JP5831475B2 - Droplet discharge head, voltage control method, and image forming apparatus - Google Patents

Droplet discharge head, voltage control method, and image forming apparatus Download PDF

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

プリンタ、ファクシミリ、複写装置、プロッタ等の画像記録装置または画像形成装置として、液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えた画像記録装置または画像形成装置が知られている。このような液滴吐出ヘッドとして、ノズル孔と連通する加圧室(インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される。)に圧電素子などの電気機械変換素子で圧力変動を発生させることで、ノズル孔から液滴を吐出させる方式がある。この方式では複数のものが実用化され、製品化されている。一例としては、加圧室内にヒータなどの電気熱変換素子を設置することで液体を気化させ、圧力変動を利用するサーマルインクジェット方式、加圧室に圧電素子などの電気機械変換素子を設置する方式が挙げられる。また、インク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなるエネルギー発生手段とを備えて、エネルギー発生手段で発生したエネルギーで加圧室内の液滴を加圧する方式も挙げられる。電気機械変換素子として、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものとの2種類が実用化されている。   As an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile, a copying apparatus, or a plotter, an image recording apparatus or an image forming apparatus provided with a droplet discharge head that discharges droplets is known. As such a droplet discharge head, an electromechanical conversion of a piezoelectric element or the like in a pressurizing chamber (also referred to as an ink flow path, a pressurized liquid chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, or a liquid chamber) communicating with the nozzle hole. There is a system in which droplets are ejected from nozzle holes by generating pressure fluctuations in the element. In this system, a plurality of systems have been put into practical use and commercialized. As an example, a thermal ink jet system that uses a pressure fluctuation to vaporize liquid by installing an electrothermal conversion element such as a heater in the pressurizing chamber, and a system that installs an electromechanical conversion element such as a piezoelectric element in the pressurizing chamber Is mentioned. Further, there may be mentioned a system that includes a vibration plate that forms the wall surface of the ink flow path and an energy generating means that includes an electrode facing the diaphragm, and pressurizes the droplets in the pressurizing chamber with the energy generated by the energy generating means. Two types of electromechanical transducers have been put into practical use: those using a piezoelectric actuator in a longitudinal vibration mode that extends and contracts in the axial direction of the piezoelectric element, and those using a piezoelectric actuator in a flexural vibration mode.

ここで、液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置では、従来より、液滴吐出ヘッドの液滴の安定した吐出特性を確保する上で、液滴の乾燥および温度に起因した液滴の粘度変化に対する対策が施されてきた(例えば、特許文献1〜6参照)。特許文献1では、液滴の乾燥を防止する対策として、ノズルに微駆動波形を印加することで個別液室内の液を攪拌し、メニスカスの乾燥を抑制する提案がされている。また、特許文献2では、液滴の乾燥後のメンテナンス動作として、吸引時に空吐出波形を印加することが提案されている。また、温度特性に対する対策として、特許文献3〜6では、温度検出手段と加熱用信号、予備波形あるいは微駆動波形を具備して温度制御することで吐出安定性を確保することが提案されている。   Here, in an ink jet recording apparatus equipped with a droplet discharge head, in order to ensure stable discharge characteristics of the droplet of the droplet discharge head, the viscosity change of the droplet due to the drying and temperature of the droplet has been conventionally Measures have been taken (see, for example, Patent Documents 1 to 6). In Patent Document 1, as a measure for preventing the drying of droplets, a proposal is made to stir the liquid in the individual liquid chamber by applying a fine driving waveform to the nozzle to suppress the drying of the meniscus. Further, Patent Document 2 proposes applying an idle discharge waveform during suction as a maintenance operation after drying the droplets. As countermeasures against temperature characteristics, Patent Documents 3 to 6 propose that temperature control is provided and temperature control is performed with a temperature detection means and a heating signal, a preliminary waveform, or a fine drive waveform to ensure ejection stability. .

そして、吐出する液滴の適用範囲が広く、今後の高精細化に向けた要求に対して、電気機械変換素子のたわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが注目されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成されており、アクチュエータの変位を稼ぐために駆動電圧としては、抗電界を越える電圧を印加する必要がある。   And the application range of the droplet to discharge is wide, and the thing using the piezoelectric actuator of the bending vibration mode of an electromechanical conversion element attracts attention with respect to the request | requirement for future high definition. In the case of using an actuator in the flexural vibration mode, a uniform piezoelectric material layer is formed over the entire surface of the diaphragm by film formation technology. It is necessary to apply a voltage exceeding.

しかしながら、このように抗電界を越える電圧を印加することで、吐出特性を確保した場合でも、吐出を中断し再開するに当たり、液滴の乾燥および液滴の粘度が一定であっても吐出特性が変化してしまうことがある。   However, even when the discharge characteristics are secured by applying a voltage exceeding the coercive electric field in this way, when the discharge is interrupted and restarted, the discharge characteristics can be maintained even when the droplet drying and the droplet viscosity are constant. It may change.

本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、液滴吐出の中断前後における吐出特性を安定化させることが可能な液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの電圧制御方法、およびこの液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, a droplet discharge head capable of stabilizing the discharge characteristics before and after interruption of droplet discharge, a voltage control method for the droplet discharge head, and the liquid An object of the present invention is to provide an image forming apparatus including a droplet discharge head.

上記の目的を達成するため、本願に係る液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する液室と、液室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、液室内に圧力変動を発生させる電気機械変換素子と、を備え、電気機械変換素子に、正側の抗電界を越える電圧波形を印加してノズルから液滴を吐出するとともに、液滴の吐出開始前に、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、液滴を吐出させない電圧波形を、電気機械変換素子に印加し、電気機械変換素子の分極方向に対して、負側抗電界を越えない範囲で負バイアスまで電圧波形を印加することで、ノズルから液滴を吐出するとともに、液滴を吐出させない電圧波形の印加時にも、負バイアスまで印加することを特徴とする。 In order to achieve the above object, a droplet discharge head according to the present application is provided with a nozzle for discharging droplets, a liquid chamber communicating with the nozzle, a diaphragm provided on the liquid chamber, and a diaphragm. An electromechanical transducer that generates pressure fluctuations in the liquid chamber by vibrating the diaphragm, and a voltage waveform exceeding the coercive electric field on the positive side is applied to the electromechanical transducer and the liquid droplets are ejected from the nozzle. And a voltage waveform that does not cause the liquid droplets to be discharged is applied to the electromechanical conversion element before the liquid droplet discharge starts, and has a portion that exceeds and falls below the positive coercive electric field. By applying a voltage waveform up to a negative bias within a range that does not exceed the negative coercive field with respect to the polarization direction, a negative bias is applied even when a voltage waveform that does not eject a droplet is ejected from the nozzle. and applying to

本発明によれば、吐出中断前後の電気機械変換素子の分極特性を安定化することにより、吐出特性を安定化させることが可能な液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドの電圧制御方法、および、この液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置を提供することができる。   According to the present invention, by stabilizing the polarization characteristics of the electromechanical conversion element before and after the discharge interruption, the droplet discharge head capable of stabilizing the discharge characteristics, the voltage control method of the droplet discharge head, and An image forming apparatus provided with this droplet discharge head can be provided.

液滴吐出ヘッドの基本構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the basic structural example of a droplet discharge head. PZT膜の微細分域構造の模式拡大図であって、(a)は分極処理前のPZT膜分域の分極方向を示し、(b)は分極処理後のPZT膜分域の分極方向状態を示す。It is the model enlarged view of the fine domain structure of a PZT film, (a) shows the polarization direction of the PZT film domain before polarization treatment, (b) shows the polarization direction state of the PZT film domain after polarization treatment. Show. PZT膜の分極処理後の分極特性を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization characteristic after the polarization process of a PZT film | membrane. 本願の各実施例に係る液滴吐出ヘッドに用いられる電気機械変換素子の構成例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the electromechanical conversion element used for the droplet discharge head which concerns on each Example of this application. 各実施例に係る絶縁保護膜等を含む電気機械変換素子の構成を示し、(a)は断面図であり、(b)は第1絶縁保護膜の一部と、第2絶縁保護膜を省略した状態の平面図である。The structure of the electromechanical conversion element containing the insulation protective film etc. which concern on each Example is shown, (a) is sectional drawing, (b) abbreviate | omitted a part of 1st insulation protective film and a 2nd insulation protective film FIG. 比較例での液滴吐出中断前後の、液滴吐出ヘッドの挙動を説明するための説明図であって、(a)は液滴吐出中断前後の液滴速度Vjの変化を示すグラフであり、(b)はユニポーラ駆動時の分極ヒステリシスを示すグラフである。It is explanatory drawing for demonstrating the behavior of a droplet discharge head before and after the droplet discharge interruption in a comparative example, and (a) is a graph showing the change of the droplet velocity Vj before and after the droplet discharge interruption, (B) is a graph which shows the polarization hysteresis at the time of a unipolar drive. 実施例1における、ならし電圧波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。3 is a graph showing the voltage of a leveled voltage waveform and the application time in Example 1. 実施例2における、ならし電圧波形の電圧と印加時間とを示すグラフである。It is a graph which shows the voltage and application time of a leveling voltage waveform in Example 2. 実施例3における、逆バイアスからの電圧と印加時間とを示すグラフである。10 is a graph showing a voltage from reverse bias and application time in Example 3. 実施例4の液滴吐出時の電圧制御の手順を示すフローチャートである。10 is a flowchart illustrating a voltage control procedure when a droplet is discharged according to a fourth exemplary embodiment. 本願の画像形成装置に係る実施例5の主要機構部の構成を示す概略図である。It is the schematic which shows the structure of the main mechanism part of Example 5 which concerns on the image forming apparatus of this application. 図11の主要機構部の要部の概略平面図である。It is a schematic plan view of the principal part of the main mechanism part of FIG.

以下、本願に係る液滴吐出ヘッドの実施形態について説明する。まず、液滴吐出ヘッドの基本的な構成例を、図1〜図3を参照して説明する。図1は、液滴吐出ヘッドの基本構成を示す断面図である。図2は、ピエゾアクチュエータのPZT膜の分極方向を説明するための模式図である。図3は、PZT膜の分極処理後の分極特性を示すグラフである。   Hereinafter, embodiments of the droplet discharge head according to the present application will be described. First, a basic configuration example of a droplet discharge head will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a droplet discharge head. FIG. 2 is a schematic diagram for explaining the polarization direction of the PZT film of the piezoelectric actuator. FIG. 3 is a graph showing the polarization characteristics after the polarization treatment of the PZT film.

[液滴吐出ヘッドの基本構成]
図1に示すように、液滴吐出ヘッド300は、液滴を吐出するノズル302を有するノズル板303と、ノズル302が連通する加圧室(インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも呼ばれる)301と、この加圧室301内の液滴を加圧する電気機械変換素子としての圧電素子309と、加圧室301が設けられた圧力室基板304と、加圧室301および圧電素子309間に設けられた振動板(下地)305と、圧電素子309の駆動を制御する駆動回路部材(図示せず)と、等を備えて構成されている。
[Basic configuration of droplet discharge head]
As shown in FIG. 1, a droplet discharge head 300 includes a nozzle plate 303 having nozzles 302 for discharging droplets, and a pressure chamber (an ink flow path, a pressure liquid chamber, a pressure chamber, a discharge chamber) that communicates with the nozzle 302. 301, also referred to as a chamber, a liquid chamber, or the like), a piezoelectric element 309 as an electromechanical transducer that pressurizes droplets in the pressurizing chamber 301, a pressure chamber substrate 304 provided with the pressurizing chamber 301, and pressurization A diaphragm (base) 305 provided between the chamber 301 and the piezoelectric element 309, a drive circuit member (not shown) for controlling driving of the piezoelectric element 309, and the like are configured.

[電気機械変換素子(圧電素子)の基本構成]
まず、液滴吐出ヘッド300に用いられる圧電素子309として、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものについて説明する。このたわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層を、リソグラフィ法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室(加圧室301)に対して、独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
[Basic configuration of electromechanical transducer (piezoelectric)]
First, the piezoelectric element 309 used in the droplet discharge head 300 will be described using a flexural vibration mode piezoelectric actuator. As an example of using the actuator of this flexural vibration mode, for example, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm, and this piezoelectric material layer is formed into a pressure generating chamber by a lithography method. A device in which a piezoelectric element is formed so as to be independent of each pressure generating chamber (pressurizing chamber 301) by dividing into corresponding shapes is known.

また、たわみ振動モードのアクチュエータに使用される圧電素子(電気機械変換素子)309としては、例えば、図1に示すものでは、共通電極である下部電極306と、下部電極306上に形成された電気機械変換膜としてのPZT膜(圧電体層)307と、PZT膜307上に形成された個別電極である上部電極308とで構成されている。さらに、上部電極308上には、層間絶縁膜(図示せず)が形成されて、下部電極306と上部電極308との絶縁が図られ、この層間絶縁膜に開口されたコンタクトホール(図示せず)を介して、上部電極308に電気的に接続される配線が設けられた構造となっている。   In addition, as the piezoelectric element (electromechanical conversion element) 309 used for the actuator in the flexural vibration mode, for example, in the one shown in FIG. 1, the lower electrode 306 that is a common electrode and the electric electrode formed on the lower electrode 306 are used. A PZT film (piezoelectric layer) 307 serving as a mechanical conversion film and an upper electrode 308 that is an individual electrode formed on the PZT film 307 are configured. Further, an interlayer insulating film (not shown) is formed on the upper electrode 308 to insulate the lower electrode 306 and the upper electrode 308, and a contact hole (not shown) opened in the interlayer insulating film. ), And a wiring electrically connected to the upper electrode 308 is provided.

また、図2に、PZT膜の微細分域構造の模式図を示した。この図2(a)に示すように、圧印加直前においてPZT膜の圧電体結晶は、分極の向きがランダムな状態となっている。これに電圧印加を繰り返すことで、図2(b)に示すように、圧電体結晶は分極の向きが揃ったドメインの集合体となってくる。このため、電圧印加を行う前から分極の向きを揃えることが試されており、エージング工程またはポーリング(分極処理)工程と称した所定駆動電圧に対して変位量を安定化させる工夫が行われてきた。具体的には、圧電素子に対して駆動パルス電圧を超える高電圧を印加するような手法が行われている。また電極と電荷供給手段との間に電圧を印加してコロナ放電を生じさせることにより、電荷を供給し、圧電体内に電界を発生させる工夫が行われている。分極処理後の分極特性を図3に示す。   FIG. 2 shows a schematic diagram of the fine domain structure of the PZT film. As shown in FIG. 2A, the polarization direction of the piezoelectric crystal of the PZT film is in a random state immediately before the pressure is applied. By repeating the voltage application to this, as shown in FIG. 2B, the piezoelectric crystal becomes an aggregate of domains in which the directions of polarization are aligned. For this reason, attempts have been made to align the direction of polarization before voltage application, and efforts have been made to stabilize the amount of displacement with respect to a predetermined drive voltage called an aging process or a poling (polarization process) process. It was. Specifically, a technique is applied in which a high voltage exceeding the drive pulse voltage is applied to the piezoelectric element. Further, a device has been devised in which a voltage is applied between the electrode and the charge supply means to generate a corona discharge, thereby supplying a charge and generating an electric field in the piezoelectric body. FIG. 3 shows the polarization characteristics after the polarization treatment.

ここで、吐出する液滴の適用範囲が広く、今後の高精細化に向けた要求に対して、電気機械変換素子のたわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが注目されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成されている。このようなアクチュエータでは、変位を稼ぐために、駆動電圧としては抗電界を越える電圧を印加する必要がある。   Here, the application range of the droplets to be ejected is wide, and attention is paid to the use of a piezoelectric actuator of a flexural vibration mode of an electromechanical transducer in response to a demand for higher definition in the future. As an actuator using a flexural vibration mode actuator, a uniform piezoelectric material layer is formed by a film forming technique over the entire surface of the diaphragm. In such an actuator, it is necessary to apply a voltage exceeding the coercive electric field as a driving voltage in order to earn displacement.

発明者は、このような圧電アクチュエータを鋭意開発し、吐出特性の安定性を評価した。その結果、抗電界を越える電圧を印加して吐出特性を確保している液滴吐出ヘッドにおいて、吐出を中断し再開するに当たり、液滴の乾燥および液滴の粘度が一定でも吐出特性が変化してしまうことが分かった。この現象を解析した結果、電気機械変換素子の分極特性が中断することにより、吐出特性が変動していることが分かった。このため、液滴の吐出中断前後の電気機械変換素子の分極特性を安定化することにより、吐出特性を安定化させる本願の液体吐出ヘッド等を発明するに至った。   The inventor diligently developed such a piezoelectric actuator and evaluated the stability of ejection characteristics. As a result, in a droplet discharge head that secures the discharge characteristics by applying a voltage that exceeds the coercive electric field, the discharge characteristics change even when the droplet drying and the viscosity of the droplets are constant. I found out. As a result of analyzing this phenomenon, it has been found that the ejection characteristics fluctuate because the polarization characteristics of the electromechanical transducer are interrupted. For this reason, the present inventors have invented the liquid discharge head of the present application that stabilizes the discharge characteristics by stabilizing the polarization characteristics of the electromechanical conversion element before and after interruption of droplet discharge.

すなわち、本願の液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、ノズルに連通する液室と、液室上に設けられた振動板と、振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、液室内に圧力変動を発生させる電気機械変換素子と、を備えて構成する、   That is, the droplet discharge head of the present application includes a nozzle for discharging droplets, a liquid chamber communicating with the nozzle, a vibration plate provided on the liquid chamber, and a vibration plate provided on the vibration plate to vibrate the vibration plate. And an electromechanical conversion element that generates pressure fluctuations in the liquid chamber.

上述のような液滴吐出ヘッドでは、液滴吐出の際には、電気機械変換素子に、正側の抗電界を越える電圧波形を印加してノズルから液滴を吐出する。また、液滴の吐出を中断し、再開する際には、この液滴の吐出開始前に、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、液滴を吐出させない電圧波形を、電気機械変換素子に印加する。以下、この「正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、液滴を吐出させない電圧波形」を「ならし電圧波形」と呼ぶ。本願では、このように、吐出開始前に「ならし電圧波形」を印加することで、電気機械変換素子の分極特性を安定化させることができ、液滴の吐出特性を向上させて、良好な印字を長期に維持することができる。また、液滴の無駄な吐出を省いて、消耗品の低コスト化等も可能となる。   In the liquid droplet ejection head as described above, when a liquid droplet is ejected, a voltage waveform exceeding the coercive electric field on the positive side is applied to the electromechanical conversion element to eject the liquid droplet from the nozzle. In addition, when the discharge of the droplet is interrupted and restarted, before starting the discharge of the droplet, a voltage waveform that has a portion that exceeds the positive coercive field and a portion that falls below the coercive field on the positive side and does not discharge the droplet, Applied to the electromechanical transducer. Hereinafter, this “voltage waveform that has a portion exceeding the positive coercive electric field and a portion below the coercive electric field and does not discharge the droplet” will be referred to as a “normalized voltage waveform”. In the present application, by applying the “leveling voltage waveform” before the start of ejection in this way, the polarization characteristics of the electromechanical transducer can be stabilized, and the ejection characteristics of the droplets can be improved. Printing can be maintained for a long time. Further, it is possible to reduce the cost of consumables by eliminating unnecessary discharge of droplets.

また、本願の液滴吐出ヘッドは、電気機械変換素子の分極方向に対して、負側抗電界を越えない範囲で負バイアスまで電圧波形を印加することで、ノズルから液滴を吐出するとともに、ならし電圧波形の印加時にも、負バイアスまで印加するように構成してもよい。このように、電気機械変換素子の分極方向に対して、逆バイアス波形を印加して駆動する液体吐出するとともに、ならし電圧波形も逆バイアスまで印加することで、アクチュエータとしての変位効率を向上できるとともに吐出特性の安定化の向上を図ることができる。   In addition, the droplet discharge head of the present application discharges droplets from the nozzle by applying a voltage waveform up to a negative bias in a range not exceeding the negative coercive electric field with respect to the polarization direction of the electromechanical transducer, Even when the leveling voltage waveform is applied, the negative bias may be applied. As described above, by applying the reverse bias waveform to the polarization direction of the electromechanical conversion element and ejecting the liquid, and applying the leveling voltage waveform up to the reverse bias, the displacement efficiency as the actuator can be improved. At the same time, it is possible to improve the stabilization of the discharge characteristics.

また、本願の液滴吐出ヘッドは、ならし電圧波形として、電気機械変換素子の負側抗電界を越えない範囲の負バイアスから印加可能な正側の最大電源電圧までの範囲で電気機械変換素子に電圧を印加するよう構成してもよい。このように、ならし電圧波形として電気機械変換素子の負側抗電界を越えない範囲で逆バイアスから、印加可能な正側の最大電圧までの範囲で印加することで、印加電圧範囲全般での分極特性をより安定化することができる。   In addition, the droplet discharge head of the present application uses an electromechanical conversion element in a range from a negative bias in a range not exceeding the negative coercive electric field of the electromechanical conversion element to a maximum power supply voltage that can be applied as a leveling voltage waveform. You may comprise so that a voltage may be applied to. In this way, by applying a voltage waveform in the range from reverse bias to the maximum voltage on the positive side that can be applied within the range that does not exceed the negative coercive field of the electromechanical transducer, Polarization characteristics can be further stabilized.

また、本願の液滴吐出ヘッドは、ならし電圧波形の液滴を吐出させる側に変位する電圧の立上り速度を、液滴の吐出時の吐出波形の電圧の立上り速度よりも遅くする電圧波形とするように構成してもよい。この構成により、ならし波形での消費電流を抑えることができる。   In addition, the droplet discharge head of the present application has a voltage waveform that makes the rising speed of the voltage displaced toward the discharge side of the liquid droplet of the leveled voltage waveform slower than the rising speed of the voltage of the discharge waveform at the time of discharging the droplet. You may comprise. With this configuration, it is possible to suppress current consumption in the leveling waveform.

また、本願の液滴吐出ヘッドは、ならし電圧波形の電圧立上り速度と立下り速度とを、液滴の吐出時の吐出波形の電圧の立上り速度と立下がり速度よりも、各々遅くする電圧波形を印加するように構成してもよい。この構成により、ならし電圧波形の電圧の印加時のヘッド発熱を抑えることで、温度上昇を抑えることができ、空吐出なしで吐出動作が可能となり、記録液の無駄な消費も抑えることができる。   Further, the droplet discharge head of the present application has a voltage waveform that makes the voltage rising speed and falling speed of the leveling voltage waveform slower than the rising speed and falling speed of the discharge waveform voltage at the time of discharging the droplet, respectively. May be applied. With this configuration, it is possible to suppress the temperature rise by suppressing the head heat generation during the application of the voltage of the leveled voltage waveform, it is possible to perform the ejection operation without empty ejection, and it is possible to suppress wasteful consumption of the recording liquid. .

また、本願の液滴吐出ヘッドは、ならし電圧波形として、三角波形を印加するように構成してもよく、高電界を電気機械変換素子に掛け続けることによる分極特性変化を抑止することができる。   Further, the droplet discharge head of the present application may be configured to apply a triangular waveform as the leveling voltage waveform, and can suppress a change in polarization characteristics caused by continuously applying a high electric field to the electromechanical transducer. .

また、本願の電圧制御方法は、振動板を振動させることにより、ノズルに連通する液室に圧力変動を発生させる電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの電圧制御方法であり、液滴吐出ヘッドの電気機械変換素子に、正側の抗電界を越える電圧波形を印加して液滴を吐出させる工程と、吐出を開始するときに、吐出終了後から吐出開始までの間に中断時間があった場合に、該吐出前に、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、液滴を吐出させない電圧波形を、電気機械変換素子に印加する工程と、を有している。このように、吐出終了から吐出開始までの中断時間の状態により、ならし波形印加の実施の有無を判断することで、メンテナンス時間を低減することができる。   The voltage control method of the present application is a voltage control method for a droplet discharge head provided with an electromechanical transducer that generates a pressure fluctuation in a liquid chamber communicating with a nozzle by vibrating a diaphragm. There is an interruption time between the end of discharge and the start of discharge when applying the voltage waveform exceeding the positive coercive electric field to the electromechanical transducer of the head and discharging the droplet. In this case, a step of applying, to the electromechanical conversion element, a voltage waveform that has a portion that exceeds and falls below the positive coercive electric field and does not cause the droplets to be discharged is included. As described above, the maintenance time can be reduced by determining whether or not the smoothing waveform application is performed according to the state of the interruption time from the discharge end to the discharge start.

また、本願の電圧制御方法は、液滴吐出ヘッドからの液滴の吐出終了から吐出開始までの中断時間に対応して、液滴を吐出させない電圧波形を印加する時間を変更することが好ましい。これにより、吐出終了から印字開始までの中断時間に対応して、ならし波形の印加時間を変更することで、メンテナンス時間の最適化が可能となる。   Further, in the voltage control method of the present application, it is preferable to change the time for applying the voltage waveform that does not cause the droplets to be ejected, corresponding to the interruption time from the end of ejection of the droplets from the droplet ejection head to the start of ejection. As a result, the maintenance time can be optimized by changing the application time of the leveling waveform corresponding to the interruption time from the end of ejection to the start of printing.

また、本願の電圧制御方法は、電気機械変換素子に対して、逆バイアスまで電圧を印加して、液滴を吐出し、電圧印加終了時には、電気機械変換素子の分極方向に対して、正側バイアスを印加した後、電気機械変換素子への電圧印加を終了することが好ましい。これにより、電気機械変換素子が分極反転することなく、安定した分極特性を確保することができる。   In addition, the voltage control method of the present application applies a voltage to the electromechanical conversion element up to a reverse bias, discharges a droplet, and at the end of voltage application, the positive side with respect to the polarization direction of the electromechanical conversion element After applying the bias, the voltage application to the electromechanical conversion element is preferably terminated. As a result, stable polarization characteristics can be ensured without polarization reversal of the electromechanical transducer.

また、本願の画像形成装置は、上述のような液滴吐出ヘッドを有し、上述のような電圧制御方法を用いて、液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させる。そのため、液滴の吐出特性に優れた液滴吐出ヘッドによって画像形成を行うことにより、優れた画像品質を保持することができる。   In addition, the image forming apparatus of the present application has the above-described droplet discharge head, and uses the voltage control method as described above to land the droplet discharged from the droplet discharge head on the deposition medium. Therefore, excellent image quality can be maintained by forming an image with a droplet discharge head having excellent droplet discharge characteristics.

以下、本願の液滴吐出ヘッドに係る各実施例について、図面を参照して説明する。液滴吐出ヘッドの基本構成は、上記で図1を用いて説明したとおりであるため、液滴吐出ヘッドの詳細な構成については説明を省略する。以下では、各実施例の液滴吐出ヘッドで用いる電気機械変換素子の構成例について、図4、図5を参照して詳細に説明する。図4は電気機械変換素子の主要部分の構成例を示す拡大断面図である。図5は、絶縁保護膜等を含む電気機械変換素子のより詳細な構成例を示し、図5(a)は断面図であり、図5(b)は第1絶縁保護膜の一部と、第2絶縁保護膜を省略した状態での平面図である。   Embodiments of the droplet discharge head of the present application will be described below with reference to the drawings. Since the basic configuration of the droplet discharge head is as described above with reference to FIG. 1, description of the detailed configuration of the droplet discharge head is omitted. Below, the structural example of the electromechanical conversion element used with the droplet discharge head of each Example is demonstrated in detail with reference to FIG. 4, FIG. FIG. 4 is an enlarged cross-sectional view illustrating a configuration example of a main part of the electromechanical transducer. FIG. 5 shows a more detailed configuration example of an electromechanical transducer including an insulating protective film, etc., FIG. 5 (a) is a cross-sectional view, FIG. 5 (b) shows a part of the first insulating protective film, It is a top view in the state where the 2nd insulating protective film was omitted.

[電気機械変換素子の構成]
図4に示すように、本願に係る実施例の電気機械変換素子400は、アクチュエータ基板401、成膜振動板402、第1電極403、電気機械変換膜404、および、第2電極405を備えて構成されている。本願に係る実施例の電気機械変換素子400は、さらに、図5に示すように、保護膜としての第1絶縁保護膜406、第3電極408と第4電極409(引き出し配線)、および、第2絶縁保護膜407等を有する素子構成を有している。この電気機械変換素子400の駆動は、第1電極403および第2電極405が、それぞれ配線を介して接続された駆動IC等の駆動手段(図示せず)によって行われる。
[Configuration of electromechanical transducer]
As shown in FIG. 4, the electromechanical transducer 400 according to the embodiment of the present application includes an actuator substrate 401, a film formation diaphragm 402, a first electrode 403, an electromechanical transducer film 404, and a second electrode 405. It is configured. As shown in FIG. 5, the electromechanical transducer 400 according to the embodiment of the present application further includes a first insulating protective film 406 as a protective film, a third electrode 408 and a fourth electrode 409 (lead wiring), and a first 2 has an element structure including an insulating protective film 407 and the like. The electromechanical conversion element 400 is driven by driving means (not shown) such as a driving IC in which the first electrode 403 and the second electrode 405 are connected to each other through wiring.

図5に示すように、第1絶縁保護膜406はコンタクトホール部410を有しており、第1電極403と第3電極408、第2電極405と第4電極409とが、それぞれ導通した構成となっている。このとき、第1電極403および第3電極408を共通電極配線411とし、第2電極405および第4電極409を個別電極配線412として、共通電極411および個別電極配線412の上面に、これらを保護する第2絶縁保護膜407が形成されている。この第2絶縁保護膜407が一部開口されて(開口部O)、電極PADとして構成されている。共通電極配線411用に作製されたものを、共通電極PAD413、個別電極配線412用に作製されたものを、個別電極用PAD414としている。この共通電極配線411と個別電極配線412間に、電圧印加あるいはコロナ帯電により、分極処理を実施している。   As shown in FIG. 5, the first insulating protective film 406 has a contact hole portion 410, and the first electrode 403 and the third electrode 408, and the second electrode 405 and the fourth electrode 409 are electrically connected. It has become. At this time, the first electrode 403 and the third electrode 408 are used as the common electrode wiring 411, the second electrode 405 and the fourth electrode 409 are used as the individual electrode wiring 412, and these are protected on the upper surfaces of the common electrode 411 and the individual electrode wiring 412. A second insulating protective film 407 is formed. The second insulating protective film 407 is partially opened (opening portion O) to form an electrode PAD. The electrode prepared for the common electrode wiring 411 is referred to as a common electrode PAD 413, and the electrode manufactured for the individual electrode wiring 412 is referred to as an individual electrode PAD 414. A polarization process is performed between the common electrode wiring 411 and the individual electrode wiring 412 by voltage application or corona charging.

[電気機械変換素子の材料および工法]
以下に、電気機械変換素子400の各構成の材料および工法について具体的に説明する。
[Material and construction method of electromechanical transducer]
Below, the material and construction method of each structure of the electromechanical conversion element 400 are demonstrated concretely.

(アクチュエータ基板)
アクチュエータ基板401の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常100μm〜600μmの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、(100)、(110)、(111)と3種あるが、半導体産業では一般的に(100)、(111)が広く使用されている。本実施形態では、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図1に示すような加圧室301を作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していく。この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが一般的である。
(Actuator board)
As a material of the actuator substrate 401, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 μm to 600 μm. Although there are three types of plane orientations (100), (110), and (111), (100) and (111) are generally widely used in the semiconductor industry. In the present embodiment, a single crystal substrate mainly having a (100) plane orientation is mainly used. Further, when the pressurizing chamber 301 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. As an etching method in this case, it is common to use anisotropic etching.

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

(成膜振動板)
図1に示すように、PZT膜307によって発生した力を受けて、振動板(下地)305が変形変位して、加圧室301の液滴を吐出させる。そのため、図4に示す本願の実施例の成膜振動板402としては、所定の強度を有したものであることが好ましい。成膜振動板402の材料としては、ケイ素Si、二酸化ケイ素SiO2、窒化ケイ素Si34が挙げられ、これらを用いて振動板305をCVD法(Chemical Vapor Deposition)により作製したものが挙げられる。
(Film formation diaphragm)
As shown in FIG. 1, in response to the force generated by the PZT film 307, the vibration plate (base) 305 is deformed and displaced, and droplets in the pressurizing chamber 301 are ejected. Therefore, it is preferable that the film-forming diaphragm 402 of the embodiment of the present invention shown in FIG. 4 has a predetermined strength. Examples of the material of the film formation vibration plate 402 include silicon Si, silicon dioxide SiO 2 , and silicon nitride Si 3 N 4 , and a material in which the vibration plate 305 is manufactured by a CVD method (Chemical Vapor Deposition). .

成膜振動板402は、さらに、下部電極としての第1電極403、電気機械変換膜404の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気機械変換膜404としては、一般的に材料としてPZT(Pb(Zr,Ti)O、ジルコニウム酸−チタン酸鉛)が使用される。このことから、線膨張係数8×10-6(1/K)に近い線膨張係数として、5×10-6〜10×10-6の線膨張係数を有した材料が好ましく、さらには7×10-6〜9×10-6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。 It is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the first electrode 403 as the lower electrode and the electromechanical conversion film 404 for the film formation diaphragm 402. In particular, for the electromechanical conversion film 404, PZT (Pb (Zr, Ti) O, zirconate-lead titanate) is generally used as a material. Therefore, a material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 as a linear expansion coefficient close to 8 × 10 −6 (1 / K) is preferable, and further 7 × A material having a linear expansion coefficient of 10 −6 to 9 × 10 −6 is more preferable.

成膜振動板402の具体的な材料としては、酸化アルミニウムAl23、酸化ジルコニウムZrO2、酸化イリジウムIrO2、酸化ルテニウムRUO2、酸化タンタルTa2O5、酸化ハフニウムHfO2、酸化オスミウムOsO、酸化レニウムReO2、酸化ロジウムRh23、酸化パラジウムPdO、および、これらの化合物等が挙げられる。これらをスパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて成膜振動板402を作製することができる。成膜振動板402の膜厚としては、0.1μm〜10μmが好ましく、0.5μm〜3μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと、図1に示すような加圧室301の加工が行いにくくなり、この範囲より大きいと、成膜振動板402が変形変位しにくくなり、液滴の吐出が不安定になるため好ましくない。 Specific materials for the film formation diaphragm 402 include aluminum oxide Al 2 O 3 , zirconium oxide ZrO 2 , iridium oxide IrO 2 , ruthenium oxide RUO 2 , tantalum oxide Ta 2 O 5, hafnium oxide HfO 2 , osmium oxide OsO 4. , Rhenium oxide ReO 2 , rhodium oxide Rh 2 O 3 , palladium oxide PdO, and compounds thereof. The film-forming diaphragm 402 can be manufactured using a spin coater by using a sputtering method or a Sol-gel method. The film thickness of the film formation diaphragm 402 is preferably 0.1 μm to 10 μm, and more preferably 0.5 μm to 3 μm. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the pressurizing chamber 301 as shown in FIG. 1, and if it is larger than this range, the film-forming diaphragm 402 is difficult to deform and displace, and the discharge of the droplet becomes unstable. Therefore, it is not preferable.

(第1電極)
第1電極403としては、金属または金属と酸化物とから成ることが好ましい。ここで、どちらも成膜振動板402と第1電極403用の金属膜との間に、密着層(図示せず)を介在させて、双方の剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に、密着層含めて第1電極403の金属電極膜、酸化物電極膜の詳細について記載する。
(First electrode)
The first electrode 403 is preferably made of metal or a metal and an oxide. Here, in both cases, an adhesion layer (not shown) is interposed between the film formation diaphragm 402 and the metal film for the first electrode 403 so as to suppress both peeling and the like. The details of the metal electrode film and oxide electrode film of the first electrode 403 including the adhesion layer will be described below.

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

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

「金属電極膜」
金属電極膜の金属材料としては、従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金Ptが用いられているが、鉛Pbに対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、イリジウムIrや白金−ロジウム合金などの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地である成膜振動板402(特にSiO2)との密着性が悪いために、先の密着層を先に積層することが好ましい。
"Metal electrode film"
Conventionally, platinum Pt having high heat resistance and low reactivity has been used as the metal material of the metal electrode film, but it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead Pb. Examples include platinum group elements such as Ir and platinum-rhodium alloys, and alloy films thereof. In addition, when platinum is used, it is preferable that the previous adhesive layer is laminated first because the adhesiveness with the film-forming diaphragm 402 (particularly SiO 2 ) which is the base is poor.

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

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料としては、ストロンチウム・ルテニウム酸化物SrRuO3を用いることが好ましい。左記以外にも、Srx(A)(1−x)Ruy(1−y)、A=Ba,Ca、B=Co,Ni、x,y=0〜0.5で記述されるような材料も好適に挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。スパッタ条件によって、SrRuO3薄膜の膜質が変化する。そのため、特に結晶配向性を重視し、第1電極403のプラチナPt(111)にならって、SrRuO3膜(SRO成膜とも呼ぶ)についても(111)配向させるためには、成膜温度については500℃以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
"Oxide electrode film"
As a material for the oxide electrode film, strontium / ruthenium oxide SrRuO 3 is preferably used. In addition to the materials on the left, Srx (A) (1-x) Ruy (1-y), A = Ba, Ca, B = Co, Ni, x, y = 0 to 0.5 Preferably mentioned. The film forming method is produced by sputtering. The film quality of the SrRuO 3 thin film changes depending on the sputtering conditions. Therefore, in order to place the SrRuO 3 film (also referred to as SRO film formation) in the (111) orientation in accordance with the platinum Pt (111) of the first electrode 403 with particular emphasis on the crystal orientation, It is preferable to form a film by heating the substrate at 500 ° C. or higher.

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

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

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

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

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

成膜後のSrとRuの組成比については、Sr/Ruが0.82以上1.22以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなるため好ましくない。さらに、SRO膜の膜厚としては、40nm〜150nmが好ましく、50nm〜80nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと、初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない点や、PZTのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなるため好ましくない。また、この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。また比抵抗としては、5×10-3Ω・cm以下になっていることが好ましく、さらに1×10-3Ω・cm以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると、共通電極配線411として、第5電極(図示せず)との界面で接触抵抗が十分得られず、共通電極配線411として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。 Regarding the composition ratio of Sr and Ru after film formation, Sr / Ru is preferably 0.82 or more and 1.22 or less. If it is out of this range, the specific resistance increases, and sufficient conductivity as an electrode cannot be obtained. Furthermore, the film thickness of the SRO film is preferably 40 nm to 150 nm, and more preferably 50 nm to 80 nm. If the thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for initial displacement and displacement deterioration after continuous driving, and it is difficult to obtain a function as a stop etching layer for suppressing PZT overetching. Therefore, it is not preferable. On the other hand, exceeding this range is not preferable because the dielectric strength of PZT formed thereafter is poor and leaks easily. The specific resistance is preferably 5 × 10 −3 Ω · cm or less, and more preferably 1 × 10 −3 Ω · cm or less. If it is larger than this range, sufficient contact resistance cannot be obtained at the interface with the fifth electrode (not shown) as the common electrode wiring 411, and sufficient current cannot be supplied as the common electrode wiring 411. This is not preferable because a problem occurs when droplets are ejected.

(電気機械変換膜)
電気機械変換膜404の材料としては、PZTを主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛(PbTiO3)とチタン酸(PbTiO3)との固溶体であり、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成は、PbZrO3とPbTiO3との比率が53:47の割合である。化学式で示すと、Pb(Zr0.53,Ti0.47)O3、一般的にはPZT(53/47)と示される。
(Electromechanical conversion membrane)
As a material of the electromechanical conversion film 404, PZT was mainly used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and titanic acid (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, a composition exhibiting excellent piezoelectric characteristics has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47. The chemical formula indicates Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 , generally PZT (53/47).

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

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

電気機械変換膜404の作製方法としては、スパッタ法もしくは、Sol−gel法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。   As a method for manufacturing the electromechanical conversion film 404, it can be manufactured by a spin coater using a sputtering method or a Sol-gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

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

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

電気機械変換膜404の膜厚としては、0.5μm〜5μmが好ましく、1μm〜2μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと、十分な変位を発生することができなくなり、この範囲より大きいと何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなるので好ましくない。   The thickness of the electromechanical conversion film 404 is preferably 0.5 μm to 5 μm, and more preferably 1 μm to 2 μm. If it is smaller than this range, it will not be possible to generate a sufficient displacement, and if it is larger than this range, many layers will be stacked, which is not preferable because the number of steps increases and the process time becomes longer.

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

(第2電極)
第2電極405としては、金属または酸化物と金属とから成ることが好ましい。以下に、酸化物電極膜、金属電極膜の詳細について記載する。
(Second electrode)
The second electrode 405 is preferably made of a metal or an oxide and a metal. Details of the oxide electrode film and the metal electrode film are described below.

「酸化物電極膜」
酸化物電極膜の材料等については、第1電極403で使用した酸化物電極膜で記載したとおりである。SRO膜の膜厚としては、20nm〜80nmが好ましく、40nm〜60nmがさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られず、この範囲を超えると、その後成膜したPZTの絶縁耐圧が悪く、リークしやすくなるため好ましくない。
"Oxide electrode film"
The material or the like of the oxide electrode film is as described for the oxide electrode film used in the first electrode 403. The film thickness of the SRO film is preferably 20 nm to 80 nm, and more preferably 40 nm to 60 nm. If the film thickness is smaller than this range, sufficient characteristics cannot be obtained for the initial displacement and displacement deterioration characteristics, and if it exceeds this range, the dielectric strength of the PZT formed thereafter is poor and it is liable to leak.

「金属電極膜」
金属電極膜の材料等については、第1電極403で使用した金属電極膜で記載したとおりである。膜厚としては30nm〜200nmが好ましく、50nm〜120nmがさらに好ましい。この範囲より膜厚が薄い場合、個別電極配線412として十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。さらに、この範囲より膜厚が厚い場合、白金族元素の高価な材料を使用するとコストアップとなる。この理由や、白金を材料とし、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第6電極(図示せず)を作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなるため好ましくない。
"Metal electrode film"
The material of the metal electrode film is as described for the metal electrode film used in the first electrode 403. The film thickness is preferably 30 nm to 200 nm, and more preferably 50 nm to 120 nm. When the film thickness is thinner than this range, it is not preferable because a sufficient current cannot be supplied as the individual electrode wiring 412 and a problem occurs when droplets are discharged. Furthermore, when the film thickness is larger than this range, the use of an expensive platinum group element material increases the cost. For this reason, the surface roughness increases when the film thickness is increased by using platinum as a material, and when the sixth electrode (not shown) is produced through the insulating protective film, a process such as film peeling is performed. This is not preferable because defects are likely to occur.

(第1絶縁保護膜)
第1絶縁保護膜406は、成膜・エッチングの工程による電気機械変換素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、緻密な無機材料とする必要がある。有機材料では十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるため、好ましくない。第1絶縁保護膜406を厚い膜とした場合、成膜振動板402の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまうことが要因である。
(First insulation protective film)
The first insulating protective film 406 needs to be a dense inorganic material because it is necessary to select a material that prevents moisture in the atmosphere from passing through while preventing damage to the electromechanical conversion element due to the film formation / etching process. There is. An organic material is not preferable because the film thickness needs to be increased in order to obtain sufficient protection performance. If the first insulating protective film 406 is a thick film, the vibration displacement of the film formation diaphragm 402 is remarkably hindered, resulting in a droplet discharge head having a low discharge performance.

第1絶縁保護膜406を薄膜で高い保護性能を得るようにするためには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いるのが好ましいが、絶縁膜の下地となる、電極材料、圧電体材料、振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、成膜法も電気機械変換素子を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマCVD法や、プラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第1絶縁保護膜406の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ALD法(Chemical Vapor Deposition)等が例示できるが、使用できる材料の選択肢が広い点で、ALD法が好ましい。   In order to obtain a high protection performance with the first insulating protective film 406 as a thin film, it is preferable to use an oxide, a nitride, or a carbonized film, but an electrode material, a piezoelectric material, It is necessary to select a material having high adhesion to the diaphragm material. In addition, it is necessary to select a film forming method that does not damage the electromechanical transducer. That is, a plasma CVD method in which a reactive gas is turned into plasma and deposited on a substrate, or a sputtering method in which a film is formed by causing plasma to collide with a target material and flying is not preferable. Examples of a preferable film formation method for the first insulating protective film 406 include a vapor deposition method and an ALD method (Chemical Vapor Deposition), but the ALD method is preferable in terms of a wide range of materials that can be used.

第1絶縁保護膜406の好ましい材料としては、酸化アルミニウムAl23、酸化亜鉛ZrO2、酸化イットリウムY23、酸化タンタルTa23、酸化チタンTiO2などのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特に、ALD法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制しようとしている。 Preferred materials for the first insulating protective film 406 include oxides used for ceramic materials such as aluminum oxide Al 2 O 3 , zinc oxide ZrO 2 , yttrium oxide Y 2 O 3 , tantalum oxide Ta 2 O 3 , titanium oxide TiO 2, and the like. An example is a membrane. In particular, by using the ALD method, a thin film having a very high film density is produced and damage in the process is to be suppressed.

第1絶縁保護膜406の膜厚としては、電気機械変換素子400の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、成膜振動板402の変位を阻害しないように、可能な限り薄くする必要がある。第1絶縁保護膜406の好ましい膜厚は、20nm〜100nmの範囲である。100nmより厚い場合は、振動板の変位が低下し、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなるため好ましくない。一方、20nmより薄い場合は電気機械変換素子400の保護層としての機能が不足してしまい、電気機械変換素子400の性能が前述の通り低下してしまうため好ましくない。   The film thickness of the first insulating protective film 406 needs to be a sufficiently thin film that can ensure the protection performance of the electromechanical transducer 400, and at the same time, as much as possible so as not to inhibit the displacement of the film formation diaphragm 402. It needs to be thin. A preferable film thickness of the first insulating protective film 406 is in the range of 20 nm to 100 nm. When the thickness is larger than 100 nm, the displacement of the vibration plate is reduced, and a droplet discharge head with low discharge efficiency is obtained, which is not preferable. On the other hand, when the thickness is less than 20 nm, the function of the electromechanical conversion element 400 as a protective layer is insufficient, and the performance of the electromechanical conversion element 400 is deteriorated as described above.

また、第1絶縁保護膜406を2層にする構成であってもよい。この場合は、2層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第2電極405付近において、2層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。このとき2層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物、またはこれらの複合化合物を用いることができる。この中でも、半導体デバイスで一般的に用いられる二酸化ケイ素SiO2を用いることができる。 Further, the first insulating protective film 406 may be configured in two layers. In this case, in order to increase the thickness of the second insulating protective film, a configuration in which the second insulating protective film is opened in the vicinity of the second electrode 405 so as not to significantly disturb the vibration displacement of the diaphragm can be cited. . At this time, any oxide, nitride, carbide, or a composite compound thereof can be used as the second insulating protective film. Among these, silicon dioxide SiO 2 generally used in semiconductor devices can be used.

第1絶縁保護膜406の成膜は、任意の手法を用いることができ、CVD法、スパッタリング法が例示できる。この中でも、電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるCVD法を用いることが好ましい。2層目の絶縁保護膜の膜厚は、下部電極としての第1電極403と個別電極配線412に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち絶縁保護膜に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、2層目の絶縁保護膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、膜厚は200nm以上必要であり、500nm以上がさらに好ましい。   Arbitrary methods can be used for forming the first insulating protective film 406, and a CVD method and a sputtering method can be exemplified. Among these, it is preferable to use a CVD method capable of forming an isotropic film in consideration of the step coverage of the pattern forming portion such as the electrode forming portion. The film thickness of the second insulating protective film needs to be a film thickness that does not cause dielectric breakdown by the voltage applied to the first electrode 403 as the lower electrode and the individual electrode wiring 412. That is, it is necessary to set the electric field strength applied to the insulating protective film within a range not causing dielectric breakdown. Further, in consideration of the surface property of the base of the second insulating protective film, pinholes, etc., the film thickness is required to be 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more.

(第3電極および第4電極)
第3電極408、第4電極409の材料としては、Ag(銀)合金、銅Cu、アルミニウムAl、金Au、白金Pt、イリジウムIrのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。第3電極408、第4電極409の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。
(3rd electrode and 4th electrode)
The material of the third electrode 408 and the fourth electrode 409 is preferably a metal electrode material made of any of Ag (silver) alloy, copper Cu, aluminum Al, gold Au, platinum Pt, and iridium Ir. As a manufacturing method of the third electrode 408 and the fourth electrode 409, a sputtering method and a spin coating method are used, and then a desired pattern is obtained by photolithography etching or the like.

第3電極408、第4電極409の膜厚としては、0.1μm〜20μmが好ましく、0.2μm〜10μmがさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなって電極に十分な電流を流すことができなくなり、ヘッド吐出が不安定になるため好ましくない。この範囲より大きいと、プロセス時間が長くなるため好ましくない。また、共通電極配線411、個別電極配線412とした場合、コンタクトホール部410(10μm×10μm)での接触抵抗として、共通電極配線411としては、10Ω以下が好ましく、個別電極配線412としては、1Ω以下が好ましい。また、共通電極配線411としては、5Ω以下がさらに好ましく、個別電極配線412としては、0.5Ω以下がさらに好ましい。この範囲を超えると、十分な電流を供給することができなくなり、液滴吐出をする際に不具合が発生するため好ましくない。   The film thickness of the third electrode 408 and the fourth electrode 409 is preferably 0.1 μm to 20 μm, and more preferably 0.2 μm to 10 μm. If it is smaller than this range, the resistance becomes large and it becomes impossible to pass a sufficient current through the electrode, and the head ejection becomes unstable, which is not preferable. If it is larger than this range, the process time becomes longer, which is not preferable. When the common electrode wiring 411 and the individual electrode wiring 412 are used, the contact resistance in the contact hole portion 410 (10 μm × 10 μm) is preferably 10Ω or less for the common electrode wiring 411 and 1Ω for the individual electrode wiring 412. The following is preferred. Further, the common electrode wiring 411 is more preferably 5Ω or less, and the individual electrode wiring 412 is more preferably 0.5Ω or less. Exceeding this range is not preferable because a sufficient current cannot be supplied and a problem occurs when droplets are ejected.

(第2絶縁保護膜)
第2絶縁保護膜407は、個別電極配線412や共通電極配線411の保護層の機能を有するパシベーション層である。図5に示すように、個別電極配線412の引き出し部と、図示しないが共通電極配線411の引き出し部とを除き、個別電極配線412と共通電極配線411との上面を被覆する。これにより、電極材料に安価なAlまたはAlを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッドとすることができる。
(Second insulating protective film)
The second insulating protective film 407 is a passivation layer that functions as a protective layer for the individual electrode wiring 412 and the common electrode wiring 411. As shown in FIG. 5, the upper surfaces of the individual electrode wiring 412 and the common electrode wiring 411 are covered except for the leading portion of the individual electrode wiring 412 and the leading portion of the common electrode wiring 411 (not shown). Thus, inexpensive Al or an alloy material containing Al as a main component can be used as the electrode material. As a result, a low-cost and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

第2絶縁保護膜407の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、後述のパターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Al配線上に窒化ケイ素Si34を用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。 As a material of the second insulating protective film 407, any inorganic material or organic material can be used, but it is necessary to use a material with low moisture permeability. Examples of the inorganic material include oxides, nitrides, and carbides, and examples of the organic material include polyimide, acrylic resin, and urethane resin. However, in the case of an organic material, it is necessary to form a thick film, which is not suitable for patterning described later. Therefore, it is preferable to use an inorganic material that can exhibit a wiring protection function with a thin film. In particular, it is preferable to use silicon nitride Si 3 N 4 on the Al wiring because it is a technology that has been proven in semiconductor devices.

また、第2絶縁保護膜407の膜厚としては、200nm以上とすることが好ましく、500nm以上とすることがさらに好ましい。膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できず、配線材料の腐食による断線が発生し、液滴吐出ヘッドの信頼性を低下させてしまうため好ましくない。   Further, the thickness of the second insulating protective film 407 is preferably 200 nm or more, and more preferably 500 nm or more. A thin film thickness is not preferable because a sufficient passivation function cannot be exhibited, disconnection due to corrosion of the wiring material occurs, and the reliability of the droplet discharge head is lowered.

また、第2絶縁保護膜407は、電気機械変換素子400上とその周囲の成膜振動板402上に開口部Oをもつ構造が好ましい。これは、前述の第1絶縁保護膜406の圧力室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッドとすることが可能になる。   The second insulating protective film 407 preferably has a structure having an opening O on the electromechanical conversion element 400 and on the film formation diaphragm 402 around it. This is the same reason that the pressure chamber region of the first insulating protective film 406 is thinned. As a result, a highly efficient and highly reliable droplet discharge head can be obtained.

この開口部Oの形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが、第1、第2絶縁保護膜406,407で電気機械変換素子400が保護されているため可能である。また、PAD部の面積については、50×50μm2以上が好ましく、100×300μm2以上がさらに好ましい。この値に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなり、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生するため好ましくない。 The opening O can be formed by photolithography and dry etching because the electromechanical conversion element 400 is protected by the first and second insulating protective films 406 and 407. Further, the area of the PAD part is preferably 50 × 50 μm 2 or more, and more preferably 100 × 300 μm 2 or more. If it is less than this value, it is not preferable because sufficient polarization treatment cannot be performed, and there is a problem that sufficient characteristics cannot be obtained for displacement deterioration after continuous driving.

[液滴吐出ヘッドの作製例]
次に、各実施例および比較例で使用する、上記電気機械変換素子400を備えた液滴吐出ヘッドの作製手順を、以下に具体的に説明する。
[Production example of droplet discharge head]
Next, a procedure for manufacturing a droplet discharge head including the electromechanical conversion element 400 used in each example and comparative example will be specifically described below.

6インチシリコンウェハに熱酸化膜(膜厚1ミクロン)を形成し、第1電極403としての密着膜として、チタン膜(膜厚30nm)をスパッタ装置にて成膜した。その後に、RTA装置を用いて750℃にて熱酸化し、引き続き金属膜として白金膜(膜厚100nm)、酸化物膜としてSrRuO膜(膜厚60nm)をスパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板の加熱温度は550℃とし、この条件下で成膜を実施した。   A thermal oxide film (film thickness of 1 micron) was formed on a 6-inch silicon wafer, and a titanium film (film thickness of 30 nm) was formed by a sputtering apparatus as an adhesion film as the first electrode 403. Thereafter, thermal oxidation was performed at 750 ° C. using an RTA apparatus, and subsequently a platinum film (film thickness: 100 nm) as a metal film and an SrRuO film (film thickness: 60 nm) as an oxide film were formed by sputtering. The substrate heating temperature during sputtering film formation was 550 ° C., and film formation was performed under these conditions.

次に、電気機械変換膜404として、Pb:Zr:Ti=114:53:47に調整された溶液を準備し、スピンコート法により膜を成膜した。具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。   Next, a solution adjusted to Pb: Zr: Ti = 114: 53: 47 was prepared as the electromechanical conversion film 404, and a film was formed by spin coating. For the synthesis of a specific precursor coating solution, lead acetate trihydrate, isopropoxide titanium and isopropoxide zirconium were used as starting materials. Crystal water of lead acetate was dissolved in methoxyethanol and then dehydrated. The lead amount is excessive with respect to the stoichiometric composition. This is to prevent crystallinity deterioration due to so-called lead loss during heat treatment.

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

次に、第2電極405としての酸化物膜として、SrRuO膜(膜厚40nm)、金属膜としてPt膜(膜厚125nm)をスパッタ成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト(TSMR8800)をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィでレジストパターンを形成した後、ICPエッチング装置(サムコ製)を用いて、図5に示すようなパターンを作製した。   Next, an SrRuO film (film thickness: 40 nm) was formed as an oxide film as the second electrode 405, and a Pt film (film thickness: 125 nm) was formed as a metal film by sputtering. Thereafter, a photoresist made by Tokyo Ohka Co., Ltd. (TSMR8800) is formed by spin coating, a resist pattern is formed by ordinary photolithography, and then a pattern as shown in FIG. 5 is used by using an ICP etching apparatus (manufactured by Samco). Was made.

次に、第1絶縁保護膜406として、ALD工法を用いてAL23膜を50nm成膜した。このとき原材料としてALについては、TMA(シグマアルドリッチ社)、Oについてはオゾンジェネレーターによって発生させたO3を交互に積層させることで、成膜を進めた。その後、図5に示すように、エッチングによりコンタクトホール部410を形成する。その後、第3電極408および第4電極409として、ALをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成した。また、第2絶縁保護膜407として、Si34をプラズマCVDにより500nm成膜し、電気機械変換素子400を作製した。このとき、6インチウェハ内30mm×10mm四方のエリアを25個配置した。 Next, as the first insulating protective film 406, an AL 2 O 3 film having a thickness of 50 nm was formed using an ALD method. At this time, film formation was advanced by alternately laminating TMA (Sigma Aldrich Co.) for AL as a raw material and O 3 generated by an ozone generator for O. Thereafter, as shown in FIG. 5, a contact hole portion 410 is formed by etching. Thereafter, AL was sputtered as the third electrode 408 and the fourth electrode 409, and was patterned by etching. Further, as the second insulating protective film 407, Si 3 N 4 was deposited to a thickness of 500 nm by plasma CVD, and the electromechanical conversion element 400 was produced. At this time, 25 areas of 30 mm × 10 mm square in a 6 inch wafer were arranged.

このように形成したアクチュエータ基板401に対して、共通液室(図1の加圧室301参照)の一部を形成する開口部を設けたサブフレーム(図示せず)を接着接合した。このサブフレームはシリコンウェハを活用し、熱酸化膜を形成した。なお、本実施例ではアルミニウムをスパッタリングで形成したが、金、白金、等の電極を活用することもできる。また、アクチュエータ基板401上の個別電極に対してAuスタッドバンプ(図示せず)を形成した。   A subframe (not shown) provided with an opening for forming a part of the common liquid chamber (see pressurizing chamber 301 in FIG. 1) was adhesively bonded to the actuator substrate 401 thus formed. This subframe uses a silicon wafer to form a thermal oxide film. In this embodiment, aluminum is formed by sputtering, but electrodes such as gold and platinum can also be used. Further, Au stud bumps (not shown) were formed on the individual electrodes on the actuator substrate 401.

この後、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理には直径50μmのタングステンのワイヤーを用い、コロナワイヤに7kV、サブフレーム上のガード電極に2kvの電圧を印加し、30秒間処理を行った。そして、DrICをアクチュエータ基板401上に実装した。また、シリコンウェハの液室加工を行い、ノズル接合等ヘッド組立を行った。   Thereafter, polarization treatment was performed by corona charging treatment. For the corona charging treatment, a tungsten wire having a diameter of 50 μm was used. A voltage of 7 kV was applied to the corona wire and a voltage of 2 kv was applied to the guard electrode on the subframe, and the treatment was performed for 30 seconds. Then, DrIC was mounted on the actuator substrate 401. Moreover, the liquid chamber processing of the silicon wafer was performed, and head assembly such as nozzle bonding was performed.

<比較例>
上述のように作製した液体吐出ヘッドを用いて、比較例では「ならし電圧波形」なしに駆動して吐出を中断後、再度吐出を行ったところ、液滴速度(以下「Vj」と呼ぶ)が約4%低下した。その後、吐出を繰り返すに従い、図6(a)に示すように、Vjが正常に戻ってくることを確認した。そのときの分極特性(P−Eヒステリシス)を見ると、吐出終了時、吐出開始時、連続吐出時は図6(b)のようになっていることを確認した。「ならし電圧波形」とは、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、液滴を吐出させない電圧波形をいう。
<Comparative example>
In the comparative example, the liquid ejection head manufactured as described above was driven without the “leveling voltage waveform”, and the ejection was interrupted and then ejected again. As a result, the liquid droplet velocity (hereinafter referred to as “Vj”) was obtained. Decreased by about 4%. Thereafter, as the discharge was repeated, it was confirmed that Vj returned to normal as shown in FIG. Looking at the polarization characteristics (PE hysteresis) at that time, it was confirmed that the state was as shown in FIG. 6B at the end of discharge, at the start of discharge, and at the time of continuous discharge. The “normalized voltage waveform” refers to a voltage waveform that has a portion that exceeds and falls below the coercive electric field on the positive side, and that does not discharge droplets.

以上、連続吐出を繰り返すことにより、Vjが安定化してくることは分かったが、空吐出すると液滴を消耗してしまうため、そのたびごとに実施することができない。   As described above, it has been found that Vj is stabilized by repeating continuous discharge. However, when idle discharge is performed, droplets are consumed, and thus cannot be performed every time.

また、中断後の分極特性を安定化させる方法として、液滴を吐出させない微駆動波形を印加したときについても検証した。微駆動波形としては、電圧波形:1〜4vのパルス波形を印加した。しかしながら、吐出開始時のVj低下および分極特性の変化を抑えることができなかった。   In addition, as a method for stabilizing the polarization characteristics after interruption, a case where a fine driving waveform that does not discharge droplets was applied was also verified. As the fine drive waveform, a pulse waveform of voltage waveform: 1 to 4v was applied. However, Vj drop at the start of discharge and change in polarization characteristics could not be suppressed.

<実施例1>
次に、上述の液滴吐出ヘッド用いた実施例1の液滴吐出制御について、図7を用いて説明する。実施例1では、液滴吐出ヘッドから液滴を吐出後、1時間中断し、吐出を再開するに当たり、分極特性を安定化させる「ならし電圧波形」を印加した。なお、ならし電圧波形としては、空吐出を行わない条件として、図7に示すよう、電圧波形の電位差として0v−15vを印加し、引き込み側に変位する立下り時間を1μsとし、保持時間を1.5μsとした。そして、吐出側に変位する立上り時間を4μs、つまり立上り速度を通常吐出時よりも遅くすることで、空吐出しない条件としている。この波形を100kHzで10sec印加することで、分極特性が安定し、中断後のVj低下率は2%以下に低減できることを確認した。ここで、「引き込み側」とは、液滴を吐出させない圧力室方向をいい、電圧を「引き込み側に変位する」とは、液滴を圧力室側に引き込む電圧を印加することをいう。「吐出側」とは、液滴を吐出させる外部方向をいい、電圧「吐出側に変位する」とは、液滴を吐出させる電圧を印加することをいう。
<Example 1>
Next, the droplet discharge control of the first embodiment using the above-described droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 1, after the droplets were ejected from the droplet ejection head, one hour was interrupted, and when restarting the ejection, a “normalized voltage waveform” that stabilizes the polarization characteristics was applied. As the leveling voltage waveform, as shown in FIG. 7, 0 v-15 v is applied as the potential difference of the voltage waveform, the falling time for displacement to the pull-in side is set to 1 μs, and the holding time is set as a condition for not performing the idle ejection. 1.5 μs. Then, the rise time displaced to the discharge side is set to 4 μs, that is, the rise speed is set to be slower than that during the normal discharge, thereby preventing the idle discharge. It was confirmed that by applying this waveform at 100 kHz for 10 sec, the polarization characteristics were stabilized, and the Vj reduction rate after the interruption could be reduced to 2% or less. Here, “the drawing side” refers to the pressure chamber direction in which the droplet is not discharged, and “displaces the voltage toward the drawing side” refers to applying a voltage that draws the droplet into the pressure chamber. “Discharge side” refers to the external direction in which droplets are ejected, and voltage “displaces to the ejection side” refers to application of a voltage for ejecting droplets.

なお、実施例1では、立上り時間を4μsで実施したが、本願がこれに限定されることはなく、吐出しない範囲で調整可能である。また、空吐出する条件でも分極特性を制御することは可能であるが、液滴を捨てる量が増えてしまうため、空吐出を行わない条件であることが望ましい。   In the first embodiment, the rise time is 4 μs. However, the present application is not limited to this, and can be adjusted within a range where ejection is not performed. Further, the polarization characteristics can be controlled even under idle discharge conditions. However, since the amount of droplets to be discarded increases, it is desirable that the idle discharge conditions be not used.

<実施例2>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例2の液滴吐出制御について、図8を用いて説明する。実施例2では、液滴吐出ヘッドからの液滴の吐出後、1時間中断し、吐出を再開するに当たり、分極特性を安定化させる「ならし電圧波形」を印加した。ならし電圧波形としては、空吐出を行わない条件として、図8に示すように、電圧波形の電位差として0v−15vを印加し、引き込み側に変位する立下り時間を4μsとし、吐出側に変位する立上り時間を4μsとした三角波形を125kHzで10sec印加した。その結果、中断後のVj低下率は、2%以下に低減できることを確認した。
<Example 2>
Next, the droplet discharge control of the second embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In Example 2, after discharge of a droplet from the droplet discharge head, it was interrupted for 1 hour, and when restarting discharge, a “running voltage waveform” that stabilizes the polarization characteristics was applied. As for the leveling voltage waveform, as shown in FIG. 8, 0v-15v is applied as the potential difference of the voltage waveform, the fall time for displacement to the pull-in side is set to 4 μs, and the discharge voltage is displaced to the discharge side, as shown in FIG. A triangular waveform with a rise time of 4 μs was applied at 125 kHz for 10 seconds. As a result, it was confirmed that the Vj decrease rate after interruption can be reduced to 2% or less.

また、この電圧波形により、立下り速度と、立上り速度を通常吐出時の吐出波形よりも遅くすることで、空吐出しないとともに、「ならし電圧波形」の印加時のヘッド発熱を防止することもできる。また、三角波を印加することで、電気機械変換素子400に対して高電界を印加している時間を短くすることができ、ならし電圧波形による長期的な分極特性劣化を抑制することができる。   In addition, by using this voltage waveform, the falling speed and rising speed are made slower than the discharge waveform during normal discharge, so that no idle discharge occurs and head heat generation during application of the `` normalized voltage waveform '' can be prevented. it can. In addition, by applying a triangular wave, the time during which a high electric field is applied to the electromechanical transducer 400 can be shortened, and long-term polarization characteristic deterioration due to a leveled voltage waveform can be suppressed.

<実施例3>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例3の液滴吐出制御について、図9を用いて説明する。実施例3では、液滴の吐出波形として、図9に示すように、電気機械変換素子400の分極方向に対して、逆バイアスから正方向の電圧を印加している。すなわち、電気機械変換素子400の分極方向に対して、負側抗電界を越えない範囲で負バイアスまで電圧波形を印加している。これにより、変位効率を向上することから、吐出特性を向上することができる。
<Example 3>
Next, the droplet discharge control of the third embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In the third embodiment, as a droplet ejection waveform, as shown in FIG. 9, a voltage in the positive direction from the reverse bias is applied to the polarization direction of the electromechanical transducer 400. That is, the voltage waveform is applied to the negative bias in the range not exceeding the negative coercive electric field with respect to the polarization direction of the electromechanical transducer 400. Thereby, since the displacement efficiency is improved, the discharge characteristics can be improved.

この逆バイアスを印加する方法としては電気機械変換素子400の共通電極配線411側に所定の電圧、ここでは5vを印加し、個別電極配線412に対して2v〜17vの矩形波を印加する。これにより電気機械変換素子400に対しては、実質的に−3v〜12vの電圧を印加していることとなる。この吐出波形に対して、ならし電圧波形も、負側抗電界を越えない範囲で、負のバイアス電圧から、印加可能な正側の最大印加電圧を印加することで、駆動電圧範囲内において、分極特性を安定化させることができる。   As a method of applying the reverse bias, a predetermined voltage, 5v in this case, is applied to the common electrode wiring 411 side of the electromechanical transducer 400, and a rectangular wave of 2v to 17v is applied to the individual electrode wiring 412. As a result, a voltage of −3v to 12v is substantially applied to the electromechanical transducer 400. By applying the maximum applied voltage on the positive side from the negative bias voltage within the range in which the leveling voltage waveform does not exceed the negative side coercive field with respect to this ejection waveform, within the drive voltage range, Polarization characteristics can be stabilized.

ここで、逆バイアスまで電圧を印加する吐出波形、および、ならし電圧波形等において、必ず正側に電圧を振ってから電圧をOFF(終了)するようにする。実施例3としては、終了時に共通電極側を先に0vに落とし、その後個別電極側を0vとしている。これは逆バイアスを印加した後、そのまま電圧波形をOFFすると、電気機械変換素子400の分極方向に対して、逆方向の電荷が蓄積された状態を維持される。これにより、長期的には分極特性が変化してしまい、Vj変化を引き起こす要因となってしまうことが判明したためである。   Here, in the discharge waveform for applying the voltage up to the reverse bias, the leveling voltage waveform, and the like, the voltage is always turned to the positive side, and then the voltage is turned off (terminated). In Example 3, the common electrode side is first dropped to 0 v at the end, and then the individual electrode side is set to 0 v. When the voltage waveform is turned off as it is after applying a reverse bias, the state in which charges in the direction opposite to the polarization direction of the electromechanical transducer 400 are accumulated is maintained. As a result, it has been found that the polarization characteristics change in the long term, causing a change in Vj.

<実施例4>
次に、液滴吐出ヘッド用いた実施例4の液滴吐出制御について、図10を用いて説明する。実施例4では、ならし電圧波形の印加に関して、電気機械変換素子400への吐出波形印加後の中断時間において、ヘッドごと、ノズル列ごと、または、ノズルごとに、ならし電圧波形を印加するか否かを判断するとともにその印加時間も制御する構成としている。つまり、中断時間が所定以上となると、ならし電圧波形を印加した後、吐出シーケンスに入ることを示す。また、中断時間が長くなると、ならし電圧波形の印加時間も長くなるように設定している。これは、中断時間が長くなると、電気機械変換素子400の分極特性変化が大きくなるためである。
<Example 4>
Next, the droplet discharge control of the fourth embodiment using the droplet discharge head will be described with reference to FIG. In the fourth embodiment, regarding the application of the leveling voltage waveform, whether the leveling voltage waveform is applied for each head, each nozzle row, or each nozzle in the interruption time after the ejection waveform is applied to the electromechanical transducer 400. It is configured to determine whether or not to control the application time. That is, when the interruption time becomes equal to or longer than the predetermined time, it indicates that the discharge sequence is started after the leveling voltage waveform is applied. Further, the setting time is set so that the application time of the leveling voltage waveform becomes longer as the interruption time becomes longer. This is because the polarization characteristic change of the electromechanical transducer 400 increases as the interruption time increases.

以下、図10のフローチャートを用いて、実施例4の液滴吐出制御の手順を具体的に説明する。まず、ステップS1で、液滴吐出ヘッドから液滴を吐出して印刷する。次に、液滴吐出を中断し、吐出を再開するに当たり、ステップS2で、中断時間が所定時間以上か否かを判断する。中断時間が所定時間未満であれば、ならし電圧波形の印加不要として、ステップS3で液滴吐出(印刷)を行う。これに対して、中断時間が所定時間以上であれば、次に、ステップS4で中断時間の判定を行い、同時にステップS5で、ならし電圧波形の条件が設定されたデータテーブルを参照して、中断時間に対応した、ならし電圧波形の印加時間を取得する。すなわち、中間時間が長いほど、ならし電圧波形の印加時間も長くする。この印加時間に従って、ステップS6でヘッドごと(または、ノズル列ごと、ノズルごと)に、電圧波形を印加する。次に、ステップS7では、空吐出が必要か否かを判断し、必要であればステップS8で空吐出を行い、ステップS9で液滴吐出(印刷)を行う。空吐出が不要であれば、空吐出を行うことなく、ステップS9で液滴吐出(印刷)を行う。   Hereinafter, the procedure of droplet discharge control according to the fourth embodiment will be described in detail with reference to the flowchart of FIG. First, in step S1, droplets are ejected from the droplet ejection head and printed. Next, when the droplet ejection is interrupted and the ejection is resumed, it is determined in step S2 whether or not the interruption time is a predetermined time or more. If the interruption time is less than the predetermined time, it is determined that application of the leveling voltage waveform is unnecessary, and droplet discharge (printing) is performed in step S3. On the other hand, if the interruption time is equal to or longer than the predetermined time, next, the interruption time is determined in step S4, and at the same time, in step S5, referring to the data table in which the condition of the leveling voltage waveform is set, The application time of the leveling voltage waveform corresponding to the interruption time is acquired. That is, the longer the intermediate time, the longer the application time of the leveling voltage waveform. According to this application time, a voltage waveform is applied for each head (or for each nozzle row and for each nozzle) in step S6. Next, in step S7, it is determined whether or not idle ejection is necessary. If necessary, idle ejection is performed in step S8, and droplet ejection (printing) is performed in step S9. If idle ejection is unnecessary, droplet ejection (printing) is performed in step S9 without performing idle ejection.

以上のような制御により、中断時間が短い場合には、ならし電圧波形印加によるメンテナンスシーケンスを短くすることができ、液滴吐出ヘッドの生産性を向上させることができる。   By the control as described above, when the interruption time is short, the maintenance sequence by applying the leveling voltage waveform can be shortened, and the productivity of the droplet discharge head can be improved.

<実施例5>
次に、実施例5では、本願の液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置の一例を、図11および図12を参照して説明する。図11は画像形成装置の主要機構部の構成を示す概略図であり、図12は同主要機構部の要部の概略平面図である。
<Example 5>
Next, in Example 5, an example of an image forming apparatus including the droplet discharge head of the present application will be described with reference to FIGS. 11 and 12. FIG. 11 is a schematic view showing the configuration of the main mechanism of the image forming apparatus, and FIG. 12 is a schematic plan view of the main part of the main mechanism.

[画像形成装置の構成]
図11、図12に示すように、本実施形態に係る画像形成装置100は、シリアル型画像形成装置であり、図12に示すように、左右の側板(図示せず)に横架したガイド部材であるガイドロッド101とガイドレール102とで、キャリッジ103を主走査方向に摺動自在に保持している。この保持状態で、主走査モータ104で駆動プーリ106Aと従動プーリ106Bとの間に架け渡したタイミングベルト105を介して、キャリッジ103を矢示方向(主走査方向)に移動走査する。
[Configuration of Image Forming Apparatus]
As shown in FIGS. 11 and 12, the image forming apparatus 100 according to the present embodiment is a serial type image forming apparatus, and as shown in FIG. 12, guide members horizontally mounted on left and right side plates (not shown). The guide rod 101 and the guide rail 102 hold the carriage 103 slidably in the main scanning direction. In this holding state, the main scanning motor 104 moves and scans the carriage 103 in the direction indicated by the arrow (main scanning direction) via the timing belt 105 spanned between the driving pulley 106A and the driven pulley 106B.

このキャリッジ103には、例えば、ブラック(K)、シアン(C)、マゼンタ(M)、イエロー(Y)の各色の記録液の液滴を吐出する本実施形態の液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yで構成した記録ヘッド107を主走査方向に沿う方向に配置し、液滴吐出方向を下方に向けて装着している。なお、ここでは独立した液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yを用いているが、本願がこれに限定されるものではない。例えば、各色の記録液の液滴を吐出する複数のノズル列を有する1又は複数のヘッドを用いる構成とすることもできる。また、色の数および配列順序はこれに限るものではない。また、キャリッジ103には、記録ヘッド107に各色の液滴を供給するための各色のサブタンク108を搭載している。このサブタンク108には、図11に示すように、記録液供給チューブ109を介して、メインタンク(インクカートリッジ、図示せず)から記録液が補充供給される。   In this carriage 103, for example, droplet discharge heads 107k, 107c, 107c, 107c of the present embodiment that discharge recording liquid droplets of each color of black (K), cyan (C), magenta (M), and yellow (Y). The recording head 107 constituted by 107m and 107y is arranged in the direction along the main scanning direction, and is mounted with the droplet discharge direction facing downward. Here, although the independent droplet discharge heads 107k, 107c, 107m, and 107y are used, the present application is not limited to this. For example, a configuration using one or a plurality of heads having a plurality of nozzle rows for discharging recording liquid droplets of each color may be employed. Further, the number of colors and the arrangement order are not limited to this. The carriage 103 is also equipped with a sub tank 108 for each color for supplying droplets of each color to the recording head 107. As shown in FIG. 11, the sub tank 108 is supplied with recording liquid from a main tank (ink cartridge, not shown) via a recording liquid supply tube 109.

一方、画像形成装置100の本体は、図11に示すように、被記録媒体(以下「用紙」と呼ぶ)112を積載した用紙積載部(圧板)111を備える給紙カセット110と、この給紙カセット110から用紙112を給紙するための給紙部とを備える。この給紙部は、用紙積載部111から用紙112を1枚ずつ分離給送する半月コロ(以下、「給紙ローラ」と呼ぶ)113と、この給紙ローラ113に対向し摩擦係数の大きな材質からなる分離パッド114と、を備えている。この分離パッド114は、付勢手段(図示せず)により、給紙ローラ113側に付勢されている。   On the other hand, as shown in FIG. 11, the main body of the image forming apparatus 100 includes a paper feed cassette 110 including a paper stacking section (pressure plate) 111 on which recording media (hereinafter referred to as “paper”) 112 are stacked, and this paper feed. A paper feeding unit for feeding paper 112 from the cassette 110. The paper feeding unit includes a half-moon roller (hereinafter referred to as “paper feeding roller”) 113 that separates and feeds paper 112 from the paper stacking unit 111 one by one, and a material having a large friction coefficient facing the paper feeding roller 113. And a separation pad 114 made of The separation pad 114 is urged toward the paper feed roller 113 by urging means (not shown).

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

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

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

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

画像形成装置100は、さらに、図12に示すように、キャリッジ103の走査方向の一方側の非印字領域には、記録ヘッド107のノズルの状態を維持し、回復するための維持回復機構156を配置している。この維持回復機構156は、記録ヘッド107の各ノズル面をキャッピングするための複数のキャップ157と、ノズル面をワイピングするためのブレード部材であるワイパーブレード158と、増粘した記録液を排出するために記録に寄与しない液滴を吐出させる空吐出を行なうときの液滴を受ける空吐出受け159と、等を備えている。
以下、以上のように構成した画像形成装置100においては、給紙部から用紙112が1枚ずつ分離給紙され、略鉛直上方に給紙された用紙112はガイド115で案内される。その後、用紙112は搬送ベルト121とカウンタローラ122との間に挟まれて搬送され、更に先端を搬送ガイド123で案内されて先端加圧コロ125Bで搬送ベルト121に押し付けられ、略90°搬送方向を転換される。
As shown in FIG. 12, the image forming apparatus 100 further includes a maintenance / recovery mechanism 156 for maintaining and recovering the nozzle state of the recording head 107 in the non-printing area on one side of the carriage 103 in the scanning direction. It is arranged. The maintenance / recovery mechanism 156 discharges the thickened recording liquid by a plurality of caps 157 for capping each nozzle surface of the recording head 107, a wiper blade 158 as a blade member for wiping the nozzle surface, and the like. And a blank discharge receptacle 159 for receiving droplets when performing blank discharge for discharging droplets that do not contribute to recording.
Hereinafter, in the image forming apparatus 100 configured as described above, the sheets 112 are separated and fed one by one from the sheet feeding unit, and the sheet 112 fed substantially vertically upward is guided by the guide 115. Thereafter, the paper 112 is sandwiched between the transport belt 121 and the counter roller 122 and transported, and further, the leading end is guided by the transport guide 123 and pressed against the transport belt 121 by the front end pressure roller 125B, and the transport direction is approximately 90 °. To be converted.

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

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

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

また、印字(記録)待機中には、キャリッジ103は維持回復機構156側に移動されて、キャップ157で記録ヘッド107のノズル面がキャッピングされて、ノズルを湿潤状態に保つことにより、液滴の乾燥による吐出不良を防止する。また、キャップ157で記録ヘッド107をキャッピングした状態で、ノズルから記録液を吸引し(「ノズル吸引」又は「ヘッド吸引」という)、増粘した記録液や気泡を排出する回復動作を行う。この回復動作によって、記録ヘッド107のノズル面に付着した液滴を清掃除去するためにワイパーブレード158でワイピングを行なう。また、記録開始前や、記録途中などに記録と関係しない液滴を吐出する空吐出動作を行う。これによって、記録ヘッド107の安定した吐出性能を維持する。また、印字再開の際には、上記で説明したような電圧制御方法を用いて、液滴吐出ヘッド107k,107c,107m,107yから液滴吐出することにより、無駄な空吐出等を抑制するとともに、良好な吐出特性を維持した状態で印字を続行することができる。   During printing (recording) standby, the carriage 103 is moved to the maintenance / recovery mechanism 156 side, the nozzle surface of the recording head 107 is capped by the cap 157, and the nozzles are kept in a wet state. Prevents ejection failures due to drying. In the state where the recording head 107 is capped with the cap 157, the recording liquid is sucked from the nozzle (referred to as “nozzle suction” or “head suction”), and a recovery operation is performed to discharge the thickened recording liquid and bubbles. By this recovery operation, wiping is performed by the wiper blade 158 in order to clean and remove the droplets adhering to the nozzle surface of the recording head 107. In addition, an empty discharge operation is performed to discharge droplets not related to recording before starting recording or during recording. Thereby, the stable ejection performance of the recording head 107 is maintained. Further, when resuming printing, by using the voltage control method as described above, droplets are ejected from the droplet ejection heads 107k, 107c, 107m, and 107y, thereby suppressing wasteful ejection and the like. Thus, printing can be continued while maintaining good discharge characteristics.

以上のように、本願に係る実施例5の画像形成装置100では、本願に係る液体吐出ヘッドを備え、本願に係る電圧制御方法を適用しているため、液滴吐出の中断前後における吐出特性を安定化させることが可能となり、優れた印字を続行することができる。また、記録液の無駄な消費を抑えてコスト性も向上させることができる。なお、実施例5では、本願をプリンタ構成の画像形成装置に適用した例で説明したが、これに限るものではなく、例えば、ファクシミリ、複写装置、プロッタ、これ等の複合機等の画像形成装置に適用することができる。また、記録液以外の液体である定着処理液などを用いる画像形成装置にも適用することができる。   As described above, the image forming apparatus 100 according to the fifth embodiment of the present application includes the liquid discharge head according to the present application and applies the voltage control method according to the present application. It becomes possible to stabilize and excellent printing can be continued. Further, wasteful consumption of the recording liquid can be suppressed and cost can be improved. In the fifth embodiment, the present application is described as an example in which the present application is applied to an image forming apparatus having a printer configuration. However, the present invention is not limited to this. For example, an image forming apparatus such as a facsimile, a copying apparatus, a plotter, and a multifunction machine including these. Can be applied to. Further, the present invention can also be applied to an image forming apparatus using a fixing processing liquid that is a liquid other than the recording liquid.

以上説明した実施例1〜5は一例であって、本願がこれらの実施例に限定されるものではない。液滴吐出の中断前後における吐出特性を安定化させることが可能な構成であれば、本願の課題を解決できるものである。また、上記各実施例では、本願に係る液滴吐出ヘッドとして、記録液を吐出する液滴吐出ヘッドを示したが、液滴吐出ヘッドとしてはこれに限定されることはない。記録液以外の液体、例えばパターニング用の液体レジストを吐出する液滴吐出ヘッド、遺伝子分析試料を吐出する液滴吐出ヘッド等に適用してもよい。   Examples 1 to 5 described above are examples, and the present application is not limited to these examples. Any configuration that can stabilize the ejection characteristics before and after the interruption of droplet ejection can solve the problems of the present application. In each of the above embodiments, the droplet discharge head that discharges the recording liquid is shown as the droplet discharge head according to the present application. However, the droplet discharge head is not limited to this. The present invention may be applied to a liquid droplet ejection head that ejects a liquid other than the recording liquid, for example, a liquid resist for patterning, a liquid droplet ejection head that ejects a gene analysis sample, and the like.

100 画像形成装置
107,107k,107c,107m,107y 液滴吐出ヘッド
301 加圧室(液室)
400 電気機械変換素子
401 アクチュエータ基板
402 成膜振動板(振動板)
100 Image forming apparatus 107, 107k, 107c, 107m, 107y Droplet discharge head 301 Pressurizing chamber (liquid chamber)
400 Electromechanical transducer 401 Actuator substrate 402 Film formation diaphragm (vibration plate)

特開2003−341048号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2003-34148 特開2007−136989号公報JP 2007-136989 A 特許第4218083号公報Japanese Patent No. 4218083 特許第4857575号公報Japanese Patent No. 4857575 特開2012−214018号公報JP 2012-2104018 A 特開2012−196881号公報JP 2012-196881A

Claims (9)

液滴を吐出するノズルと、
前記ノズルに連通する液室と、
前記液室上に設けられた振動板と、
前記振動板上に設けられ、該振動板を振動させることにより、前記液室内に圧力変動を発生させる電気機械変換素子と、を備え、
前記電気機械変換素子に、正側の抗電界を越える電圧波形を印加して前記ノズルから前記液滴を吐出するとともに、前記液滴の吐出開始前に、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、前記液滴を吐出させない電圧波形を、前記電気機械変換素子に印加し、
前記電気機械変換素子の分極方向に対して、負側抗電界を越えない範囲で負バイアスまで電圧波形を印加することで、前記ノズルから前記液滴を吐出するとともに、前記液滴を吐出させない前記電圧波形の印加時にも、負バイアスまで印加することを特徴とする液滴吐出ヘッド。
A nozzle for discharging droplets;
A liquid chamber communicating with the nozzle;
A diaphragm provided on the liquid chamber;
An electromechanical transducer that is provided on the diaphragm and generates pressure fluctuations in the liquid chamber by vibrating the diaphragm; and
A voltage waveform exceeding a positive coercive electric field is applied to the electromechanical conversion element to discharge the droplet from the nozzle, and before the start of discharging the liquid droplet, it falls below a portion exceeding the positive coercive electric field. A voltage waveform that does not cause the droplets to be ejected is applied to the electromechanical transducer ,
By applying a voltage waveform up to a negative bias in a range not exceeding a negative coercive electric field with respect to the polarization direction of the electromechanical transducer, the liquid droplets are discharged from the nozzle and the liquid droplets are not discharged. A droplet discharge head characterized by applying a negative bias even when a voltage waveform is applied .
前記液滴を吐出させない前記電圧波形として、前記電気機械変換素子の負側抗電界を越えない範囲の負バイアスから印加可能な正側の最大電源電圧までの範囲で前記電気機械変換素子に電圧を印加することを特徴とする請求項1に記載の液滴吐出ヘッド。 As the voltage waveform that does not discharge the droplet, a voltage is applied to the electromechanical transducer in a range from a negative bias in a range not exceeding a negative coercive field of the electromechanical transducer to a maximum positive power supply voltage that can be applied. The droplet discharge head according to claim 1 , wherein the droplet discharge head is applied. 前記液滴を吐出させない前記電圧波形の前記液滴を吐出させる側に変位する前記電圧の立上り速度を、前記液滴の吐出時の吐出波形の前記電圧の立上り速度よりも遅くする電圧波形とすることを特徴とする請求項1または2に記載の液滴吐出ヘッド。 A voltage waveform in which the rising speed of the voltage that is displaced toward the droplet discharge side of the voltage waveform that does not discharge the droplet is slower than the rising speed of the voltage of the discharge waveform when the droplet is discharged. droplet discharge head according to claim 1 or 2, characterized in that. 前記液滴を吐出させない前記電圧波形の前記電圧の立上り速度と立下り速度とを、前記液滴の吐出時の吐出波形の前記電圧の立上り速度と立下がり速度よりも、各々遅くする電圧波形を印加することを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。 A voltage waveform that makes the rising speed and falling speed of the voltage waveform that does not discharge the droplets slower than the rising speed and falling speed of the voltage of the discharge waveform when discharging the droplet, respectively. applying the liquid droplet ejection head according to any one of claims 1 to 3, characterized in that. 前記液滴を吐出させない前記電圧波形として、三角波形を印加することを特徴とする請求項1〜のいずれか一項に記載の液滴吐出ヘッド。 As the voltage waveform that does not eject the liquid droplet, the liquid droplet ejection head according to any one of claims 1 to 4, wherein applying a triangular waveform. 振動板を振動させることにより、ノズルに連通する液室に圧力変動を発生させる電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの電圧制御方法であって、
前記液滴吐出ヘッドの電気機械変換素子に、正側の抗電界を越える電圧波形を印加して液滴を吐出させる工程と、
吐出を開始するときに、吐出終了後から吐出開始までの間に中断時間があった場合に、該吐出前に、正側の抗電界を上回る部分と下回る部分とを有し、前記液滴を吐出させない電圧波形を、前記電気機械変換素子に印加する工程と、を有し、
前記液滴を吐出させる工程では、前記電気機械変換素子の分極方向に対して、負側抗電界を越えない範囲で負バイアスまで電圧波形を印加することで、前記ノズルから前記液滴を吐出し、
前記液滴を吐出させない電圧波形を印加する工程では、前記電気機械変換素子の分極方向に対して、負バイアスまで電圧波形を印加することを特徴とする電圧制御方法。
A voltage control method for a droplet discharge head including an electromechanical conversion element that generates pressure fluctuations in a liquid chamber communicating with a nozzle by vibrating a diaphragm,
Applying a voltage waveform exceeding the coercive electric field on the positive side to the electromechanical conversion element of the droplet discharge head, and discharging the droplet;
When there is an interruption time between the end of discharge and the start of discharge when discharging is started, before the discharge, there are a portion that exceeds the positive coercive electric field and a portion that is below the coercive field. Applying a voltage waveform that is not discharged to the electromechanical transducer,
In the step of discharging the droplet, the droplet is discharged from the nozzle by applying a voltage waveform up to a negative bias within a range not exceeding a negative coercive electric field with respect to the polarization direction of the electromechanical transducer. ,
A voltage control method comprising applying a voltage waveform up to a negative bias with respect to a polarization direction of the electromechanical transducer in the step of applying a voltage waveform that does not cause the droplet to be ejected .
前記液滴吐出ヘッドからの前記液滴の吐出終了から吐出開始までの前記中断時間に対応して、前記液滴を吐出させない電圧波形を印加する時間を変更することを特徴とする請求項6に記載の電圧制御方法。 In response to the interruption time until the start discharged from the discharge end of the droplet from the liquid droplet ejection head, in claim 6, characterized in that to change the time for applying a voltage waveform that does not eject the droplets The voltage control method as described. 前記電気機械変換素子に対して、逆バイアスまで電圧を印加して、前記液滴を吐出し、電圧印加終了時には、前記電気機械変換素子の分極方向に対して、正側バイアスを印加した後、前記電気機械変換素子への電圧印加を終了することを特徴とする請求項6または7に記載の電圧制御方法。 A voltage is applied to the electromechanical conversion element up to a reverse bias, and the droplet is ejected.At the end of voltage application, after applying a positive bias with respect to the polarization direction of the electromechanical conversion element, The voltage control method according to claim 6 or 7 , wherein the voltage application to the electromechanical conversion element is terminated. 請求項1〜の何れか一項に記載の液滴吐出ヘッドを有し、請求項6〜8に記載の電圧制御方法を用いて、前記液滴吐出ヘッドから吐出した液滴を被着媒体上に着弾させることを特徴とする画像形成装置。 A droplet discharge head according to any one of claims 1 to 5 , wherein the droplet discharged from the droplet discharge head using the voltage control method according to claims 6 to 8 is a deposition medium. An image forming apparatus characterized by being landed on top.
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