JP2002225269A - Ink-jet printer head and its piezoelectric element - Google Patents

Ink-jet printer head and its piezoelectric element

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JP2002225269A
JP2002225269A JP2001354177A JP2001354177A JP2002225269A JP 2002225269 A JP2002225269 A JP 2002225269A JP 2001354177 A JP2001354177 A JP 2001354177A JP 2001354177 A JP2001354177 A JP 2001354177A JP 2002225269 A JP2002225269 A JP 2002225269A
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JP
Japan
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piezoelectric
electrode
ink
thickness
piezoelectric element
Prior art date
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Application number
JP2001354177A
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Japanese (ja)
Inventor
Atsuhiro Takagi
淳宏 高木
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Brother Industries Ltd
Original Assignee
Brother Industries Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an ink-jet printer head which solves a problem caused by thickness of a piezoelectric sheet and an electrode, obtains an excellent jet performance by bringing out well a piezoelectric characteristic of the piezoelectric sheet and obtaining full displacement of an active part, and prevents occurrence of defects such as an electrode cut, a laminated layer release and the like, and also to provide its piezoelectric element. SOLUTION: Film thickness of one layer of the piezoelectric sheets 40a to 40f and ceramic layers 71a to 71c is constructed so as to be 5 μm to 40 μm, preferably 15 μm to 30 μm. Film thickness of one layer of common electrodes 42 and individual electrodes 44a to 44c is also constructed so as to be 0.7 μm to 5 μm, preferably 1 μm to 3 μm.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、圧電式のインクジ
ェットプリンタヘッドおよびそれに使用される圧電素子
に関する。
[0001] 1. Field of the Invention [0002] The present invention relates to a piezoelectric ink jet printer head and a piezoelectric element used therein.

【0002】[0002]

【従来の技術】インクジェットプリンタに用いられてい
るインクジェットプリンタヘッドにおいて、キャビティ
プレートのインク室に隣接して圧電素子を設けてインク
をインク室から噴射させ印刷を行う圧電式インクジェッ
トプリンタヘッドが知られている。
2. Description of the Related Art In an ink jet printer head used for an ink jet printer, a piezoelectric ink jet printer head is known in which a piezoelectric element is provided adjacent to an ink chamber of a cavity plate and ink is ejected from the ink chamber to perform printing. I have.

【0003】この圧電式インクジェットプリンタヘッド
では、圧電素子をセラミック製の圧電シートと電極とを
交互に積層してプレスして焼成して形成し、別途インク
室を形成したキャビティプレートと、圧電素子とを接着
剤等を用いて接着し、さらに圧電素子の上に変形拘束材
を接着して製造していた。そして電極に電圧を印加する
ことにより、電極間に挟まれた圧電シートの活性部を変
位させ、インク室内のインクに圧力を付与するようにし
ている。
In this piezoelectric ink jet printer head, a piezoelectric element is formed by alternately laminating a ceramic piezoelectric sheet and an electrode, pressing and firing, and a cavity plate in which an ink chamber is separately formed; Are bonded using an adhesive or the like, and a deformation restricting material is further bonded onto the piezoelectric element. Then, by applying a voltage to the electrodes, the active portion of the piezoelectric sheet sandwiched between the electrodes is displaced, and pressure is applied to the ink in the ink chamber.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
圧電素子によれば、圧電シートが薄いと、前記焼成時に
電極の金属が拡散し過ぎることがあり、圧電シートの圧
電特性が損なわれるという問題があった。また逆に、圧
電シートが厚いと、電極間に挟まれる活性部位の周囲に
おける不活性部位の拘束影響が強大となり、活性部位の
十分な変位が得られないという問題があった。
However, according to the conventional piezoelectric element, when the piezoelectric sheet is thin, the metal of the electrode may be excessively diffused at the time of the sintering, thereby deteriorating the piezoelectric characteristics of the piezoelectric sheet. there were. Conversely, if the piezoelectric sheet is thick, there is a problem that the restraint effect of the inactive portion around the active portion sandwiched between the electrodes becomes strong, and sufficient displacement of the active portion cannot be obtained.

【0005】さらに、電極が薄いと、焼成時の拡散によ
り、電極が細くなり過ぎたり、あるいは切れてしまうと
いう問題があった。また、電極が厚いと、電極が存在す
る部分と存在しない部分との差による積層後の圧電素子
の厚さの差が大きくなり、電極の存在しない部位の積層
界面が剥離し易くなるという問題があった。
Further, if the electrode is thin, there is a problem that the electrode becomes too thin or cut due to diffusion during firing. Further, when the electrodes are thick, the difference in the thickness of the piezoelectric element after lamination due to the difference between the part where the electrodes are present and the part where the electrodes are not present becomes large, and the problem that the lamination interface in the part where the electrodes do not exist becomes easy to peel off. there were.

【0006】本発明は、前記問題に鑑みてなされたもの
で、圧電シート及び電極の厚さに基づく問題を解決し、
圧電シートの圧電特性を良好に発揮させて活性部位の十
分な変位を得て優れた噴射性能を得るととともに、電極
切れや積層剥離等の不具合を発生させることのないイン
クジェットプリンタヘッドおよび圧電素子を提供する。
The present invention has been made in view of the above problems, and solves a problem based on the thickness of a piezoelectric sheet and an electrode.
Inkjet printer heads and piezoelectric elements that exhibit good piezoelectric properties of piezoelectric sheets, obtain sufficient displacement of active sites to obtain excellent jetting performance, and do not cause problems such as electrode cutout or delamination. provide.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
に、本発明は、複数のインク噴射用オリフィスとそれぞ
れのオリフィスに連通する複数のインク室とを有するキ
ャビティプレートと、前記複数のインク室に対応する位
置に形成された複数の電極を備える圧電シートを複数
枚、積層して焼結し一体に形成されたプレート型の圧電
素子とを備え、該圧電素子が、前記キャビティプレート
に、前記複数のインク室を覆って取り付けられ、前記複
数の圧電シートのそれぞれの厚さが、5μm〜40μm
に設定されている。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention provides a cavity plate having a plurality of ink ejection orifices and a plurality of ink chambers communicating with the respective orifices; A plurality of piezoelectric sheets having a plurality of electrodes formed at positions corresponding to a plurality of piezoelectric sheets, a plate-type piezoelectric element integrally formed by laminating and sintering, the piezoelectric element, the cavity plate, the cavity plate, the The plurality of piezoelectric sheets are attached so as to cover a plurality of ink chambers, and each of the plurality of piezoelectric sheets has a thickness of 5 μm to 40 μm.
Is set to

【0008】これによれは、各圧電シートが厚さ5μm
以上あることで、焼成時において電極の金属が拡散し過
ぎることがなく、良好な圧電特性を保つ。また、厚さが
40μm以下とすることで、活性部位の周囲における不
活性部位の拘束の影響が強過ぎることがなく、活性部位
の十分な変位が得られる。したがって、電極への電圧の
印加により、各インク室に対応する部分の圧電シートの
変形特性が均一かつ安定したものとなり、各インク室毎
に安定した噴射特性が得られる。
According to this, each piezoelectric sheet has a thickness of 5 μm.
With the above, the metal of the electrode is not excessively diffused during firing, and good piezoelectric characteristics are maintained. Further, by setting the thickness to 40 μm or less, the influence of the constraint of the inactive portion around the active site is not too strong, and a sufficient displacement of the active site can be obtained. Therefore, by applying a voltage to the electrodes, the deformation characteristics of the piezoelectric sheet in the portion corresponding to each ink chamber become uniform and stable, and stable ejection characteristics can be obtained for each ink chamber.

【0009】好ましくは、前記複数の圧電シートは、そ
れぞれの厚さが、15μm〜30μmに設定される。こ
れにより、焼成時における電極層の金属の拡散による圧
電特性の低下が極めて良好に防止され、活性部位の周囲
における不活性部位の拘束の影響が極めて良好に抑えら
れ、活性部位の十分な変位が得られる。
Preferably, each of the plurality of piezoelectric sheets has a thickness of 15 μm to 30 μm. As a result, the degradation of the piezoelectric properties due to the diffusion of the metal in the electrode layer during firing is extremely well prevented, the influence of the constraint of the inactive part around the active part is suppressed very well, and the sufficient displacement of the active part is suppressed. can get.

【0010】また、好ましくは前記電極は厚さが0.7
μm〜5μmに設定される。さらに好ましくはこの場
合、電極は、前記各インク室と対向する位置に形成され
た複数の個別電極と、前記複数のインク室にわたって形
成された共通電極とからなり、前記各個別電極の幅が5
0μm〜500μmに設定される。
Preferably, the electrode has a thickness of 0.7.
It is set to μm to 5 μm. More preferably, in this case, the electrodes include a plurality of individual electrodes formed at positions facing the respective ink chambers, and a common electrode formed over the plurality of ink chambers, and each of the individual electrodes has a width of 5
It is set to 0 μm to 500 μm.

【0011】これにより、焼成時の拡散により電極が細
くなり過ぎたり、あるいは電極が切れてしまうことが良
好に防止される。また、積層後の圧電素子において、電
極が存在する部分と存在しない部分との差に基づく圧電
素子の厚さの差が大きくなり過ぎることがなく、電極が
存在しない部位における積層界面の剥離が良好に防止さ
れる。性能上および生産上、効率のよいインクジェット
ヘッドをつくることができる。
As a result, it is possible to prevent the electrode from becoming too thin or being cut due to diffusion during firing. Further, in the laminated piezoelectric element, the difference in the thickness of the piezoelectric element based on the difference between the part where the electrode exists and the part where the electrode does not exist does not become too large, and the separation of the lamination interface in the part where the electrode does not exist is good. Is prevented. An efficient inkjet head can be made in terms of performance and production.

【0012】さらに好ましくは、前記電極は厚さが1μ
m〜3μmに設定される。また電極は、前記各インク室
と対向する位置に形成された複数の個別電極と、前記複
数のインク室にわたって形成された共通電極とからな
り、前記各個別電極の幅が80μm〜200μmに設定
される。これにより、焼成時の拡散により電極が細くな
り過ぎたり、あるいは電極が切れてしまうことが一層確
実に防止される。また、積層後の圧電素子において、電
極が存在する部分と存在しない部分との差に基づく圧電
素子の厚さの差が大きくなり過ぎることがなく、電極が
存在しない部位における積層界面の剥離が一層確実に防
止される。性能上および生産上、一層効率のよいインク
ジェットヘッドをつくることができる。
More preferably, the electrode has a thickness of 1 μm.
m to 3 μm. The electrodes include a plurality of individual electrodes formed at positions facing the respective ink chambers and a common electrode formed over the plurality of ink chambers, and the width of each individual electrode is set to 80 μm to 200 μm. You. As a result, it is possible to more reliably prevent the electrodes from becoming too thin or being cut due to diffusion during firing. Further, in the piezoelectric element after lamination, the difference in the thickness of the piezoelectric element based on the difference between the part where the electrode exists and the part where the electrode does not exist does not become too large, and the lamination interface at the part where the electrode does not exist is further removed. It is surely prevented. It is possible to produce an ink jet head that is more efficient in terms of performance and production.

【0013】[0013]

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るインクジェッ
トプリンタヘッドおよびその圧電素子を、図1乃至図9
を参照して詳細に説明する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, an ink jet printer head and its piezoelectric element according to the present invention will be described with reference to FIGS.
This will be described in detail with reference to FIG.

【0014】図7は、インクジェットプリンタ1の要部
を示す図である。プラテン10は、用紙11の搬送方向
と直交して水平に設けられる。このプラテン10は、軸
12を備えフレーム13に回転可能に軸支されており、
モータ14により、駆動ギア列を介して駆動される。プ
ラテン10に対向した位置には、インクジェットプリン
タヘッド15が設けられている。
FIG. 7 is a diagram showing a main part of the ink jet printer 1. As shown in FIG. The platen 10 is provided horizontally orthogonal to the transport direction of the paper 11. The platen 10 includes a shaft 12 and is rotatably supported by a frame 13.
It is driven by a motor 14 via a drive gear train. An ink jet printer head 15 is provided at a position facing the platen 10.

【0015】このインクジェットプリンタヘッド15
は、インク供給装置16とともにキャリッジ18上に配
置されている。キャリッジ18は、プラテン10の軸1
2の軸線に平行に配設された2本のガイドロッド20
a、20b(以下、まとめてガイドロッド20という)
に摺動可能に支持され、一対の従動プーリ21、従動プ
ーリ22に巻き掛けられたタイミングベルト24に結合
されている。そして、駆動プーリ22がモータ23によ
って駆動され、タイミングベルト24が所定方向に送ら
れると、キャリッジ18は、ガイドロッド20に沿って
移動され、インクジェットプリンタヘッド15がプラテ
ン10に対面させた状態で移動される。
This ink jet printer head 15
Are arranged on the carriage 18 together with the ink supply device 16. The carriage 18 is provided on the shaft 1 of the platen 10.
Two guide rods 20 arranged parallel to the two axes
a, 20b (hereinafter collectively referred to as guide rods 20)
And a timing belt 24 wound around a pair of driven pulleys 21 and 22. When the drive pulley 22 is driven by the motor 23 and the timing belt 24 is fed in a predetermined direction, the carriage 18 is moved along the guide rod 20 and moves with the inkjet printer head 15 facing the platen 10. Is done.

【0016】図1は、インクジェットプリンタヘッド1
5の要部断面図である。このヘッド15は、キャビティ
プレート30と、圧電素子3とから構成される。キャビ
ティプレート30は、図6に示すように全体が直方体に
形成されたインク室本体34内部に、上方が開放された
空間であるインク室32a、32b、32c(以下、特
に区別しない場合はインク室32という。)が隔壁34
aで隔てて複数個、図では3つ配列される。各インク室
32は、内部の幅がおよそ250μmで、高さ60μm
に構成される。インク室本体34の底部には、各インク
室32a〜32cに対応したインクを噴射するオリフィ
ス37a、37b、37c(以下、特に区別しない場合
はオリフィス37という。)を有するオリフィスプレー
ト36が蓋状に配置される。そして、インク室本体34
とオリフィスプレート36は、鉄系の材料で構成され、
接着により一体化される。なお、セラミックス等により
焼成して一体成型したり、あるいはアルミナ系の材料等
を用いインジェクションにより一体に形成してもよい。
また、各インク室32は、インク供給装置16(図7参
照)から連通された図示しない供給路によりインクの供
給を受け、常時インクが充填される。
FIG. 1 shows an ink jet printer head 1.
It is principal part sectional drawing of No. 5. The head 15 includes a cavity plate 30 and the piezoelectric element 3. As shown in FIG. 6, the cavity plate 30 has ink chambers 32a, 32b, and 32c (hereinafter referred to as ink chambers, which are open spaces) inside an ink chamber body 34 formed entirely in a rectangular parallelepiped. 32) is a partition wall 34.
A plurality, three in the figure, are separated by a. Each ink chamber 32 has an internal width of about 250 μm and a height of 60 μm.
It is composed of At the bottom of the ink chamber main body 34, an orifice plate 36 having orifices 37a, 37b, 37c (hereinafter, referred to as the orifice 37 unless otherwise distinguished) for ejecting ink corresponding to each of the ink chambers 32a to 32c has a lid shape. Be placed. Then, the ink chamber main body 34
And the orifice plate 36 are made of an iron-based material,
It is integrated by bonding. It should be noted that it may be integrally formed by firing with ceramics or the like, or may be integrally formed by injection using an alumina-based material or the like.
Each of the ink chambers 32 is supplied with ink from a supply path (not shown) communicated from the ink supply device 16 (see FIG. 7), and is always filled with ink.

【0017】インク室32に貯留されたインクは所定の
負圧がかかるように設定され、そのためインクはオリフ
ィス37において表面張力により外部に向かって凹のメ
ニスカスを形成する。したがって、通常はオリフィス3
7からインクが漏出しないが、内圧が高まって場合の
み、インクがオリフィス37より噴射される。また、本
実施の形態のように、インク室32に直接オリフィス3
7が設けられるもの以外にも、インク室32からさらに
インクの導出路を設けてオリフィス37を配置し、噴射
方向等を調節したり、インク室32の底部以外にオリフ
ィス37を配置するようにしてもよい。
The ink stored in the ink chamber 32 is set so that a predetermined negative pressure is applied. Therefore, the ink forms a concave meniscus outward at the orifice 37 due to surface tension. Therefore, usually the orifice 3
Although no ink leaks from the nozzle 7, the ink is ejected from the orifice 37 only when the internal pressure increases. Also, as in the present embodiment, the orifice 3 is directly in the ink chamber 32.
In addition to the ink chamber 32, an orifice 37 is provided by further providing an ink outlet path from the ink chamber 32, and the ejection direction and the like are adjusted, and the orifice 37 is arranged other than at the bottom of the ink chamber 32. Is also good.

【0018】圧電素子3は、各インク室32にインクに
圧力を付与するようにキャビティプレート30の上方に
設けられた活性層38と、その活性層38のキャビティ
プレート30とは反対側への変位を拘束する拘束層70
とからなる。活性層38は、表面に電極パターンが形成
された圧電セラミックス製の圧電シート40a、40
b、40c、40d、40e、40f(以下、特に区別
しない場合は圧電シート40という。)が積層されて形
成され、また拘束層70は、セラミックス層71a、7
1b、71c(以下、特に区別しない場合はセラミック
ス層71という。)が積層されて形成されている。拘束
層70は、後述するように活性層38と一体に焼成さ
れ、圧電素子3全体の剛性を高めてクロストークを防止
している。
The piezoelectric element 3 includes an active layer 38 provided above the cavity plate 30 so as to apply pressure to the ink in the ink chambers 32, and a displacement of the active layer 38 to the side opposite to the cavity plate 30. Layer 70 that restrains
Consists of The active layer 38 includes piezoelectric sheets 40 a and 40 made of a piezoelectric ceramic having an electrode pattern formed on a surface thereof.
b, 40c, 40d, 40e, and 40f (hereinafter, referred to as a piezoelectric sheet 40 unless otherwise specified) are laminated, and the constraining layer 70 is formed of the ceramic layers 71a, 7a.
1b and 71c (hereinafter, referred to as a ceramics layer 71 unless otherwise specified) are laminated. The constraining layer 70 is fired integrally with the active layer 38 as described later, and increases the rigidity of the entire piezoelectric element 3 to prevent crosstalk.

【0019】活性層38を構成する圧電シート40は、
電歪効果を有する圧電セラミックスを薄板状シートに形
成したものである。そのうち1つおきの圧電シート40
a、40c、40eの上面には、図5に示すように、該
圧電シートの周縁端部を除いて全体を覆う内部負電極層
すなわち共通電極42と、この電極を外部と電気的に接
続するための電極取り出し部43が後述するように形成
される。そして、上記圧電シート40a、40c、40
eと交互に位置する圧電シート40b、40d、40f
の上面には、インク室32a〜32cに対して1対1で
対応するように平行に配列されかつインク室32の幅方
向の幅寸法がおよそ120μmである複数本の帯状の内
部正電極層すなわち個別電極44a、44b、44c
と、この電極をそれぞれ外部と電気的に接続するための
電極取り出し部45a、45b、45cが形成される。
The piezoelectric sheet 40 constituting the active layer 38
It is formed by forming a piezoelectric ceramic having an electrostrictive effect on a thin sheet. Every other piezoelectric sheet 40
As shown in FIG. 5, on the upper surfaces of the a, 40c, and 40e, an internal negative electrode layer, that is, a common electrode 42 that covers the entirety of the piezoelectric sheet except for the peripheral edge thereof, and this electrode is electrically connected to the outside. Electrode take-out part 43 is formed as described later. Then, the piezoelectric sheets 40a, 40c, 40
e and the piezoelectric sheets 40b, 40d, 40f alternately positioned
Are arranged in parallel to the ink chambers 32a to 32c so as to correspond to the ink chambers 32a to 32c in parallel, and the width of the ink chamber 32 in the width direction is about 120 μm. Individual electrodes 44a, 44b, 44c
Then, electrode extraction portions 45a, 45b, 45c for electrically connecting the electrodes to the outside are formed.

【0020】本実施の形態においては、共通電極42と
個別電極44a〜44cは、Ag−Pd系の金属材料か
らなり、厚さが0.7μm〜5μm、好ましくは1μm
〜3μmに設定されている。
In this embodiment, the common electrode 42 and the individual electrodes 44a to 44c are made of an Ag-Pd metal material and have a thickness of 0.7 μm to 5 μm, preferably 1 μm.
33 μm.

【0021】そしてこれらの2種類の電極パターンが印
刷された圧電シート40が交互に複数枚積層される。積
層された各圧電シート40は、図1に示すように共通電
極42と個別電極44a〜44cとに挟まれて位置す
る。また、個別電極44a〜44cは帯状に形成されて
いるため、各圧電シート40内において、図1上部にそ
の範囲を示すように、共通電極42と個別電極44a〜
44cとに挟まれ、その幅が約120μmである圧電活
性部46a、46b、46cと、共通電極42、個別電
極44a〜44cに挟まれていない圧電不活性部48が
形成される。つまり、圧電シート40の中で共通電極と
個別電極間に電圧が印加された場合に電界が生じ電歪効
果により垂直方向に変形する部分と、電圧を印加しても
電界が生じない変形しない部分ができることになる。そ
して、活性層38は、圧電活性部46a〜46cがイン
ク室32a、32b、32cに対向し、かつ圧電不活性
部48がインク室間の隔壁34aに対向するようにイン
ク室本体34に固着されている。
A plurality of piezoelectric sheets 40 on which these two types of electrode patterns are printed are alternately stacked. Each of the laminated piezoelectric sheets 40 is located between the common electrode 42 and the individual electrodes 44a to 44c as shown in FIG. Further, since the individual electrodes 44a to 44c are formed in a strip shape, the common electrode 42 and the individual electrodes 44a to 44c are formed in each piezoelectric sheet 40 as shown in the upper part of FIG.
44c, the piezoelectric active portions 46a, 46b, and 46c each having a width of about 120 μm, and the piezoelectric inactive portion 48 not sandwiched between the common electrode 42 and the individual electrodes 44a to 44c. In other words, a portion in the piezoelectric sheet 40 where an electric field is generated when a voltage is applied between the common electrode and the individual electrode and is deformed in the vertical direction due to the electrostriction effect, and a portion where the electric field is not generated even when the voltage is applied Can be done. The active layer 38 is fixed to the ink chamber main body 34 such that the piezoelectric active sections 46a to 46c face the ink chambers 32a, 32b, and 32c, and the piezoelectric inactive section 48 faces the partition 34a between the ink chambers. ing.

【0022】拘束層70は、セラミックス層71a、7
1b、71cから構成される。セラミックス層71は、
活性層38の圧電シート40と同一の構成、材料、大き
さである。さらに、拘束層70のセラミックス層71
a、71cは、活性層38の圧電シート40b、40
d、40fの個別電極44a、44b、44c及び電極
取り出し部45a、45b、45cと同一構成のダミー
個別電極73a、73b、73c及び図2に示す電極取
り出し部75a、75b、75cを備える。また、拘束
層70のセラミックス層71bは、活性層38の圧電シ
ート40a、40c、40eの共通電極42及び電極取
り出し部43と同一構成のダミー共通電極72及び図2
に示す電極取り出し部74を備える。ここで、上記のよ
うに電極等が印刷された圧電シート40、セラミックス
層71となるグリーンシート50、51は共通部品とし
て共用することもできる。但し、圧電素子3を形成した
後には、その配置された位置と、後述するように電気的
な配線が異なり、その機能が異なるため、その名称が異
なるものである。
The constraining layer 70 is composed of the ceramic layers 71a, 71
1b and 71c. The ceramic layer 71
The active layer 38 has the same configuration, material, and size as the piezoelectric sheet 40. Further, the ceramic layer 71 of the constraining layer 70
a, 71c are the piezoelectric sheets 40b, 40 of the active layer 38;
d and 40f are provided with dummy individual electrodes 73a, 73b and 73c having the same configuration as the individual electrodes 44a, 44b and 44c and the electrode extraction portions 45a, 45b and 45c, and the electrode extraction portions 75a, 75b and 75c shown in FIG. The ceramic layer 71b of the constraining layer 70 includes a dummy common electrode 72 having the same configuration as the common electrode 42 and the electrode extraction portion 43 of the piezoelectric sheets 40a, 40c, and 40e of the active layer 38, and FIG.
Are provided. Here, the piezoelectric sheet 40 on which the electrodes and the like are printed as described above, and the green sheets 50 and 51 serving as the ceramic layer 71 can be shared as common components. However, after the piezoelectric element 3 is formed, the location where the piezoelectric element 3 is arranged and the electrical wiring are different as will be described later, and the function is different, so the name is different.

【0023】活性層38及び拘束層70は、以下の製造
方法によって製造される。まず、強誘電性を有するチタ
ン酸ジルコン酸鉛(PZT(PbTiO・PbZrO
))系のセラミック粉末、バインダ、溶剤を混合して
粘度10,000〜30,000CPSに調整した混合
液を調製し、PET(ポリエチレンテレフタレート)等
のプラスチックフィルム上に広げて乾燥させて9枚のグ
リーンシートを形成する。本実施の形態においては、こ
のグリーンシートの厚さを、5μm〜40μm、好まし
くは15μm〜30μmに設定した。
The active layer 38 and the constraining layer 70 are manufactured by the following manufacturing method. First, ferroelectric lead zirconate titanate (PZT (PbTiO 3 .PbZrO)
3 )) A mixed solution having a viscosity of 10,000 to 30,000 CPS is prepared by mixing a ceramic powder, a binder, and a solvent of a system, spread on a plastic film such as PET (polyethylene terephthalate), dried, and dried. To form a green sheet. In the present embodiment, the thickness of the green sheet is set to 5 μm to 40 μm, preferably 15 μm to 30 μm.

【0024】さらに、この内の5枚のグリーンシート5
0は、シート上の個別電極44a、44b、44c及び
電極取り出し部45a、45b、45cまたはダミー個
別電極73a、73b、73c及び電極取り出し部75
a、75b、75cとなる部分に金属材料をスクリーン
印刷する。同様に、残り4枚のグリーンシート51上に
は共通電極42及び電極取り出し部43またはダミー共
通電極72及び電極取り出し部74となる部分に金属材
料を印刷する。
Further, five of these green sheets 5
0 indicates the individual electrodes 44a, 44b, 44c and the electrode extraction portions 45a, 45b, 45c or the dummy individual electrodes 73a, 73b, 73c and the electrode extraction portion 75 on the sheet.
A metal material is screen-printed on portions to be a, 75b, and 75c. Similarly, on the remaining four green sheets 51, a metal material is printed on portions that become the common electrode 42 and the electrode extraction portion 43 or the dummy common electrode 72 and the electrode extraction portion 74.

【0025】そして、この2種類のグリーンシート5
0、51のうちグリーンシート50を一番下に、交互に
9枚積層する。このようにグリーンシート50、51を
積層すると、グリーンシート50が上下の端になるよう
に配置される。結局、活性層と拘束層として、名称は異
なるが全く同じ構成のグリーンシート50を5枚と、グ
リーンシート51を4枚の合計9枚を交互に積層するこ
とになる。そして、まだこの段階では、活性層38と拘
束層70の区別はない。なお、この実施の形態では、最
下層のシート上に個別電極を配置したが、最下層のシー
ト上に共通電極を配置するようにしてもよい。
The two kinds of green sheets 5
Nine green sheets 50 are alternately stacked at the bottom of 0 and 51. When the green sheets 50 and 51 are stacked in this manner, the green sheets 50 are arranged so as to be at the upper and lower ends. As a result, as active layers and constraining layers, five green sheets 50 and four green sheets 51 having different names but having exactly the same structure are alternately laminated, that is, nine green sheets 50 in total. At this stage, there is no distinction between the active layer 38 and the constraining layer 70. In this embodiment, the individual electrodes are arranged on the lowermost sheet, but the common electrodes may be arranged on the lowermost sheet.

【0026】次にのこのように構成された9枚のグリー
ンシート50、51を重ね、全体を加熱プレスし、脱脂
した後に、焼結して、活性層38及び拘束層70が一体
となった圧電セラミックスのブロックを得る。
Next, the nine green sheets 50 and 51 constructed as described above are stacked, and the whole is heated and pressed, degreased, and then sintered, so that the active layer 38 and the constraining layer 70 are integrated. Obtain a block of piezoelectric ceramics.

【0027】このグリーンシート50、51を積層した
ブロックを焼成する場合について説明する。圧電素子3
は、既述のように、活性層38と拘束層70とから構成
されるが、活性層38には電極が必須の構成である。一
方、拘束層70には、機能的には電極を設ける必要はな
い。しかしながら、このグリーンシート50、51を積
層したブロックを焼成する場合、圧電セラミックスと電
極を構成する金属材料では焼成した場合の収縮率が異な
る。僅かでも収縮率が異なると、焼成後に活性層38が
反ったり、あるいは波打ったりしてその平面性が損なわ
れる。活性層38の平面性が損なわれると、キャビティ
プレート30に密着して接着する場合に、密着度が下が
り、インク室30からのインクの漏出を生じたりして不
良製品を生じたり、あるいは活性層38の再研磨が必要
になり工数が増加し生産コストが上昇したり、充填剤に
より充填をすることで強度が低下する等の問題が生じ
る。
The case where the block in which the green sheets 50 and 51 are laminated is fired will be described. Piezoelectric element 3
Is composed of the active layer 38 and the constraining layer 70 as described above, but the active layer 38 has a configuration in which an electrode is indispensable. On the other hand, it is not necessary to provide an electrode in the constraining layer 70 functionally. However, when firing the block in which the green sheets 50 and 51 are stacked, the shrinkage ratio when firing is different between the piezoelectric ceramic and the metal material constituting the electrode. If the shrinkage is slightly different, the active layer 38 warps or undulates after firing, thereby impairing its planarity. When the planarity of the active layer 38 is impaired, the degree of adhesion is reduced when the active layer 38 is closely adhered to the cavity plate 30, causing leakage of ink from the ink chamber 30 to cause defective products, or The need for re-polishing increases the man-hours and production costs, and the filling with a filler causes problems such as a decrease in strength.

【0028】そこで、圧電素子3においては、上述のよ
うに、拘束層70を活性層38と同じ圧電セラミックス
材料から構成している。その上で、拘束層70は、活性
層38の圧電シート40に設けられた共通電極42、電
極取り出し部43、個別電極44a、44b、44c、
電極取り出し部45a、45b、45c(以下電極と略
す。)と同じものを、圧電シート70の駆動変形に寄与
しないダミー共通電極72、電極取り出し部74、ダミ
ー個別電極73a、73b、73c、電極取り出し部7
5a、75b、75c(以下ダミー電極と略す。)が形
成されている。このため、活性層38も拘束層70も全
く同じ構成があるので、焼成時の収縮率を同一のものと
することができる。さらに、活性層38と拘束層70を
合わせた全体において、電極及びダミー電極の配列を、
厚み方向(積層方向)に対称に構成することで全体の収
縮率を対称にし、焼成時の反りを生じないように構成し
ている。
Therefore, in the piezoelectric element 3, the constraining layer 70 is made of the same piezoelectric ceramic material as the active layer 38 as described above. In addition, the constraining layer 70 includes a common electrode 42, an electrode extraction portion 43, and individual electrodes 44a, 44b, 44c provided on the piezoelectric sheet 40 of the active layer 38.
The same electrode extraction portions 45a, 45b, and 45c (hereinafter, abbreviated as electrodes) are replaced with dummy common electrodes 72, electrode extraction portions 74, dummy individual electrodes 73a, 73b, 73c that do not contribute to the driving deformation of the piezoelectric sheet 70, and electrode extraction. Part 7
5a, 75b and 75c (hereinafter abbreviated as dummy electrodes) are formed. For this reason, since the active layer 38 and the constraining layer 70 have exactly the same configuration, the shrinkage ratio during firing can be the same. Further, in the entirety of the combined active layer 38 and constraining layer 70, the arrangement of the electrodes and the dummy electrodes is
By being symmetrical in the thickness direction (laminating direction), the overall shrinkage ratio is made symmetrical, so that warpage does not occur during firing.

【0029】ここで、図2は、圧電素子3の電気的な接
続を示す模式図である。圧電素子3の側面には、圧電シ
ート40a、40c、40eの電極取り出し部43と、
セラミックス層71bの電極取り出し部74とを電気的
に接続するための導電性の金属材料からなる外部負電極
52aが配置されると共に、セラミックス層71a、7
1cの電極取り出し部75a、75b、75cのそれぞ
れを電気的に接続するための導電性の金属板からなる外
部負電極52bが配置され、さらに外部負電極52aと
外部負電極52bとが電気的に接続される。したがっ
て、セラミックス層71a、71b、71c、40a、
40c、40eの各電極またはダミー電極は、同じ電位
になる。
Here, FIG. 2 is a schematic diagram showing the electrical connection of the piezoelectric element 3. On the side surface of the piezoelectric element 3, electrode extraction portions 43 of the piezoelectric sheets 40a, 40c, and 40e;
An external negative electrode 52a made of a conductive metal material for electrically connecting the ceramic layer 71b to the electrode lead-out portion 74 is arranged, and the ceramic layers 71a, 7
An external negative electrode 52b made of a conductive metal plate for electrically connecting each of the electrode extraction portions 75a, 75b, and 75c of 1c is arranged, and the external negative electrode 52a and the external negative electrode 52b are electrically connected. Connected. Therefore, the ceramic layers 71a, 71b, 71c, 40a,
The electrodes 40c and 40e or the dummy electrodes have the same potential.

【0030】一方、圧電シート40b、40d、40f
のそれぞれの電極取り出し部45a、45a、45a同
士を電気的に接続するための導電性の金属材料からなる
外部正電極54aが圧電素子3の側面に配置される。同
様に、圧電シート40b、40d、40fのそれぞれの
電極取り出し部45b、45b、45b同士を電気的に
接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極5
4b、圧電シート40b、40d、40fのそれぞれの
電極取り出し部45c、45c、45c同士を電気的に
接続するための導電性の金属材料からなる外部正電極5
4cがそれぞれ圧電素子3の側面に配置される。なお、
これらの外部電極は、活性層38及び拘束層70の側面
に金属材料が直接印刷または塗布されて形成されるが、
別途金属板で電極を形成し当接させて接続するようにし
てもよいし、またワイヤをハンダ付けして接続する等、
種々の構成が可能である。
On the other hand, the piezoelectric sheets 40b, 40d, 40f
An external positive electrode 54a made of a conductive metal material for electrically connecting the respective electrode extraction portions 45a, 45a, 45a is arranged on the side surface of the piezoelectric element 3. Similarly, the external positive electrode 5 made of a conductive metal material for electrically connecting the respective electrode extraction portions 45b, 45b, 45b of the piezoelectric sheets 40b, 40d, 40f.
4b, an external positive electrode 5 made of a conductive metal material for electrically connecting the respective electrode extraction portions 45c, 45c, 45c of the piezoelectric sheets 40b, 40d, 40f.
4c are arranged on the side surfaces of the piezoelectric element 3, respectively. In addition,
These external electrodes are formed by directly printing or applying a metal material on the side surfaces of the active layer 38 and the constraining layer 70.
Separately, electrodes may be formed on a metal plate and connected by abutment, or wires may be connected by soldering,
Various configurations are possible.

【0031】ここで、ダミー電極については、拘束層7
0のセラミックス層71の駆動変形には寄与しないの
で、駆動電圧を印加する必要がない。しかしながら、ダ
ミー電極を電気的に極性を持たない絶縁状態にしておい
ても、活性層38の最上層の共通電極42との間で電位
差が生じ、静電容量を発生することがある。この電流は
小さいので、セラミックス層71の駆動変形に寄与する
ものではないが、電力損失をもたらすので、特に電源に
電池を用いた場合に使用時間が短くなるという不利益が
ある。そこで、拘束層70においてダミー電極が活性層
38に形成された共通電極42に電気的に接続してい
る。そうすれば、拘束層70のダミー電極と活性層38
の最上層の共通電極42との間に電位差が生じず、不要
な静電容量の発生を防ぐことができるものである。
Here, regarding the dummy electrode, the constraining layer 7
Since it does not contribute to the driving deformation of the ceramic layer 71 of 0, there is no need to apply a driving voltage. However, even when the dummy electrode is in an electrically non-polarized insulating state, a potential difference may be generated between the dummy electrode and the common electrode 42 on the uppermost layer of the active layer 38, thereby generating a capacitance. Since this current is small, it does not contribute to the driving deformation of the ceramics layer 71, but causes a power loss, so that there is a disadvantage that the use time is shortened particularly when a battery is used as a power supply. Therefore, in the constraining layer 70, the dummy electrode is electrically connected to the common electrode 42 formed on the active layer 38. Then, the dummy electrode of the constraining layer 70 and the active layer 38
No potential difference is generated between the common electrode 42 and the uppermost layer and unnecessary capacitance can be prevented from being generated.

【0032】上記のように構成された圧電素子のブロッ
クを130℃程度のシリコンオイル等の絶縁オイルが満
たされた図示しないオイルバスの中に浸し、その外部負
電極52と外部正電極54a〜54cとの間に2.5k
v/mm程度の電界を印加し、活性層38の各圧電シー
ト40に分極処理を施す。これにより、公知のように各
圧電シートの圧電活性部46a、46b、46cが電歪
特性をもつことになる。
The block of the piezoelectric element constructed as described above is immersed in an oil bath (not shown) filled with an insulating oil such as silicone oil at about 130 ° C., and its external negative electrode 52 and external positive electrodes 54a to 54c. 2.5k between
An electric field of about v / mm is applied to perform polarization processing on each piezoelectric sheet 40 of the active layer 38. As a result, the piezoelectric active portions 46a, 46b, 46c of each piezoelectric sheet have electrostrictive characteristics as is well known.

【0033】また、図2に示すように、外部負電極52
aは、図示しないコードでアースされてグランド電位と
される。また、外部正電極54aは、開閉スイッチ62
aを介し駆動電源60の正極に図示しないコードで接続
される。同様に、外部正電極54bは、開閉スイッチ6
2bを介し駆動電源60の正極に図示しないコードで接
続される。そして、外部正電極54cは、開閉スイッチ
62cを介し駆動電源60の正極に図示しないコードで
接続される。なお、駆動電源63の負極は、アースすな
わちグランド電位とされる。
Further, as shown in FIG.
a is grounded by a cord (not shown) and is set to the ground potential. The external positive electrode 54a is provided with an open / close switch 62.
A is connected to the positive electrode of the drive power supply 60 via a. Similarly, the external positive electrode 54b is connected to the open / close switch 6
It is connected to the positive electrode of the drive power supply 60 via a cable (not shown) via 2b. The external positive electrode 54c is connected to the positive electrode of the drive power supply 60 via an open / close switch 62c with a cord (not shown). Note that the negative electrode of the driving power supply 63 is set to the ground, that is, the ground potential.

【0034】このようにして得られた圧電素子3を、キ
ャビティプレート30に図6に示すように接着して組み
付けることにより、ヘッド15が構成される。
The head 15 is formed by bonding the piezoelectric element 3 thus obtained to the cavity plate 30 as shown in FIG.

【0035】ここで、圧電素子3の変形例について説明
する。図8は、圧電素子3の変形例である圧電素子20
3を示す図である。なお、圧電素子3と同一の構成の部
材については同一の符号を付し、その説明を省略する。
以下の変形例についても同様である。圧電素子203
は、圧電素子3と同様、活性層238、拘束層270か
ら形成される。この活性層238は、4層の圧電シート
40から構成される。また、拘束層270は、ダミー共
通電極72を有するセラミックス層71のみが5層積層
されて構成され、各ダミー共通電極72は、それぞれが
アース電極にアースされている。圧電素子3の活性層3
8が図1に示すように、6層の圧電シート40から構成
されるのに対して、圧電素子203の活性層238は4
層の圧電シート40から構成されることで異なる。ま
た、圧電素子3を構成する拘束層70が図5に示すよう
に、グリーンシート50とグリーンシート51を交互に
3層積層して焼成されたものであるのに対して、圧電素
子203の拘束層270では、グリーンシート51のみ
を5層積層し焼成されて図8に示すセラミックス層71
とダミー電極72とが形成されることで異なる。圧電素
子203に示すように、活性層238や拘束層270と
して積層される圧電シート40、セラミックス層71の
数は、各種の条件により変更可能である。また、ダミー
電極として配設される電極の焼成時の収縮率が、反りを
防止する一定範囲内にあれば、拘束層70の一部または
全部をグリーンシート51のみで構成することも可能で
ある。
Here, a modified example of the piezoelectric element 3 will be described. FIG. 8 shows a piezoelectric element 20 which is a modification of the piezoelectric element 3.
FIG. Note that members having the same configuration as the piezoelectric element 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
The same applies to the following modifications. Piezoelectric element 203
Is formed from the active layer 238 and the constraining layer 270, as in the piezoelectric element 3. The active layer 238 includes four layers of the piezoelectric sheet 40. In addition, the constraining layer 270 is formed by laminating only five ceramic layers 71 each having a dummy common electrode 72, and each of the dummy common electrodes 72 is grounded to a ground electrode. Active layer 3 of piezoelectric element 3
As shown in FIG. 1, the active layer 238 of the piezoelectric element 203 has four layers.
The difference is that the piezoelectric sheet 40 is composed of layers. As shown in FIG. 5, the constraining layer 70 constituting the piezoelectric element 3 is formed by alternately laminating three green sheets 50 and green sheets 51 and firing. In the layer 270, five green sheets 51 alone are laminated and fired to form a ceramic layer 71 shown in FIG.
And the dummy electrode 72 is formed. As shown in the piezoelectric element 203, the numbers of the piezoelectric sheets 40 and the ceramic layers 71 laminated as the active layer 238 and the constraining layer 270 can be changed according to various conditions. In addition, if the shrinkage ratio of the electrode provided as a dummy electrode during firing is within a certain range for preventing warpage, a part or the entirety of the constraining layer 70 can be constituted only by the green sheet 51. .

【0036】次に、圧電素子3の別の変形例について説
明する。図9は、圧電素子3の別の変形例である圧電素
子303を示す図である。圧電素子303は、圧電素子
203と同様、活性層338が4層の圧電シート40か
ら構成される。また、拘束層370は、ダミー個別電極
73a、73b、73cを備えたグリーンシート50の
みが5層積層され焼成されて構成され、それぞれがグラ
ンド電位に接続されている。上述の圧電素子203と同
様、ダミー正電極の焼成時の収縮率が、反りを防止する
一定範囲内にあれば、拘束層370をグリーンシート5
0のみを用いて構成することも可能である。
Next, another modified example of the piezoelectric element 3 will be described. FIG. 9 is a view showing a piezoelectric element 303 which is another modified example of the piezoelectric element 3. Like the piezoelectric element 203, the piezoelectric element 303 includes the piezoelectric sheet 40 in which the active layer 338 has four layers. Further, the constraining layer 370 is formed by laminating and firing only five green sheets 50 each having the dummy individual electrode 73a, 73b, 73c, and each of them is connected to the ground potential. As in the case of the above-described piezoelectric element 203, if the shrinkage rate of the dummy positive electrode during firing is within a certain range for preventing warpage, the constraining layer 370 is replaced with the green sheet 5.
It is also possible to configure using only 0.

【0037】以上のように構成された圧電式インクジェ
ットプリンタヘッド15の圧電素子3の動作について図
1及び図2を参照して説明する。所定の印字データにし
たがって、コントローラが開閉スイッチ62a、62
b、62cのうち任意の、例えば開閉スイッチ62aを
閉じると、圧電活性部46aの範囲にある共通電極42
と個別電極44aとの間に電圧が印加され、それらの範
囲に位置する圧電シート40に電界が生じ、電歪効果に
より圧電活性部46aの圧電材料が、図1の上下方向に
伸張する。このとき、拘束層70のセラミックス層71
a、71b、71cには電界が生じないので、伸縮する
ことがない。そのため、活性層38において内部電極4
4aと42間に挟まれた圧電活性部46aがインク室3
2aに向かって変形し、そのインク室32aの容積を減
少させる。そして、インク室32a内のインクがオリフ
ィス37aから液滴39となって噴射される。なお、開
閉スイッチ62aが開いて電圧の印加が遮断され圧電活
性部46aが元の位置まで戻されると、その時インク室
32aの容積増加に伴ってインク供給装置16からイン
クが補充される。
The operation of the piezoelectric element 3 of the piezoelectric ink jet printer head 15 configured as described above will be described with reference to FIGS. In accordance with predetermined print data, the controller operates the open / close switches 62a, 62
When any one of the b and 62c, for example, the open / close switch 62a is closed, the common electrode 42 in the range of the piezoelectric active portion 46a is opened.
A voltage is applied between the electrode and the individual electrode 44a, an electric field is generated in the piezoelectric sheet 40 located in the range, and the piezoelectric material of the piezoelectric active portion 46a expands in the vertical direction in FIG. At this time, the ceramic layer 71 of the constraining layer 70
Since no electric field is generated at a, 71b and 71c, there is no expansion or contraction. Therefore, in the active layer 38, the internal electrodes 4
The piezoelectric active portion 46a sandwiched between the ink chambers 3a and 4a
2a, reducing the volume of the ink chamber 32a. Then, the ink in the ink chamber 32a is ejected as droplets 39 from the orifice 37a. When the open / close switch 62a is opened and the application of the voltage is interrupted and the piezoelectric active portion 46a is returned to the original position, the ink is replenished from the ink supply device 16 with the increase in the volume of the ink chamber 32a.

【0038】この活性層38の圧電活性部46aにおけ
る変形は、もし拘束層70がなかったとしたら、上下に
等しく生じる。一方、本実施の形態のように拘束層70
が設けられている場合は、圧電活性部46aにおいて生
じた変形は、主に拘束層70の反対側であるインク室3
2a側を変形させる。したがって、圧電活性部46aに
おいて生じた変形量が同じであれば、拘束層70を有さ
ない構造に比較して、拘束層70を備えた圧電素子3の
方がインク室32a側の変形を大きくすることができ、
インクの噴射量を多くすることができる。つまり、同じ
電圧を印加しても、拘束層70を備えたことで、インク
の噴射量を多くできる。言い換えれば、所定量のインク
を噴射させたい場合、印加する電圧を小さくできるの
で、小電力化を図ることができる。
The deformation of the active layer 38 in the piezoelectric active portion 46a occurs equally up and down if the constraining layer 70 is not provided. On the other hand, the constraining layer 70
Is provided, the deformation generated in the piezoelectric active portion 46a is mainly caused by the ink chamber 3 which is on the opposite side of the constraint layer 70.
2a side is deformed. Therefore, when the deformation amount generated in the piezoelectric active portion 46a is the same, the deformation of the ink chamber 32a side is larger in the piezoelectric element 3 having the constraining layer 70 than in the structure without the constraining layer 70. Can be
The ink ejection amount can be increased. That is, even if the same voltage is applied, the ink ejection amount can be increased by providing the constraining layer 70. In other words, when it is desired to eject a predetermined amount of ink, the applied voltage can be reduced, so that the power consumption can be reduced.

【0039】また、本実施の形態においては、上述した
ように、前記電極等が印刷された圧電シート40及びセ
ラミックス層71となるグリーンシート50、51は、
その厚さが、5μm〜40μmに設定されているため、
良好な圧電特性が得られ、且つ、活性層38において十
分な変位を得ることができる。このグリーンシートの厚
さと、圧電特性及び活性層の変位との関係を図3を用い
て説明する。
In this embodiment, as described above, the piezoelectric sheets 40 on which the electrodes and the like are printed and the green sheets 50 and 51 serving as the ceramic layers 71 are
Since its thickness is set to 5 μm to 40 μm,
Good piezoelectric characteristics can be obtained, and sufficient displacement can be obtained in the active layer 38. The relationship between the thickness of the green sheet and the piezoelectric characteristics and the displacement of the active layer will be described with reference to FIG.

【0040】図3は、セラミックス層の一層の膜厚と、
圧電定数及び変位量との関係を示すグラフである。図3
に示すように、セラミックス層の一層の膜厚が15μm
以上の場合には、圧電定数d33は、600(×10
−12m/V)以上となり、良好な特性が得られること
が判る。
FIG. 3 shows the thickness of one ceramic layer,
4 is a graph showing a relationship between a piezoelectric constant and a displacement amount. FIG.
As shown in FIG.
In the case of above, the piezoelectric constant d 33 is 600 (× 10
−12 m / V) or more, indicating that good characteristics can be obtained.

【0041】しかし、セラミックス層の一層の膜厚が5
μm未満の場合には、圧電定数d は、450(×1
−12m/V)未満となり、十分な特性が得られない
ことが判る。これは、膜厚が5μm未満の場合には、電
極中のAgが、焼成時に拡散し過ぎるため、上記のよう
に十分な圧電特性が得られないものと考えられる。そこ
で、本実施の形態においては、セラミックス層の一層の
膜厚を、5μm以上、好ましくは、15μm以上となる
ように構成した。したがって、本実施の形態において
は、活性層38において十分な圧電特性を得ることがで
きる。
However, the thickness of one ceramic layer is 5
If it is less than μm, the piezoelectric constant d 3 3 is 450 (× 1
0-12 m / V), which indicates that sufficient characteristics cannot be obtained. It is considered that when the film thickness is less than 5 μm, Ag in the electrode is excessively diffused at the time of firing, so that sufficient piezoelectric characteristics cannot be obtained as described above. Therefore, in the present embodiment, the thickness of one layer of the ceramic layer is set to 5 μm or more, preferably 15 μm or more. Therefore, in the present embodiment, sufficient piezoelectric characteristics can be obtained in active layer 38.

【0042】一方、図3に示すように、セラミックス層
の一層の膜厚が、30μm以下の場合には、活性層38
において20nm以上の変位量が得られることが判る。
なお、図3に示す変位量は、活性層38のうち5層のセ
ラミックス層に20Vの電圧を印加した場合の変位量を
示すものである。しかしながら、セラミックス層の一層
の膜厚が、40μmを超えると、活性層38において1
3nm以下の変位量となってしまい、十部な変位が得ら
れないことが判る。
On the other hand, as shown in FIG. 3, when the thickness of one of the ceramic layers is
It can be seen that a displacement of 20 nm or more can be obtained in the above.
The displacement shown in FIG. 3 indicates the displacement when a voltage of 20 V is applied to five ceramic layers of the active layer 38. However, when the thickness of one ceramic layer exceeds 40 μm, the active layer 38
It can be seen that the displacement amount is 3 nm or less, and a sufficient displacement cannot be obtained.

【0043】これは、セラミックス層の一層の膜厚が、
40μmを超える場合には、圧電活性部の周囲における
圧電不活性部の拘束の影響が大きなものとなり、圧電活
性部において十分な変位が得られなくなるものと考えら
れる。
This is because the thickness of one of the ceramic layers is
If the thickness exceeds 40 μm, it is considered that the effect of the constraint of the piezoelectric inactive portion around the piezoelectric active portion becomes large, and a sufficient displacement cannot be obtained in the piezoelectric active portion.

【0044】そこで、本実施の形態においては、セラミ
ックス層の一層の膜厚を、40μm以下、好ましくは、
30μm以下となるように構成した。その結果、本実施
の形態の活性層38においては、十分な変位量を得るこ
とが出来る。
Therefore, in this embodiment, the thickness of one ceramic layer is set to 40 μm or less, preferably,
It was configured to be 30 μm or less. As a result, in the active layer 38 of the present embodiment, a sufficient displacement can be obtained.

【0045】また、本実施の形態においては、上述した
ように、Ag−Pd系の金属材料から成る共通電極42
と個別電極44a〜44cは、厚さが0.7μm〜5μ
m、好ましくは1μm〜3μmに設定されているため、
電極が細くなり過ぎたり、あるいは電極が切れてしまう
という問題が発生せず、また、内部電極の存在する部位
と存在しない部位との圧電素子の厚さの差が少なく、積
層界面での剥離が生じ難くなっている。この電極の厚さ
と、電極の厚さ及び積層界面での剥離との関係を図4を
用いて説明する。
In the present embodiment, as described above, the common electrode 42 made of an Ag-Pd-based metal material is used.
And the individual electrodes 44a to 44c have a thickness of 0.7 μm to 5 μm.
m, preferably 1 μm to 3 μm,
There is no problem that the electrode becomes too thin or the electrode breaks, and the difference in the thickness of the piezoelectric element between the part where the internal electrode exists and the part where the internal electrode does not exist is small. Less likely to occur. The relationship between the thickness of the electrode, the thickness of the electrode, and the separation at the lamination interface will be described with reference to FIG.

【0046】図4は、内部電極の膜厚と、静電容量及び
積層界面での剥離との関係を示すグラフである。図4に
示すように、内部電極の膜厚が1μm以上の場合には、
1600pFの静電容量が得られ、十分な厚さの電極が
形成されることが判る。しかし、内部電極の膜厚が0.
7μm未満の場合には、静電容量は1500pF未満と
なり、電極が細くなっていることが判る。さらに、内部
電極の膜厚が0.5μm以下の場合には、静電容量は5
00pF未満となり、電極切れが発生することが判る。
これは、内部電極の膜厚が0.7μm未満の場合には、
焼成時に電極中のAgが拡散してしまうために、電極が
細くなり過ぎたり、あるいは電極切れが生じるものと考
えられる。そこで、本実施の形態においては、内部電極
の膜厚を、0.7μm以上、好ましくは、1μm以上と
なるように構成した。したがって、本実施の形態におい
ては、共通電極42と個別電極44a〜44cにおいて
十分な厚さの電極を形成することができる。
FIG. 4 is a graph showing the relationship between the thickness of the internal electrode, the capacitance, and the separation at the lamination interface. As shown in FIG. 4, when the thickness of the internal electrode is 1 μm or more,
It can be seen that a capacitance of 1600 pF was obtained and an electrode having a sufficient thickness was formed. However, when the film thickness of the internal electrode is less than 0.
When it is less than 7 μm, the capacitance is less than 1500 pF, and it can be seen that the electrode is thin. Further, when the thickness of the internal electrode is 0.5 μm or less, the capacitance is 5
It is less than 00 pF, and it can be seen that electrode breakage occurs.
This is because when the thickness of the internal electrode is less than 0.7 μm,
It is considered that since the Ag in the electrode diffuses during firing, the electrode becomes too thin or the electrode breaks. Therefore, in the present embodiment, the thickness of the internal electrode is configured to be 0.7 μm or more, preferably 1 μm or more. Therefore, in the present embodiment, an electrode having a sufficient thickness can be formed by the common electrode 42 and the individual electrodes 44a to 44c.

【0047】一方、図4に示すように、内部電極の膜厚
が5μmを超える場合には、内部電極の存在しない部位
の積層界面での剥離が多発することが判る。これは、内
部電極の膜厚が5μmを超える場合には、内部電極の存
在する部位と、内部電極が存在しない部位との、圧電素
子3の厚さの差が大きくなり過ぎるためであると考えら
れる。そこで、本実施の形態においては、内部電極の膜
厚が、5μm以下、好ましくは3μm以下となるように
構成した。その結果、積層界面での剥離を防止すること
が出来る。
On the other hand, as shown in FIG. 4, when the thickness of the internal electrode exceeds 5 μm, it can be seen that peeling frequently occurs at the lamination interface at a portion where the internal electrode does not exist. This is because when the thickness of the internal electrode exceeds 5 μm, the difference in thickness of the piezoelectric element 3 between the portion where the internal electrode exists and the portion where the internal electrode does not exist becomes too large. Can be Therefore, in the present embodiment, the thickness of the internal electrode is configured to be 5 μm or less, preferably 3 μm or less. As a result, separation at the lamination interface can be prevented.

【0048】さらに、圧電シートに形成される個別電極
44a〜44cの幅は、隣接するインク室間のピッチに
影響され、さらにはインク室の幅により決定される。こ
の個別電極の幅はインク室の幅の40%〜70%で形成
されることが望ましい。40%よりも狭い場合には、イ
ンク室の容積に対して十分な圧力変化が得られずに、イ
ンク液滴の噴射状況にばらつきが生じやすい。逆に、7
0%よりも広い場合には、インク室間の隔壁34aとの
間隔が狭くなって圧電セラミックスの変位が拘束され、
圧力の増加に寄与しないのみならず、場合によっては、
隣接するインク室の圧力変化に影響を及ぼす(クロスト
ーク)おそれがある。
Further, the width of the individual electrodes 44a to 44c formed on the piezoelectric sheet is affected by the pitch between adjacent ink chambers, and is determined by the width of the ink chamber. It is desirable that the width of the individual electrode is 40% to 70% of the width of the ink chamber. If it is smaller than 40%, a sufficient pressure change with respect to the volume of the ink chamber cannot be obtained, and the ejection state of the ink droplets tends to vary. Conversely, 7
If it is larger than 0%, the distance between the ink chambers and the partition wall 34a becomes narrow, and the displacement of the piezoelectric ceramics is restrained.
Not only do not contribute to the increase in pressure, but in some cases,
There is a possibility that a change in pressure of an adjacent ink chamber is affected (crosstalk).

【0049】また、ヘッド設計という観点からは、高集
積化と生産性とのバランスから、隣接するインク室間の
ピッチ(ヘッド解像度)は、85μm(300dpi)
〜847μm(30dpi)、好ましくは169μm
(150dpi)〜508μm(50dpi)で設計さ
れることが望ましい。85μm以下の狭ピッチでは、隔
壁34aの幅が10〜20μm程度となり、生産上、圧
電素子との十分な接着部が確保できなくなる。逆に、8
47μm以上の広ピッチでは、必要な印字品質を得るた
めの走査回数が多大になり、印字装置としての性能を確
保できなくなる。
Further, from the viewpoint of head design, the pitch between adjacent ink chambers (head resolution) is 85 μm (300 dpi) in view of the balance between high integration and productivity.
8847 μm (30 dpi), preferably 169 μm
(150 dpi) to 508 μm (50 dpi). At a narrow pitch of 85 μm or less, the width of the partition wall 34a becomes about 10 to 20 μm, and it becomes impossible to secure a sufficient bonding portion with the piezoelectric element in production. Conversely, 8
At a wide pitch of 47 μm or more, the number of scans to obtain the required print quality becomes large, and the performance as a printing device cannot be secured.

【0050】このヘッド解像度をもとにして、インク室
間の隔壁34aの幅や圧力の発生効率などを考慮して、
性能上および生産上、効率のよいヘッドを設計すると、
個別電極の幅は、50μm〜500μm、好ましくは8
0μm〜200μmであることが必要となる。加えて、
電極(この場合、Ag−Pd系の金属材料)を圧電シー
トに形成する際には、通常、金属材料とバインダーや溶
剤と混練してペースト状にし、スクリーン印刷などの手
法を用いて形成することになるが、このような印刷手法
においては、50μm以下の幅で安定して形成すること
は極めて難しく、好ましくは80μm以上の幅で設計す
ることが望ましい。
Based on the head resolution, the width of the partition wall 34a between the ink chambers, the pressure generation efficiency, and the like are taken into consideration.
When designing an efficient head for performance and production,
The width of the individual electrode is 50 μm to 500 μm, preferably 8 μm.
It needs to be 0 μm to 200 μm. in addition,
When an electrode (in this case, an Ag-Pd-based metal material) is formed on a piezoelectric sheet, it is usually formed by kneading the metal material with a binder or a solvent to form a paste, and using a method such as screen printing. However, in such a printing method, it is extremely difficult to stably form a sheet with a width of 50 μm or less, and it is desirable to design the sheet with a width of 80 μm or more.

【0051】以上のように、本実施の形態においては、
セラミックス層の一層の膜厚を5μm〜40μm、好ま
しくは、15μm〜30μmとなるように構成したの
で、活性層38において良好な圧電特性及び変位量が得
られ、各インク室における噴射特性も安定したものとな
り、各インク室毎の噴射特性のばらつきを防止すること
ができる。また、内部電極の膜厚を、0.7μm〜5μ
m、好ましくは1μm〜3μmとなるように構成したの
で、電極層が原因となる物理的不具合を防止して、本来
の圧電材料特性を得ることができる。
As described above, in the present embodiment,
Since the thickness of one layer of the ceramic layer is configured to be 5 μm to 40 μm, preferably 15 μm to 30 μm, good piezoelectric characteristics and displacement can be obtained in the active layer 38 and the ejection characteristics in each ink chamber are also stable. Thus, it is possible to prevent a variation in the ejection characteristics of each ink chamber. Further, the thickness of the internal electrode is set to 0.7 μm to 5 μm.
m, preferably 1 μm to 3 μm, it is possible to prevent physical defects caused by the electrode layer and obtain the original piezoelectric material characteristics.

【0052】なお、上述した実施の形態は、伸張モード
で動作する圧電素子に本発明を適用した例について説明
したが、本発明はこのような構成に限定されるものでは
なく、ユニモルフモード、バイモルフモード、あるいは
シェアモードのいずれのモードの圧電素子にも適用可能
である。
In the above-described embodiment, an example has been described in which the present invention is applied to a piezoelectric element that operates in the extension mode. However, the present invention is not limited to such a configuration, and the present invention is not limited to such a configuration. The present invention can be applied to a piezoelectric element in either the mode or the share mode.

【0053】[0053]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、複数枚積
層された焼結体を構成する各圧電シートは、その厚さ
が、5μm〜40μm好ましくは15μm〜30μmに
設定されているので、焼成時において電極の金属が拡散
し過ぎることがなく、良好な圧電特性を保つ。また、活
性部位の周囲における圧電不活性部の拘束の影響が強過
ぎることがなく、活性部位の十分な変位が得られ、優れ
たインク液滴の噴射性能を発揮することができる。
As described above, according to the present invention, the thickness of each piezoelectric sheet constituting a plurality of laminated sintered bodies is set to 5 μm to 40 μm, preferably 15 μm to 30 μm. In addition, during firing, the metal of the electrode is not excessively diffused, and good piezoelectric characteristics are maintained. In addition, the influence of the constraint of the piezoelectric inactive portion around the active site is not too strong, sufficient displacement of the active site can be obtained, and excellent ink droplet ejection performance can be exhibited.

【0054】また、前記電極の厚さが0.7μm〜5μ
mで、幅が50μm〜500μm、さらに好ましくは厚
さが1μm〜3μmで、幅が80μm〜200μmであ
ることで、電極の有無の差に基づく圧電素子の厚さの差
が大きくなり過ぎることがなく、電極が存在しない部位
における積層界面の剥離を確実に防止することができ、
さらに性能上および生産上、効率のよいインクジェット
ヘッドをつくることができる。
The thickness of the electrode is 0.7 μm to 5 μm.
m, the width is 50 μm to 500 μm, more preferably the thickness is 1 μm to 3 μm, and the width is 80 μm to 200 μm, so that the difference in the thickness of the piezoelectric element based on the difference in the presence or absence of the electrodes can be too large. Without, it is possible to reliably prevent peeling of the lamination interface at a portion where no electrode is present,
Further, an efficient ink jet head can be manufactured in terms of performance and production.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の一実施の形態における圧電式インクジ
ェットプリンタヘッドの要部断面図である。
FIG. 1 is a sectional view of a main part of a piezoelectric ink jet printer head according to an embodiment of the present invention.

【図2】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子の電気的な接続を示す図である。
FIG. 2 is a diagram showing an electrical connection of a piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG.

【図3】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子におけるセラミックス層の一層の膜厚
と、圧電定数及び変位量との関係を示す図である。
3 is a diagram showing a relationship between the thickness of one ceramic layer in a piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG. 1, and a piezoelectric constant and a displacement amount.

【図4】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子における内部電極の膜厚と、静電容量及
び積層界面での剥離との関係を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the film thickness of an internal electrode in a piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG. 1, the capacitance, and the separation at the lamination interface.

【図5】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子における活性層及び拘束層の構造を示す
分解斜視図である。
FIG. 5 is an exploded perspective view showing a structure of an active layer and a constraining layer in a piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG.

【図6】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドの
要部を示す分解斜視図である。
FIG. 6 is an exploded perspective view showing a main part of the piezoelectric inkjet printer head of FIG. 1;

【図7】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドが
用いられるインクジェットプリンタの要部を示す斜視図
である。
FIG. 7 is a perspective view showing a main part of an ink jet printer using the piezoelectric ink jet printer head of FIG. 1;

【図8】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子の変形例を示す断面図である。
FIG. 8 is a sectional view showing a modification of the piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG.

【図9】図1の圧電式インクジェットプリンタヘッドに
おける圧電素子の他の変形例を示す断面図である。
FIG. 9 is a sectional view showing another modification of the piezoelectric element in the piezoelectric ink jet printer head of FIG. 1;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 インクジェットプリンタ 3、203、303 圧電素子 30 キャビティプレート 32、32a、32b、32c インク室 34 インク室本体 36 オリフィスプレート 37、37a、37b、37c オリフィス 38 活性層 40 圧電シート 42 電極 44、44a、44b、44c 個別電極 46、46a、46b、46c 圧電活性部 48 圧電不活性部 50、51 グリーンシート 70 拘束層 71、71a、71b、71c セラミックス層 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Ink-jet printer 3, 203, 303 Piezoelectric element 30 Cavity plate 32, 32a, 32b, 32c Ink chamber 34 Ink chamber main body 36 Orifice plate 37, 37a, 37b, 37c Orifice 38 Active layer 40 Piezoelectric sheet 42 Electrode 44, 44a, 44b , 44c Individual electrodes 46, 46a, 46b, 46c Piezoelectric active part 48 Piezoelectric inactive part 50, 51 Green sheet 70 Constraining layer 71, 71a, 71b, 71c Ceramic layer

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 複数のインク噴射用オリフィスとそれぞ
れのオリフィスに連通する複数のインク室とを有するキ
ャビティプレートと、 前記複数のインク室に対応する位置に形成された複数の
電極を備える圧電シートを複数枚、積層して焼結し一体
に形成されたプレート型の圧電素子とを備え、該圧電素
子が、前記キャビティプレートに、前記複数のインク室
を覆って取り付けられ、 前記複数の圧電シートは、それぞれの厚さが、5μm〜
40μmに設定されていることを特徴とするインクジェ
ットプリンタヘッド。
A cavity plate having a plurality of ink ejection orifices and a plurality of ink chambers communicating with the respective orifices; and a piezoelectric sheet having a plurality of electrodes formed at positions corresponding to the plurality of ink chambers. A plurality of sheets, a plate-type piezoelectric element integrally formed by sintering and laminating, and the piezoelectric element is attached to the cavity plate so as to cover the plurality of ink chambers; , Each thickness is 5 μm ~
An ink jet printer head, which is set to 40 μm.
【請求項2】 前記複数の圧電シートは、それぞれの厚
さが、15μm〜30μmに設定されていることを特徴
とする請求項1に記載のインクジェットプリンタヘッ
ド。
2. The ink jet printer head according to claim 1, wherein each of the plurality of piezoelectric sheets has a thickness of 15 μm to 30 μm.
【請求項3】 前記電極は厚さが0.7μm〜5μmに
設定されていることを特徴とする請求項1または2に記
載のインクジェットプリンタヘッド。
3. The ink jet printer head according to claim 1, wherein said electrode has a thickness of 0.7 μm to 5 μm.
【請求項4】 前記電極は、前記各インク室と対向する
位置に形成された複数の個別電極と、前記複数のインク
室にわたって形成された共通電極とからなり、前記各個
別電極の幅が50μm〜500μmに設定されているこ
とを特徴とする請求項3に記載のインクジェットプリン
タヘッド。
4. The electrode comprises a plurality of individual electrodes formed at positions facing the respective ink chambers, and a common electrode formed over the plurality of ink chambers, wherein the width of each individual electrode is 50 μm. 4. The ink jet printer head according to claim 3, wherein the thickness is set to about 500 [mu] m.
【請求項5】 前記電極は厚さが1μm〜3μmに設定
されていることを特徴とする請求項3記載のインクジェ
ットプリンタヘッド。
5. The ink jet printer head according to claim 3, wherein said electrode has a thickness of 1 μm to 3 μm.
【請求項6】 前記電極は、前記各インク室と対向する
位置に形成された複数の個別電極と、前記複数のインク
室にわたって形成された共通電極とからなり、前記各個
別電極の幅が80μm〜200μmに設定されているこ
とを特徴とする請求項5に記載のインクジェットプリン
タヘッド。
6. The electrode comprises a plurality of individual electrodes formed at positions facing the respective ink chambers, and a common electrode formed over the plurality of ink chambers, wherein the width of each of the individual electrodes is 80 μm. The ink jet printer head according to claim 5, wherein the thickness is set to ~ 200 m.
【請求項7】 複数のオリフィスとそれぞれのオリフィ
スに連通する複数のインク室とを有するキャビティプレ
ートに、前記複数のインク室を覆って取り付けられるプ
レート型の圧電素子であって、 前記各インク室と対向する位置に複数の個別電極を備え
る圧電シートと、前記複数のインク室にわたって形成さ
れた共通電極を備える圧電シートとを複数枚、交互に積
層して焼結し一体に形成され、 前記複数の圧電シートのそれぞれの厚さが、5μm〜4
0μmに設定されていることを特徴とする圧電素子。
7. A plate-type piezoelectric element mounted on a cavity plate having a plurality of orifices and a plurality of ink chambers communicating with the respective orifices so as to cover the plurality of ink chambers. A plurality of piezoelectric sheets having a plurality of individual electrodes at opposing positions and a plurality of piezoelectric sheets having a common electrode formed over the plurality of ink chambers are alternately stacked and sintered to be integrally formed, The thickness of each piezoelectric sheet is 5 μm to 4 μm.
A piezoelectric element characterized by being set to 0 μm.
【請求項8】 前記複数の圧電シートのそれぞれの厚さ
が、15μm〜30μmに設定されていることを特徴と
する請求項7に記載の圧電素子。
8. The piezoelectric element according to claim 7, wherein the thickness of each of the plurality of piezoelectric sheets is set to 15 μm to 30 μm.
【請求項9】 前記電極の厚さが0.7μm〜5μmに
設定されていることを特徴とする請求項7または8に記
載の圧電素子。
9. The piezoelectric element according to claim 7, wherein the thickness of the electrode is set to 0.7 μm to 5 μm.
【請求項10】 前記電極は厚さが1μm以上3μm以
下に設定されていることを特徴とする請求項9記載の圧
電素子。
10. The piezoelectric element according to claim 9, wherein said electrode has a thickness of 1 μm or more and 3 μm or less.
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