JP6401077B2 - Liquid discharge head and recording apparatus using the same - Google Patents
Liquid discharge head and recording apparatus using the sameInfo
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Description
本発明は、液体吐出ヘッド、およびそれを用いた記録装置に関する。 The present invention relates to a liquid discharge head and a recording apparatus using the same.
従来、印刷用ヘッドとして、例えば、液体を記録媒体上に吐出することによって、各種の印刷を行なうインクジェットヘッド(液体吐出ヘッド)が知られている。インクジェットヘッドを、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した流路部材と、前記加圧室をそれぞれ覆うように設けられた、複数の個別電極と複数の個別電極に対向している共通電極とそれらに挟まれている圧電セラミック層とを含む複数の変位素子を有する圧電アクチュエータ基板と、を積層して構成したものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。この液体吐出ヘッドでは、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられた圧電アクチュエータ基板の変位素子を圧電体の変形により変位させることで、各吐出孔からインクを吐出させる。 Conventionally, as a printing head, for example, an inkjet head (liquid ejection head) that performs various types of printing by ejecting liquid onto a recording medium is known. A flow path member having an ink jet head connected to the manifold and the manifold via a plurality of pressurizing chambers, and a plurality of individual electrodes and a plurality of individual electrodes provided to cover the pressurizing chambers, respectively. A piezoelectric actuator substrate having a plurality of displacement elements including a common electrode facing each other and a piezoelectric ceramic layer sandwiched between them is known (for example, see Patent Document 1). reference.). In this liquid ejection head, the pressurizing chambers connected to the plurality of ejection holes are arranged in a matrix, and the displacement elements of the piezoelectric actuator substrate provided so as to cover the chambers are displaced by deformation of the piezoelectric body. Ink is ejected from the ejection holes.
しかしながら、特許文献1に記載の液体吐出ヘッドにおいて液体の吐出を行なうために変位素子を駆動すると、変位素子の周囲の圧電体に応力が加わり、吐出を繰り返すと、変位素子の周囲の圧電体の形状が初期の形状とは異なった形状になってしまい、その結果、変位素子に初期の状態とは異なる圧力が加わって、変位が小さくなる駆動劣化が起きるという問題があった。
However, when the displacement element is driven in the liquid ejection head described in
したがって、本発明の目的は、駆動劣化の生じ難い液体吐出ヘッドおよび記録装置を提供することにある。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide a liquid discharge head and a recording apparatus that are unlikely to cause drive deterioration.
本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を備えている流路部材と、該流路部材に、前記複数の加圧室を覆うように積層されている圧電基板と、を備えている液体吐出ヘッドであって、前記圧電基板は、前記流路部材側に配置されている振動板と、該振動板に積層されている圧電体層と、前記複数の加圧室とそれぞれ対向するように配置され、間に前記圧電体層を挟んでいる複数の1対の電極と、を含んでおり、前記圧電体層および前記振動板には、いずれも平面方向の圧縮応力が加わっているとともに、前記圧電体層に加わっている平面方向の圧縮応力が、前記振動板に加わっている平面方向の圧縮応力より小さいことを特徴とする。
また、本発明の液体吐出ヘッドは、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を備えている流路部材と、該流路部材に、前記複数の加圧室を覆うように積層されている圧電基板と、を備えている液体吐出ヘッドであって、前記圧電基板は、前記流路部材側に配置されている振動板と、該振動板に積層されている圧電体層と、前記複数の加圧室とそれぞれ対向するように配置され、間に前記圧電体層を挟んでいる複数の1対の電極と、を含んでおり、前記圧電体層に加わっている平面方向の圧縮応力が、前記振動板に加わっている平面方向の圧縮応力より小さく、前記圧電体層が室温で正方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有し、前記振動板が室温で立方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有しているとともに、前記圧電体層の前記1対の電極で挟まれていない不活性部において、前記正方晶のc軸の、前記圧電基板の主面に垂直な方向の配向度を、Vc=I(002)/{I(002)+I(200)}(ただし、I(002)は、X線回折測定における前記正方晶の(002)面の回折強度であり、I(200)は、(200)面の回折強度である)としたとき、Vcが0.5以下であることを特徴とする。
The liquid discharge head of the present invention includes a flow path member including a plurality of discharge holes and a plurality of pressurization chambers respectively connected to the plurality of discharge holes, and the flow path member includes the plurality of pressurization chambers. A piezoelectric substrate laminated so as to cover the piezoelectric substrate, wherein the piezoelectric substrate is laminated on the diaphragm, and is disposed on the flow path member side. A piezoelectric layer, and a plurality of pairs of electrodes that are disposed to face the plurality of pressurizing chambers and sandwich the piezoelectric layer therebetween, the piezoelectric layer and the vibration Each of the plates is applied with a compressive stress in the plane direction, and the compressive stress in the plane direction applied to the piezoelectric layer is smaller than the compressive stress in the plane direction applied to the diaphragm. To do.
In addition, the liquid discharge head of the present invention includes a flow path member including a plurality of discharge holes and a plurality of pressurizing chambers connected to the plurality of discharge holes, and the flow path member includes the plurality of pressurizing chambers. A liquid discharge head comprising: a piezoelectric substrate laminated to cover the pressure chamber, wherein the piezoelectric substrate is laminated on the vibration plate and disposed on the flow path member side. And a plurality of pairs of electrodes that are arranged to face the plurality of pressurizing chambers and sandwich the piezoelectric layer therebetween, the piezoelectric layer The applied planar compressive stress is smaller than the planar compressive stress applied to the diaphragm, the piezoelectric layer has a tetragonal perovskite crystal structure at room temperature, and the diaphragm is at room temperature. It has a cubic perovskite crystal structure The degree of orientation of the tetragonal c-axis in the direction perpendicular to the principal surface of the piezoelectric substrate in an inactive portion not sandwiched between the pair of electrodes of the piezoelectric layer is Vc = I (002) / {I (002) + I (200)} (where I (002) is the diffraction intensity of the (002) plane of the tetragonal crystal in the X-ray diffraction measurement, and I (200) is the (200) plane The diffraction intensity), Vc is 0.5 or less.
本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部と、を備えていることを特徴とする。 The recording apparatus of the present invention includes the liquid discharge head, a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head, and a control unit that controls the liquid discharge head.
本発明の液体吐出ヘッドによれば、駆動劣化を生じさせ難くできる。 According to the liquid discharge head of the present invention, it is difficult to cause drive deterioration.
図1(a)は、本発明の一実施形態に係る液体吐出ヘッド2を含む記録装置である(カラーインクジェット)プリンタ1の概略の側面図であり、図1(b)は、概略の平面図である。プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pを搬送ローラ80aから搬送ローラ80bへと搬送することにより、印刷用紙Pを液体吐出ヘッド2に対して相対的に移動させる。制御部88は、画像や文字のデータに基づいて、液体吐出ヘッド2を制御して、印刷用紙Pに向けて液体を吐出させ、印刷用紙Pに液滴を着弾させて、印刷用紙Pに印刷などの記録を行なう。
FIG. 1A is a schematic side view of a (color inkjet)
本実施形態では、液体吐出ヘッド2はプリンタ1に対して固定されており、プリンタ1はいわゆるラインプリンタとなっている。本発明の記録装置の他の実施形態としては、液体吐出ヘッド2を、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に往復させるなどして移動させる動作と、印刷用紙Pの搬送を交互に行なう、いわゆるシリアルプリンタが挙げられる。
In the present embodiment, the
プリンタ1には、印刷用紙Pとほぼ平行するように平板状の(ヘッド搭載)フレーム70が固定されている。フレーム70には図示しない20個の孔が設けられており、20個の液体吐出ヘッド2がそれぞれの孔の部分に搭載されていて、液体吐出ヘッド2の、液体を吐出する部位が印刷用紙Pに面するようになっている。液体吐出ヘッド2と印刷用紙Pとの間の距離は、例えば0.5〜20mm程度とされる。5つの液体吐出ヘッド2は、1つのヘッド群72を構成しており、プリンタ1は、4つのヘッド群72を有している。
A flat plate (head mounting)
液体吐出ヘッド2は、図1(a)の手前から奥へ向かう方向、図1(b)の上下方向に細長い長尺形状を有している。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。1つのヘッド群72内において、3つの液体吐出ヘッド2は、印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向、例えば、ほぼ直交する方向に沿って並んでおり、他の2つの液体吐出ヘッド2は搬送方向に沿ってずれた位置で、3つ並んだ液体吐出ヘッド2の間にそれぞれ一つずつ並んでいる。液体吐出ヘッド2は、各液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲が、印刷用紙Pの幅方向に(印刷用紙Pの搬送方向に交差する方向に)繋がるように、あるいは端が重複するように配置されており、印刷用紙Pの幅方向に隙間のない印刷が可能になっている。
The
4つのヘッド群72は、記録用紙Pの搬送方向に沿って配置されている。各液体吐出ヘッド2には、図示しない液体タンクから液体(インク)が供給される。1つのヘッド群72に属する液体吐出ヘッド2には、同じ色のインクが供給されるようになっており、4つのヘッド群で4色のインクが印刷できる。各ヘッド群72から吐出されるインクの色は、例えば、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、シアン(C)およびブラック(K)である。このようなインクを、制御部88で制御して印刷すれば、カラー画像が印刷できる。
The four
プリンタ1に搭載される液体吐出ヘッド2の個数は、単色で、1つの液体吐出ヘッド2で印刷可能な範囲を印刷するのなら1つでもよい。ヘッドの群72に含まれる液体吐出ヘッド2の個数や、ヘッド群72の個数は、印刷する対象や印刷条件により適宜変更できる
。例えば、さらに多色の印刷をするためにヘッドの群72の個数を増やしてもよい。また、同色で印刷するヘッド群72を複数配置して、搬送方向に交互に印刷することで、印刷速度(搬送速度)を速くすることができる。また、同色で印刷するヘッド群72を複数準備して、搬送方向と交差する方向にずらして配置して、印刷用紙Pの幅方向の解像度を高くしてもよい。
The number of
さらに、色の付いたインクを印刷する以外に、印刷用紙Pの表面処理をするために、コーティング剤などの液体を印刷してもよい。 Further, in addition to printing colored inks, a liquid such as a coating agent may be printed for surface treatment of the printing paper P.
プリンタ1は、記録媒体である印刷用紙Pに印刷を行なう。印刷用紙Pは、給紙ローラ80aに巻き取られた状態になっており、2つのガイドローラ82aの間を通った後、フレーム70に搭載されている液体吐出ヘッド2の下側を通り、その後2つの搬送ローラ82bの間を通り、最終的に回収ローラ80bに回収される。印刷する際には、搬送ローラ82bを回転させることで印刷用紙Pは、一定速度で搬送され、液体吐出ヘッド2によって印刷される。回収ローラ80bは、搬送ローラ82bから送り出された印刷用紙Pを巻き取る。搬送速度は、例えば、75m/分とされる。各ローラは、制御部88によって制御されてもよいし、人によって手動で操作されてもよい。
The
記録媒体は、印刷用紙P以外に、布などでもよい。また、プリンタ1を、印刷用紙Pの代わりに搬送ベルトを搬送する形態にし、記録媒体は、ロール状のもの以外に、搬送ベルト上に置かれた、枚葉紙や裁断された布、木材、タイルなどにしてもよい。さらに、液体吐出ヘッド2から導電性の粒子を含む液体を吐出するようにして、電子機器の配線パターンなどを印刷してもよい。またさらに、液体吐出ヘッド2から反応容器などに向けて所定量の液体の化学薬剤や化学薬剤を含んだ液体を吐出させて、反応させるなどして、化学薬品を作製してもよい。
In addition to the printing paper P, the recording medium may be a cloth or the like. In addition, the
また、プリンタ1に、位置センサ、速度センサ、温度センサなどを取り付け、制御部88が、各センサからの情報から分かるプリンタ1各部の状態に応じて、プリンタ1の各部を制御してもよい。特に、液体吐出ヘッド2から吐出される液体の吐出特性(吐出量や吐出速度など)が外部の影響を受けるようであれば、液体吐出ヘッド2の温度や液体タンクの液体の温度、液体タンクの液体が液体吐出ヘッド2に加えている圧力に応じて、液体吐出ヘッド2において液体を吐出させる駆動信号を変えるようにしてもよい。
In addition, a position sensor, a speed sensor, a temperature sensor, and the like may be attached to the
次に、本発明の一実施形態の液体吐出ヘッド2について説明する。図2は、図1に示された液体吐出ヘッド2の要部であるヘッド本体2aを示す平面図である。図3は、図2の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体2aの一部である。図3では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図4は、図3と同じ位置の拡大平面図であり、図3とは別の一部の流路を省略して描いている。なお、図3および図4において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ基板21の下方にあって破線で描くべき加圧室10、しぼり6および吐出孔8などを実線で描いている。図5は、図3のV−V線に沿った縦断面図である。
Next, the
液体吐出ヘッド2は、ヘッド本体2a以外にリザーバや、金属製の筐体を含んでいてもよい。また。ヘッド本体2aは、流路部材4と、変位素子(加圧部)30が作り込まれている圧電アクチュエータ基板21とを含んでいる。
The
ヘッド本体2aを構成する流路部材4は、共通流路であるマニホールド5と、マニホールド5と繋がっている複数の加圧室10と、複数の加圧室10とそれぞれ繋がっている複数の吐出孔8とを備えている。加圧室10は流路部材4の上面に開口しており、流路部材4の上面が加圧室面4−2となっている。また、流路部材4の上面は、マニホールド5と
繋がっている開口5aを有し、この開口5aより液体が供給されるようになっている。
The
また、流路部材4の上面には、変位素子30を含む圧電アクチュエータ基板21が接合されており、各変位素子30が加圧室10上に位置するように配置されている。また、圧電アクチュエータ基板21には、各変位素子30に信号を供給する信号伝達部60が接続されている。図2には、2つの信号伝達部60が圧電アクチュエータ基板21に繋がる状態が分かるように、信号伝達部60の圧電アクチュエータ基板21に接続される付近の外形を点線で示した。圧電アクチュエータ基板21に電気的に接続されている、信号伝達部60に形成されている電極は、信号伝達部60の端部に、矩形状に配置されている。2つの信号伝達部60は、圧電アクチュエータ基板21の短手方向の中央部にそれぞれの端がくるように接続されている。2つの信号伝達部60は、中央部から圧電アクチュエータ基板21の長辺に向かって伸びている。
In addition, a
ヘッド本体2aは、平板状の流路部材4と、流路部材4上に接続された変位素子30を含む圧電アクチュエータ基板21を1つ有している。圧電アクチュエータ基板21の平面形状は長方形状であり、その長方形の長辺が流路部材4の長手方向に沿うように流路部材4の上面に配置されている。
The
流路部材4の内部には2つのマニホールド5が形成されている。マニホールド5は流路部材4の長手方向の一端部側から、他端部側に延びる細長い形状を有しており、その両端部において、流路部材4の上面に開口しているマニホールドの開口5aが形成されている。
Two
また、マニホールド5は、少なくとも加圧室10に繋がっている領域である長手方向における中央部分において、短手方向に間隔を開けて設けられた隔壁15で仕切られている。隔壁15は、加圧室10に繋がっている領域である長手方向の中央部分においては、マニホールド5と同じ高さを有し、マニホールド5を複数の副マニホールド5bに完全に仕切っている。このようにすることで、平面視したときに、隔壁15と重なるように、吐出孔8および吐出孔8から加圧室10に繋がっている流路を設けることができる。
The
図2では、マニホールド5の両端部を除く全体が隔壁15で仕切られている。このようにする以外に、両端部のうちのどちらか一端部以外が隔壁15で仕切られているようにしてもよい。また、流路部材4の上面に開口している開口5a付近のみが仕切られておらず、開口5aから流路部材4の深さ方向に向かう間に隔壁が設けられるようにしてもよい。いずれにしても、仕切られていない部分があることにより、流路抵抗が小さくなり、液体の供給量を多くできるので、マニホールド5の両端部が隔壁15で仕切られていない方が好ましい。
In FIG. 2, the whole of the
複数に分けられた部分のマニホールド5を副マニホールド5bと呼ぶことがある。本実施形態においては、マニホールド5は独立して2本設けられており、それぞれの両端部に開口5aが設けられている。また、1つのマニホールド5には、7つの隔壁15が設けられており、8つの副マニホールド5bに分けられている。副マニホールド5bの幅は、隔壁15の幅より大きくなっており、これにより副マニホールド5bに多くの液体を流すことができる。また、7つの隔壁15は、幅方向の中央に近いほど、長さが長くなっており、マニホールド5の両端において、幅方向の中央に近い隔壁15ほど、隔壁15の端がマニホールド5の端に近くなっている。これにより、マニホールド5の外側の壁により生じる流路抵抗と、隔壁15により生じる流路抵抗との間のバランスがとれ、各副マニホールド5bのうち、加圧室10に繋がる部分である個別供給流路14が形成されている領域の端における液体の圧力差を少なくできる。この個別供給流路14での圧力差は、加圧室10内の液体に加わる圧力差につながるため、個別供給流路14での圧力差を少なくすれば
、吐出ばらつきを低減できる。
The portion of the
流路部材4は、複数の加圧室10が2次元的に配列されている。加圧室10は、角部にアールが施されたほぼ菱形あるいは楕円形状の平面形状を有する中空の領域である。
The
加圧室10は1つの副マニホールド5bと個別供給流路14を介して繋がっている。1つの副マニホールド5bに沿うようにして、この副マニホールド5bに繋がっている加圧室10の行である加圧室行11が、副マニホールド5bの両側に1行ずつ、合計2行設けられている。したがって、1つのマニホールド5に対して、16行の加圧室行11が設けられており、ヘッド本体2a全体では32行の加圧室行11が設けられている。各加圧室行11における加圧室10の長手方向の間隔は同じであり、例えば、37.5dpiの間隔となっている。
The pressurizing
各加圧室行11の端にはダミー加圧室16の列が1列設けられている。このダミー加圧室列のダミー加圧室16は、マニホールド5とは繋がっているが、吐出孔8とは繋がっていない。また、32行の加圧室行11の外側には、ダミー加圧室16が直線状に並んだダミー加圧室行が1行設けられている。このダミー加圧室行のダミー加圧室16は、マニホールド5および吐出孔8のいずれとも繋がっていない。これらのダミー加圧室16により、端から1つ内側の加圧室10の周囲の構造(剛性)が他の加圧室10の構造(剛性)と近くなることで、液体吐出特性の差を少なくできる。なお、周囲の構造の差の影響は、距離の近い、長さ方向に隣接する加圧室10の影響が大きいため、長さ方向には、両端にダミー加圧室を設けてある。幅方向については、影響が比較的小さいため、ヘッド本体21aの端に近い方のみに設けている。これにより、ヘッド本体21aの幅を小さくできる。
One column of
1つのマニホールド5に繋がっている加圧室10は、矩形状の圧電アクチュエータ基板21の各外辺に沿った行および列をなす格子上に配置されている。これにより、圧電アクチュエータ基板21の外辺から、加圧室10の上に形成されている第1電極である個別電極25が等距離に配置されることになるので、個別電極25を形成する際に、圧電アクチュエータ基板21に変形が生じ難くできる。圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とを接合する際に、この変形が大きいと外辺に近い変位素子30に応力が加わり、変位特性にばらつきが生じるおそれがあるが、変形を少なくすることで、そのばらつきを低減できる。また、最も外辺に近い加圧室行11の外側にダミー加圧室16のダミー加圧室行が設けられているために、変形の影響をより受け難くできる。加圧室行11に属する加圧室10は等間隔で配置されており、加圧室行11に対応する個別電極25も等間隔で配置されている。加圧室行11は短手方向に等間隔で配置されており、加圧室行11に対応する個別電極25の行も短手方向に等間隔で配置されている。これにより、特にクロストークの影響が大きくなる部位をなくすことができる。
The pressurizing
本実施形態では、加圧室10は格子状に配置したが、隣り合う加圧室行11の加圧室10が互いの間に位置するように千鳥状に配置してもよい。このようにすると、隣接する加圧室行11に属する加圧室10の間の距離がより長くなるので、よりクロストークを抑制できる。
In the present embodiment, the pressurizing
加圧室行11をどのように並べるかによらず、流路部材4を平面視したとき、1つの加圧室行11に属する加圧室10が、隣接する加圧室行11に属する加圧室10と、液体吐出ヘッド2の長手方向において、重ならないように配置することにより、クロストークを抑制できる。一方、加圧室行11の間の距離を離すと、液体吐出ヘッド2の幅が大きくなるので、プリンタ1に対する液体吐出ヘッド2の設置角度の精度や、複数の液体吐出ヘッド2を使用する際の、液体吐出ヘッド2の相対位置の精度が印刷結果に与える影響が大きくなる。そこで、隔壁15の幅を副マニホールド5bよりも小さくすることで、それらの
精度が印刷結果に与える影響を少なくできる。
Regardless of how the pressurizing
1つの副マニホールド5bに繋がっている加圧室10は、2列の加圧室行11をなしており、1つの加圧室行11に属する加圧室10から繋がっている吐出孔8は、1つの吐出孔行9をなしている。2行の加圧室行11に属する加圧室10に繋がっている吐出孔8はそれぞれ、副マニホールド5bの異なる隔壁15側に開口している。図4では隔壁15には、2行の吐出孔行9が設けられているが、それぞれの吐出孔行9に属する吐出孔8は、吐出孔8に近い側の副マニホールド5bに加圧室10を介して繋がっている。隣接する副マニホールド5bに加圧室行11を介してそれぞれ繋がっている吐出孔8が、互いに液体吐出ヘッド2の長手方向において重ならないように配置されていると、加圧室10と吐出孔8とを繋ぐ流路間のクロストークが抑制できるので、さらにクロストークを少なくすることができる。加圧室10と吐出孔8とを繋ぐ流路全体が、液体吐出ヘッド2の長手方向において重ならないように配置されていると、さらにクロストークを少なくすることができる。
The pressurizing
1つのマニホールド5に繋がっている複数の加圧室10により加圧室群(変位素子群31と同じ範囲である)が構成されており、1つの流路部材4にはマニホールド5が2つあるため、加圧室群は2つある。各加圧室群内における吐出に関わる加圧室10の配置は同じで、短手方向に平行移動させた位置に配置されている。これらの加圧室10は、流路部材4の上面における圧電アクチュエータ基板21に対向する領域に、加圧室群間などの少し間隔が広くなった部分があるものの、ほぼ全面にわたって配列されている。つまり、これらの加圧室10によって形成された加圧室群は圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室10の開口は、流路部材4の上面に圧電アクチュエータ基板21が接合されることで閉塞されている。
A plurality of
加圧室10の、個別供給流路14が繋がっている角部と対向する角部からは、流路部材4の下面の吐出孔面4−1に開口している吐出孔8に繋がる流路が伸びている。この流路は、平面視において、加圧室10から離れる方向に伸びている。より具体的には、加圧室10の長い対角線に沿う方向に離れつつ、その方向に対して左右にずれながら伸びている。これにより、加圧室10は各加圧室行11内での間隔が37.5dpiになっている格子状の配置にしつつ、吐出孔8は、全体で1200dpiの間隔で配置することができる。
From the corner of the pressurizing
これは別の言い方をすると、流路部材4の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔8を投影すると、図4に示した仮想直線のRの範囲に、各マニホールド5に繋がっている16個の吐出孔8、全部で32個の吐出孔8が、1200dpiの等間隔となっているということである。これにより、すべてのマニホールド5に同じ色のインクを供給することで、全体として長手方向に1200dpiの解像度で画像が形成可能となる。また、1つのマニホールド5に繋がっている1個の吐出孔8は、仮想直線のRの範囲で600dpiの等間隔になっている。これにより、各マニホールド5に異なる色のインクを供給することで、全体として長手方向に600dpiの解像度で2色の画像が形成可能となる。この場合、2つの液体吐出ヘッド2を用いれば、600dpiの解像度で4色の画像が形成可能となり、600dpiで印刷可能な液体吐出ヘッドを用いるよりも、印刷精度が高くなり、印刷のセッティングも簡単にできる。なお、ヘッド本体2aの短手方向に並んでいる1列の加圧室列に属する加圧室10から繋がっている吐出孔8で、仮想直線のRの範囲がカバーされている。
In other words, when the discharge holes 8 are projected so as to be orthogonal to the virtual straight line parallel to the longitudinal direction of the
圧電アクチュエータ基板21の上面における各加圧室10に対向する位置には第1電極である個別電極25がそれぞれ形成されている。個別電極25は、加圧室10より一回り小さく、加圧室10とほぼ相似な形状を有している個別電極本体25aと、個別電極本体
25aから引き出されている引出電極25bとを含んでおり、個別電極25は、加圧室10と同じように、個別電極行および個別電極群を構成している。また、圧電アクチュエータ基板21の上面には、第3の電極である共通電極24とビアホール(図示せず)を介して電気的に接続されている第2電極である共通電極用表面電極28が形成されている。共通電極用表面電極28は、圧電アクチュエータ基板21の外周に沿って存在し、その内側に個別電極25が配置されている外周部と、外周部の内側で、個別電極25間に、個別電極25が並んでいる行方向に沿って伸びている突出部とを含んでいる。共通電極用表面電極28の形状の詳細については後述する。共通電極用表面電極28と共通電極24とは、圧電セラミック層21bに配置された、ビアホール(図示せず)内の導体を通じて、電気的に接続される。
吐出孔8は、流路部材4の下面側に配置されたマニホールド5と対向する領域を避けた位置に配置されている。さらに、吐出孔8は、流路部材4の下面側における圧電アクチュエータ基板21と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔8は、1つの群として圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ基板21の変位素子30を変位させることにより吐出孔8から液滴が吐出できる。
The
ヘッド本体2aに含まれる流路部材4は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材4の上面から順に、キャビティプレート4a、ベースプレート4b、アパーチャ(しぼり)プレート4c、サプライプレート4d、マニホールドプレート4e〜j、カバープレート4kおよびノズルプレート4lである。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートの厚さは10〜300μm程度であることにより、形成する孔の形成精度を高くできる。流路部材4の厚さは、500μm〜2mm程度である。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路12およびマニホールド5を構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体2aは、加圧室10は流路部材4の上面に、マニホールド5は内部の下面側に、吐出孔8は下面にと、個別流路12を構成する各部分が異なる位置に互いに近当接して配設され、加圧室10を介してマニホールド5と吐出孔8とが繋がる構成を有している。
The
各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第1に、キャビティプレート4aに形成された加圧室10である。第2に、加圧室10の一端からマニホールド5へと繋がる個別供給流路14を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート4b(詳細には加圧室10の入り口)からサプライプレート4c(詳細にはマニホールド5の出口)までの各プレートに形成されている。なお、この個別供給流路14には、アパーチャプレート4cに形成されている、流路の断面積が小さくなっている部位であるしぼり6が含まれている。
The holes formed in each plate will be described. These holes include the following. The first is the pressurizing
第3に、加圧室10の個別供給路14が繋がっている端と反対の他端から吐出孔8へと連通する流路を構成する連通孔である。この連通孔は、以下の記載においてディセンダ(部分流路)と呼称されることがある。ディセンダは、ベースプレート4b(詳細には加圧室10の出口)からノズルプレート4l(詳細には吐出孔8)までの各プレートに形成されている。
Third, there is a communication hole that forms a flow path that communicates with the
第4に、副マニホールド5aを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート4e〜jに形成されている。マニホールドプレート4e〜jには、副マニホールド5bを構成するように隔壁15となる仕切り部が残るように孔が形成されている。各マニホールドプレート4e〜jにおける仕切り部は、ハーフエッチングした支持部(図では省略してある)で各マニホールドプレート4e〜jと繋がった状態にされる。
Fourthly, there is a communication hole constituting the sub-manifold 5a. The communication holes are formed in the manifold plates 4e to 4j. Holes are formed in the manifold plates 4e to 4j so that the partition portions to be the
第1〜4の連通孔が相互に繋がり、マニホールド5からの液体の流入口(マニホールド5の出口)から吐出孔8に至る個別流路12を構成している。マニホールド5に供給された液体は、以下の経路で吐出孔8から吐出される。まず、マニホールド5から上方向に向かって、個別供給流路14に入り、しぼり6の一端部に至る。次に、しぼり6の延在方向に沿って水平に進み、しぼり6の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室10の一端部に至る。さらに、加圧室10の延在方向に沿って水平に進み、加圧室10の他端部に至る。加圧室10からディセンダに入った液体は、水平方向にも移動しつつ、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔8に至って、外部に吐出される。
The first to fourth communication holes are connected to each other to form an
圧電アクチュエータ基板21は、2枚のセラミック層21a、21bからなる積層構造を有している。これらのセラミック層21a、21bはそれぞれ20μm程度の厚さを有している。圧電アクチュエータ基板21のセラミック層21aの下面からセラミック層21bの上面までの厚さは40μm程度である。セラミック層21a、21bのいずれの層も複数の加圧室10を跨ぐように延在している。セラミック層21bは、例えば、強誘電性を有する、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系、NaNbO3系、BaTiO3系、(BiNa)NbO3系、BiNaNb5O15系などの圧電セラミック材料からなる圧電セラミック層である(以下、圧電セラミック層21bという場合もある)。セラミック層21aは、振動板として機能しており(以下、振動板21aという場合もある)、必ずしも圧電体である必要はなく、常誘電体であってもよいが、圧電セラミック層21bと同時焼成を行なう上では、圧電セラミック層21bに近い組成のセラミックとするのがよい。
The
圧電アクチュエータ基板21は、Ag−Pd系などの金属材料からなる共通電極24およびAu系などの金属材料からなる個別電極25を有している。共通電極24や個別電極25の材料としては、Au、Ag、Pd、Pt、Cu、Al、Niやそれらの合金など、導電性を有するものを用いることができる。個別電極25は上述のように圧電アクチュエータ基板21の上面における加圧室10と対向する位置に配置されている個別電極本体25aと、そこから引き出された引出電極25bとを含んでいる。引出電極25bの一端の、加圧室10と対向する領域外に引き出された部分には、接続バンプ26が形成されている。また、共通電極28上には、共通電極用接続バンプ(図示せず)が形成されている。接続バンプ26および共通電極用接続バンプは、例えばガラスフリットを含む銀−パラジウムからなり、厚さが15μm程度で凸状に形成されている。接続バンプ26および共通電極用接続バンプは、信号伝達部60に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、個別電極25には、制御部88から信号伝達部60を通じて駆動信号が供給される。駆動信号は、印刷媒体Pの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。
The
共通電極24は、セラミック層21aと圧電セラミック層21bとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極24は、アクチュエータ基板21に対向する領域内のすべての加圧室10を覆うように延在している。共通電極24の厚さは2μm程度である。共通電極24は、圧電セラミック層21b上に個別電極25からなる電極群を避ける位置に形成されている共通電極用表面電極28に、圧電セラミック層21bを貫通して形成されたビアホール(図示せず)を介して繋がっていて、接地され、グランド電位に保持されている。共通電極用表面電極28は、多数の個別電極25と同様に、制御部88と直接あるいは間接的に接続されている。
The
圧電セラミック層21bの個別電極25と共通電極24とに挟まれている部分は、厚さ方向に分極されており、個別電極25に電圧を印加すると変位する、ユニモルフ構造の変位素子30となっている。より具体的には、個別電極25を共通電極24と異なる電位にして圧電セラミック層21bに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として機能する。この構成において、電界と分極とが同方向となるように、制御部88により個別電極25を共通電極24に対して正
または負の所定電位にすると、圧電セラミック層21bの電極に挟まれた部分(活性部)が、面方向に収縮する。一方、非活性層であるセラミック層21aは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の面方向の変位を抑制しようとする。この結果、圧電セラミック層21bとセラミック層21aとの間で面方向の歪みに差が生じて、圧電セラミック層21bは加圧室10側へ凸となるように変形(ユニモルフ変形)する。
A portion sandwiched between the
続いて、液体の吐出動作について、説明する。制御部88からの制御でドライバICなどを介して、個別電極25に供給される駆動信号により、変位素子30が駆動(変位)させられる。本実施形態では、様々な駆動信号で液体を吐出させることができるが、ここでは、いわゆる引き打ち駆動方法について説明する。
Next, the liquid discharge operation will be described. The
あらかじめ個別電極25を共通電極24より高い電位(以下高電位と称す)にしておき、吐出要求がある毎に個別電極25を共通電極24と一旦同じ電位(以下低電位と称す)とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極25が低電位になるタイミングで、セラミック層21a、21bが元の(平らな)形状に戻り(始め)、加圧室10の容積が初期状態(両電極の電位が異なる状態)と比較して増加する。これにより、加圧室10内の液体に負圧が与えられる。そうすると、加圧室10内の液体が固有振動周期で振動し始める。具体的には、最初、加圧室10の体積が増加し始め、負圧は徐々に小さくなっていく。次いで加圧室10の体積は最大になり、圧力はほぼゼロとなる。次いで加圧室10の体積は減少し始め、圧力は高くなっていく。その後、圧力がほぼ最大になるタイミングで、個別電極25を高電位にする。そうすると最初に加えた振動と、次に加えた振動とが重なり、より大きい圧力が液体に加わる。この圧力がディセンダ内を伝搬し、吐出孔8から液体を吐出させる。
The
つまり、高電位を基準として、一定期間低電位とするパルスの駆動信号を個別電極25に供給することで、液滴を吐出できる。このパルス幅は、加圧室10の液体の固有振動周期の半分の時間であるAL(Acoustic Length)とすると、原理的には、液体の吐出速度
および吐出量を最大にできる。加圧室10の液体の固有振動周期は、液体の物性、加圧室10の形状の影響が大きいが、それ以外に、圧電アクチュエータ基板21の物性や、加圧室10に繋がっている流路の特性からの影響も受ける。
In other words, a droplet can be ejected by supplying a pulse driving signal that is a low potential for a certain period with the high potential as a reference to the
なお、パルス幅は、吐出される液滴を1つにまとめるようにするなど、他に考慮する要因もあるため、実際は、0.5AL〜1.5AL程度の値にされる。また、パルス幅は、ALから外れた値にすることで、吐出量を少なくすることができるため、吐出量を少なくするためにALから外れた値にされる。 Note that the pulse width is actually set to a value of about 0.5 AL to 1.5 AL because there are other factors to consider, such as combining the ejected droplets into one. Further, since the discharge amount can be reduced by setting the pulse width to a value outside of AL, the pulse width is set to a value outside of AL in order to reduce the discharge amount.
以上のような基本的に引き打ちの動作において、駆動劣化が起きる原因のひとつは、振動板21aを圧電セラミックス材料で構成した場合、個別電極本体25aと共通電極24との挟まれている活性部と重なっている部分の振動板21aに繰り返し引っ張り応力が加わることで、強弾性ドメインスイッチングが生じ、その部分が平面方向に伸びてしまうことになる。この結果、活性部に電圧を加えない状態でも、変位素子30は加圧室側に少し撓んだ状態になる。電圧が加わった場合の変位量は、この状態からの差であるので、あらかじめ撓んだ状態になることで、変位量は小さくなってしまう。
One of the causes of drive deterioration in the pulling operation basically as described above is that when the diaphragm 21a is made of a piezoelectric ceramic material, the active portion sandwiched between the
振動板21aの変形は、変形した状態で維持される、駆動における待機状態に主に発生する。待機状態を続けることで、振動板21aの厚み方向に向いているcドメインは変位による変形で圧電アクチュエータ基板21の面方向にドメインスイッチングするため、変位素子30が撓んだ状態で安定な状態になろうとする。
The deformation of the vibration plate 21a mainly occurs in a standby state in driving that is maintained in the deformed state. By continuing the standby state, the c domain facing in the thickness direction of the diaphragm 21a is domain-switched in the surface direction of the
このような強弾性ドメインスイッチングを起き難くするには、振動板21aに圧縮応力
を加えた状態にしておくのが有効である。そのようにするには、例えば、流路部材4として、熱膨張係数が圧電セラミック層21a、bよりも大きいものを用いて、圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とを加熱接合することで、降温時の収縮量の差により行えばよい。
In order to make such ferroelastic domain switching difficult to occur, it is effective to apply a compressive stress to the diaphragm 21a. In order to do so, for example, by using the
ただし、そのようにすると、圧電セラミック層21bの活性部にも圧縮応力が働き、活性部の圧電定数が低くなり、変位量が小さくなってしまう。そこで本発明では、圧電セラミック層21bと振動板21aとに加わる圧縮応力を変える。振動板21aに大きな圧縮応力を加えることにより、駆動劣化を抑制し、圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力を小さく(場合によっては引張応力を加えて)、圧電定数を高い状態に保つ。 However, if it does so, a compressive stress will act also on the active part of the piezoelectric ceramic layer 21b, the piezoelectric constant of the active part will become low, and the amount of displacement will become small. Therefore, in the present invention, the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a is changed. By applying a large compressive stress to the diaphragm 21a, the drive deterioration is suppressed, the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b is reduced (in some cases, a tensile stress is added), and the piezoelectric constant is kept high.
具体的には圧電アクチュエータ基板21として、流路部材4側に凸に反ったものを作製し、流路部材4に接合することで振動板21aに加わっている圧縮応力よりも圧電セラミック層21bに加わっている圧縮応力を大きくする。振動板21aに加わる圧縮応力を大きくするためには、上述の熱膨張係数差による圧縮応力も加わるようにするのが好ましい。
Specifically, a
反った圧電アクチュエータ基板21を作製するには、振動板21aの焼成収縮量よりも、圧電セラミック層21bの焼成収縮量を大きくすればよい。これには、振動板21aと圧電セラミック層21bとで材料組成を変えるのが好ましい。焼成前のグリーンシートなどにおける材料のパッキングを変えることでも行えるが、そのようにすると、収縮量を大きくする圧電セラミック層21bの焼成前パッキングを低くすることになり、焼成後の圧電セラミック層21bの気孔率が高くなり、圧電セラミック層21bの特性、信頼性が低くなってしまう。また、反り量のばらつきが大きくなり、変位素子50のばらつきが大きくなってしまうおそれがある。
In order to manufacture the warped
収縮率を変えるには、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした、圧電セラミック層21bおよび振動板21aの組成に対して、圧電セラミック層21bにAgを加えることで圧電セラミック層21bの収縮率を大きくすることができる。他に、チタン酸ジルコン酸鉛に、BiやBiFeO3を添加することで、収縮率を大きくすることで変えてもよい。 In order to change the shrinkage rate, for example, Ag is added to the piezoelectric ceramic layer 21b with respect to the composition of the piezoelectric ceramic layer 21b and the vibration plate 21a mainly composed of lead zirconate titanate to thereby shrink the piezoelectric ceramic layer 21b. The rate can be increased. In addition, the shrinkage rate may be increased by adding Bi or BiFeO 3 to lead zirconate titanate.
駆動劣化は、振動板21aを圧電性を有さない、例えば常誘電セラミック材料で構成した場合にも起きる場合がある。圧電セラミック層21bの電極に挟まれない部分(不活性部)でも同様な強弾性ドメインスイッチング生じるためである。活性部の面方向の収縮に伴って、活性部の周囲に存在する不活性部には引張り応力が加わり、強弾性ドメインスイッチングが生じてその部分が伸びてしまう。この結果、活性部は周囲の不活性部から圧縮応力を受け、電圧を加えない状態でも少し収縮した状態になる。活性部があらかじめ収縮した状態になることで、変位量は小さくなってしまう。 The drive deterioration may also occur when the diaphragm 21a is made of, for example, a paraelectric ceramic material that does not have piezoelectricity. This is because the same ferroelastic domain switching occurs in a portion (inactive portion) not sandwiched between the electrodes of the piezoelectric ceramic layer 21b. As the active portion contracts in the surface direction, a tensile stress is applied to the inactive portion existing around the active portion, and ferroelastic domain switching occurs, and the portion extends. As a result, the active part receives compressive stress from the surrounding inactive part, and is in a slightly contracted state even when no voltage is applied. When the active portion is contracted in advance, the amount of displacement is reduced.
圧電セラミック層21bの不活性部における強弾性ドメインスイッチングを起きにくくするには、不活性部のドメインの状態を、引張り応力が加わっても(殆ど)変化しない安定した状態とする、すなわち正方晶のc軸が面方向により多く配向した状態とすればよい。 In order to make it difficult for the ferroelastic domain switching in the inactive portion of the piezoelectric ceramic layer 21b to occur, the domain state of the inactive portion is set to a stable state that does not change (almost) even when tensile stress is applied. What is necessary is just to set it as the state where more c-axis was orientated by the surface direction.
特に、振動板21aおよび圧電セラミック層21bを構成する材料として、圧電定数と抗電界の両方を共に高めることが難しい非鉛誘電体材料を用いた場合、このように、圧電セラミック層21bの不活性部を、正方晶のc軸が面方向により多く配向した状態とすることによる耐久性の向上効果が顕著となる。具体的な材料としては、例えばニオブ酸系化合物(Nb酸ナトリウムなどのNb酸アルカリ化合物(NAC)、Nb酸バリウムなどの
Nb酸アルカリ土類化合物(NAEC))、チタン酸系化合物(チタン酸バリウム(BT)、チタン酸カルシウム(CT)など)、ジルコン酸系化合物(ジルコン酸バリウム(BZ)、ジルコン酸カルシウム(CZ)など)を含有する非鉛誘電体材料が挙げられる。
In particular, when a lead-free dielectric material that is difficult to increase both the piezoelectric constant and the coercive electric field is used as a material constituting the diaphragm 21a and the piezoelectric ceramic layer 21b, the inertness of the piezoelectric ceramic layer 21b is thus obtained. The effect of improving the durability due to the portion having a tetragonal c-axis oriented more in the plane direction becomes remarkable. Specific examples of the materials include niobic acid compounds (Nb acid alkali compounds (NAC) such as sodium Nb acid, Nb alkaline earth compounds (NAEC) such as Nb acid barium), titanic acid compounds (barium titanate). (BT), calcium titanate (CT), and the like) and zirconate-based compounds (barium zirconate (BZ), calcium zirconate (CZ), and the like).
圧電セラミック層21bを構成する非鉛圧電セラミック材料の一例として、Nb、SbおよびTaのうち少なくともいずれか一種と、Cu、MgおよびZnのうち少なくともいずれか一種と、Ba、Ti、Sn、ZrおよびBiと、を含むチタン酸バリウム系の誘電体材料が挙げられる。このようなチタン酸バリウム系の圧電セラミック材料は、誘電率および結合係数が高いことから、高い圧電歪定数(以下、単にd31いう場合もある)を得ることができ好ましい。 As an example of the lead-free piezoelectric ceramic material constituting the piezoelectric ceramic layer 21b, at least one of Nb, Sb and Ta, at least one of Cu, Mg and Zn, Ba, Ti, Sn, Zr and And a barium titanate-based dielectric material containing Bi. Such a barium titanate-based piezoelectric ceramic material is preferable because it has a high dielectric constant and a high coupling coefficient, so that a high piezoelectric strain constant (hereinafter sometimes simply referred to as d 31 ) can be obtained.
また、さらにCaを含む、すなわちチタン酸バリウム系材料においてAサイトの一部をCaで置換した材料を用いると、チタン酸バリウムが本来有する斜方晶−正方晶の相転移温度(以下、O−T相転移温度という場合もある)をさらに低温側にシフトさせることが可能になり、正方晶、すなわち圧電性を発現する強誘電相の温度範囲を広げることができることから、圧電歪定数の温度特性をさらに安定化することができ、好ましい。 Further, when a material further containing Ca, that is, a barium titanate-based material in which a part of the A site is substituted with Ca, an orthorhombic-tetragonal phase transition temperature (hereinafter, O- T-phase transition temperature) may be further shifted to a lower temperature side, and the temperature range of the tetragonal crystal, that is, the ferroelectric phase that exhibits piezoelectricity, can be expanded. Can be further stabilized, which is preferable.
圧電セラミック層21bに適するチタン酸バリウム系の圧電セラミック材料は、具体的には、下記の組成式で表される。
(Ba1−a−bCaaBib)γ(Ti1−c−d−eZrcSnd(M12/3M21/3)e)O3・・・(式1)
ただし、M1はCu、MgおよびZnのうち少なくともいずれか一種であり、M2はNb、SbおよびTaのうち少なくとも一種である。また、a、b、c、d、eおよびγは、以下の関係を満たす。
0 ≦a≦0.110
0 <b≦0.014
0 ≦(c+d)≦0.090
0 <e≦0.015
0.96≦γ≦1.04
ここで、γは一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造のAサイトとBサイトの比A/Bを表している。また、Oの比率は変動する場合がある。
Specifically, the barium titanate-based piezoelectric ceramic material suitable for the piezoelectric ceramic layer 21b is represented by the following composition formula.
(Ba 1-a-b Ca a Bi b) γ (Ti 1-c-d-e Zr c Sn d (
However, M1 is at least one of Cu, Mg, and Zn, and M2 is at least one of Nb, Sb, and Ta. Moreover, a, b, c, d, e, and γ satisfy the following relationship.
0 ≦ a ≦ 0.110
0 <b ≦ 0.014
0 ≦ (c + d) ≦ 0.090
0 <e ≦ 0.015
0.96 ≦ γ ≦ 1.04
Here, γ represents the ratio A / B of the A site and B site of the perovskite structure represented by the general formula ABO 3 . In addition, the O ratio may vary.
このような組成とすることにより、圧電定数、たとえばd31が100pm/V以上と高く、かつ強誘電相である正方晶を広い温度範囲(例えば室温〜100℃)にわたって安定に存在させることが可能となる。 By adopting such a composition, a piezoelectric constant, for example, d 31 is as high as 100 pm / V or more, and a tetragonal crystal that is a ferroelectric phase can stably exist over a wide temperature range (for example, room temperature to 100 ° C.). It becomes.
圧電セラミック層21bに上述のようなチタン酸バリウム系の圧電セラミック材料を用いた場合、振動板21aを構成する常誘電セラミック材料も上述のチタン酸バリウム系の圧電セラミック材料に近い組成とするのが、圧電セラミック層21bと振動板21aとの同時焼成を行なう上で好ましい。この場合、振動板21aに適するチタン酸バリウム系の常誘電セラミック材料は、具体的には、下記の組成式で表される。
(Ba1−v−wSrvBiw)δ(Ti1−x−y−zZrxSny(M32/3M41/3)z)O3・・・(式2)
ただし、M3はCu、MgおよびZnのうち少なくともいずれか一種であり、M4はNb、SbおよびTaのうち少なくとも一種である。また、v、w、x、y、zおよびδは、以下の関係を満たす。
0.10≦v≦0.70
0 <w≦0.014
0 ≦x≦0.090
0 ≦y≦0.090
0 <z≦0.015
0.96≦δ≦1.04
ここで、δは一般式ABO3で表されるペロブスカイト構造のAサイトとBサイトの比A/Bを表している。また、Oの比率は変動する場合がある。
When the above-described barium titanate-based piezoelectric ceramic material is used for the piezoelectric ceramic layer 21b, the paraelectric ceramic material constituting the vibration plate 21a has a composition close to that of the above-described barium titanate-based piezoelectric ceramic material. It is preferable for simultaneous firing of the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a. In this case, a barium titanate-based paraelectric ceramic material suitable for the diaphragm 21a is specifically represented by the following composition formula.
(Ba 1- vw Srv Bi w ) δ (Ti 1-x-yz Zr x Sn y (M3 2/3 M4 1/3 ) z ) O 3 (Formula 2)
However, M3 is at least one of Cu, Mg, and Zn, and M4 is at least one of Nb, Sb, and Ta. Moreover, v, w, x, y, z, and δ satisfy the following relationship.
0.10 ≦ v ≦ 0.70
0 <w ≦ 0.014
0 ≤ x ≤ 0.090
0 ≤ y ≤ 0.090
0 <z ≦ 0.015
0.96 ≦ δ ≦ 1.04
Here, δ represents the ratio A / B of the A site and B site of the perovskite structure represented by the general formula ABO 3 . In addition, the O ratio may vary.
このような組成とすることにより、振動板21aを構成するチタン酸バリウム系の常誘電セラミック材料は、強誘電体−常誘電体相転移温度であるTcが室温以下となる。また、上述の式1で表される圧電セラミック層21bを構成するチタン酸バリウム系の圧電セラミック材料に対して、高温(たとえば600〜800℃)におけては熱膨張係数が小さく、低温(例えば25〜200℃)においては熱膨張係数が大きいものとなる。このような熱膨張係数の挙動により、圧電アクチュエータ基板21の反りが小さくなる。また、低温における振動板21aの熱膨張係数が圧電セラミック層21bの熱膨張係数よりも大きいことから、振動板21aに加わる圧縮応力よりも圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力が大きくなる、換言すれば圧電セラミック層21bの面方向に引っ張り応力がかかった状態となり、圧電セラミック層21bは、正方晶のc軸が面方向により多く揃った状態となる。
With such a composition, the barium titanate-based paraelectric ceramic material constituting the vibration plate 21a has a ferroelectric-paraelectric phase transition temperature Tc of room temperature or lower. Further, the barium titanate-based piezoelectric ceramic material constituting the piezoelectric ceramic layer 21b represented by the
なお、式2で表される組成を有する チタン酸バリウム系常誘電セラミック材料は、上
述の式1で表される組成を有するチタン酸バリウム系圧電セラミック材料よりも、ヤング率が高く変形しにくいため、振動板21aを圧電体で構成した場合よりも駆動劣化を抑制できる。
The barium titanate-based paraelectric ceramic material having the composition represented by
なお、圧電セラミック層21b、振動板21aのいずれも、上述の組成式(式1、式2)で表される成分に対して、さらにCuをCuO換算で0.1〜0.5質量%含有することにより、より低温で焼結することができ、融点の低い電極材料との同時焼成が可能となる。また、大気中で焼成した場合でも還元反応が起こりにくく、圧電特性の劣化を抑制でき、磁器特性のバラツキを小さく抑え、磁器を安定して製造することが可能となる。
Each of the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a contains 0.1 to 0.5% by mass of Cu in terms of CuO with respect to the components represented by the above composition formulas (
また、圧電セラミック層21bおよび振動板21aを構成するチタン酸バリウム系材料は、上述の元素のほかに、Mn、Co、Cr等の元素を含有しても良い。このような元素を少量含有することにより、チタン酸バリウム系材料の焼結性や比誘電率の温度特性、耐熱性が向上する。 Further, the barium titanate-based material constituting the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a may contain elements such as Mn, Co, and Cr in addition to the above-described elements. By containing a small amount of such an element, the sinterability, temperature characteristics of relative permittivity, and heat resistance of the barium titanate material are improved.
圧電セラミック層21bおよび振動板21aを構成するチタン酸バリウム系材料は、工程上の不可避不純物としてSi、Ce、Al、Na、Fe、Ni、Mo等の元素を含有する場合がある。本実施形態においては、これらの元素を合計で0.5質量%以下の範囲で含有していてもよい。これらの元素は、チタン酸バリウム系材料中の含有量が合計で0.5質量%以下であれば、チタン酸バリウム系材料の特性には影響しない。 The barium titanate-based material constituting the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a may contain elements such as Si, Ce, Al, Na, Fe, Ni, and Mo as inevitable impurities in the process. In this embodiment, you may contain these elements in 0.5 mass% or less in total. These elements do not affect the characteristics of the barium titanate material as long as the total content in the barium titanate material is 0.5% by mass or less.
なお、セラミック材料の組成や不純物元素の含有量は、蛍光X線分析やICP発光分光分析などの元素分析により確認できる。 The composition of the ceramic material and the content of impurity elements can be confirmed by elemental analysis such as X-ray fluorescence analysis or ICP emission spectroscopic analysis.
圧電セラミック層21bと振動板21aとで収縮率の異なる圧電アクチュエータ基板21を作製し、これを用いて液体吐出ヘッド2を作製して特性を評価した。
(実施例1)
圧電セラミック層21bおよび振動板21aとして、共通の基本組成としてPb1−x−ySrxBay(Zn1/3Sb2/3)a(Ni1/2Te1/2)bZr1−a−b−cTicO3+αPb1/2NbO3(ただし、0≦x≦0.14、0≦y≦0.1
4、0.05≦a≦0.1、0.002≦b≦0.01、0.44≦c≦0.50、α=0.1〜1.0質量%)で表されるものを用いた。圧電セラミック層21bには、この組成100質量部に対し、表1に示した量のAg加えた。振動板21aにはAgを加えなかった。
Example 1
As the piezoelectric ceramic layer 21b and the vibration plate 21a, Pb 1-x-y Sr x Ba y (
4, 0.05 ≦ a ≦ 0.1, 0.002 ≦ b ≦ 0.01, 0.44 ≦ c ≦ 0.50, α = 0.1 to 1.0 mass%) Using. The amount of Ag shown in Table 1 was added to the piezoelectric ceramic layer 21b with respect to 100 parts by mass of this composition. Ag was not added to the diaphragm 21a.
圧電アクチュエータ基板21は次のように作製した。振動板21aとなるグリーンシートに共通電極24となるAg−Pdペーストを印刷し、圧電セラミック層21bとなるグリーンシートを積層して積層体を作製した。Ag−Pdペーストは、上述の基本組成の圧電セラミック粒子を共材として添加して、共通電極24中のAgの拡散を抑制するようにした。積層体を焼成した後、個別電極25を焼き付けた。
The
圧電アクチュエータ基板21は、50mm×25mmのものを作製した。圧電アクチュエータ基板21の凸側(振動板21a側)を上にして平面上に置き、最も高い部分の高さを測定した。その値から圧電アクチュエータ基板21の厚さを減じた値を圧電アクチュエータ基板21の反りとした。
A
圧電アクチュエータ基板21は、流路部材4と120℃で加熱接合させて液体吐出ヘッド2を作製し、圧電セラミック層21bを、高温分極法によって分極させた。圧縮応力、変位量(1V/μmとなる電圧を加えた際のもの)、駆動劣化を測定した。測定結果を表1に示す。なお、試料No.1については、圧電セラミック層21bと振動板21aとは同じ組成であるが、製造ばらつきで一方に凸に反ったので、凸になった側を流路部材4と接着した。
The
応力は、液体吐出ヘッド2の圧電セラミック層21b側の表面および振動板21a側の表面のX線応力測定により測定した。圧電セラミック層21側については、個別電極25を除去した表面を測定し、振動板21a側については、振動板21aの表面が露出するように測定部位の流路部材4を除去し、その露出した振動板21aの表面を測定した。振動板21aの圧縮応力から圧電セラミック層21bの圧縮応力を差し引き、応力差とした。各層の収縮率は、作製した圧電アクチュエータ基板21の収縮率ではなく、各層単体のグリーンシートを焼成した際の収縮率である。駆動劣化は、各試料の変位量が90nmになるように電圧を調整して駆動し、10万サイクル後に、初期の変位量から、変位量が低下した割合である。また、各層の気孔率は、グリーンシートの状態で原料のパッキングを高くする様に作製したので、0.1%以下となった。
The stress was measured by measuring X-ray stress on the surface of the
圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力が小さくなることで、変位量が大きくなった。これは、圧電セラミック層21bの圧電定数が大きくなったからだと考えられる。振動板21aに加わっている圧縮応力は、各試料でほとんど変わらないが、圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力が小さいと、所望の変位量を得るための電圧を低くできるので、その分、駆動劣化を生じ難くでき、圧縮応力の差を70MPa以上とすることで、駆動劣化は3%以下となった。
The amount of displacement was increased by reducing the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b. This is presumably because the piezoelectric constant of the piezoelectric ceramic layer 21b has increased. The compressive stress applied to the diaphragm 21a is almost the same for each sample. However, if the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b is small, the voltage for obtaining a desired amount of displacement can be lowered. The drive deterioration became 3% or less by making the difference in
圧電アクチュエータ基板21の反り量は、350μmを超えると、流路部材4と接着する際に、割れる可能性が大きくなっていくので、反り量は350μm以下にするのが好ましい。
If the warpage amount of the
(実施例2)
圧電セラミック層21bとして組成式(Ba1−a−bCaaBib)γ(Ti1−c−d−eZrcSnd(Cu2/3Sb1/3)e)O3(ただし、γ=1.0、a=0.0698、b=0.0035、c=0.0558、d=0.0140、e=0.0035)の組成に対してCuOを0.25質量%となるもの(以下、F1という場合もある)を用いた。また、振動板21aとして組成式(Ba1−v−wSrvBiw)δ(Ti1−x−y−zZrxSny(M32/3M41/3)z)O3のv、w、x、y、z、M3およびM4が表2に示すような組成となるもの(以下、P1〜P3という場合もある)を用いた。なお、δは1.0とした。
(Example 2)
Composition formula as a piezoelectric ceramic layer 21b (Ba 1-a-b Ca a Bi b) γ (Ti 1-c-d-e Zr c Sn d (
圧電アクチュエータ基板21は次のように作製した。振動板21aとなるグリーンシートに共通電極24となるAg−Pdペースト(Ag:Pd比は質量比にして3:7)を印刷し、圧電セラミック層21bとなるグリーンシートを積層して積層体を作製した。グリーンシートはいずれも厚さを30μmとした。積層体を大気雰囲気中において1300℃で3時間焼成した後、個別電極25を焼き付けた。なお、比較例として振動板21aにF1の材料を用いたものも作製した(試料No.4)。
The
圧電セラミック層21b、振動板21aの結晶構造は、焼成した積層体の圧電セラミック層21b側の表面、および振動板21a側の表面について、それぞれX線回折(XRD)測定を行い、得られたそれぞれのX線回折パターンを解析することにより確認した。F1は正方晶、P1〜P3は立方晶のペロブスカイト型の結晶構造であった。 The crystal structures of the piezoelectric ceramic layer 21b and the diaphragm 21a were obtained by performing X-ray diffraction (XRD) measurement on the surface of the fired laminated body on the piezoelectric ceramic layer 21b side and the surface on the diaphragm 21a side, respectively. This was confirmed by analyzing the X-ray diffraction pattern. F1 was a tetragonal crystal structure, and P1 to P3 were cubic perovskite crystal structures.
P1〜P3およびF1のキュリー温度は、P1〜P3、F1のグリーンシートをそれぞれ単独で焼成した試験片を用いて、誘電率の温度依存性を測定することにより確認した。F1のキュリー温度(Tc)は100℃であった。P1〜P3のキュリー温度(Tc)は、表2に示す。 The Curie temperatures of P1 to P3 and F1 were confirmed by measuring the temperature dependence of the dielectric constant using test pieces obtained by firing the green sheets of P1 to P3 and F1 individually. The Curie temperature (Tc) of F1 was 100 ° C. Table 2 shows the Curie temperatures (Tc) of P1 to P3.
圧電アクチュエータ基板21は、50mm×25mmのものを作製した。圧電アクチュエータ基板21の凸側(振動板21a側)を上にして平面上に置き、最も高い部分の高さを測定した。その値から圧電アクチュエータ基板21の厚さを減じた値を圧電アクチュエータ基板21の反りとした。
A
圧電アクチュエータ基板21は、流路部材4とエポキシ系接着剤を用いて150℃で加熱接合させて液体吐出ヘッド2を作製し、圧電セラミック層21bを、高温分極法によって分極させた。圧縮応力、不活性部におけるc軸の配向度Vc、駆動劣化を測定した。
The
応力は、液体吐出ヘッド2の圧電セラミック層21b側の表面および振動板21a側の
表面のX線応力測定により測定した。圧電セラミック層21b側については、個別電極25を除去した表面を測定し、振動板21a側については、振動板21aの表面が露出するように測定部位の流路部材4を除去し、その露出した振動板21aの表面を測定した。振動板21aの圧縮応力から圧電セラミック層21bの圧縮応力を差し引き、応力差とした。不活性部におけるc軸の配向度Vcの確認は、不活性部の局所X線回折測定を行い、得られたX線回折パターンの(200)面および(002)面のピーク強度から下記の計算式により算出した。
Vc=I(002)/{I(200)+I(002)}
局所X線回折による不活性部の測定は、個別電極25の縁部から80μm離れた不活性部の表面に、コリメータの直径を20μmとしてCuKα線を照射することで行った。
The stress was measured by measuring X-ray stress on the surface of the
Vc = I (002) / {I (200) + I (002)}
The measurement of the inactive part by local X-ray diffraction was performed by irradiating the surface of the inactive part 80 μm away from the edge of the
駆動劣化は、室温(5〜35℃)において共通電極24に±1.83kV/cm、周波数2kHzの駆動電圧波形を有する電圧を印加し、変位素子30を100億サイクルに亘って駆動した後に、初期の変位量から、変位量が低下した割合である。結果を表3に示す。
The drive deterioration is caused by applying a voltage having a drive voltage waveform of ± 1.83 kV / cm and a frequency of 2 kHz to the
試料No.5〜7では、振動板21aに常誘電体のP1〜P3を用い、圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力が振動板21aに加わる圧縮応力より小さくなることで、圧電セラミック層21bの不活性部におけるVcが0.5以下となり、駆動劣化は8.0%以下となった。 Sample No. In Nos. 5 to 7, paraelectric P1 to P3 are used for the diaphragm 21a, and the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b is smaller than the compressive stress applied to the diaphragm 21a, so that in the inactive portion of the piezoelectric ceramic layer 21b. Vc was 0.5 or less, and the drive deterioration was 8.0% or less.
一方、振動板21aとして圧電セラミック層21bと同じF1の材料を用いた試料No.4は、圧電セラミック層21bに加わる圧縮応力と振動板21aに加わる圧縮応力とが同程度であり、駆動劣化が17.5%と大きかった。 On the other hand, sample No. 1 using the same F1 material as the piezoelectric ceramic layer 21b as the diaphragm 21a. In No. 4, the compressive stress applied to the piezoelectric ceramic layer 21b and the compressive stress applied to the diaphragm 21a were approximately the same, and the drive deterioration was as large as 17.5%.
1・・・プリンタ
2・・・液体吐出ヘッド
2a・・・ヘッド本体
4・・・流路部材
4a〜4l・・・(流路部材の)プレート
4−1・・・吐出孔面
4−2・・・加圧室面
5・・・マニホールド
5a・・・(マニホールドの)開口
5b・・・副マニホールド
6・・・しぼり
8・・・吐出孔
9・・・吐出孔行
10・・・加圧室
11・・・加圧室行
12・・・個別流路
14・・・個別供給流路
15・・・隔壁
16・・・ダミー加圧室
21・・・圧電アクチュエータ基板
21a・・・圧電セラミック層(振動板)
21b・・・圧電セラミック層
24・・・共通電極
25・・・個別電極
25a・・・個別電極本体
25b・・・引出電極
26・・・接続バンプ
28・・・共通電極用表面電極
30・・・変位素子
60・・・信号伝達部
70・・・(ヘッド搭載)フレーム
72・・・ヘッド群
80a・・・給紙ローラ
80b・・・回収ローラ
82a・・・ガイドローラ
82b・・・搬送ローラ
88・・・制御部
P・・・印刷用紙
DESCRIPTION OF
21b ... Piezoelectric
Claims (5)
前記圧電基板は、前記流路部材側に配置されている振動板と、該振動板に積層されている圧電体層と、前記複数の加圧室とそれぞれ対向するように配置され、間に前記圧電体層を挟んでいる複数の1対の電極と、を含んでおり、
前記圧電体層および前記振動板には、いずれも平面方向の圧縮応力が加わっているとともに、前記圧電体層に加わっている平面方向の圧縮応力が、前記振動板に加わっている平面方向の圧縮応力より小さいことを特徴とする液体吐出ヘッド。 A flow path member having a plurality of discharge holes and a plurality of pressurization chambers respectively connected to the plurality of discharge holes, and the flow path member are stacked so as to cover the plurality of pressurization chambers. A liquid discharge head comprising a piezoelectric substrate,
The piezoelectric substrate is disposed so as to face the vibration plate disposed on the flow path member side, the piezoelectric layer laminated on the vibration plate, and the plurality of pressurizing chambers, respectively, A plurality of pairs of electrodes sandwiching the piezoelectric layer, and
Both the piezoelectric layer and the diaphragm are subjected to a planar compressive stress, and the planar compressive stress applied to the piezoelectric layer is a planar compressive force applied to the diaphragm. A liquid discharge head characterized by being smaller than stress.
前記圧電基板は、前記流路部材側に配置されている振動板と、該振動板に積層されている圧電体層と、前記複数の加圧室とそれぞれ対向するように配置され、間に前記圧電体層を挟んでいる複数の1対の電極と、を含んでおり、
前記圧電体層に加わっている平面方向の圧縮応力が、前記振動板に加わっている平面方向の圧縮応力より小さく、
前記圧電体層が室温で正方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有し、前記振動板が室温で立方晶のペロブスカイト型の結晶構造を有しているとともに、
前記圧電体層の前記1対の電極で挟まれていない不活性部において、前記正方晶のc軸の、前記圧電基板の主面に垂直な方向の配向度を、Vc=I(002)/{I(002)+I(200)}(ただし、I(002)は、X線回折測定における前記正方晶の(002)面の回折強度であり、I(200)は、(200)面の回折強度である)としたとき、
Vcが0.5以下であることを特徴とする液体吐出ヘッド。 A flow path member having a plurality of discharge holes and a plurality of pressurization chambers respectively connected to the plurality of discharge holes, and the flow path member are stacked so as to cover the plurality of pressurization chambers. A liquid discharge head comprising a piezoelectric substrate,
The piezoelectric substrate is disposed so as to face the vibration plate disposed on the flow path member side, the piezoelectric layer laminated on the vibration plate, and the plurality of pressurizing chambers, respectively, A plurality of pairs of electrodes sandwiching the piezoelectric layer, and
The compressive stress in the plane direction applied to the piezoelectric layer is smaller than the compressive stress in the plane direction applied to the diaphragm,
The piezoelectric layer has a tetragonal perovskite type crystal structure at room temperature, and the diaphragm has a cubic perovskite type crystal structure at room temperature,
In the inactive portion of the piezoelectric layer that is not sandwiched between the pair of electrodes, the degree of orientation of the tetragonal c-axis in the direction perpendicular to the main surface of the piezoelectric substrate is expressed as Vc = I (002) / {I (002) + I (200)} (where I (002) is the diffraction intensity of the (002) plane of the tetragonal crystal in the X-ray diffraction measurement, and I (200) is the diffraction of the (200) plane. Strength)
Liquid discharge head you wherein the Vc is 0.5 or less.
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