JP3740851B2

JP3740851B2 - Inkjet recording head

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Publication number: JP3740851B2
Application number: JP21129898A
Authority: JP
Inventors: 浩二角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1998-07-27
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2018-07-27
Also published as: JP2000043256A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインクジェット式記録ヘッドに係わる。特に、インク吐出制御に好適な特性を備える圧電体薄膜素子を備えたインクジェット式記録ヘッドに係わる。また、このインクジェット式記録ヘッドを備えたプリンタの駆動制御方法に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
入力される印字データに応じて選択的にインク滴を記録用紙に吐出して文字、或いは所望の画像を得るインクジェットプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドは、インク吐出の駆動源として機能する圧電体薄膜素子を備えている。この圧電体薄膜素子はジルコン酸チタン酸鉛等の圧電性セラミックスの薄膜、即ち、圧電体膜が上部電極と下部電極で挟まれた構造をしている。この圧電体膜は電圧を印加することで体積変化を生じ（逆圧電効果）、また、圧力を加えることで電圧変化を生ずるため（圧電効果）、電気機械変換素子として機能する。ペロブスカイト（perovskite）結晶構造を有するセラミックスはこの作用を顕著に示すものが多いため、圧電体膜の材料に用いられている。
【０００３】
インクジェット式記録ヘッドは、振動板を介して加圧室上に形成された圧電体薄膜素子を備える。記録用紙等に所望の印字をするときには、プリンタ内に内臓されるインクジェット式記録ヘッドの駆動制御回路が圧電体薄膜素子に所望の電圧（本明細書において特に断りがない限り、電圧とは下部電極に対する上部電極の電位とする）を印加することで、圧電体薄膜素子の逆圧電効果を利用して加圧室内の圧力を変化させ、インク滴を吐出している。
【０００４】
ところで、図６に示すように、インク吐出の待機時（同図（Ｉ））に印字データが供給されたとき、インク吐出の直前に加圧室内の圧力を瞬時に一旦低下させてノズル５１近傍にメニスカス９１を形成してから（同図（II））、加圧室内の圧力を高めてインク滴９２を吐出すると（同図（III））、ノズル５１から吐出されるインク滴９２のスピードが速くなり、インク吐出制御が容易になることが知られている。このようなインク吐出制御（以下、本明細書において「引き打ち」という。）ではインクの吐出量は変わらないため、鮮明な印字をする上で好適である。
【０００５】
尚、図中、符号１０１はインクジェット式記録ヘッド、１０は圧電体薄膜素子、３０は振動板、２０は加圧室基板、５はノズルプレート、５１はノズル、９０はインクである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、圧電体膜としてゾル・ゲル法で成膜したものを利用すると、引き打ちによるインク吐出制御が複雑になる問題がある。その理由を図面を参照しながら説明する。ゾル・ゲル法で成膜した圧電体膜の電界対変位特性曲線は図４（Ａ）のようになる。同図において縦軸の変位δ［ｎｍ］は振動板の変位量を表し、加圧室側への変位を正方向とする。横軸の電界Ｅ［ｋＶ／ｃｍ］は上部電極と下部電極間の電界を表す。測定に用いた圧電体膜の組成は、０．９Ｐｂ（Ｚｒ_０．５６Ｔｉ_０．４４）Ｏ_３−０．１Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３であり、厚みは１．０μｍである。圧電定数ｄ_３１は１８０ｐＣ／Ｎであり、誘電率は１８００である。
【０００７】
同図に示すように、圧電体膜の変位量は電界の絶対値に依存し、変位方向は電界の向きに無関係である。このような電界対変位特性を備える圧電体膜を用いた圧電体薄膜素子で引き打ちを実現するためには、圧電体膜に図９（Ａ）に示すような波形の駆動電圧を圧電体薄膜に印加する必要がある。同図において、各時刻（０≦Ｔ≦Ｔ_５）におけるインクジェット式記録ヘッドの状態を図１０を参照して説明する。図中、図６と同一符号のものは同一部を表す。
【０００８】
時刻０≦Ｔ≦Ｔ_１では、圧電体薄膜素子１０にオフセット電圧Ｖ_０が印加されており、振動板３０は微少距離ｄｘだけ変位した位置でインク吐出の待機状態になっている（同図（Ｉ））。インク吐出の直前、即ち、時刻Ｔ_１≦Ｔ≦Ｔ_２では、圧電体薄膜素子１０に印加される電圧を０にまで減少させ、加圧室内の圧力を瞬時に一旦低下させる。このステップにより、振動板３０の変位量は０になり、ノズル５１近傍にはメニスカス９１が形成される（同図（II））。時刻Ｔ_２≦Ｔ≦Ｔ_３では、印加電圧をＶ_Ｈまで上げ、インク滴９２を吐出する（同図（III））。時刻Ｔ_３≦Ｔ≦Ｔ_４において圧電体薄膜素子１０の印加電圧Ｖ_Ｈを保持し、時刻Ｔ_４≦Ｔ≦Ｔ_５において印加電圧をオフセット電圧Ｖ_０に戻す。
【０００９】
このように、従来では圧電体薄膜素子の駆動波形が複雑になり、制御回路の部品点数が増大する問題がある。プリンタのさらなる普及のためには製造コストを下げることが必要であり、制御回路の部品点数は少ない方が好ましい。また、インク吐出の待機時にオフセット電圧を印加しているため、圧電体薄膜素子の寿命が短くなる問題もある。さらに、上述した従来技術では、引き打ちの効果が小さい。
【００１０】
このような問題点に鑑み、本発明は、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドとその製造方法を提供することを課題とする。また、このインクジェット式記録ヘッドを用いたプリンタを提供することを課題とする。さらに、プリンタの簡易な駆動制御方法を提供することを課題とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明のインクジェット式記録ヘッドは、インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドである。この圧電体薄膜素子は、電圧対変位特性曲線が圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を備え、圧電体膜は、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜と、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜と、を積層した薄膜であることを特徴とする。
【００１２】
ここで、電圧対変位特性曲線とは、圧電体薄膜素子に印加される電圧を横軸にとり、圧電体薄膜素子の変位を縦軸にとった場合の特性曲線である。圧電体薄膜素子の変位は加圧室側へ変位する方向を正とする。この圧電体薄膜素子は上記の特性を有することで、駆動電圧の範囲内で印加電圧を変化させると、圧電体薄膜素子は一旦負の方向に変位した後、正方向へ変位する。従って、この圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源とすることで、インク吐出直前にノズル近傍にメニスカスを形成することができ、インク吐出スピードが向上するとともに、インク吐出制御が容易になる。また、電圧対変位特性曲線は圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極点を１つだけ有することが好ましい。この電圧の範囲内において駆動電圧を直線的に変化させるだけで引き打ちを容易に実現できる。
【００１４】
好ましくは、第１の薄膜の厚みを第２の薄膜の厚みよりも薄くする。例えば、第２の薄膜の膜厚が１．０μｍの場合、第１の薄膜の膜厚を０．５μｍとする。これらの膜厚は第１の薄膜の電圧対変位特性と第２の薄膜の電圧対変位特性に応じて適宜調整すればよい。また、第１の薄膜は水熱法で成膜すると良い。圧電体膜前駆体を水熱処理で結晶化することで、第１の薄膜は上記のような電圧対変位特性を備える薄膜になる。第２の薄膜はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜すると良い。これらの成膜法で得られる第２の薄膜は上記のような電圧対変位特性を備える薄膜になる。また、第１の薄膜と第２の薄膜は同一の組成の圧電体膜でもよく、異なる組成の圧電体膜でもよい。また、第１の薄膜の結晶粒径は１００ｎｍ乃至１００μｍの範囲が好ましい。
【００１５】
本発明のプリンタは、本発明のインクジェット式記録ヘッドと、略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号で前記インクジェット式記録ヘッドを駆動する制御回路とを備える。本発明のプリンタによれば、インクジェット式記録ヘッドを駆動する制御回路を簡易な回路構成で実現できる。
【００１６】
インクが充填される加圧室の加圧室基板の少なくとも一方の面に、逆圧電効果を有する圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源として配置したインクジェット式記録ヘッドの製造方法である。この方法は、加圧室基板の一方の面に下部電極を形成する工程と、下部電極上に電圧対変位特性曲線が圧電体薄膜素子の駆動電圧の範囲内において極値点を有する圧電体膜を形成する工程と、圧電体膜上に上部電極を形成する工程と、加圧室基板をエッチングしてインクを充填する加圧室を形成する工程と、を備え、圧電体膜を形成する工程は、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が正である第１の薄膜を形成する工程と、駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性曲線を電圧で微分した値が負である第２の薄膜を形成する工程と、をそれぞれ１回以上繰り返す工程であることを特徴とする。
【００１７】
また、圧電体膜を形成する工程は、第１の薄膜の厚みを第２の薄膜の厚みよりも薄く成膜する工程とする。第１の薄膜を形成する工程は水熱法で成膜する工程が好ましい。第２の薄膜を形成する工程はゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、ＣＶＤ法、スパッタリング法のうち何れか１つの成膜法で成膜する工程が好ましい。
【００１８】
本発明のプリンタの駆動制御方法は、インクが充填される加圧室を備える加圧室基板の少なくとも一方の面に本発明のインクジェット式記録ヘッドを配置したプリンタを駆動する方法である。特に、略台形状の電圧変化特性を有する駆動信号でプリンタを駆動することを特徴とする。本発明のプリンタの駆動制御方法によれば、引き打ちのような複雑なインク吐出制御を簡易な方法で実現できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を各図を参照して説明する。
【００２０】
（インクジェットプリンタの構造）
インクジェットプリンタの構造を図１を参照して説明する。インクジェットプリンタ１００は、インクジェット式記録ヘッド１０１、本体１０２、トレイ１０３を備えて構成されている。インクジェット式記録ヘッド１０１は、用紙１０５が給紙された際に同図の矢印方向に往復し、所望の印字データに基づいてノズルからインク滴を吐出することで用紙１０５に印字する。本体１０２は背面にトレイ１０３を備えるとともに、その内部に用紙送り機構を備え、用紙１０５の印字が終了すると、正面の排出口１０４から用紙１０５を排紙する。
【００２１】
後述するように、インク吐出の駆動源である圧電体薄膜素子は積層構造を成している圧電体膜を備えている。この圧電体膜を構成する一部の層を水熱法で成膜するため、低温下での成膜が可能である。このため、膜内残留応力を低減することができ、圧電体薄膜素子の大型化が可能である。従って、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドをラインプリンタのインク吐出駆動源として機能させることも可能である。
【００２２】
（インクジェット式記録ヘッドの構造）
インクジェット式記録ヘッド１０１の構造を図２を参照して説明する。同図に示すインクジェット式記録ヘッド１０１の分解斜視図は、インクの供給流路が加圧室基板内に形成されるタイプである。同図に示すように、インクジェット式記録ヘッド１０１は、主に加圧室基板１、ノズルプレート５及び基体３から構成される。
【００２３】
加圧室基板１はシリコン単結晶基板上に形成された後、各々に分離される。加圧室基板１は複数の短冊状の加圧室１１が設けられ、全ての加圧室１１にインクを供給するための共通流路１３を備える。加圧室１１の間は側壁１２により隔てられている。加圧室１１は２列に配列され、一列当たり１２８個形成されており、２５６ノズルの印字密度を有するインクジェット式記録ヘッドを実現している。加圧室基板１の基体３側には振動板膜及び圧電体薄膜素子（図示せず）が形成されている。また、各圧電体薄膜素子からの配線はフレキシブルケーブルである配線基板４に収束され、インク吐出制御回路（図示せず）と接続される。インク吐出制御回路は本発明に係わるインクジェット式記録ヘッドの駆動制御方法（詳細については後述する）でインク吐出を制御する。
【００２４】
ノズルプレート５は加圧室基板１に接合される。ノズルプレート５における加圧室１１に対応する位置にはインク滴を摘出するためのノズル５１が形成されている。ノズル５１は所定の配列ピッチで２列形成されている。各列の間隔は１８０分の１インチであり、ノズル５１の配列ピッチは３６０分の１インチである。
【００２５】
基体３はプラスチック、金属等の鋼体であり、加圧室基板１の取付台となる。
【００２６】
（圧電体薄膜素子の構造）
圧電体薄膜素子の構造を図３を参照して説明する。圧電体薄膜素子１０は上部電極６０と下部電極４０に挟まれた圧電体膜５０とから構成される。上部電極６０と下部電極４０は、白金、イリジウム、酸化イリジウム、金、アルミニウム、ニッケル等から選択される導電性材質である。
【００２７】
圧電体膜５０の組成として圧電特性を有する圧電性セラミックスを用いる。例えば、ＰＺＴ系圧電性材料や、この系に酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。圧電体膜５０の組成は圧電体薄膜素子の特性、用途等を考慮して適宜選択する。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）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_３）等を用いることができる。
【００２８】
図３に示すように、圧電体膜５０は下層５０Ａと上層５０Ｂの積層構造となっている。下層５０Ａは水熱法を用いて成膜した薄膜であり、上層５０Ｂはゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法等の水熱法以外の製法で成膜した薄膜である。このような薄膜の製法上の相違から、下層５０Ａと上層５０Ｂは圧電体薄膜素子１０の駆動電圧の範囲内において電圧対変位特性（以下、本明細書において「Ｖ−δ特性」という場合がある。）が異なる薄膜になる。
【００２９】
ここで、下層５０ＡのＶ−δ特性を図４（Ｂ）を参照して説明する。同図において、縦軸の変位δ［ｎｍ］は下層５０Ａの変位を表し、下層５０Ａが加圧室側へ変位する方向を正方向としている。横軸の電圧Ｖ［Volt］は下層５０Ａに印加される電圧である。測定に用いた圧電体膜（下層５０Ａ）の組成は、Ｐｂ（Ｚｒ_０．５Ｔｉ_０．５）Ｏ_３であり、厚みは５００ｎｍである。圧電定数ｄ_３１は１２０ｐＣ／Ｎであり、誘電率は１０００である。この図から明らかなように、下層５０Ａの変位量δは印加電圧Ｖに対して単調増加をする。即ち、印加電圧を０から正方向に印加することで下層５０Ａは加圧室を加圧する方向へ変位し、印加電圧を０から負方向に印加することで下層５０Ａは加圧室を減圧する方向へ変位する。
【００３０】
これに対し、水熱法以外の製法、例えば、ゾルゲル法で成膜した上層５０Ｂの電界対変位特性は図４（Ａ）に示すようになる。上述したように、変位量δは電界Ｅの絶対値に依存し、変位方向は電界Ｅの向きに無関係である。電界は電圧と比例関係にあるから上層５０ＢのＶ−δ特性曲線は図４（Ａ）の電界対変位特性曲線と相似する。このように、上層５０Ｂと下層５０Ａは圧電体薄膜素子１０の駆動電圧の範囲内においてＶ−δ特性が異なる圧電体膜であることがわかる。
【００３１】
このＶ−δ特性の異なる２種類の薄膜から構成される圧電体膜５０のＶ−δ特性を図５を参照して説明する。同図中、符号５０１で示される曲線は下層５０ＡのＶ−δ曲線を示し、符号５０２で示される曲線は上層５０ＢのＶ−δ曲線を示す。また、圧電体膜５０の駆動電圧を―Ｖ_Ｑ≦Ｖ≦０の範囲とする。圧電体膜５０は下層５０Ａと上層５０Ｂとから構成されるため、圧電体膜５０のＶ−δ曲線は両者の曲線を合成したものであり、符号５０３で示される。同図に示すように、圧電体膜５０のＶ−δ曲線５０３は、印加電圧Ｖを０から負の方向に印加すると、下記の（１）式で示される所定の電圧―Ｖ_Ｐまではδは単調減少する。このときの変位量をｄ_１とする（δ＝−ｄ_１）。
【００３２】
―Ｖ_Ｐ≦Ｖ≦０…（１）
更に、下記の（２）式に示すように、印加電圧を―Ｖ_Ｐから負の方向に印加すると、δは単調増加をする。ここで同図中、―Ｖ_Ｑは負の印加電圧の最大値であり、このときのδ＝ｄ_２は加圧室方向の最大変位である。
【００３３】
―Ｖ_Ｑ≦Ｖ≦―Ｖ_Ｐ…（２）
即ち、（１）式で示される範囲では、上層５０Ｂが正方向に変位する作用よりも下層５０Ａが負方向に変位する作用の方が強いため、圧電体膜５０全体としては負方向へ変位する。一方、（２）式で示される範囲では、下層５０Ａが負方向に変位する作用よりも上層５０Ｂが正方向に変位する作用の方が強いため、圧電体膜５０全体としては正方向へ変位する。圧電体膜５０がこのようなＶ−δ特性を備えるためには、下層５０Ａの厚さは上層５０Ｂの厚さよりも薄い方が好ましい。即ち、圧電体薄膜素子１０が駆動電圧（―Ｖ_Ｑ≦Ｖ≦０）の範囲において、極点（―Ｖ_Ｐ，−ｄ_１）を有するためには、以下の条件を満たす必要がある。
【００３４】
例えば、下層５０Ａの膜厚をｄ_Ａ、単位厚み当たりの電圧対変位特性曲線をｆ_Ａ（Ｖ）、上層５０Ｂの膜厚をｄ_Ｂ、単位厚み当たりの電圧対変位特性曲線をｆ_Ｂ（Ｖ）とすると、圧電体膜５０の電圧対変位特性曲線ｆ（Ｖ）は、
ｆ（Ｖ）＝ｄ_Ａｆ_Ａ（Ｖ）＋ｄ_Ｂｆ_Ｂ（Ｖ）
で表せる。従って、―Ｖ_Ｑ≦Ｖ≦０の電圧の範囲内においてｆ（Ｖ）の微分値が０となるＶが存在するようにｄ_Ａとｄ_Ｂを定めればよい。具体的には、下層５０Ａの厚さ０．５μｍに対し、上層５０Ｂの厚さを１．０μｍとする。この条件下で上記―Ｖ_Ｐは−８Ｖ、―Ｖ_Ｑは−２５Ｖ、ｄ_１は４０ｎｍ、ｄ_２は２４０ｎｍとなる測定結果を得た。
【００３５】
（インクジェット式記録ヘッドの駆動原理）
このインクジェット式記録ヘッド１０１の駆動原理を図７を参照して説明する。この図はインクジェット式記録ヘッドの主要部における電気的な接続関係を示したものである。駆動電圧源８の一方の電極は配線８１を介し、インクジェット式記録ヘッドの下部電極４０に接続する。駆動電圧源８の他方の電極は配線８２及びスイッチ８３ａ〜８３ｃを介して各加圧室１１ａ〜１１ｃに対応する上部電極６０に接続する。
【００３６】
この図では、加圧室１１ｂのスイッチ８３ｂのみが閉じられ、他のスイッチ８３ａ、８３ｃが開放されている。スイッチ８３ａ、８３ｃが開放されている加圧室１１ａ、１１ｃはインク吐出の待機状態を示す。インク吐出時には、例えば、スイッチ８３ｂのようにスイッチが閉じられ、圧電体膜５０に電圧が印加される。この電圧は、矢印Ａに示す圧電体膜５０の分極方向と同極性、換言すると、分極時の印加電圧の極性と同じように電圧が印加される。圧電体膜５０は厚み方向に膨張するとともに、厚み方向と垂直方向に収縮する。この収縮で圧電体膜５０と振動板３０の界面に応力が働き、圧電体膜５０及び振動板３０は下方向にたわむ。このたわみにより加圧室１１ｂの体積が減少し、ノズル５１からインク滴９２が吐出する。その後再びスイッチ８３ｂを開くと、たわんでいた圧電体膜５０及び振動板３０が復元し、加圧室１１ｂの体積が膨張することでインク供給路（図示せず）より加圧室１１ｂへインクが充填される。
【００３７】
（インクジェット式記録ヘッドの駆動制御方法）
図５に示すＶ−δ特性を有する圧電体膜５０を備える圧電体薄膜素子１０をインクジェット式記録ヘッド１０１のインク吐出の駆動源として用いるときの駆動制御方法を図９（Ｂ）、図６を参照して説明する。ここで、図９（Ｂ）はインクジェット式記録ヘッドの駆動波形である。図６はインク吐出時の各時刻におけるインクジェット式記録ヘッドの状態図である。
【００３８】
時刻０≦Ｔ≦Ｔ_１では、印加電圧Ｖは０であり、インクジェット式記録ヘッド１０１はインク吐出の待機状態にある（図６（I））。時刻Ｔ_１≦Ｔ≦Ｔ_２では印加電圧Ｖは、―Ｖ_Ｐ≦Ｖ≦０の範囲で負の方向に印加される。このとき、圧電体薄膜素子１０は負の方向（加圧室を減圧する方向）に変位し、印加電圧Ｖが―Ｖ_Ｐのときにｄ_１だけ変位する（図６（II））。この状態でノズル５１近傍にメニスカス９１が形成される。時刻Ｔ_２≦Ｔ≦Ｔ_３では印加電圧Ｖは―Ｖ_Ｑ≦Ｖ≦―Ｖ_Ｐの範囲で負の方向に印加される。このとき、圧電体薄膜素子１０は正の方向（加圧室を加圧する方向）に変位し、印加電圧Ｖが―Ｖ_Ｑのときにｄ_２だけ変位する（図６（III））。この状態でインク滴９２が吐出される。時刻Ｔ_３≦Ｔ≦Ｔ_４では印加電圧Ｖは―Ｖ_Ｑのまま一時的に保持され、時刻Ｔ_４≦Ｔ≦Ｔ_５では印加電圧Ｖは―Ｖ_Ｑから０へ正方向に徐々に印加される。このとき圧電体薄膜素子１０の変位はｄ_２から０へ徐々に戻る。時刻Ｔ_５≦Ｔでインクジェット式記録ヘッド１０１は再びインク吐出の待機状態になる（図６（I））。
【００３９】
このように、本実施の形態の圧電体薄膜素子によれば、単純な台形波を印加するだけで引き打ちを実現することができるため、従来のように複雑な駆動制御をする必要がない。
【００４０】
尚、引き打ちを効率よく実現するためには、（Ｔ_３−Ｔ_１）≦（Ｔ_５−Ｔ_４）とし、インク吐出時（時刻Ｔ_１≦Ｔ≦Ｔ_３）の電圧変化を大きくすると効果的である。例えば、圧電体薄膜素子１０の振動周波数を１４．４ｋＨｚとすると、インク滴を１滴吐出するために必要な時間、即ち、Ｔ_５−Ｔ_１は６９．４μｓとなるから、Ｔ_３−Ｔ_１を１０μｓとし、Ｔ_５−Ｔ_４を２９．４μｓとすると効果的である。
【００４１】
（インクジェット式記録ヘッドの製造工程）
インクジェット式記録ヘッドの製造工程を図８を参照して説明する。
【００４２】
振動板と下部電極の形成工程（図８(Ａ)）
本工程は基板２０上に振動板となる絶縁膜３０と下部電極膜４０を成膜する工程である。基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２２０μｍのシリコン単結晶基板を用いる。絶縁膜３０は、例えば、１１００℃の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させ、約１μｍの膜厚の熱酸化膜とすることで形成する。あるいは、１１００℃の炉の中で、水蒸気を含む酸素を流して５時間程度熱酸化させ、約１μｍの膜厚の熱酸化膜を形成してもよい。その他、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。
【００４３】
絶縁膜３０は、基板２０と下部電極４０間を電気的に絶縁する他、エッチング処理に対する保護層となる。絶縁膜３０として、二酸化珪素膜に限られず、酸化ジルコニウム膜、酸化タンタル膜、窒化シリコン膜、酸化アルミニウム膜でもよく、さらに、振動板自体をなくして後述する下部電極に振動板の役割を兼ねてもよい。この絶縁膜３０の圧電体薄膜素子が形成される側の表面上にスパッタ成膜法等の薄膜形成法により下部電極４０となる白金を、例えば、０．５μｍの厚さで成膜する。この場合、絶縁膜３０と下部電極４０間の密着力を上げるために、極薄のチタン、クロム等を中間層として介在させてもよい。
【００４４】
圧電体膜（下層）形成工程（同図（Ｂ））
本工程は下部電極４０上に水熱法で圧電体膜（下層５０Ａ）を成膜する工程である。まず、圧電体膜の原料となるゾルを調製する。２−ｎ−ブトキシエタノールを主溶媒とし、イミノジエタノールを添加した溶媒に酢酸鉛三水化物、チタニウムテトライソプロポキシド、テトラ−ｎ−プロポキシジルコニウムを混合し、室温下で２０分間攪拌する。その後、室温になるまで自然冷却する。この工程でゾルが得られる。このゾルを下部電極４０上に１２５ｎｍの厚さでスピンコーティングする。ゾルの膜厚を均一にするために最初は５００ｒｐｍで３０秒間、次に１５００ｒｐｍで３０秒間、最後に５００ｒｐｍで１０秒間、スピンコーティングする。この段階で圧電体膜を構成する各金属原子は有機金属錯体として分散している。ゾルを下部電極に塗布した後、例えば、１８０℃で１０分間乾燥させる。次いで、大気雰囲気下において、例えば、３５０℃で６０分間脱脂する。脱脂により金属に配位している有機物が金属から解離し、酸化燃焼反応を生じて大気中に拡散する。このゾルの塗布／乾燥／脱脂を４回繰り返すことで０．５μｍの圧電体膜前駆体を得る。
【００４５】
次いで、この圧電体膜前駆体を水熱処理する。まず、水酸化カリウム水溶液（ＫＯＨ）、水酸化バリウム水溶液（Ｂａ（ＯＨ）_２）又は水酸化カリウムと水酸化鉛の混合水溶液（ＫＯＨ＋Ｐｂ（ＯＨ）_２）の何れかのアルカリ水溶液を処理液２０１として調製する。濃度は０．５ｍｏｌ／ｌ程度とする。この処理液２０１を水槽２００に満たす。上述の工程で得られた圧電体膜前駆体を基板２０ごと水槽２００に浸漬し、オートクレーブ中で結晶化を促進させる。このときの水熱処理の温度は１００℃〜２００℃の範囲に設定する。この範囲より低い温度では結晶化が促進されず、この範囲より高い温度では圧電体膜前駆体や基板２０がエッチングされる不都合が生じるからである。処理圧力は２ｋｇ／ｃｍ^２以上で１０ｋｇ／ｃｍ^２以下に設定することで良質な結晶を得ることができる。処理時間は１０分〜６０分の範囲とする。１０分未満では十分な結晶を得ることができず、６０分位以上では圧電体膜前駆体や基板２０がエッチングされる不都合が生じるからである。以上の工程を経て圧電体膜（下層５０Ａ）が形成される。この圧電体膜の平均結晶粒は１００ｎｍ乃至１μｍの範囲であり、表面の平坦性に優れている。
【００４６】
尚、圧電体膜前駆体を下部電極４０上に成膜する工程は上述の方法（ゾル・ゲル法）の他に、スパッタ法、レーザアブレーション法、ＣＶＤ法等で成膜することもできる。
【００４７】
本工程で得られる下層５０ＡのＶ−δ特性は図４（Ｂ）のようになる。これは、上述した水熱法で圧電体膜（下層５０Ａ）を成膜することで、結晶中の合成双極子の向きが一方向になることによる。合成双極子の向きは圧電縦効果が得られる向きである。
【００４８】
圧電体膜（上層）形成工程（同図（Ｃ））
本工程は下層５０Ａ上に上層５０Ｂを成膜する工程である。本実施の形態では、、ゾル・ゲル法で上層５０Ｂを成膜する場合を説明する。上述の工程で得られたゾルを下層５０Ａ上に最終的な厚さが１．０μｍの厚さになるように１０回に分けて塗布、乾燥、脱脂処理をし、圧電体膜前駆体を形成する。塗布工程は、スピンコート法、ディップコート法、ロールコート法、バーコート法等の慣用技術で行えば良い。乾燥工程は、自然乾燥又は２００℃以下の温度に加熱することで行えば良い。脱脂工程は、ゾル組成物の膜をゲル化し、且つ、膜中から有機物を除去するのに充分な温度で、十分な時間加熱することで行う。この工程で残留有機物を実質的に含まない非晶質の金属酸化物からなる多孔質ゲル薄膜とする。この場合、圧電体膜前駆体を結晶化させるために５回目と１０回目の脱脂後に基板全体を高速熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）する。この工程は赤外線輻射光源（図示せず）を用いて基板の両面から酸素雰囲気中で６５０℃で５分保持した後、８００℃で１分加熱し、その後自然降温させる。この工程で圧電体膜前駆体は結晶化及び焼結し、ペロブスカイト結晶構造を備える圧電体膜（上層５０Ｂ）となる。
【００４９】
本工程で得られる上層５０ＢのＶ−δ特性は図４（Ａ）のようになる。また、本工程により、下層５０Ａと上層５０Ｂとから構成される、厚さ１．５μｍの圧電体膜５０が得られる。この圧電体膜５０のＶ−δ特性は図５のようになる。
【００５０】
上部電極形成工程（同図(Ｄ)）
本工程は圧電体膜５０上に上部電極６０を成膜する工程である。圧電体膜５０の上に、電子ビーム蒸着法、スパッタ法等の技術を用いて、上部電極６０を形成する。上部電極の材料は白金を用いる。膜厚は１００ｎｍ程度にする。また、白金に限らず、イリジウム、白金とイリジウムの合金、酸化イリジウム、アルミニウム等でもよい。
【００５１】
エッチング工程（同図(Ｅ)）
本工程は絶縁膜３０上に形成された積層構造をエッチングし、所定の領域に分離することで圧電体薄膜素子１０を形成する工程である。上述の工程で各層を形成後、絶縁膜３０上の積層構造を、各キャビティの形状に合わせた形状になるようマスクし、その周囲をエッチングし、上部電極６０、圧電体５０及び下部電極４０を取り除く。エッチング工程は、スピンナー法、スプレー法等の方法を用いて均一な厚さのレジストを塗布し、露光・現像して、レジストを上部電極６０上に形成する。これに、通常用いるイオンミリング、あるいはドライエッチング法等を適用して、不要な層構造部分を除去する。本工程により、次工程で形成されるべき加圧室の位置に対応して圧電体薄膜素子１０が形成される。
【００５２】
加圧室形成・ノズルプレート接合工程（同図(Ｆ)）
本工程は基板２０に加圧室１１を形成し、ノズルプレート５を接合する工程である。例えば、異方性エッチング、平行平板型反応性イオンエッチング等の活性気体を用いた異方性エッチングを用いて、加圧室１１が形成される空間をエッチングする。エッチングされずに残された基板部分が側壁１２になる。エッチング後の基板２０にノズルプレート５を樹脂等を用いて接合する。このとき、各ノズル５１が加圧室１１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。加圧室１１を接合した基板２０を基体３に取り付ければ、インクジェット式記録ヘッド１０１が完成する。
【００５３】
尚、ノズルプレート５と基板２０を一体的にエッチングして形成する場合は、ノズルプレート５の接合工程は不要である。
【００５４】
（圧電体薄膜素子の変形例）
圧電体薄膜素子１０の変形例を説明する。上述の例では圧電体膜５０を、水熱法で成膜した圧電体膜（下層５０Ａ）と水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜（上層５０Ｂ）とからなる２層構造としたが、図３（Ｂ）のように多層構造としてもよい。即ち、水熱法で成膜した圧電体膜５０Ｃ、５０Ｅの間を水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜５０Ｄ、５０Ｆで挟んだ多層構造とする。但し、４層に限らず、５層、６層等、Ｖ−δ特性を考慮して適当な層数に適宜設定すればよい。また、水熱法で成膜した圧電体膜の膜厚の合計は水熱法以外の成膜法で成膜した圧電体膜の膜厚の合計よりも薄くすることが好ましい。
【００５５】
尚、圧電体膜（下層５０Ａ）を、記述の水熱法とは異なる水熱法で成膜することもできる。例えば、図８（Ａ）において、下部電極４０としてチタンを成膜した基板２０を、鉱化剤として水酸化ナトリウム（ＫＯＨ）を５ｍｏｌ／ｌ含む水溶液に、硝酸鉛（Ｐｂ（ＮＯ_３）_２）を０．５ｍｏｌ／ｌ、塩化酸化ジルコニウム８水和物（ＺｒＯＣｌ_２・８Ｈ_２Ｏ）を０．８ｍｏｌ／ｌ、塩化チタン（ＴｉＣｌ_４）を４ｍｏｌ／ｌ溶解させ、この溶液中で温度１５０℃の環境下で３０時間水熱処理をする。この成膜法では、基板２０上に膜厚４００ｎｍ、組成がＰｂ（Ｚｒ_０．５Ｔｉ_０．５）Ｏ_３である圧電体膜５０Ａが得られた。
【００５６】
（作用）
以上、説明したように、本実施の形態によれば、駆動電圧の範囲内でＶ−δ特性曲線の電圧に対する微分値の符号が異なる薄膜を積層して圧電体膜を構成したので、インク吐出制御に優れたＶ−δ特性を有する圧電体薄膜素子を備えたインクジェット式記録ヘッドを提供することができる。このＶ−δ特性曲線の電圧に対する微分値の符号が異なる薄膜とは、例えば、水熱法で成膜された圧電体膜（上記微分値が正）と、水熱法以外の成膜法で成膜された圧電体膜（上記微分値が負）である。この圧電体薄膜素子をインクジェット式記録ヘッドに応用することでインク吐出制御が容易になる。即ち、単純な台形波形の印加電圧で引きうちを実現することができ、従来のように複雑な駆動波形でインクジェット式記録ヘッドを駆動する必要がないため制御回路を簡易に構成することができる。また、複雑な駆動波形を実現するためには多くのトランジスタ等を必要とするが、これが不要となるため、消費電力を下げることができるとともに、製造コストを下げることができる。また、従来のようにインク吐出待機時にオフセット電圧を印加する必要がないため、圧電体薄膜素子の経年劣化を防止することができる。
【００５７】
また、積層構造を有する圧電体膜の一部の層を水熱法で成膜するため、低温下での成膜が可能である。このため、膜内残留応力を低減することができ、圧電体薄膜素子の大型化が可能である。従って、本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドをラインプリンタのインク吐出駆動源として機能させることも可能である。
【００５８】
【発明の効果】
本発明のインクジェット式記録ヘッドによれば、インク吐出制御に好適な電圧対変位特性を備える圧電体薄膜素子をインク吐出の駆動源としたため、インク吐出制御が容易になる。
【００５９】
本発明のインクジェット式記録ヘッドの製造方法によれば、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドを製造することができる。
【００６０】
本発明のプリンタによれば、インク吐出制御に好適なインクジェット式記録ヘッドを備えるため、インクジェット式記録ヘッドの駆動回路を簡易に構成することができる。
【００６１】
本発明のプリンタの駆動制御方法によれば、単純な駆動波形で圧電体薄膜素子の複雑な駆動制御を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態のインクジェットプリンタの全体斜視図である。
【図２】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図３】本実施の形態の圧電体薄膜素子の構造を説明する断面図である。
【図４】（Ａ）は本実施の形態の圧電体膜を構成する薄膜の電界対変位特性曲線のグラフであり、（Ｂ）は電圧対変位特性曲線のグラフである。
【図５】本実施の形態の圧電体膜の電圧対変位特性曲線のグラフである。
【図６】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドのインク吐出時の状態図である。
【図７】本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの動作原理を説明する図である。
【図８】本実施の形態のインクジェット式記録の製造工程断面図である。
【図９】（Ａ）は従来のインクジェット式記録ヘッドの駆動波形であり、（Ｂ）は本実施の形態のインクジェット式記録ヘッドの駆動波形である。
【図１０】従来のインクジェット式記録ヘッドのインク吐出時の状態図である。
【符号の説明】
１００インクジェットプリンタ
１０１インクジェット式記録ヘッド
１０２本体
１０３トレイ
１０４排紙口
１０５用紙
１加圧室基板
１１加圧室
１２側壁
１３共通流路
３基体
４配線基板
５ノズルプレート
５１ノズル
１０圧電体薄膜素子
２０基板
３０振動板（絶縁膜）」
４０下部電極
５０圧電体膜
５０Ａ下層
５０Ｂ上層
６０上部電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to an ink jet recording head. In particular, the present invention relates to an ink jet recording head including a piezoelectric thin film element having characteristics suitable for ink ejection control. The present invention also relates to a drive control method for a printer provided with the ink jet recording head.
[0002]
[Prior art]
An ink jet recording head used in an ink jet printer that selectively ejects ink droplets onto recording paper according to input print data to obtain characters or a desired image is a piezoelectric thin film that functions as a drive source for ink ejection It has an element. This piezoelectric thin film element has a structure in which a piezoelectric ceramic thin film such as lead zirconate titanate, that is, a piezoelectric film is sandwiched between an upper electrode and a lower electrode. The piezoelectric film changes in volume when a voltage is applied (reverse piezoelectric effect), and changes in voltage when pressure is applied (piezoelectric effect), and thus functions as an electromechanical transducer. Since many ceramics having a perovskite crystal structure exhibit this effect remarkably, they are used as materials for piezoelectric films.
[0003]
The ink jet recording head includes a piezoelectric thin film element formed on a pressure chamber via a vibration plate. When desired printing is performed on recording paper or the like, the drive control circuit of the ink jet recording head incorporated in the printer has a desired voltage applied to the piezoelectric thin film element (unless otherwise specified in this specification, the voltage is the lower electrode). By applying the reverse piezoelectric effect of the piezoelectric thin film element, the pressure in the pressurizing chamber is changed and ink droplets are ejected.
[0004]
By the way, as shown in FIG. 6, when print data is supplied during ink discharge standby ((I) in FIG. 6), immediately before ink discharge, the pressure in the pressurizing chamber is temporarily reduced to immediately near the nozzle 51. After the meniscus 91 is formed (FIG. (II)), the pressure in the pressurizing chamber is increased to eject the ink droplet 92 (FIG. (III)), and the speed of the ink droplet 92 ejected from the nozzle 51 is increased. It is known that it becomes faster and ink ejection control becomes easier. Such ink ejection control (hereinafter referred to as “strike” in the present specification) is suitable for clear printing because the ink ejection amount does not change.
[0005]
In the figure, reference numeral 101 denotes an ink jet recording head, 10 denotes a piezoelectric thin film element, 30 denotes a vibration plate, 20 denotes a pressure chamber substrate, 5 denotes a nozzle plate, 51 denotes a nozzle, and 90 denotes ink.
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
However, when a piezoelectric film formed by a sol-gel method is used, there is a problem that ink ejection control by striking is complicated. The reason will be described with reference to the drawings. The electric field versus displacement characteristic curve of the piezoelectric film formed by the sol-gel method is as shown in FIG. In the figure, the displacement δ [nm] on the vertical axis represents the amount of displacement of the diaphragm, and the displacement toward the pressurizing chamber is the positive direction. The electric field E [kV / cm] on the horizontal axis represents the electric field between the upper electrode and the lower electrode. The composition of the piezoelectric film used for the measurement was 0.9 Pb (Zr _0.56 Ti _0.44 ) O ₃ -0.1 Pb (Mg _1/3 Nb _2/3 ) O ₃ And the thickness is 1.0 μm. Piezoelectric constant d ₃₁ Is 180 pC / N and the dielectric constant is 1800.
[0007]
As shown in the figure, the displacement amount of the piezoelectric film depends on the absolute value of the electric field, and the displacement direction is independent of the direction of the electric field. In order to realize striking with a piezoelectric thin film element using a piezoelectric film having such electric field versus displacement characteristics, a driving voltage having a waveform as shown in FIG. 9A is applied to the piezoelectric thin film. Need to be applied. In the figure, each time (0 ≦ T ≦ T ₅ ) Will be described with reference to FIG. In the figure, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same parts.
[0008]
Time 0 ≦ T ≦ T ₁ Then, the offset voltage V is applied to the piezoelectric thin film element 10. ₀ Is applied, and the diaphragm 30 is in a standby state for ink ejection at a position displaced by a minute distance dx ((I) in the figure). Immediately before ink ejection, that is, time T ₁ ≦ T ≦ T ₂ Then, the voltage applied to the piezoelectric thin film element 10 is reduced to 0, and the pressure in the pressurizing chamber is temporarily reduced instantaneously. By this step, the displacement amount of the diaphragm 30 becomes 0, and a meniscus 91 is formed in the vicinity of the nozzle 51 ((II) in the figure). Time T ₂ ≦ T ≦ T ₃ Then, the applied voltage is V _H The ink droplet 92 is ejected (FIG. 3 (III)). Time T ₃ ≦ T ≦ T ₄ Applied voltage V of the piezoelectric thin film element 10 in FIG. _H And the time T ₄ ≦ T ≦ T ₅ Applied voltage at offset voltage V ₀ Return to.
[0009]
Thus, conventionally, there is a problem that the drive waveform of the piezoelectric thin film element becomes complicated and the number of parts of the control circuit increases. In order to further spread the printer, it is necessary to reduce the manufacturing cost, and it is preferable that the number of parts of the control circuit is small. In addition, since the offset voltage is applied during standby for ink ejection, there is a problem that the life of the piezoelectric thin film element is shortened. Furthermore, in the above-described conventional technology, the effect of striking is small.
[0010]
In view of such problems, it is an object of the present invention to provide an ink jet recording head suitable for ink ejection control and a manufacturing method thereof. Another object is to provide a printer using the ink jet recording head. It is another object of the present invention to provide a simple drive control method for a printer.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
An ink jet recording head of the present invention is an ink jet recording head in which a piezoelectric thin film element having a reverse piezoelectric effect is disposed as a drive source for ink ejection on at least one surface of a pressure chamber substrate having a pressure chamber filled with ink. It is a recording head. This piezoelectric thin film element includes a piezoelectric film having a voltage vs. displacement characteristic curve having an extreme point within the driving voltage range of the piezoelectric thin film element, and the piezoelectric film has a voltage vs. displacement characteristic within the driving voltage range. A thin film obtained by laminating a first thin film having a positive value obtained by differentiating a curve with respect to a voltage and a second thin film having a negative value obtained by differentiating a voltage vs. displacement characteristic curve with a voltage within a range of driving voltage. It is characterized by that.
[0012]
Here, the voltage-displacement characteristic curve is a characteristic curve when the voltage applied to the piezoelectric thin film element is taken on the horizontal axis and the displacement of the piezoelectric thin film element is taken on the vertical axis. The displacement of the piezoelectric thin film element is positive in the direction of displacement toward the pressurizing chamber. Since this piezoelectric thin film element has the above characteristics, when the applied voltage is changed within the range of the driving voltage, the piezoelectric thin film element is once displaced in the negative direction and then displaced in the positive direction. Therefore, by using this piezoelectric thin film element as a drive source for ink discharge, a meniscus can be formed in the vicinity of the nozzle immediately before ink discharge, the ink discharge speed is improved, and ink discharge control is facilitated. Moreover, it is preferable that the voltage versus displacement characteristic curve has only one pole within the range of the driving voltage of the piezoelectric thin film element. Strike can be easily realized by simply changing the drive voltage linearly within this voltage range.
[0014]
Preferably, the thickness of the first thin film is made thinner than the thickness of the second thin film. For example, when the thickness of the second thin film is 1.0 μm, the thickness of the first thin film is set to 0.5 μm. These film thicknesses may be appropriately adjusted according to the voltage versus displacement characteristics of the first thin film and the voltage versus displacement characteristics of the second thin film. The first thin film is preferably formed by a hydrothermal method. By crystallizing the piezoelectric film precursor by hydrothermal treatment, the first thin film becomes a thin film having the above voltage versus displacement characteristics. The second thin film is preferably formed by any one of a sol-gel method, a MOD method, a CVD method, and a sputtering method. The second thin film obtained by these film forming methods is a thin film having the above voltage versus displacement characteristics. The first thin film and the second thin film may be piezoelectric films having the same composition or may be piezoelectric films having different compositions. The crystal grain size of the first thin film is preferably in the range of 100 nm to 100 μm.
[0015]
The printer of the present invention includes the ink jet recording head of the present invention and a control circuit for driving the ink jet recording head with a drive signal having a substantially trapezoidal voltage change characteristic. According to the printer of the present invention, the control circuit for driving the ink jet recording head can be realized with a simple circuit configuration.
[0016]
This is a method for manufacturing an ink jet recording head in which a piezoelectric thin film element having a reverse piezoelectric effect is disposed as a drive source for ink ejection on at least one surface of a pressure chamber substrate of a pressure chamber filled with ink. This method includes a step of forming a lower electrode on one surface of a pressurizing chamber substrate, and a piezoelectric film having a voltage vs. displacement characteristic curve on the lower electrode within the range of the driving voltage of the piezoelectric thin film element. A step of forming a piezoelectric film, a step of forming an upper electrode on the piezoelectric film, and a step of forming a pressure chamber that is filled with ink by etching the pressure chamber substrate. Includes a step of forming a first thin film in which a value obtained by differentiating a voltage vs. displacement characteristic curve with voltage within a range of driving voltage is positive, and a value obtained by differentiating the voltage vs. displacement characteristic curve with voltage within a range of driving voltage. And the step of forming the second thin film having a negative value is a step of repeating each one or more times.
[0017]
The step of forming the piezoelectric film is a step of forming the first thin film to be thinner than the second thin film. The step of forming the first thin film is preferably a step of forming a film by a hydrothermal method. The step of forming the second thin film is preferably a step of forming a film by any one of the sol-gel method, the MOD method, the CVD method, and the sputtering method.
[0018]
The printer drive control method of the present invention is a method of driving a printer in which the ink jet recording head of the present invention is disposed on at least one surface of a pressure chamber substrate having a pressure chamber filled with ink. In particular, the printer is driven by a drive signal having a substantially trapezoidal voltage change characteristic. According to the printer drive control method of the present invention, complicated ink discharge control such as striking can be realized by a simple method.
[0019]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0020]
(Inkjet printer structure)
The structure of the ink jet printer will be described with reference to FIG. The ink jet printer 100 includes an ink jet recording head 101, a main body 102, and a tray 103. When the paper 105 is fed, the ink jet recording head 101 reciprocates in the direction of the arrow in the figure, and prints on the paper 105 by ejecting ink droplets from the nozzles based on desired print data. The main body 102 is provided with a tray 103 on the back side and a paper feed mechanism inside thereof. When printing of the paper 105 is completed, the paper 105 is discharged from the front discharge port 104.
[0021]
As will be described later, a piezoelectric thin film element which is a drive source for ink ejection includes a piezoelectric film having a laminated structure. Since a part of the layers constituting the piezoelectric film is formed by a hydrothermal method, the film can be formed at a low temperature. For this reason, in-film residual stress can be reduced and the piezoelectric thin film element can be enlarged. Accordingly, it is possible to cause the ink jet recording head of this embodiment to function as an ink discharge drive source of a line printer.
[0022]
(Inkjet recording head structure)
The structure of the ink jet recording head 101 will be described with reference to FIG. The exploded perspective view of the ink jet recording head 101 shown in the figure is a type in which the ink supply flow path is formed in the pressurizing chamber substrate. As shown in FIG. 1, the ink jet recording head 101 mainly includes a pressurizing chamber substrate 1, a nozzle plate 5, and a base 3.
[0023]
The pressurizing chamber substrate 1 is formed on a silicon single crystal substrate and then separated into each. The pressurizing chamber substrate 1 is provided with a plurality of strip-shaped pressurizing chambers 11 and includes a common channel 13 for supplying ink to all the pressurizing chambers 11. The pressurizing chambers 11 are separated by side walls 12. The pressurizing chambers 11 are arranged in two rows, and 128 are formed per row, thereby realizing an ink jet recording head having a print density of 256 nozzles. A diaphragm film and a piezoelectric thin film element (not shown) are formed on the substrate 3 side of the pressurizing chamber substrate 1. Further, the wiring from each piezoelectric thin film element is converged on the wiring substrate 4 which is a flexible cable, and is connected to an ink ejection control circuit (not shown). The ink discharge control circuit controls ink discharge by the ink jet recording head drive control method according to the present invention (details will be described later).
[0024]
The nozzle plate 5 is joined to the pressurizing chamber substrate 1. A nozzle 51 for extracting ink droplets is formed at a position corresponding to the pressurizing chamber 11 in the nozzle plate 5. The nozzles 51 are formed in two rows at a predetermined arrangement pitch. The interval between the rows is 1/180 inch, and the arrangement pitch of the nozzles 51 is 1/360 inch.
[0025]
The base 3 is a steel body such as plastic or metal and serves as a mounting base for the pressurizing chamber substrate 1.
[0026]
(Structure of piezoelectric thin film element)
The structure of the piezoelectric thin film element will be described with reference to FIG. The piezoelectric thin film element 10 includes an upper electrode 60 and a piezoelectric film 50 sandwiched between the lower electrode 40. The upper electrode 60 and the lower electrode 40 are made of a conductive material selected from platinum, iridium, iridium oxide, gold, aluminum, nickel, and the like.
[0027]
A piezoelectric ceramic having piezoelectric characteristics is used as the composition of the piezoelectric film 50. For example, a PZT piezoelectric material or a material obtained by adding a metal oxide such as niobium oxide, nickel oxide or magnesium oxide to this system is suitable. The composition of the piezoelectric film 50 is appropriately selected in consideration of the characteristics, application, etc. of the piezoelectric thin film element. Specifically, lead titanate (PbTiO ₃ ), Lead zirconate titanate (Pb (Zr, Ti) O) ₃ ), Lead zirconate (PbZrO) ₃ ), Lead lanthanum titanate ((Pb, La), TiO) ₃ ), Lead lanthanum zirconate titanate ((Pb, La) (Zr, Ti) O) ₃ ) Or lead zirconium titanate magnesium niobate (Pb (Zr, Ti) (Mg, Nb) O) ₃ ) Etc. can be used.
[0028]
As shown in FIG. 3, the piezoelectric film 50 has a laminated structure of a lower layer 50A and an upper layer 50B. The lower layer 50A is a thin film formed using a hydrothermal method, and the upper layer 50B is a thin film formed using a manufacturing method other than a hydrothermal method such as a sol-gel method, a MOD method, a sputtering method, or a CVD method. Due to the difference in the manufacturing method of the thin film, the lower layer 50A and the upper layer 50B may be referred to as a voltage-displacement characteristic (hereinafter referred to as “V-δ characteristic” in the present specification) within the driving voltage range of the piezoelectric thin film element 10. .) Becomes a different thin film.
[0029]
Here, the V-δ characteristic of the lower layer 50A will be described with reference to FIG. In the figure, the displacement δ [nm] on the vertical axis represents the displacement of the lower layer 50A, and the direction in which the lower layer 50A is displaced toward the pressurizing chamber is the positive direction. The voltage V [Volt] on the horizontal axis is a voltage applied to the lower layer 50A. The composition of the piezoelectric film (lower layer 50A) used for the measurement is Pb (Zr _0.5 Ti _0.5 ) O ₃ And the thickness is 500 nm. Piezoelectric constant d ₃₁ Is 120 pC / N and the dielectric constant is 1000. As is clear from this figure, the displacement amount δ of the lower layer 50A monotonously increases with respect to the applied voltage V. That is, when the applied voltage is applied from 0 to the positive direction, the lower layer 50A is displaced in the direction of pressurizing the pressurizing chamber, and when the applied voltage is applied from 0 to the negative direction, the lower layer 50A is depressurized from the pressurizing chamber. Displace to
[0030]
On the other hand, the electric field versus displacement characteristic of the upper layer 50B formed by a manufacturing method other than the hydrothermal method, for example, the sol-gel method is as shown in FIG. As described above, the displacement amount δ depends on the absolute value of the electric field E, and the displacement direction is independent of the direction of the electric field E. Since the electric field is proportional to the voltage, the V-δ characteristic curve of the upper layer 50B is similar to the electric field versus displacement characteristic curve of FIG. Thus, it can be seen that the upper layer 50B and the lower layer 50A are piezoelectric films having different V-δ characteristics within the drive voltage range of the piezoelectric thin film element 10.
[0031]
The V-δ characteristics of the piezoelectric film 50 composed of two types of thin films having different V-δ characteristics will be described with reference to FIG. In the figure, the curve indicated by reference numeral 501 indicates the V-δ curve of the lower layer 50A, and the curve indicated by reference numeral 502 indicates the V-δ curve of the upper layer 50B. Further, the drive voltage of the piezoelectric film 50 is set to −V _Q ≦ V ≦ 0 is set. Since the piezoelectric film 50 is composed of the lower layer 50 </ b> A and the upper layer 50 </ b> B, the V-δ curve of the piezoelectric film 50 is a combination of both curves and is denoted by reference numeral 503. As shown in the figure, the V-δ curve 503 of the piezoelectric film 50 shows a predetermined voltage −V shown by the following equation (1) when the applied voltage V is applied in the negative direction from 0. _P Until then, δ monotonously decreases. The amount of displacement at this time is d ₁ (Δ = −d ₁ ).
[0032]
―V _P ≦ V ≦ 0 (1)
Furthermore, as shown in the following equation (2), the applied voltage is −V _P When applied in the negative direction, δ increases monotonously. Here, in the figure, -V _Q Is the maximum value of the negative applied voltage, where δ = d ₂ Is the maximum displacement in the pressure chamber direction.
[0033]
―V _Q ≦ V ≦ −V _P ... (2)
That is, in the range represented by the expression (1), the action of displacing the lower layer 50A in the negative direction is stronger than the action of displacing the upper layer 50B in the positive direction, so that the entire piezoelectric film 50 is displaced in the negative direction. . On the other hand, in the range indicated by the expression (2), the action of the upper layer 50B being displaced in the positive direction is stronger than the action of the lower layer 50A being displaced in the negative direction, so that the entire piezoelectric film 50 is displaced in the positive direction. . In order for the piezoelectric film 50 to have such a V-δ characteristic, the lower layer 50A is preferably thinner than the upper layer 50B. That is, the piezoelectric thin film element 10 is driven by the drive voltage (−V _Q In the range of ≦ V ≦ 0, the extreme point (−V _P , -D ₁ ) Must satisfy the following conditions.
[0034]
For example, the film thickness of the lower layer 50A is d _A , The voltage vs. displacement characteristic curve per unit thickness f _A (V), the thickness of the upper layer 50B is d _B , The voltage vs. displacement characteristic curve per unit thickness f _B Assuming (V), the voltage vs. displacement characteristic curve f (V) of the piezoelectric film 50 is
f (V) = d _A f _A (V) + d _B f _B (V)
It can be expressed as Therefore, -V _Q D so that there is V where the differential value of f (V) is 0 within the voltage range of ≦ V ≦ 0. _A And d _B Can be determined. Specifically, the thickness of the upper layer 50B is 1.0 μm while the thickness of the lower layer 50A is 0.5 μm. -V under this condition _P Is -8V, -V _Q Is -25V, d ₁ Is 40 nm, d ₂ Obtained a measurement result of 240 nm.
[0035]
(Driving principle of ink jet recording head)
The driving principle of the ink jet recording head 101 will be described with reference to FIG. This figure shows the electrical connection in the main part of the ink jet recording head. One electrode of the drive voltage source 8 is connected to the lower electrode 40 of the ink jet recording head via the wiring 81. The other electrode of the drive voltage source 8 is connected to the upper electrode 60 corresponding to each pressurizing chamber 11a to 11c via the wiring 82 and the switches 83a to 83c.
[0036]
In this figure, only the switch 83b of the pressurizing chamber 11b is closed, and the other switches 83a and 83c are opened. The pressurizing chambers 11a and 11c in which the switches 83a and 83c are opened indicate a standby state for ink ejection. At the time of ink ejection, for example, the switch is closed like the switch 83 b and a voltage is applied to the piezoelectric film 50. This voltage is applied in the same polarity as the polarization direction of the piezoelectric film 50 indicated by the arrow A, in other words, in the same manner as the polarity of the applied voltage during polarization. The piezoelectric film 50 expands in the thickness direction and contracts in the direction perpendicular to the thickness direction. This contraction causes a stress to act on the interface between the piezoelectric film 50 and the diaphragm 30, and the piezoelectric film 50 and the diaphragm 30 bend downward. Due to this deflection, the volume of the pressurizing chamber 11 b decreases, and the ink droplet 92 is ejected from the nozzle 51. Thereafter, when the switch 83b is opened again, the bent piezoelectric film 50 and the diaphragm 30 are restored, and the volume of the pressurizing chamber 11b expands, so that ink is supplied from the ink supply path (not shown) to the pressurizing chamber 11b. Filled.
[0037]
(Inkjet recording head drive control method)
A drive control method when the piezoelectric thin film element 10 including the piezoelectric film 50 having the V-δ characteristic shown in FIG. 5 is used as an ink discharge drive source of the ink jet recording head 101 is shown in FIGS. The description will be given with reference. Here, FIG. 9B shows a driving waveform of the ink jet recording head. FIG. 6 is a state diagram of the ink jet recording head at each time when ink is ejected.
[0038]
Time 0 ≦ T ≦ T ₁ Then, the applied voltage V is 0, and the ink jet recording head 101 is in a standby state for ink ejection (FIG. 6I). Time T ₁ ≦ T ≦ T ₂ Then, the applied voltage V is -V _P It is applied in the negative direction in the range of ≦ V ≦ 0. At this time, the piezoelectric thin film element 10 is displaced in the negative direction (the direction in which the pressure chamber is depressurized), and the applied voltage V is −V. _P When d ₁ It is displaced only by (Fig. 6 (II)). In this state, a meniscus 91 is formed in the vicinity of the nozzle 51. Time T ₂ ≦ T ≦ T ₃ Then the applied voltage V is -V _Q ≦ V ≦ −V _P Is applied in the negative direction. At this time, the piezoelectric thin film element 10 is displaced in the positive direction (direction in which the pressurizing chamber is pressurized), and the applied voltage V is −V. _Q When d ₂ It is displaced only by (Fig. 6 (III)). In this state, ink droplets 92 are ejected. Time T ₃ ≦ T ≦ T ₄ Then the applied voltage V is -V _Q Is held temporarily at time T ₄ ≦ T ≦ T ₅ Then the applied voltage V is -V _Q From 0 to 0 gradually in the positive direction. At this time, the displacement of the piezoelectric thin film element 10 is d ₂ Gradually return from 0 to 0. Time T ₅ When ≦ T, the ink jet recording head 101 is again in a standby state for ink ejection (FIG. 6I).
[0039]
As described above, according to the piezoelectric thin film element of the present embodiment, it is possible to realize striking only by applying a simple trapezoidal wave, so that it is not necessary to perform complicated drive control as in the prior art.
[0040]
In addition, in order to realize the hammering efficiently, (T ₃ -T ₁ ) ≦ (T ₅ -T ₄ ) And at the time of ink ejection (time T ₁ ≦ T ≦ T ₃ It is effective to increase the voltage change of For example, when the vibration frequency of the piezoelectric thin film element 10 is 14.4 kHz, the time required to eject one ink drop, that is, T ₅ -T ₁ Is 69.4 μs, so T ₃ -T ₁ Is 10 μs and T ₅ -T ₄ It is effective to set 29.4 μs.
[0041]
(Inkjet recording head manufacturing process)
The manufacturing process of the ink jet recording head will be described with reference to FIG.
[0042]
Formation process of diaphragm and lower electrode (Fig. 8 (A))
This step is a step of forming an insulating film 30 and a lower electrode film 40 that serve as a vibration plate on the substrate 20. As the substrate 20, for example, a silicon single crystal substrate having a diameter of 100 mm and a thickness of 220 μm is used. The insulating film 30 is formed, for example, by flowing it in a furnace at 1100 ° C. and thermally oxidizing it for about 22 hours to form a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm. Alternatively, a thermal oxide film having a thickness of about 1 μm may be formed by flowing oxygen containing water vapor in a furnace at 1100 ° C. and performing thermal oxidation for about 5 hours. In addition, a film forming method such as a CVD method may be selected as appropriate.
[0043]
The insulating film 30 electrically insulates between the substrate 20 and the lower electrode 40 and also serves as a protective layer against the etching process. The insulating film 30 is not limited to a silicon dioxide film, but may be a zirconium oxide film, a tantalum oxide film, a silicon nitride film, or an aluminum oxide film. Further, the diaphragm itself is eliminated and the lower electrode described later also serves as a diaphragm Also good. On the surface of the insulating film 30 on the side where the piezoelectric thin film element is to be formed, platinum serving as the lower electrode 40 is formed to a thickness of 0.5 μm, for example, by a thin film forming method such as a sputtering film forming method. In this case, in order to increase the adhesion between the insulating film 30 and the lower electrode 40, ultrathin titanium, chromium, or the like may be interposed as an intermediate layer.
[0044]
Piezoelectric film (lower layer) formation process ((B) in the figure)
This step is a step of forming a piezoelectric film (lower layer 50A) on the lower electrode 40 by a hydrothermal method. First, a sol as a raw material for the piezoelectric film is prepared. Lead acetate trihydrate, titanium tetraisopropoxide, and tetra-n-propoxyzirconium are mixed in a solvent containing 2-n-butoxyethanol as a main solvent and iminodiethanol added, and stirred at room temperature for 20 minutes. Then, it is naturally cooled until it reaches room temperature. In this step, a sol is obtained. This sol is spin-coated on the lower electrode 40 to a thickness of 125 nm. In order to make the sol film uniform, spin coating is first performed at 500 rpm for 30 seconds, then at 1500 rpm for 30 seconds, and finally at 500 rpm for 10 seconds. At this stage, each metal atom constituting the piezoelectric film is dispersed as an organometallic complex. After applying the sol to the lower electrode, for example, it is dried at 180 ° C. for 10 minutes. Next, degreasing is performed, for example, at 350 ° C. for 60 minutes in an air atmosphere. The organic matter coordinated to the metal by degreasing dissociates from the metal, causes an oxidative combustion reaction, and diffuses into the atmosphere. The sol coating / drying / degreasing process is repeated four times to obtain a 0.5 μm piezoelectric film precursor.
[0045]
Next, the piezoelectric film precursor is hydrothermally treated. First, potassium hydroxide aqueous solution (KOH), barium hydroxide aqueous solution (Ba (OH) ₂ ) Or mixed aqueous solution of potassium hydroxide and lead hydroxide (KOH + Pb (OH) ₂ ) Is prepared as the treatment liquid 201. The concentration is about 0.5 mol / l. The treatment liquid 201 is filled in the water tank 200. The piezoelectric film precursor obtained in the above process is immersed in the water tank 200 together with the substrate 20 to promote crystallization in an autoclave. The temperature of the hydrothermal treatment at this time is set in the range of 100 ° C to 200 ° C. This is because the crystallization is not promoted at a temperature lower than this range, and the piezoelectric film precursor and the substrate 20 are etched at a temperature higher than this range. Processing pressure is 2kg / cm ² 10kg / cm above ² A good quality crystal can be obtained by setting the following. The processing time is in the range of 10 minutes to 60 minutes. This is because a sufficient crystal cannot be obtained in less than 10 minutes, and inconvenient etching of the piezoelectric film precursor and the substrate 20 occurs in about 60 minutes or more. A piezoelectric film (lower layer 50A) is formed through the above steps. The average crystal grain of this piezoelectric film is in the range of 100 nm to 1 μm and has excellent surface flatness.
[0046]
The step of forming the piezoelectric film precursor on the lower electrode 40 can be formed by sputtering, laser ablation, CVD, etc., in addition to the above method (sol / gel method).
[0047]
The V-δ characteristic of the lower layer 50A obtained in this step is as shown in FIG. This is because the direction of the synthetic dipole in the crystal becomes one direction by forming the piezoelectric film (lower layer 50A) by the hydrothermal method described above. The direction of the synthetic dipole is the direction in which the piezoelectric longitudinal effect is obtained.
[0048]
Piezoelectric film (upper layer) formation process ((C) in the figure)
This step is a step of forming the upper layer 50B on the lower layer 50A. In the present embodiment, the case where the upper layer 50B is formed by a sol-gel method will be described. The sol obtained in the above process is applied on the lower layer 50A in 10 times so that the final thickness is 1.0 μm, dried, degreased to form a piezoelectric film precursor. To do. The coating process may be performed by a conventional technique such as spin coating, dip coating, roll coating, or bar coating. What is necessary is just to perform a drying process by heating to the temperature of natural drying or 200 degrees C or less. The degreasing step is performed by gelling the sol composition film and heating it at a temperature sufficient for removing organic substances from the film for a sufficient time. In this step, a porous gel thin film made of an amorphous metal oxide substantially free of residual organic matter is obtained. In this case, in order to crystallize the piezoelectric film precursor, the entire substrate is subjected to rapid thermal annealing (RTA) after the fifth and tenth degreasing. In this step, an infrared radiation light source (not shown) is used to hold the substrate from both sides in an oxygen atmosphere at 650 ° C. for 5 minutes, and then heated at 800 ° C. for 1 minute, and then naturally cooled. In this step, the piezoelectric film precursor is crystallized and sintered to become a piezoelectric film (upper layer 50B) having a perovskite crystal structure.
[0049]
The V-δ characteristic of the upper layer 50B obtained in this step is as shown in FIG. In addition, by this step, a piezoelectric film 50 having a thickness of 1.5 μm, which is composed of the lower layer 50A and the upper layer 50B, is obtained. The V-δ characteristic of the piezoelectric film 50 is as shown in FIG.
[0050]
Upper electrode formation process (Fig. (D))
This step is a step of forming the upper electrode 60 on the piezoelectric film 50. An upper electrode 60 is formed on the piezoelectric film 50 using a technique such as an electron beam evaporation method or a sputtering method. Platinum is used as the material of the upper electrode. The film thickness is about 100 nm. Further, not limited to platinum, iridium, an alloy of platinum and iridium, iridium oxide, aluminum, or the like may be used.
[0051]
Etching process (Fig. (E))
This step is a step of forming the piezoelectric thin film element 10 by etching the laminated structure formed on the insulating film 30 and separating it into predetermined regions. After forming each layer in the above-described process, the laminated structure on the insulating film 30 is masked so as to match the shape of each cavity, the periphery is etched, and the upper electrode 60, the piezoelectric body 50, and the lower electrode 40 are removed. remove. In the etching step, a resist having a uniform thickness is applied using a spinner method, a spray method, or the like, and exposed and developed to form the resist on the upper electrode 60. By applying ion milling or dry etching, which is usually used, an unnecessary layer structure portion is removed. By this step, the piezoelectric thin film element 10 is formed corresponding to the position of the pressurizing chamber to be formed in the next step.
[0052]
Pressurization chamber formation and nozzle plate joining process (Fig. (F))
This step is a step in which the pressurizing chamber 11 is formed on the substrate 20 and the nozzle plate 5 is joined. For example, the space in which the pressurizing chamber 11 is formed is etched using anisotropic etching using an active gas such as anisotropic etching or parallel plate type reactive ion etching. The portion of the substrate left without being etched becomes the side wall 12. The nozzle plate 5 is bonded to the substrate 20 after etching using a resin or the like. At this time, alignment is performed so that each nozzle 51 is arranged corresponding to each space of the pressurizing chamber 11. When the substrate 20 to which the pressurizing chamber 11 is bonded is attached to the base 3, the ink jet recording head 101 is completed.
[0053]
In the case where the nozzle plate 5 and the substrate 20 are integrally formed by etching, the nozzle plate 5 joining step is not necessary.
[0054]
(Modified example of piezoelectric thin film element)
A modification of the piezoelectric thin film element 10 will be described. In the above example, the piezoelectric film 50 is a two-layer structure including a piezoelectric film (lower layer 50A) formed by a hydrothermal method and a piezoelectric film (upper layer 50B) formed by a film forming method other than the hydrothermal method. However, a multilayer structure as shown in FIG. That is, a multilayer structure in which the piezoelectric films 50C and 50E formed by the hydrothermal method are sandwiched between the piezoelectric films 50D and 50F formed by a film forming method other than the hydrothermal method. However, the number of layers is not limited to four, and may be appropriately set to an appropriate number of layers in consideration of V-δ characteristics, such as five layers and six layers. The total film thickness of the piezoelectric films formed by the hydrothermal method is preferably smaller than the total film thickness of the piezoelectric films formed by a film forming method other than the hydrothermal method.
[0055]
The piezoelectric film (lower layer 50A) can also be formed by a hydrothermal method different from the hydrothermal method described. For example, in FIG. 8A, a substrate 20 on which titanium is formed as the lower electrode 40 is placed in an aqueous solution containing 5 mol / l sodium hydroxide (KOH) as a mineralizer, and lead nitrate (Pb (NO ₃ ) ₂ ) 0.5 mol / l, chlorinated zirconium oxide octahydrate (ZrOCl) ₂ ・ 8H ₂ O) 0.8 mol / l, titanium chloride (TiCl ₄ 4 mol / l is dissolved, and hydrothermal treatment is performed in this solution for 30 hours in an environment at a temperature of 150 ° C. In this film forming method, a film thickness of 400 nm and a composition of Pb (Zr) are formed on the substrate 20. _0.5 Ti _0.5 ) O ₃ As a result, a piezoelectric film 50A was obtained.
[0056]
(Function)
As described above, according to the present embodiment, the piezoelectric film is formed by laminating thin films having different signs of differential values with respect to the voltage of the V-δ characteristic curve within the range of the drive voltage. An ink jet recording head including a piezoelectric thin film element having V-δ characteristics excellent in control can be provided. The thin films having different signs of the differential value with respect to the voltage of the V-δ characteristic curve are, for example, a piezoelectric film formed by a hydrothermal method (the differential value is positive) and a film forming method other than the hydrothermal method. This is a formed piezoelectric film (the differential value is negative). By applying this piezoelectric thin film element to an ink jet recording head, ink ejection control is facilitated. In other words, it is possible to realize the pull-in with a simple trapezoidal waveform applied voltage, and it is not necessary to drive the ink jet recording head with a complicated drive waveform as in the prior art, so that the control circuit can be configured simply. In order to realize a complicated drive waveform, many transistors and the like are required. However, since this is not necessary, power consumption can be reduced and manufacturing cost can be reduced. In addition, since it is not necessary to apply an offset voltage during ink discharge standby as in the prior art, it is possible to prevent aging deterioration of the piezoelectric thin film element.
[0057]
Further, since a part of the piezoelectric film having a laminated structure is formed by a hydrothermal method, the film can be formed at a low temperature. For this reason, in-film residual stress can be reduced and the piezoelectric thin film element can be enlarged. Accordingly, it is possible to cause the ink jet recording head of this embodiment to function as an ink discharge drive source of a line printer.
[0058]
【The invention's effect】
According to the ink jet recording head of the present invention, since a piezoelectric thin film element having a voltage-displacement characteristic suitable for ink ejection control is used as an ink ejection drive source, ink ejection control is facilitated.
[0059]
According to the ink jet recording head manufacturing method of the present invention, an ink jet recording head suitable for ink ejection control can be manufactured.
[0060]
According to the printer of the present invention, since an ink jet recording head suitable for ink ejection control is provided, a drive circuit for the ink jet recording head can be easily configured.
[0061]
According to the drive control method for a printer of the present invention, complicated drive control of a piezoelectric thin film element can be performed with a simple drive waveform.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an overall perspective view of an ink jet printer according to an embodiment.
FIG. 2 is an exploded perspective view of the ink jet recording head of the present embodiment.
FIG. 3 is a cross-sectional view illustrating the structure of a piezoelectric thin film element of the present embodiment.
4A is a graph of an electric field versus displacement characteristic curve of a thin film constituting the piezoelectric film of the present embodiment, and FIG. 4B is a graph of a voltage versus displacement characteristic curve.
FIG. 5 is a graph of a voltage versus displacement characteristic curve of the piezoelectric film of the present embodiment.
FIG. 6 is a state diagram at the time of ink discharge of the ink jet recording head of the present embodiment.
FIG. 7 is a diagram illustrating an operation principle of the ink jet recording head according to the present embodiment.
FIG. 8 is a cross-sectional view of a manufacturing process of ink jet recording according to the present embodiment.
9A is a driving waveform of a conventional ink jet recording head, and FIG. 9B is a driving waveform of the ink jet recording head of the present embodiment.
FIG. 10 is a state diagram at the time of ink ejection of a conventional ink jet recording head.
[Explanation of symbols]
100 Inkjet printer
101 Inkjet recording head
102 body
103 trays
104 Paper exit
105 paper
1 Pressurization chamber substrate
11 Pressurization chamber
12 Side wall
13 Common flow path
3 Base
4 Wiring board
5 Nozzle plate
51 nozzles
10 Piezoelectric thin film element
20 substrates
30 Diaphragm (insulating film) "
40 Lower electrode
50 Piezoelectric film
50A lower layer
50B upper layer
60 Upper electrode

Claims

In an ink jet recording head in which a piezoelectric thin film element having a reverse piezoelectric effect is disposed as a drive source for ink ejection on at least one surface of a pressure chamber substrate including a pressure chamber filled with ink.
The piezoelectric thin film element includes a piezoelectric film having an extreme point in a voltage vs. displacement characteristic curve within a driving voltage range of the piezoelectric thin film element,
The piezoelectric film includes a first thin film having a positive value obtained by differentiating a voltage-displacement characteristic curve with a voltage within a range of the drive voltage, and a voltage-displacement characteristic curve with a voltage within a range of the drive voltage. An ink jet recording head, comprising a thin film obtained by laminating a second thin film having a negative value.

2. The ink jet recording head according to claim 1, wherein the thickness of the first thin film is thinner than the thickness of the second thin film.

The ink jet recording head according to claim 1, wherein the first thin film is a film formed by a hydrothermal method.

The second thin film according to any one of claims 1 to 3, wherein the second thin film is a film formed by any one of a sol-gel method, a MOD method, a CVD method, and a sputtering method. The ink jet recording head described.

5. The ink jet recording head according to claim 1, wherein a crystal grain size of the first thin film is in a range of 100 nm to 100 μm.

A printer comprising: the ink jet recording head according to any one of claims 1 to 5; and a control circuit that drives the ink jet recording head with a drive signal having a substantially trapezoidal voltage change characteristic.

In a method of manufacturing an ink jet recording head, a piezoelectric thin film element having a reverse piezoelectric effect is disposed as a drive source for ink ejection on at least one surface of a pressure chamber substrate of a pressure chamber filled with ink.
Forming a lower electrode on one surface of the pressurizing chamber substrate;
Forming, on the lower electrode, a piezoelectric film having a voltage-displacement characteristic curve having an extreme point within a driving voltage range of the piezoelectric thin film element;
Forming an upper electrode on the piezoelectric film;
Etching the pressurization chamber substrate to form the pressurization chamber filled with ink;
With
The step of forming the piezoelectric film includes a step of forming a first thin film having a positive value obtained by differentiating a voltage vs. displacement characteristic curve with a voltage within the range of the driving voltage, and a voltage within the range of the driving voltage. A method of manufacturing an ink jet recording head, wherein the step of forming a second thin film having a negative value obtained by differentiating a displacement characteristic curve with a voltage is a step of repeating at least once.

The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 7, wherein the step of forming the piezoelectric film is a step of forming the first thin film to be thinner than the second thin film.

9. The method of manufacturing an ink jet recording head according to claim 7, wherein the step of forming the first thin film is a step of forming a film by a hydrothermal method.

The step of forming the second thin film is a step of forming a film by any one of a sol-gel method, a MOD method, a CVD method, and a sputtering method. A method for producing an ink jet recording head according to claim 1.

6. A method of driving a printer in which the ink jet recording head according to claim 1 is disposed on at least one surface of a pressure chamber substrate including a pressure chamber filled with ink. A printer drive control method for driving the ink jet recording head with a substantially trapezoidal drive voltage.