JP4374551B2

JP4374551B2 - Liquid discharge head, liquid discharge apparatus, and liquid discharge head driving method

Info

Publication number: JP4374551B2
Application number: JP2006124896A
Authority: JP
Inventors: マキ伊藤; 正己村井; 士郎矢崎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2001-09-11
Filing date: 2006-04-28
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2022-09-11
Also published as: JP2006231928A

Description

本発明は、圧電体素子に印加する電圧制御によりインクなどの液体を吐出する液体吐出装置に係り、特に、印刷動作時に各圧電体素子の圧電特性を最大限に発揮しうるような波形を印加するプリンタなどの液体吐出装置に関する。また、かかる波形を印加する液体吐出ヘッドの駆動方法に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting apparatus that ejects a liquid such as ink by controlling voltage applied to a piezoelectric element, and in particular, applies a waveform that can maximize the piezoelectric characteristics of each piezoelectric element during a printing operation. The present invention relates to a liquid ejection apparatus such as a printer. The present invention also relates to a method for driving a liquid discharge head that applies such a waveform.

インクジェット式記録ヘッドは、圧電体素子や発熱素子によりインク圧力を発生させる圧力室と、圧力室にインクを供給するインク室と、圧力室からのインクを吐出するノズルとを備えている。そして、印字信号に対応する上記素子に駆動信号を印加して圧力を発生させ、インク滴をノズルから記録媒体に飛翔させる。特に圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドは、熱を使わないのでインクの劣化が生じにくく、目詰まりしにくいなどの長所を有している。
この圧電体素子を用いたインクジェット式記録ヘッドにおいて、圧電体膜によるインクの吐出特性を向上させるため、圧電体膜の組成や結晶配向性などを特定のものにして良好な特性を得る努力が行なわれている。例えば、本発明者らは、１００面配向度が７０％以上のＰＺＴが良好な特性を示すという知見を得ている。 The ink jet recording head includes a pressure chamber that generates ink pressure by a piezoelectric element or a heating element, an ink chamber that supplies ink to the pressure chamber, and a nozzle that discharges ink from the pressure chamber. Then, a drive signal is applied to the element corresponding to the print signal to generate a pressure, and the ink droplet is ejected from the nozzle to the recording medium. In particular, an ink jet recording head using a piezoelectric element has advantages such that ink is hardly deteriorated and clogging is difficult because heat is not used.
In order to improve the ink ejection characteristics of the piezoelectric film in the ink jet recording head using this piezoelectric element, efforts are made to obtain good characteristics by specifying the composition and crystal orientation of the piezoelectric film. It is. For example, the present inventors have obtained the knowledge that PZT having a degree of orientation on the 100 plane of 70% or higher exhibits good characteristics.

しかしながら、特定の結晶配向性などを有する圧電体膜を製造することは必ずしも容易ではない。また、結晶配向性などを特定のものに限ってしまうと、材料選択の自由度が狭められる。従って、例えば１００面配向度が７０％未満のＰＺＴでも、目的とする良好な特性を得ることができるならば、その効果は極めて大きい。
そこで、本発明は、目的とする良好な特性を得ることができ、かつ材料選択の幅を広げることができるような液体吐出装置を提供することを目的とする。 However, it is not always easy to manufacture a piezoelectric film having specific crystal orientation. Further, if the crystal orientation is limited to a specific one, the degree of freedom in material selection is narrowed. Therefore, for example, even if PZT having a degree of orientation in the 100 plane of less than 70% can achieve the desired good characteristics, the effect is extremely large.
In view of the above, an object of the present invention is to provide a liquid ejection apparatus capable of obtaining desired good characteristics and expanding the range of material selection.

本発明による液体吐出ヘッドは、圧電体と、前記圧電体に電圧を印加する電極と、を有する圧電体素子を備え、前記圧電体素子への駆動波形の印加により圧力室に圧力変化を生じさせて液体を吐出する液体吐出ヘッドであって、前記駆動波形は、前記駆動波形中の最高電位を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性となる電圧を印加しメニスカスをノズル内に引き込む逆電位期と、を含み、前記逆電位期の前記圧電体における電界強度の絶対値は、前記圧電体の抗電界より大きく、前記逆電位期に電圧を印加する時間は、前記逆電位期において前記圧電体が歪む方向が反転しない時間である、ことを特徴とする。
これにより、圧電体の特性をよりよく発揮させることができる。 A liquid discharge head according to the present invention includes a piezoelectric element having a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body, and causes a pressure change in a pressure chamber by applying a driving waveform to the piezoelectric element. A liquid discharge head that discharges liquid, wherein the drive waveform includes a high potential period in which the highest potential in the drive waveform is applied, and a meniscus is applied by applying a voltage whose potential is opposite to that in the high potential period. A reverse potential period drawn into the nozzle, and the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body in the reverse potential period is larger than the coercive electric field of the piezoelectric body, and the time for applying the voltage in the reverse potential period is In the reverse potential period, it is a time during which the direction in which the piezoelectric body is distorted does not reverse.
Thereby, the characteristics of the piezoelectric body can be exhibited better.

上記液体吐出ヘッドにおいて、前記逆電位期に電圧を印加する時間は、２μ秒以下であることが好ましい。
また、前記逆電位期における電位の絶対値は、前記高電位期における電位の絶対値以下であることが好ましい。
また、前記駆動波形は印刷動作中に印加されることが好ましい。
また、本発明は、上記液体吐出ヘッドを備えた液体吐出装置を含む。 In the liquid discharge head, it is preferable that the time during which the voltage is applied in the reverse potential period is 2 μsec or less.
The absolute value of the potential in the reverse potential period is preferably equal to or less than the absolute value of the potential in the high potential period .
Also, the drive waveform is preferably applied during the printing operation.
The present invention also includes a liquid discharge apparatus including the liquid discharge head.

本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法は、圧電体と、前記圧電体に電圧を印加する電極と、を有する圧電体素子を備え、前記圧電体素子への駆動波形の印加により圧力室に圧力変化を生じさせて液体を吐出する液体吐出ヘッドの駆動方法であって、前記駆動波形は、前記駆動波形中の最高電位を印加する高電位期と、前記高電位期とは電位が逆極性となる電圧を印加しメニスカスをノズル内に引き込む逆電位期と、を含み、前記逆電位期の前記圧電体における電界強度の絶対値は、前記圧電体の抗電界より大きく、前記逆電位期に電圧を印加する時間は、前記逆電位期において前記圧電体が歪む方向が反転しない時間であることを特徴とする。 The liquid ejection head driving method of the present invention comprises a piezoelectric element having a piezoelectric body and an electrode for applying a voltage to the piezoelectric body, and the pressure change in the pressure chamber by applying the driving waveform to the piezoelectric element. The liquid discharge head driving method for discharging the liquid by causing the liquid to discharge, wherein the drive waveform has a high potential period in which the highest potential in the drive waveform is applied and the high potential period has a reverse polarity. A reverse potential period in which a voltage is applied and the meniscus is drawn into the nozzle, and the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body in the reverse potential period is greater than the coercive electric field of the piezoelectric body, and the voltage is applied in the reverse potential period. The application time is a time during which the direction in which the piezoelectric body is distorted does not reverse during the reverse potential period.

本発明の液体吐出装置および駆動方法によれば、目的とする良好な特性を得ることができ、かつ材料選択の幅を広げることができるような液体吐出装置及び駆動方法を提供することができる。 According to the liquid ejecting apparatus and the driving method of the present invention, it is possible to provide a liquid ejecting apparatus and a driving method capable of obtaining desired good characteristics and expanding the range of material selection.

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。
＜１．インクジェットプリンタの全体構成＞
図１は、本発明の実施形態による液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。このプリンタには、本体２に、トレイ３、排出口４および操作ボタン９が設けられている。さらに本体２の内部には、液体吐出ヘッドであるインクジェット式記録ヘッド１、給紙機構６、制御回路８が備えられている。
インクジェット式記録ヘッド１は、後述の圧電体素子を備えている。インクジェット式記録ヘッド１は、制御回路８から供給される吐出信号に対応して、ノズルからインクなどの液体を吐出可能に構成されている。
本体２は、プリンタの筐体であって、用紙５をトレイ３から供給可能な位置に給紙機構６を配置し、用紙５に印字可能なようにインクジェット式記録ヘッド１を配置している。トレイ３は、印字前の用紙５を給紙機構６に供給可能に構成され、排出口４は、印刷が終了した用紙５を排出する出口である。
給紙機構６は、モータ６００、ローラ６０１・６０２、その他の図示しない機械構造を備えている。モータ６００は、制御回路８から供給される駆動信号に対応して回転可能になっている。機械構造は、モータ６００の回転力をローラ６０１・６０２に伝達可能に構成されている。ローラ６０１および６０２は、モータ６００の回転力が伝達されると回転するようになっており、回転によりトレイ３に載置された用紙５を引き込み、ヘッド１によって印刷可能に供給するようになっている。
制御回路８は、図示しないＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、インターフェース回路などを備え、図示しないコネクタを介してコンピュータから供給される印字情報に対応させて、駆動信号を給紙機構６に供給したり、吐出信号をインクジェット式記録ヘッド１に供給したりできるようになっている。また、制御回路８は操作パネル９からの操作信号に対応させて動作モードの設定、リセット処理などが行えるようになっている。
以下に示す本発明の実施の形態において、「高電位期」とは、駆動波形中の最高電位を維持する期間を指す。また、「逆電位期」とは駆動波形中において、高電位期とは逆極性となる０Ｖ未満の負の電位を維持する期間を指す。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<1. Overall configuration of inkjet printer>
FIG. 1 is a perspective view illustrating the structure of a printer that is a liquid ejection apparatus according to an embodiment of the present invention. In this printer, a main body 2 is provided with a tray 3, a discharge port 4, and operation buttons 9. Further, an ink jet recording head 1 that is a liquid discharge head, a paper feed mechanism 6, and a control circuit 8 are provided inside the main body 2.
The ink jet recording head 1 includes a piezoelectric element described later. The ink jet recording head 1 is configured to be able to eject a liquid such as ink from a nozzle in response to an ejection signal supplied from the control circuit 8.
The main body 2 is a housing of the printer. The paper feed mechanism 6 is disposed at a position where the paper 5 can be supplied from the tray 3, and the ink jet recording head 1 is disposed so as to print on the paper 5. The tray 3 is configured to be able to supply the paper 5 before printing to the paper feeding mechanism 6, and the discharge port 4 is an outlet for discharging the paper 5 that has been printed.
The paper feed mechanism 6 includes a motor 600, rollers 601 and 602, and other mechanical structures (not shown). The motor 600 is rotatable in response to the drive signal supplied from the control circuit 8. The mechanical structure is configured so that the rotational force of the motor 600 can be transmitted to the rollers 601 and 602. The rollers 601 and 602 are rotated when the rotational force of the motor 600 is transmitted, and the paper 5 placed on the tray 3 is drawn by the rotation, and is supplied by the head 1 so as to be printable. Yes.
The control circuit 8 includes a CPU, a ROM, a RAM, an interface circuit, etc. (not shown), and supplies drive signals to the paper feed mechanism 6 and discharges in correspondence with print information supplied from a computer via a connector (not shown). A signal can be supplied to the ink jet recording head 1. In addition, the control circuit 8 can perform operation mode setting, reset processing, and the like in response to an operation signal from the operation panel 9.
In the following embodiments of the present invention, the “high potential period” refers to a period during which the highest potential in the drive waveform is maintained. The “reverse potential period” refers to a period during which a negative potential of less than 0 V having a polarity opposite to that of the high potential period is maintained in the drive waveform.

＜２．インクジェットプリンタの電気的構成＞
図２は、上記プリンタの電気的構成を示すブロック図である。本実施形態のプリンタの電気的構成は、図２に示すように、制御回路８とプリントエンジン１２とを備えている。
制御回路８は、外部インターフェース１３（以下、外部Ｉ／Ｆ１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部１６と、クロック信号を発生する発振回路１７と、インクジェット式記録ヘッド１へ供給するための駆動信号を発生する駆動手段である駆動信号発生回路１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン１２に送信する内部インターフェース１８（以下、内部Ｉ／Ｆ１８という）とを備えている。
外部Ｉ／Ｆ１３は、例えば、キャラクタコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピュータ等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピュータ等に対して出力される。
ＲＡＭ１４は、受信バッファ１４１、中間バッファ１４２、出力バッファ１４３、及び、図示しないワークメモリとして機能する。そして、受信バッファ１４１は外部Ｉ／Ｆ１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファ１４２は制御部１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファ１４３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。
また、ＲＯＭ１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。
制御部１６は、受信バッファ１４１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファ１４２に記憶させる。また、制御部１６は、中間バッファ１４２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファ１４３に記憶させる。
そして、インクジェット式記録ヘッド１の１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ１８を通じてインクジェット式記録ヘッド１に出力される。また、出力バッファ１４３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファ１４２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。
プリントエンジン１２は、インクジェット式記録ヘッド１と、給紙機構６と、キャリッジ機構７とを含んで構成してある。
給紙機構６は、紙送りモータと紙送りローラ等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッド１の記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この給紙機構６は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。
キャリッジ機構７は、インクジェット式記録ヘッド１を搭載可能なキャリッジ本体と、このキャリッジ本体を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してある。そして、キャリッジ本体を走行させることによりインクジェット式記録ヘッド１を主走査方向に移動させることができる。なお、キャリッジ駆動部は、タイミングベルトを用いたもの等、キャリッジ本体を走行させ得る機構であれば任意の構成を採り得る。
インクジェット式記録ヘッド１は、副走査方向に沿って多数のノズルを有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズルからインク滴を吐出する。 <2. Electrical configuration of inkjet printer>
FIG. 2 is a block diagram showing the electrical configuration of the printer. The electrical configuration of the printer of this embodiment includes a control circuit 8 and a print engine 12, as shown in FIG.
The control circuit 8 includes an external interface 13 (hereinafter referred to as an external I / F 13), a RAM 14 that temporarily stores various data, a ROM 15 that stores a control program, a control unit 16 that includes a CPU, and the like. An oscillation circuit 17 that generates a clock signal, a drive signal generation circuit 19 that is a drive means for generating a drive signal to be supplied to the ink jet recording head 1, and a dot pattern developed based on the drive signal and print data An internal interface 18 (hereinafter referred to as an internal I / F 18) for transmitting data (bitmap data) or the like to the print engine 12 is provided.
The external I / F 13 receives print data including, for example, a character code, a graphic function, image data, and the like from a host computer (not shown). Further, a busy signal (BUSY) and an acknowledge signal (ACK) are output to the host computer or the like through the external I / F 13.
The RAM 14 functions as a reception buffer 141, an intermediate buffer 142, an output buffer 143, and a work memory (not shown). The reception buffer 141 temporarily stores the print data received by the external I / F 13, the intermediate buffer 142 stores the intermediate code data converted by the control unit 16, and the output buffer 143 stores the dot pattern data. . This dot pattern data is constituted by print data obtained by decoding (translating) gradation data.
The ROM 15 stores font data, graphic functions, etc. in addition to a control program (control routine) for performing various data processing.
The control unit 16 reads out the print data in the reception buffer 141 and stores the intermediate code data obtained by converting the print data in the intermediate buffer 142. In addition, the control unit 16 analyzes the intermediate code data read from the intermediate buffer 142 and develops the intermediate code data into dot pattern data with reference to font data, graphic functions, and the like stored in the ROM 15. Then, the control unit 16 stores the developed dot pattern data in the output buffer 143 after performing necessary decoration processing.
If dot pattern data corresponding to one line of the ink jet recording head 1 is obtained, the dot pattern data for one line is output to the ink jet recording head 1 through the internal I / F 18. When dot pattern data for one line is output from the output buffer 143, the developed intermediate code data is erased from the intermediate buffer 142, and the development process for the next intermediate code data is performed.
The print engine 12 includes an ink jet recording head 1, a paper feed mechanism 6, and a carriage mechanism 7.
The paper feed mechanism 6 includes a paper feed motor, a paper feed roller, and the like, and sequentially feeds a print storage medium such as recording paper in conjunction with the recording operation of the ink jet recording head 1. That is, the paper feed mechanism 6 relatively moves the print storage medium in the sub-scanning direction.
The carriage mechanism 7 includes a carriage main body on which the ink jet recording head 1 can be mounted, and a carriage driving unit that causes the carriage main body to travel along the main scanning direction. The ink jet recording head 1 can be moved in the main scanning direction by running the carriage body. Note that the carriage drive unit may take any configuration as long as it is a mechanism that can travel the carriage body, such as one using a timing belt.
The ink jet recording head 1 has a large number of nozzles along the sub-scanning direction, and ejects ink droplets from each nozzle at a timing defined by dot pattern data or the like.

＜３．インクジェット式記録ヘッドの構成＞
図３は、上記液体吐出装置であるプリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。インクジェット式記録ヘッド１は、いわゆるたわみ振動のインクジェット式記録ヘッドであり、図に示すように、ノズル板１０、圧力室基板２０および振動板３０を備えて構成されている。このヘッドは、ピエゾジェット式ヘッドを構成している。
圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４を備えている。圧力室２１は、シリコン等の基板をエッチングすることにより形成されたインクなどを吐出するために貯蔵する空間となっている。側壁２２は圧力室２１間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各圧力室２１に供給するための流路となっている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１にインクを導入可能に形成されている。
ノズル板１０は、圧力室基板２０に設けられた圧力室２１の各々に対応する位置にそのノズル１１が配置されるよう、圧力室基板２０の一方の面に貼り合わせられている。ノズル板１０を貼り合わせた圧力室基板２０は、さらに筐体２５に納められて、インクジェット式記録ヘッド１を構成している。
振動板３０は圧力室基板２０の他方の面に貼り合わせられている。振動板３０には圧電体素子（図示しない）が設けられている。振動板３０には、インクタンク接続口（図示せず）が設けられて、図示しないインクタンクに貯蔵されているインクを圧力室基板２０のリザーバ２３に供給可能になっている。 <3. Configuration of Inkjet Recording Head>
FIG. 3 is an explanatory diagram of the structure of an ink jet recording head used in a printer which is the liquid ejecting apparatus. The ink jet recording head 1 is a so-called flexural vibration ink jet recording head, and includes a nozzle plate 10, a pressure chamber substrate 20, and a vibration plate 30 as shown in the figure. This head constitutes a piezo jet head.
The pressure chamber substrate 20 includes a pressure chamber (cavity) 21, a side wall (partition wall) 22, a reservoir 23, and a supply port 24. The pressure chamber 21 is a space for storing ink or the like formed by etching a substrate such as silicon. The side wall 22 is formed so as to partition the pressure chambers 21. The reservoir 23 is a flow path for supplying ink to each pressure chamber 21 in common. The supply port 24 is formed so that ink can be introduced from the reservoir 23 to each pressure chamber 21.
The nozzle plate 10 is bonded to one surface of the pressure chamber substrate 20 so that the nozzle 11 is disposed at a position corresponding to each of the pressure chambers 21 provided on the pressure chamber substrate 20. The pressure chamber substrate 20 to which the nozzle plate 10 is bonded is further housed in a housing 25 to constitute the ink jet recording head 1.
The diaphragm 30 is bonded to the other surface of the pressure chamber substrate 20. The diaphragm 30 is provided with a piezoelectric element (not shown). The vibration plate 30 is provided with an ink tank connection port (not shown) so that ink stored in an ink tank (not shown) can be supplied to the reservoir 23 of the pressure chamber substrate 20.

＜４．層構造＞
図４に、上記インクジェット式記録ヘッドのさらに具体的な構造を説明する断面図を示す。この断面図は、一つの圧力室及び圧電体素子の断面を拡大したものである。図に示すように、振動板３０は、絶縁膜３１および下部電極３２を積層して構成され、圧電体素子４０は下部電極３２上に圧電体薄膜層４１及び上部電極４２を積層して構成されている。このインクジェット式記録ヘッド１は、圧電体素子４０、圧力室２１およびノズル１１が一定のピッチで連設されて構成されている。このノズル間のピッチは、印刷精度に応じて適宜設計変更が可能である。例えば４００ｄｐｉ（dot per inch）になるように配置される。
絶縁膜３１は、導電性でない材料、例えば二酸化珪素（ＳｉＯ₂）により厚さ１μｍ程度に形成され、圧電体薄膜層の変形により変形し、圧力室２１の内部の圧力を瞬間的に高めることが可能に構成されている。
下部電極３２は、圧電体薄膜層に電圧を印加するための一方の電極であり、導電性を有する材料、例えば、白金（Ｐｔ）などにより厚さ０．２μｍ程度に形成されている。下部電極３２は、圧力室基板２０上に形成される複数の圧電体素子に共通な電極として機能するように絶縁膜３１と同じ領域に形成される。ただし、圧電体薄膜層４１と同様の大きさに、すなわち上部電極と同じ形状に形成することも可能である。
上部電極４２は、圧電体薄膜層に電圧を印加するための他方の電極となり、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）又はイリジウム（Ｉｒ）で厚さ０．１μｍ程度に形成されている。
圧電体薄膜層４１は、例えばペロブスカイト構造を持つチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電性セラミックスの結晶であり、振動板３０上に所定の形状で形成されている。圧電体薄膜層４１の厚さは２μｍ以下が好ましく、例えば１μｍ程度に形成される。この圧電体薄膜の抗電界は、例えば２×１０⁶［Ｖ／ｍ］程度である。 <4. Layer structure>
FIG. 4 is a cross-sectional view for explaining a more specific structure of the ink jet recording head. This sectional view is an enlarged view of a section of one pressure chamber and a piezoelectric element. As shown in the drawing, the diaphragm 30 is configured by laminating an insulating film 31 and a lower electrode 32, and the piezoelectric element 40 is configured by laminating a piezoelectric thin film layer 41 and an upper electrode 42 on the lower electrode 32. ing. The ink jet recording head 1 includes a piezoelectric element 40, a pressure chamber 21, and nozzles 11 connected at a constant pitch. The pitch between the nozzles can be appropriately changed according to the printing accuracy. For example, they are arranged to be 400 dpi (dot per inch).
The insulating film 31 is formed of a non-conductive material, for example, silicon dioxide (SiO ₂ ) to a thickness of about 1 μm, and is deformed by the deformation of the piezoelectric thin film layer to instantaneously increase the pressure inside the pressure chamber 21. It is configured to be possible.
The lower electrode 32 is one electrode for applying a voltage to the piezoelectric thin film layer, and is formed to a thickness of about 0.2 μm from a conductive material such as platinum (Pt). The lower electrode 32 is formed in the same region as the insulating film 31 so as to function as an electrode common to a plurality of piezoelectric elements formed on the pressure chamber substrate 20. However, it may be formed in the same size as the piezoelectric thin film layer 41, that is, in the same shape as the upper electrode.
The upper electrode 42 is the other electrode for applying a voltage to the piezoelectric thin film layer, and is formed of a conductive material, such as platinum (Pt) or iridium (Ir), to a thickness of about 0.1 μm.
The piezoelectric thin film layer 41 is a crystal of piezoelectric ceramic such as lead zirconate titanate (PZT) having a perovskite structure, and is formed on the diaphragm 30 in a predetermined shape. The thickness of the piezoelectric thin film layer 41 is preferably 2 μm or less, for example, about 1 μm. The coercive electric field of this piezoelectric thin film is, for example, about 2 × 10 ⁶ [V / m].

＜５．印刷動作＞
上記インクジェット式記録ヘッド１の構成において、印刷動作を説明する。制御回路８から駆動信号が出力されると、給紙機構６が動作し用紙５がヘッド１によって印刷可能な位置まで搬送される。制御回路８から吐出信号が供給されず圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に電圧が印加されていない場合、圧電体薄膜層４１には変形を生じない。吐出信号が供給されていない圧電体素子４０が設けられている圧力室２１には、圧力変化が生じず、そのノズル１１からインク滴は吐出されない。
一方、制御回路８から吐出信号が供給され圧電体素子４０の下部電極３２と上部電極４２との間に一定電圧が印加された場合、圧電体薄膜層４１に変形を生じる。吐出信号が供給された圧電体素子４０が設けられている圧力室２１ではその振動板３０が大きくたわむ。このため圧力室２１内の圧力が瞬間的に高まり、ノズル１１からインク滴が吐出される。ヘッド中で印字データに対応した位置の圧電体素子に吐出信号を個別に供給することで、任意の文字や図形を印刷させることができる。 <5. Printing operation>
A printing operation in the configuration of the ink jet recording head 1 will be described. When a drive signal is output from the control circuit 8, the paper feed mechanism 6 operates and the paper 5 is conveyed to a printable position by the head 1. When no discharge signal is supplied from the control circuit 8 and no voltage is applied between the lower electrode 32 and the upper electrode 42 of the piezoelectric element 40, the piezoelectric thin film layer 41 is not deformed. A pressure change does not occur in the pressure chamber 21 provided with the piezoelectric element 40 to which no ejection signal is supplied, and no ink droplet is ejected from the nozzle 11.
On the other hand, when a discharge voltage is supplied from the control circuit 8 and a constant voltage is applied between the lower electrode 32 and the upper electrode 42 of the piezoelectric element 40, the piezoelectric thin film layer 41 is deformed. In the pressure chamber 21 in which the piezoelectric element 40 to which the discharge signal is supplied is provided, the diaphragm 30 is greatly bent. For this reason, the pressure in the pressure chamber 21 increases instantaneously, and ink droplets are ejected from the nozzle 11. Arbitrary characters and figures can be printed by individually supplying ejection signals to piezoelectric elements at positions corresponding to print data in the head.

＜６．インクジェット式記録ヘッドの電気的構成＞
次に、図５を参照して、上述したインクジェット式記録ヘッドの電気的構成について、より詳細に説明する。
インクジェット式記録ヘッド１は、図５に示すように、シフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４及び圧電体素子４０等を備えている。さらに、図５に示すように、これらのシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４及び圧電体素子４０は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッド１の各ノズル１１に設けたシフトレジスタ素子５１Ａ〜５１Ｎ、ラッチ素子５２Ａ〜５２Ｎ、レベルシフタ素子５３Ａ〜５３Ｎ、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎ、圧電体素子４０Ａ〜４０Ｎから構成してある。これらシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３、スイッチ５４、圧電体素子４０は、この順で電気的に接続してある。
なお、これらのシフトレジスタ５１、ラッチ回路５２、レベルシフタ５３及びスイッチ５４は、駆動信号発生回路１９が発生した吐出駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電体素子４０に印加される印加パルスのことである。
図６は、圧電素子に駆動パルス（駆動信号）を印加する手順を説明する図である。図６を参照して、以上のような電気的構成を有するインクジェット式記録ヘッド１の制御について説明する。
上述したような電気的構成を有するインクジェット式記録ヘッド１では、図６に示すように、最初に発振回路１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する印字データ(ＳＩ)が出力バッファ１４３からシフトレジスタ５１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル１１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送される。そして、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。
そして、当該ビットの印字データが全ノズル分シフトレジスタ素子５１Ａ〜５１Ｎにセットされたならば、制御部１６は、所定のタイミングでラッチ回路５２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ回路５２は、シフトレジスタ５１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ回路５２がラッチした印字データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフタ５３に印加される。このレベルシフタ５３は、印字データが例えば「１」の場合に、スイッチ５４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの印字データを昇圧する。そして、この昇圧された印字データはスイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎに印加され、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎは、当該印字データにより接続状態になる。
そして、各スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎには、駆動信号発生回路１９が発生した吐出駆動信号も印加されている。従って、スイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎが接続状態になると、このスイッチ素子５４Ａ〜５４Ｎに接続された圧電体素子４０Ａ〜４０Ｎに吐出駆動信号が印加される。
このように、例示したインクジェット式記録ヘッド１では、印字データによって圧電体素子４０に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、印字データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電体素子４０に供給することができる。そして、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電体素子４０が変位（変形）する。また、印字データが「０」の期間においてはスイッチ５４が非接続状態となるので、圧電体素子４０への駆動信号の供給は遮断される。なお、この印字データが「０」の期間において、各圧電体素子４０は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。 <6. Electrical configuration of ink jet recording head>
Next, the electrical configuration of the above-described ink jet recording head will be described in more detail with reference to FIG.
As shown in FIG. 5, the ink jet recording head 1 includes a shift register 51, a latch circuit 52, a level shifter 53, a switch 54, a piezoelectric element 40, and the like. Further, as shown in FIG. 5, the shift register 51, the latch circuit 52, the level shifter 53, the switch 54, and the piezoelectric element 40 are respectively provided with shift register elements 51 </ b> A to 51 </ b> A provided in each nozzle 11 of the ink jet recording head 1. 51N, latch elements 52A to 52N, level shifter elements 53A to 53N, switch elements 54A to 54N, and piezoelectric elements 40A to 40N. The shift register 51, the latch circuit 52, the level shifter 53, the switch 54, and the piezoelectric element 40 are electrically connected in this order.
Note that the shift register 51, the latch circuit 52, the level shifter 53, and the switch 54 generate drive pulses from the ejection drive signal generated by the drive signal generation circuit 19. Here, the drive pulse is an applied pulse that is actually applied to the piezoelectric element 40.
FIG. 6 is a diagram illustrating a procedure for applying a drive pulse (drive signal) to the piezoelectric element. With reference to FIG. 6, the control of the ink jet recording head 1 having the above-described electrical configuration will be described.
In the ink jet recording head 1 having the electrical configuration as described above, as shown in FIG. 6, first, the print data (SI) constituting the dot pattern data is synchronized with the clock signal (CK) from the oscillation circuit 17. ) Are serially transmitted from the output buffer 143 to the shift register 51, and are sequentially set. In this case, first, the most significant bit data in the print data of all the nozzles 11 is serially transmitted. When the data serial transmission of the most significant bit is completed, the data of the second highest bit is serially transmitted. Similarly, the lower bit data is serially transmitted sequentially.
When the print data of the bit is set in the shift register elements 51A to 51N for all the nozzles, the control unit 16 causes the latch circuit 52 to output a latch signal (LAT) at a predetermined timing. In response to this latch signal, the latch circuit 52 latches the print data set in the shift register 51. The print data (LATout) latched by the latch circuit 52 is applied to a level shifter 53 that is a voltage amplifier. The level shifter 53 boosts the print data up to a voltage value at which the switch 54 can be driven, for example, several tens of volts when the print data is “1”, for example. The boosted print data is applied to the switch elements 54A to 54N, and the switch elements 54A to 54N are connected by the print data.
The ejection drive signals generated by the drive signal generation circuit 19 are also applied to the switch elements 54A to 54N. Accordingly, when the switch elements 54A to 54N are connected, the ejection drive signal is applied to the piezoelectric elements 40A to 40N connected to the switch elements 54A to 54N.
As described above, in the illustrated ink jet recording head 1, it is possible to control whether or not the ejection drive signal is applied to the piezoelectric element 40 according to the print data. For example, during the period when the print data is “1”, the switch 54 is connected by the latch signal (LAT), so that the drive signal (COMout) can be supplied to the piezoelectric element 40. The piezoelectric element 40 is displaced (deformed) by the supplied drive signal (COMout). Further, since the switch 54 is not connected during the period when the print data is “0”, the supply of the drive signal to the piezoelectric element 40 is cut off. Note that, during the period in which the print data is “0”, each piezoelectric element 40 maintains the immediately preceding potential, so that the immediately preceding displacement state is maintained.

＜７．第１参考例及び比較例＞
図７は、第１参考例及び比較例の液体吐出装置及び駆動方法による駆動波形の波形図である。図８は、上記駆動波形による圧電体薄膜素子の変位量の測定結果を示すグラフである。図７に示すように、駆動波形としては、８μ秒の電位上昇期、２０μ秒の最高電位維持期、８μ秒の電位下降期を備え、最高電位と最低電位の差が２５Ｖの台形波を用いた。この台形波のオフセット電圧（駆動波形中、最低電位の対アースＤＣ電圧）ΔＶを種々変えて、圧電体薄膜素子を駆動して変位量を測定した。オフセット電圧ΔＶ＜０の場合が、逆電位期を有する第１参考例に相当し、オフセット電圧ΔＶ≧０の場合が、逆電位期を有しない比較例に相当する。圧電体薄膜素子としては、（１００）面配向度７９％のＰＺＴを用いたサンプル３点（グループ１）と、（１００）面配向度３３％のＰＺＴを用いたサンプル３点（グループ２）につき測定し、それぞれ平均を求めた。
グループ１のＰＺＴを用いた場合、まず、比較例であるオフセット電圧ΔＶ≧０付近では、約４２０〜４５０ｎｍの変位が得られた。この変位量が得られればインクジェット式記録ヘッドとしても使用可能ではあるが、より変位量が大きくなることが望ましい。次に第１参考例であるオフセット電圧ΔＶ＜０で測定したところ変位量が上昇し、ΔＶ＝−３Ｖ付近で最大変位５１３ｎｍが得られた。
グループ２のＰＺＴを用いた場合、まず、比較例であるオフセット電圧ΔＶ≧０付近では、約２９０〜３１５ｎｍの変位であった。この変位量は上記グループ１の場合と比較しても十分とは言い難く、より変位量が大きくなることが望ましい。次に第１参考例であるオフセット電圧ΔＶ＜０で測定したところ変位量が大幅に上昇し、ΔＶ＝−４．３Ｖ付近で最大変位４５１ｎｍが得られた。
なお、グループ１及びグループ２ともに、オフセット電圧ΔＶを更に低く（絶対値を大きく）すると、変位量は減少した。これは、オフセット電圧ΔＶが低すぎると抗電界を超えてしまい、歪みが反転するためであると推測される。
上記のように、グループ１及びグループ２ともに、第１参考例の液体吐出装置を用いることにより、比較例に比べて変位量が向上した。この変位量の向上は、図９（ａ）のヒステリシスカーブで説明される。同図に示すように、逆電位期を有しない比較例の駆動では、破線Ａのようなカーブになり、逆電位期を有する第１参考例の駆動では、破線Ｂのようなカーブになる。電界強度（Ｅ）の変化量が同じでも、破線Ｂの方が大きな歪み（Ｓ）を得られていることがわかる。
更に、グループ２のように、比較例では十分な特性を得ることができないと評価され得る圧電体素子でも、第１参考例の液体吐出装置を用いることにより変位量が格段に向上し、使用に堪える特性を引き出すことができるので、材料選択の余地が向上する。
また、比較例による液体吐出装置により駆動した場合には、１億パルス以上の多数回駆動を行うと、変位量が当初の変位量よりも１２％程度低下したが、第１参考例による液体吐出装置により駆動した場合には、多数回駆動時の変位低下が５％以内に収められることが確認された。その理由は以下のように推測される。圧電体の抗電界を超えて駆動する場合に、多数回駆動すると、図９（ｂ）に示すように、ヒステリシスカーブが破線のように変化してくる。これにより、逆電位期を有しない駆動では変位低下が起こる。しかし、逆電位期を設けることにより、ヒステリシスカーブが変化しても十分な変位を得ることができる。
上記グループ１とグループ２とでは、最大変位を得るためのオフセット電圧ΔＶの最適値が互いに異なっている。従って、求められる特性に応じて、オフセット電圧ΔＶの値を調節することが望ましい。 <7. First Reference Example and Comparative Example>
FIG. 7 is a waveform diagram of driving waveforms obtained by the liquid ejection apparatuses and driving methods of the first reference example and the comparative example. FIG. 8 is a graph showing the measurement result of the displacement amount of the piezoelectric thin film element by the drive waveform. As shown in FIG. 7, the drive waveform has a potential rising period of 8 μs, a maximum potential maintaining period of 20 μs, and a potential falling period of 8 μs, and a trapezoidal wave whose difference between the maximum potential and the minimum potential is 25V is used. It was. Various displacements were measured by driving the piezoelectric thin film element while varying the trapezoidal wave offset voltage (the DC voltage with respect to the lowest potential in the driving waveform) ΔV. The case of offset voltage ΔV <0 corresponds to the first reference example having a reverse potential period, and the case of offset voltage ΔV ≧ 0 corresponds to a comparative example having no reverse potential period. As the piezoelectric thin film element, three samples (group 1) using PZT with (100) orientation degree 79% and three samples (group 2) using PZT with (100) orientation degree 33%. Measured and averaged.
When Group 1 PZT was used, first, a displacement of about 420 to 450 nm was obtained in the vicinity of the offset voltage ΔV ≧ 0 as a comparative example. If this amount of displacement is obtained, it can be used as an ink jet recording head, but it is desirable that the amount of displacement be larger. Next, when the offset voltage ΔV <0, which is the first reference example, was measured, the amount of displacement increased, and a maximum displacement of 513 nm was obtained near ΔV = −3V.
When PZT of group 2 was used, the displacement was about 290 to 315 nm in the vicinity of the offset voltage ΔV ≧ 0 as a comparative example. The amount of displacement is not sufficient even when compared with the case of the group 1, and it is desirable that the amount of displacement be larger. Next, when the offset voltage ΔV <0, which is the first reference example, was measured, the amount of displacement increased significantly, and a maximum displacement of 451 nm was obtained near ΔV = −4.3V.
In both groups 1 and 2, when the offset voltage ΔV was further decreased (the absolute value was increased), the amount of displacement decreased. This is presumably because the coercive electric field is exceeded when the offset voltage ΔV is too low, and the distortion is reversed.
As described above, by using the liquid ejection device of the first reference example in both group 1 and group 2, the amount of displacement was improved as compared with the comparative example. This improvement in the amount of displacement is explained by the hysteresis curve in FIG. As shown in the figure, in the driving of the comparative example having no reverse potential period, a curve as shown by a broken line A is obtained, and in the driving of the first reference example having the reverse potential period, a curve as shown by a broken line B is obtained. It can be seen that even when the amount of change in the electric field strength (E) is the same, the broken line B has a larger distortion (S).
Furthermore, even in the case of a piezoelectric element that can be evaluated as being incapable of obtaining sufficient characteristics in the comparative example as in group 2, the amount of displacement is remarkably improved by using the liquid ejection device of the first reference example, and the piezoelectric element can be used. The ability to withstand materials can be brought out, so the room for material selection is improved.
In addition, when driven by the liquid ejection device according to the comparative example, the displacement amount decreased by about 12% from the initial displacement amount when the multi-time driving of 100 million pulses or more was performed, but the liquid ejection according to the first reference example When driven by the apparatus, it was confirmed that the displacement drop during multiple driving was within 5%. The reason is presumed as follows. When driving beyond the coercive electric field of the piezoelectric body, if it is driven many times, the hysteresis curve changes as shown by a broken line as shown in FIG. As a result, the displacement is reduced in the drive without the reverse potential period. However, by providing the reverse potential period, a sufficient displacement can be obtained even if the hysteresis curve changes.
The optimum value of the offset voltage ΔV for obtaining the maximum displacement is different between the group 1 and the group 2. Therefore, it is desirable to adjust the value of the offset voltage ΔV according to the required characteristics.

＜８．実施例１及び第２参考例＞
図１０は、液体吐出装置により印刷動作時に圧電体素子に印加される電圧波形の例を示す波形図であり、特に図１０（Ａ）は第２参考例の一周期分の波形、図１０（Ｂ）は実施例１の一周期分の波形である。かかる波形が圧電体薄膜に印加される場合は、２０ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの周波数で印加される。この波形は印刷動作時に印加する波形であるから、印刷休止時のヘッドクリーニング中や、インクカートリッジ交換シーケンス中などに印加する波形がこれと異なっていても良い。
図１０（Ａ）に示す駆動波形は、ここでは電位維持期ａ４、電位下降期ａ５、電位維持期ａ６、電位上昇期ａ１、電位維持期ａ２、電位下降期ａ３を備えている。
電位維持期ａ４では、メニスカスの残留振動を安定させる。電位下降期ａ５及び電位維持期ａ６では、一旦メニスカスをノズル内に引込むとともに図示しないインクタンクから新たにインクを引き込んで次の電位上昇期ａ１での吐出に備える。電位上昇期ａ１及び電位維持期ａ２では、圧電体に電圧を印加して圧力室を収縮させることにより、インクをノズルから吐出させる。電位下降期ａ３では、圧力室を拡大させることにより、吐出されずに残ったインクをノズル内に引き込む。
特に電位維持期ａ６では、インクを吐出する電位維持期ａ２と逆極性の電圧（−Ｖ₁）を圧電体に印加する。この電位維持期ａ６のような電圧を印加する逆電位期を駆動波形中に設けることにより、圧電体の特性を最大限に発揮させることが可能となっている。圧電体の特性をより効果的に発揮させるためには、インクの吐出１回につき、電位維持期ａ６のような電圧を印加する逆電位期を１回設けることが望ましい。
電位維持期ａ２においては、圧電体における電界強度が、１．５×１０⁷［Ｖ／ｍ］以上となるように設定する。例えば、電位維持期ａ２における印加電圧を、２０〜３０［Ｖ］程度の高い絶対値を有する値に設定する。この場合、圧電体薄膜の膜厚を１μｍとすると、電位維持期ａ２における圧電体の電界強度は、２×１０⁷〜３×１０⁷［Ｖ／ｍ］であり、本参考例における圧電体の抗電界２×１０⁶［Ｖ／ｍ］の１０倍程度高くなっている。
第１参考例と同様に、圧電体の特性を効果的に発揮させるには、電位維持期ａ６を含む逆電位期における電位（−Ｖ₁）は、圧電体における電界強度の絶対値が圧電体の抗電界を超えないような電位であることが望ましい。また、電位維持期ａ６を含む逆電位期における電位（−Ｖ₁）の絶対値は、電位維持期ａ２のような高電位期における電位の絶対値の最大値以下であることが望ましい。例えば圧電体の膜厚が１μｍ、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ₁）＝−２Ｖとすれば、圧電体における電界強度の絶対値は２×１０⁶［Ｖ／ｍ］となる。
圧力室の収縮動作を行う電位上昇期ａ１においては、電位維持期ａ６に続いて負の電位から電位が上昇し、電位維持期ａ２で最高電位に到達する。
図１０（Ｂ）に示す駆動波形は、上記ａ１〜ａ６と同様の部分の他に、電位上昇期ａ７、電位維持期ａ８、電位下降期ａ９、電位維持期ａ１０を備えている。電位上昇期ａ７、電位維持期ａ８、電位下降期ａ９は、上記電位上昇期ａ１及び電位維持期ａ２でインクを吐出するためのメニスカス制御を目的とするものであって、インク吐出前に、メニスカスに所望の振動を与えることによって吐出特性を向上させる効果を有している。
電位維持期ａ６における電圧（−Ｖ₂）は、図１０（Ａ）の波形と同様、圧電体における電界強度の絶対値が、抗電界を超えない値でありインク吐出時の電界の最高値以下となるような電圧であることが望ましい。 <8. Example 1 and Second Reference Example>
FIG. 10 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform applied to the piezoelectric element during a printing operation by the liquid ejection device. In particular, FIG. 10A shows a waveform for one cycle of the second reference example, and FIG. B) is a waveform for one period of the first embodiment. When such a waveform is applied to the piezoelectric thin film, it is applied at a frequency of 20 kHz to 50 kHz. Since this waveform is a waveform applied during the printing operation, the waveform applied during the head cleaning during the printing stop or the ink cartridge replacement sequence may be different from this.
The drive waveform shown in FIG. 10A includes a potential maintaining period a4, a potential decreasing period a5, a potential maintaining period a6, a potential increasing period a1, a potential maintaining period a2, and a potential decreasing period a3.
In the potential maintaining period a4, the residual vibration of the meniscus is stabilized. In the potential lowering period a5 and the potential maintaining period a6, the meniscus is once drawn into the nozzle, and ink is newly drawn from an ink tank (not shown) to prepare for ejection in the next potential rising period a1. In the potential rising period a1 and the potential maintaining period a2, ink is ejected from the nozzles by applying a voltage to the piezoelectric body to contract the pressure chamber. In the potential drop period a3, the pressure chamber is expanded to draw ink remaining without being ejected into the nozzle.
In particular, in the potential maintenance period a6, a voltage (−V ₁ ) having a polarity opposite to that of the potential maintenance period a2 in which ink is ejected is applied to the piezoelectric body. By providing the driving waveform with a reverse potential period in which a voltage such as the potential maintaining period a6 is applied, it is possible to maximize the characteristics of the piezoelectric body. In order to exhibit the characteristics of the piezoelectric body more effectively, it is desirable to provide one reverse potential period in which a voltage such as the potential maintenance period a6 is applied for each ejection of ink.
In the potential maintaining period a2, the electric field strength in the piezoelectric body is set to be 1.5 × 10 ⁷ [V / m] or more. For example, the applied voltage in the potential maintenance period a2 is set to a value having a high absolute value of about 20 to 30 [V]. In this case, when the film thickness of the piezoelectric thin film is 1 μm, the electric field strength of the piezoelectric body in the potential maintaining period a2 is 2 × 10 ^{7 to} 3 × 10 ⁷ [V / m]. The coercive electric field is 2 × 10 ⁶ [V / m], which is about 10 times higher.
As in the first reference example, in order to effectively exhibit the characteristics of the piezoelectric body, the potential (−V ₁ ) in the reverse potential period including the potential maintaining period a6 is such that the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body is a piezoelectric body. It is desirable that the potential not exceed the coercive electric field. In addition, the absolute value of the potential (−V ₁ ) in the reverse potential period including the potential maintenance period a6 is preferably equal to or less than the maximum value of the absolute value in the high potential period such as the potential maintenance period a2. For example, if the thickness of the piezoelectric body is 1 μm and the potential (−V ₁ ) in the potential maintaining period a6 is −2 V, the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body is 2 × 10 ⁶ [V / m].
In the potential increase period a1 in which the pressure chamber contraction operation is performed, the potential rises from a negative potential following the potential maintenance period a6, and reaches the maximum potential in the potential maintenance period a2.
The drive waveform shown in FIG. 10B includes a potential rising period a7, a potential maintaining period a8, a potential falling period a9, and a potential maintaining period a10 in addition to the same parts as the above-described a1 to a6. The potential rising period a7, the potential maintaining period a8, and the potential falling period a9 are intended for meniscus control for ejecting ink in the potential rising period a1 and the potential maintaining period a2, and before the ink ejection, the meniscus is controlled. It has the effect of improving the ejection characteristics by applying desired vibration to the nozzle.
The voltage (−V ₂ ) in the potential maintaining period a6 is a value that the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body does not exceed the coercive electric field and is not more than the maximum value of the electric field at the time of ink ejection, as in the waveform of FIG. It is desirable that the voltage be such that

＜９．第４参考例及実施例２＞
上記第１、第２参考例及び実施例１では、逆電位期の圧電体における電界強度が抗電界を超えない場合の利点について説明したが、抗電界以上となってもよい。ここで、図１０（Ａ）又は図１０（Ｂ）の駆動波形において、逆電位期のうち電位維持期ａ６における電位（−Ｖ₁又は−Ｖ₂）を、圧電体における電界強度の絶対値が圧電体の抗電界より大きくなるような電位としたものを、それぞれ第４参考例及び実施例２とする。この場合、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ₁又は−Ｖ₂）の絶対値は電位維持期ａ２における電位の絶対値以下であることが望ましい。例えば圧電体の膜厚が１μｍ、電位維持期ａ６における電位（−Ｖ₁）＝−５Ｖとすれば、圧電体における電界強度の絶対値は５×１０⁶［Ｖ／ｍ］となる。
このように、電位維持期ａ６において抗電界を超えるような電界強度を示す電位とすることにより、駆動波形中に、すなわち印刷休止時間以外のときに、圧電体膜に残留する分極を消去することができる。圧電体が薄膜化されると、残留分極が比較的早く減じられる傾向にあるので、特開平９−１４１８６６号公報のような分極処理をしても、その後しばらく駆動しないと分極が低下する。この場合、駆動履歴のある素子と駆動履歴のない素子との間で分極に差が生じ、却って素子間のばらつきが生じてしまう。本実施例では、駆動波形中に吐出電圧と逆極性の電圧を印加するので、印刷動作が長時間連続する場合でも圧電体素子の変位のばらつきを効果的に抑制することができる。
また、特に、圧電体薄膜を用いた液体吐出ヘッドを駆動する場合には、圧電体薄膜の歪みが大きく、０．３％以上となる。そして、基板の弾性復元力も十分ではないため、圧電体薄膜に残留歪みが生じやすい。従って、残留分極を消去することは極めて有効である。 <9. Fourth Reference Example and Example 2>
In the first and second reference examples and the first embodiment, the advantage in the case where the electric field strength in the piezoelectric body in the reverse potential period does not exceed the coercive electric field has been described. Here, in the driving waveform of FIG. 10A or FIG. 10B, the potential (−V ₁ or −V ₂ ) in the potential maintaining period a6 in the reverse potential period is expressed as the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body. Those having potentials larger than the coercive electric field of the piezoelectric material are referred to as a fourth reference example and a second example, respectively. In this case, it is desirable that the absolute value of the potential (−V ₁ or −V ₂ ) in the potential maintaining period a6 is equal to or less than the absolute value of the potential in the potential maintaining period a2. For example, if the film thickness of the piezoelectric body is 1 μm and the potential (−V ₁ ) = − 5 V in the potential maintaining period a6, the absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body is 5 × 10 ⁶ [V / m].
In this way, by setting the electric field strength to be higher than the coercive electric field in the electric potential maintaining period a6, the polarization remaining in the piezoelectric film can be erased during the driving waveform, that is, at a time other than the printing pause time. Can do. When the piezoelectric body is thinned, the residual polarization tends to be reduced relatively quickly. Therefore, even if the polarization process as disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 9-141866 is performed, the polarization is lowered unless driven for a while after that. In this case, a difference in polarization occurs between an element having a driving history and an element having no driving history, and on the contrary, variation between elements occurs. In the present embodiment, since a voltage having a polarity opposite to the ejection voltage is applied to the drive waveform, variation in displacement of the piezoelectric element can be effectively suppressed even when the printing operation is continued for a long time.
In particular, when a liquid discharge head using a piezoelectric thin film is driven, the piezoelectric thin film has a large distortion, which is 0.3% or more. Further, since the elastic restoring force of the substrate is not sufficient, residual strain is likely to occur in the piezoelectric thin film. Therefore, it is very effective to eliminate the residual polarization.

＜１０．第６参考例及び第７参考例＞
図１１に、第４参考例の更なる変形例である第６参考例及び第７参考例の駆動波形を示す。図１２に、これら駆動波形を用いて圧電体薄膜を駆動した場合の変位の推移を示す。図１１に示す２種類の駆動波形は、逆電位期に印加する電圧の最小値が−５Ｖとなる点で共通するが、この−５Ｖの電圧を印加する時間が異なる。実線で示す波形（Ｗ６）は第６参考例に係り、−５Ｖの電圧を印加する時間を２μ秒に設定してある。一方、破線で示す波形（Ｗ７）は第７参考例に係り、−５Ｖの電圧を印加する時間を０．１３μ秒に設定してある。
圧電体薄膜の抗電界を２×１０⁶［Ｖ／ｍ］、膜厚を１．５μｍとした場合、圧電体薄膜に−３Ｖより低い電圧を印加すると圧電体薄膜内の電界強度が抗電界を超える。電界強度が抗電界を超えている時間、すなわち、波形（Ｗ６）において−３Ｖより低い電圧を印加する時間は約３μ秒、波形（Ｗ７）において−３Ｖより低い電圧を印加する時間は約１．５μ秒である。
図１２の曲線（Ｃ６）は、図１１の波形（Ｗ６）を印加した際の変位の推移を示している。変位の最大値と最小値との差は、３４４ｎｍであった。この曲線（Ｃ６）に示されるように、逆電位期において抗電界を超えると、歪む方向が反転してしまう。つまり、印加電圧を下げると、抗電界に達するまでは変位が下がっていくが、抗電界に達した後は、印加電圧を下げても、変位が上昇してしまう。このことは、抗電界を超えたことによって分極が反転したことを示している。圧電体薄膜の歪む方向が曲線（Ｃ６）のように反転すると、液体吐出ヘッドを駆動した際にメニスカスの動きが不安定となり、液滴を正確に吐出することが困難になる。
一方、図１２の曲線（Ｃ７）は、図１１の波形（Ｗ７）を印加した際の変位の推移を示している。逆電位期において抗電界を超える時間を２μ秒以下としたところ、逆電位期においても歪む方向が反転しないことがわかった。また、変位の最大値と最小値との差は、３５９ｎｍであり、曲線（Ｃ６）の場合に比べて、変位量も大きくなることがわかった。
図１３は、上記駆動波形を用いて液体吐出ヘッドを駆動した場合の振動板の変位速度の推移を測定したグラフである。第７参考例において逆電位期から高電位期に至る圧力室の収縮動作時での振動板の変位速度（Ｄ７）は、最大で１ｍ／ｓｅｃ付近まで上昇しているのに対し、第６参考例の収縮動作時での振動板の変位速度（Ｄ６）は最大で０．５ｍ／ｓｅｃと第７参考例の半分程度であった。このことから明らかなように、第７参考例の駆動波形を用いれば、振動板の変位速度を高めることができる。
以上説明したように、第７参考例の駆動方法では、逆電位期にて圧電体膜層４１に抗電界が生じる電位よりも絶対値の高い電位まで印加電圧を変化させて圧力室２１を膨張させる。そして、抗電界に伴い圧力室２１の収縮が始まった後、膨張に反転しないうちに高電位期に移り、圧力室を更に収縮させて液体を吐出させるようにした。このことで、振動板３０の変位量及び変位速度を高めることができる。すなわち、参考例の駆動方法では、抗電界による振動板３０の変位をインク吐出時のための変位として作用させるようにしたので、圧力室２１を収縮させる時の振動板３０の変位量及び変位速度を実質的に高めることができる。
また、本参考例では、逆電位期において抗電界を超える期間を２μ秒より小さく設定すれば、抗電界による振動板３０の変位量をインク吐出時のための変位として作用させることができる。また、圧力室２１が収縮し始めてから収縮し終わるまでの期間を２μ秒より小さく設定すれば、逆電位期での収縮開始から高電位期での収縮終了までの移行がスムーズとなり、振動板３５の変位量を効果的に高めることができる。これにより、インクの吐出速度を速くできるというメリットもある。 <10. Sixth Reference Example and Seventh Reference Example>
FIG. 11 shows drive waveforms of a sixth reference example and a seventh reference example, which are further modifications of the fourth reference example. FIG. 12 shows the transition of the displacement when the piezoelectric thin film is driven using these drive waveforms. The two types of drive waveforms shown in FIG. 11 are common in that the minimum value of the voltage applied in the reverse potential period is −5V, but the time for applying this −5V voltage is different. The waveform (W6) indicated by the solid line relates to the sixth reference example, and the time for applying the voltage of −5 V is set to 2 μs. On the other hand, the waveform (W7) indicated by the broken line relates to the seventh reference example, and the time for applying the voltage of −5 V is set to 0.13 μsec.
When the coercive electric field of the piezoelectric thin film is 2 × 10 ⁶ [V / m] and the film thickness is 1.5 μm, when a voltage lower than −3 V is applied to the piezoelectric thin film, the electric field strength in the piezoelectric thin film decreases the coercive electric field. Exceed. The time when the electric field strength exceeds the coercive electric field, that is, the time for applying a voltage lower than −3 V in the waveform (W6) is about 3 μs, and the time for applying the voltage lower than −3 V in the waveform (W7) is about 1. 5 μs.
A curve (C6) in FIG. 12 shows transition of displacement when the waveform (W6) in FIG. 11 is applied. The difference between the maximum value and the minimum value of the displacement was 344 nm. As shown by this curve (C6), when the coercive electric field is exceeded in the reverse potential period, the direction of distortion is reversed. That is, when the applied voltage is lowered, the displacement decreases until the coercive electric field is reached, but after reaching the coercive electric field, the displacement increases even if the applied voltage is lowered. This indicates that the polarization is reversed by exceeding the coercive electric field. If the direction of distortion of the piezoelectric thin film is reversed as indicated by the curve (C6), the movement of the meniscus becomes unstable when the liquid discharge head is driven, and it becomes difficult to accurately discharge the droplets.
On the other hand, the curve (C7) in FIG. 12 shows the transition of the displacement when the waveform (W7) in FIG. 11 is applied. When the time for exceeding the coercive electric field in the reverse potential period was set to 2 μsec or less, it was found that the direction of distortion did not reverse even in the reverse potential period. Further, the difference between the maximum value and the minimum value of the displacement was 359 nm, and it was found that the amount of displacement was larger than that in the case of the curve (C6).
FIG. 13 is a graph obtained by measuring the transition of the displacement speed of the diaphragm when the liquid ejection head is driven using the drive waveform. In the seventh reference example, the displacement speed (D7) of the diaphragm during the contraction operation of the pressure chamber from the reverse potential period to the high potential period increases to a maximum of around 1 m / sec, whereas the sixth reference The displacement speed (D6) of the diaphragm during the contracting operation of the example was 0.5 m / sec at the maximum, which was about half that of the seventh reference example. As is clear from this, the displacement speed of the diaphragm can be increased by using the drive waveform of the seventh reference example.
As described above, in the driving method of the seventh reference example, the pressure chamber 21 is expanded by changing the applied voltage to a potential having a higher absolute value than the potential at which the coercive electric field is generated in the piezoelectric film layer 41 in the reverse potential period. Let Then, after the contraction of the pressure chamber 21 was started in accordance with the coercive electric field, the liquid crystal was discharged by further contracting the pressure chamber before moving to the high potential period before reversing the expansion. Thereby, the displacement amount and the displacement speed of the diaphragm 30 can be increased. That is, in the driving method of the reference example, the displacement of the vibration plate 30 due to the coercive electric field is caused to act as a displacement for ink ejection, so the displacement amount and the displacement speed of the vibration plate 30 when the pressure chamber 21 is contracted. Can be substantially increased.
In this reference example, if the period exceeding the coercive electric field in the reverse potential period is set to be smaller than 2 μs, the displacement amount of the diaphragm 30 due to the coercive electric field can be caused to act as a displacement for ink ejection. If the period from the start of contraction of the pressure chamber 21 to the end of contraction is set to be smaller than 2 μs, the transition from the start of contraction in the reverse potential period to the end of contraction in the high potential period becomes smooth, and the diaphragm 35 Can be effectively increased. This also has the advantage that the ink ejection speed can be increased.

＜１１．第８参考例及び第９参考例＞
図１４は、第８参考例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
第８参考例において、圧電体素子４０に印加される基本駆動信号（ＣＯＭ）は、図１４（ａ）に示すように、高電位期６０と逆電位期７０とを備えている。そして、印字データに応じて高電位期６０の電圧が圧電体素子４０に出力されることによりインク滴を吐出し、その後、逆電位期７０の電圧が圧電体素子４０に出力される。本参考例では、高電位期６０と逆電位期７０とを１回ずつ交互に出力している。
ここで、本参考例のインクジェット式記録ヘッド１は、いわゆる「引き打ち」方式のものである。高電位期６０は、中間電位ＶＭを維持した状態から電位ＶＬまで降下させて圧力室２１を膨張させる第１の膨張工程６１と、最低電位ＶＬを一定時間維持する第１のホールド工程６２と、最低電位ＶＬから最高電位ＶＨまで上昇させて圧力室２１を収縮させることによってインク滴を吐出させる収縮工程６３と、最高電位ＶＨを一定時間維持する第２のホールド工程６４と、最高電位ＶＨから中間電位ＶＭまで降下させる第２の膨張工程６５とで構成されている。
一方、逆電位期７０は、電位を中間電位ＶＭから零以下である所定電位ＶＲまで下降させる下降工程７１と、所定電位ＶＲを一定時間維持するホールド工程７２と、所定電位ＶＲから中間電位ＶＭまで上昇させる上昇工程７３とで構成されている。
そして、上記のような高電位期６０によって圧電体素子４０を駆動させると、図１４（ｂ）に示すように、圧電体素子４０が第１の膨張工程６１において中間変位ＤＭから最小変位ＤＬまで変形することによって、ノズル１１内のメニスカスは圧力室２１側に引き込まれる。次いで、第１のホールド工程６２を介して収縮工程６３が実行され、圧電体素子４０が最大変位ＤＨまで変形することによってインク滴が吐出される。すなわち、収縮工程６３は第１の膨張工程６１による振動によってメニスカスがノズル１１側に押し出されるタイミングで収縮工程６３が実行される。これにより、第１の膨張工程６１によるメニスカスの振動と収縮工程６３によるメニスカスの振動とが重なり合い、比較的高速でノズル１１からインク滴が吐出される。その後、第２の膨張工程６５よって圧電体素子４０の変位を元に戻す。
ここで、第２の膨張工程６５では、最高電位ＶＨから中間電位ＶＭまで下降させることにより、図中点線で示すように圧電体素子４０の変位を最高変位ＤＨから中間変位ＤＭに戻すようにしている。しかしながら、実際には圧電体素子４０の歪みは中間変位ＤＭまでは戻らず、圧電体素子４０の変位は中間変位ＤＭ'で維持されてしまう。
そこで、本参考例では、高電位期６０の後に、逆電位期７０を経て、中間電位ＶＭまで戻すことにより、圧電体素子４０の変位を所定の中間変位ＤＭに戻すようにした。
すなわち、インク滴吐出後に、逆電位期７０の下降工程７１によって電位を零以下、例えば、−５（Ｖ）程度まで下降させると、圧電体素子４０の変位が、一旦、中間変位ＤＭの下側まで変化する。その後、ホールド工程７２を介して上昇工程７３で電位を中間電位ＶＭまで戻すと、圧電体素子４０の変位も中間変位ＤＭに戻る。これにより、その後の高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が安定し、所望の大きさのインク滴が吐出される。
ここで、この逆電位期７０を構成する下降工程７１は、電位を零以下まで下降させることができればよく、その傾きは特に限定されないが、上昇工程７３の傾きは、メニスカスの振動に影響を与えない程度に比較的小さくすることが好ましい。これは、本参考例のインクジェット式記録ヘッド１では、上昇工程７３によって圧電体素子４０が駆動されると圧力室２１が収縮されてメニスカスにはインク滴が吐出される方向の振動が発生するため、上昇工程７３の傾きを大きくするとインク滴が誤吐出される虞があるためである。
また、上昇工程７３の傾きをあまり小さくすると、インク滴の吐出間隔を長くとらなければならず高速駆動ができなくなるため、上昇工程７３の傾きは、メニスカスの振動に影響を与えない程度にできるだけ大きくすることが望ましい。
このように、本参考例では各高電位期６０の間に逆電位期７０を設けるようにしたので、高電位期６０の電圧を圧電体素子４０に出力する際、圧電体素子４０の変位は、常に中間変位ＤＭに維持される。したがって、各高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が実質的に向上する。また、高電位期６０の最高電位ＶＨを低下させても、現状の変位量を維持し且つ耐久性を向上することができる。さらに、各高電位期６０による圧電体素子４０の変位量が安定するため、比較的高速で駆動した場合でも常に所望のドット径で印刷を実行することができる。
なお、本参考例では、高電位期６０によってインク滴を吐出後、所定間隔を開けて逆電位期７０の電圧を出力するようにしたが、これに限定されるものではない。例えば、図１５に示す第９参考例の駆動波形のように、高電位期６０の電圧を出力した直後に逆電位期７０の電圧を出力するようにし、高電位期における最高電位から逆電位期の電位まで連続的に電位を変化させてもよい。何れにしても、電位を一旦零以下まで下降させることにより、圧電体素子４０の歪みを確実に所定の中間電位まで戻すことができる。そして、高電位期６０と逆電位期７０との間隔を短くすれば、比較的高速で印刷を実行することができる。
また、第８参考例及び第９参考例では、逆電位期７０の上昇工程７３の傾きを小さくすることによって、逆電位期７０の最低電位ＶＲから中間電位ＶＭまで戻す際のインク滴の誤吐出を防止するようにしたが、インク滴の誤吐出の防止方法は、これに限定されるものではない。例えば、メニスカスの振動の周期に合わせて上昇工程７３を実行することによっても、インク滴の誤吐出を防止することができる。すなわち、逆電位期７０の下降工程７１によって生じたメニスカスの振動が、圧力室２１側に引き込まれているタイミングで上昇工程７３を実行する。こうすれば、上昇工程７３によって発生するメニスカスの振動と下降工程７１によって生じたメニスカスの振動とが相殺されるため、インク滴の誤吐出を防止することができる。
これにより、逆電位期７０の上昇工程７３の傾きを比較的大きくしてもインク滴の誤吐出を防止することができるため、さらなる高速駆動を実現することができる。 <11. Eighth Reference Example and Ninth Reference Example>
FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the drive signal and the displacement of the piezoelectric element according to the eighth reference example.
In the eighth reference example, the basic drive signal (COM) applied to the piezoelectric element 40 includes a high potential period 60 and a reverse potential period 70 as shown in FIG. Then, a voltage in the high potential period 60 is output to the piezoelectric element 40 in accordance with the print data, thereby ejecting ink droplets. Thereafter, a voltage in the reverse potential period 70 is output to the piezoelectric element 40. In this reference example, the high potential period 60 and the reverse potential period 70 are alternately output once each.
Here, the ink jet recording head 1 of this reference example is of a so-called “pulling” type. The high potential period 60 includes a first expansion step 61 that expands the pressure chamber 21 by lowering the intermediate potential VM from the state in which the intermediate potential VM is maintained to the potential VL, a first hold step 62 that maintains the minimum potential VL for a certain period of time, A contraction process 63 for discharging ink droplets by increasing the pressure from the minimum potential VL to the maximum potential VH, a second hold process 64 for maintaining the maximum potential VH for a certain time, and an intermediate from the maximum potential VH. And a second expansion step 65 for lowering the potential VM.
On the other hand, the reverse potential period 70 includes a descending step 71 for lowering the potential from the intermediate potential VM to a predetermined potential VR that is less than or equal to zero, a holding step 72 for maintaining the predetermined potential VR for a certain period of time, and a predetermined potential VR to the intermediate potential VM. And an ascending step 73 for raising.
When the piezoelectric element 40 is driven by the high potential period 60 as described above, the piezoelectric element 40 is moved from the intermediate displacement DM to the minimum displacement DL in the first expansion step 61 as shown in FIG. By deforming, the meniscus in the nozzle 11 is drawn to the pressure chamber 21 side. Next, the contraction process 63 is executed via the first hold process 62, and the piezoelectric element 40 is deformed to the maximum displacement DH, thereby ejecting ink droplets. That is, the contraction process 63 is executed at the timing when the meniscus is pushed out to the nozzle 11 side by the vibration of the first expansion process 61. Thereby, the vibration of the meniscus by the first expansion process 61 and the vibration of the meniscus by the contraction process 63 overlap, and ink droplets are ejected from the nozzle 11 at a relatively high speed. Thereafter, the displacement of the piezoelectric element 40 is restored by the second expansion step 65.
Here, in the second expansion step 65, the displacement of the piezoelectric element 40 is returned from the maximum displacement DH to the intermediate displacement DM as shown by the dotted line in the figure by lowering from the maximum potential VH to the intermediate potential VM. Yes. However, in practice, the distortion of the piezoelectric element 40 does not return to the intermediate displacement DM, and the displacement of the piezoelectric element 40 is maintained at the intermediate displacement DM ′.
Therefore, in this reference example, the displacement of the piezoelectric element 40 is returned to the predetermined intermediate displacement DM by returning to the intermediate potential VM through the reverse potential period 70 after the high potential period 60.
That is, when the potential is lowered to zero or less, for example, about −5 (V) by the descending step 71 of the reverse potential period 70 after the ink droplet is ejected, the displacement of the piezoelectric element 40 is once lowered below the intermediate displacement DM. Change to. Thereafter, when the potential is returned to the intermediate potential VM in the rising step 73 through the hold step 72, the displacement of the piezoelectric element 40 also returns to the intermediate displacement DM. Accordingly, the displacement amount of the piezoelectric element 40 due to the subsequent high potential period 60 is stabilized, and an ink droplet having a desired size is ejected.
Here, the descending step 71 constituting the reverse potential period 70 is not particularly limited as long as the potential can be lowered to zero or less, and the slope of the ascending step 73 affects the vibration of the meniscus. It is preferable to make it relatively small. This is because, in the ink jet recording head 1 of the present reference example, when the piezoelectric element 40 is driven by the ascending step 73, the pressure chamber 21 is contracted, and the meniscus vibrates in the direction in which ink droplets are ejected. This is because if the inclination of the ascending step 73 is increased, ink droplets may be erroneously ejected.
If the inclination of the ascending step 73 is too small, the ink droplet ejection interval must be long, and high-speed driving cannot be performed. Therefore, the inclination of the ascending step 73 is as large as possible without affecting the meniscus vibration. It is desirable to do.
As described above, since the reverse potential period 70 is provided between the high potential periods 60 in this reference example, when the voltage of the high potential period 60 is output to the piezoelectric element 40, the displacement of the piezoelectric element 40 is as follows. The intermediate displacement DM is always maintained. Therefore, the amount of displacement of the piezoelectric element 40 due to each high potential period 60 is substantially improved. Even if the maximum potential VH of the high potential period 60 is lowered, the current displacement amount can be maintained and the durability can be improved. Furthermore, since the amount of displacement of the piezoelectric element 40 due to each high potential period 60 is stabilized, printing can always be performed with a desired dot diameter even when driven at a relatively high speed.
In this reference example, after ejecting ink droplets in the high potential period 60, the voltage in the reverse potential period 70 is output at a predetermined interval. However, the present invention is not limited to this. For example, as in the driving waveform of the ninth reference example shown in FIG. 15, the voltage of the reverse potential period 70 is output immediately after the voltage of the high potential period 60 is output, and the reverse potential period is changed from the highest potential in the high potential period. The potential may be changed continuously up to the potential. In any case, the potential of the piezoelectric element 40 can be reliably returned to a predetermined intermediate potential by once lowering the potential to zero or less. If the interval between the high potential period 60 and the reverse potential period 70 is shortened, printing can be executed at a relatively high speed.
In the eighth reference example and the ninth reference example, ink droplets are erroneously ejected when returning from the lowest potential VR in the reverse potential period 70 to the intermediate potential VM by reducing the slope of the rising step 73 in the reverse potential period 70. However, the method of preventing erroneous ejection of ink droplets is not limited to this. For example, it is possible to prevent ink droplets from being erroneously ejected by executing the ascending step 73 in accordance with the meniscus vibration period. That is, the ascending step 73 is executed at the timing when the meniscus vibration generated by the descending step 71 of the reverse potential period 70 is drawn to the pressure chamber 21 side. In this way, the meniscus vibration generated by the ascending process 73 and the meniscus vibration generated by the descending process 71 are offset, and thus ink droplets can be prevented from being erroneously ejected.
Thereby, even if the inclination of the rising step 73 in the reverse potential period 70 is relatively large, ink droplets can be prevented from being erroneously discharged, so that further high-speed driving can be realized.

＜１２．第１０参考例＞
図１６は、第１０参考例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。
本参考例では、図１６（ａ）に示すように、各高電位期６０の間に逆電位期７０の電圧を選択的に出力することにより、大きさの異なる２種類のインク滴を吐出するようにした例である。
すなわち、逆電位期７０を介さずに高電位期６０の電圧を連続的に出力するようにした場合、高電位期６０を経た後の圧電体素子４０の変位は、図１６（ｂ）に示すように、中間変位ＤＭ'となる。このため、その後の高電位期６０の収縮工程６３による実際の圧電体素子４０の変位量ｄ１は、中間変位ＤＭを経た場合の変位量ｄ２よりも小さくなってしまい、吐出されるインク滴の大きさは、中間変位ＤＭを経た場合の大きさ（ノーマルドット径）よりも小さくなる。
ただし、この各高電位期６０の後の中間変位ＤＭ'は、ほぼ一定の変位となる。すなわち、高電位期６０の電圧を連続的に圧電体素子４０に出力した場合、吐出されるインク滴の大きさは、ノーマルドット径よりも小さくなるが、各インク滴の大きさは略一定の大きさとなる。
一方、高電位期６０の間に逆電位期７０の電圧を出力した場合、その後の高電位期６０の収縮工程６３による圧電体素子４０の実際の変位量ｄ３は、中間変位ＤＭを経た場合の変位量ｄ２と略同一となるため、ノーマルドット径のインク滴が吐出される。
したがって、逆電位期７０を選択的に出力することにより、大きさの異なる２種類のインク滴を容易に吐出させることができる。
例えば、高電位期６０と逆電位期７０とを圧電体素子４０に出力することにより、ノーマルドット径のインク滴を吐出させることができる。そして、逆電位期７０を介することなく高電位期６０を連続的に出力することにより、小ドット径のインク滴を吐出させることができる。
このように、駆動信号の制御のみによってドットの階調制御を行うことができ、高品質印刷を比較的容易に実現できる。
本発明の液体吐出ヘッドの駆動方法及び液体吐出装置は、インクジェット記録装置に用いられるインクを吐出するヘッド以外にも、液晶ディスプレイ等のためのカラーフィルタの製造に用いられる色材を含む液体を吐出するヘッド、有機ＥＬディスプレイやＦＥＤ（面発光ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料を含む液体を吐出するヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物を含む液体を吐出するヘッド等、種々の液体を噴射するヘッドに適用することが可能である。 <12. 10th Reference Example>
FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the drive signal and the displacement of the piezoelectric element according to the tenth reference example.
In this reference example, as shown in FIG. 16A, by selectively outputting the voltage of the reverse potential period 70 between each high potential period 60, two types of ink droplets having different sizes are ejected. This is an example.
That is, when the voltage of the high potential period 60 is continuously output without passing through the reverse potential period 70, the displacement of the piezoelectric element 40 after the high potential period 60 is shown in FIG. Thus, the intermediate displacement DM ′ is obtained. For this reason, the actual displacement amount d1 of the piezoelectric element 40 due to the subsequent contraction process 63 of the high potential period 60 becomes smaller than the displacement amount d2 when the intermediate displacement DM is passed, and the size of the ejected ink droplets. This is smaller than the size (normal dot diameter) when the intermediate displacement DM is passed.
However, the intermediate displacement DM ′ after each high potential period 60 is a substantially constant displacement. That is, when the voltage of the high potential period 60 is continuously output to the piezoelectric element 40, the size of the ejected ink droplet is smaller than the normal dot diameter, but the size of each ink droplet is substantially constant. It becomes size.
On the other hand, when the voltage of the reverse potential period 70 is output during the high potential period 60, the actual displacement amount d3 of the piezoelectric element 40 in the subsequent contraction process 63 of the high potential period 60 is the value when the intermediate displacement DM is passed. Since it is substantially the same as the displacement amount d2, an ink droplet having a normal dot diameter is ejected.
Therefore, by selectively outputting the reverse potential period 70, two types of ink droplets having different sizes can be easily ejected.
For example, by outputting the high potential period 60 and the reverse potential period 70 to the piezoelectric element 40, ink droplets having a normal dot diameter can be ejected. Then, by continuously outputting the high potential period 60 without going through the reverse potential period 70, it is possible to eject ink droplets having a small dot diameter.
Thus, dot gradation control can be performed only by controlling the drive signal, and high-quality printing can be realized relatively easily.
The liquid ejection head driving method and liquid ejection apparatus according to the present invention ejects a liquid containing a color material used for manufacturing a color filter for a liquid crystal display or the like in addition to an ink ejection head used in an ink jet recording apparatus. Various liquids, such as a head that discharges a liquid containing an electrode material used for electrode formation, such as an organic EL display or an FED (surface emitting display), a head that discharges a liquid containing a bio-organic material used in biochip manufacturing, etc. It is possible to apply to the head which injects.

図１は、本発明の実施形態による液体吐出装置であるプリンタの構造を説明する斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating the structure of a printer that is a liquid ejection apparatus according to an embodiment of the present invention. 図２は、上記プリンタの電気的構成を示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram showing the electrical configuration of the printer. 図３は、上記プリンタに用いられるインクジェット式記録ヘッドの構造の説明図である。FIG. 3 is an explanatory diagram of the structure of an ink jet recording head used in the printer. 図４は、上記インクジェット式記録ヘッドのさらに具体的な構造を説明する断面図である。FIG. 4 is a cross-sectional view illustrating a more specific structure of the ink jet recording head. 図５は、上記インクジェット式記録ヘッドの電気的構成を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing an electrical configuration of the ink jet recording head. 図６は、図５において圧電素子に駆動パルスを印加する手順を説明する図である。FIG. 6 is a diagram illustrating a procedure for applying a drive pulse to the piezoelectric element in FIG. 図７は、第１参考例の液体吐出装置及び駆動方法による、駆動波形の波形図である。FIG. 7 is a waveform diagram of drive waveforms according to the liquid ejection apparatus and drive method of the first reference example. 図８は、第１参考例の駆動波形による圧電体薄膜素子の変位量の測定結果を示すグラフである。FIG. 8 is a graph showing the measurement result of the displacement amount of the piezoelectric thin film element by the driving waveform of the first reference example. 図９は、圧電体薄膜の電界強度（Ｅ）に対する歪み（Ｓ）の特性を示すグラフである。FIG. 9 is a graph showing the distortion (S) characteristics with respect to the electric field strength (E) of the piezoelectric thin film. 図１０（Ａ）は、第２参考例及び第４参考例の液体吐出装置により圧電体素子に印加される電圧波形の例を示す波形図であり、図１０（Ｂ）は、第１実施例及び第２実施例の液体吐出装置により圧電体素子に印加される電圧波形の例を示す波形図である。FIG. 10A is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform applied to the piezoelectric element by the liquid ejection devices of the second reference example and the fourth reference example, and FIG. 10B shows the first embodiment. FIG. 6 is a waveform diagram showing an example of a voltage waveform applied to the piezoelectric element by the liquid ejection device of the second embodiment. 図１１は、第６参考例及び第７参考例による駆動波形を示す図である。FIG. 11 is a diagram illustrating drive waveforms according to the sixth reference example and the seventh reference example. 図１２は、第６参考例及び第７参考例の駆動波形を用いて圧電体薄膜を駆動した場合の変位の推移を示す図である。FIG. 12 is a diagram showing a transition of displacement when the piezoelectric thin film is driven using the driving waveforms of the sixth reference example and the seventh reference example. 図１３は、第６参考例及び第７参考例の駆動波形により駆動した場合の振動板の変位速度の推移を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating the transition of the displacement speed of the diaphragm when driven by the drive waveforms of the sixth reference example and the seventh reference example. 図１４は、第８参考例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。FIG. 14 is a diagram illustrating an example of the drive signal and the displacement of the piezoelectric element according to the eighth reference example. 図１５は、第９参考例に係る駆動信号の例を示す図である。FIG. 15 is a diagram illustrating examples of drive signals according to the ninth reference example. 図１６は、第１０参考例に係る駆動信号及び圧電素子の変位の一例を示す図である。FIG. 16 is a diagram illustrating an example of the drive signal and the displacement of the piezoelectric element according to the tenth reference example.

Explanation of symbols

１０はノズル板、２０は圧力室基板、３０は振動板、３１は絶縁膜、３２は下部電極、４０は圧電体素子、４１は圧電体薄膜層、４２は上部電極、２１は圧力室である。 10 is a nozzle plate, 20 is a pressure chamber substrate, 30 is a diaphragm, 31 is an insulating film, 32 is a lower electrode, 40 is a piezoelectric element, 41 is a piezoelectric thin film layer, 42 is an upper electrode, and 21 is a pressure chamber. .

Claims

A liquid discharge head that includes a piezoelectric element having a piezoelectric body and an electrode that applies a voltage to the piezoelectric body, and discharges liquid by causing a pressure change in a pressure chamber by applying a drive waveform to the piezoelectric element. Because
The drive waveform includes a high potential period in which the highest potential in the drive waveform is applied, and a reverse potential period in which a voltage whose potential is opposite to that of the high potential period is applied to draw the meniscus into the nozzle ,
The absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body in the reverse potential period is larger than the coercive electric field of the piezoelectric body,
The time during which the voltage is applied during the reverse potential period is a time during which the direction in which the piezoelectric body is distorted does not reverse during the reverse potential period.

The liquid discharge head according to claim 1,
The liquid ejection head, wherein the time during which the voltage is applied in the reverse potential period is 2 μsec or less.

The liquid discharge head according to claim 1 or 2,
The liquid ejection head, wherein an absolute value of the potential in the reverse potential period is equal to or less than an absolute value of the potential in the high potential period.

The liquid discharge head according to any one of claims 1 to 3 ,
The liquid ejection head, wherein the driving waveform is applied during a printing operation.

With a liquid discharge head according to any one claims 1 to 4, the liquid ejection apparatus.

A liquid discharge head that includes a piezoelectric element having a piezoelectric body and an electrode that applies a voltage to the piezoelectric body, and discharges liquid by causing a pressure change in a pressure chamber by applying a drive waveform to the piezoelectric element. Driving method,
The drive waveform includes a high potential period in which the highest potential in the drive waveform is applied, and a reverse potential period in which a voltage whose potential is opposite to that of the high potential period is applied to draw the meniscus into the nozzle ,
The absolute value of the electric field strength in the piezoelectric body in the reverse potential period is larger than the coercive electric field of the piezoelectric body,
The method for driving a liquid ejection head, wherein the time during which the voltage is applied during the reverse potential period is a time during which the direction in which the piezoelectric body is distorted does not reverse during the reverse potential period.