JP6103406B2 - Droplet discharge head driving method, droplet discharge head, and image forming apparatus - Google Patents

Droplet discharge head driving method, droplet discharge head, and image forming apparatus Download PDF

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本発明は、液滴吐出ヘッドの駆動方法、この駆動方法を採用した液滴吐出ヘッド、及び、この液滴吐出ヘッドを採用した画像形成装置に関するものである。   The present invention relates to a method for driving a droplet discharge head, a droplet discharge head that employs this drive method, and an image forming apparatus that employs this droplet discharge head.

一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或いはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドによりインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液滴を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を媒体に付与する(単に液滴を吐出する)ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液滴となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばDNA試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液滴の総称として用いる。   In general, as an image forming apparatus that combines a printer, a fax machine, a copier, a plotter, or a plurality of these functions, for example, there is an ink jet recording apparatus provided with a droplet discharge head that discharges ink droplets. In an ink jet recording apparatus, an image is formed by adhering ink droplets to a sheet by a droplet discharge head while conveying a medium. The medium here is also referred to as “paper”, but the material is not limited, and a recording medium, a recording medium, a transfer material, a recording paper, and the like are also used synonymously. The image forming apparatus means an apparatus for forming an image by ejecting liquid droplets on a medium such as paper, thread, fiber, fabric, leather, metal, plastic, glass, wood, or ceramic. The image formation is not only giving an image having a meaning such as a character or a figure to the medium but also giving an image having no meaning such as a pattern to the medium (simply ejecting a droplet). Also means. The ink is not limited to so-called ink, and is not particularly limited as long as it becomes a droplet when ejected. For example, a droplet including a DNA sample, a resist, a pattern material, etc. Used generically.

インクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室(インク流路、加圧室、圧力室、吐出室、液室等とも称される)と、加圧液室内のインクを吐出するための圧力発生手段で構成されている。圧力発生手段としては、加圧液室の一壁面を構成する振動板上に配置した圧電素子を用い、振動板を変位させることでインク滴を吐出させるピエゾ型のものが挙げられる。   A droplet discharge head in an ink jet recording apparatus includes a nozzle that discharges ink droplets and a pressurized liquid chamber (also referred to as an ink flow path, a pressure chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, and a liquid chamber) that communicates with the nozzle. And pressure generating means for discharging ink in the pressurized liquid chamber. Examples of the pressure generating means include a piezo-type device that uses a piezoelectric element disposed on a vibration plate constituting one wall surface of the pressurized liquid chamber and discharges ink droplets by displacing the vibration plate.

さらに、最近では半導体プロセスやMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の進歩により、加圧液室を形成するSi基板に、薄膜ピエゾアクチュエータ(以下、薄膜ピエゾという)を構成する振動板や圧電素子の構成層の薄膜を直接形成し高密度に作り込むものが実用化されている。圧電素子は、基板側電極、圧電体層、表面電極から構成される。圧電体層の薄膜としては、ペロブスカイト型結晶構造を有する一般式Pb(Ti,Zr,M)Oで表される、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等が用いられている。しかしながら、駆動波形を繰り返し印加して薄膜ピエゾの駆動をおこなっていると、駆動波形に対する変位量(以下、変位特性という)が低下し、経時で吐出特性が低下してしまうという問題が発生した。 Furthermore, recently, due to advances in semiconductor processes and MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), vibration plates and piezoelectric element constituent layers constituting a thin film piezoelectric actuator (hereinafter referred to as thin film piezoelectric) on a Si substrate forming a pressurized liquid chamber. A thin film is directly put into practical use by forming a thin film with high density. The piezoelectric element includes a substrate side electrode, a piezoelectric layer, and a surface electrode. As the thin film of the piezoelectric layer, lead zirconate titanate (PZT) represented by the general formula Pb (Ti x , Zr y , M z ) O 3 having a perovskite crystal structure is used. However, when the driving waveform is repeatedly applied to drive the thin film piezo, a displacement amount (hereinafter referred to as a displacement characteristic) with respect to the driving waveform is lowered, and there is a problem that the ejection characteristic is deteriorated with time.

薄膜ピエゾの変位特性の低下に対して、以下のような電圧を印加して、その回復を図るものが提案がされている。
特許文献1には、圧電体薄膜の鉛と水分との反応による変位低下を課題として、駆動波形と駆動波形の間で直流電圧を回復波形として印加するものが記載されている。
特許文献2には、駆動波形と駆動波形の間で駆動波形を反転した回復波形を印加するものが記載されている。
特許文献3には、圧電体薄膜の非活性領域の変形による変位低下を課題として、駆動波形中に逆極性の電圧を含むように構成することで、薄膜ピエゾに駆動電界とは逆方向の電界<U>を</U>形成するものが記載されている。
In order to recover the displacement characteristics of a thin film piezo by applying the following voltage, it has been proposed.
Patent Document 1 describes a technique in which a DC voltage is applied as a recovery waveform between a drive waveform and a drive waveform, with a decrease in displacement due to a reaction between lead and moisture in the piezoelectric thin film as a problem.
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-228561 describes a method of applying a recovery waveform obtained by inverting a drive waveform between drive waveforms.
In Patent Document 3, an object is to reduce displacement due to deformation of an inactive region of a piezoelectric thin film, and the driving waveform includes a voltage having a reverse polarity, so that the electric field in the direction opposite to the driving electric field is applied to the thin film piezoelectric. Those that form <U></U>.

本発明者らは研究の結果、ペロブスカイト結晶構造を有するPZT等の圧電体薄膜を用いた薄膜ピエゾにおいて、圧電素子を一方向の駆動電界を印加しつづけると、以下の現象に起因した変位特性の低化が発生することを見出した。
圧電素子を駆動するために印加された電界により、PZT中の鉛欠陥が負電圧側の電極に向かって引き寄せられる。引き寄せられた鉛欠陥は、負電圧側の電極との界面でトラップされることで電極界面に偏在してしまう。この偏在した鉛欠陥が内部電界を生じて駆動波形の実効電圧を低下させ、薄膜ピエゾの変位特性が低下する。
さらに、この鉛欠陥のトラップは非常に深い準位であり、一度トラップされてしまうと容易にデトラップされず、通常の液滴を吐出させる使用条件内ではほぼ不可逆的な変化となる。すなわち、鉛欠陥のトラップという不可逆的な変化に起因する薄膜ピエゾの変位特性の低下は、通常の使用条件内で回復することはできず、経時で変位特性の低下が進行していく。
As a result of research, the present inventors have found that, in a thin film piezo using a piezoelectric thin film such as PZT having a perovskite crystal structure, when a unidirectional driving electric field is applied to the piezoelectric element, the displacement characteristics due to the following phenomenon are obtained. It has been found that lowering occurs.
The electric field applied to drive the piezoelectric element causes lead defects in the PZT to be drawn toward the negative voltage side electrode. The drawn lead defects are localized at the electrode interface by being trapped at the interface with the negative voltage side electrode. This unevenly distributed lead defect generates an internal electric field, lowers the effective voltage of the driving waveform, and the displacement characteristics of the thin film piezo deteriorate.
Further, the trap of lead defects is a very deep level, and once trapped, it is not easily detrapped, and it becomes an almost irreversible change within the use conditions for ejecting normal droplets. That is, the deterioration of the displacement characteristics of the thin film piezo due to the irreversible change of lead defect trapping cannot be recovered within normal use conditions, and the deterioration of the displacement characteristics proceeds with time.

上記特許文献1は、薄膜ピエゾの、鉛と水分の反応による変位低下を課題として、駆動波形と駆動波形の間で直流電圧を印加するものである。直流電圧のみで、上記鉛欠陥の偏在を解消しようとするとかなり長い印加時間が必要であり、駆動波形と駆動波形の間で印加するシーケンスとして成立し難い。   The above-mentioned Patent Document 1 applies a DC voltage between a drive waveform and a drive waveform with a problem of a decrease in displacement due to a reaction between lead and moisture in a thin film piezo. If an attempt is made to eliminate the uneven distribution of the lead defects using only a DC voltage, a considerably long application time is required, and it is difficult to establish a sequence for applying the drive waveform.

上記特許文献3では、駆動波形中に逆極性の電圧を含むように構成することで、薄膜ピエゾに駆動電界とは逆方向の電界が形成され、電極との界面における鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。しかしながら、駆動波形中に圧電素子の変位低下を抑制するための特性を有する一定条件の逆極性の波形を導入しているため、駆動波形に制約ができてしまい、安定した吐出性能が得られない場合がある。   In the above-mentioned patent document 3, an electric field in the direction opposite to the driving electric field is formed in the thin film piezo by configuring the driving waveform to include a voltage having a reverse polarity, thereby eliminating the lead defect trap at the interface with the electrode. An effect is obtained. However, since a reverse waveform of a certain condition having a characteristic for suppressing a decrease in displacement of the piezoelectric element is introduced in the drive waveform, the drive waveform is restricted and stable ejection performance cannot be obtained. There is a case.

上記特許文献2では、駆動電圧の印加後に、駆動電圧と同じ波形で極性を反転した電圧が印加するものである。これによれば、駆動電界とは逆方向の電界が形成され、電極との界面における鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。しかしながら、駆動電圧と同じ波形の反対極性の電圧を出力する電源を新たに設けると、駆動ICが大幅なコスト増加を招いてしまう。また、特許文献2では、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転させているが、スイッチを設けることによっても駆動ICのコスト増加を招いてしまう。液滴吐出ヘッドの製品化するためには、駆動ICのコストアップを抑えて、経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保することが重要であり、駆動ICのコストが高くなると、製品として成立しない場合もある。   In Patent Document 2, a voltage whose polarity is reversed with the same waveform as the driving voltage is applied after the driving voltage is applied. According to this, an electric field in a direction opposite to the driving electric field is formed, and an effect of eliminating the trap of lead defects at the interface with the electrode can be obtained. However, if a new power supply that outputs a voltage having the same waveform as the drive voltage and having the opposite polarity is provided, the drive IC causes a significant increase in cost. In Patent Document 2, the polarity of the drive waveform is inverted using a switch. However, providing a switch also increases the cost of the drive IC. In order to commercialize a droplet discharge head, it is important to suppress the cost increase of the driving IC, to suppress the deterioration of the displacement characteristics over time, and to ensure stable discharging performance. In some cases, it may not be a product.

本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる液滴吐出ヘッドの駆動方法、液滴吐出ヘッド、及び、画像形成装置を提供することである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a droplet ejection head driving method capable of ensuring stable ejection performance at low cost while suppressing deterioration in displacement characteristics of a thin film piezoelectric actuator over time. And a droplet discharge head and an image forming apparatus.

上記目的を達成するために、請求項1の発明は、一般式Pb(Ti ,Zr ,M )O の圧電体膜を第1の電極と第2の電極とで挟んだ圧電素子で、ノズルに連通する加圧液室を加圧するように構成され、前記第1の電極にパルス波形の駆動電圧とパルス波形の回復電圧とを印加し、前記第2の電極に直流電圧を印加する駆動回路を備え、前記駆動電圧は、鉛欠陥のトラップを生じさせる第1の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第1の電圧と、前記第1の方向と逆の第2の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第2の電圧とを有し、前記回復電圧は、前記第1の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第3の電圧と、前記第2の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第4の電圧とを有し、前記回復電圧の波形は、前記第3の電圧から前記第4の電圧へと移行し、前記第4の電圧を第1の時間継続した後に、前記第4の電圧から前記第3の電圧へと移行し、前記第2の電圧は、第2の時間継続し、前記第1の時間は、前記第2の時間よりも長く、かつ、前記ノズルにおけるメニスカス共振周期の整数倍以外の時間であり、前記第3の電圧から前記第4の電圧へと移行する時間及び前記第4の電圧から前記第3の電圧へと移行する時間の少なくとも一方の時間は、前記メニスカス共振周期よりも長いことを特徴とするものである。 In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is a piezoelectric element in which a piezoelectric film of general formula Pb (Ti x , Zr y , M z ) O 3 is sandwiched between a first electrode and a second electrode. And configured to pressurize the pressurized liquid chamber communicating with the nozzle, applying a pulse waveform driving voltage and a pulse waveform recovery voltage to the first electrode, and applying a DC voltage to the second electrode. The driving voltage is a first voltage that generates an electric field in the first direction that causes a lead defect trap in the piezoelectric film, and a second direction that is opposite to the first direction. And a second voltage for generating an electric field in the piezoelectric film, and the recovery voltage includes a third voltage for generating an electric field in the first direction in the piezoelectric film and the second direction. And a fourth voltage for generating the electric field in the piezoelectric film, and the waveform of the recovery voltage is the third voltage. From the first voltage to the fourth voltage, and after continuing the fourth voltage for a first time, the fourth voltage is shifted to the third voltage, and the second voltage is The second time continues, and the first time is longer than the second time and is a time other than an integral multiple of the meniscus resonance period in the nozzle, and the fourth voltage to the fourth time At least one of the transition time to the voltage and the transition time from the fourth voltage to the third voltage is longer than the meniscus resonance period .

本発明によれば、低コストで、アクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できるという優れた効果がある。   According to the present invention, there is an excellent effect that a stable discharge performance can be ensured at a low cost by suppressing a decrease in displacement characteristics of the actuator over time.

本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける薄膜ピエゾアクチュエータの基本構成を示す断面図。FIG. 3 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a thin film piezo actuator in the liquid droplet ejection head of this embodiment. 薄膜ピエゾアクチュエータの基本的層構成を示す断面図。Sectional drawing which shows the fundamental layer structure of a thin film piezoelectric actuator. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図であり、(a)は幅方向、(b)はノズル列方向を示す。It is sectional drawing of the droplet discharge head of this embodiment, (a) shows the width direction, (b) shows a nozzle row direction. 本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図(その1)。Process sectional drawing which shows the manufacturing process of the droplet discharge head of this embodiment (the 1). 本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図(その2)。Process sectional drawing which shows the manufacturing process of the droplet discharge head of this embodiment (the 2). 液滴吐出ヘッドで液滴を吐出させる駆動波形の一例を示す図。FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a driving waveform for discharging droplets by a droplet discharge head. 圧電素子に対する印加電圧と変位量との関係の一例を示すグラフ。The graph which shows an example of the relationship between the applied voltage and displacement amount with respect to a piezoelectric element. 変位量の計測方法の説明図。Explanatory drawing of the measuring method of displacement. バイアス電圧を印加した駆動波形の一例の説明図。Explanatory drawing of an example of the drive waveform which applied the bias voltage. 圧電素子のヒステリシスカーブ。Hysteresis curve of piezoelectric element. 本実施形態中でのパルス幅時間、立上り時間、立下り時間の説明図。Explanatory drawing of the pulse width time in this embodiment, rise time, and fall time. 本実施形態の駆動波形と回復波形の説明図。Explanatory drawing of the drive waveform and recovery | restoration waveform of this embodiment. メニスカス共振周期の説明図。Explanatory drawing of a meniscus resonance period. 実施例1に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on Example 1. FIG. 実施例2に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on Example 2. FIG. 実施例3に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on Example 3. FIG. 実施例4に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on Example 4. FIG. 実施例5に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on Example 5. FIG. 比較例1に係る回復波形の説明図。Explanatory drawing of the recovery waveform which concerns on the comparative example 1. FIG. 実施例及び比較例の吐出速度の評価結果を示すグラフ。The graph which shows the evaluation result of the discharge speed of an Example and a comparative example. 本実施形態のインクジェットプリンタの斜視図。1 is a perspective view of an ink jet printer according to an embodiment. 本実施形態のインクジェットプリンタの機構部の側面図。The side view of the mechanism part of the inkjet printer of this embodiment.

以下、本発明の一実施形態に係る液滴吐出ヘッドについて説明する。
図1は、本実施形態の液滴吐出ヘッドにおける薄膜ピエゾアクチュエータの基本構成を示す断面図である。この液滴吐出ヘッド51は、ノズル板2と、液室基板4と、振動板55と、圧電素子56とを積層している。ノズル板2には、インク滴を吐出するノズル20が形成されている。ノズル板2、液室基板4、及び振動板55により、ノズル20に連通する加圧液室14(インク流路、加圧室、圧力室、吐出室、液室等とも称される)が形成されている。振動板55は、加圧液室14の一壁面を形成している。
Hereinafter, a droplet discharge head according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a thin film piezo actuator in the liquid droplet ejection head of this embodiment. The droplet discharge head 51 includes a nozzle plate 2, a liquid chamber substrate 4, a vibration plate 55, and a piezoelectric element 56 that are stacked. The nozzle plate 2 is formed with nozzles 20 for ejecting ink droplets. The nozzle plate 2, the liquid chamber substrate 4, and the vibration plate 55 form a pressurized liquid chamber 14 (also referred to as an ink flow path, a pressurized chamber, a pressure chamber, a discharge chamber, and a liquid chamber) that communicates with the nozzle 20. Has been. The diaphragm 55 forms one wall surface of the pressurized liquid chamber 14.

薄膜ピエゾアクチュエータ200は振動板55と圧電素子56とからなる。圧電素子56は、基板側電極となる下部電極151と、圧電体薄膜152と、表面電極となる上部電極153とを有する。圧電素子56は、電気信号を機械的変位に変換する素子である。圧電素子56は、液室基板4の一方の面に成膜された振動板55の、加圧液室14に対応する位置に設けられている。   The thin film piezo actuator 200 includes a diaphragm 55 and a piezoelectric element 56. The piezoelectric element 56 includes a lower electrode 151 serving as a substrate side electrode, a piezoelectric thin film 152, and an upper electrode 153 serving as a surface electrode. The piezoelectric element 56 is an element that converts an electrical signal into a mechanical displacement. The piezoelectric element 56 is provided at a position corresponding to the pressurized liquid chamber 14 of the vibration plate 55 formed on one surface of the liquid chamber substrate 4.

液滴吐出ヘッド51は、薄膜ピエゾアクチュエータ200を駆動することで、ノズル20からインクの液滴を吐出するヘッドである。具体的には、液滴吐出ヘッド51は、圧電素子56の下部電極151または上部電極153に電圧を印加することで圧電体薄膜152に応力を発生させて振動板55を振動させる。この振動板55の振動に伴ってノズル20から加圧液室14内のインクを液滴状に吐出する機能を有する。なお、加圧液室14内にインクを供給するインク供給手段、インクの流路、流体抵抗等についての図示及び説明は省略している。   The droplet discharge head 51 is a head that discharges ink droplets from the nozzles 20 by driving the thin film piezoelectric actuator 200. Specifically, the droplet discharge head 51 applies a voltage to the lower electrode 151 or the upper electrode 153 of the piezoelectric element 56 to generate stress in the piezoelectric thin film 152 and vibrate the diaphragm 55. Along with the vibration of the vibration plate 55, the ink in the pressurized liquid chamber 14 is discharged from the nozzle 20 in the form of droplets. Note that illustration and description of ink supply means for supplying ink into the pressurized liquid chamber 14, ink flow paths, fluid resistance, and the like are omitted.

図2は、薄膜ピエゾアクチュエータの基本的層構成を示す断面図である。上述のように、圧電素子56は、液室基板4と振動板55とを積層形成した上に、下部電極151と、圧電体薄膜152と、上部電極153を積層して形成される。圧電素子56を、図1に示す形状に形成するためには、圧電体薄膜152と、上部電極153を形成した後に、所望の形状に圧電体薄膜152と、上部電極153の形状をエッチング技術により形成する。また、図示しない保護層、層間絶縁層(図5,6参照)は所望の部分にのみ形成すれば良く、所望の形状となるようエッチング技術により形成する。   FIG. 2 is a cross-sectional view showing the basic layer structure of the thin film piezoelectric actuator. As described above, the piezoelectric element 56 is formed by laminating the liquid chamber substrate 4 and the diaphragm 55 and laminating the lower electrode 151, the piezoelectric thin film 152, and the upper electrode 153. In order to form the piezoelectric element 56 in the shape shown in FIG. 1, after the piezoelectric thin film 152 and the upper electrode 153 are formed, the piezoelectric thin film 152 and the upper electrode 153 are formed into desired shapes by an etching technique. Form. Further, a protective layer and an interlayer insulating layer (not shown) (see FIGS. 5 and 6) may be formed only in a desired portion, and are formed by an etching technique so as to have a desired shape.

以下、各層に使用される材料およびその製造プロセスに関して説明を加える。
液室基板4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100〜600[μm]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。本実施形態においては、主に(100)の面方位を持つ単結晶基板を主に使用する。
Hereinafter, description will be added regarding the materials used for each layer and the manufacturing process thereof.
As the liquid chamber substrate 4, it is preferable to use a silicon single crystal substrate, and it is usually preferable to have a thickness of 100 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 having a (100) plane orientation is mainly used.

また、図1に示すような加圧液室14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が、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。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。   Further, when the pressurized liquid chamber 14 as shown in FIG. 1 is manufactured, the silicon single crystal substrate is processed using etching. In this case, anisotropic etching is used as an etching method. It is common. Anisotropic etching utilizes the property that the etching rate differs with respect to the plane orientation of the crystal structure.

例えば、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。従って、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)では深い溝をほ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。本実施形態で(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。但し、この場合、マスク材であるSiOもエッチングされてしまうということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。 For example, in anisotropic etching immersed in an alkaline solution such as 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 removed in the plane orientation (110), so that the arrangement density is increased while maintaining rigidity. I know you can. In this embodiment, it is also possible to use a single crystal substrate having a (110) plane orientation. However, in this case, SiO 2 which is a mask material is also etched, so this area is also used with attention.

振動板55としては、図1に示すように圧電素子56によって発生した力を受けて変形変位し、加圧液室14内のインク滴を吐出させる。このような機能を有するため、振動板55は所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Si、SiO、SiをCVD法により作製したものが挙げられる。さらに、下部電極151と、圧電体薄膜152の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。 As shown in FIG. 1, the vibration plate 55 is deformed and displaced by receiving the force generated by the piezoelectric element 56 and discharges ink droplets in the pressurized liquid chamber 14. In order to have such a function, the diaphragm 55 preferably has a predetermined strength. Examples of the material include Si, SiO 2 , and Si 3 N 4 produced by the CVD method. Furthermore, it is preferable to select a material close to the linear expansion coefficient of the lower electrode 151 and the piezoelectric thin film 152.

後述のように、圧電体薄膜152としては、一般的にPZTが使用される。そのため、振動板55として、圧電体薄膜152の線膨張係数8×10−6(1/K)に近い、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。具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等である。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にて作製することができる。 As will be described later, PZT is generally used as the piezoelectric thin film 152. Therefore, a material having a linear expansion coefficient of 5 × 10 −6 to 10 × 10 −6 that is close to the linear expansion coefficient 8 × 10 −6 (1 / K) of the piezoelectric thin film 152 is preferable as the diaphragm 55. Furthermore, a material having a linear expansion coefficient of 7 × 10 −6 to 9 × 10 −6 is more preferable. Specific examples of the material include aluminum oxide, zirconium oxide, iridium oxide, ruthenium oxide, tantalum oxide, hafnium oxide, osmium oxide, rhenium oxide, rhodium oxide, palladium oxide, and compounds thereof. These can be produced by a spin coater using a sputtering method or a Sol-Gel method.

振動板55の膜厚としては0.1〜10[μm]が好ましく、0.5〜3[μm]がさらに好ましい。この範囲より小さいと、図1に示すような加圧液室14の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板55が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。   The film thickness of the diaphragm 55 is preferably 0.1 to 10 [μm], more preferably 0.5 to 3 [μm]. If it is smaller than this range, it becomes difficult to process the pressurized liquid chamber 14 as shown in FIG. 1, and if it is larger than this range, the vibration plate 55 is difficult to be deformed and displaced, and ink droplet ejection becomes unstable.

下部電極151、上部電極153としては、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が用いられている。しかし、鉛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、イリジウムや白金−ロジウム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(特にSiO)との密着性が悪いために、Ti、TiO、Ta、Ta、Ta等を先に密着層として積層することが好ましい。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、0.05〜1[μm]が好ましく、0.1〜0.5[μm]がさらに好ましい。 As the lower electrode 151 and the upper electrode 153, platinum having high heat resistance and low reactivity has been conventionally used as a metal material. However, it may not be said that it has sufficient barrier properties against lead, and examples include platinum group elements such as iridium and platinum-rhodium, and alloy films thereof. In addition, when using platinum, since adhesion with the base (particularly SiO 2 ) is poor, Ti, TiO 2 , Ta, Ta 2 O 5 , Ta 3 N 5, etc. should be laminated first as an adhesion layer. Is preferred. As a manufacturing method, vacuum film formation such as sputtering or vacuum deposition is generally used. The film thickness is preferably 0.05 to 1 [μm], more preferably 0.1 to 0.5 [μm].

また、圧電体薄膜152の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、下部電極151と圧電体薄膜152、および、圧電体薄膜152と上部電極153との間にSrRuO、LaNiOなどの導電性酸化物を電極部として積層することが好ましい。 In addition, due to concerns over the fatigue characteristics of the displacement of the piezoelectric thin film 152 over time, conductivity such as SrRuO 3 and LaNiO 3 is provided between the lower electrode 151 and the piezoelectric thin film 152 and between the piezoelectric thin film 152 and the upper electrode 153. It is preferable to stack an oxide as an electrode part.

圧電体薄膜152としては、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を使用する。PZTとは、ジルコン酸鉛(PbTiO)とチタン酸鉛(PbTiO)の固溶体で、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、PbZrOとPbTiOの比率が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53、Ti0.47)O、一般にはPZT(53/47)と示されるPZT等を使用することができる。 As the piezoelectric thin film 152, PZT (lead zirconate titanate) is used. PZT is a solid solution of lead zirconate (PbTiO 3 ) and lead titanate (PbTiO 3 ), and the characteristics differ depending on the ratio. In general, the composition exhibiting excellent piezoelectric properties has a ratio of PbZrO 3 and PbTiO 3 of 53:47, and Pb (Zr0.53, Ti0.47) O 3 in the chemical formula, generally PZT (53 / 47) indicated by 47) can be used.

圧電体薄膜152は、例えば、スパッタ法若しくはSol−Gel法を用いてスピンコータ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、フォトリソグラフィを用いたエッチング等により所望のパターンを得る。   The piezoelectric thin film 152 can be manufactured by a spin coater using, for example, a sputtering method or a Sol-Gel method. In that case, since patterning is required, a desired pattern is obtained by etching using photolithography or the like.

PZTをSol−Gel法により作製した場合、出発材料に酢酸鉛、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にし、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、前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。   When PZT is produced by the Sol-Gel method, a PZT precursor solution can be produced by using lead acetate, zirconium alkoxide, and titanium alkoxide compounds as starting materials and dissolving them in methoxyethanol as a common solvent to obtain a uniform solution. . Since the metal alkoxide compound is easily hydrolyzed by moisture in the atmosphere, an appropriate amount of acetylacetone, acetic acid, diethanolamine or the like may be added to the precursor solution as a stabilizer.

振動板55の全面にPZT膜を得る場合、スピンコート等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ので、クラックの発生しない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 diaphragm 55, 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. Since transformation from the coating film to the crystallized film is accompanied by volume shrinkage, it is necessary to adjust the precursor concentration so that a film thickness of 100 nm or less can be obtained in one step in order to obtain a film free from cracks.

圧電体薄膜152の膜厚としては0.5〜5[μm]が好ましく、1〜2[μm]がより好ましい。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。   The film thickness of the piezoelectric thin film 152 is preferably 0.5 to 5 [μm], and more preferably 1 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 laminated, resulting in an increase in the number of steps and a longer process time.

次に、上記アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッド51について説明する。
図3は本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図であり(a)は幅方向断面図、(b)はノズル列方向断面図である。なお、便宜上、(a)では液滴吐出ヘッドの右半分を、(b)では二つの加圧液室14に対応する部分のみ示している。
Next, the droplet discharge head 51 using the actuator will be described.
3A and 3B are cross-sectional views of the droplet discharge head of the present embodiment. FIG. 3A is a cross-sectional view in the width direction, and FIG. 3B is a cross-sectional view in the nozzle row direction. For convenience, (a) shows the right half of the droplet discharge head, and (b) shows only the portion corresponding to the two pressurized liquid chambers 14.

液室基板4には、加圧液室14、流体抵抗部15などのインク流路となる溝部が形成されている。
液室基板4としては、シリコン基板上にシリコン酸化膜を介してシリコンが張り合わされたSOI基板を用いている。また、振動板55は、SOI基板のシリコン層(Si層)表面にパイロ酸化法を適用し、シリコン酸化膜を形成したものである。そして、この振動板55の上に圧電素子56を形成して、薄膜ピエゾアクチュエータ200を構成する。
In the liquid chamber substrate 4, groove portions serving as ink flow paths such as the pressurized liquid chamber 14 and the fluid resistance portion 15 are formed.
As the liquid chamber substrate 4, an SOI substrate in which silicon is bonded to a silicon substrate via a silicon oxide film is used. The diaphragm 55 is obtained by applying a pyro-oxidation method to the silicon layer (Si layer) surface of the SOI substrate to form a silicon oxide film. Then, the piezoelectric element 56 is formed on the vibration plate 55 to constitute the thin film piezoelectric actuator 200.

圧電素子56は、振動板55の上に下部電極151となる白金膜、圧電体薄膜152となるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)の膜、上部電極153となる白金膜の多層構造を積層することで形成している。下部電極151は共通電極であり、上部電極153は個別電極である。圧電素子56は、シリコン基板をエッチングすることにより形成された加圧液室14に対向する領域に形成されている。   The piezoelectric element 56 is formed by laminating a multilayer structure of a platinum film serving as the lower electrode 151, a PZT (lead zirconate titanate) film serving as the piezoelectric thin film 152, and a platinum film serving as the upper electrode 153 on the diaphragm 55. It is formed with. The lower electrode 151 is a common electrode, and the upper electrode 153 is an individual electrode. The piezoelectric element 56 is formed in a region facing the pressurized liquid chamber 14 formed by etching a silicon substrate.

液室基板4は、下部電極151及び上部電極153のそれぞれに電位を印加する配線部材154を備える。配線部材154としては、下部電極パッド部157を下部電極151に電気的に接続する下配線部材154aと、上部電極パッド部158を上部電極153に電気的に接続する上配線部材154bとが設けられている。また、液室基板4は、下部電極151及び上部電極153と配線部材154との層間に配置する層間絶縁膜155を備える。さらに、液室基板4には、配線部材154を保護するためのパッシベーション膜156が薄膜ピエゾアクチュエータ200の上面及び側面を覆うように配置されている。   The liquid chamber substrate 4 includes a wiring member 154 that applies a potential to each of the lower electrode 151 and the upper electrode 153. As the wiring member 154, a lower wiring member 154a that electrically connects the lower electrode pad portion 157 to the lower electrode 151, and an upper wiring member 154b that electrically connects the upper electrode pad portion 158 to the upper electrode 153 are provided. ing. Further, the liquid chamber substrate 4 includes an interlayer insulating film 155 disposed between the lower electrode 151 and the upper electrode 153 and the wiring member 154. Further, a passivation film 156 for protecting the wiring member 154 is disposed on the liquid chamber substrate 4 so as to cover the upper surface and the side surface of the thin film piezoelectric actuator 200.

ノズル板2は、厚さ30〜50[μm]のSUS(ステンレス鋼)基板からなり、プレス加工と研磨加工とによりノズル20が形成されている。このノズル20はノズル板2と液室基板4とを組み付けたときに、液室基板4の加圧液室14と対向し、加圧液室14と外部空間とを連通するように形成される。   The nozzle plate 2 is made of a SUS (stainless steel) substrate having a thickness of 30 to 50 [μm], and the nozzle 20 is formed by pressing and polishing. The nozzle 20 is formed so as to face the pressurized liquid chamber 14 of the liquid chamber substrate 4 when the nozzle plate 2 and the liquid chamber substrate 4 are assembled, and to communicate the pressurized liquid chamber 14 and the external space. .

保護基板3は、圧電素子保護空間22を形成する基板である。この保護基板3には、共通液室18としてインク流路となる溝部と、圧電素子56の保護及び変位を妨げないための圧電素子保護空間22とが形成されている。また、液室基板4の液室隔壁4aの剛性を高めるために振動板55を介して液室隔壁4aを補強する補強壁23が形成されている。補強壁23は、液室隔壁4aを補強することで、液室隔壁4aによって形成される加圧液室14全体を支えている。
また、振動板55には、保護基板3に形成された共通液室18から液室基板4に形成された加圧液室14へインクを供給する流路となる部分に個別供給口60が設けられている。液室基板4に薄膜ピエゾアクチュエータ200を形成し、保護基板を接合した基板はアクチュエータ基板1と呼ばれる。
The protective substrate 3 is a substrate that forms the piezoelectric element protection space 22. The protective substrate 3 is formed with a groove portion serving as an ink flow path as the common liquid chamber 18 and a piezoelectric element protection space 22 for preventing the piezoelectric element 56 from being protected and displaced. Further, in order to increase the rigidity of the liquid chamber partition 4 a of the liquid chamber substrate 4, a reinforcing wall 23 that reinforces the liquid chamber partition 4 a through the diaphragm 55 is formed. The reinforcing wall 23 reinforces the liquid chamber partition 4a to support the entire pressurized liquid chamber 14 formed by the liquid chamber partition 4a.
Further, the diaphragm 55 is provided with an individual supply port 60 in a portion that becomes a flow path for supplying ink from the common liquid chamber 18 formed on the protective substrate 3 to the pressurized liquid chamber 14 formed on the liquid chamber substrate 4. It has been. The substrate in which the thin film piezoelectric actuator 200 is formed on the liquid chamber substrate 4 and the protective substrate is bonded is called an actuator substrate 1.

次に、本実施形態の液滴吐出ヘッド51の製造方法について、製造工程を示す工程断面図である図4及び図5に従って説明する。本製造方法では、液室基板4であるシリコン基板に振動板55の材料及び圧電素子56の材料を成膜していくことで薄膜ピエゾアクチュエータ200を作成していく。
先ず、図4(a)に示すように、厚み400[μm]の<100>シリコン層(シリコン基板)の表面に、0.2[μm]厚のシリコン酸化膜及び2.0[μm]厚のシリコンを張り合わせたSOI基板を用いる。このSOI基板表面にパイロ(Wet)酸化法によりシリコン酸化膜を0.3[μm]形成し、これを振動板55とする。
Next, a method for manufacturing the droplet discharge head 51 of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 and 5 which are process cross-sectional views showing the manufacturing process. In this manufacturing method, the thin film piezo actuator 200 is formed by depositing the material of the diaphragm 55 and the material of the piezoelectric element 56 on the silicon substrate that is the liquid chamber substrate 4.
First, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide film having a thickness of 0.2 [μm] and a thickness of 2.0 [μm] are formed on the surface of a <100> silicon layer (silicon substrate) having a thickness of 400 [μm]. An SOI substrate bonded with silicon is used. A silicon oxide film of 0.3 [μm] is formed on the surface of the SOI substrate by a pyro oxidation method, and this is used as a diaphragm 55.

その後、圧電素子56の下部電極151となる下白金層をスパッタ法により0.2[μm]成膜し、パターニングすることで図4(b)に示す状態となる。更に、ゾルゲル法により圧電体薄膜152を2[μm]成膜し、さらに上部電極153となる上白金層を0.1[μm]成膜する。その後、フォトリソグラフィイを用いたエッチングにより上部電極153及び圧電体薄膜152をパターニングする。これにより、図4(c)に示す状態となる。   Thereafter, a lower platinum layer to be the lower electrode 151 of the piezoelectric element 56 is formed by sputtering to a thickness of 0.2 [μm] and is patterned to obtain the state shown in FIG. Further, 2 [μm] of the piezoelectric thin film 152 is formed by a sol-gel method, and an upper platinum layer to be the upper electrode 153 is formed by 0.1 [μm]. Thereafter, the upper electrode 153 and the piezoelectric thin film 152 are patterned by etching using photolithography. As a result, the state shown in FIG.

次に、プラズマCVD法により層間絶縁膜155となる絶縁体層を0.3[μm]成膜し、リソエッチ法により圧電素子56の上部に開口部155cを形成する。また、層間絶縁膜155には、上導通部155b、下導通部155a及び貫通部155dをパターニングによって形成する。これにより、図4(d)に示す状態となる。
図4(d)に示す上導通部155bは、次に形成する上配線部材154bと上部電極153との導通部であり、下導通部155aは次に形成する下配線部材154aと下部電極151との導通部である。また、貫通部155dは、共通液室18から各個別インク供給室24へのインク供給孔となる開口部である。
Next, an insulating layer to be an interlayer insulating film 155 is formed by plasma CVD method to 0.3 [μm], and an opening 155c is formed above the piezoelectric element 56 by lithoetch method. In the interlayer insulating film 155, an upper conductive portion 155b, a lower conductive portion 155a, and a through portion 155d are formed by patterning. As a result, the state shown in FIG.
The upper conductive portion 155b shown in FIG. 4D is a conductive portion between the upper wiring member 154b to be formed next and the upper electrode 153, and the lower conductive portion 155a is the lower wiring member 154a and the lower electrode 151 to be formed next. It is a conduction part. The through portion 155 d is an opening that serves as an ink supply hole from the common liquid chamber 18 to each individual ink supply chamber 24.

更に、アルミ材料により、上配線部材154b、下配線部材154aなどの配線部材154となる層を形成することで、図4(e)に示す状態となる。この配線部材154によって形成される上配線部材154bは、圧電素子56の駆動による振動板55の振動によって応力を受ける。このため、振動板55の振動によって上配線部材154bが断線しないように、配線部材154としては、やわらかい導電性材料(本実施形態ではアルミニウム)を使い、1[μm]程度の厚い層厚で形成されている。   Further, by forming a layer to be the wiring member 154 such as the upper wiring member 154b and the lower wiring member 154a with an aluminum material, the state shown in FIG. The upper wiring member 154 b formed by the wiring member 154 receives stress due to vibration of the diaphragm 55 due to driving of the piezoelectric element 56. For this reason, a soft conductive material (aluminum in this embodiment) is used as the wiring member 154 so that the upper wiring member 154b is not disconnected by the vibration of the diaphragm 55, and the layer thickness is about 1 [μm]. Has been.

次に、配線部材154を保護するためのパッシベーション膜156としてプラズマCVD法によるシリコン窒化膜を2[μm]成膜し、パターニングする。そして、振動板55の個別供給口60となる部分を事前にエッチングする。これにより、図4(f)に示す状態となる。   Next, 2 [μm] of a silicon nitride film by plasma CVD is formed as a passivation film 156 for protecting the wiring member 154 and patterned. And the part used as the separate supply port 60 of the diaphragm 55 is etched beforehand. As a result, the state shown in FIG.

次に、金をメッキ法により積層して、上部電極パッド部158と下部電極パッド部157とを同時に形成することにより、図5(a)に示す状態となる。上部電極パッド部158は上配線部材154bにより上部電極153に接続される。また、下部電極パッド部157は下配線部材154aにより下部電極151に接続される。このように、上部電極パッド部158及び下部電極パッド部157を金で形成することで、図示しない駆動ICとの電気的接続を低温のワイヤボンディングで接続できる。また、金は抵抗値が低く、上部電極153及び下部電極151の抵抗値を下げる効果が大きい。
なお、下部電極パッド部157は、上部電極パッド部158と形成工程を分けて形成してもよい。また、上部電極パッド部158及び下部電極パッド部157の材料としては、金に限らず、銅やアルミニウムなどを使用することもできる。しかし、金以外の材料を用いる場合は、その表面が他の層で覆われない上部電極パッド部158に対しては、腐食から保護する保護層が必要となる場合もある。
Next, gold is laminated by a plating method to form the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 at the same time, so that the state shown in FIG. The upper electrode pad portion 158 is connected to the upper electrode 153 by the upper wiring member 154b. The lower electrode pad portion 157 is connected to the lower electrode 151 by the lower wiring member 154a. Thus, by forming the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 with gold, electrical connection with a driving IC (not shown) can be made by low-temperature wire bonding. Further, gold has a low resistance value, and has a great effect of reducing the resistance values of the upper electrode 153 and the lower electrode 151.
The lower electrode pad portion 157 may be formed separately from the upper electrode pad portion 158 in the formation process. The material of the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 is not limited to gold, and copper, aluminum, or the like can be used. However, when a material other than gold is used, a protective layer that protects against corrosion may be required for the upper electrode pad portion 158 whose surface is not covered with another layer.

また、上述した液室基板4に対する成膜等とは、別途に、ガラス基板にブラスト加工で柱を形成した保護基板3を作成する。そして、上部電極パッド部158と下部電極パッド部157とを形成した後、液室基板4となる部分の振動板55を挟んでパッシベーション膜156側に接合する。これにより、図5(b)に示す状態となる。
さらに、液室基板4となる部分の振動板55を挟んで保護基板3を接合した側とは反対側の液室基板4の表面を、液室基板4が所望の厚さとなるまで研磨する。
保護基板3はシリコン製の板状部材にフォトリソグラフィを用いたエッチングで凹部を加工したものでも良く、<100>シリコン製の板状部材をTMAH、KOHなどのアルカリエッチング液を用いたウェットエッチングにより加工したものでも構わない。
また、樹脂モールドやメタルインジェクションモールドなどの成型部品でも構わない。また、駆動ICをアクチュエータ基板上に一体形成する際に、パイロ酸化法で形成した酸化膜をLOCOS酸化法で形成し、酸化膜の形成領域を選択することで、駆動ICを同一基板上に形成することもできる。
Further, separately from the film formation on the liquid chamber substrate 4 described above, the protective substrate 3 in which the pillars are formed on the glass substrate by blasting is created. Then, after the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 are formed, the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 are bonded to the passivation film 156 side with the vibration plate 55 of the portion that becomes the liquid chamber substrate 4 interposed therebetween. As a result, the state shown in FIG.
Further, the surface of the liquid chamber substrate 4 opposite to the side where the protective substrate 3 is bonded is sandwiched between the portions of the vibration plate 55 to be the liquid chamber substrate 4 until the liquid chamber substrate 4 has a desired thickness.
The protective substrate 3 may be a silicon plate-like member obtained by etching a recess by etching using photolithography, and a <100> silicon plate-like member is obtained by wet etching using an alkaline etchant such as TMAH or KOH. It may be processed.
Further, it may be a molded part such as a resin mold or a metal injection mold. In addition, when the drive IC is integrally formed on the actuator substrate, the oxide film formed by the pyro oxidation method is formed by the LOCOS oxidation method, and the drive IC is formed on the same substrate by selecting the oxide film formation region. You can also

図5(b)に示す状態から液室基板4が所望の厚さとなるまで研磨した後、液室基板4の振動板55とは反対側となる面に対して、ICP((Inductively Coupled Plasma)ドライエッチングを行う。このICPドライエッチングによって加圧液室14、流体抵抗部15及び個別インク供給室24となる凹部を形成する。これにより、図5(c)の状態となる。   After polishing from the state shown in FIG. 5B until the liquid chamber substrate 4 has a desired thickness, an ICP ((Inductively Coupled Plasma) is applied to the surface of the liquid chamber substrate 4 opposite to the vibration plate 55. By this ICP dry etching, concave portions that become the pressurized liquid chamber 14, the fluid resistance portion 15, and the individual ink supply chamber 24 are formed, whereby the state shown in FIG.

液室基板4を形成した後、別途に作成したノズル板2を液室基板4の液室隔壁形成面に接着することで、図5(d)の状態になる。ここで、ノズル板2は、厚さ30〜50[μm]のSUS基板にプレス加工と研磨加工によりノズル20を形成したものである。液室基板4にノズル板2を接着した後、圧電素子56の上部電極153及び下部電極151に接続された上部電極パッド部158と下部電極パッド部157とを不図示の駆動ICに接続する。これにより、液滴吐出ヘッド51の主要部分が完成する。   After the liquid chamber substrate 4 is formed, the separately prepared nozzle plate 2 is bonded to the liquid chamber partition surface of the liquid chamber substrate 4 to obtain the state shown in FIG. Here, the nozzle plate 2 is obtained by forming the nozzle 20 on a SUS substrate having a thickness of 30 to 50 [μm] by pressing and polishing. After the nozzle plate 2 is bonded to the liquid chamber substrate 4, the upper electrode pad portion 158 and the lower electrode pad portion 157 connected to the upper electrode 153 and the lower electrode 151 of the piezoelectric element 56 are connected to a driving IC (not shown). Thereby, the main part of the droplet discharge head 51 is completed.

次に、本実施形態の液滴吐出ヘッド51の特徴部である駆動方法について説明する。
図6は、液滴吐出ヘッドで液滴を吐出させる駆動波形の説明図である。駆動波形としては、吐出させない状態に対応する第1電界を圧電体薄膜152に生じさせる電圧部分(V1)と、吐出させる状態に対応する第2電界を圧電体薄膜152に生じさせる電圧部分(V2)とを有するパルス形状の電圧を印加する。具体的には、図6に示すように、吐出させる状態に対応する第2電界の電位が異なる複数のパルス波形を組み合わせて用いることで、吐出させる液滴の体積を、大滴、中滴、小滴のように制御している。なお、図6においてdは、メニスカスの乾燥防止のための微小振動波形である。
Next, a driving method that is a characteristic part of the droplet discharge head 51 of the present embodiment will be described.
FIG. 6 is an explanatory diagram of drive waveforms for ejecting droplets by the droplet ejection head. As a drive waveform, a voltage portion (V1) that causes the piezoelectric thin film 152 to generate a first electric field corresponding to a state in which discharge is not performed, and a voltage portion (V2) that generates a second electric field corresponding to the state to be discharged in the piezoelectric thin film 152. ) Is applied in the form of a pulse. Specifically, as shown in FIG. 6, by using a combination of a plurality of pulse waveforms having different potentials of the second electric field corresponding to the state to be ejected, the volume of the ejected droplet can be changed to a large droplet, a medium droplet, It is controlled like a droplet. In FIG. 6, d is a minute vibration waveform for preventing meniscus drying.

また、本実施形態では、駆動IC(不図示)より、圧電素子56に駆動波形を印加する際、個別電極である上部電極153に上部電極パッド部158を介して駆動信号に基づき、上記パルス形状の電圧を印加する。同時に、共通電極である下部電極151に下部電極パッド部157を介して直流電圧Vdcをバイアス電圧として印加する駆動方法を用いている。これにより、以下のようにして圧電素子56の変位効率の向上を図っている。   In the present embodiment, when a drive waveform is applied to the piezoelectric element 56 from a drive IC (not shown), the above pulse shape is applied to the upper electrode 153 that is an individual electrode based on the drive signal via the upper electrode pad portion 158. Apply a voltage of. At the same time, a driving method is used in which the DC voltage Vdc is applied as a bias voltage to the lower electrode 151, which is a common electrode, via the lower electrode pad portion 157. Thereby, the displacement efficiency of the piezoelectric element 56 is improved as follows.

図7は、圧電素子に対する印加電圧と変位量との関係の一例を示すグラフである。なお、図7では、印加電圧は、電位差の関係が 上部電極153>下部電極151 である状態を正として表している。また、変位量は、図8に示すようにレーザードップラーで加圧液室14側から変位量を計測した結果を用いている。図7中、矢印eで示す変位は、印加電圧として正側の電圧のみを用いている。これに対して、図7中、矢印fで示す変位は、矢印eで示す変位と同じ電位差を設けているが、正側から抗電界以下の負側の電圧まで使用したほうが、圧電素子の変位量が大きくなることを示している。このため、下部電極151より直流電圧Vdcを印加してバイアス電圧とすることで、上部電極153から印加されたパルス形状を有する電圧により、正側から負側の抗電界以下の電圧まで範囲を使用できるようにしている。   FIG. 7 is a graph showing an example of the relationship between the voltage applied to the piezoelectric element and the amount of displacement. In FIG. 7, the applied voltage is expressed as positive when the potential difference is such that the upper electrode 153> the lower electrode 151. Further, as shown in FIG. 8, the displacement amount is obtained by measuring the displacement amount from the pressurized liquid chamber 14 side with a laser Doppler. In FIG. 7, the displacement indicated by the arrow e uses only the positive voltage as the applied voltage. On the other hand, the displacement indicated by the arrow f in FIG. 7 has the same potential difference as the displacement indicated by the arrow e, but the displacement of the piezoelectric element is better when used from the positive side to the negative side voltage below the coercive electric field. It shows that the amount becomes larger. For this reason, the DC voltage Vdc is applied from the lower electrode 151 to obtain a bias voltage, and the voltage having a pulse shape applied from the upper electrode 153 is used in a range from the positive side to the voltage below the coercive electric field on the negative side. I can do it.

図9は、バイアス電圧を印加した駆動波形の一例の説明図である。本実施形態では、負側の抗電界Ecに対して、第2電界を圧電体薄膜152に生じさせる電圧(V2)の最小値Vminと、バイアス電圧Vdcとは、Vmin−Vdc>Ec の関係を満たせばよい。本実施形態では、図10から得られる圧電素子のヒステリシスカーブから得られる負側の抗電界(Ec)は−4Vである。このため、上部電極153より最小値Vmin=3Vのパルス形状の電圧を印加し、下部電極151よりVdc=6Vの直流電圧を印加することで、負側の抗電界以下の領域を使用して変位効率を向上させることができる。本実施形態中での、立上り時間幅Tf,パルス時間幅Pw,立下り時間Trは図11に基づく時間により定義される。図9において、駆動波形の立上り時間幅Tf,パルス時間幅Pw,立下り時間Trは、Tf=1μs、Pw=1.7μs、Tr=1μsの条件を用いている。なお、パルス波形とパルス波形の間隔は吐出させる液滴の体積等に基づき適宜調整される。   FIG. 9 is an explanatory diagram of an example of a drive waveform to which a bias voltage is applied. In the present embodiment, the minimum value Vmin of the voltage (V2) that causes the piezoelectric thin film 152 to generate the second electric field with respect to the negative coercive electric field Ec and the bias voltage Vdc have a relationship of Vmin−Vdc> Ec. Just fill it. In this embodiment, the negative coercive electric field (Ec) obtained from the hysteresis curve of the piezoelectric element obtained from FIG. 10 is −4V. For this reason, a pulse-shaped voltage having a minimum value Vmin = 3V is applied from the upper electrode 153, and a DC voltage of Vdc = 6V is applied from the lower electrode 151, so that displacement is performed using a region below the negative coercive electric field. Efficiency can be improved. In this embodiment, the rise time width Tf, the pulse time width Pw, and the fall time Tr are defined by the time based on FIG. In FIG. 9, the rise time width Tf, the pulse time width Pw, and the fall time Tr of the drive waveform use conditions of Tf = 1 μs, Pw = 1.7 μs, and Tr = 1 μs. Note that the interval between the pulse waveforms is appropriately adjusted based on the volume of the droplets to be ejected.

さらに、この駆動波形を形成する駆動ICを利用して、駆動波形と駆動波形との間で圧電素子の変位特性を回復するための回復波形を印加する。
図12は、本実施形態の駆動波形と回復波形の説明図である。駆動波形は、下部電極151から直流電圧Vdcを印加し、上部電極153から上述のパルス形状の電圧を印加する。なお、パルス形状で、吐出させない状態に対応する第1電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧を中間電位V1とし、吐出させる状態に対応する第2電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧をV2としている。これにより、所望の液滴が吐出される。
また、回復波形としては、駆動ICを介して、下部電極151に直流電圧Vdcをバイアス電圧として印加する。これと共に、上部電極153より吐出させない状態に対応する第3電界を圧電体薄膜152に生じさせる電圧部分(V3)と、直流電圧Vdcよりも小さい電圧部分(V4)を有するパルス波形の電圧を印加する。この回復波形では、パルス波形のV4の領域で直流電圧Vdcを印加した下部電極151との間に、駆動波形で形成される鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界が形成される。この逆電界により、駆動電界を繰り返し形成したことにより発生した、下部電極151との界面におけるPZTの圧電体薄膜152中の鉛欠陥のトラップを解消することができる。
Further, a recovery waveform for recovering the displacement characteristics of the piezoelectric element is applied between the drive waveform and the drive waveform using the drive IC that forms the drive waveform.
FIG. 12 is an explanatory diagram of a drive waveform and a recovery waveform according to the present embodiment. For the driving waveform, a DC voltage Vdc is applied from the lower electrode 151, and the above pulse-shaped voltage is applied from the upper electrode 153. Note that a voltage that generates a first electric field in the piezoelectric thin film in a pulse shape and corresponding to a state in which discharge is not generated is an intermediate potential V1, and a voltage that generates a second electric field that corresponds to a discharge state in the piezoelectric thin film is V2. . Thereby, a desired droplet is discharged.
As a recovery waveform, the DC voltage Vdc is applied as a bias voltage to the lower electrode 151 via the driving IC. At the same time, a voltage having a voltage waveform (V3) that generates a third electric field in the piezoelectric thin film 152 corresponding to a state in which the upper electrode 153 is not discharged, and a voltage having a pulse waveform having a voltage part (V4) smaller than the DC voltage Vdc is applied. To do. In this recovery waveform, a recovery electric field is formed between the lower electrode 151 to which the DC voltage Vdc is applied in the V4 region of the pulse waveform and in the opposite direction to the electric field that causes a lead defect trap formed in the drive waveform. Is done. This reverse electric field can eliminate the trap of lead defects in the PZT piezoelectric thin film 152 at the interface with the lower electrode 151, which is generated by repeatedly forming the drive electric field.

なお、回復波形として上部電極153から印加されるパルス波形の最小値V4は、駆動波形として上部電極153と印加されるパルス波形のV2の最小値Vminと同じく、負側の抗電界Ecに対して、V4−Vdc>Ec の関係を満たせばよい。なお、駆動波形のパルス波形のV2の最小値であるVminと回復波形のパルス波形の最小値であるV4は等しい必要はない。   The minimum value V4 of the pulse waveform applied from the upper electrode 153 as the recovery waveform is the same as the minimum value Vmin of the upper electrode 153 and the pulse waveform V2 applied as the drive waveform with respect to the negative coercive electric field Ec. V4-Vdc> Ec may be satisfied. Note that Vmin, which is the minimum value of V2 of the pulse waveform of the drive waveform, and V4, which is the minimum value of the pulse waveform of the recovery waveform, do not have to be equal.

しかしながら、回復波形として、上部電極153に単に駆動時と同じパルス時間幅Pwのパルス波形を印加すると、駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴を吐出させてしまう。具体的には、パルス時間幅Pwがメニスカス共振周期の整数倍または1周以下の時間であると、回復波形により発生した圧電素子の変位がメニスカス共振を励起して、加圧液室14内に液滴を吐出させるための圧力変動を生じさせてしまう。駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴吐出させないためには、回復波形のパルス時間幅Pwを、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間とする。さらに、回復波形のパルス時間幅Pwをメニスカス共振周期の反共振周期となる反整数値倍とすることが好ましい。これにより、駆動波形と駆動波形との間で、加圧液室14内に液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。   However, if a pulse waveform having the same pulse time width Pw as that during driving is simply applied to the upper electrode 153 as a recovery waveform, unnecessary droplets are ejected between the driving waveform. Specifically, when the pulse time width Pw is an integral multiple of the meniscus resonance period or a time of one turn or less, the displacement of the piezoelectric element generated by the recovery waveform excites the meniscus resonance and enters the pressurized liquid chamber 14. Pressure fluctuations for ejecting droplets are caused. In order to prevent unnecessary droplets from being ejected between the drive waveforms, the pulse time width Pw of the recovery waveform is set to a time longer than the meniscus resonance period and other than an integral multiple of the meniscus period. Furthermore, it is preferable to set the pulse time width Pw of the recovery waveform to an anti-integer value multiple that is the antiresonance period of the meniscus resonance period. Thereby, it can be set as the state which does not generate | occur | produce the pressure which discharges a droplet in the pressurized liquid chamber 14 between a drive waveform and a drive waveform.

ここで、メニスカス共振周期とは、図13(a)に示すように加圧液室14内の振動によってメニスカス面が変位してしまう、液室固有の周期(図13(b)である。このメニスカス固有周期(時間)に近いパルス時間幅Pwの波形は、加圧液室内の圧力増幅を発生させる。また、メニスカス固有周期よりも短い時間の圧力変動(立上り時間Tf、立下り時間Tr)も、この振動の励起に寄与してしまい、圧力増幅を発生させてしまう。一方、メニスカス共振周期の反共振周期をパルス時間幅にもつパルス電圧を印加すると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。さらに、立上り時間Tf、立下り時間Trをメニスカス共振周期よりも長くすると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。   Here, the meniscus resonance period is a period unique to the liquid chamber (FIG. 13B) in which the meniscus surface is displaced by vibration in the pressurized liquid chamber 14 as shown in FIG. The waveform of the pulse time width Pw close to the meniscus natural period (time) causes pressure amplification in the pressurized liquid chamber, and pressure fluctuations (rise time Tf, fall time Tr) of a time shorter than the meniscus natural period are also generated. On the other hand, if a pulse voltage having an anti-resonance period of the meniscus resonance period in the pulse time width is applied, the pressure waveform is not generated and the driving waveform is generated. In the state where no pressure is generated between the driving waveform and the driving waveform, the pressure rises when the rise time Tf and the fall time Tr are longer than the meniscus resonance period. There can be no occurrence, a state does not occur the pressure generating such discharges droplets between the drive waveform and the drive waveform.

本実施形態では、上述のように圧電素子に液滴を吐出させる駆動波形を形成するための駆動ICを用いて、駆動電界とは逆方向の電界を形成する回復波形を形成する。回復波形としては、駆動波形を印加する駆動ICを用いて、上部電極153に印加するパルス波形の最小値と、パルス時間幅を上述のように調整することだけで実現可能である。また,本実施形態の液滴吐出ヘッド51では、駆動ICは正極性の電圧を出力するものであり、上部電極153にパルス波形の電圧を印加し、下部電極151に直流電圧を印加する構成であれば良い。このため、駆動波形と反対極性のパルス波形を出力する構成や、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転する構成に較べて、駆動ICのコストアップが抑えられる。   In the present embodiment, a recovery waveform that forms an electric field in a direction opposite to the driving electric field is formed using the driving IC for forming a driving waveform that causes the piezoelectric element to eject droplets as described above. The recovery waveform can be realized only by adjusting the minimum value of the pulse waveform applied to the upper electrode 153 and the pulse time width as described above using a drive IC that applies the drive waveform. Further, in the droplet discharge head 51 of the present embodiment, the driving IC outputs a positive voltage, and a pulse waveform voltage is applied to the upper electrode 153 and a DC voltage is applied to the lower electrode 151. I just need it. For this reason, compared with the structure which outputs the pulse waveform of the opposite polarity to a drive waveform, or the structure which reverses the polarity of a drive waveform using a switch, the cost increase of drive IC can be suppressed.

次に、上記駆動方法を用いて形成した回復波形を実施例に基づき詳細に説明する。駆動波形としては、駆動IC(不図示)より上部電極パッド部158を介して上部電極153に中間電位V1とV2とを有するパルス形状の電圧を印加し、下部電極パッド部157を介して下部電極151に直流電圧Vdcを印加する。これにより、正電圧側が抗電界を越える150kV/cm、負極性側は抗電界を越えない−15kV/cmの電圧幅を持つ駆動波形を形成する。なお、以下の圧電体薄膜152に形成される電界強度を用いて説明をおこなう。   Next, the recovery waveform formed by using the above driving method will be described in detail based on examples. As a drive waveform, a pulse-shaped voltage having intermediate potentials V1 and V2 is applied to the upper electrode 153 from the drive IC (not shown) via the upper electrode pad portion 158, and the lower electrode is passed through the lower electrode pad portion 157. 151 is applied with a DC voltage Vdc. As a result, a driving waveform having a voltage width of -15 kV / cm that does not exceed the coercive electric field is formed on the positive voltage side and 150 kV / cm that does not exceed the coercive electric field. The description will be made using the electric field strength formed on the piezoelectric thin film 152 below.

<実施例1>
上記駆動波形を500ms印加したあと、上部電極153にパルス波形、下部電極151に直流電圧Vdcを印加して、正極性側の電界強度が150kV/cm、逆極性の電界強度−15kV/cmを持つ回復波形を500ms印加する。この駆動波形と回復波形の組み合わせを1シーケンスとした波形を印加した。図14は、実施例1に係る回復波形の一例の説明図である。回復波形のパルス波形の立上り時間Tf、パルス時間幅Pw,立下り時間Trはメニスカス共振周期より長い。本実施形態の液滴吐出ヘッド51のヘッド構成ではメニスカス共振周期Tc=3.7μsのため、立上り時間Tf=25μs、パルス幅時間=25μs、立下りTr=25μsのパルス波形を印加した。パルス波形の電圧V3は、正極性側が中間電位(図12のV3)で、最小値(図12のV4)が直流電圧Vdcよりも小さく、負極性側での抗電界を超えないよう、V4−Vdc>Ec を満足するものである。本実施例では、−15kV/cmの逆電界を形成するパルス波形を印加した。
<Example 1>
After applying the above drive waveform for 500 ms, a pulse waveform is applied to the upper electrode 153 and a DC voltage Vdc is applied to the lower electrode 151 so that the electric field strength on the positive polarity side is 150 kV / cm, and the electric field strength is -15 kV / cm of reverse polarity. A recovery waveform is applied for 500 ms. A waveform having a combination of the drive waveform and the recovery waveform as one sequence was applied. FIG. 14 is an explanatory diagram of an example of a recovery waveform according to the first embodiment. The rising time Tf, the pulse time width Pw, and the falling time Tr of the recovery waveform pulse waveform are longer than the meniscus resonance period. In the head configuration of the droplet discharge head 51 of this embodiment, since the meniscus resonance period Tc = 3.7 μs, a pulse waveform having a rise time Tf = 25 μs, a pulse width time = 25 μs, and a fall Tr = 25 μs was applied. The voltage V3 of the pulse waveform has an intermediate potential (V3 in FIG. 12) on the positive polarity side, a minimum value (V4 in FIG. 12) is smaller than the DC voltage Vdc, and does not exceed the coercive electric field on the negative polarity side. Vdc> Ec is satisfied. In this example, a pulse waveform that forms a reverse electric field of −15 kV / cm was applied.

<実施例2>
図15は、実施例2に係る回復波形の説明図である。実施例1と同様の駆動波形を500ms印加し、回復波形として、正極性側は200kV/cm、負極性側は−15kV/cmとなるパルス波形を500ms印加したものを1シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例1と同様、立上り時間Tf=25μs、パルス幅時間=25μs、立下りTr=25μsである。
<Example 2>
FIG. 15 is an explanatory diagram of a recovery waveform according to the second embodiment. A drive waveform similar to that of Example 1 is applied for 500 ms, and a recovery waveform is obtained by applying a pulse waveform of 200 kV / cm on the positive polarity side and −15 kV / cm on the negative polarity side for 500 ms as one sequence. As in the first embodiment, the recovery waveform has a rising time Tf = 25 μs, a pulse width time = 25 μs, and a falling Tr = 25 μs.

<実施例3>
図16は、実施例3に係る回復波形の説明図である。実施例1と同様の駆動波形を500ms印加し、回復波形として、正極性側は150kV/cm、負極性側は−15kV/cmとなるパルス波形を100ms印加し、その後400ms間は波形を印加しないものを1シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例1と同様、立上り時間Tf=25μs、パルス幅時間25μs、立下りTr=25μsである。
<Example 3>
FIG. 16 is an explanatory diagram of a recovery waveform according to the third embodiment. A drive waveform similar to that of Example 1 is applied for 500 ms, and as a recovery waveform, a pulse waveform of 150 kV / cm on the positive polarity side and −15 kV / cm on the negative polarity side is applied for 100 ms, and then no waveform is applied for 400 ms. One is a sequence. Similar to the first embodiment, the recovery waveform has a rising time Tf = 25 μs, a pulse width time 25 μs, and a falling Tr = 25 μs.

<実施例4>
図17は、実施例4に係る回復波形の説明図である。実施例1と同様の駆動波形を500ms印加し、400ms間は波形を印加せず、その後回復波形として、正極性側は150kV/cm、負極性側は−15kV/cmとなるパルス波形を100ms印加したものを1シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例1と同様、立上り時間Tf=25μs、パルス幅時間25μs、立下りTr=25μsである。
<Example 4>
FIG. 17 is an explanatory diagram of a recovery waveform according to the fourth embodiment. A drive waveform similar to that in Example 1 is applied for 500 ms, no waveform is applied for 400 ms, and then a recovery waveform is applied that is a pulse waveform of 150 kV / cm on the positive polarity side and −15 kV / cm on the negative polarity side for 100 ms. This is a sequence. Similar to the first embodiment, the recovery waveform has a rising time Tf = 25 μs, a pulse width time 25 μs, and a falling Tr = 25 μs.

<実施例5>
図18は、実施例5に係る回復波形の説明図である。実施例1と同様の駆動波形を500ms印加し、回復波形として正極性側は150kV/cm、負極性側は−15kV/cmとなるパルス波形を100ms印加し、400ms間は波形を印加せず、再び回復波形を100ms印加したものを1シーケンスとする。回復波形のパルス波形は、実施例1と同様、立上り時間Tf=25μs、パルス幅時間25μs、立下りTr=25μsである。
<Example 5>
FIG. 18 is an explanatory diagram of a recovery waveform according to the fifth embodiment. A drive waveform similar to that of Example 1 is applied for 500 ms, and a recovery waveform having a pulse waveform of 150 kV / cm on the positive polarity side and −15 kV / cm on the negative polarity side is applied for 100 ms, and no waveform is applied for 400 ms. A sequence in which a recovery waveform is applied again for 100 ms is taken as one sequence. Similar to the first embodiment, the recovery waveform has a rising time Tf = 25 μs, a pulse width time 25 μs, and a falling Tr = 25 μs.

<比較例1>
図19は、実施例5に係る回復波形の説明図である。実施例1と同様の方法で、駆動波形を500ms印加し、その後の500msでは波形は印加していない。
<Comparative Example 1>
FIG. 19 is an explanatory diagram of a recovery waveform according to the fifth embodiment. In the same manner as in the first embodiment, the drive waveform is applied for 500 ms, and no waveform is applied for the subsequent 500 ms.

上述の圧電素子56を用い、実施例1〜5、比較例1の波形を印加して、吐出速度の変動評価をおこなった。初期の吐出速度を基準としてとしたときの1010回繰り返し、上記波形を印加した後の吐出速度の変化率を評価した。ここでは、回復波形のパルス数はカウントしておらず、駆動波形のパルス数のみをカウントした。図20に、1010回駆動での吐出速度の評価結果を示す。また、表1に、1010回繰り返した後の吐出速度の変化率をまとめた。変化率については正符号となっているのは初期よりも吐出速度が速くなっている状態、負符号は初期の吐出速度よりも遅くなっている状態である。

Figure 0006103406
Using the piezoelectric element 56 described above, the waveforms of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1 were applied to evaluate the fluctuation of the discharge speed. The change rate of the discharge rate after applying the above waveform was evaluated 10 to 10 times with the initial discharge rate as a reference. Here, the number of pulses in the recovery waveform is not counted, and only the number of pulses in the drive waveform is counted. FIG. 20 shows the evaluation results of the ejection speed when driven 10 to 10 times. Table 1 summarizes the rate of change in discharge speed after 10 to 10 repetitions. Regarding the rate of change, a positive sign indicates that the discharge speed is faster than the initial value, and a negative sign indicates that the discharge speed is slower than the initial discharge speed.

Figure 0006103406

実施例1〜5については、すべて吐出速度の変動幅が5%内程度に収まっている。これは、上記駆動方法による回復波形により圧電素子の阻止の変位の変動が抑制されたために、吐出速度の変動が抑制されていることが分かる。これは、駆動波形を繰り返し形成したことにより発生した、PZTの圧電体薄膜152中の鉛欠陥の下部電極151との界面におけるトラップを、回復波形により形成される逆電界が取り除いているためである。さらに、回復波形は負極性側で抗電界Ecを超えていないため、圧電体薄膜152の分極状態は長期駆動を実施しても反転を繰り返すことはない。そのため、圧電素子56にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることができるとともに、抗電界での分極反転に伴う電流増大といった問題も回避することができる。   In all of Examples 1 to 5, the fluctuation range of the discharge speed is within 5%. This shows that the fluctuation of the ejection speed is suppressed because the fluctuation of the displacement of the blocking of the piezoelectric element is suppressed by the recovery waveform by the above driving method. This is because the reverse electric field formed by the recovery waveform eliminates the trap at the interface with the lower electrode 151 of the lead defect in the piezoelectric thin film 152 of PZT, which is generated by repeatedly forming the drive waveform. . Furthermore, since the recovery waveform does not exceed the coercive electric field Ec on the negative polarity side, the polarization state of the piezoelectric thin film 152 does not repeat reversal even if long-term driving is performed. Therefore, the burden on the piezoelectric element 56 is small, and a stable displacement can be obtained, and the problem of an increase in current due to polarization reversal in a coercive electric field can be avoided.

実施例1の波形ではメニスカス固有周期よりも長い立上り時間、立下り時間を有するため、共振が抑えられ、液室内の圧力増幅を抑制し、回復動作時の液滴の吐出を抑えている。   Since the waveform of the first embodiment has a rise time and a fall time longer than the meniscus natural period, resonance is suppressed, pressure amplification in the liquid chamber is suppressed, and droplet discharge during the recovery operation is suppressed.

実施例2においては回復波形の正側の電界強度を駆動波形の電界強度よりも高くしているが、電界強度を高くしても求める効果の発現が確認されている。回復波形の正側の電界強度は駆動波形の中間電位V1により形成される電界強度相当が好ましく、中間電位よりも高い方がなお好ましい。これは駆動波形以上の電圧幅で圧電体を動かすことで、駆動波形で用いる電圧内での圧電体の変形の仕方を安定化させるためである。   In Example 2, although the electric field strength on the positive side of the recovery waveform is set higher than the electric field strength of the driving waveform, the desired effect is confirmed even when the electric field strength is increased. The electric field strength on the positive side of the recovery waveform is preferably equivalent to the electric field strength formed by the intermediate potential V1 of the drive waveform, and more preferably higher than the intermediate potential. This is to stabilize the deformation of the piezoelectric body within the voltage used in the drive waveform by moving the piezoelectric body with a voltage width equal to or greater than the drive waveform.

実施例3、4、5においては回復波形の印加時間が短くなっても効果の発現が達成できている。回復波形の印加時間が短くても、駆動波形の印加時間分でトラップされた欠陥の解消が出来ているためである。回復波形の印加時間は100ms以上が好ましい。また、回復波形の印加タイミングは駆動波形の直前もしくは直後が好ましく、前後ともに印加されることがより好ましい。これは、駆動波形の印加に伴うトラップされた電荷をリセットするため、駆動の直後または、直前に行うことでリセットの効果が最大限得られるためである。   In Examples 3, 4, and 5, the effect can be achieved even when the application time of the recovery waveform is shortened. This is because even if the recovery waveform application time is short, the trapped defects can be eliminated by the drive waveform application time. The application time of the recovery waveform is preferably 100 ms or more. Further, the application timing of the recovery waveform is preferably immediately before or after the drive waveform, and more preferably applied both before and after. This is because the trapped charge associated with the application of the drive waveform is reset, so that the reset effect can be maximized by performing it immediately after or immediately before the drive.

また、パルス電圧の形状に関しては、特許文献1にように、負側の直流電圧だけを印加するものでは、本発明のような効果が十分に発現しなかった。これは抗電界以下では印加時間が十分に確保できない点、直流のみでは電極表面に電荷が過剰に蓄積し、その影響で回復効果を十分に得ることができなくなっているためと考えられる。このため、回復波形をパルス形状にすることで、電界を十分に圧電体に印加することを実現している。   Further, regarding the shape of the pulse voltage, as in Patent Document 1, the application of only the negative DC voltage did not sufficiently exhibit the effect of the present invention. This is presumably because the application time cannot be sufficiently secured below the coercive electric field, and the charge is excessively accumulated on the electrode surface by direct current alone, and the recovery effect cannot be obtained sufficiently due to the influence. For this reason, it is realized that the electric field is sufficiently applied to the piezoelectric body by making the recovery waveform into a pulse shape.

比較例1では吐出速度の変動幅が大きくなっている。比較例1においては回復波形を印加していないため、駆動中にトラップされる電荷のリセットができていないため、経時的に電荷の偏在が進行しているためである。   In Comparative Example 1, the fluctuation range of the discharge speed is large. This is because, in Comparative Example 1, since no recovery waveform is applied, charges trapped during driving cannot be reset, and the uneven distribution of charges progresses with time.

次に、上記液滴吐出ヘッドを搭載する画像形成装置としてのインクジェットプリンタについて説明する。インクジェットプリンタには、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのため、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として広く展開されている。   Next, an ink jet printer as an image forming apparatus equipped with the droplet discharge head will be described. Inkjet printers have many advantages such as extremely low noise and high-speed printing, and furthermore, low-cost plain paper with a degree of freedom of ink can be used. Therefore, it is widely deployed as an image recording apparatus or an image forming apparatus such as a printer, a facsimile machine, and a copying apparatus.

まず、インクジェットプリンタ(以下、プリンタという)の基本的な構成について説明する。図21は、プリンタ100の斜視図であり、図22は、プリンタ100主走査方向の図21中の手前側から見たときのインクカートリッジ102を含む断面における概略断面図である。
プリンタ100は、キャリッジ101と、液滴吐出ヘッド51と、インクカートリッジ102とを含んで構成される印字機構部103を本体内部に有している。キャリッジ101は、プリンタ100本体内部において、用紙Sの搬送方向に対して直交方向である主走査方向(図21中の矢印A方向、図22中の紙面に直交する方向)に移動可能な部材である。液滴吐出ヘッド51は、キャリッジ101に搭載した液滴吐出ヘッドの一例であるインクジェットヘッドであり、インクカートリッジ102は液滴吐出ヘッド51にタンク部102a内のインクを供給する。
First, a basic configuration of an ink jet printer (hereinafter referred to as a printer) will be described. 21 is a perspective view of the printer 100, and FIG. 22 is a schematic cross-sectional view including the ink cartridge 102 when viewed from the front side in FIG. 21 in the main scanning direction of the printer 100.
The printer 100 has a printing mechanism 103 that includes a carriage 101, a droplet discharge head 51, and an ink cartridge 102 inside the main body. The carriage 101 is a member that can move in the main scanning direction (the direction of arrow A in FIG. 21 and the direction orthogonal to the paper surface in FIG. 22) that is orthogonal to the transport direction of the paper S within the printer 100 main body. is there. The droplet discharge head 51 is an inkjet head which is an example of a droplet discharge head mounted on the carriage 101, and the ink cartridge 102 supplies ink in the tank unit 102 a to the droplet discharge head 51.

図22に示すように、プリンタ100は、印字機構部103の下方に給紙機構部104を有している。プリンタ100は、詳細は後述するが、給紙機構部104の給紙トレイ230または手差しトレイ105から給送される用紙Sを装置内に取り込む。そして、印字機構部103によって所定の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ106に排紙する。   As illustrated in FIG. 22, the printer 100 includes a paper feed mechanism unit 104 below the print mechanism unit 103. Although details will be described later, the printer 100 takes in the paper S fed from the paper feed tray 230 or the manual feed tray 105 of the paper feed mechanism unit 104 into the apparatus. Then, after a predetermined image is recorded by the printing mechanism unit 103, the image is discharged to a discharge tray 106 mounted on the rear side.

液滴吐出ヘッド51は、イエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、ブラック(B)の各色のインクを吐出するインク吐出ヘッドである。液滴吐出ヘッド51は、複数のインク吐出孔(後述する「ノズル20」)を、主走査方向に対して直交する副走査方向(図中の矢印B方向)に配列している。また、液滴吐出ヘッド51は、インクの吐出方向が下方となるようにキャリッジ101に装着されている。
印字機構部103のキャリッジ101には、液滴吐出ヘッド51に供給するためのイエロー(Y)、マゼンタ(M)、シアン(C)、及び、ブラック(B)の各色のインクを収容した四つのインクカートリッジ102がそれぞれ交換可能に装着されている。
The droplet discharge head 51 is an ink discharge head that discharges yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (B) ink. The droplet discharge head 51 has a plurality of ink discharge holes (“nozzles 20” described later) arranged in the sub-scanning direction (arrow B direction in the figure) orthogonal to the main scanning direction. The droplet discharge head 51 is mounted on the carriage 101 so that the ink discharge direction is downward.
The carriage 101 of the printing mechanism unit 103 includes four inks containing yellow (Y), magenta (M), cyan (C), and black (B) inks to be supplied to the droplet discharge head 51. Each of the ink cartridges 102 is mounted so as to be replaceable.

インクカートリッジ102のタンク部102aの上方(図22中の上方)には、大気と連通する不図示の大気口が備えられている。また、タンク部102aの下方には、タンク部102a内のインクを液滴吐出ヘッド51に向けて排出するインク排出口102bが設けられている。さらに、タンク部102aの内部には、インクが充填された不図示の多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド51へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。
液滴吐出ヘッド51としては、プリンタ100では、各色に対応した複数のヘッド部を用いる構成となっているが、各色のインクを吐出するノズルを有する一個のヘッド部でもよい。
Above the tank portion 102a of the ink cartridge 102 (above in FIG. 22), an air port (not shown) communicating with the air is provided. Further, an ink discharge port 102 b that discharges ink in the tank unit 102 a toward the droplet discharge head 51 is provided below the tank unit 102 a. Further, the tank portion 102a has a porous body (not shown) filled with ink, and the ink supplied to the droplet discharge head 51 is slightly negative pressure by the capillary force of the porous body. Is maintained.
As the droplet discharge head 51, the printer 100 is configured to use a plurality of head portions corresponding to each color, but may be a single head portion having nozzles for discharging ink of each color.

印字機構部103はキャリッジ101を保持する保持手段として、プリンタ100本体の主走査方向の両側面板(100a及び100b)に横架したガイド部材として、主ガイドロッド107と従ガイドロッド108とを有する。主ガイドロッド107は、キャリッジ101の後方側(用紙搬送方向下流側、図22中の右側)を貫通する。また、従ガイドロッド108は、主ガイドロッド107と一定間隔をおいて並行に延在し、キャリッジ101の前方側(用紙搬送方向上流側、図22中の左側)が載置される。キャリッジ101は、主ガイドロッド107及び従ガイドロッド108によって主走査方向に移動可能なように摺動自在に保持されている。   The printing mechanism unit 103 includes a main guide rod 107 and a sub guide rod 108 as guide members horizontally mounted on both side plates (100a and 100b) in the main scanning direction of the main body of the printer 100 as a holding unit that holds the carriage 101. The main guide rod 107 passes through the rear side of the carriage 101 (downstream side in the paper conveyance direction, right side in FIG. 22). The sub guide rod 108 extends in parallel with the main guide rod 107 at a predetermined interval, and the front side of the carriage 101 (upstream side in the sheet conveyance direction, left side in FIG. 22) is placed. The carriage 101 is slidably held by a main guide rod 107 and a sub guide rod 108 so as to be movable in the main scanning direction.

また、印字機構部103は、キャリッジ101を主走査方向に移動走査するための移動手段として、タイミングベルト112を有する。さらに、印字機構部103は、タイミングベルト112を張架する駆動プーリ110及び従動プーリ111と、駆動プーリ110を回転駆動する主走査モータ109とを有している。図21に示すように、駆動プーリ110はプリンタ100本体の一方の側面板(100b)側に配置し、従動プーリ111は、本体の他方の側面板(100a)側に配置して、タイミングベルト112が主走査方向に平行に延在するようにしている。また、タイミングベルト112にはキャリッジ101が固定されている。   Further, the printing mechanism unit 103 includes a timing belt 112 as a moving unit for moving and scanning the carriage 101 in the main scanning direction. Further, the printing mechanism 103 includes a driving pulley 110 and a driven pulley 111 that stretch the timing belt 112, and a main scanning motor 109 that rotationally drives the driving pulley 110. As shown in FIG. 21, the driving pulley 110 is arranged on one side plate (100b) side of the printer 100 main body, and the driven pulley 111 is arranged on the other side plate (100a) side of the main body. Extends in parallel with the main scanning direction. A carriage 101 is fixed to the timing belt 112.

主走査モータ109は、駆動プーリ110を正逆回転させる駆動源であり、駆動プーリ110が回転すると、タイミングベルト112が主走査方向に沿って無端移動する。キャリッジ101は、タイミングベルト112に固定されているため、タイミングベルト112とともに主走査方向に移動する。このため、主走査モータ109によって駆動プーリ110を正逆回転させることで、キャリッジ101が主走査方向に往復移動される。   The main scanning motor 109 is a driving source that rotates the driving pulley 110 forward and backward. When the driving pulley 110 rotates, the timing belt 112 moves endlessly in the main scanning direction. Since the carriage 101 is fixed to the timing belt 112, the carriage 101 moves in the main scanning direction together with the timing belt 112. Therefore, the carriage 101 is reciprocated in the main scanning direction by rotating the driving pulley 110 forward and backward by the main scanning motor 109.

給紙機構部104は、用紙Sを積載した給紙トレイ230と、給紙ローラ113と、フリクションパッド114と、ガイド部材115と、搬送ローラ116とを備える。給紙トレイ230は、図22中の右側から複数枚の用紙Sの束を積載可能となっており、プリンタ100本体に対して着脱可能に装着されている。
給紙ローラ113及びフリクションパッド114は、用紙Sを、液滴吐出ヘッド51の下方に搬送するために、給紙トレイ230内にセットした用紙Sの束の最上段の一枚を分離給紙する。ガイド部材115は、給紙トレイ230から分離給紙された用紙Sを搬送ローラ116によって搬送される領域に案内する。
The paper feed mechanism unit 104 includes a paper feed tray 230 on which the paper S is stacked, a paper feed roller 113, a friction pad 114, a guide member 115, and a transport roller 116. The sheet feed tray 230 can stack a bundle of a plurality of sheets S from the right side in FIG. 22 and is detachably attached to the printer 100 main body.
The paper feed roller 113 and the friction pad 114 separate and feed the uppermost sheet of the bundle of paper S set in the paper feed tray 230 in order to transport the paper S below the droplet discharge head 51. . The guide member 115 guides the sheet S separated and fed from the sheet feed tray 230 to an area where the sheet is transported by the transport roller 116.

給紙ローラ113によって給紙され、ガイド部材115によって案内された用紙Sを、搬送ローラ116が反転させて、液滴吐出ヘッド51の下面と対向する位置に搬送する。また、搬送ローラ116の周囲には、搬送コロ117及び先端コロ118が配置されている。搬送コロ117は用紙Sを搬送ローラ116に押し付けて、用紙Sが搬送ローラ116から分離することを防止している。先端コロ118は、液滴吐出ヘッド51の下面と対向する位置に所定の送り出し角度で用紙Sを送り出す。搬送ローラ116は、副走査モータ130によって不図示のギヤ列を介して回転駆動が伝達され、図22中の時計周り方向に回転する。   The paper S fed by the paper feed roller 113 and guided by the guide member 115 is transported to a position facing the lower surface of the droplet discharge head 51 by the transport roller 116 being reversed. A transport roller 117 and a front roller 118 are disposed around the transport roller 116. The conveying roller 117 presses the sheet S against the conveying roller 116 to prevent the sheet S from being separated from the conveying roller 116. The leading end roller 118 feeds the paper S at a predetermined feed angle to a position facing the lower surface of the droplet discharge head 51. The conveyance roller 116 is rotated by a sub-scanning motor 130 via a gear train (not shown), and rotates in the clockwise direction in FIG.

液滴吐出ヘッド51の下面と対向する位置には、印写受け部材119が設けられている。印写受け部材119は、キャリッジ101の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ116から送り出された用紙Sを液滴吐出ヘッド51の下方側で案内する用紙ガイド部材である。この印写受け部材119の用紙搬送方向下流側には、用紙Sを排出方向に送り出すための印写後搬送ローラ120と、印写後搬送ローラ120に対向する印写後搬送拍車121とが配置されている。さらに、印写後搬送ローラ120によって送り出された用紙Sを排紙トレイ106に排出する排紙ローラ123と排紙ローラ123に対向する排紙拍車124とを備えている。また、印写後搬送ローラ120と排紙ローラ123との間には、排紙経路を形成する一対のガイド部材として下ガイド部材125及び上ガイド部材126が配設されている。   A printing receiving member 119 is provided at a position facing the lower surface of the droplet discharge head 51. The printing receiving member 119 is a sheet guide member that guides the sheet S fed from the transport roller 116 corresponding to the movement range of the carriage 101 in the main scanning direction on the lower side of the droplet discharge head 51. A post-printing transport roller 120 for sending the paper S in the discharge direction and a post-printing transport spur 121 facing the post-printing transport roller 120 are disposed downstream of the printing receiving member 119 in the paper transport direction. Has been. Further, a paper discharge roller 123 that discharges the paper S sent by the conveying roller 120 after printing to the paper discharge tray 106 and a paper discharge spur 124 that faces the paper discharge roller 123 are provided. In addition, a lower guide member 125 and an upper guide member 126 are disposed between the post-printing conveyance roller 120 and the paper discharge roller 123 as a pair of guide members that form a paper discharge path.

また、プリンタ100には、手差しで用紙Sを給紙するための手差しトレイ105が設けられている。この手差しトレイ105は、トレイ開閉軸105bを中心にプリンタ100本体に対して開倒可能に取り付けられている。この手差しトレイ105上に載置された用紙Sは、手差し給紙ローラ105aによって搬送ローラ116に搬送される。   In addition, the printer 100 is provided with a manual feed tray 105 for manually feeding the paper S. The manual feed tray 105 is attached to the printer 100 main body about the tray opening / closing shaft 105b so that the manual feed tray 105 can be turned over. The paper S placed on the manual feed tray 105 is transported to the transport roller 116 by the manual paper feed roller 105a.

印字機構部103における主走査方向のキャリッジ101の移動範囲の一端である、図21中の右手前側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド51の吐出不良を回復するための回復装置127を配置している。回復装置127は、キャッピング部材と吸引手段とクリーニング手段とを有している。印字待機中には、キャリッジ101を回復装置127側(図21中の右手前側)に移動し、不図示のキャッピング部材で液滴吐出ヘッド51をキャッピングする。これにより、液滴吐出ヘッド51のノズルを湿潤状態に保つことができ、インク乾燥による吐出不良を防止することができる。また、記録途中などに回復装置127と対向する位置にキャリッジ101を移動し、記録とは関係しないインクを吐出することにより、全てのノズルのインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持することができる。   A recovery device for recovering the ejection failure of the droplet ejection head 51 at a position outside the recording area on the right front side in FIG. 21, which is one end of the movement range of the carriage 101 in the main scanning direction in the printing mechanism unit 103. 127 is arranged. The recovery device 127 includes a capping member, a suction unit, and a cleaning unit. During printing standby, the carriage 101 is moved to the recovery device 127 side (right front side in FIG. 21), and the droplet discharge head 51 is capped by a capping member (not shown). Thereby, the nozzle of the droplet discharge head 51 can be kept in a wet state, and discharge failure due to ink drying can be prevented. Also, by moving the carriage 101 to a position facing the recovery device 127 during recording or the like and discharging ink that is not related to recording, the ink viscosity of all the nozzles is made constant and stable discharge performance is maintained. Can do.

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング部材で液滴吐出ヘッド51下面のノズルを密封し、キャッピング部材に設けられた不図示のチューブを通して、吸引手段でノズルからインクとともに気泡等を吸い出す。さらに、ノズルが開口しているヘッド面(下面)に付着したインクやゴミ等は不図示のヘッド面クリーニング手段により除去され、吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、プリンタ100本体下部に設置された不図示の廃インクタンクに排出され、廃インクタンク内部のインク吸収体に吸収保持される。   When a discharge failure occurs, the nozzle on the lower surface of the droplet discharge head 51 is sealed with a capping member, and bubbles and the like are sucked out of the nozzle together with ink through a tube (not shown) provided on the capping member. Further, ink or dust adhering to the head surface (lower surface) where the nozzles are opened is removed by a head surface cleaning means (not shown), and the ejection failure is recovered. The sucked ink is discharged to a waste ink tank (not shown) installed at the lower part of the main body of the printer 100 and absorbed and held by an ink absorber inside the waste ink tank.

次に、プリンタ100のプリント動作について説明する。
プリンタ100は、パーソナルコンピュータ等の外部装置から画像情報などの信号が送られ、プリント動作を実行する。プリント動作が実行されると、給紙トレイ230から給紙ローラ113によって、または、手差しトレイ105から手差し給紙ローラ105aによって、用紙Sが給紙される。給紙トレイ230から給紙された用紙Sは、ガイド部材115や搬送コロ117に案内されて、搬送ローラ116に搬送されつつ反転し、液滴吐出ヘッド51と対向する位置に搬送される。一方、手差しトレイ105から供給された用紙Sは、搬送コロ117に案内されて、搬送ローラ116に搬送されて液滴吐出ヘッド51と対向する位置に搬送される。
Next, the printing operation of the printer 100 will be described.
The printer 100 receives a signal such as image information from an external device such as a personal computer and executes a printing operation. When the printing operation is executed, the paper S is fed from the paper feed tray 230 by the paper feed roller 113 or from the manual feed tray 105 by the manual paper feed roller 105a. The paper S fed from the paper feed tray 230 is guided by the guide member 115 and the transport roller 117, reversed while being transported by the transport roller 116, and transported to a position facing the droplet discharge head 51. On the other hand, the paper S supplied from the manual feed tray 105 is guided to the transport roller 117, transported to the transport roller 116, and transported to a position facing the droplet discharge head 51.

液滴吐出ヘッド51に対向する位置に搬送された用紙Sが所定位置に達したら、搬送ローラ116の回転を停止して用紙Sの移動を停止する。そして、キャリッジ101が画像信号に応じて主走査方向に往復移動しながら、停止した用紙Sの所定箇所に所定のインクを吐出して一行分の画像を用紙Sに形成する。ここで、一行とは、液滴吐出ヘッド51が用紙Sへ記録可能な副走査方向(液滴吐出ヘッド51に対向する位置での用紙Sの移動方向)の範囲を言う。
主走査方向に一行分の画像形成が終了したら、搬送ローラ116を所定時間回転させ、用紙Sを一行分、排紙トレイ106方向に移動させて停止する。そして、キャリッジ101が画像信号に応じて主走査方向に往復移動しながら一行分の画像を形成する。
When the sheet S conveyed to a position facing the droplet discharge head 51 reaches a predetermined position, the rotation of the conveyance roller 116 is stopped and the movement of the sheet S is stopped. Then, while the carriage 101 reciprocates in the main scanning direction according to the image signal, a predetermined ink is ejected to a predetermined portion of the stopped paper S, and an image for one line is formed on the paper S. Here, one line means a range in the sub-scanning direction (the moving direction of the sheet S at a position facing the droplet discharging head 51) in which the droplet discharging head 51 can record on the sheet S.
When the image formation for one line in the main scanning direction is completed, the transport roller 116 is rotated for a predetermined time, and the sheet S is moved by one line toward the paper discharge tray 106 and stopped. Then, the carriage 101 forms an image for one line while reciprocating in the main scanning direction according to the image signal.

このような工程を所定回数繰り返して行い、用紙Sに所望の画像をプリントする。外部装置から記録終了信号を受信して所望の画像がプリントされた場合、または、用紙Sの後端が記録領域に到達した信号を受信した場合には、用紙Sは、排紙トレイ106に排出される。このとき、用紙Sは、印写後搬送ローラ120及び印写後搬送拍車121と排紙ローラ123及び排紙拍車124とによって搬送され、排紙トレイ106に排出される。画像形成が終了すると、キャリッジ101を図21中右手前側の回復装置127と対向する位置に移動させ、図示しないキャッピング部材で液滴吐出ヘッド51のノズルをキャッピングする。   Such a process is repeated a predetermined number of times, and a desired image is printed on the paper S. When a recording end signal is received from an external device and a desired image is printed, or when a signal indicating that the trailing edge of the paper S has reached the recording area is received, the paper S is discharged to the paper discharge tray 106. Is done. At this time, the paper S is transported by the post-printing transport roller 120 and post-printing transport spur 121, the paper discharge roller 123 and the paper discharge spur 124, and is discharged to the paper discharge tray 106. When the image formation is completed, the carriage 101 is moved to a position facing the recovery device 127 on the right front side in FIG. 21, and the nozzle of the droplet discharge head 51 is capped with a capping member (not shown).

このように、このインクジェットプリンタにおいては、上記実施例1〜5の駆動波形および回復波形を有した波形で駆動させるインクジェットヘッドを搭載する。これにより、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。   As described above, this ink jet printer is equipped with an ink jet head that is driven with a waveform having the drive waveform and the recovery waveform of the first to fifth embodiments. Thereby, stable ink droplet ejection characteristics can be obtained, and the image quality can be improved.

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次に態様毎に特有の効果を奏する。
(態様A)
ノズル20に連通する加圧液室14を形成する液室基板4などの基板上に、振動板55と、一般式Pb(Ti,Zr,M)Oで表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜152を下部電極151、上部電極153などの一対の電極で挟んだ圧電素子56とを積層形成した薄膜ピエゾアクチュエータ200などのアクチュエータを用い、駆動ICを介して圧電素子に、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させるための駆動波形の電圧を印加し、駆動波形と次の駆動波形との間に圧電素子の変位特性の低下を抑制するための回復波形の電圧を印加する液滴吐出ヘッドの駆動方法である。駆動ICは、正負何れか一方の極性を有する電圧を出力し、一対の電極のうちの一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するものであり、駆動波形は、吐出させない状態に対応する第1電界を上記圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、吐出させる状態に対応する第2電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧部分とを有し、回復波形におけるパルス形状の電圧は、吐出させない状態に対応する第3電界を圧電体薄膜に生じさせる電圧部分と、他方の電極に印加する直流電圧と共に、第1の電界とは第2の電界のうち、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を圧電体薄膜に生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有し、所定時間は、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間である。
What has been described above is merely an example, and the present invention provides effects specific to each aspect.
(Aspect A)
On a substrate such as the liquid chamber substrate 4 that forms the pressurized liquid chamber 14 that communicates with the nozzle 20, a vibration plate 55 and a perovskite crystal represented by the general formula Pb (Ti x , Zr y , M z ) O 3. A piezoelectric thin film 152 having a structure is laminated with a piezoelectric element 56 sandwiched between a pair of electrodes such as a lower electrode 151 and an upper electrode 153, and an actuator such as a thin film piezo actuator 200 is used. Applying a drive waveform voltage to generate pressure fluctuations for discharging droplets into the pressurized liquid chamber, and suppressing the deterioration of the displacement characteristics of the piezoelectric element between the drive waveform and the next drive waveform This is a method of driving a droplet discharge head that applies a voltage having a recovery waveform. The drive IC outputs a voltage having either positive or negative polarity, applies a pulse-shaped voltage to one of the pair of electrodes, and applies a DC voltage to the other electrode. A voltage portion for generating a first electric field in the piezoelectric thin film corresponding to a state in which the piezoelectric thin film is not discharged; and a voltage portion for generating a second electric field in the piezoelectric thin film corresponding to a state in which discharge is performed; The voltage includes a voltage portion for generating a third electric field in the piezoelectric thin film corresponding to a state in which ejection is not performed, and a DC voltage applied to the other electrode, and the first electric field is a trap for lead defects in the second electric field. And a voltage portion that continues for a predetermined time to generate a recovery electric field in a direction opposite to the electric field that causes the electric field, and the predetermined time is longer than the meniscus resonance period and other than an integral multiple of the meniscus period Is the time.

(態様A)においては、駆動ICは正負何れか一方の極性の電圧を出力し、一方の電極にパルス形状の電圧を、他方の電極に直流電圧を印加するよう構成する。この駆動ICを用いて、駆動波形と駆動波形との間で、駆動電界とは逆方向の電界を形成する回復波形の電圧を印加する。これにより、駆動ICのコストを抑えつつ、経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保するものである。   In (Aspect A), the driving IC is configured to output a voltage of either positive or negative polarity, and to apply a pulse-shaped voltage to one electrode and a DC voltage to the other electrode. Using this drive IC, a voltage having a recovery waveform that forms an electric field in a direction opposite to the drive electric field is applied between the drive waveform and the drive waveform. Thereby, while suppressing the cost of the driving IC, it is possible to suppress the deterioration of the displacement characteristics with the lapse of time and ensure stable ejection performance.

液滴吐出時は、上記第1電界と上記第2電界を形成する駆動波形の電圧を圧電素子に印加して圧電素子を駆動することで、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を発生させる。回復波形として、一方の電極に、上記第3電界を形成する電圧部分と、他方の電極に印加する直流電圧と共に、鉛欠陥のトラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界を生じさせる所定時間継続の電圧部分とを有するパルス形状の電圧を印加する。トラップを生じさせる電界とは逆向きの回復用電界が形成された所定時間では、圧電体薄膜の電極界面に偏在する鉛欠陥のトラップを解消する効果が得られる。   At the time of discharging a droplet, a pressure for discharging the droplet into the pressurized liquid chamber by driving the piezoelectric element by applying a voltage having a driving waveform that forms the first electric field and the second electric field to the piezoelectric element. Generate fluctuations. As a recovery waveform, a predetermined electric field that generates a recovery electric field opposite to an electric field that causes a lead defect trap, together with a voltage portion that forms the third electric field on one electrode and a DC voltage applied to the other electrode. A voltage in the form of a pulse having a voltage portion of time duration is applied. An effect of eliminating traps of lead defects that are unevenly distributed at the electrode interface of the piezoelectric thin film can be obtained for a predetermined time in which a recovery electric field opposite to the electric field that causes trapping is formed.

しかしながら、上記第3電界を形成する電圧部分と、上記回復用電界を形成する電圧部分を有する波形の電圧を圧電素子に印加すると、駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴を吐出させてしまう虞がある。これは、回復用電界を生じさせる電圧の継続時間が、メニスカス共振周期の整数倍または1周以下の時間の場合である。この場合、回復波形により発生した圧電素子の変位がメニスカス共振を励起して、加圧液室内に液滴を吐出させるための圧力変動を生じさせてしまうためである。駆動波形と駆動波形との間で不要な液滴吐出させないためには、回復用電界を生じさせる電圧の継続時間を、メニスカス共振周期よりも長く、且つ、メニスカス周期の整数倍の以外の時間とする。これにより、上記第3電界と上記回復用電界を形成する波形の電圧を駆動波形と駆動波形との間で、加圧液室内に液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。   However, if a voltage having a waveform having a voltage portion that forms the third electric field and a voltage portion that forms the recovery electric field is applied to the piezoelectric element, unnecessary droplets are ejected between the drive waveform and the drive waveform. There is a risk that. This is the case where the duration of the voltage that generates the electric field for recovery is an integral multiple of the meniscus resonance period or a time that is one turn or less. In this case, the displacement of the piezoelectric element generated by the recovery waveform excites the meniscus resonance and causes a pressure fluctuation for discharging the droplet into the pressurized liquid chamber. In order not to cause unnecessary droplet ejection between the drive waveforms, the duration of the voltage for generating the recovery electric field is longer than the meniscus resonance period and a time other than an integral multiple of the meniscus period. To do. As a result, the voltage of the waveform that forms the third electric field and the electric field for recovery is in a state in which no pressure is generated between the driving waveform and the driving waveform such that a droplet is discharged into the pressurized liquid chamber. Can do.

本発明の駆動方法では、駆動ICは正負何れか一方の極性の電圧を出力するものである。この駆動ICを用いて、一方の電極に印加するパルス形状の電圧の値とその継続時間を上述のように調整することだけで、液滴を吐出させずに回復用電界を形成することができる。このため、駆動ICのコストアップが、回復用電界を形成するために正負両極性のパルス形状の電圧を出力するような構成の駆動ICや、スイッチを用いて駆動波形の極性を反転する構成の駆動ICに較べて大幅に抑えられる。これにより、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる。   In the driving method of the present invention, the driving IC outputs a voltage having either positive or negative polarity. By using this drive IC and adjusting the value of the pulse-shaped voltage applied to one electrode and its duration as described above, a recovery electric field can be formed without discharging a droplet. . For this reason, the drive IC is configured to output a positive or negative polarity pulse-shaped voltage in order to form a recovery electric field, or to reverse the polarity of the drive waveform using a switch. Compared to the driving IC, it is greatly suppressed. Thereby, it is possible to secure stable ejection performance at low cost by suppressing the deterioration of the displacement characteristics of the thin film piezoelectric actuator over time.

(態様B)
(態様A)において、回復用電界は上記圧電素子の抗電界未満である。これによれば、圧電体薄膜の分極状態は長期駆動を実施しても反転を繰り返すことはない。このため、圧電素子にかかる負担が小さく、安定した変位を得ることができるとともに、抗電界での分極反転に伴う電流増大といった問題も回避することができる。
(Aspect B)
In (Aspect A), the electric field for recovery is less than the coercive electric field of the piezoelectric element. According to this, the polarization state of the piezoelectric thin film does not repeat reversal even if long-term driving is performed. For this reason, the burden placed on the piezoelectric element is small, a stable displacement can be obtained, and the problem of current increase due to polarization reversal in a coercive electric field can be avoided.

(態様C)
(態様A)または(態様B)において、上記一対の電極のうち下部電極151等の基板側の電極に直流電圧を印加し、上部電極153など反対側の電極に上記パルス電圧を印加する。これによれば、駆動電界を繰り返し形成したことにより基板側の電極との界面に発生した圧電体薄膜中の鉛欠陥のトラップを解消して、経時における変位特性の低下を抑制することができる。
(Aspect C)
In (Aspect A) or (Aspect B), a DC voltage is applied to the electrode on the substrate side such as the lower electrode 151 among the pair of electrodes, and the pulse voltage is applied to the opposite electrode such as the upper electrode 153. According to this, it is possible to eliminate the trap of lead defects in the piezoelectric thin film generated at the interface with the electrode on the substrate side by repeatedly forming the drive electric field, and to suppress the deterioration of the displacement characteristics over time.

(態様D)
(態様A)、(態様B)または(態様C)の何れかにおいて、駆動波形と次の駆動波形との間で、他方の電極に印加されるパルス波形の電圧の立上り時間Tf、及び、立下り時間Trがメニスカス共振周期よりも長い。メニスカス固有周期よりも短い時間の圧力変動(立上り時間Tf、立下り時間Tr)も、この振動の励起に寄与してしまい、圧力増幅を発生させてしまう。立上り時間Tf、立下り時間Trがメニスカス固有周期よりも短い時間であると、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
(Aspect D)
In any one of (Aspect A), (Aspect B), or (Aspect C), the rise time Tf of the voltage of the pulse waveform applied to the other electrode between the drive waveform and the next drive waveform, and the rise The down time Tr is longer than the meniscus resonance period. Pressure fluctuations (rise time Tf, fall time Tr) that are shorter than the meniscus natural period also contribute to the excitation of this vibration and cause pressure amplification. When the rise time Tf and the fall time Tr are shorter than the meniscus natural period, pressure amplification does not occur, and pressure is not generated such that droplets are ejected between the drive waveforms. It can be.

(態様E)
(態様A)、(態様B)、(態様C)または(態様D)の何れかにおいて、回復波形における回復用電界を生じさせるための電圧を印加するパルス波形の電圧のパルス時間幅Pwはaメニスカス共振周期の半整数倍の時間である。これによれば、圧力増幅が発生せずに、駆動波形と駆動波形との間で液滴を吐出するような圧力発生が起こらない状態とすることができる。
(Aspect E)
In any one of (Aspect A), (Aspect B), (Aspect C), or (Aspect D), the pulse time width Pw of the voltage of the pulse waveform to which a voltage for generating a recovery electric field in the recovery waveform is applied is a The time is a half integer multiple of the meniscus resonance period. According to this, pressure amplification does not occur, and it is possible to achieve a state in which no pressure is generated such that droplets are ejected between the drive waveforms.

(態様F)
(態様A)、(態様B)、(態様C)、(態様D)または(態様E)の何れかにおいて、駆動波形と次の駆動波形との間で、上記他方の電極に印加されるパルス電圧の最大値V4が、駆動波形として上記他方の電極に印加されるパルス電圧の最大値V1以上である。これによれば、駆動波形以上の電圧幅で圧電体を動かすことで、駆動波形で用いる電圧内での圧電体の変形の仕方を安定化させることができる。
(Aspect F)
In any one of (Aspect A), (Aspect B), (Aspect C), (Aspect D) or (Aspect E), a pulse applied to the other electrode between the drive waveform and the next drive waveform. The maximum value V4 of the voltage is not less than the maximum value V1 of the pulse voltage applied to the other electrode as a drive waveform. According to this, by moving the piezoelectric body with a voltage width equal to or greater than the drive waveform, it is possible to stabilize the manner of deformation of the piezoelectric body within the voltage used in the drive waveform.

(態様G)
ノズル20に連通する加圧液室を形成する液室基板4上に、振動板55と、一般式Pb(Ti,Zr,M)Oで表されるペロブスカイト型結晶構造をもつ圧電体薄膜152を一対の電極で挟んだ圧電素子とを積層形成した液滴吐出ヘッドにおいて、(態様A)乃至(態様F)の何れかの液滴吐出ヘッドの駆動方法により液滴吐出ヘッドを駆動する駆動ICを備える。これによれば、上記実施形態について説明したように、低コストで、薄膜ピエゾアクチュエータの経時における変位特性の低下を抑えて安定した吐出性能を確保できる。
(Aspect G)
A piezoelectric plate having a perovskite crystal structure represented by a diaphragm 55 and a general formula Pb (Ti x , Zr y , M z ) O 3 on a liquid chamber substrate 4 forming a pressurized liquid chamber communicating with the nozzle 20. In a droplet discharge head in which a piezoelectric element having a body thin film 152 sandwiched between a pair of electrodes is stacked, the droplet discharge head is driven by the droplet discharge head driving method of any one of (Aspect A) to (Aspect F) Drive IC. According to this, as described in the above-described embodiment, it is possible to ensure stable discharge performance at a low cost by suppressing the deterioration of the displacement characteristics of the thin film piezoelectric actuator over time.

(態様H)
媒体を搬送しながら、液滴吐出手段により吐出した液滴を媒体に付着させて画像形成を行う画像形成装置において、液滴吐出手段として(態様G)の液滴体吐出ヘッドを採用する。これによれば、低コストで、高品位な画像が得られる画像形成装置を提供できる。
(Aspect H)
In an image forming apparatus that forms an image by adhering droplets ejected by droplet ejecting means to a medium while transporting the medium, a droplet discharge head of (Aspect G) is employed as the droplet ejecting means. According to this, it is possible to provide an image forming apparatus that can obtain a high-quality image at low cost.

1 アクチュエータ基板
2 ノズル板
4 液室基板
14 加圧液室
18 共通液室
20 ノズル
51 液滴吐出ヘッド
55 振動板
56 圧電素子
151 下部電極(基板側の電極)
152 圧電体薄膜
153 上部電極(表面側の電極)
154 配線部材
154a 下配線部材
154b 上配線部材
157 下部電極パッド部
158 上部電極パッド部
100 プリンタ
200 薄膜ピエゾアクチュエータ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Actuator board | substrate 2 Nozzle plate 4 Liquid chamber board | substrate 14 Pressurized liquid chamber 18 Common liquid chamber 20 Nozzle 51 Droplet discharge head 55 Vibrating plate 56 Piezoelectric element 151 Lower electrode (electrode on the substrate side)
152 Piezoelectric thin film 153 Upper electrode (surface-side electrode)
154 Wiring member 154a Lower wiring member 154b Upper wiring member 157 Lower electrode pad portion 158 Upper electrode pad portion 100 Printer 200 Thin film piezoelectric actuator

特開2009−071113号公報JP 2009-071113 A 特許4594069号公報Japanese Patent No. 4594609 WO2006/137528号公報WO2006 / 137528 特許3797161号公報Japanese Patent No. 3797161

Claims (5)

一般式Pb(Ti  General formula Pb (Ti x ,Zr, Zr y ,M, M z )O) O 3 の圧電体膜を第1の電極と第2の電極とで挟んだ圧電素子で、ノズルに連通する加圧液室を加圧するように構成され、The piezoelectric film is sandwiched between the first electrode and the second electrode, and is configured to pressurize the pressurized liquid chamber communicating with the nozzle,
前記第1の電極にパルス波形の駆動電圧とパルス波形の回復電圧とを印加し、前記第2の電極に直流電圧を印加する駆動回路を備え、  A drive circuit for applying a pulse waveform drive voltage and a pulse waveform recovery voltage to the first electrode, and applying a DC voltage to the second electrode;
前記駆動電圧は、鉛欠陥のトラップを生じさせる第1の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第1の電圧と、前記第1の方向と逆の第2の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第2の電圧とを有し、  The drive voltage includes a first voltage that generates an electric field in a first direction that causes a trap of lead defects in the piezoelectric film, and an electric field in a second direction that is opposite to the first direction. A second voltage generated in the membrane,
前記回復電圧は、前記第1の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第3の電圧と、前記第2の方向の電界を前記圧電体膜に生じさせる第4の電圧とを有し、  The recovery voltage includes a third voltage that generates an electric field in the first direction in the piezoelectric film, and a fourth voltage that generates an electric field in the second direction in the piezoelectric film;
前記回復電圧の波形は、前記第3の電圧から前記第4の電圧へと移行し、前記第4の電圧を第1の時間継続した後に、前記第4の電圧から前記第3の電圧へと移行し、  The waveform of the recovery voltage transitions from the third voltage to the fourth voltage, and after the fourth voltage is continued for a first time, from the fourth voltage to the third voltage. Migrate,
前記第2の電圧は、第2の時間継続し、  The second voltage lasts for a second time;
前記第1の時間は、前記第2の時間よりも長く、かつ、前記ノズルにおけるメニスカス共振周期の整数倍以外の時間であり、  The first time is longer than the second time and is a time other than an integral multiple of the meniscus resonance period in the nozzle,
前記第3の電圧から前記第4の電圧へと移行する時間及び前記第4の電圧から前記第3の電圧へと移行する時間の少なくとも一方の時間は、前記メニスカス共振周期よりも長いことを特徴とする液体吐出ヘッド。  At least one of the time for shifting from the third voltage to the fourth voltage and the time for shifting from the fourth voltage to the third voltage is longer than the meniscus resonance period. Liquid discharge head.
前記第4の電圧を印加することで生じる電界は、前記圧電素子の抗電界を越えないことを特徴とする請求項1に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid discharge head according to claim 1, wherein an electric field generated by applying the fourth voltage does not exceed a coercive electric field of the piezoelectric element. 前記第1の時間は、前記ノズルにおけるメニスカスの反共振周期であることを特徴とする請求項1又は2に記載の液体吐出ヘッド。  3. The liquid ejection head according to claim 1, wherein the first time is an anti-resonance period of a meniscus in the nozzle. 前記第3の電圧は、前記第1の電圧以上であることを特徴とする請求項1、2又は3に記載の液体吐出ヘッド。  The liquid ejection head according to claim 1, wherein the third voltage is equal to or higher than the first voltage. 請求項1、2、3又は4に記載の液体吐出ヘッドを有し、  The liquid discharge head according to claim 1, 2, 3, or 4,
媒体を停止し、前記液体吐出ヘッドを移動しながら、前記液体吐出ヘッドから液体を吐出する画像形成装置。  An image forming apparatus that discharges liquid from the liquid discharge head while stopping the medium and moving the liquid discharge head.
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