JP2015147332A - Liquid ejection head, driving method of the same and liquid ejection device - Google Patents
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Abstract
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.
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
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.
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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、ABO3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
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
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、BiFeO3やBaTiO3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
(1−x)[BiFeO3]−x[BaTiO3] (1)
(0<x<0.40)
(Bi1−xBax)(Fe1−xTix)O3 (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
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
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
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
(1−x)[Bi(Fe1−yMy)O3]−x[BaTiO3] (2)
(0<x<0.40、0.01<y<0.10)
(Bi1−xBax)((Fe1−yMy)1−xTix)O3 (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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
(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
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
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
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
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
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
(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)O3)、チタン酸ジルコン酸バリウム(Ba(Zr,Ti)O3)、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン((Pb,La)(Zr,Ti)O3)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)O3)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
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
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)
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.
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US20160284972A1 (en) * | 2015-03-24 | 2016-09-29 | Seiko Epson Corporation | Ultrasound sensor and driving method therefor |
JP2017164954A (en) * | 2016-03-15 | 2017-09-21 | 株式会社リコー | Drive waveform generation device, head drive device, liquid ejection device, and head driving method |
-
2014
- 2014-02-05 JP JP2014020793A patent/JP2015147332A/en active Pending
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