルプレート20には、第1の方向Xにノズル開口21が並設されている。   On one side of the flow path forming substrate 10, that is, the surface where the liquid flow path such as the pressure generation chamber 12 opens, a nozzle plate 20 having a nozzle opening 21 communicating with each pressure generation chamber 12 is provided with an adhesive. Or a heat-welded film or the like. Nozzle openings 21 are arranged in the nozzle plate 20 in the first direction X.

流路形成基板10の他方面側には振動板50が形成されている。本実施形態の振動板50は、上凸(圧力発生室12とは反対側が凸)となる撓みを有している。このような振動板50は、例えば流路形成基板10上に形成された弾性膜51と、弾性膜51上に形成された絶縁体膜52と、により構成できるが、前記の例に制限されない。流路形成基板10の一部を薄く加工して弾性膜として使用することも可能である。   A diaphragm 50 is formed on the other surface side of the flow path forming substrate 10. The diaphragm 50 of the present embodiment has a bend that is upwardly convex (the side opposite to the pressure generation chamber 12 is convex). Such a diaphragm 50 can be constituted by, for example, an elastic film 51 formed on the flow path forming substrate 10 and an insulator film 52 formed on the elastic film 51, but is not limited to the above example. It is also possible to process a part of the flow path forming substrate 10 thinly and use it as an elastic film.

絶縁体膜52上には、例えばチタンからなる密着層を介して、厚さが約0.2μmの第1電極60と、厚さが約3.0μm以下、好ましくは厚さが約0.5〜1.5μmの圧電体層70と、厚さが約0.05μmの第2電極80と、で構成される圧電素子300が形成されている。これらの厚さは一例であって前記の例に制限されない。   On the insulator film 52, for example, a first electrode 60 having a thickness of about 0.2 μm and a thickness of about 3.0 μm or less, preferably about 0.5 μm, with an adhesion layer made of titanium, for example. A piezoelectric element 300 including a piezoelectric layer 70 having a thickness of ˜1.5 μm and a second electrode 80 having a thickness of about 0.05 μm is formed. These thicknesses are examples and are not limited to the above examples.

密着層は省略しても構わない。本実施形態では、振動板50及び第1電極60が振動板として作用するが、これに限定されない。弾性膜51及び絶縁体膜52の何れか一方又は両方を設けずに、第1電極60のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子300自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。流路形成基板10上に第1電極60を直接設ける場合には、第1電極60及びインクが導通しないように、第1電極60を絶縁性の保護膜等で保護することができる。   The adhesion layer may be omitted. In the present embodiment, the diaphragm 50 and the first electrode 60 act as a diaphragm, but the present invention is not limited to this. Only one of the first electrodes 60 may act as a diaphragm without providing either or both of the elastic film 51 and the insulator film 52. Further, the piezoelectric element 300 itself may substantially serve as a diaphragm. When the first electrode 60 is directly provided on the flow path forming substrate 10, the first electrode 60 can be protected with an insulating protective film or the like so that the first electrode 60 and the ink are not conducted.

圧電素子300を構成する第1電極60は、圧力発生室12毎に切り分けられた個別電極として構成されている。第1電極60の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金(Pt)、イリジウム(Ir)等の貴金属が好適に用いられる。このような第1電極60は、圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、圧力発生室12の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室12の第1の方向Xにおいて、第1電極60の端部は、圧力発生室12に対向する領域の内側に位置している。このような第1電極60は、言い換えれば、能動部310毎に独立して構成されている。本明細書の能動部310は、第1電極60及び第2電極で挟まれた部分であって、第1電極60及び第2電極80への電位の供給により圧電歪みが生じる部分を言う。   The first electrode 60 constituting the piezoelectric element 300 is configured as an individual electrode separated for each pressure generation chamber 12. The material of the 1st electrode 60 will not be specifically limited if it is a material which has electroconductivity, For example, noble metals, such as platinum (Pt) and iridium (Ir), are used suitably. Such a first electrode 60 is formed with a width narrower than the width of the pressure generation chamber 12 in the first direction X of the pressure generation chamber 12. That is, in the first direction X of the pressure generation chamber 12, the end portion of the first electrode 60 is located inside the region facing the pressure generation chamber 12. In other words, the first electrode 60 is configured independently for each active part 310. The active portion 310 in this specification is a portion sandwiched between the first electrode 60 and the second electrode, and is a portion where piezoelectric distortion occurs due to potential supply to the first electrode 60 and the second electrode 80.

第2の方向Yにおいて、第1電極60の両端部はそれぞれ圧力発生室12の外側まで形成されており、その一端部側(第2の方向Yの連通路14とは反対側)には、金(Au)等からなるリード電極90が接続されている。   In the second direction Y, both end portions of the first electrode 60 are formed to the outside of the pressure generating chamber 12, respectively, and on one end side thereof (on the side opposite to the communication path 14 in the second direction Y), A lead electrode 90 made of gold (Au) or the like is connected.

尚、圧電素子300では、一般的には何れか一方の電極が共通電極とされ、他方の電極が圧力発生室12毎のパターニングにより個別電極とされる。本実施形態では、第1電極60が個別電極とされ、第2電極80が共通電極とされているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。本実施形態では、第2電極80が複数の圧力発生室12に亘って連続して形成され、共通電極が構成されている。   In the piezoelectric element 300, generally, one of the electrodes is a common electrode, and the other electrode is an individual electrode by patterning for each pressure generating chamber 12. In the present embodiment, the first electrode 60 is an individual electrode, and the second electrode 80 is a common electrode. However, there is no problem even if this is reversed for the convenience of a drive circuit and wiring. In the present embodiment, the second electrode 80 is formed continuously over the plurality of pressure generating chambers 12 to constitute a common electrode.

圧電体層70は、第1の方向Xに亘って連続して設けられている。また、圧電体層70の第2の方向Yの幅は、圧力発生室12の第2の方向Yの長さよりも広く、圧力発生室12の外側まで設けられている。第2の方向Yにおいて、圧電体層70のインク供給路13側の端部(図4(a)の右側端部)は第1電極60の端部よりも外側に位置しており、第1電極60の端部が圧電体層70によって覆われている。一方、圧電体層70のノズル開口21側(図4(a)の左側)は第1電極60の端部よりも内側に位置しており、圧電体層70に覆われていない。   The piezoelectric layer 70 is continuously provided in the first direction X. Further, the width of the piezoelectric layer 70 in the second direction Y is wider than the length of the pressure generation chamber 12 in the second direction Y and is provided to the outside of the pressure generation chamber 12. In the second direction Y, the end of the piezoelectric layer 70 on the ink supply path 13 side (the right end in FIG. 4A) is located outside the end of the first electrode 60, and the first An end portion of the electrode 60 is covered with the piezoelectric layer 70. On the other hand, the nozzle layer 21 side (left side of FIG. 4A) of the piezoelectric layer 70 is located inside the end of the first electrode 60 and is not covered with the piezoelectric layer 70.

このような圧電体層70は、電圧印加によって分極を生じ、この分極に応じた電気機械変換特性に基づいて例えば撓み変形する。圧電体層70が分極を保持する時間はその圧電材料によって調節が可能であり、圧電体層70に分極を生じさせてから分極が実質的に消滅するまでの遅れ時間(緩和時間)も圧電材料によって調節が可能である。   Such a piezoelectric layer 70 is polarized by voltage application, and is deformed, for example, by bending based on the electromechanical conversion characteristics corresponding to the polarization. The time during which the piezoelectric layer 70 maintains the polarization can be adjusted by the piezoelectric material, and the delay time (relaxation time) from when the polarization is generated in the piezoelectric layer 70 until the polarization substantially disappears is also the piezoelectric material. Can be adjusted.

特に本実施形態(実施形態1)では、圧電体層70の分極の緩和時間が圧力発生室12内の媒質の振動周期以下となるように、該圧電体層70が構成されている。このような圧電体層70を実現する圧電材料は、ビスマス(Bi)、鉄(Fe)、バリウム(Ba)及びチタン(Ti)を含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を用いることができる。ペロブスカイト構造、すなわち、ABO型構造のAサイトは酸素が12配位しており、また、Bサイトは酸素が6配位して8面体(オクタヘドロン)をつくっている。このAサイトにBi及びBaが、BサイトにFe及びTiが位置している。 In particular, in the present embodiment (Embodiment 1), the piezoelectric layer 70 is configured so that the polarization relaxation time of the piezoelectric layer 70 is equal to or less than the vibration period of the medium in the pressure generation chamber 12. As a piezoelectric material for realizing such a piezoelectric layer 70, a composite oxide having a perovskite structure including bismuth (Bi), iron (Fe), barium (Ba), and titanium (Ti) can be used. In the A site of the perovskite structure, that is, the ABO 3 type structure, oxygen is 12-coordinated, and in the B site, oxygen is 6-coordinated to form an octahedron. Bi and Ba are located at the A site, and Fe and Ti are located at the B site.

Bi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物、又は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体としても表されるが、混晶又は固溶体として表される組成からずれた組成であってもよい。尚、混晶又は固溶体として表される組成であっても、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマスや、チタン酸バリウムは、単独では検出されないものである。   The composite oxide having a perovskite structure containing Bi, Fe, Ba, and Ti is a composite oxide having a perovskite structure of a mixed crystal of bismuth ferrate and barium titanate, or bismuth ferrate and barium titanate are uniform. Although it is also expressed as a solid solution in solid solution, it may be a composition deviated from the composition expressed as a mixed crystal or a solid solution. Even in the composition expressed as a mixed crystal or a solid solution, bismuth ferrate and barium titanate are not detected alone in the X-ray diffraction pattern.

かかる複合酸化物によれば、圧電体層70に分極を生じさせてから分極が実質的に消滅するまでの上記の緩和時間が比較的短い構成を実現しやすい。よって、圧電体層70の分極の緩和時間が圧力発生室12内の媒質の振動周期以下である圧電素子300を得やすく、好適な態様の一つである。   According to such a complex oxide, it is easy to realize a configuration in which the relaxation time is relatively short from when the polarization is generated in the piezoelectric layer 70 to when the polarization substantially disappears. Therefore, it is easy to obtain the piezoelectric element 300 in which the relaxation time of the polarization of the piezoelectric layer 70 is equal to or less than the vibration period of the medium in the pressure generation chamber 12, which is one preferred embodiment.

鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムは、それぞれ、ペロブスカイト構造を有する圧電材料であり種々の組成のものがある。例えば、鉄酸ビスマスやチタン酸バリウムとして、BiFeOやBaTiO以外に、元素(Bi、Fe、Ba、TiやO)が一部欠損する又は過剰であるものや、元素の一部が他の元素に置換されたものもある。本発明で鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムと表記した場合、欠損・過剰により化学量論の組成からずれたものや元素の一部が他の元素に置換されたものも、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウムの範囲に含まれるものとする。また、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの比も、種々変更することができる。 Bismuth ferrate and barium titanate are piezoelectric materials having a perovskite structure and have various compositions. For example, as bismuth ferrate or barium titanate, in addition to BiFeO 3 and BaTiO 3 , some elements (Bi, Fe, Ba, Ti and O) are partially lost or excessive, or some of the elements are other Some have been replaced by elements. In the present invention, when expressed as bismuth ferrate or barium titanate, those that deviate from the stoichiometric composition due to deficiency or excess, or those in which some of the elements are replaced with other elements are bismuth ferrate or titanate. It shall be included in the range of barium. The ratio of bismuth ferrate to barium titanate can also be changed variously.

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

(1−x)[BiFeO]−x[BaTiO] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBa)(Fe1−xTi)O (1’)
(0<x<0.40)
(1-x) [BiFeO 3 ] -x [BaTiO 3 ] (1)
(0 <x <0.40)
(Bi 1-x Ba x ) (Fe 1-x Ti x ) O 3 (1 ′)
(0 <x <0.40)

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

圧電体層70が、Mn、CoやCrを含む場合、Mn、CoやCrはペロブスカイト構造のBサイトに位置した構造の複合酸化物である。例えば、Mnを含む場合、圧電体層70を構成する複合酸化物は、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムが均一に固溶した固溶体のFeの一部がMnで置換された構造、又は、鉄酸マンガン酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物として表される。基本的な特性は鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物と同じであるが、リーク特性が向上するようになる。また、CoやCrを含む場合も、Mnと同様にリーク特性が向上することがある。尚、X線回折パターンにおいて、鉄酸ビスマス、チタン酸バリウム、鉄酸マンガン酸ビスマス、鉄酸コバルト酸ビスマス、及び、鉄酸クロム酸ビスマスは、単独では検出されないものである。   When the piezoelectric layer 70 contains Mn, Co, and Cr, Mn, Co, and Cr are complex oxides having a structure located at the B site of the perovskite structure. For example, when Mn is included, the composite oxide constituting the piezoelectric layer 70 has a structure in which part of Fe in a solid solution in which bismuth ferrate and barium titanate are uniformly dissolved, is substituted with Mn, or ferric acid It is expressed as a composite oxide having a mixed crystal perovskite structure of bismuth manganate and barium titanate. The basic characteristics are the same as those of the composite oxide having a mixed crystal perovskite structure of bismuth ferrate and barium titanate, but the leakage characteristics are improved. Also, when Co or Cr is included, the leakage characteristics may be improved in the same manner as Mn. In the X-ray diffraction pattern, bismuth ferrate, barium titanate, bismuth ferrate manganate, bismuth ferrate cobaltate, and bismuth ferrate chromate are not detected alone.

Mn、Co及びCrを例として説明したが、その他遷移金属元素の2元素を同時に含む場合にも同様にリーク特性が向上することがあり、これらも圧電体層70とすることができる。更に、特性を向上させるため、その他の添加物を含んでもよい。Bi、Fe、Ba及びTiに加えてMn、CoやCrも含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70は、例えば、下記の一般式(2)で表される混晶である。また式(2)は、下記の一般式(2’)で表すこともできる。尚、一般式(2)及び一般式(2’)において、Mは、Mn、Co又はCrである。   Although Mn, Co, and Cr have been described as examples, leakage characteristics may be improved in the same manner when two other transition metal elements are included at the same time, and these can also be used as the piezoelectric layer 70. Furthermore, other additives may be included to improve the properties. The piezoelectric layer 70 made of a complex oxide having a perovskite structure including Mn, Co, and Cr in addition to Bi, Fe, Ba, and Ti is, for example, a mixed crystal represented by the following general formula (2). Formula (2) can also be expressed by the following general formula (2 '). In general formula (2) and general formula (2 '), M is Mn, Co, or Cr.

一般式(2)及び一般式(2’)の記述は化学量論に基づく組成表記であり、上述したように、ペロブスカイト構造を取り得る限りにおいて、格子不整合、酸素欠損等による不可避な組成ずれは許容される。例えば、化学量論比が1であれば、0.85〜1.20の範囲内のものは許容される。また、下記のように一般式で表した場合は異なるものであっても、Aサイトの元素とBサイトの元素との比が同じものは、同一の複合酸化物とみなせる場合がある。尚、圧電体層70を構成する複合酸化物は前記の例に制限されない、後述する実施形態に示すように、鉛を含む複合酸化物を用いて圧電体層を構成するようにしてもよい。   The description of the general formula (2) and the general formula (2 ′) is a composition notation based on stoichiometry, and as described above, as long as a perovskite structure can be obtained, an inevitable composition shift due to lattice mismatch, oxygen deficiency, etc. Is acceptable. For example, if the stoichiometric ratio is 1, one in the range of 0.85 to 1.20 is allowed. In addition, even when the general formulas are different as described below, those having the same ratio of the A-site element to the B-site element may be regarded as the same composite oxide. In addition, the composite oxide which comprises the piezoelectric material layer 70 is not restrict | limited to the said example, As shown in embodiment mentioned later, you may make it comprise a piezoelectric material layer using the composite oxide containing lead.

(1−x)[Bi(Fe1−y)O]−x[BaTiO] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBa)((Fe1−y1−xTi)O (2’)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(1-x) [Bi (Fe 1- y My ) O 3 ] -x [BaTiO 3 ] (2)
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)
(Bi 1-x Ba x) ((Fe 1-y M y) 1-x Ti x) O 3 (2 ')
(0 <x <0.40, 0.01 <y <0.10)

このような圧電素子300が形成された流路形成基板10上、すなわち、第1電極60、弾性膜51、必要に応じて設けられる絶縁体膜52、及びリード電極90上には、マニホールド100の少なくとも一部を構成するマニホールド部32を有する保護基板30が、接着剤35を介して接合されている。マニホールド部32は、保護基板30を厚さ方向に貫通して圧力発生室12の幅方向に亘って形成されており、上記のように、流路形成基板10の連通路14と連通されて各圧力発生室12の共通のインク室となるマニホールド100が構成されている。   On the flow path forming substrate 10 on which such a piezoelectric element 300 is formed, that is, on the first electrode 60, the elastic film 51, the insulator film 52 provided as necessary, and the lead electrode 90, the manifold 100 is provided. A protective substrate 30 having a manifold portion 32 constituting at least a part is bonded through an adhesive 35. The manifold part 32 penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction and is formed across the width direction of the pressure generating chamber 12, and communicates with the communication path 14 of the flow path forming substrate 10 as described above. A manifold 100 serving as an ink chamber common to the pressure generation chamber 12 is configured.

また、流路形成基板10の連通路14を圧力発生室12毎に複数に分割して、マニホールド部32のみをマニホールドとしてもよい。更に、例えば流路形成基板10に圧力発生室12のみを設け、流路形成基板10及び保護基板30の間に介在する部材(例えば、弾性膜51、必要に応じて設ける絶縁体膜52等)にマニホールド100と各圧力発生室12とを連通するインク供給路13を設けるようにしてもよい。   Alternatively, the communication path 14 of the flow path forming substrate 10 may be divided into a plurality of pressure generation chambers 12 and only the manifold portion 32 may be used as a manifold. Further, for example, only the pressure generating chamber 12 is provided in the flow path forming substrate 10 and a member interposed between the flow path forming substrate 10 and the protective substrate 30 (for example, an elastic film 51, an insulator film 52 provided if necessary), etc. An ink supply path 13 that communicates the manifold 100 with each pressure generating chamber 12 may be provided.

また、保護基板30の圧電素子300に対向する領域には、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部31が設けられている。圧電素子保持部31は、圧電素子300の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板30は、流路形成基板10の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラスやセラミック材料等を用いることができ、本実施形態では、流路形成基板10と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。   A piezoelectric element holding portion 31 having a space that does not hinder the movement of the piezoelectric element 300 is provided in a region facing the piezoelectric element 300 of the protective substrate 30. The piezoelectric element holding part 31 should just have the space of the grade which does not inhibit the motion of the piezoelectric element 300, and the said space may be sealed or not sealed. The protective substrate 30 can be made of substantially the same material as the thermal expansion coefficient of the flow path forming substrate 10, for example, glass or ceramic material. In this embodiment, a silicon single crystal made of the same material as the flow path forming substrate 10 is used. It formed using the board | substrate.

保護基板30には、保護基板30を厚さ方向に貫通する貫通孔33が設けられている。そして、各圧電素子300から引き出されたリード電極90の端部近傍が、貫通孔33内に露出するように設けられている。保護基板30上には、並設された圧電素子300を駆動するための駆動回路120が固定されている。駆動回路120としては、例えば回路基板や半導体集積回路(IC)等を用いることができる。そして、駆動回路120及びリード電極90が、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線121を介して電気的に接続されている。   The protective substrate 30 is provided with a through hole 33 that penetrates the protective substrate 30 in the thickness direction. The vicinity of the end portion of the lead electrode 90 drawn from each piezoelectric element 300 is provided so as to be exposed in the through hole 33. A drive circuit 120 for driving the piezoelectric elements 300 arranged side by side is fixed on the protective substrate 30. As the drive circuit 120, for example, a circuit board, a semiconductor integrated circuit (IC), or the like can be used. The drive circuit 120 and the lead electrode 90 are electrically connected via a connection wiring 121 made of a conductive wire such as a bonding wire.

このような保護基板30上には、封止膜41及び固定板42とからなるコンプライアンス基板40が接合されている。封止膜41は、剛性が低く可撓性を有する材料から構成でき、封止膜41によってマニホールド部32の一方面が封止されている。固定板42は、比較的硬質の材料で形成されている。固定板42のマニホールド100に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部43となっているため、マニホールド100の一方面は可撓性を有する封止膜41のみで封止されている。   A compliance substrate 40 including a sealing film 41 and a fixing plate 42 is bonded onto the protective substrate 30. The sealing film 41 can be made of a material having low rigidity and flexibility, and one surface of the manifold portion 32 is sealed by the sealing film 41. The fixed plate 42 is made of a relatively hard material. Since the region of the fixing plate 42 facing the manifold 100 is an opening 43 that is completely removed in the thickness direction, one surface of the manifold 100 is sealed only with a flexible sealing film 41. ing.

以上のような記録ヘッドIについて、本願発明者は、振動板50等の変位状態に応じて、その振動板50等を更に下凸へ変位させる際の見かけ上の剛性kが変化することを見出した。図5は、記録ヘッドIに搭載される振動板50等の下凸方向への見かけ上の剛性kと、振動板50等の変位と、の関係を示すグラフである。図中、xが正の範囲は振動板50等の状態が上凸、xが負の範囲は振動板50等の状態が下凸に対応している。   With respect to the recording head I as described above, the inventor of the present application has found that the apparent rigidity k when the diaphragm 50 and the like are further displaced downward changes according to the displacement state of the diaphragm 50 and the like. It was. FIG. 5 is a graph showing the relationship between the apparent rigidity k in the downward convex direction of the vibration plate 50 and the like mounted on the recording head I and the displacement of the vibration plate 50 and the like. In the figure, when x is positive, the state of the diaphragm 50 or the like corresponds to upward convexity, and when x is negative, the state of the diaphragm 50 or the like corresponds to downward convexity.

図示するように、本実施形態の記録ヘッドIでは、xが負の範囲にある所定値xmとなるときに見かけ上の剛性kが極小値kmをとり、これよりもxが増加又は減少するに伴って、振動板50等の下凸方向への見かけ上の剛性kが大きくなる(振動板50等を下凸方向に変位させるのにより多くのエネルギーが必要となる)。このような関係が存在することに注目すると、見かけ上の剛性kが小さい範囲(振動板50のコンプライアンスが大きい領域)で振動板50等を変位させることで、圧電素子300への電圧印加によって生成されるエネルギーの多くを振動板50等の変位のために分配させることができ、その結果、振動板50の変位を大きくでき圧力発生室12内を好適に加圧できることが理解される。   As shown in the figure, in the recording head I of this embodiment, when the x becomes a predetermined value xm in the negative range, the apparent rigidity k takes the minimum value km, and x increases or decreases more than this. Accordingly, the apparent rigidity k in the downward convex direction of the diaphragm 50 or the like increases (more energy is required to displace the diaphragm 50 or the like in the downward convex direction). When attention is paid to the existence of such a relationship, it is generated by applying a voltage to the piezoelectric element 300 by displacing the diaphragm 50 and the like in a range where the apparent stiffness k is small (an area where the compliance of the diaphragm 50 is large). It is understood that much of the energy that is generated can be distributed for the displacement of the diaphragm 50 and the like, and as a result, the displacement of the diaphragm 50 can be increased and the pressure generating chamber 12 can be pressurized appropriately.

本実施形態では、振動板50の変位が例えばx1となる初期撓み状態を有しており(x1>0≧xm)、該振動板50が上凸に保持されている。そして、圧電素子300への電圧印加によって、見かけ上の剛性kの極小値kmを与える所定値xmを跨ぐように、すなわち振動板50のコンプライアンスが大きい領域を通過するように、振動板50等をx2まで変位させることができる(xm>x2)。このような本実施形態における振動板50等の変位X1(|x1|+|x2|)は、例えば、たとえ所定値xmを含むとしても、振動板等が過度に上凸に保持されている状態から下凸に撓ませた場合の変位X3(|x3|+|x4|)よりも大きくなり、また、従来のように振動板が下凸に維持されているなかで更に下凸に撓ませなければならない場合の変位X5(|x5|+|x6|)よりも大きくなることとなる。   In the present embodiment, the diaphragm 50 has an initial deflection state in which the displacement is, for example, x1 (x1> 0 ≧ xm), and the diaphragm 50 is held upward. Then, by applying a voltage to the piezoelectric element 300, the diaphragm 50 or the like is placed so as to stride over a predetermined value xm that gives the apparent minimum value km of the stiffness k, that is, to pass through a region where the compliance of the diaphragm 50 is large. It can be displaced up to x2 (xm> x2). Such a displacement X1 (| x1 | + | x2 |) of the diaphragm 50 or the like in this embodiment is, for example, a state in which the diaphragm or the like is held excessively upward even if it includes a predetermined value xm. The displacement is larger than the displacement X3 (| x3 | + | x4 |) when bent downward from the top, and it must be further bent downward while the diaphragm is maintained downward. This is larger than the displacement X5 (| x5 | + | x6 |) when it is necessary.

尚、図5に示すような下凸方向への見かけ上の剛性kと振動板50等の変位との関係はあくまで一例であり、記録ヘッドの構成等に応じて変化し得るが、予め実験等に基づいて求めることができる。振動板等の変位状態に応じて、その振動板等を更に下凸へ変位させる際の見かけ上の剛性が変化するような関係が存在する記録ヘッドであれば、本発明の要旨を変更しない範囲において、本発明の適用が可能である。   Note that the relationship between the apparent rigidity k in the downward convex direction and the displacement of the diaphragm 50 and the like as shown in FIG. 5 is merely an example, and may vary depending on the configuration of the recording head, but may be experimentally performed in advance. Can be determined based on If the recording head has such a relationship that the apparent rigidity when the diaphragm or the like is further displaced downward according to the displacement state of the diaphragm or the like, the scope of the invention is not changed. In this case, the present invention can be applied.

以上説明したインクジェット式記録ヘッドIの動作は以下の通りである。すなわち、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド100からノズル開口21に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路120からの記録信号(駆動信号)に従い、圧力発生室12に対応するそれぞれの第1電極60及び第2電極80の間に電圧が印加される。電圧印加によって圧電体層70に分極を生じ、この分極に応じた電気機械変換特性に基づいて圧電素子300が撓み変形し、これによって圧電素子300及び振動板50が圧力発生室12方向に変位する。その結果、圧力発生室12内の圧力が高められ、ノズル開口21からインクが噴射される。   The operation of the ink jet recording head I described above is as follows. That is, after taking ink from an ink inlet connected to an external ink supply means (not shown) and filling the interior from the manifold 100 to the nozzle opening 21 with ink, according to a recording signal (driving signal) from the driving circuit 120, A voltage is applied between the first electrode 60 and the second electrode 80 corresponding to the pressure generation chamber 12. When the voltage is applied, the piezoelectric layer 70 is polarized, and the piezoelectric element 300 is bent and deformed based on the electromechanical conversion characteristics corresponding to the polarization. As a result, the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 are displaced in the direction of the pressure generating chamber 12. . As a result, the pressure in the pressure generating chamber 12 is increased and ink is ejected from the nozzle opening 21.

図6(a)〜(c)は、このような圧電素子300に入力される駆動信号(COM)を表す駆動波形の一例である。このうち図6(a)は、圧力発生室12の容量を初期値よりも縮小させてインクを噴射する押し打ちモードの駆動波形を示す。図6(b)は、圧力発生室12の容積を必要に応じて収縮させ、その後に圧力発生室12の容量を初期値よりいったん膨張させた後に減少させることでインクを噴射する引き打ちモードの駆動波形を示す。図6(c)は、押し打ちと引き打ちを組み合わせた駆動波形の一例である。また、図中、Vmは、中間電圧、Vcは、圧電体層70について分極及び電圧のヒステリシスループを評価したときに分極がゼロとなる電界を与える抗電圧を表す。   6A to 6C are examples of drive waveforms representing drive signals (COM) input to such a piezoelectric element 300. FIG. Among these, FIG. 6A shows a driving waveform in a pushing mode in which ink is ejected by reducing the capacity of the pressure generating chamber 12 from the initial value. FIG. 6B shows a striking mode in which ink is ejected by contracting the volume of the pressure generating chamber 12 as necessary, and then reducing the capacity of the pressure generating chamber 12 from the initial value after being once expanded. A drive waveform is shown. FIG. 6C is an example of a driving waveform in which pushing and striking are combined. In the figure, Vm represents an intermediate voltage, and Vc represents a coercive voltage that gives an electric field at which the polarization becomes zero when the polarization and voltage hysteresis loops of the piezoelectric layer 70 are evaluated.

図6(a)に示す駆動波形201は、最小電圧Vmin1を一定時間維持する工程P01と、最大電圧Vmax1まで上昇させる収縮工程P02と、最大電圧Vmax1を一定時間維持する工程P03と、最小電圧Vmin1まで下降させる工程P04と、次回の工程P01に続く工程P05と、で構成される(Vmax1>Vmin1>Vc)。   The driving waveform 201 shown in FIG. 6A includes a step P01 for maintaining the minimum voltage Vmin1 for a certain time, a contraction step P02 for increasing the voltage to the maximum voltage Vmax1, a step P03 for maintaining the maximum voltage Vmax1 for a certain time, and a minimum voltage Vmin1. And a process P05 following the next process P01 (Vmax1> Vmin1> Vc).

かかる駆動波形201によれば、収縮工程P02で、圧電素子300が圧力発生室12の容積を減少させる方向に変形することにより、ノズル開口21内のメニスカスが圧力発生室12側から大きく押し出され、ノズル開口21からインクが噴射される。   According to the drive waveform 201, the meniscus in the nozzle opening 21 is largely pushed out from the pressure generation chamber 12 side by the piezoelectric element 300 being deformed in the direction of decreasing the volume of the pressure generation chamber 12 in the contraction process P02. Ink is ejected from the nozzle openings 21.

本実施形態では、振動板が上凸(圧力発生室とは反対側に凸)となる所定の撓みを有するため、振動板のコンプライアンスが大きい領域を通過するように変位することとなり、変位効率の向上が図られている。よって、ノズル開口21からインクを好適に噴射できるようになる。   In this embodiment, since the diaphragm has a predetermined deflection that is convex upward (convex on the side opposite to the pressure generation chamber), the diaphragm is displaced so as to pass through a region where the compliance of the diaphragm is large, and the displacement efficiency is improved. Improvements are being made. Therefore, ink can be suitably ejected from the nozzle opening 21.

また、図6(b)に示す駆動波形202は、最大電圧Vmax2が印加される工程P11に続いて、最小電圧Vmin2まで下降させる膨張工程P12と、最小電圧Vmin2を一定時間維持する工程P13と、最大電圧Vmax2まで上昇させる収縮工程P14と、次回の工程P11に続く工程P15と、で構成される(Vmax2>Vmin2>Vc)。   In addition, the driving waveform 202 shown in FIG. 6B includes an expansion process P12 for decreasing the voltage to the minimum voltage Vmin2 following the process P11 to which the maximum voltage Vmax2 is applied, and a process P13 for maintaining the minimum voltage Vmin2 for a certain period of time. A contraction process P14 for raising the voltage to the maximum voltage Vmax2 and a process P15 subsequent to the next process P11 (Vmax2> Vmin2> Vc).

かかる駆動波形202によれば、膨張工程P12によって圧電素子300が圧力発生室12の容積を増加させる方向に変位し、ノズル開口21のメニスカスが引き込まれる。次いで、収縮工程P14によって圧電素子300が圧力発生室12の容積を減少させる方向に変形して、ノズル開口21のメニスカスが圧力発生室12側に急激に引き込まれる。その後、圧電素子300が、圧力発生室12の容量を減少させる、例えば圧力発生室12の容量を膨張状態から初期値に戻すように変位することで、圧力発生室12内が加圧され、ノズル開口21からインクが噴射される。   According to the driving waveform 202, the piezoelectric element 300 is displaced in the direction of increasing the volume of the pressure generating chamber 12 by the expansion process P12, and the meniscus of the nozzle opening 21 is drawn. Next, the piezoelectric element 300 is deformed in the direction of decreasing the volume of the pressure generating chamber 12 by the contraction process P14, and the meniscus of the nozzle opening 21 is rapidly drawn to the pressure generating chamber 12 side. Thereafter, the piezoelectric element 300 decreases the capacity of the pressure generating chamber 12, for example, by displacing the capacity of the pressure generating chamber 12 so as to return it from the expanded state to the initial value, so that the pressure generating chamber 12 is pressurized and the nozzle Ink is ejected from the opening 21.

引き打ちモード(図6(b))では、押し打ちモード(図6(a))と比べ、膨張工程P12における圧力発生室12の膨張量が大きく、図示しない外部のインク供給手段から圧力発生室12内にインクが供給されることによる圧力揺らぎが生じやすい。このような圧力揺らぎを利用して、ノズル開口21方向に圧力を付加しやすいタイミングで振動板50を変位させれば、噴射特性を更に向上させることができる。   In the pulling mode (FIG. 6B), the amount of expansion of the pressure generating chamber 12 in the expansion step P12 is larger than that in the pressing mode (FIG. 6A), and the pressure generating chamber from an external ink supply means (not shown). Pressure fluctuations are likely to occur due to ink being supplied into the interior 12. If such a pressure fluctuation is utilized to displace the diaphragm 50 at a timing at which pressure is easily applied in the direction of the nozzle opening 21, the injection characteristics can be further improved.

図6(c)に示す駆動波形203は、中間電圧Vmが印加される工程P21と、中間電圧Vmとは逆極性であって圧電体層70の抗電圧Vcよりも大きい最小電圧Vmin3まで降下させる膨張工程P22と、最小電圧Vmin3を一定時間維持する工程P23と、中間電圧Vmより大きい最大電圧Vmax3まで上昇させる収縮工程P24と、最大電圧Vmax3を一定時間維持する工程P25と、中間電圧Vmまで下降させる工程P26と、次回の工程P21に続く工程P27と、で構成される(Vmax3>Vm>Vmin3>Vc)。   The drive waveform 203 shown in FIG. 6C is decreased to the minimum voltage Vmin3 that is opposite in polarity to the process P21 to which the intermediate voltage Vm is applied and is larger than the coercive voltage Vc of the piezoelectric layer 70. Expansion step P22, step P23 for maintaining the minimum voltage Vmin3 for a certain period of time, contraction step P24 for increasing the maximum voltage Vmax3 higher than the intermediate voltage Vm, step P25 for maintaining the maximum voltage Vmax3 for a certain period of time, and decrease to the intermediate voltage Vm And a process P27 following the next process P21 (Vmax3> Vm> Vmin3> Vc).

かかる駆動波形203によれば、膨張工程P22によって圧電素子300が圧力発生室12の容積を増加させる方向に変位し、ノズル開口21内のメニスカスが圧力発生室12側に引き込まれる。その後、収縮工程P24で、圧電素子300が圧力発生室12の容積を減少させる方向に変形することにより、ノズル開口21内のメニスカスが圧力発生室12側から大きく押し出され、ノズル開口21からインクが噴射される。   According to the drive waveform 203, the piezoelectric element 300 is displaced in the direction of increasing the volume of the pressure generating chamber 12 by the expansion process P22, and the meniscus in the nozzle opening 21 is drawn to the pressure generating chamber 12 side. Thereafter, in the contraction process P24, the piezoelectric element 300 is deformed in the direction of decreasing the volume of the pressure generating chamber 12, whereby the meniscus in the nozzle opening 21 is largely pushed out from the pressure generating chamber 12 side, and ink is ejected from the nozzle opening 21. Be injected.

このモード(図6(c))では、引き打ちモード(図6(b))と比べ、膨張工程P22における圧力発生室12の膨張量が小さいため、図示しない外部のインク供給手段から圧力発生室12内にインクが供給されることによる圧力揺らぎが生じにくい。   In this mode (FIG. 6C), since the expansion amount of the pressure generation chamber 12 in the expansion step P22 is smaller than that in the pulling mode (FIG. 6B), the pressure generation chamber is supplied from an external ink supply means (not shown). Pressure fluctuation due to ink being supplied into the ink 12 is unlikely to occur.

図7は、記録ヘッドIの駆動時における図6(b)の例に示す駆動電圧と、膨張工程等における圧力発生室12内の圧力と、圧電体層70の分極率と、の関係を説明するタイムチャートである。図中、時点t1〜時点t2で表されるT1は、圧電体層70の分極の緩和時間を表し、時点t1〜時点t3で表されるTcは、圧力発生室12内の媒質の振動の周期を表す。   FIG. 7 illustrates the relationship between the driving voltage shown in the example of FIG. 6B when the recording head I is driven, the pressure in the pressure generation chamber 12 in the expansion process, and the polarizability of the piezoelectric layer 70. It is a time chart. In the figure, T1 represented by time t1 to time t2 represents the polarization relaxation time of the piezoelectric layer 70, and Tc represented by time t1 to time t3 represents the period of vibration of the medium in the pressure generation chamber 12. Represents.

時点t1で、圧電素子300に印加されている電圧が減少する。これにより、圧力発生室12の膨張工程により圧力発生室12内の媒質の振動が生じ、圧力発生室12内の圧力は所定の振動周期(以下、単に「周期」とも称する)Tcで変化する。周期Tcで変化する圧力変動を利用して、ノズル開口21方向に圧力を付加しやすいタイミングで振動板50を変位させることで、噴射特性に有利となる。   At time t1, the voltage applied to the piezoelectric element 300 decreases. As a result, the expansion of the pressure generating chamber 12 causes the medium in the pressure generating chamber 12 to vibrate, and the pressure in the pressure generating chamber 12 changes at a predetermined vibration cycle (hereinafter also simply referred to as “cycle”) Tc. Displacement of the diaphragm 50 at a timing at which pressure is easily applied in the direction of the nozzle opening 21 by using pressure fluctuations that change at the cycle Tc is advantageous for the injection characteristics.

周期Tcは、所望のプリンター速度が実現されるように適宜設計可能である。このような周期Tcは、圧力発生室12の容積、振動板の剛性、インク流路等によって変化する。周期Tcは、図7においては上記のように時点t1〜時点t3で表され、例えば1〜50μsの範囲内の値を定めることができ、本実施形態では8μsが採用されている。   The period Tc can be appropriately designed so as to realize a desired printer speed. Such a cycle Tc varies depending on the volume of the pressure generating chamber 12, the rigidity of the diaphragm, the ink flow path, and the like. In FIG. 7, the period Tc is represented by the time point t1 to the time point t3 as described above. For example, a value within the range of 1 to 50 μs can be determined. In this embodiment, 8 μs is adopted.

ここで、本実施形態では、圧電素子300として、圧電体層70の分極の緩和時間T1が圧力発生室12内の媒質の振動周期以下であるものを用いている(Tc≧T1)。緩和時間T1は、圧電素子300に電圧が印加され圧電体層70に分極が保持された時点t1から、その分極が実質的に消滅する時点t2までの時間である。時点t2では、時点t1において下凸に変位させられた圧電素子300の分極が、上凸の撓みを有する初期位置に戻る程度まで低下する。これにより、圧力発生室12側に付加されていた押圧力が実質的になくなって、振動板50が初期位置である上凸に戻ることとなる。   Here, in the present embodiment, the piezoelectric element 300 is used in which the polarization relaxation time T1 of the piezoelectric layer 70 is equal to or shorter than the vibration period of the medium in the pressure generation chamber 12 (Tc ≧ T1). The relaxation time T1 is a time period from time t1 when voltage is applied to the piezoelectric element 300 and polarization is maintained in the piezoelectric layer 70 to time t2 when the polarization substantially disappears. At the time point t2, the polarization of the piezoelectric element 300 that has been displaced downwardly at the time point t1 decreases to such an extent that it returns to the initial position having the upward convex deflection. As a result, the pressing force applied to the pressure generating chamber 12 side is substantially eliminated, and the diaphragm 50 returns to the upward convex, which is the initial position.

よって、圧力発生室12内の媒質の振動周期毎に、振動板50の撓み位置が上凸の状態を確保できるようになり、噴射効率を向上させることができる。上記のように、圧電体層70として、Bi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物を用いれば、分極の緩和時間T1が周期Tc以下となるインクジェット式記録ヘッドIを得やすくなる。   Therefore, the bending position of the diaphragm 50 can be ensured in an upwardly convex state for each vibration period of the medium in the pressure generating chamber 12, and the injection efficiency can be improved. As described above, if a composite oxide containing Bi, Fe, Ba, and Ti and having a perovskite structure is used as the piezoelectric layer 70, it is easy to obtain an ink jet recording head I having a polarization relaxation time T1 of a period Tc or less. Become.

ここで、インクジェット式記録ヘッドIの噴射特性を更に向上させるべく、圧電素子300や振動板50の変位のしやすさに関する要素を幾つかに分け、これらを別個に評価することに着目した。   Here, in order to further improve the jetting characteristics of the ink jet recording head I, attention was paid to dividing the elements relating to the ease of displacement of the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 and evaluating them separately.

図8(a)〜(b)は、初期撓み位置と、振動板50の厚さ方向における変位のしやすさと、の関係を説明する図である。このうち図8(a)は、圧力発生室12内から振動板50側に押圧力が付与されたときの該振動板50等の変位のしやすさ(Δtc)に関する評価結果を示す図である。また図8(b)は、圧電素子300を撓み変形させることで圧力発生室12方向に押圧力が付加されたときの該振動板50等の変位のしやすさ(Δvh)に関する評価結果を示す図である。図中、Δtc及びΔvhの100%は、周期Tcが8μsを実現するときのものである。尚、図示に基づき、ここでは初期撓み位置と、Δtc及びvhと、の関係の例を説明する。   FIGS. 8A and 8B are diagrams for explaining the relationship between the initial bending position and the ease of displacement of the diaphragm 50 in the thickness direction. Among these, FIG. 8A is a diagram showing an evaluation result regarding the ease of displacement (Δtc) of the diaphragm 50 and the like when a pressing force is applied from the pressure generating chamber 12 to the diaphragm 50 side. . FIG. 8B shows the evaluation results regarding the ease of displacement (Δvh) of the diaphragm 50 and the like when a pressing force is applied in the direction of the pressure generating chamber 12 by bending and deforming the piezoelectric element 300. FIG. In the figure, 100% of Δtc and Δvh is obtained when the period Tc is 8 μs. An example of the relationship between the initial deflection position and Δtc and vh will be described here based on the drawings.

図8(a)に示すように、振動板50等が下凸のうちは、圧力発生室12内から振動板50側に押圧力が付与されたときに該振動板50は比較的変位しやすく、Δtcは大きい値をとる。一方、振動板50等が上凸になると、圧力発生室12内から振動板50側に押圧力が付与されたときに該振動板50が比較的変位しにくくなって、Δtcが小さい値を取るようになる。   As shown in FIG. 8A, when the diaphragm 50 is convex downward, the diaphragm 50 is relatively easily displaced when a pressing force is applied from the pressure generation chamber 12 to the diaphragm 50 side. , Δtc takes a large value. On the other hand, when the diaphragm 50 or the like is convex, the diaphragm 50 is relatively difficult to displace when a pressing force is applied from the pressure generation chamber 12 to the diaphragm 50 side, and Δtc takes a small value. It becomes like this.

例えば、初期撓み位置が上側(圧力発生室12とは反対側)に約115nmである場合、Δtcは約65%となることが分かる。Δtcが100%に対して小さくなる分、すなわち、振動板50等が上凸となると振動板50等の各膜のヤング率はほとんど変化しないが、振動板50等のコンプライアンスが低下し、上記の周期Tcが小さなものとなる。周期Tcが小さなものとなることで、プリンターの印刷速度の点では有利となるが、設計仕様周期が8μsである場合、振動板50等のコンプライアンスを増加させ、その周期Tcを設計仕様周期の範囲内で大きくしてでも噴射特性を向上させる方法を採用することもできる。   For example, when the initial deflection position is about 115 nm on the upper side (the side opposite to the pressure generation chamber 12), it can be seen that Δtc is about 65%. When Δtc is smaller than 100%, that is, when the diaphragm 50 and the like are convex upward, the Young's modulus of each film such as the diaphragm 50 is hardly changed, but the compliance of the diaphragm 50 and the like is reduced, The period Tc is small. Although the cycle Tc is small, it is advantageous in terms of the printing speed of the printer. However, when the design specification cycle is 8 μs, the compliance of the diaphragm 50 and the like is increased, and the cycle Tc is within the range of the design specification cycle. A method of improving the injection characteristics even when the size is increased can be employed.

このとき圧電素子300や振動板50の膜厚等を調整し、そのコンプライアンスを増加させる(図8(a)に示す破線)。そうすると、Δtcが大きくなり、設計仕様周期に合致する構成を実現できる。その上、振動板50等のコンプライアンスを増加させると、圧電素子300を撓み変形させることで圧力発生室12方向に押圧力が付加されたとき、振動板50等を大きく変位させることができるようになる(図8(b)に示す破線)。   At this time, the film thickness and the like of the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 are adjusted to increase the compliance (broken line shown in FIG. 8A). Then, Δtc increases, and a configuration that matches the design specification period can be realized. In addition, when the compliance of the diaphragm 50 or the like is increased, the diaphragm 50 or the like can be greatly displaced when a pressing force is applied in the direction of the pressure generating chamber 12 by bending and deforming the piezoelectric element 300. (The broken line shown in FIG. 8B).

このように、圧電素子300や振動板50の厚さ方向の変位のしやすさについて、Δtc及びΔvhの2種類のコンプライアンスを独立して評価し、このとき2種類のコンプライアンスの特性が異なることを利用すれば、更に噴射特性の高い圧電素子300や振動板50の構成を調節でき、噴射特性を更に向上させることができる。   As described above, the two types of compliances Δtc and Δvh are independently evaluated for the ease of displacement of the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 in the thickness direction. At this time, the characteristics of the two types of compliance are different. If used, the configuration of the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 having higher ejection characteristics can be adjusted, and the ejection characteristics can be further improved.

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。図9〜図11は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。   Next, a method for manufacturing the ink jet recording head of this embodiment will be described. 9 to 11 are cross-sectional views showing a method for manufacturing an ink jet recording head.

まず、図9(a)に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜51を形成する。本実施形態では、流路形成基板用ウェハー110を熱酸化することによって二酸化シリコンからなる弾性膜51を形成した。弾性膜51の形成方法は熱酸化に限定されず、スパッタリング法、CVD法、スピンコート法等によって形成してもよい。次いで、図9(b)に示すように、弾性膜51上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜52を形成する。絶縁体膜52を形成する方法としては、スパッタリング法、CVD法、蒸着法等が挙げられる。   First, as shown in FIG. 9A, an elastic film 51 is formed on the surface of a flow path forming substrate wafer 110 that is a silicon wafer. In the present embodiment, the elastic film 51 made of silicon dioxide is formed by thermally oxidizing the flow path forming substrate wafer 110. The formation method of the elastic film 51 is not limited to thermal oxidation, and may be formed by a sputtering method, a CVD method, a spin coating method, or the like. Next, as shown in FIG. 9B, an insulator film 52 made of zirconium oxide is formed on the elastic film 51. Examples of a method for forming the insulator film 52 include a sputtering method, a CVD method, and a vapor deposition method.

次いで、図9(c)に示すように、振動板50上の全面に第1電極60を形成する。第1電極60の材料としては,白金、イリジウム等の金属や、酸化イリジウム、ランタンニッケル酸化物等の導電性酸化物、及びこれらの材料の積層材料が好適に用いられる。また、第1電極60は、例えば、スパッタリング法やPVD法(物理蒸着法)、レーザーアブレーション法等の気相成膜、スピンコート法等の液相成膜により形成することができる。   Next, as shown in FIG. 9C, the first electrode 60 is formed on the entire surface of the diaphragm 50. As a material of the first electrode 60, a metal such as platinum or iridium, a conductive oxide such as iridium oxide or lanthanum nickel oxide, or a laminated material of these materials is preferably used. The first electrode 60 can be formed by, for example, a vapor phase film formation such as a sputtering method, a PVD method (physical vapor deposition method), a laser ablation method, or a liquid phase film formation such as a spin coating method.

次に、Bi、Fe、Ba及びTiを含みペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなる圧電体層70を形成する。本実施形態では、金属錯体を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、更に高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層70を得る、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層70を形成している。尚、圧電体層70の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、MOD法やスパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のPVD法等を用いてもよい。   Next, a piezoelectric layer 70 made of a composite oxide containing Bi, Fe, Ba, and Ti and having a perovskite structure is formed. In the present embodiment, a so-called sol-gel method is used in which a so-called sol in which a metal complex is dissolved and dispersed in a solvent is applied, dried, gelled, and further fired at a high temperature to obtain a piezoelectric layer 70 made of a metal oxide. Thus, the piezoelectric layer 70 is formed. The method for manufacturing the piezoelectric layer 70 is not limited to the sol-gel method, and for example, a PVD method such as a MOD method, a sputtering method, or a laser ablation method may be used.

図10(a)に示すように、第1電極60上に1層目の圧電体膜74を形成した段階で、第1電極60及び1層目の圧電体膜74を同時にパターニングする。そして、図10(b)に示すように、2層目以降の圧電体膜74を積層することにより、複数層の圧電体膜74からなる圧電体層70を形成する。ちなみに、2層目以降の圧電体膜74は、振動板50上、第1電極60及び1層目の圧電体膜74の側面上、及び1層目の圧電体膜74上に亘って連続して形成される。   As shown in FIG. 10A, when the first piezoelectric film 74 is formed on the first electrode 60, the first electrode 60 and the first piezoelectric film 74 are patterned at the same time. Then, as shown in FIG. 10B, a piezoelectric layer 70 composed of a plurality of layers of piezoelectric films 74 is formed by laminating the second and subsequent layers of piezoelectric films 74. Incidentally, the second and subsequent piezoelectric films 74 are continuous over the diaphragm 50, on the side surfaces of the first electrode 60 and the first piezoelectric film 74, and over the first piezoelectric film 74. Formed.

図10(c)に示すように、圧電体層70をパターニングして凹部71等を形成する。本実施形態では、圧電体層70上に所定形状のマスク(図示なし)を設け、このマスクを介して圧電体層70をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィーによってパターニングした。尚、圧電体層70のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングであっても、エッチング液を用いたウェットエッチングであってもよい。   As shown in FIG. 10C, the piezoelectric layer 70 is patterned to form the recesses 71 and the like. In the present embodiment, patterning is performed by so-called photolithography, in which a mask (not shown) having a predetermined shape is provided on the piezoelectric layer 70, and the piezoelectric layer 70 is etched through the mask. The patterning of the piezoelectric layer 70 may be, for example, dry etching such as reactive ion etching or ion milling, or wet etching using an etching solution.

次に、流路形成基板用ウェハー110の一方面側(圧電体層70が形成された面側)に亘って、圧電体層70のパターニングした側面上、振動板50上、及び第1電極60上等に亘って第2電極80を形成すると共にパターニングする。そして、図11(a)に示すように、流路形成基板用ウェハー110の圧電素子300側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板30となる保護基板用ウェハー130を、接着剤(図4(a)に示す35)を介して接合した後、流路形成基板用ウェハー110を所定の厚みに薄くする。   Next, over the one surface side of the flow path forming substrate wafer 110 (the surface side on which the piezoelectric layer 70 is formed), the patterned side surface of the piezoelectric layer 70, the vibration plate 50, and the first electrode 60. The second electrode 80 is formed over the top and patterned. Then, as shown in FIG. 11A, a protective substrate wafer 130 which is a silicon wafer and serves as a plurality of protective substrates 30 is attached to the flow path forming substrate wafer 110 on the piezoelectric element 300 side with an adhesive (FIG. After joining via 35) shown in a), the flow path forming substrate wafer 110 is thinned to a predetermined thickness.

次いで、図11(b)に示すように、流路形成基板用ウェハー110にマスク膜53を新たに形成し、所定形状にパターニングする。そして、図11(c)に示すように、流路形成基板用ウェハー110を、マスク膜53を介してKOH等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング(ウェットエッチング)することにより、圧電素子300に対応する圧力発生室12等を形成する。このとき、振動板50が、圧力発生室12とは反対側が凸となる撓みを有するものとなる。   Next, as shown in FIG. 11B, a mask film 53 is newly formed on the flow path forming substrate wafer 110 and patterned into a predetermined shape. Then, as shown in FIG. 11C, the flow path forming substrate wafer 110 is subjected to anisotropic etching (wet etching) using an alkali solution such as KOH through the mask film 53, whereby the piezoelectric element 300 is obtained. The pressure generation chamber 12 corresponding to the above is formed. At this time, the diaphragm 50 has a bend in which the opposite side to the pressure generation chamber 12 is convex.

その後は、流路形成基板用ウェハー110及び保護基板用ウェハー130の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー110の保護基板用ウェハー130とは反対側の面にノズル開口21が穿設されたノズルプレート20を接合すると共に、保護基板用ウェハー130にコンプライアンス基板40を接合し、流路形成基板用ウェハー110等を図2や図4に示すような一つのチップサイズの流路形成基板10等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドIとする。   Thereafter, unnecessary portions of the outer peripheral edge portions of the flow path forming substrate wafer 110 and the protective substrate wafer 130 are removed by cutting, for example, by dicing. The nozzle plate 20 having the nozzle openings 21 formed on the surface of the flow path forming substrate wafer 110 opposite to the protective substrate wafer 130 is bonded, and the compliance substrate 40 is bonded to the protective substrate wafer 130. The ink jet recording head I of the present embodiment is obtained by dividing the flow path forming substrate wafer 110 and the like into a single chip size flow path forming substrate 10 and the like as shown in FIGS.

(実施形態2)
本発明の実施形態2に係る液体噴射ヘッド一例であるインクジェット式記録ヘッドの駆動方法は、インクジェット式記録ヘッドの駆動周期毎に圧電体層の分極を反転させる電圧を印加する点が実施形態1と異なる。以下、同一部材には同一符号を付して重複する説明は省略し、異なる部分を中心に詳述する。
(Embodiment 2)
The method for driving an ink jet recording head, which is an example of a liquid jet head according to the second embodiment of the present invention, is different from the first embodiment in that a voltage that reverses the polarization of the piezoelectric layer is applied every driving cycle of the ink jet recording head. Different. In the following, the same members are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted, and detailed description will be made focusing on different portions.

図12(a)〜(b)は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの駆動方法を説明するための図である。このうち図12(a)は、本実施形態の駆動波形、すなわち駆動周期毎に圧電体層の分極を反転させる電圧波形の一例を示し、図12(b)は、電圧及び分極率の関係を説明する図である。   12A and 12B are diagrams for explaining a method of driving the ink jet recording head of the present embodiment. Of these, FIG. 12A shows an example of the drive waveform of the present embodiment, that is, a voltage waveform that reverses the polarization of the piezoelectric layer for each drive cycle, and FIG. 12B shows the relationship between the voltage and the polarizability. It is a figure explaining.

図示するように、本実施形態では、基本的には実施形態1の図6(c)の駆動波形と同様であるが、最大電圧Vmax3まで上昇させる工程P24の前に、駆動電位を抗電圧Vcまで低下させる工程P22aと、抗電圧Vcを一定時間維持する工程P23aと、を実施する。これにより、図12(b)に示すように、圧電体層70の分極を強制的に0に近いものとし、圧力発生室12側に付加されていた押圧力が実質的になくなって、振動板50が初期位置である上凸状態に戻すことができる。   As shown in the figure, this embodiment is basically the same as the drive waveform of FIG. 6C of the first embodiment, but before the step P24 for raising the voltage to the maximum voltage Vmax3, the drive potential is set to the coercive voltage Vc. Step P22a for reducing the resistance voltage V2 and Step P23a for maintaining the coercive voltage Vc for a certain period of time are performed. As a result, as shown in FIG. 12B, the polarization of the piezoelectric layer 70 is forced to be close to 0, and the pressing force applied to the pressure generating chamber 12 side is substantially eliminated, so that the diaphragm It is possible to return to the upward convex state where 50 is the initial position.

工程P22a及び工程P23aにおいて、駆動電位を低下させるのは抗電圧Vcに限られず、抗電圧Vc近傍(プラスマイナス3v)の電圧であればよい。抗電圧Vcを保持する時間は、圧力発生室12内の媒質の振動周期Tcの整数倍であるのが好ましい。これによれば、かかる媒質の振動を利用して、噴射特性に有利なタイミングで、圧力発生室12内を加圧するための最大電圧Vmax3を印加することができる。   In the process P22a and the process P23a, the driving potential is not limited to the coercive voltage Vc, but may be a voltage in the vicinity of the coercive voltage Vc (plus or minus 3v). The time for maintaining the coercive voltage Vc is preferably an integral multiple of the vibration period Tc of the medium in the pressure generating chamber 12. According to this, it is possible to apply the maximum voltage Vmax3 for pressurizing the inside of the pressure generation chamber 12 at a timing advantageous for the ejection characteristics by using the vibration of the medium.

図13は、インクジェット式記録ヘッドIの駆動時における駆動電圧の変化と、圧電体層70の分極率と、の関係を説明するタイムチャートである。尚、図13の駆動波形203の各工程P21〜P27は、図12(a)の各工程に対応するものである。   FIG. 13 is a time chart for explaining the relationship between the change in drive voltage when the ink jet recording head I is driven and the polarizability of the piezoelectric layer 70. Each process P21 to P27 of the drive waveform 203 in FIG. 13 corresponds to each process in FIG.

本実施形態では、図13に示すようなインクジェット式記録ヘッドIの駆動周期(工程P21〜P27)毎に、圧電体層70の分極を反転させる上記の抗電圧Vc近傍(プラスマイナス3v)の電圧を印加する。例えば、本実施形態の例では、時点t1から駆動電圧を中間電圧Vmから減少させはじめ、時点t2において抗電圧Vc近傍に到達するようにする。これにより、圧電体層70の分極を減分極させることができ、圧力発生室12を加圧してインクを噴射するために駆動波形の印加によって下凸に変位させられた圧電素子300や振動板50を、次回の駆動波形の印加(例えば時点t3)前に上凸に戻すことができる。よって、インクジェット式記録ヘッドIの駆動周期毎に、噴射効率を向上させることができる。   In the present embodiment, the voltage in the vicinity of the coercive voltage Vc (plus or minus 3 v) for reversing the polarization of the piezoelectric layer 70 at every drive period (steps P21 to P27) of the ink jet recording head I as shown in FIG. Apply. For example, in the example of the present embodiment, the drive voltage starts to decrease from the intermediate voltage Vm from the time point t1 and reaches the vicinity of the coercive voltage Vc at the time point t2. As a result, the polarization of the piezoelectric layer 70 can be depolarized, and the piezoelectric element 300 and the diaphragm 50 that are displaced downward by applying a drive waveform in order to pressurize the pressure generation chamber 12 and eject ink. Can be returned to an upward convex before the next application of the drive waveform (for example, time t3). Therefore, the ejection efficiency can be improved for each drive cycle of the ink jet recording head I.

更に、本実施形態では、圧電体層70として分極の緩和時間が圧力発生室12内の媒質の振動周期を超えるもの、言い換えれば、電圧印加によって生じる分極が保持される圧電体層70であっても使用可能であり、材料選択の自由度が高いものとなっている。   Furthermore, in the present embodiment, the piezoelectric layer 70 has a polarization relaxation time exceeding the vibration period of the medium in the pressure generation chamber 12, in other words, the piezoelectric layer 70 that holds polarization generated by voltage application. Can be used, and the degree of freedom of material selection is high.

製造方法についても、基本的には実施形態1のものと同様とすることができる。インクジェット式記録ヘッドIの駆動周期毎に圧電体層70の分極を反転させる電圧を印加するように駆動回路120等の制御部分を構成すればよい。   The manufacturing method can be basically the same as that of the first embodiment. The control portion such as the drive circuit 120 may be configured to apply a voltage that reverses the polarization of the piezoelectric layer 70 every drive cycle of the ink jet recording head I.

(他の実施形態)
本発明は上記の実施形態に制限されることなく、種々の変更が可能である。例えば、実施形態1においては鉛を含まない複合酸化物を用いた圧電体層70を搭載した記録ヘッドIについて説明したが、鉛を含む複合酸化物を用いて圧電体層を構成し、これを搭載するようにしてもよい。鉛を含むような圧電体層を構成する材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル、酸化マグネシウム及び酸化ランタン等の金属酸化物を添加したもの等が挙げられる。具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zr,Ti)O)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Ba(Zr,Ti)O)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O)又はマグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛(Pb(Zr,Ti)(Mg,Nb)O)等が挙げられる。
(Other embodiments)
The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made. For example, in the first embodiment, the recording head I on which the piezoelectric layer 70 using a complex oxide not containing lead has been described. However, a piezoelectric layer is formed using a complex oxide containing lead, You may make it mount. As a material constituting the piezoelectric layer containing lead, a ferroelectric material such as lead zirconate titanate (PZT) and a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide, magnesium oxide and lanthanum oxide are added thereto. Additions etc. are mentioned. Specifically, lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O 3 ), barium zirconate titanate (Ba (Zr, Ti) O 3 ), lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) ( Zr, Ti) O 3 ) or lead magnesium niobate zirconium titanate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O 3 ).

また、本発明は、広く液体噴射ヘッド全般の駆動方法を対象としたものであり、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種のインクジェット式記録ヘッド等の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(電界放出ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオchip製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等の駆動方法にも適用することができる。   In addition, the present invention is widely intended for a driving method for a liquid ejecting head in general, for example, a recording head such as various ink jet recording heads used in an image recording apparatus such as a printer, and a color filter such as a liquid crystal display. It is also applied to driving methods for color material ejection heads used in the manufacture of electrodes, electrode material ejection heads used in electrode formation for organic EL displays, FEDs (field emission displays), and bio-organic matter ejection heads used in biochip production. be able to.

更に、薄膜であって撓み変形モードで駆動する圧電素子300を使用する種々のセンサーやアクチュエーター装置の駆動方法にも、同様に適用することができる。   Furthermore, the present invention can be similarly applied to driving methods of various sensors and actuator devices that use the piezoelectric element 300 that is a thin film and is driven in a bending deformation mode.

I インクジェット式記録ヘッド(液体噴射ヘッド)、 II インクジェット式記録装置(液体噴射装置)、 10 流路形成基板(基板)、 11 隔壁、 12 圧力発生室、 13 インク供給路、14 連通路、 15 連通部、 20 ノズルプレート、 21 ノズル開口、 30 保護基板、 31 圧電素子保持部、 32 マニホールド部、 33 貫通孔、 35 接着剤、 40 コンプライアンス基板、 41 封止膜、 42 固定板、 43 開口部、 50 振動板、 51 弾性膜、 52 絶縁体膜、 60 第1電極、 70 圧電体層、 71 凹部、 80 第2電極、 90 リード電極、 100 マニホールド、 120 駆動回路、 300 圧電素子   I ink jet recording head (liquid ejecting head), II ink jet recording apparatus (liquid ejecting apparatus), 10 flow path forming substrate (substrate), 11 partition, 12 pressure generating chamber, 13 ink supply path, 14 communication path, 15 communication Part, 20 nozzle plate, 21 nozzle opening, 30 protective substrate, 31 piezoelectric element holding part, 32 manifold part, 33 through hole, 35 adhesive, 40 compliance board, 41 sealing film, 42 fixing plate, 43 opening part, 50 Diaphragm, 51 Elastic film, 52 Insulator film, 60 First electrode, 70 Piezoelectric layer, 71 Recess, 80 Second electrode, 90 Lead electrode, 100 Manifold, 120 Drive circuit, 300 Piezoelectric element

Claims (7)

圧力発生室が形成された流路形成基板と、
前記圧力発生室を塞ぐように前記流路形成基板に設けられた振動板と、
前記振動板に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、
を具備する液体噴射ヘッドにおいて、
前記振動板は、前記圧電素子に電界を印加していない状態で前記圧力発生室とは反対側が凸となる撓みを有し、
前記圧電素子は、前記圧電体層の分極の緩和時間が前記圧力発生室内の媒質の振動周期内以下であることを特徴とする液体噴射ヘッド
A flow path forming substrate in which a pressure generating chamber is formed;
A diaphragm provided on the flow path forming substrate so as to close the pressure generating chamber;
A piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer and a second electrode provided on the diaphragm;
In a liquid jet head comprising:
The diaphragm has a bend in which a side opposite to the pressure generation chamber is convex in a state where an electric field is not applied to the piezoelectric element,
The piezoelectric element is characterized in that a polarization relaxation time of the piezoelectric layer is less than or equal to a vibration period of a medium in the pressure generating chamber.
前記圧電体層として、ビスマス、鉄、バリウム及びチタンを含むペロブスカイト構造の複合酸化物からなるものを用いることを特徴とする請求項1に記載の液体噴射ヘッド。   The liquid jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a composite oxide having a perovskite structure including bismuth, iron, barium, and titanium. 前記圧電体層として、鉄酸ビスマスとチタン酸バリウムとの混晶のペロブスカイト構造を有する複合酸化物からなるものを用いることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体噴射ヘッド。   3. The liquid jet head according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is made of a composite oxide having a mixed crystal perovskite structure of bismuth ferrate and barium titanate. 4. 圧力発生室が形成された流路形成基板と、
前記圧力発生室を塞ぐように前記流路形成基板に設けられた振動板と、
前記振動板に設けられた第1電極、圧電体層及び第2電極を有する圧電素子と、
を具備する液体噴射ヘッドの駆動方法において、
前記液体噴射ヘッドの駆動周期毎に前記圧電体層の分極方向を反転させる電圧を印加し、前記圧電素子を駆動することを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。
A flow path forming substrate in which a pressure generating chamber is formed;
A diaphragm provided on the flow path forming substrate so as to close the pressure generating chamber;
A piezoelectric element having a first electrode, a piezoelectric layer and a second electrode provided on the diaphragm;
In a method for driving a liquid jet head comprising:
A driving method of a liquid ejecting head, wherein a voltage that reverses the polarization direction of the piezoelectric layer is applied every driving cycle of the liquid ejecting head to drive the piezoelectric element.
前記圧電体層の分極方向を反転させる前記電圧として、前記圧電体層の抗電圧近傍の電圧を用いることを特徴とする請求項4に記載の液体噴射ヘッドの駆動方法。   5. The method of driving a liquid jet head according to claim 4, wherein a voltage in the vicinity of a coercive voltage of the piezoelectric layer is used as the voltage for reversing the polarization direction of the piezoelectric layer. 前記分極方向を反転させる電圧を保持する時間は、前記圧力発生室内の媒質の振動周期の整数倍であることを特徴とする液体噴射ヘッドの駆動方法。   The method of driving a liquid jet head, wherein a time for holding the voltage for reversing the polarization direction is an integral multiple of a vibration period of a medium in the pressure generating chamber. 請求項1〜6の何れか一項に記載の液体噴射ヘッド又はその駆動方法を利用したことを特徴とする液体噴射装置。   A liquid ejecting apparatus using the liquid ejecting head according to claim 1 or a driving method thereof.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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