JP2006015764A

JP2006015764A - Inkjet head

Info

Publication number: JP2006015764A
Application number: JP2005283463A
Authority: JP
Inventors: Atsuo Sakaida; 惇夫坂井田
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2005-09-29
Filing date: 2005-09-29
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2016-08-19
Also published as: JP4207228B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an inkjet head at a low cost capable of maintaining highly efficient deformation by greatly deforming as an entirety of piezoelectric body by the cooperation of a shear mode deformation of piezoelectric layers and an expansion and contraction mode of outside piezoelectric layers even when the thickness of the piezoelectric layers is enlarged and preventing the loss of the developed pressure by increasing the stiffness of an ink pressure chamber. <P>SOLUTION: The inkjet head is constructed as follows. It deforms to a shear mode on both sides of a piezoelectric ceramic layer 23 by generating an electric field perpendicular to the polarization direction based on a driving voltage applied to respective first electrodes 26 from a driving power supply V when a switch S is turned on. Simultaneously, an electric field is generated parallel to the polarization direction of the outside piezoelectric ceramic layer 24 so as to deform the layer 24 to an expansion and contraction mode in a uniform manner. Thereby, as the capacity of the ink pressure chamber 21 declines so that the ink within the ink pressure chamber 21 is ejected from an ink ejection port onto print paper allowing letters and the like to be printed thereon. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面を閉塞するように圧電層を固定し、その圧電層に設けられた所定の電極に駆動電圧を印加して圧電層を変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するインクジェットヘッドに関し、特に、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくすることが可能であり、また、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なインクジェットヘッドに関するものである。 In the present invention, a piezoelectric layer is fixed so as to close an open surface of an ink pressure chamber formed in a cavity plate, and a driving voltage is applied to a predetermined electrode provided on the piezoelectric layer to deform the piezoelectric layer. In particular, an ink jet head that ejects ink from an ink ejection port uses a piezoelectric body in which a piezoelectric layer polarized in the layer thickness direction and an outer piezoelectric layer are stacked, and the polarization direction of the piezoelectric layer when a driving voltage is applied The piezoelectric layer is deformed in the shear mode by generating an electric field orthogonal to the piezoelectric layer, and the electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer is generated to deform the outer piezoelectric layer in the expansion / contraction mode. It is possible to increase the deformation of the entire piezoelectric body based on the cooperation between the mode deformation and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric layer, and the pressure generated by increasing the rigidity of the ink pressure chamber. It relates an inkjet head capable of reducing the loss.

従来、インクジェットプリンタに搭載されるインクジェットヘッドの構成については各種の構成が提案されており、その一例として、キャビティプレートに形成されたインク圧力室の開放面に固定された圧電素子の駆動電極に対して駆動パルスを印加し、圧電素子にシェアモード変形を発生させてインク圧力室の容積を変化させことによりインク吐出口からインク滴を吐出するように構成したインクジェットヘッドが知られている。 Conventionally, various configurations have been proposed for the configuration of an inkjet head mounted on an inkjet printer. As an example, for the drive electrode of a piezoelectric element fixed to the open surface of an ink pressure chamber formed on a cavity plate. Ink jet heads configured to eject ink droplets from ink ejection ports by applying a drive pulse and generating shear mode deformation in a piezoelectric element to change the volume of an ink pressure chamber are known.

例えば、米国特許第４８２５２２７号の明細書及び図面には、チャンバプレートと固定プレートとからインク圧力室を構成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、圧電層の一面（上面）にてインク圧力室の周縁部に２つの電極及び圧電層の他面（下面）の全面に共通電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がインク圧力室の中央部から圧電層面に沿って平行に分極されており、２つの電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。 For example, in the specification and drawings of U.S. Pat. No. 4,825,227, an ink pressure chamber is constituted by a chamber plate and a fixed plate, and a single layer piezoelectric layer is fixed to the open surface (upper surface) side of the ink pressure chamber. In addition, there is described an ink jet head in which two electrodes and a common electrode are formed on the entire surface of the other surface (lower surface) of the piezoelectric layer on the peripheral surface of the ink pressure chamber on one surface (upper surface) of the piezoelectric layer. In such an ink jet head, the piezoelectric layer is polarized in parallel along the surface of the piezoelectric layer from the center of the ink pressure chamber, and a piezoelectric layer is generated by applying a driving voltage to the two electrodes to generate an electric field orthogonal to the polarization direction. In this configuration, the shear mode deformation is generated, whereby the volume of the ink pressure chamber is changed to discharge the ink in the ink pressure chamber from the ink discharge port.

また、米国特許第４５８４５９０号の明細書及び図面には、本体プレートにインク圧力室を形成し、そのインク圧力室の開放面（上面）側に単層からなる圧電層を固定するとともに、インク圧力室に対応して圧電層の両面に電極及びインク圧力室から外れた周縁位置に対応して圧電層の両面に電極を形成したインクジェットヘッドが記載されている。かかるインクジェットヘッドでは、圧電層がその層厚方向に沿って分極されており、インク圧力室に対応する各電極に駆動電圧を印加して分極方向に直交する電界を発生させることにより圧電層にシェアモード変形を発生し、これによりインク圧力室の容積を変化させてインク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するように構成されている。 Further, in the specification and drawings of US Pat. No. 4,584,590, an ink pressure chamber is formed in a main body plate, a piezoelectric layer composed of a single layer is fixed to the open surface (upper surface) side of the ink pressure chamber, and ink pressure There is described an ink jet head in which electrodes are formed on both surfaces of a piezoelectric layer corresponding to the peripheral position of the electrodes and both sides of the piezoelectric layer that are out of the ink pressure chamber corresponding to the chamber. In such an ink jet head, the piezoelectric layer is polarized along the layer thickness direction, and the piezoelectric layer is shared by applying a driving voltage to each electrode corresponding to the ink pressure chamber to generate an electric field orthogonal to the polarization direction. Mode deformation is generated, whereby the volume of the ink pressure chamber is changed, and the ink in the ink pressure chamber is discharged from the ink discharge port.

このように、前記した２つのインクジェットヘッドでは、圧電層の分極方向が異なるものの、圧電層に離間形成された電極間に駆動電圧を印加することにより分極方向と直交する電界を発生して圧電層をシェアモード変形させることによりインク圧力室の容積を変化させてインク吐出口からインクを吐出するように構成した点、及び、圧電層として単層の圧電層を使用している点で共通する。 In this way, in the two ink jet heads described above, although the polarization direction of the piezoelectric layer is different, an electric field perpendicular to the polarization direction is generated by applying a drive voltage between the electrodes spaced apart from the piezoelectric layer, thereby generating the piezoelectric layer. This is common in that it is configured to change the volume of the ink pressure chamber by changing the volume of the ink pressure chamber to discharge ink from the ink discharge port, and to use a single piezoelectric layer as the piezoelectric layer.

更に、２層以上の圧電層を積層した積層型圧電体を使用したインクジェットヘッドも知られており、この種のインクジェットヘッドに使用される積層型圧電体は、横効果モード或いは縦効果モードを利用した、所謂、伸縮モードにて変形を行う圧電体であり、かかる圧電体とインク圧力室との間に振動板等を介在させた構成を採用している。また、積層型圧電体を使用するとともに、その積層型圧電体に駆動電圧を印加し、その分極方向と実質的に垂直な方向の電界を発生させてシェアモードにて変形させることによりインクチャンネルの容積を変化してインクを吐出するインクジェットヘッドも知られている（特開平４−１２５１５７号公報等参照）。 In addition, an ink jet head using a laminated piezoelectric material in which two or more piezoelectric layers are laminated is also known. The laminated piezoelectric material used in this type of ink jet head uses a lateral effect mode or a longitudinal effect mode. The piezoelectric body is deformed in a so-called expansion / contraction mode, and employs a configuration in which a diaphragm or the like is interposed between the piezoelectric body and the ink pressure chamber. In addition, a laminated piezoelectric material is used, and a drive voltage is applied to the laminated piezoelectric material to generate an electric field in a direction substantially perpendicular to the polarization direction of the piezoelectric material so as to deform in the shear mode. An ink jet head that discharges ink while changing its volume is also known (see Japanese Patent Laid-Open No. 4-125157).

米国特許第４８２５２２７号U.S. Pat. No. 4,825,227 米国特許第４５８４５９０号U.S. Pat. No. 4,584,590 特開平４−１２５１５７号公報JP-A-4-125157

しかしながら、前記した各米国特許第４８２５２２７号及び第４５８４５９０号の明細書、図面に記載されたインクジェットヘッドでは、前記のようにインク吐出口からインクを吐出する際に圧電層の電極に駆動電圧を印加し、圧電層の分極方向と直交する電界を発生してシェアモード変形させることによりインク吐出口からインクを吐出するものではあるが、圧電層はシェアモード変形のみによって変形駆動されるだけである。このとき、インク吐出口から効率的にインクを吐出するためには、駆動電圧に対する圧電層の変形効率を向上する必要があるが、かかる圧電層の変形効率は、その厚さが薄ければ薄い程高くなる。このような圧電層の変形効率を勘案すれば、前記インクジェットヘッドでは、シェアモード変形のみによって変形駆動されるだけであるので、圧電層の厚さを大きくするには自ずと限界が存する。従って、圧電層自体がインク圧力室の一壁を構成しており、また、圧電層の変形効率を一定以上に保持するためには所定の厚さ以上に厚くすることができないことから、圧電層の強度が低下してしまってインク吐出時に撓んでしまい、この結果、インク圧力室内に発生する圧力の低下を招来するという問題がある。 However, in the inkjet head described in the specifications and drawings of each of the aforementioned US Pat. Nos. 4,825,227 and 4,584,590, a drive voltage is applied to the electrodes of the piezoelectric layer when ink is ejected from the ink ejection port as described above. Although the ink is ejected from the ink ejection port by generating an electric field orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric layer and deforming the shear mode, the piezoelectric layer is only driven to be deformed only by the shear mode deformation. At this time, in order to efficiently eject ink from the ink ejection port, it is necessary to improve the deformation efficiency of the piezoelectric layer with respect to the drive voltage, but the deformation efficiency of the piezoelectric layer is thin if the thickness is thin. It gets higher. Considering the deformation efficiency of the piezoelectric layer, the ink jet head is only driven to be deformed only by the shear mode deformation, so there is a limit to increasing the thickness of the piezoelectric layer. Therefore, the piezoelectric layer itself constitutes one wall of the ink pressure chamber, and the piezoelectric layer cannot be thicker than a predetermined thickness in order to maintain the deformation efficiency of the piezoelectric layer above a certain level. As a result, the strength of the ink is lowered and the ink is deflected when the ink is ejected. As a result, the pressure generated in the ink pressure chamber is lowered.

更に、積層型圧電体を使用するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体を伸縮モードにて変形させる関係上、積層型圧電体における伸縮変形をインク圧力室に伝達してインク吐出を行うにつき振動板等が必要され、インクジェットヘッドのコストが高くなってしまう。また、高解像度のマルチノズルヘッドを実現するにおいては、伸縮モードの積層圧電体を用いる場合、複数の前記圧電体を微小ピッチで配列する方法と、単一の前記圧電体に溝加工を微小ピッチで行う方法とが考えられるが、いずれにしても微小ピッチ化に限界があり、結局高解像度用のヘッドには不向きであった。 Furthermore, in an inkjet head that uses a laminated piezoelectric material, a diaphragm or the like is used for discharging the ink by transmitting the expansion / contraction deformation in the laminated piezoelectric material to the ink pressure chamber because of the deformation of the laminated piezoelectric material in the expansion / contraction mode. Is required, which increases the cost of the inkjet head. In order to realize a high-resolution multi-nozzle head, when using a multilayer piezoelectric body in an expansion / contraction mode, a method of arranging a plurality of piezoelectric bodies at a minute pitch, and a groove processing on a single piezoelectric body at a minute pitch However, in any case, there is a limit to the fine pitch, which is not suitable for a high resolution head.

また、積層型圧電体をシェアモードにて変形させることによりインクを吐出するインクジェットヘッドでは、積層型圧電体が複数の圧電層を有することから、電気機械変換効率は良く、駆動電圧を低減することが可能であるが、積層型圧電体はシェアモードのみにて変形されるだけであるので、積層型圧電体の変形効率の点でまだ尚充分なものとはいえない。 In addition, in an inkjet head that discharges ink by deforming a laminated piezoelectric material in a shear mode, the laminated piezoelectric material has a plurality of piezoelectric layers, so that electromechanical conversion efficiency is good and driving voltage is reduced. However, since the multilayer piezoelectric body is only deformed only in the shear mode, it cannot be said that the deformation efficiency of the multilayer piezoelectric body is still sufficient.

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and uses a piezoelectric body formed by laminating a piezoelectric layer polarized in the layer thickness direction and an outer piezoelectric layer, and is piezoelectric when a driving voltage is applied. By generating an electric field orthogonal to the polarization direction of the layer and deforming the piezoelectric layer in the shear mode, and generating an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer and deforming the outer piezoelectric layer in the expansion and contraction mode, Even when the thickness of the piezoelectric layer is increased, the deformation of the piezoelectric body as a whole can be increased based on the cooperation of the shear mode deformation of the piezoelectric layer and the expansion mode deformation of the outer piezoelectric layer, and the deformation efficiency can be kept high. An object of the present invention is to provide a low-cost inkjet head that can increase the rigidity of the ink pressure chamber and reduce the loss of generated pressure.

この目的を達成するために、請求項１記載のインクジェットヘッドは、一面が開放されたインク圧力室が形成されたキャビティプレートと、前記インク圧力室の一面を閉塞するように前記キャビティプレートに固定されるとともに前記インク圧力室に対応する位置に形成された第１電極及び前記インク圧力室の周縁位置に形成された第２電極を有し、その層厚方向に分極された圧電層と、前記第１電極及び前記第２電極がそれぞれ接続される相互に異なる極性の第１端子及び第２端子が設けられた電源とを有し、当該電源から前記第１、第２電極間に駆動電圧を印加して前記圧電層を変形させることにより前記インク圧力室内のインクをインク吐出口から吐出するインクジェットヘッドにおいて、前記圧電層の一面に積層されるとともに前記層厚方向に分極された外側圧電層と、前記外側圧電層の片面に形成され、前記電源の第２端子に接続される外側電極とを備え、前記電源から駆動電圧を印加した際に、前記圧電層にはその分極方向と直交する電界を前記第１電極及び前記第２電極の間に発生することにより当該圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、前記外側圧電層にはその分極方向と平行な電界を前記第１電極及び前記外側電極の間に発生することにより当該外側圧電層を伸縮モードにて変形させる構成を有する。 In order to achieve this object, an ink jet head according to claim 1 is fixed to the cavity plate so as to close a surface of the ink pressure chamber and a cavity plate in which an ink pressure chamber is formed. And a first electrode formed at a position corresponding to the ink pressure chamber and a second electrode formed at a peripheral position of the ink pressure chamber, and a piezoelectric layer polarized in the layer thickness direction; A power source provided with a first terminal and a second terminal having different polarities, to which one electrode and the second electrode are connected, respectively, and a driving voltage is applied between the first and second electrodes from the power source In the inkjet head that discharges ink in the ink pressure chamber from the ink discharge port by deforming the piezoelectric layer, the piezoelectric layer is laminated on one surface of the piezoelectric layer and An outer piezoelectric layer polarized in the thickness direction; and an outer electrode formed on one side of the outer piezoelectric layer and connected to the second terminal of the power source, and when the driving voltage is applied from the power source, the piezoelectric The layer is deformed in the shear mode by generating an electric field perpendicular to the polarization direction between the first electrode and the second electrode, and the outer piezoelectric layer is parallel to the polarization direction. By generating a simple electric field between the first electrode and the outer electrode, the outer piezoelectric layer is deformed in the expansion / contraction mode.

請求項１のインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と外側圧電層に隣接する圧電層の第１電極との間で、外側圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき外側圧電層は伸縮モードにて変形される。 In the ink jet head according to claim 1, during the driving, a driving voltage is applied between the first and second electrodes from the power source, whereby the piezoelectric layer has a polarization direction between the first electrode and the second electrode. The piezoelectric layer is deformed in the shear mode based on the generation of the orthogonal electric field, and between the outer electrode connected to the second terminal of the power source and the first electrode of the piezoelectric layer adjacent to the outer piezoelectric layer. The outer piezoelectric layer is deformed in the expansion / contraction mode based on the generation of an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer.

このように、圧電層をシェアモードにて変形させ、同時に、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能である。また、圧電層の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能である。 In this way, the piezoelectric layer is deformed in the shear mode, and at the same time, an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer is generated to deform the outer piezoelectric layer in the expansion / contraction mode, thereby increasing the thickness of the piezoelectric layer. Even in this case, it is possible to increase the deformation of the entire piezoelectric body based on the cooperation between the shear mode deformation of the piezoelectric layer and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric layer, and to keep the deformation efficiency high. In addition, since the deformation efficiency can be kept high even if the thickness of the piezoelectric layer is increased, the generated pressure can be increased by increasing the rigidity of the ink pressure chamber as compared with the case of using a single piezoelectric layer. Loss can be reduced.

また、請求項２に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記外側圧電層は前記圧電層の上面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項２のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の圧電層がシェアモードで変形され、また、圧電層の上面で外側圧電層が伸縮モードで変形される。これにより、圧電層には、外側圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。 An ink jet head according to a second aspect is the ink jet head according to the first aspect, wherein the outer piezoelectric layer is laminated on an upper surface of the piezoelectric layer. In the ink jet head according to the second aspect, the piezoelectric layer on the ink pressure chamber side is deformed in the shear mode, and the outer piezoelectric layer is deformed in the expansion / contraction mode on the upper surface of the piezoelectric layer. As a result, so-called bimorph deformation occurs in the piezoelectric layer based on the deformation of the outer piezoelectric layer, and the deformation amount of the entire piezoelectric body increases.

更に、請求項３に係るインクジェットヘッドは、請求項１のインクジェットヘッドにおいて、前記外側圧電層は前記圧電層の下面に積層されていることを特徴とする。かかる請求項３のインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の外側圧電層が伸縮モードで変形され、また、外側圧電層の上側で圧電層がシェアモードで変形される。この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、圧電層には、その下面の外側圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。 The ink jet head according to claim 3 is the ink jet head according to claim 1, wherein the outer piezoelectric layer is laminated on a lower surface of the piezoelectric layer. In the ink jet head according to the third aspect, the outer piezoelectric layer on the ink pressure chamber side is deformed in the expansion / contraction mode, and the piezoelectric layer is deformed in the shear mode on the upper side of the outer piezoelectric layer. In this case, as in the case of the ink jet head of the second aspect, the piezoelectric layer undergoes a so-called bimorph deformation based on the deformation of the outer piezoelectric layer on the lower surface thereof, so that the deformation amount of the entire piezoelectric body is reduced. Becomes larger.

更に、請求項４に係るインクジェットヘッドは、請求項３のインクジェットヘッドにおいて、前記外側圧電層の下面には、インク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることを特徴とする。請求項４のインクジェットヘッドでは、外側圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、外側圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、外側圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記圧電層及び外側圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。 Furthermore, an ink jet head according to a fourth aspect is the ink jet head according to the third aspect, wherein another piezoelectric layer in contact with the ink in the ink pressure chamber is provided on the lower surface of the outer piezoelectric layer. . In the ink jet head according to claim 4, since another piezoelectric layer that contacts the ink in the ink pressure chamber is provided on the lower surface of the outer piezoelectric layer, the outer electrode formed on one side of the outer piezoelectric layer directly contacts the ink. Never do. In addition, another piezoelectric layer that comes into contact with the ink acts as an insulating layer that prevents the ink from coming into contact with the outer electrode of the outer piezoelectric layer, thereby providing a special insulating layer such as an insulating film, a vibration plate, or the like. The outer electrode can be isolated from the ink in the ink pressure chamber without any further, and another piezoelectric layer acting as the insulating layer can be formed simultaneously with the manufacture of the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer. Therefore, there is no cost increase.

以上説明したことから明らかなように、請求項１記載のインクジェットヘッドでは、その駆動時に、電源から第１、第２電極間に駆動電圧が印加され、これにより第１電極と第２電極との間で、圧電層にはその分極方向と直交する電界が発生されることに基づき圧電層はシェアモードにて変形されるとともに、電源の第２端子に接続された外側電極と外側圧電層に隣接する圧電層の第１電極との間で、外側圧電層にはその分極方向と平行な電界が発生されることに基づき外側圧電層は伸縮モードにて変形される。 As is apparent from the above description, in the ink jet head according to claim 1, a driving voltage is applied between the first electrode and the second electrode from the power source at the time of driving, whereby the first electrode and the second electrode are connected. The piezoelectric layer is deformed in the shear mode based on the generation of an electric field perpendicular to the polarization direction between the outer electrode and the outer piezoelectric layer connected to the second terminal of the power source. The outer piezoelectric layer is deformed in the expansion / contraction mode based on the fact that an electric field parallel to the polarization direction is generated in the outer piezoelectric layer between the first electrode of the piezoelectric layer.

また、請求項２に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の圧電層がシェアモードで変形され、また、圧電層の上面で外側圧電層が伸縮モードで変形され、これにより、圧電層には、外側圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。 In the ink jet head according to claim 2, the piezoelectric layer on the ink pressure chamber side is deformed in the shear mode, and the outer piezoelectric layer is deformed in the expansion / contraction mode on the upper surface of the piezoelectric layer. Based on the deformation of the outer piezoelectric layer, so-called bimorph deformation occurs, and the deformation amount of the entire piezoelectric body increases.

更に、請求項３に係るインクジェットヘッドでは、インク圧力室側の外側圧電層が伸縮モードで変形され、また、外側圧電層の上側で圧電層がシェアモードで変形され、この場合において、前記請求項２のインクジェットヘッドの場合と同様、圧電層には、その下面の外側圧電層の変形に基づき、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形量が大きくなる。 Further, in the ink jet head according to claim 3, the outer piezoelectric layer on the ink pressure chamber side is deformed in the expansion / contraction mode, and the piezoelectric layer is deformed in shear mode on the upper side of the outer piezoelectric layer. As in the case of the inkjet head 2, the piezoelectric layer undergoes so-called bimorph deformation based on the deformation of the outer piezoelectric layer on the lower surface thereof, and the amount of deformation of the entire piezoelectric body increases.

また、請求項４に係るインクジェットヘッドでは、外側圧電層の下面にインク圧力室のインクと接触する別の圧電層が設けられていることから、外側圧電層の片面に形成された外側電極が直接インクと接触することはない。また、インクと接触する別の圧電層は、外側圧電層の外側電極にインクが接触することを防止する絶縁層の作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極をインク圧力室のインクから隔絶することが可能となり、また、かかる絶縁層の作用を行う別の圧電層は前記圧電層及び外側圧電層の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。 In the ink jet head according to the fourth aspect, since the other piezoelectric layer that contacts the ink in the ink pressure chamber is provided on the lower surface of the outer piezoelectric layer, the outer electrode formed on one surface of the outer piezoelectric layer is directly There is no contact with ink. In addition, another piezoelectric layer that comes into contact with the ink acts as an insulating layer that prevents the ink from coming into contact with the outer electrode of the outer piezoelectric layer, thereby providing a special insulating layer such as an insulating film, a vibration plate, or the like. The outer electrode can be isolated from the ink in the ink pressure chamber without any further, and another piezoelectric layer acting as the insulating layer can be formed simultaneously with the manufacture of the piezoelectric layer and the outer piezoelectric layer. Therefore, there is no cost increase.

以上の説明した通り本発明は、層厚方向に分極された圧電層と外側圧電層とを積層してなる圧電体を使用し、駆動電圧の印加時に圧電層の分極方向と直交する電界を発生させて圧電層をシェアモードにて変形させるとともに、外側圧電層の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、圧電層の厚さを大きくした場合においても圧電層のシェアモード変形と外側圧電層の伸縮モード変形との協働に基づいて圧電体全体としての変形を大きくして変形効率を高く保持することが可能であるとともに、インク圧力室の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることが可能なコストの低いインクジェットヘッドを提供することできる。 As described above, the present invention uses a piezoelectric body formed by laminating a piezoelectric layer polarized in the layer thickness direction and an outer piezoelectric layer, and generates an electric field orthogonal to the polarization direction of the piezoelectric layer when a driving voltage is applied. When the piezoelectric layer is deformed in the shear mode and an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer is generated to deform the outer piezoelectric layer in the expansion / contraction mode, thereby increasing the thickness of the piezoelectric layer. In addition, the deformation of the piezoelectric body as a whole can be increased based on the cooperation between the shear mode deformation of the piezoelectric layer and the expansion mode deformation of the outer piezoelectric layer, and the deformation efficiency can be kept high. It is possible to provide a low-cost inkjet head capable of reducing the loss of generated pressure by increasing the pressure.

以下、本発明に係るインクジェットヘッドについて、本発明を具体化した実施形態に基づいて図面を参照しつつ詳細に説明する。先ず、第１実施形態に係るインクジェットヘッドが搭載されるインクジェットプリンタの概略について図１に基づき説明する。図１はインクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, an ink jet head according to the invention will be described in detail with reference to the drawings based on embodiments embodying the invention. First, an outline of an ink jet printer in which the ink jet head according to the first embodiment is mounted will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a perspective view showing a main part of an ink jet printer.

図１において、一対のフレーム１（図１中、一方のフレーム１のみを示す）間には軸２を介してプラテン３が回転可能に取り付けられており、このプラテン３はモータ４により回転駆動される。プラテン３に対向して圧電式インクジェットヘッド５が配置されている。かかる圧電式インクジェットヘッド５は、インク供給装置６と共にキャリッジ７上に載置されている。キャリッジ７はプラテン３の軸線と平行に配設された２本のガイドロッド８に摺動可能に支持されており、また、キャリッジ７には一対のプーリ９に掛装されたタイミングベルト１０が結合されている。また、一方のプーリ９（図１中、右側のプーリ９）は、モータ１１の駆動軸に固定されており、従って、モータ１１を介して右側のプーリ９が回転されることに基づきタイミングベルト１０が送られてキャリッジ７がプラテン３に沿って往復動されるものである。 In FIG. 1, a platen 3 is rotatably mounted via a shaft 2 between a pair of frames 1 (only one frame 1 is shown in FIG. 1). The platen 3 is rotationally driven by a motor 4. The A piezoelectric ink jet head 5 is disposed so as to face the platen 3. The piezoelectric inkjet head 5 is placed on a carriage 7 together with an ink supply device 6. The carriage 7 is slidably supported by two guide rods 8 arranged parallel to the axis of the platen 3, and a timing belt 10 that is hooked on a pair of pulleys 9 is coupled to the carriage 7. Has been. Also, one pulley 9 (the right pulley 9 in FIG. 1) is fixed to the drive shaft of the motor 11, and therefore the timing belt 10 is based on the rotation of the right pulley 9 via the motor 11. And the carriage 7 is reciprocated along the platen 3.

次に、圧電式インクジェットヘッド５の構造について図２に基づき説明する。図２は第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクを吐出する、所謂、押し打ち方式のインクジェットヘッドである。
図２において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ２０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室２１が形成されてなるキャビティプレート２２、各インク圧力室２１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート２２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層２３、及び、圧電セラミック層２３の上面に積層された外側圧電セラミック層２４から構成されている。 Next, the structure of the piezoelectric inkjet head 5 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view showing a part of the array structure of the piezoelectric inkjet head 5 according to the first embodiment. The inkjet head 5 according to the first embodiment is a so-called push-type inkjet head that ejects ink when a drive voltage is applied.
In FIG. 2, the array 20 of the piezoelectric inkjet head 5 basically includes a cavity plate 22 formed with a plurality of ink pressure chambers 21 whose upper surfaces are opened, and upper surfaces (open surfaces) of the ink pressure chambers 21. The piezoelectric ceramic layer 23 is fixed on the cavity plate 22 with an adhesive or the like, and the outer piezoelectric ceramic layer 24 is laminated on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 23.

ここに、各インク圧力室２１はキャビティプレート２２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室２１間は区画壁２５により区画されている。 The ink pressure chambers 21 are formed by cutting the cavity plate 22 or the like, and the ink pressure chambers 21 are partitioned by partition walls 25.

圧電セラミック層２３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から形成されており、かかる圧電セラミック層２３の上面には、各インク圧力室２１に対応する位置に第１電極２６が形成されているとともに、インク圧力室２１の周縁位置にて各区画壁２５に対応して第２電極２７が形成されている。また、圧電セラミック層２３の下面には、その上面の第１電極２６及び第２電極２７に対応する位置にて、それぞれ第１電極２６、第２電極２７が形成されている。尚、圧電セラミック層２３は、外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することはない。 The piezoelectric ceramic layer 23 is formed of a piezoelectric ceramic layer having a piezoelectric / electrostrictive effect, and a first electrode 26 is formed on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 23 at a position corresponding to each ink pressure chamber 21. In addition, a second electrode 27 is formed corresponding to each partition wall 25 at the peripheral position of the ink pressure chamber 21. Further, the first electrode 26 and the second electrode 27 are formed on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 23 at positions corresponding to the first electrode 26 and the second electrode 27 on the upper surface, respectively. The piezoelectric ceramic layer 23 can be formed at the same time as the outer piezoelectric ceramic layer 24 is manufactured, so that the cost is not increased.

また、圧電セラミック層２３は、図２中矢印Ａにて示すように、その層厚方向に分極されている。圧電セラミック層２３の上下両面における各第１電極２６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極２７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。 The piezoelectric ceramic layer 23 is polarized in the layer thickness direction as indicated by an arrow A in FIG. The first electrodes 26 on the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic layer 23 are connected to the positive terminal of the driving power source V via the switch S, and the second electrodes 27 are connected to the negative side of the driving power source V, respectively. Connected to the terminal.

更に、外側圧電セラミック層２４は、圧電セラミック層２３を製造する際に同時に形成されるものであり、その上面の全体に渡って外側電極２８が設けられている。かかる外側圧電セラミック層２４は、矢印Ｂにて示すように、その層厚方向に分極されている。また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。 Further, the outer piezoelectric ceramic layer 24 is formed simultaneously with the production of the piezoelectric ceramic layer 23, and the outer electrode 28 is provided over the entire upper surface thereof. The outer piezoelectric ceramic layer 24 is polarized in the layer thickness direction as indicated by an arrow B. Further, the outer electrode 28 of the outer piezoelectric ceramic layer 24 is connected to the negative terminal of the drive power supply V.

尚、前記圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。 The manufacturing method of the piezoelectric ceramic layer 23, the outer piezoelectric ceramic layer 24, and the like, and the polarization processing method thereof are the same as the manufacturing method and the polarization processing method described in JP-A-4-125157. Therefore, detailed description of the manufacturing method and the like is omitted here.

次に、前記のように構成されたインクジェットヘッド５におけるアレイ２０の動作について図３に基づき説明する。図３は圧電セラミック層２３を変形させて印字動作を行っているアレイ２０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図２に示すように、左から２番目のインク圧力室２１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層２３、外側圧電セラミック層２４の動作につき説明することとする。 Next, the operation of the array 20 in the inkjet head 5 configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 3 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the array 20 that is performing the printing operation by deforming the piezoelectric ceramic layer 23. Here, as shown in FIG. 2, the operation of each piezoelectric ceramic layer 23 and the outer piezoelectric ceramic layer 24 will be described on the assumption that the switch S corresponding to the second ink pressure chamber 21 from the left is turned on. And

図３において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加される。このとき、第１電極２６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、第２電極２７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６と第２電極２７との間で、図３に示すように、圧電セラミック層２３の分極方向（矢印Ａにて示す）と直交する電界（矢印Ｃにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層２３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて図示のように一様に変形される。 In FIG. 3, when the switch S is turned on via a controller (not shown) based on predetermined print data, the drive voltage is applied to the first electrodes 26 on the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic layer 23 via the drive power supply V. Applied. At this time, since the first electrode 26 is connected to the positive terminal of the drive power source V and the second electrode 27 is connected to the negative terminal, the first electrode 26 and the second electrode on both the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic layer 23. 27, an electric field (indicated by arrow C) perpendicular to the polarization direction (indicated by arrow A) of the piezoelectric ceramic layer 23 is generated as shown in FIG. Thereby, the piezoelectric ceramic layer 23 is uniformly deformed as shown in the shear mode based on the piezoelectric / electrostrictive effect.

また、外側圧電セラミック層２４の外側電極２８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に第１電極２６との間で、外側圧電セラミック層２４の分極方向（矢印Ｂにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｄにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層２４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層２４は、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層２３との間のバイモルフ効果により、図示下方向に湾曲する。 Further, since the outer electrode 28 of the outer piezoelectric ceramic layer 24 is connected to the negative terminal of the drive power supply V, when the switch S is turned on as described above, the outer piezoelectric layer 28 is connected to the first electrode 26. An electric field (indicated by arrow D) in a direction parallel to the polarization direction (indicated by arrow B) of the ceramic layer 24 is generated. As a result, the outer piezoelectric ceramic layer 24 is deformed in the expansion / contraction mode based on the piezoelectric / electrostrictive effect. That is, since the outer piezoelectric ceramic layer 24 extends in the thickness direction and contracts in the longitudinal direction, the outer piezoelectric ceramic layer 24 bends downward in the figure due to a bimorph effect between the adjacent piezoelectric ceramic layers 23.

前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから圧電セラミック層２３の上下両面における第１電極２６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層２３にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて一様に変形させ、同時に、外側圧電セラミック層２４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電セラミック層２４を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が減少され、これによりインク圧力室２１内のインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。 As described above, when the switch S is turned on, the driving voltage is applied to the first electrodes 26 on the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic layer 23 from the driving power source V. By generating an electric field orthogonal to and uniformly deforming in the shear mode, and simultaneously generating an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric ceramic layer 24 and deforming the outer piezoelectric ceramic layer 24 in the expansion / contraction mode Then, the volume of the ink pressure chamber 21 is reduced, whereby the ink in the ink pressure chamber 21 is ejected from the ink ejection port (not shown) toward the printing paper, and characters and the like are printed.

このように、第１実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層２３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層２４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層２３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層２４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層２３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室２１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。 As described above, in the inkjet head 5 according to the first embodiment, the piezoelectric ceramic layer 23 is deformed in the shear mode while the outer piezoelectric ceramic layer 24 is deformed in the expansion / contraction mode at the time of printing driving. The so-called bimorph deformation occurs due to the cooperation of the shear mode deformation of the ceramic layer 23 and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric ceramic layer 24, and the deformation of the entire piezoelectric body can be increased. Further, based on the cooperative action of the shear mode deformation of the piezoelectric ceramic layer 23 and the expansion mode deformation of the outer piezoelectric ceramic layer 24, the deformation efficiency can be kept high even if the thickness of the piezoelectric ceramic layer 23 is increased. Therefore, compared to the case where a single piezoelectric layer is used, the rigidity of the ink pressure chamber 21 can be increased and the loss of generated pressure can be reduced.

また、圧電セラミック層２３は外側圧電セラミック層２４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。 Further, since the piezoelectric ceramic layer 23 can be formed simultaneously with the production of the outer piezoelectric ceramic layer 24, there is no cost increase.

尚、上記の第１実施形態において、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４の分極方向の関係を逆の関係にすれば、圧電セラミック層２３及び外側圧電セラミック層２４を逆方向、即ち、インク圧力室２１の容積を増大させる方向に変形させることが可能であり、これにより後述する引き打ち方式へも適用可能である。また、圧電セラミック層２３の下面に形成された第１電極２６をインク圧力室２１内のインクから隔絶すべく、圧電セラミック層２３の下面に有機又は無機材料から形成された保護膜を適宜形成するのが望ましい。 In the first embodiment, if the relationship between the polarization directions of the piezoelectric ceramic layer 23 and the outer piezoelectric ceramic layer 24 is reversed, the piezoelectric ceramic layer 23 and the outer piezoelectric ceramic layer 24 are moved in the opposite direction, that is, ink. The pressure chamber 21 can be deformed in the direction of increasing the volume, and can be applied to a pulling method described later. Further, in order to isolate the first electrode 26 formed on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 23 from the ink in the ink pressure chamber 21, a protective film made of an organic or inorganic material is appropriately formed on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 23. Is desirable.

次に、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５のアレイ構造について図４に基づき説明する。図４は第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッド５のアレイ構造の一部を示す断面図である。尚、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５は、駆動電圧を印加した時にインクの吸引動作を行った後駆動電圧の印加を停止した時点でインクを吐出する、所謂、引き打ち方式のインクジェットヘッドである。 Next, the array structure of the inkjet head 5 according to the second embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a cross-sectional view showing a part of the array structure of the piezoelectric inkjet head 5 according to the second embodiment. The ink jet head 5 according to the second embodiment is a so-called ink jet type ink jet head that discharges ink when the application of the drive voltage is stopped after the ink suction operation is performed when the drive voltage is applied. is there.

図４において、圧電式インクジェットヘッド５のアレイ３０は、基本的に、上面が開放された複数個のインク圧力室３１が形成されてなるキャビティプレート３２、各インク圧力室３１の上面（開放面）を閉塞するようにキャビティプレート３２上に接着剤等により固定された圧電セラミック層４０、圧電セラミック層４０の上面に積層された外側圧電セラミック層３４、及び、外側圧電セラミック層３４の上面に積層された圧電セラミック層３３から構成されている。尚、ここでは、説明上便宜的に各層に分けているが、圧電セラミック層４０、外側圧電セラミック層３４、圧電セラミック層３３は、一体に形成されている。 In FIG. 4, the array 30 of the piezoelectric inkjet head 5 basically includes a cavity plate 32 formed with a plurality of ink pressure chambers 31 whose upper surfaces are opened, and upper surfaces (open surfaces) of the ink pressure chambers 31. A piezoelectric ceramic layer 40 fixed on the cavity plate 32 with an adhesive or the like, an outer piezoelectric ceramic layer 34 laminated on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 40, and an upper surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34. The piezoelectric ceramic layer 33 is formed. Here, for convenience of explanation, the layers are divided into layers, but the piezoelectric ceramic layer 40, the outer piezoelectric ceramic layer 34, and the piezoelectric ceramic layer 33 are integrally formed.

ここに、各インク圧力室３１はキャビティプレート３２に切削加工等を施すことにより形成され、また、各インク圧力室３１間は区画壁３５により区画されている。 Here, each ink pressure chamber 31 is formed by cutting the cavity plate 32 or the like, and each ink pressure chamber 31 is partitioned by a partition wall 35.

外側圧電セラミック層３４の下面に配置された圧電セラミック層４０の上面には、その全体に渡って外側電極３８が形成されており、かかる外側電極３８は、後述するように、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されて外側圧電セラミック層３４を伸縮モードで変形させるにつき必要な電極である。また、圧電セラミック層４０は、インク圧力室３１内のインクと接触する圧電層であり、外側圧電セラミック層３４及び圧電セラミック層３３をインクから隔絶する絶縁層として作用する。このように、圧電セラミック層４０に絶縁層としての機能を行わせ、この圧電セラミック層４０を介して、上側の外側圧電セラミック層３４下面における外側電極３８にインクが接触することを防止し、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく圧電セラミック層３３をインク圧力室のインクから隔絶することを可能とするためである。また、圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３の製造を行うについて、これと同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。 An outer electrode 38 is formed over the entire upper surface of the piezoelectric ceramic layer 40 disposed on the lower surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34, and the outer electrode 38 is negative of the drive power supply V as will be described later. It is an electrode necessary to be connected to the side terminal and to deform the outer piezoelectric ceramic layer 34 in the expansion / contraction mode. The piezoelectric ceramic layer 40 is a piezoelectric layer that comes into contact with ink in the ink pressure chamber 31 and acts as an insulating layer that isolates the outer piezoelectric ceramic layer 34 and the piezoelectric ceramic layer 33 from the ink. In this way, the piezoelectric ceramic layer 40 functions as an insulating layer, and the ink is prevented from contacting the outer electrode 38 on the lower surface of the upper outer piezoelectric ceramic layer 34 via the piezoelectric ceramic layer 40. This is because the piezoelectric ceramic layer 33 can be isolated from the ink in the ink pressure chamber without providing a special insulating layer such as an insulating film, a vibration plate, or the like. Further, since the piezoelectric ceramic layer 40 can be formed simultaneously with the manufacture of the piezoelectric ceramic layer 33, there is no increase in cost.

外側圧電セラミック層３４の上面には、各インク圧力室３１に対応する位置に第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁２３に対応して第２電極３７が形成されている。各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。かかる外側圧電セラミック層３４は、矢印Ｆにて示すように、その層厚方向に分極されており、また、外側圧電セラミック層３４は、前記圧電セラミック層４０と一体に形成されることから、外側電極３８は外側圧電セラミック層３４の下面の全体に渡って形成されていることとなる。この外側電極３８は、駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。 A first electrode 36 is formed on the upper surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34 at a position corresponding to each ink pressure chamber 31, and a second corresponding to each partition wall 23 at the peripheral position of the ink pressure chamber 31. An electrode 37 is formed. Each first electrode 36 is connected to the positive terminal of the drive power supply V via the switch S, and each second electrode 37 is connected to the negative terminal of the drive power supply V. The outer piezoelectric ceramic layer 34 is polarized in the layer thickness direction as indicated by an arrow F, and the outer piezoelectric ceramic layer 34 is formed integrally with the piezoelectric ceramic layer 40, so The electrode 38 is formed over the entire lower surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34. The outer electrode 38 is connected to the negative terminal of the drive power supply V.

圧電セラミック層３３は、圧電・電歪効果を有する圧電セラミック層から構成されており、その上面には、それぞれ各インク圧力室３１に対応する位置に、前記外側圧電セラミック層３４と同様、第１電極３６が形成されているとともに、インク圧力室３１の周縁位置にて各区画壁３５に対応して第２電極３７が形成されている。また、圧電セラミック層３３は、矢印Ｅにて示すように、その層厚方向に分極されている。更に、各第１電極３６は、それぞれスイッチＳを介して駆動電源Ｖのプラス側端子に接続されており、また、各第２電極３７は、それぞれ駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されている。これにより、圧電セラミック層３３の上下両面には、それぞれ対向する位置にて第１電極３６、第２電極３７が形成されることとなる。 The piezoelectric ceramic layer 33 is composed of a piezoelectric ceramic layer having a piezoelectric / electrostrictive effect. Like the outer piezoelectric ceramic layer 34, the first surface thereof is located at a position corresponding to each ink pressure chamber 31. An electrode 36 is formed, and a second electrode 37 is formed corresponding to each partition wall 35 at the peripheral position of the ink pressure chamber 31. The piezoelectric ceramic layer 33 is polarized in the layer thickness direction as indicated by an arrow E. Further, each first electrode 36 is connected to the plus side terminal of the driving power source V via the switch S, and each second electrode 37 is connected to the minus side terminal of the driving power source V, respectively. . As a result, the first electrode 36 and the second electrode 37 are formed on the upper and lower surfaces of the piezoelectric ceramic layer 33 at positions facing each other.

尚、前記圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４等の製造方法、及び、これらの分極処理方法については、特開平４−１２５１５７号公報等に記載されている製造方法、分極処理方法と同一であり、従って、ここでは製造方法等についての詳細な説明は省略する。 The manufacturing method of the piezoelectric ceramic layer 33, the outer piezoelectric ceramic layer 34, and the like, and the polarization processing method thereof are the same as the manufacturing method and the polarization processing method described in JP-A-4-125157. Therefore, detailed description of the manufacturing method and the like is omitted here.

次に、前記のように構成された第２実施形態に係るインクジェットヘッド５におけるアレイ３０の動作について図５に基づき説明する。図５は圧電セラミック層３３を変形させて印字動作を行っているアレイ３０の一部を拡大して示す断面図である。尚、ここでは、図４に示すように、左から２番目のインク圧力室３１に対応するスイッチＳがオンされたものとして、各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動作につき説明することとする。 Next, the operation of the array 30 in the inkjet head 5 according to the second embodiment configured as described above will be described with reference to FIG. FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view showing a part of the array 30 that performs the printing operation by deforming the piezoelectric ceramic layer 33. Here, as shown in FIG. 4, the operation of each piezoelectric ceramic layer 33 and the outer piezoelectric ceramic layer 34 will be described on the assumption that the switch S corresponding to the second ink pressure chamber 31 from the left is turned on. And

図５において、所定の印字データに基づきコントローラ（図示せず）を介してスイッチＳがオンされた場合、駆動電源Ｖを介して各第１電極３６に駆動電圧が印加される。このとき、各第１電極３６は駆動電源Ｖのプラス側端子に接続され、各第２電極３７はマイナス側端子に接続されているので、圧電セラミック層３３の上面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、図５に示すように、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。また、同様に、圧電セラミック層３３の下面において各第１電極３６と第２電極３７との間で、圧電セラミック層３３の分極方向（矢印Ｅにて示す）と直交する電界（矢印Ｇにて示す）が発生する。これにより、圧電セラミック層３３は、その圧電・電歪効果に基づきシェアモードにて一様に変形される。 In FIG. 5, when the switch S is turned on via a controller (not shown) based on predetermined print data, a drive voltage is applied to each first electrode 36 via a drive power supply V. At this time, each first electrode 36 is connected to the positive terminal of the drive power supply V, and each second electrode 37 is connected to the negative terminal, so that the first electrode 36 and the first electrode 36 on the upper surface of the piezoelectric ceramic layer 33 are connected. As shown in FIG. 5, an electric field (indicated by arrow G) perpendicular to the polarization direction (indicated by arrow E) of the piezoelectric ceramic layer 33 is generated between the two electrodes 37. Similarly, an electric field (indicated by an arrow G) orthogonal to the polarization direction (indicated by an arrow E) of the piezoelectric ceramic layer 33 between the first electrode 36 and the second electrode 37 on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 33. Occurs). As a result, the piezoelectric ceramic layer 33 is uniformly deformed in the shear mode based on the piezoelectric / electrostrictive effect.

また、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８は駆動電源Ｖのマイナス側端子に接続されていることから、前記のようにスイッチＳがオンされた際に対向する第１電極３６との間で、外側圧電セラミック層３４の分極方向（矢印Ｆにて示す）と平行な方向の電界（矢印Ｈにて示す）が発生する。これにより、外側圧電セラミック層３４は、その圧電・電歪効果に基づき伸縮モードにて変形される。即ち、外側圧電セラミック層３４は、前記第１実施形態における外側圧電セラミック層２４と同様、その厚み方向には伸び、長手方向には縮むため、隣接する圧電セラミック層３３との間のバイモルフ効果により、図示上方向に湾曲する。尚、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、前記各圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４と同一の層（成分）より構成されていることから、基本的に、圧電セラミック層３３のシェアモード変形及び外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に追随して図５に示すように変形される。ここに、外側圧電セラミック層３４は、圧電セラミック層３３と圧電セラミック層４０との間にサンドイッチされていることから、前記のように発生するバイモルフ効果は若干弱くなるが、圧電セラミック層３３の方が厚いので図５に示すように変形する。このとき、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率を重視する場合には、圧電セラミック層４０は省略する方がよい。これは、外側電極３８は、図４に示すように、駆動電源Ｖのマイナス側端子（グランド）に接続されており、インク圧力室３１内のインクに悪影響を与えることが少ないからである。これに対して、外側電極３８がインク圧力室３１内のインクへ与える可能性がある悪影響を重視し、且つ、圧電セラミック層３３、外側セラミック圧電層３４の変形効率をも重視する場合には、圧電セラミック層４０に代えて外側圧電セラミック層３４の下面に可撓性のある絶縁フィルム等を配置するのがよい。前記のように圧電セラミック層３３の下面に外側圧電セラミック層３４を設ける場合には各種の変形態様が考えられるが、各変形態様には一長一短があるので、いずれの態様を採用するかは最も重視するメリットを考慮して決定すればよい。 Further, since the outer electrode 38 of the outer piezoelectric ceramic layer 34 is connected to the negative terminal of the drive power supply V, the first electrode 36 facing when the switch S is turned on as described above, An electric field (indicated by arrow H) in a direction parallel to the polarization direction (indicated by arrow F) of the outer piezoelectric ceramic layer 34 is generated. Accordingly, the outer piezoelectric ceramic layer 34 is deformed in the expansion / contraction mode based on the piezoelectric / electrostrictive effect. That is, since the outer piezoelectric ceramic layer 34 extends in the thickness direction and contracts in the longitudinal direction, like the outer piezoelectric ceramic layer 24 in the first embodiment, the outer piezoelectric ceramic layer 34 has a bimorph effect between the adjacent piezoelectric ceramic layers 33. , Curved upward in the figure. The piezoelectric ceramic layer 40 in contact with the ink in the ink pressure chamber 31 is composed of the same layers (components) as the piezoelectric ceramic layers 33 and the outer piezoelectric ceramic layer 34. Following the shear mode deformation of the layer 33 and the expansion mode deformation of the outer piezoelectric ceramic layer 34, the layer 33 is deformed as shown in FIG. Since the outer piezoelectric ceramic layer 34 is sandwiched between the piezoelectric ceramic layer 33 and the piezoelectric ceramic layer 40, the bimorph effect generated as described above is slightly weakened. Since it is thick, it is deformed as shown in FIG. At this time, when importance is attached to the deformation efficiency of the piezoelectric ceramic layer 33 and the outer ceramic piezoelectric layer 34, the piezoelectric ceramic layer 40 should be omitted. This is because the outer electrode 38 is connected to the negative terminal (ground) of the drive power source V as shown in FIG. 4 and hardly affects the ink in the ink pressure chamber 31. On the other hand, when importance is attached to the adverse effect that the outer electrode 38 may have on the ink in the ink pressure chamber 31, and the deformation efficiency of the piezoelectric ceramic layer 33 and the outer ceramic piezoelectric layer 34 is also important, Instead of the piezoelectric ceramic layer 40, a flexible insulating film or the like may be disposed on the lower surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34. As described above, when the outer piezoelectric ceramic layer 34 is provided on the lower surface of the piezoelectric ceramic layer 33, various deformation modes are conceivable. However, each deformation mode has advantages and disadvantages. It may be determined in consideration of the merit to do.

前記したように、スイッチＳをオンさせた際に、駆動電源Ｖから各第１電極３６に駆動電圧が印加されることに基づき、圧電セラミック層３３の両面にてその分極方向に直交する電界を発生させてシェアモードにて変形させ、同時に、外側圧電セラミック層３４の分極方向と平行な電界を発生させて外側圧電層を伸縮モードにて変形させることにより、インク圧力室２１の容積が増大され、これによりインク圧力室２１内にインクを吸入した後、駆動電圧の印加を停止した時点でインクがインク吐出口（図示せず）から印字用紙に向かって吐出されて文字等の印字が行われる。 As described above, when the switch S is turned on, an electric field orthogonal to the polarization direction is applied to both surfaces of the piezoelectric ceramic layer 33 based on the fact that the drive voltage is applied from the drive power supply V to each first electrode 36. The volume of the ink pressure chamber 21 is increased by generating and deforming in the shear mode, and simultaneously generating an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric ceramic layer 34 to deform the outer piezoelectric layer in the expansion / contraction mode. Thus, after the ink is sucked into the ink pressure chamber 21, the ink is ejected from the ink ejection port (not shown) toward the printing paper when the application of the driving voltage is stopped, and characters and the like are printed. .

このように、第２実施形態に係るインクジェットヘッド５では、その印字駆動時に、圧電セラミック層３３がシェアモードにて変形され、同時に、外側圧電セラミック層３４が伸縮モードにて変形されるので、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電層３４の伸縮モード変形との協働により、所謂、バイモルフ変形が生じることとなって、圧電体全体としての変形を大きくすることができる。また、圧電セラミック層３３のシェアモード変形と外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形との協働作用に基づき、圧電セラミック層３３の厚さを大きくしてもその変形効率を高く保持することが可能であるから、単層の圧電層を使用する場合に比して、インク圧力室３１の剛性を高めて発生圧力の損失を少なくすることができる。 As described above, in the inkjet head 5 according to the second embodiment, the piezoelectric ceramic layer 33 is deformed in the shear mode while the outer piezoelectric ceramic layer 34 is deformed in the expansion / contraction mode at the time of printing driving. The cooperation of the shear mode deformation of the ceramic layer 33 and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric layer 34 causes so-called bimorph deformation, and the deformation of the entire piezoelectric body can be increased. Further, based on the cooperative action of the shear mode deformation of the piezoelectric ceramic layer 33 and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric ceramic layer 34, the deformation efficiency can be kept high even if the thickness of the piezoelectric ceramic layer 33 is increased. Therefore, compared to the case where a single piezoelectric layer is used, the rigidity of the ink pressure chamber 31 can be increased and the loss of generated pressure can be reduced.

また、外側圧電セラミック層３４の下面にインク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０が設けられていることから、外側圧電セラミック層３４の下面に存在する外側電極３８が直接インクと接触することを防止する絶縁層としての作用を行い、これより絶縁フィルム等の特別な絶縁層や振動板等を設けることなく外側電極３８をインク圧力室３１のインクから隔絶することができる。また、かかる絶縁層の作用を行う圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３及び外側圧電セラミック層３４の製造と同時に形成することが可能であることからコストアップを招来することもない。 In addition, since the piezoelectric ceramic layer 40 that contacts the ink in the ink pressure chamber 31 is provided on the lower surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34, the outer electrode 38 existing on the lower surface of the outer piezoelectric ceramic layer 34 directly contacts the ink. Thus, the outer electrode 38 can be isolated from the ink in the ink pressure chamber 31 without providing a special insulating layer such as an insulating film, a diaphragm, or the like. In addition, the piezoelectric ceramic layer 40 that functions as an insulating layer can be formed at the same time as the manufacture of the piezoelectric ceramic layer 33 and the outer piezoelectric ceramic layer 34, so that the cost is not increased.

更に、インク圧力室３１のインクと接触する圧電セラミック層４０は、圧電セラミック層３３、及び、外側圧電セラミック層３４と同一の層から形成されており、従って、かかる圧電セラミック層４０は圧電セラミック層３３のシェアモード変形、外側圧電セラミック層３４の伸縮モード変形に従って容易に変形されることとなり、これにより、圧電セラミック層３３、外側圧電セラミック層３４の動きを規制することなく圧電セラミック層３３の第１電極３６、外側圧電セラミック層３４の外側電極３８をインク圧力室３１内のインクから遮蔽することができる。 Further, the piezoelectric ceramic layer 40 that comes into contact with the ink in the ink pressure chamber 31 is formed of the same layer as the piezoelectric ceramic layer 33 and the outer piezoelectric ceramic layer 34. Therefore, the piezoelectric ceramic layer 40 is formed of the piezoelectric ceramic layer. Therefore, the piezoelectric ceramic layer 33 is easily deformed according to the shear mode deformation of 33 and the expansion / contraction mode deformation of the outer piezoelectric ceramic layer 34, so that the movement of the piezoelectric ceramic layer 33 and the outer piezoelectric ceramic layer 34 is not restricted. The one electrode 36 and the outer electrode 38 of the outer piezoelectric ceramic layer 34 can be shielded from the ink in the ink pressure chamber 31.

尚、本発明は前記各第１及び第２実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。 The present invention is not limited to the first and second embodiments described above, and various improvements and modifications can be made without departing from the scope of the present invention.

インクジェットプリンタの要部を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the principal part of an inkjet printer. 第１実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of array structure of the piezoelectric inkjet head which concerns on 1st Embodiment. 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of array which is deforming a piezoelectric ceramic layer and is performing printing operation. 第２実施形態に係る圧電式インクジェットヘッドのアレイ構造の一部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows a part of array structure of the piezoelectric inkjet head which concerns on 2nd Embodiment. 圧電セラミック層を変形させて印字動作を行っているアレイの一部を拡大して示す断面図である。It is sectional drawing which expands and shows a part of array which is deforming a piezoelectric ceramic layer and is performing printing operation.

Explanation of symbols

５インクジェットヘッド
２０、３０アレイ
２１、３１インク圧力室
２２、３２キャビティプレート
２３、３３圧電セラミック層
２４、３４外側圧電セラミック層
２５、３５区画壁
２６、３６第１電極
２７、３７第２電極
２８、３８外側電極
４０圧電セラミック層
Ａ、Ｂ、Ｅ，Ｆ分極方向
Ｃ、Ｄ、Ｇ、Ｈ電界方向
Ｓスイッチ
Ｖ駆動電源 5 Inkjet head 20, 30 Array 21, 31 Ink pressure chamber 22, 32 Cavity plate 23, 33 Piezoelectric ceramic layer 24, 34 Outer piezoelectric ceramic layer 25, 35 Partition wall 26, 36 First electrode 27, 37 Second electrode 28, 38 Outer electrode 40 Piezoelectric ceramic layer A, B, E, F Polarization direction C, D, G, H Electric field direction S Switch V Drive power supply

Claims

A cavity plate having an ink pressure chamber open on one side, and a first electrode fixed to the cavity plate so as to close one side of the ink pressure chamber and formed at a position corresponding to the ink pressure chamber And a second electrode formed at a peripheral position of the ink pressure chamber, the piezoelectric layer polarized in the layer thickness direction, and the first electrode and the second electrode having different polarities connected to each other A power source provided with a first terminal and a second terminal, and applying a drive voltage between the first and second electrodes from the power source to deform the piezoelectric layer, thereby causing ink in the ink pressure chamber to flow. In an inkjet head that discharges from an ink discharge port,
An outer piezoelectric layer laminated on one side of the piezoelectric layer and polarized in the layer thickness direction;
An outer electrode formed on one side of the outer piezoelectric layer and connected to a second terminal of the power source;
When a drive voltage is applied from the power source, an electric field perpendicular to the polarization direction is generated between the first electrode and the second electrode in the piezoelectric layer, thereby deforming the piezoelectric layer in the shear mode. The inkjet head is characterized in that an electric field parallel to the polarization direction of the outer piezoelectric layer is generated between the first electrode and the outer electrode, whereby the outer piezoelectric layer is deformed in an expansion / contraction mode.

The inkjet head according to claim 1, wherein the outer piezoelectric layer is laminated on an upper surface of the piezoelectric layer.

The inkjet head according to claim 1, wherein the outer piezoelectric layer is laminated on a lower surface of the piezoelectric layer.

4. The ink jet head according to claim 3, wherein another piezoelectric layer in contact with the ink in the ink pressure chamber is provided on the lower surface of the outer piezoelectric layer.