JP2015009370A - Piezoelectric actuator and liquid discharge head and recording device using piezoelectric actuator - Google Patents

Piezoelectric actuator and liquid discharge head and recording device using piezoelectric actuator Download PDF

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東別府 誠
Makoto Higashibeppu
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a piezoelectric actuator that hardly causes a decline in displacement amount even when driven repeatedly and a liquid discharge head and a recording device that use the piezoelectric actuator.SOLUTION: A piezoelectric actuator includes: a fixation member 22 having an opening portion 10; a diaphragm 21a; a piezoelectric layer 21b; and a pair of electrodes 34, 35a. A portion of the piezoelectric layer 21b that is superposed on the opening portion 10 includes a driving portion 51 sandwiched between the pair of electrodes 34, 35a and a non-driving portion 52 that is not sandwiched. A main component of the piezoelectric layer 21b is potassium sodium niobate. A ratio of Mn to 100 pts.mass of the main component in the driving portion 51 is larger than that in the non-driving portion 52.

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置に関するものである。   The present invention relates to a piezoelectric actuator, a liquid discharge head using the same, and a recording apparatus.

近年、インクジェットプリンタやインクジェットプロッタなどの、インクジェット記録方式を利用した印刷装置が、一般消費者向けのプリンタだけでなく、例えば電子回路の形成や液晶ディスプレイ用のカラーフィルタの製造、有機ELディスプレイの製造といった工業用途にも広く利用されている。   In recent years, printing apparatuses using inkjet recording methods such as inkjet printers and inkjet plotters are not only printers for general consumers, but also, for example, formation of electronic circuits, manufacture of color filters for liquid crystal displays, manufacture of organic EL displays It is also widely used for industrial applications.

このようなインクジェット方式の印刷装置には、液体を吐出させるための液体吐出ヘッドが印刷ヘッドとして搭載されている。この種の印刷ヘッドには、インクが充填されたインク流路内に加圧手段としてのヒータを備え、ヒータによりインクを加熱、沸騰させ、インク流路内に発生する気泡によってインクを加圧し、インク吐出孔より、液滴として吐出させるサーマルヘッド方式と、インクが充填されるインク流路の一部の壁を変位素子によって屈曲変位させ、機械的にインク流路内のインクを加圧し、インク吐出孔より液滴として吐出させる圧電方式が一般的に知られている。   In such an ink jet printing apparatus, a liquid discharge head for discharging liquid is mounted as a print head. This type of print head includes a heater as a pressurizing unit in an ink flow path filled with ink, heats and boiles the ink with the heater, pressurizes the ink with bubbles generated in the ink flow path, A thermal head system that ejects ink as droplets from the ink ejection holes, and a part of the wall of the ink channel filled with ink is bent and displaced by a displacement element, and the ink in the ink channel is mechanically pressurized, and the ink A piezoelectric method for discharging liquid droplets from discharge holes is generally known.

また、このような液体吐出ヘッドには、記録媒体の搬送方向(副走査方向)と直交する方向(主走査方向)に液体吐出ヘッドを移動させつつ記録を行なうシリアル式、および記録媒体より主走査方向に長い液体吐出ヘッドを固定した状態で、副走査方向に搬送されてくる記録媒体に記録を行なうライン式がある。ライン式は、シリアル式のように液体吐出ヘッドを移動させる必要がないので、高速記録が可能であるという利点を有する。   In addition, in such a liquid discharge head, a serial type that performs recording while moving the liquid discharge head in a direction (main scanning direction) orthogonal to the conveyance direction (sub-scanning direction) of the recording medium, and main scanning from the recording medium There is a line type in which recording is performed on a recording medium conveyed in the sub-scanning direction with a liquid discharge head that is long in the direction fixed. The line type has the advantage that high-speed recording is possible because there is no need to move the liquid discharge head as in the serial type.

シリアル式、ライン式のいずれの方式の液体吐出ヘッドであっても、液滴を高い密度で印刷するには、液体吐出ヘッドに形成されている、液滴を吐出する吐出孔の密度を高くする必要がある。   In order to print droplets at a high density in any of the serial type and line type liquid discharge heads, the density of the discharge holes for discharging the droplets formed in the liquid discharge head is increased. There is a need.

そこで液体吐出ヘッドを、マニホールドおよびマニホールドから複数の加圧室をそれぞれ介して繋がる吐出孔を有した流路部材と、加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有する圧電アクチュエータ基板とを積層して構成したものが知られている(例えば、特許文献1を参照。)。この液体吐出ヘッドでは、複数の吐出孔にそれぞれ繋がった加圧室がマトリックス状に配置され、それを覆うように設けられた圧電アクチュエータ基板の変位素子を圧電体の変形により変位させることで、各吐出孔からインクを吐出させ、主走査方向に600dpiの解像度で印刷が可能とされている。   Therefore, a piezoelectric actuator substrate having a fluid discharge head, a flow path member having discharge holes connecting the manifold and the manifold via a plurality of pressurization chambers, and a plurality of displacement elements provided so as to cover the pressurization chambers, respectively. Is known (see, for example, Patent Document 1). In this liquid ejection head, the pressurizing chambers connected to the plurality of ejection holes are arranged in a matrix, and the displacement elements of the piezoelectric actuator substrate provided so as to cover the chambers are displaced by deformation of the piezoelectric body. Ink is ejected from the ejection holes, and printing is possible at a resolution of 600 dpi in the main scanning direction.

また、圧電体の組成として、ニオブ酸カリウムナトリウムが知られている(例えば、特許文献2を参照。)。   Moreover, potassium sodium niobate is known as a composition of the piezoelectric body (see, for example, Patent Document 2).

特開2003−305852号公報JP 2003-305852 A 特開2011−155272号公報JP 2011-155272 A

しかしながら、特許文献2に記載の液体吐出ヘッドなどに用いられている圧電アクチュ
エータの圧電体として、ニオブ酸カリウムナトリウムを用いると、多くの駆動を行なった後の変位量が、初期の変位量に対して低くなってしまうという問題があった。
However, when potassium sodium niobate is used as the piezoelectric body of the piezoelectric actuator used in the liquid discharge head described in Patent Document 2, the amount of displacement after many driving operations is less than the initial amount of displacement. There was a problem of becoming low.

したがって、本発明の目的は、繰り返し駆動を行なっても変位量の低下の生じ難い圧電アクチュエータ、それを用いた液体吐出ヘッドおよび記録装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a piezoelectric actuator that is unlikely to cause a decrease in displacement even when repeatedly driven, and a liquid discharge head and a recording apparatus using the piezoelectric actuator.

本発明の圧電アクチュエータは、開口部を有する固定部材と、前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と、を含む圧電アクチュエータであって、平面視したときに、前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはMnが含まれており、前記駆動部における前記主成分100質量部に対するMnのMnO換算の割合をMN1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するMnのMnO換算の割合をMN2[質量部]としたとき、2.5≦MN1−MN2≦25であることを特徴とする。   The piezoelectric actuator of the present invention includes a fixing member having an opening, a diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening, and a laminate on the diaphragm so as to cover the opening. A piezoelectric actuator, and a pair of electrodes disposed so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening, and the piezoelectric actuator when viewed in plan In the part of the body layer that overlaps the opening, there is a drive part that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive part that is not sandwiched between the pair of electrodes. The piezoelectric element layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving part contains Mn, and the piezoelectric layer is disposed along the outer periphery of the opening. To 100 parts by mass of the main component When the ratio of Mn converted to MnO is MN1 [parts by mass], and the ratio of Mn to MnO with respect to 100 parts by mass of the main component in the non-driving part on the outer periphery of the opening is MN2 [parts by mass], 2 .5 ≦ MN1-MN2 ≦ 25.

また、本発明の圧電アクチュエータは、開口部を有する固定部材と、前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と、を含む圧電アクチュエータであって、平面視したときに、前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはCuが含まれており、前記駆動部における前記主成分100質量部に対するCuのCuO換算の割合をCU1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するCuのCuO換算の割合をCU2[質量部]としたとき、2.5≦CU1−CU2≦25であることを特徴とする。   In addition, the piezoelectric actuator of the present invention includes a fixing member having an opening, a diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening, and an upper surface of the diaphragm so as to cover the opening. And a pair of electrodes arranged so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening, when viewed in plan view, In the portion of the piezoelectric layer that overlaps with the opening, there is a drive unit that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive unit that is not sandwiched between the pair of electrodes, The non-driving part is disposed along the outer periphery of the opening, and the piezoelectric layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving part contains Cu, and the driving 100 masses of the main component in parts The ratio of Cu to CuO equivalent to CU1 [parts by mass] and the ratio of Cu to CuO equivalent to 100 parts by mass of the main component in the non-driving part on the outer periphery of the opening is CU2 [parts by mass]. .5 ≦ CU1-CU2 ≦ 25.

また、本発明の圧電アクチュエータは、開口部を有する固定部材と、前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と、を含む圧電アクチュエータであって、平面視したときに、前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはCuが含まれており、前記駆動部における前記主成分100質量部に対するCrのCr換算の割合をCR1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するCrのCr換算の割合をCR2[質量部]としたとき、1.25≦CR1−CR2≦15であることを特徴とする。 In addition, the piezoelectric actuator of the present invention includes a fixing member having an opening, a diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening, and an upper surface of the diaphragm so as to cover the opening. And a pair of electrodes arranged so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening, when viewed in plan view, In the portion of the piezoelectric layer that overlaps with the opening, there is a drive unit that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive unit that is not sandwiched between the pair of electrodes, The non-driving part is disposed along the outer periphery of the opening, and the piezoelectric layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving part contains Cu, and the driving 100 masses of the main component in parts Cr of Cr 2 O 3 ratio of converting the CR1 [parts by weight], a proportion of the terms of Cr 2 O 3 and Cr relative to the main component as 100 parts by weight of the non-driving portion on the periphery of the opening CR2 for [parts by ], 1.25 ≦ CR1−CR2 ≦ 15.

さらに、本発明の液体吐出ヘッドは、前記圧電アクチュエータを複数有しており、複数の前記開口部にそれぞれ繋がっている複数の吐出孔を備えていることを特徴とする。   Furthermore, the liquid discharge head of the present invention includes a plurality of the piezoelectric actuators, and includes a plurality of discharge holes respectively connected to the plurality of openings.

さらにまた、本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘ
ッドに対して搬送する搬送部と、複数の前記圧電アクチュエータを制御する制御部とを備えていることを特徴とする。
Furthermore, the recording apparatus of the present invention includes the liquid discharge head, a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head, and a control unit that controls the plurality of piezoelectric actuators. And

本発明の圧電アクチュエータによれば、繰り返し駆動を行なっても変位量の低下の生じ難い。   According to the piezoelectric actuator of the present invention, it is difficult for the displacement amount to decrease even if the driving is repeated.

本発明の一実施の形態に係る記録装置であるプリンタの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a printer that is a recording apparatus according to an embodiment of the present invention. 図1の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体を示す平面図である。FIG. 2 is a plan view showing a head body that constitutes the liquid ejection head of FIG. 1. 図2の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。FIG. 3 is an enlarged view of a region surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. 図2の一点鎖線に囲まれた領域の拡大図であり、説明のため一部の流路を省略した図である。FIG. 3 is an enlarged view of a region surrounded by an alternate long and short dash line in FIG. (a)は、図3のV−V線に沿った縦断面図であり、(b)は平面図である。(A) is a longitudinal cross-sectional view along the VV line of FIG. 3, (b) is a top view. (a)〜(d)は変位素子の動作を示す部分断面図である。(A)-(d) is a fragmentary sectional view which shows operation | movement of a displacement element. (a)は、本発明の他の圧電アクチュエータの縦断面図であり、(b)は、平面図である。(A) is a longitudinal cross-sectional view of the other piezoelectric actuator of this invention, (b) is a top view.

図1は、本発明の一実施形態である記録装置であるカラーインクジェットプリンタの概略構成図である。このカラーインクジェットプリンタ1(以下、プリンタ1とする)は、4つの液体吐出ヘッド2を有している。これらの液体吐出ヘッド2は、印刷用紙Pの搬送方向に沿って並べられ、プリンタ1に固定されている。液体吐出ヘッド2は、図1の手前から奥へ向かう方向に細長い形状を有している。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a color inkjet printer which is a recording apparatus according to an embodiment of the present invention. This color inkjet printer 1 (hereinafter referred to as printer 1) has four liquid ejection heads 2. These liquid discharge heads 2 are arranged along the conveyance direction of the printing paper P and are fixed to the printer 1. The liquid discharge head 2 has an elongated shape in a direction from the front to the back in FIG.

プリンタ1には、印刷用紙Pの搬送経路に沿って、給紙ユニット114、搬送ユニット120および紙受け部116が順に設けられている。また、プリンタ1には、液体吐出ヘッド2や給紙ユニット114などのプリンタ1の各部における動作を制御するための制御部100が設けられている。   In the printer 1, a paper feed unit 114, a transport unit 120, and a paper receiver 116 are sequentially provided along the transport path of the printing paper P. In addition, the printer 1 is provided with a control unit 100 for controlling the operation of each unit of the printer 1 such as the liquid discharge head 2 and the paper feeding unit 114.

給紙ユニット114は、複数枚の印刷用紙Pを収容することができる用紙収容ケース115と、給紙ローラ145とを有している。給紙ローラ145は、用紙収容ケース115に積層して収容された印刷用紙Pのうち、最も上にある印刷用紙Pを1枚ずつ送り出すことができる。   The paper supply unit 114 includes a paper storage case 115 that can store a plurality of printing papers P, and a paper supply roller 145. The paper feed roller 145 can send out the uppermost print paper P among the print papers P stacked and stored in the paper storage case 115 one by one.

給紙ユニット114と搬送ユニット120との間には、印刷用紙Pの搬送経路に沿って、二対の送りローラ118aおよび118b、ならびに、119aおよび119bが配置されている。給紙ユニット114から送り出された印刷用紙Pは、これらの送りローラによってガイドされて、さらに搬送ユニット120へと送り出される。   Between the paper feed unit 114 and the transport unit 120, two pairs of feed rollers 118a and 118b and 119a and 119b are arranged along the transport path of the printing paper P. The printing paper P sent out from the paper supply unit 114 is guided by these feed rollers and further sent out to the transport unit 120.

搬送ユニット120は、エンドレスの搬送ベルト111と2つのベルトローラ106および107を有している。搬送ベルト111は、ベルトローラ106および107に巻き掛けられている。搬送ベルト111は、2つのベルトローラに巻き掛けられたとき所定の張力で張られるような長さに調整されている。これによって、搬送ベルト111は、2つのベルトローラの共通接線をそれぞれ含む互いに平行な2つの平面に沿って、弛むことなく張られている。これら2つの平面のうち、液体吐出ヘッド2に近い方の平面が、印刷用紙Pを搬送する搬送面127である。   The transport unit 120 includes an endless transport belt 111 and two belt rollers 106 and 107. The conveyor belt 111 is wound around belt rollers 106 and 107. The conveyor belt 111 is adjusted to such a length that it is stretched with a predetermined tension when it is wound around two belt rollers. Thus, the conveyor belt 111 is stretched without slack along two parallel planes each including a common tangent line of the two belt rollers. Of these two planes, the plane closer to the liquid ejection head 2 is a transport surface 127 that transports the printing paper P.

ベルトローラ106には、図1に示されるように、搬送モータ174が接続されている。搬送モータ174は、ベルトローラ106を矢印Aの方向に回転させることができる。また、ベルトローラ107は、搬送ベルト111に連動して回転することができる。したがって、搬送モータ174を駆動してベルトローラ106を回転させることにより、搬送ベルト111は、矢印Aの方向に沿って移動する。   As shown in FIG. 1, a conveyance motor 174 is connected to the belt roller 106. The transport motor 174 can rotate the belt roller 106 in the direction of arrow A. The belt roller 107 can rotate in conjunction with the transport belt 111. Therefore, the conveyance belt 111 moves along the direction of arrow A by driving the conveyance motor 174 and rotating the belt roller 106.

ベルトローラ107の近傍には、ニップローラ138とニップ受けローラ139とが、搬送ベルト111を挟むように配置されている。ニップローラ138は、図示しないバネによって下方に付勢されている。ニップローラ138の下方のニップ受けローラ139は、下方に付勢されたニップローラ138を、搬送ベルト111を介して受け止めている。2つのニップローラは回転可能に設置されており、搬送ベルト111に連動して回転する。   In the vicinity of the belt roller 107, a nip roller 138 and a nip receiving roller 139 are arranged so as to sandwich the conveyance belt 111. The nip roller 138 is urged downward by a spring (not shown). A nip receiving roller 139 below the nip roller 138 receives the nip roller 138 biased downward via the conveying belt 111. The two nip rollers are rotatably installed and rotate in conjunction with the conveyance belt 111.

給紙ユニット114から搬送ユニット120へと送り出された印刷用紙Pは、ニップローラ138と搬送ベルト111との間に挟み込まれる。これによって、印刷用紙Pは、搬送ベルト111の搬送面127に押し付けられ、搬送面127上に固着する。そして、印刷用紙Pは、搬送ベルト111の回転に従って、液体吐出ヘッド2が設置されている方向へと搬送される。なお、搬送ベルト111の外周面113に粘着性のシリコンゴムによる処理を施してもよい。これにより、印刷用紙Pを搬送面127に確実に固着させることができる。   The printing paper P sent out from the paper supply unit 114 to the transport unit 120 is sandwiched between the nip roller 138 and the transport belt 111. As a result, the printing paper P is pressed against the transport surface 127 of the transport belt 111 and is fixed on the transport surface 127. The printing paper P is transported in the direction in which the liquid ejection head 2 is installed according to the rotation of the transport belt 111. The outer peripheral surface 113 of the conveyor belt 111 may be treated with adhesive silicon rubber. Thereby, the printing paper P can be securely fixed to the transport surface 127.

4つの液体吐出ヘッド2は、搬送ベルト111による搬送方向に沿って互いに近接して配置されている。各液体吐出ヘッド2は、下端にヘッド本体13を有している。ヘッド本体13の下面には、液体を吐出する多数の吐出孔8が設けられている(図3参照)。   The four liquid discharge heads 2 are arranged close to each other along the conveyance direction by the conveyance belt 111. Each liquid discharge head 2 has a head body 13 at the lower end. A large number of ejection holes 8 for ejecting liquid are provided on the lower surface of the head body 13 (see FIG. 3).

1つの液体吐出ヘッド2に設けられた吐出孔8からは、同じ色の液滴(インク)が吐出されるようになっている。各液体吐出ヘッド2の吐出孔8は一方方向(印刷用紙Pと平行で印刷用紙P搬送方向に直交する方向であり、液体吐出ヘッド2の長手方向)に等間隔で配置されているため、一方方向に隙間なく印刷することができる。各液体吐出ヘッド2から吐出される液体の色は、それぞれ、マゼンタ(M)、イエロー(Y)、シアン(C)およびブラック(K)である。各液体吐出ヘッド2は、ヘッド本体13の下面と搬送ベルト111の搬送面127との間にわずかな隙間をおいて配置されている。   Liquid droplets (ink) of the same color are ejected from the ejection holes 8 provided in one liquid ejection head 2. The ejection holes 8 of each liquid ejection head 2 are arranged at equal intervals in one direction (a direction parallel to the printing paper P and perpendicular to the conveyance direction of the printing paper P, and the longitudinal direction of the liquid ejection head 2). Can print without gaps in the direction. The colors of the liquid ejected from each liquid ejection head 2 are magenta (M), yellow (Y), cyan (C), and black (K), respectively. Each liquid ejection head 2 is disposed with a slight gap between the lower surface of the head body 13 and the transport surface 127 of the transport belt 111.

搬送ベルト111によって搬送された印刷用紙Pは、液体吐出ヘッド2と搬送ベルト111との間の隙間を通過する。その際に、液体吐出ヘッド2を構成するヘッド本体13から印刷用紙Pの上面に向けて液滴が吐出される。これによって、印刷用紙Pの上面には、制御部100によって記憶された画像データに基づくカラー画像が形成される。   The printing paper P transported by the transport belt 111 passes through the gap between the liquid ejection head 2 and the transport belt 111. At that time, droplets are ejected from the head main body 13 constituting the liquid ejection head 2 toward the upper surface of the printing paper P. As a result, a color image based on the image data stored by the control unit 100 is formed on the upper surface of the printing paper P.

搬送ユニット120と紙受け部116との間には、剥離プレート140と二対の送りローラ121aおよび121bならびに122aおよび122bとが配置されている。カラー画像が印刷された印刷用紙Pは、搬送ベルト111によって剥離プレート140へと搬送される。このとき、印刷用紙Pは、剥離プレート140の右端によって、搬送面127から剥離される。そして、印刷用紙Pは、送りローラ121a〜122bによって、紙受け部116に送り出される。このように、印刷済みの印刷用紙Pが順次紙受け部116に送られ、紙受け部116に重ねられる。   A separation plate 140 and two pairs of feed rollers 121a and 121b and 122a and 122b are arranged between the transport unit 120 and the paper receiver 116. The printing paper P on which the color image is printed is conveyed to the peeling plate 140 by the conveying belt 111. At this time, the printing paper P is peeled from the transport surface 127 by the right end of the peeling plate 140. Then, the printing paper P is sent out to the paper receiving unit 116 by the feed rollers 121a to 122b. In this way, the printed printing paper P is sequentially sent to the paper receiving unit 116 and stacked on the paper receiving unit 116.

なお、印刷用紙Pの搬送方向について最も上流側にある液体吐出ヘッド2とニップローラ138との間には、紙面センサ133が設置されている。紙面センサ133は、発光素子および受光素子によって構成され、搬送経路上の印刷用紙Pの先端位置を検出することができる。紙面センサ133による検出結果は制御部100に送られる。制御部100は
、紙面センサ133から送られた検出結果により、印刷用紙Pの搬送と画像の印刷とが同期するように、液体吐出ヘッド2や搬送モータ174等を制御することができる。
Note that a paper surface sensor 133 is installed between the liquid ejection head 2 and the nip roller 138 that are the most upstream in the transport direction of the printing paper P. The paper surface sensor 133 includes a light emitting element and a light receiving element, and can detect the leading end position of the printing paper P on the transport path. The detection result by the paper surface sensor 133 is sent to the control unit 100. The control unit 100 can control the liquid ejection head 2, the conveyance motor 174, and the like so that the conveyance of the printing paper P and the printing of the image are synchronized based on the detection result sent from the paper surface sensor 133.

次に本発明の液体吐出ヘッドを構成するヘッド本体13について説明する。図2は、図1に示されたヘッド本体13を示す平面図である。図3は、図2の一点鎖線で囲まれた領域の拡大平面図であり、ヘッド本体13の一部である。図3では、説明のため、一部の流路を省略して描いている。図4は、図3と同じ位置の拡大平面図であり、図3とは別の一部の流路を省略して描いている。なお、図3および図4において、図面を分かり易くするために、圧電アクチュエータ基板21の下方にあって破線で描くべき加圧室10(加圧室群9)、しぼり12および吐出孔8などを実線で描いている。図5(a)は、図3のV−V線に沿った縦断面図であり、図5(b)は同部分の平面図である。   Next, the head main body 13 constituting the liquid discharge head of the present invention will be described. FIG. 2 is a plan view showing the head main body 13 shown in FIG. FIG. 3 is an enlarged plan view of a region surrounded by a one-dot chain line in FIG. 2 and is a part of the head main body 13. In FIG. 3, for the sake of explanation, some of the flow paths are omitted. FIG. 4 is an enlarged plan view at the same position as FIG. 3, and a part of the flow path different from FIG. 3 is omitted. 3 and 4, in order to make the drawings easy to understand, the pressurizing chamber 10 (pressurizing chamber group 9), the squeezing chamber 12, the discharge hole 8, and the like that are to be drawn by broken lines below the piezoelectric actuator substrate 21 are illustrated. It is drawn with solid lines. FIG. 5A is a longitudinal sectional view taken along line VV in FIG. 3, and FIG. 5B is a plan view of the same part.

ヘッド本体13は、平板状の流路部材(固定部材)4と、流路部材4上に、圧電アクチュエータ基板21とを有している。圧電アクチュエータ基板21は台形形状を有しており、その台形の1対の平行対向辺が流路部材4の長手方向に平行になるように流路部材4の上面に配置されている。また、流路部材4の長手方向に平行な2本の仮想直線のそれぞれに沿って2つずつ、つまり合計4つの圧電アクチュエータ基板21が、全体として千鳥状に流路部材4上に配列されている。流路部材4上で隣接し合う圧電アクチュエータ基板21の斜辺同士は、流路部材4の短手方向について部分的にオーバーラップしている。このオーバーラップしている部分の圧電アクチェータ基板21を駆動することにより印刷される領域では、2つの圧電アクチュエータ基板21により吐出された液滴が混在して着弾することになる。   The head body 13 has a flat plate-like flow path member (fixing member) 4 and a piezoelectric actuator substrate 21 on the flow path member 4. The piezoelectric actuator substrate 21 has a trapezoidal shape, and is disposed on the upper surface of the flow path member 4 so that a pair of parallel opposing sides of the trapezoid is parallel to the longitudinal direction of the flow path member 4. In addition, two piezoelectric actuator substrates 21 are arranged on the flow path member 4 as a whole in a zigzag manner, two along each of the two virtual straight lines parallel to the longitudinal direction of the flow path member 4. Yes. The oblique sides of the piezoelectric actuator substrates 21 adjacent to each other on the flow path member 4 partially overlap in the short direction of the flow path member 4. In the area printed by driving the overlapping piezoelectric actuator substrate 21, the droplets ejected by the two piezoelectric actuator substrates 21 are mixed and landed.

流路部材4の内部には液体流路の一部であるマニホールド5が形成されている。マニホールド5は流路部材4の長手方向に沿って延び細長い形状を有しており、流路部材4の上面にはマニホールド5の開口5bが形成されている。開口5bは、流路部材4の長手方向に平行な2本の直線(仮想線)のそれぞれに沿って5個ずつ、合計10個形成されている。開口5bは、4つの圧電アクチュエータ基板21が配置された領域を避ける位置に形成されている。マニホールド5には開口5bを通じて図示されていない液体タンクから液体が供給されるようになっている。   A manifold 5 that is a part of the liquid flow path is formed inside the flow path member 4. The manifold 5 has an elongated shape extending along the longitudinal direction of the flow path member 4, and an opening 5 b of the manifold 5 is formed on the upper surface of the flow path member 4. A total of ten openings 5 b are formed along each of two straight lines (imaginary lines) parallel to the longitudinal direction of the flow path member 4. The opening 5b is formed at a position that avoids a region where the four piezoelectric actuator substrates 21 are disposed. The manifold 5 is supplied with liquid from a liquid tank (not shown) through the opening 5b.

流路部材4内に形成されたマニホールド5は、複数本に分岐している(分岐した部分のマニホールド5を副マニホールド5aということがある)。開口5bに繋がるマニホールド5は、圧電アクチュエータ基板21の斜辺に沿うように延在しており、流路部材4の長手方向と交差して配置されている。2つの圧電アクチュエータ基板21に挟まれた領域では、1つのマニホールド5が、隣接する圧電アクチュエータ基板21に共有されており、副マニホールド5aがマニホールド5の両側から分岐している。これらの副マニホールド5aは、流路部材4の内部の各圧電アクチュエータ基板21に対向する領域に互いに隣接してヘッド本体13の長手方向に延在している。   The manifold 5 formed in the flow path member 4 is branched into a plurality of branches (the manifold 5 at the branched portion may be referred to as a sub-manifold 5a). The manifold 5 connected to the opening 5 b extends along the oblique side of the piezoelectric actuator substrate 21 and is disposed so as to intersect with the longitudinal direction of the flow path member 4. In the region sandwiched between the two piezoelectric actuator substrates 21, one manifold 5 is shared by the adjacent piezoelectric actuator substrates 21, and the sub-manifold 5 a is branched from both sides of the manifold 5. These sub-manifolds 5 a extend in the longitudinal direction of the head main body 13 adjacent to each other in regions facing the piezoelectric actuator substrates 21 inside the flow path member 4.

流路部材4は、複数の加圧室10がマトリクス状(すなわち、2次元的かつ規則的)に形成されている4つの加圧室群9を有している。加圧室10は、角部にアールが施されたほぼ菱形の平面形状を有する中空の領域である。加圧室10は流路部材4の上面に開口するように形成されている。これらの加圧室10は、流路部材4の上面における圧電アクチュエータ基板21に対向する領域のほぼ全面にわたって配列されている。したがって、これらの加圧室10によって形成された各加圧室群9は圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の形状の領域を占有している。また、各加圧室10の開口は、流路部材4の上面に圧電アクチュエータ基板21が接着されることで閉塞されている。   The flow path member 4 has four pressure chamber groups 9 in which a plurality of pressure chambers 10 are formed in a matrix (that is, two-dimensionally and regularly). The pressurizing chamber 10 is a hollow region having a substantially rhombic planar shape with rounded corners. The pressurizing chamber 10 is formed so as to open on the upper surface of the flow path member 4. These pressurizing chambers 10 are arranged over almost the entire surface of the upper surface of the flow path member 4 facing the piezoelectric actuator substrate 21. Accordingly, each pressurizing chamber group 9 formed by these pressurizing chambers 10 occupies a region having substantially the same shape as the piezoelectric actuator substrate 21. Further, the opening of each pressurizing chamber 10 is closed by adhering the piezoelectric actuator substrate 21 to the upper surface of the flow path member 4.

本実施形態では、図3に示されているように、マニホールド5は、流路部材4の短手方
向に互いに平行に並んだ4列のE1〜E4の副マニホールド5aに分岐し、各副マニホールド5aに繋がった加圧室10は、等間隔に流路部材4の長手方向に並ぶ加圧室10の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に4列配列されている。副マニホールド5aに繋がった加圧室10の並ぶ列は副マニホールド5aの両側に2列ずつ配列されている。
In the present embodiment, as shown in FIG. 3, the manifold 5 branches into four rows of E1-E4 sub-manifolds 5a arranged in parallel with each other in the short direction of the flow path member 4, and each sub-manifold The pressurizing chambers 10 connected to 5a constitute a row of the pressurizing chambers 10 arranged in the longitudinal direction of the flow path member 4 at equal intervals, and the four rows are arranged in parallel to each other in the lateral direction. Two rows of the pressure chambers 10 connected to the sub-manifold 5a are arranged on both sides of the sub-manifold 5a.

全体では、マニホールド5から繋がる加圧室10は、等間隔に流路部材4の長手方向に並ぶ加圧室10の列を構成し、その列は、短手方向に互いに平行に16列配列されている。各加圧室列に含まれる加圧室10の数は、アクチュエータである変位素子50の外形形状に対応して、その長辺側から短辺側に向かって次第に少なくなるように配置されている。吐出孔8もこれと同様に配置されている。これによって、全体として長手方向に600dpiの解像度で画像形成が可能となっている。すなわち、各副マニホールド5aには平均すれば150dpiに相当する間隔で個別流路32が接続されている。これは、600dpi分の吐出孔8を4つ列の副マニホールド5aに分けて繋ぐ設計をする際に、各副マニホールド5aに繋がる個別流路32が等しい間隔で繋がるとは限らないため、マニホールド5aの延在方向、すなわち主走査方向に平均170μm(150dpiならば25.4mm/150=169μm間隔である)以下の間隔で個別流路32が形成されているということである。   As a whole, the pressurizing chambers 10 connected from the manifold 5 constitute rows of the pressurizing chambers 10 arranged in the longitudinal direction of the flow path member 4 at equal intervals, and the rows are arranged in 16 rows parallel to each other in the short side direction. ing. The number of pressurizing chambers 10 included in each pressurizing chamber row is arranged so as to gradually decrease from the long side toward the short side corresponding to the outer shape of the displacement element 50 that is an actuator. . The discharge holes 8 are also arranged in the same manner. As a result, it is possible to form an image with a resolution of 600 dpi in the longitudinal direction as a whole. That is, the individual flow paths 32 are connected to each sub-manifold 5a at intervals corresponding to 150 dpi on average. This is because when the discharge holes 8 for 600 dpi are divided and connected to the four sub-manifolds 5a, the individual flow paths 32 connected to the sub-manifolds 5a are not always connected at equal intervals. In other words, the individual flow paths 32 are formed at intervals of an average of 170 μm (25.4 mm / 150 = 169 μm intervals if 150 dpi) in the main scanning direction.

圧電アクチュエータ基板21の上面における各加圧室10に対向する位置には後述する駆動電極35がそれぞれ形成されている。駆動電極35は加圧室10より一回り小さく、加圧室10とほぼ相似な形状を有しており、圧電アクチュエータ基板21の上面における加圧室10と対向する領域内に収まるように配置されている。   Drive electrodes 35 to be described later are formed at positions facing the pressurizing chambers 10 on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21. The drive electrode 35 is slightly smaller than the pressurizing chamber 10, has a shape substantially similar to the pressurizing chamber 10, and is disposed so as to be within a region facing the pressurizing chamber 10 on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21. ing.

流路部材4の下面の液体吐出面には多数の吐出孔8が形成されている。これらの吐出孔8は、流路部材4の下面側に配置された副マニホールド5aと対向する領域を避けた位置に配置されている。また、これらの吐出孔8は、流路部材4の下面側における圧電アクチュエータ基板21と対向する領域内に配置されている。これらの吐出孔群7は圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の形状の領域を占有しており、対応する圧電アクチュエータ基板21の変位素子50を変位させることにより吐出孔8から液滴が吐出できる。吐出孔8の配置については後で詳述する。そして、それぞれの領域内の吐出孔8は、流路部材4の長手方向に平行な複数の直線に沿って等間隔に配列されている。   A large number of discharge holes 8 are formed in the liquid discharge surface on the lower surface of the flow path member 4. These discharge holes 8 are arranged at positions avoiding the area facing the sub-manifold 5a arranged on the lower surface side of the flow path member 4. Further, these discharge holes 8 are arranged in a region facing the piezoelectric actuator substrate 21 on the lower surface side of the flow path member 4. These discharge hole groups 7 occupy regions having substantially the same shape as the piezoelectric actuator substrate 21, and droplets can be discharged from the discharge holes 8 by displacing the corresponding displacement elements 50 of the piezoelectric actuator substrate 21. The arrangement of the discharge holes 8 will be described in detail later. The discharge holes 8 in each region are arranged at equal intervals along a plurality of straight lines parallel to the longitudinal direction of the flow path member 4.

ヘッド本体13に含まれる流路部材4は、複数のプレートが積層された積層構造を有している。これらのプレートは、流路部材4の上面から順に、キャビティプレート22、ベースプレート23、アパーチャ(しぼり)プレート24、サプライプレート25、26、マニホールドプレート27、28、29、カバープレート30およびノズルプレート31である。これらのプレートには多数の孔が形成されている。各プレートは、これらの孔が互いに連通して個別流路32および副マニホールド5aを構成するように、位置合わせして積層されている。ヘッド本体13は、図5(a)に示されているように、加圧室10は流路部材4の上面に、副マニホールド5aは内部の下面側に、吐出孔8は下面にと、個別流路32を構成する各部分が異なる位置に互いに近接して配設され、加圧室10を介して副マニホールド5aと吐出孔8とが繋がる構成を有している。   The flow path member 4 included in the head body 13 has a stacked structure in which a plurality of plates are stacked. These plates are a cavity plate 22, a base plate 23, an aperture (squeezing) plate 24, supply plates 25 and 26, manifold plates 27, 28 and 29, a cover plate 30 and a nozzle plate 31 in order from the upper surface of the flow path member 4. is there. A number of holes are formed in these plates. Each plate is aligned and laminated so that these holes communicate with each other to form the individual flow path 32 and the sub-manifold 5a. As shown in FIG. 5A, the head main body 13 is individually provided with the pressurizing chamber 10 on the upper surface of the flow path member 4, the sub-manifold 5a on the inner lower surface side, and the discharge holes 8 on the lower surface. Each part constituting the flow path 32 is disposed close to each other at different positions, and the sub-manifold 5 a and the discharge hole 8 are connected via the pressurizing chamber 10.

各プレートに形成された孔について説明する。これらの孔には、次のようなものがある。第1に、キャビティプレート22に形成された加圧室10である。第2に、加圧室10の一端から副マニホールド5aへと繋がる流路を構成する連通孔である。この連通孔は、ベースプレート23(詳細には加圧室10の入り口)からサプライプレート25(詳細には副マニホールド5aの出口)までの各プレートに形成されている。なお、この連通孔には、アパーチャプレート24に形成されたしぼり12と、サプライプレート25、26に形成された個別供給流路6とが含まれている。   The holes formed in each plate will be described. These holes include the following. First, the pressurizing chamber 10 formed in the cavity plate 22. Secondly, there is a communication hole that constitutes a flow path that connects from one end of the pressurizing chamber 10 to the sub-manifold 5a. This communication hole is formed in each plate from the base plate 23 (specifically, the inlet of the pressurizing chamber 10) to the supply plate 25 (specifically, the outlet of the sub-manifold 5a). The communication hole includes the aperture 12 formed in the aperture plate 24 and the individual supply flow path 6 formed in the supply plates 25 and 26.

第3に、加圧室10の他端から吐出孔8へと連通する流路を構成する連通孔であり、この連通孔は、以下の記載においてディセンダ(部分流路)と呼称される。ディセンダは、ベースプレート23(詳細には加圧室10の出口)からノズルプレート31(詳細には吐出孔8)までの各プレートに形成されている。第4に、副マニホールド5aを構成する連通孔である。この連通孔は、マニホールドプレート27〜30に形成されている。   Third, there is a communication hole constituting a flow path communicating from the other end of the pressurizing chamber 10 to the discharge hole 8, and this communication hole is referred to as a descender (partial flow path) in the following description. The descender is formed on each plate from the base plate 23 (specifically, the outlet of the pressurizing chamber 10) to the nozzle plate 31 (specifically, the discharge hole 8). Fourthly, there is a communication hole constituting the sub-manifold 5a. The communication holes are formed in the manifold plates 27-30.

このような連通孔が相互に繋がり、副マニホールド5aからの液体の流入口(副マニホールド5aの出口)から吐出孔8に至る個別流路32を構成している。副マニホールド5aに供給された液体は、以下の経路で吐出孔8から吐出される。まず、副マニホールド5aから上方向に向かって、個別供給流路6を通り、しぼり12の一端部に至る。次に、しぼり12の延在方向に沿って水平に進み、しぼり12の他端部に至る。そこから上方に向かって、加圧室10の一端部に至る。さらに、加圧室10の延在方向に沿って水平に進み、加圧室10の他端部に至る。そこから少しずつ水平方向に移動しながら、主に下方に向かい、下面に開口した吐出孔8へと進む。   Such communication holes are connected to each other to form an individual flow path 32 extending from the liquid inflow port (the outlet of the submanifold 5a) from the submanifold 5a to the discharge hole 8. The liquid supplied to the sub-manifold 5a is discharged from the discharge hole 8 through the following path. First, from the sub-manifold 5a, it passes through the individual supply flow path 6 and reaches one end of the aperture 12. Next, it proceeds horizontally along the extending direction of the aperture 12 and reaches the other end of the aperture 12. From there, it reaches one end of the pressurizing chamber 10 upward. Furthermore, it progresses horizontally along the extending direction of the pressurizing chamber 10 and reaches the other end of the pressurizing chamber 10. While moving little by little in the horizontal direction from there, it proceeds mainly downward and proceeds to the discharge hole 8 opened in the lower surface.

圧電アクチュエータ基板21は、図5に示されるように、2枚の圧電セラミック層21a、21bからなる積層構造を有している。これらの圧電セラミック層21a、21bはそれぞれ20μm程度の厚さを有している。圧電アクチュエータ基板21全体の厚さは40μm程度である。圧電セラミック層21a、21bのいずれの層も複数の加圧室10を跨ぐように延在している(図3参照)。これらの圧電セラミック層21a、21bは、強誘電性を有するニオブ酸カリウムナトリウム(KNN)系のセラミックス材料からなる。圧電セラミック層21bにおいて、個別電極本体35a直下の部位である駆動部51と他の部位とは、少し異なる組成となっている。これについては、後で詳述する。   As shown in FIG. 5, the piezoelectric actuator substrate 21 has a laminated structure including two piezoelectric ceramic layers 21a and 21b. Each of these piezoelectric ceramic layers 21a and 21b has a thickness of about 20 μm. The total thickness of the piezoelectric actuator substrate 21 is about 40 μm. Each of the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b extends so as to straddle the plurality of pressure chambers 10 (see FIG. 3). These piezoelectric ceramic layers 21a and 21b are made of a potassium sodium niobate (KNN) ceramic material having ferroelectricity. In the piezoelectric ceramic layer 21b, the drive portion 51, which is a portion immediately below the individual electrode main body 35a, has a slightly different composition. This will be described in detail later.

圧電アクチュエータ基板21は、Ag−Pd系などの金属材料からなる共通電極34、Au系などの金属材料からなる駆動電極35を有している。駆動電極35は上述のように圧電アクチュエータ基板21の上面における加圧室10と対向する位置に配置されている。駆動電極35の一端は、加圧室10と対向する領域外に引き出されて接続電極36が形成されている。接続電極36は例えばガラスフリットを含む金からなり、厚さが15μm程度で凸状に形成されている。また、接続電極36は、図示されていないFPC(Flexible Printed Circuit)に設けられた電極と電気的に接合されている。詳細は後述するが、駆動電極35には、制御部100からFPCを通じて駆動信号(駆動電圧)が供給される。駆動信号は、印刷媒体Pの搬送速度と同期して一定の周期で供給される。   The piezoelectric actuator substrate 21 has a common electrode 34 made of a metal material such as Ag—Pd and a drive electrode 35 made of a metal material such as Au. The drive electrode 35 is disposed at a position facing the pressurizing chamber 10 on the upper surface of the piezoelectric actuator substrate 21 as described above. One end of the drive electrode 35 is drawn out of a region facing the pressurizing chamber 10 to form a connection electrode 36. The connection electrode 36 is made of, for example, gold containing glass frit, and has a convex shape with a thickness of about 15 μm. The connection electrode 36 is electrically joined to an electrode provided in an FPC (Flexible Printed Circuit) (not shown). Although details will be described later, a drive signal (drive voltage) is supplied to the drive electrode 35 from the control unit 100 through the FPC. The drive signal is supplied in a constant cycle in synchronization with the conveyance speed of the print medium P.

共通電極34は、圧電セラミック層21aと圧電セラミック層21bとの間の領域に面方向のほぼ全面にわたって形成されている。すなわち、共通電極34は、圧電アクチュエータ基板21に対向する領域内の全ての加圧室10を覆うように延在している。共通電極34の厚さは2μm程度である。共通電極34は図示しない領域において接地され、グランド電位に保持されている。本実施形態では、圧電セラミック層21b上において、駆動電極35からなる電極群を避ける位置に駆動電極35とは異なる表面電極(不図示)が形成されている。表面電極は、圧電セラミック層21bの内部に形成されたスルーホールを介して共通電極34と電気的に接続されているとともに、多数の駆動電極35と同様に、FPC上の別の電極と接続されている。   The common electrode 34 is formed over almost the entire surface in the area between the piezoelectric ceramic layer 21a and the piezoelectric ceramic layer 21b. That is, the common electrode 34 extends so as to cover all the pressurizing chambers 10 in the region facing the piezoelectric actuator substrate 21. The thickness of the common electrode 34 is about 2 μm. The common electrode 34 is grounded in a region not shown, and is held at the ground potential. In the present embodiment, a surface electrode (not shown) different from the drive electrode 35 is formed on the piezoelectric ceramic layer 21b at a position avoiding the electrode group composed of the drive electrodes 35. The surface electrode is electrically connected to the common electrode 34 through a through hole formed in the piezoelectric ceramic layer 21b, and is connected to another electrode on the FPC, like the many drive electrodes 35. ing.

図5(a)に示されるように、共通電極34と駆動電極35とは、最上層の圧電セラミック層21bのみを挟むように配置されている。圧電セラミック層21bにおける駆動電極35と共通電極34とに挟まれた領域は活性部と呼称され、その部分の圧電セラミックスには厚み方向に分極が施されている。本実施形態の圧電アクチュエータ基板21においては、最上層の圧電セラミック層21bのみが活性部を含んでおり、圧電セラミック21
aは活性部を含んでおらず、振動板として働く。この圧電アクチュエータ基板21はいわゆるユニモルフタイプの構成を有している。
As shown in FIG. 5A, the common electrode 34 and the drive electrode 35 are disposed so as to sandwich only the uppermost piezoelectric ceramic layer 21b. A region sandwiched between the drive electrode 35 and the common electrode 34 in the piezoelectric ceramic layer 21b is called an active portion, and the piezoelectric ceramic in that portion is polarized in the thickness direction. In the piezoelectric actuator substrate 21 of the present embodiment, only the uppermost piezoelectric ceramic layer 21b includes an active portion, and the piezoelectric ceramic 21
a does not include an active part and functions as a diaphragm. The piezoelectric actuator substrate 21 has a so-called unimorph type configuration.

なお、後述のように、駆動電極35に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この駆動電極35に対応する加圧室10内の液体に圧力が加えられる。これによって、個別流路32を通じて、対応する吐出孔8から液滴が吐出される。すなわち、圧電アクチュエータ基板21における各加圧室10に対向する部分は、各加圧室10および吐出孔8に対応する個別の変位素子50に相当する。つまり、2枚の圧電セラミック層からなる積層体中には、図5に示されているような構造を単位構造とする変位素子50が加圧室10毎に、加圧室10の直上に位置する振動板21a、共通電極34、圧電セラミック層21b、駆動電極35により作り込まれており、圧電アクチュエータ基板21には変位素子50が複数含まれている。なお、本実施形態において1回の吐出動作によって吐出孔8から吐出される液体の量は5〜7pL(ピコリットル)程度である。   As will be described later, when a predetermined drive signal is selectively supplied to the drive electrode 35, pressure is applied to the liquid in the pressurizing chamber 10 corresponding to the drive electrode 35. As a result, droplets are discharged from the corresponding discharge holes 8 through the individual flow paths 32. That is, the portion of the piezoelectric actuator substrate 21 that faces each pressure chamber 10 corresponds to the individual displacement element 50 corresponding to each pressure chamber 10 and the discharge hole 8. That is, in the laminate composed of two piezoelectric ceramic layers, the displacement element 50 having a unit structure as shown in FIG. 5 is positioned immediately above the pressurizing chamber 10 for each pressurizing chamber 10. The diaphragm 21a, the common electrode 34, the piezoelectric ceramic layer 21b, and the drive electrode 35 are formed. The piezoelectric actuator substrate 21 includes a plurality of displacement elements 50. In the present embodiment, the amount of liquid discharged from the discharge hole 8 by one discharge operation is about 5 to 7 pL (picoliter).

多数の駆動電極35は、個別に電位を制御することができるように、それぞれがFPC上のコンタクトおよび配線を介して、個別にアクチュエータ制御手段に電気的に接続されている。   The multiple drive electrodes 35 are individually electrically connected to the actuator control means via contacts and wirings on the FPC so that the potentials can be individually controlled.

本実施形態における圧電アクチュエータ基板21の液体吐出時の駆動方法の一例を、駆動電極35に供給される駆動電圧(駆動信号)に関して説明する。駆動電極35を共通電極34と異なる電位にして圧電セラミック層21bに対してその分極方向に電界を印加したとき、この電界が印加された部分が、圧電効果により歪む活性部として働く。この時、圧電セラミック層21bは、その厚み方向すなわち積層方向に伸長または収縮し、圧電横効果により積層方向と垂直な方向すなわち面方向には収縮または伸長しようとする。一方、残りの圧電セラミック層21aは、駆動電極35と共通電極34とに挟まれた領域を持たない非活性層であるので、自発的に変形しない。つまり、圧電アクチュエータ基板21は、上側(つまり、加圧室10とは離れた側)の圧電セラミック層21bを、活性部を含む層とし、かつ下側(つまり、加圧室10に近い側)の圧電セラミック層21aを非活性層とした、いわゆるユニモルフタイプの構成となっている。   An example of a driving method at the time of liquid ejection of the piezoelectric actuator substrate 21 in the present embodiment will be described with respect to a driving voltage (driving signal) supplied to the driving electrode 35. When the drive electrode 35 is set to a potential different from that of the common electrode 34 and an electric field is applied to the piezoelectric ceramic layer 21b in the polarization direction, the portion to which the electric field is applied functions as an active portion that is distorted by the piezoelectric effect. At this time, the piezoelectric ceramic layer 21b expands or contracts in the thickness direction, that is, the stacking direction, and tends to contract or extend in the direction perpendicular to the stacking direction, that is, the plane direction due to the piezoelectric lateral effect. On the other hand, since the remaining piezoelectric ceramic layer 21a is an inactive layer that does not have a region sandwiched between the drive electrode 35 and the common electrode 34, it does not spontaneously deform. That is, the piezoelectric actuator substrate 21 has the piezoelectric ceramic layer 21b on the upper side (that is, the side away from the pressurizing chamber 10) as a layer including the active portion and the lower side (that is, the side close to the pressurizing chamber 10). This piezoceramic layer 21a is a so-called unimorph type structure having an inactive layer.

この構成において、電界と分極とが同方向となるように、アクチュエータ制御部により駆動電極35を共通電極34に対して正または負の所定電位とすると、圧電セラミック層21bの電極に挟まれた部分(活性部)が、面方向に収縮する。一方、非活性層の圧電セラミック層21aは電界の影響を受けないため、自発的には縮むことがなく活性部の変形を規制しようとする。この結果、圧電セラミック層21bと圧電セラミック層21aとの間で分極方向への歪みに差が生じて、圧電セラミック層21bは加圧室10側へ凸となるように変形(ユニモルフ変形)する。   In this configuration, when the drive electrode 35 is set to a predetermined positive or negative potential with respect to the common electrode 34 by the actuator controller so that the electric field and the polarization are in the same direction, a portion sandwiched between the electrodes of the piezoelectric ceramic layer 21b. (Active part) contracts in the surface direction. On the other hand, the piezoelectric ceramic layer 21a, which is an inactive layer, is not affected by an electric field, so that it does not spontaneously shrink and tries to restrict deformation of the active portion. As a result, there is a difference in strain in the polarization direction between the piezoelectric ceramic layer 21b and the piezoelectric ceramic layer 21a, and the piezoelectric ceramic layer 21b is deformed so as to protrude toward the pressurizing chamber 10 (unimorph deformation).

本実施形態における液体吐出時(変位)の駆動は引き打ちと呼ばれるものであり、その駆動を、図6を用いて説明する。図6(a)は、図5(a)の要部の部分断面図であり、より少ない要素で構成されている本発明の圧電アクチュエータの実施形態である。図6は、断面図であるが、図を分かりやすくするため、断面であることを示すハッチングは、図6(a)の一部だけに付けた。この圧電アクチュエータは、加圧室となる開口部10を有する、流路部材4の一部である固定部材(プレート22)の上に積層されている振動板(圧電セラミック層21a)と、振動板の上に積層されている圧電体層(圧電セラミック層21b)と、開口部10に位置している圧電体層を挟むように配置されている1対の電極(個別電極本体35aと共通電極34)を含んでいる。   The driving at the time of liquid ejection (displacement) in this embodiment is called “strike”, and the driving will be described with reference to FIG. FIG. 6A is a partial cross-sectional view of the main part of FIG. 5A, which is an embodiment of the piezoelectric actuator of the present invention configured with fewer elements. Although FIG. 6 is a cross-sectional view, for easy understanding of the drawing, hatching indicating the cross-section is attached to only a part of FIG. This piezoelectric actuator has a diaphragm (piezoelectric ceramic layer 21a) laminated on a fixed member (plate 22) which is a part of the flow path member 4 and has an opening 10 serving as a pressurizing chamber, and a diaphragm. And a pair of electrodes (individual electrode main body 35a and common electrode 34) disposed so as to sandwich the piezoelectric layer (piezoelectric ceramic layer 21b) laminated on the piezoelectric layer and the piezoelectric layer located in the opening 10. ) Is included.

開口部10上に位置している圧電セラミック層21a、21bは、固定部材(流路部材4)に固定されていないため、比較的自由に変位可能になっている。開口部10上に位置
している(すなわち、平面視して重なっている)圧電セラミック層21bには、個別電極本体35aと共通電極34とに挟まれている駆動部51と、個別電極本体35aと共通電極34とに挟まれていない非駆動部52とが存在している。
Since the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b located on the opening 10 are not fixed to the fixing member (flow path member 4), they can be displaced relatively freely. The piezoelectric ceramic layer 21b located on the opening 10 (that is, overlapped in plan view) includes a driving unit 51 sandwiched between the individual electrode body 35a and the common electrode 34, and the individual electrode body 35a. And a non-driving unit 52 that is not sandwiched between the common electrodes 34 exists.

駆動部51は、共通電極34と駆動電極35との間に電圧を加えた際に、その電圧により直接的に圧電変形する部位である。非駆動部52は、電圧により直接圧電変形するわけではないが、駆動部51が圧電変形する影響を受けて変形する。   The drive unit 51 is a part that undergoes piezoelectric deformation directly by a voltage applied between the common electrode 34 and the drive electrode 35. The non-driving unit 52 is not directly piezoelectrically deformed by voltage, but is deformed by the influence of the piezoelectric deformation of the driving unit 51.

電圧が加わっていない場合、図6(b)のように変形がない状態である。引き打ちでは、まず、図6(c)のように、予め駆動電圧を与えた状態で待機をする。駆動部51は圧電アクチュエータ基板21の平面方向に縮み、積層されている圧電セラミック層21aよりも短くなるため変位素子50は、下側に凸に変形する。次に、電圧を加えるのを止める(もしくは、より低い電圧にする)と、図6(b)の、変位のない(もしくは変位のより小さい)状態となる。これにより、流路内の液体には吐出孔8から加圧室10に向かう方向の圧力波が生じる。次にこの圧力波がしぼり12で反射して、吐出孔8へ向かって帰ってくるタイミングに合うように、駆動電圧が加えられる。これにより、変位素子50は、再度下側に凸に変形し、図6(c)の状態となる。この変形により生じた圧力波が前述の反射してきた圧力波と合わさって吐出孔8に向かい、液滴が吐出される。   When no voltage is applied, there is no deformation as shown in FIG. In the strike, first, as shown in FIG. 6C, a standby is performed in a state where a drive voltage is applied in advance. The drive unit 51 contracts in the planar direction of the piezoelectric actuator substrate 21 and becomes shorter than the laminated piezoelectric ceramic layer 21a, so that the displacement element 50 is deformed in a convex manner downward. Next, when the application of voltage is stopped (or a lower voltage is applied), the state of no displacement (or smaller displacement) shown in FIG. 6B is obtained. Thereby, a pressure wave in a direction from the discharge hole 8 toward the pressurizing chamber 10 is generated in the liquid in the flow path. Next, a drive voltage is applied so as to match the timing when the pressure wave is reflected by the aperture 12 and returns toward the ejection hole 8. As a result, the displacement element 50 is again deformed downward to be in the state of FIG. The pressure wave generated by this deformation is combined with the reflected pressure wave, and the liquid droplet is discharged toward the discharge hole 8.

図6(c)の状態では変位素子50が変位することにより、駆動部51と非駆動部52の境界付近の圧電セラミック層21bには、積層方向に直交する方向であり、変位素子50の形状の外周と直交する方向である方向に、図に矢印で示したような引張り応力が加わっている。上述のような駆動波形を加え続けると、図6(b)と図6(c)との状態を繰り返すことになり、駆動部51と非駆動部52の境界付近の圧電セラミック層21bは、繰り返し加わる引張り応力により、しだいに平面方向に引き伸ばされた状態に変形していく。   In the state of FIG. 6C, the displacement element 50 is displaced, so that the piezoelectric ceramic layer 21 b near the boundary between the drive unit 51 and the non-drive unit 52 is in a direction orthogonal to the stacking direction, and the shape of the displacement element 50 A tensile stress as indicated by an arrow in the figure is applied in a direction perpendicular to the outer periphery of the sheet. If the drive waveform as described above is continuously applied, the states of FIG. 6B and FIG. 6C are repeated, and the piezoelectric ceramic layer 21b near the boundary between the drive unit 51 and the non-drive unit 52 repeats. Due to the applied tensile stress, it gradually transforms into a state stretched in the plane direction.

図6(d)は、駆動部51と非駆動部52の境界付近の圧電セラミック層21bが変形して引き伸ばされた変位素子50であり、電圧が加わっていない状態である。電圧が加わっていないにもかかわらず、引き伸ばされた形状に変形しているため、変位素子50が下側に変形してしまっている。以降、このよう変形を残留変形と言うことがある。   FIG. 6D shows the displacement element 50 in which the piezoelectric ceramic layer 21b near the boundary between the drive unit 51 and the non-drive unit 52 is deformed and stretched, and is in a state where no voltage is applied. Although the voltage is not applied, the displacement element 50 is deformed downward because it is deformed into an elongated shape. Hereinafter, such deformation may be referred to as residual deformation.

初期の圧電アクチュエータの変位量は、図6(b)の状態から図6(c)の状態へ変わる量である。これに対して、非常に多くの駆動を繰り返した後と、駆動部51と非駆動部52の境界付近の圧電セラミック層21bが変形して引き伸ばされた状態の圧電アクチュエータの変位量は、図6(d)の状態から図6(c)の状態へ変わる量となってしまう。つまり、駆動を繰り返した後の変位量が、初期に比べて小さくなってしまう。これが駆動劣化である。駆動劣化が生じると、圧電アクチュエータを液滴の吐出に使用していた場合、同じ駆動波形を加えても、液滴の吐出速度が遅くなったり、液適量が少なくなったりする。   The initial displacement amount of the piezoelectric actuator is an amount that changes from the state of FIG. 6B to the state of FIG. On the other hand, the displacement amount of the piezoelectric actuator after a very large number of drivings and after the piezoelectric ceramic layer 21b near the boundary between the driving unit 51 and the non-driving unit 52 is deformed and stretched is shown in FIG. The amount changes from the state of (d) to the state of FIG. 6 (c). That is, the amount of displacement after repeated driving becomes smaller than the initial amount. This is drive deterioration. When drive deterioration occurs, when the piezoelectric actuator is used for ejecting droplets, even if the same drive waveform is applied, the droplet ejection speed is reduced or the appropriate amount of liquid is reduced.

駆動劣化の割合を小さくするために、駆動部51と非駆動部52(より詳細には、非駆動部52の開口部10の外周上の部位)とで圧電体の組成を異ならせる。具体的には、圧電セラミック層21bの基本的な組成をKNN系とし、駆動部51にはMn、Cu、Crのいずれかを含有させ、それらの元素の割合を、非駆動52より駆動部51の方が多くなるようにする。非駆動部52は、それらの元素を含まなくてもよいし、駆動部51より少ない量含んでもよい。   In order to reduce the rate of drive deterioration, the composition of the piezoelectric body is made different between the drive unit 51 and the non-drive unit 52 (more specifically, the portion on the outer periphery of the opening 10 of the non-drive unit 52). Specifically, the basic composition of the piezoelectric ceramic layer 21 b is KNN, and the drive unit 51 contains any of Mn, Cu, and Cr, and the ratio of these elements is determined by the drive unit 51 from the non-drive 52. To be more. The non-driving unit 52 may not include those elements, or may include a smaller amount than the driving unit 51.

具体的な組成の割合は次の通りである。Mnを添加する場合は、駆動部51におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するMnのMnO換算の割合をMN1[質量部]、開口部
10の外周上の非駆動部52におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するMnのMnO換算の割合をMN2[質量部]としたとき、2.5≦MN1−MN2≦25の範囲内とする。Cuを添加する場合は、駆動部51におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するCuのCuO換算の割合をCU1[質量部]、開口部10の外周上の非駆動部52におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するCuのCuO換算の割合をCU2[質量部]としたとき、2.5≦CU1−CU2≦25の範囲内とする。Crを添加する場合は、駆動部51におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するCrのCr換算の割合をCR1[質量部]、開口部10の外周上の非駆動部52におけるニオブ酸カリウムナトリウムに対するCrのCr換算の割合をCR2[質量部]としたとき、1.25≦CR1−CR2≦15の範囲内とする。なお、ここで非駆動部52における組成割合を、開口部10の外周上の部位と比較したのは、非駆動部52の内側の駆動部51に近い部位では、Mn、Cu、Crの組成割合が駆動部51と同様に高くなっていてもよいからである。そのような実施形態については後述する。
Specific composition ratios are as follows. When adding Mn, the ratio of Mn to MnO in terms of potassium sodium niobate in the drive unit 51 is MN1 [parts by mass], and Mn in terms of Mn to potassium sodium niobate in the non-drive unit 52 on the outer periphery of the opening 10 is calculated. When the ratio is MN2 [parts by mass], the range is 2.5 ≦ MN1-MN2 ≦ 25. In the case of adding Cu, the CuO equivalent ratio of Cu with respect to potassium sodium niobate in the drive unit 51 is CU1 [parts by mass], and Cu is CuO equivalent to potassium sodium niobate in the non-drive part 52 on the outer periphery of the opening 10. When the ratio is CU2 [parts by mass], the range is 2.5 ≦ CU1-CU2 ≦ 25. When adding Cr, the Cr 2 O 3 equivalent ratio of Cr to potassium sodium niobate in the drive unit 51 is CR1 [parts by mass], and Cr in the non-drive unit 52 on the outer periphery of the opening 10 is Cr with respect to potassium sodium niobate. When the ratio in terms of Cr 2 O 3 is CR2 [parts by mass], the range is 1.25 ≦ CR1−CR2 ≦ 15. Here, the composition ratio in the non-driving part 52 was compared with the part on the outer periphery of the opening 10 because the composition ratio of Mn, Cu, Cr in the part close to the driving part 51 inside the non-driving part 52. This is because, as in the case of the drive unit 51, it may be higher. Such an embodiment will be described later.

ここでニオブ酸カリウムナトリウムとは、組成式(K1−xNa)NbOで表されて、圧電特性を示すものであり、具体的には前記組成式で0.3≦x≦0.7の範囲内のものである。さらにリチウムを含んだニオブ酸カリウムナトリウムリチウムであって、組成式((K1−xNa1−yLi)NbOで、0.3≦x≦0.7、0.03≦y≦0.1の範囲内のものでもよい。圧電セラミック層21bは、基本的に上述のニオブ酸カリウムナトリウムとMn、Cu、Crの酸化物とで構成されているが、他の成分を含んでもよい。圧電セラミック層21bにおける、ニオブ酸カリウムナトリウムとMn、Cu、Crの酸化物と合量の割合は、80質量%以上であるのがよく、さらに90質量%以上、特に95質量%以上であるのがよい。また、ニオブ酸カリウムナトリウムが主成分であるとは、上述の組成式の成分が圧電セラミック層21bの60質量%以上、特に75質量%以上であることを言う。 Here, potassium sodium niobate is represented by a composition formula (K 1-x Na x ) NbO 3 and exhibits piezoelectric characteristics. Specifically, in the composition formula, 0.3 ≦ x ≦ 0. It is within the range of 7. Furthermore, lithium sodium potassium niobate containing lithium having the composition formula ((K 1−x Na x ) 1−y Li y ) NbO 3 , 0.3 ≦ x ≦ 0.7, 0.03 ≦ y It may be within the range of ≦ 0.1. The piezoelectric ceramic layer 21b is basically composed of the above-mentioned potassium sodium niobate and oxides of Mn, Cu, and Cr, but may contain other components. The ratio of the total amount of potassium sodium niobate and the oxides of Mn, Cu, and Cr in the piezoelectric ceramic layer 21b is preferably 80% by mass or more, more preferably 90% by mass or more, particularly 95% by mass or more. Is good. Moreover, that potassium sodium niobate is a main component means that the component of the above composition formula is 60% by mass or more, particularly 75% by mass or more of the piezoelectric ceramic layer 21b.

駆動部51に、Mn、Cu、Crを含むと、繰り返し変形させても、図6(d)に示すような残留変形が生じ難い。ここで、残留変形と、電圧を加えた際の圧電変形との違いについて、改めて説明する。電圧を加えた際の変形は、ほとんど弾性変形である。そのため圧電セラミック層21bのコンプライアンスが大きければ変位が大きくなり、コンプライアンスが小さければ変位が小さくなる。駆動劣化が起きる、すなわち残留変形が生じるということは、電圧を加えた際の変形は、ほとんど弾性変形であるが、わずかに非弾性変形して、その分の変形が残ると考えられる。つまり、1回圧電変形でさせる、非常にわずかではあるが非弾性変形が生じ、その分圧電セラミック層21bが引き伸ばされる。この非常にわずかな非弾性変形が徐々に蓄積し、1億回といった多くに圧電変形の後では、残留変形として観測可能なものなると考えられる。なお、このような残留変形は、圧電セラミック層21bが開口部10よりも大きく広がっている場合に生じやすいため、本発明は、そのような圧電アクチュエータに対してより有効である。特に、複数の圧電アクチュエータが並んで設けられており、圧電セラミック層21bが複数の圧電アクチュエータに渡って存在している場合、両側から引っ張られるようになることで非弾性変形が生じやすいため、そのような圧電アクチュエータに対してさらに有効である。   If the drive unit 51 contains Mn, Cu, and Cr, even if it is repeatedly deformed, residual deformation as shown in FIG. Here, the difference between residual deformation and piezoelectric deformation when a voltage is applied will be described again. Deformation when voltage is applied is almost elastic deformation. Therefore, if the compliance of the piezoelectric ceramic layer 21b is large, the displacement becomes large, and if the compliance is small, the displacement becomes small. When drive deterioration occurs, that is, residual deformation occurs, the deformation when a voltage is applied is almost elastic deformation, but it is considered that the deformation is slightly inelastically deformed. That is, a very small amount of inelastic deformation is caused by one piezoelectric deformation, and the piezoelectric ceramic layer 21b is stretched by that amount. It is considered that this very slight inelastic deformation gradually accumulates and can be observed as residual deformation after piezoelectric deformation as many as 100 million times. Such residual deformation is likely to occur when the piezoelectric ceramic layer 21b is larger than the opening 10, and the present invention is more effective for such a piezoelectric actuator. In particular, when a plurality of piezoelectric actuators are provided side by side and the piezoelectric ceramic layer 21b exists across the plurality of piezoelectric actuators, inelastic deformation is likely to occur due to being pulled from both sides. It is further effective for such a piezoelectric actuator.

非弾性変形の生じ易さと、材料物性あるいは材料組成との関係は詳細に分かっていないが、非弾性変形は、結晶格子レベルでみれば、変形させて歪んだ格子が元と異なる(準)安定状態に変形してしまい、元の格子の状態に戻らないことによって生じると考えられる。したがって、非弾性変形の生じ易さは、弾性変形の生じ易さを示すコンプライアンスとは異なった要因で決まるものであり、コンプライアンスの数値の傾向とは異なる傾向を示すと考えられる。   The relationship between the tendency of inelastic deformation and the material properties or material composition is not known in detail. However, in terms of the inelastic deformation, the deformed and distorted lattice differs from the original (quasi-stable) at the crystal lattice level. This is considered to be caused by the deformation to the state and not returning to the original lattice state. Therefore, the ease of occurrence of inelastic deformation is determined by factors different from the compliance indicating the ease of occurrence of elastic deformation, and is considered to exhibit a tendency different from the trend of numerical values of compliance.

駆動部51に、Mn、Cu、Crのいずれかを含有させることで、駆動部51において
非弾性変形が生じ難くなり、駆動劣化を生じさせ難くできる。一方これらの元素は、KNN系組成において、コンプライアンスを低くするため、非駆動部52においてコンプライアンスが低くなることで、初期の変位量が小さくなってしまう。これに対しては、非駆動部52(の外周部)で、Mn、Cu、Crの含有量を、駆動部51における含有量よりも少なくすることで、初期の変位量を大きくすることができる。
By including any of Mn, Cu, and Cr in the drive unit 51, inelastic deformation hardly occurs in the drive unit 51, and drive deterioration can hardly occur. On the other hand, since these elements lower the compliance in the KNN-based composition, the initial displacement amount is reduced due to the lower compliance in the non-driving unit 52. On the other hand, the amount of initial displacement can be increased by reducing the contents of Mn, Cu, and Cr in the non-driving part 52 (outer peripheral part) from the contents in the driving part 51. .

つまり、駆動部51と非駆動部52とで、Mn、Cu、Crの含有量の差を上述の範囲の下限値以上にすることで、初期の変位量を大きくすることができる。また、Mn、Cu、Crの含有量の差を上述の範囲の上限値以下にすることにより、駆動部51の圧電定数が低くなりすぎて、変位量が小さくなることが起こり難くできる。非駆動部52(の外周部)は、Mn、Cu、Crの酸化物の割合は少ない方は好ましい。その割合は、具体的には、ニオブ酸カリウムナトリウムの1質量部以下であるのがよく、不純物レベルの量であるのがよりこの好ましい。   That is, the initial displacement amount can be increased by setting the difference in the contents of Mn, Cu, and Cr between the driving unit 51 and the non-driving unit 52 to be equal to or greater than the lower limit value of the above range. Further, by setting the difference in the contents of Mn, Cu, and Cr to be equal to or less than the upper limit of the above range, the piezoelectric constant of the drive unit 51 becomes too low, and the displacement amount can hardly be reduced. The non-driving portion 52 (the outer peripheral portion thereof) is preferably one having a smaller ratio of Mn, Cu, and Cr oxides. Specifically, the ratio is preferably 1 part by mass or less of potassium sodium niobate, and more preferably an impurity level.

なお、圧電セラミック層21bの、開口部10より外側の部位については、その物性が変位量などに与える影響は、駆動部51および非駆動部52と比較して相対的に低くなるので、Mn、Cu、Crの含有量はどのようなものでもかまわない。ただし、弾性変形しやすい方が、わずかに変位量が大きくなるのと考えられるので、Mn、Cu、Crの含有量が少ない、もしくは含有しない非駆動部52と同様の組成であることが好ましい。   In addition, since the influence of the physical properties on the displacement amount and the like of the portion outside the opening 10 of the piezoelectric ceramic layer 21b is relatively lower than that of the driving unit 51 and the non-driving unit 52, Mn, Any content of Cu and Cr may be used. However, since it is considered that the amount of displacement is slightly larger when elastic deformation is likely to occur, the composition is preferably the same as that of the non-driving unit 52 with little or no content of Mn, Cu, and Cr.

ここで、本発明の他の実施形態の圧電アクチュエータを、図7を用いて説明する。図7の圧電アクチュエータの基本的な構成は、図5(b)および図6(a)で示したものと同じであり、各部に同じ符号を用いることで説明を省略する。   Here, a piezoelectric actuator according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The basic configuration of the piezoelectric actuator of FIG. 7 is the same as that shown in FIG. 5B and FIG. 6A, and the description thereof is omitted by using the same reference numerals for each part.

図7の圧電アクチュエータでは、Mn、Cu、Crの含有量の多い(添加物)添加領域53が、駆動部51の周囲に、駆動部51よりも外側に広がっている。添加領域53は非駆動部52全体に広がってはおらず、非駆動部52の開口部10の外周上に位置する部位は、添加物が加えられていない(もしくは添加量が少ない)非添加領域54となっている。駆動部51と非駆動部52との境界付近の非駆動部52は、駆動部51と同様に非弾性変形することにより駆動劣化を起こすので、駆動部51と同様にMn、Cu、Crの含有量を多くするのが好ましい。一方、その部分のコンプライアンスが高くなるので初期の変位量がわずかに小さくなるが、駆動劣化をより小さくすることができる。   In the piezoelectric actuator of FIG. 7, an additive region 53 with a large content of Mn, Cu, and Cr extends around the drive unit 51 to the outside of the drive unit 51. The addition region 53 does not extend over the entire non-driving portion 52, and the portion located on the outer periphery of the opening 10 of the non-driving portion 52 is not added with an additive (or has a small addition amount). It has become. The non-driving part 52 near the boundary between the driving part 51 and the non-driving part 52 causes drive deterioration due to inelastic deformation similarly to the driving part 51, so that it contains Mn, Cu, Cr as in the driving part 51. It is preferable to increase the amount. On the other hand, since the compliance of the portion becomes high, the initial displacement is slightly reduced, but the drive deterioration can be further reduced.

非駆動部52中の添加領域53の割合が大きくなると、初期の変位量もより小さくなるので、その割合は、20%以上55%以下であることが好ましい。添加領域53におけるMn、Cu、Crの含有量は、駆動部51における含有量と同様の範囲にすればよい。   When the ratio of the added region 53 in the non-driving unit 52 increases, the initial displacement amount also decreases. Therefore, the ratio is preferably 20% or more and 55% or less. The contents of Mn, Cu, and Cr in the addition region 53 may be set in the same range as the content in the drive unit 51.

以上のような圧電アクチュエータは、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電セラミック層21a、21bとなる複数のグリーンシートを作製する。グリーンシートの一部には、その表面に共通電極34となる電極ペーストを印刷等により形成する。   The piezoelectric actuator as described above is manufactured as follows, for example. A tape composed of a piezoelectric ceramic powder and an organic composition is formed by a general tape forming method such as a roll coater method or a slit coater method, and a plurality of green sheets that become piezoelectric ceramic layers 21a and 21b after firing are produced. . An electrode paste to be the common electrode 34 is formed on a part of the green sheet by printing or the like.

続いて、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、焼成し、圧電アクチュエータ素体を作製する。その後、添加領域53の位置にMn、Cu、Crの酸化物を含むペーストを印刷する。印刷量は、添加領域53の直下の圧電セラミック層21bにMn、Cu、Crが拡散した後に、圧電セラミック層21bにおけるMn、Cu、Crの添加量が所定の範囲内になるように調整される。印刷した後、焼成することにより、Mn、Cu、Crは圧電セラミック層21b内に拡散する。   Then, each green sheet is laminated | stacked, a laminated body is produced, it bakes, and a piezoelectric actuator element | base_body is produced. Thereafter, a paste containing oxides of Mn, Cu, and Cr is printed at the position of the addition region 53. The amount of printing is adjusted so that the added amount of Mn, Cu, and Cr in the piezoelectric ceramic layer 21b is within a predetermined range after Mn, Cu, and Cr are diffused in the piezoelectric ceramic layer 21b immediately below the added region 53. . By printing and firing, Mn, Cu, and Cr diffuse into the piezoelectric ceramic layer 21b.

続いて、Agペーストを用いて圧電アクチュエータ素体表面に個別電極35を印刷した後、焼成し、圧電アクチュエータ基板21を作製した。なお、Mn、Cu、Crの酸化物ペースト印刷、焼成する代わりに、個別電極35となるAgペーストにMn、Cu、Crの酸化物を加えておき、Agペーストからそれら元素を圧電セラミック層21bに拡散させてもよい。   Subsequently, the individual electrode 35 was printed on the surface of the piezoelectric actuator element body using Ag paste, and then fired to produce the piezoelectric actuator substrate 21. Instead of printing and baking oxide pastes of Mn, Cu, and Cr, oxides of Mn, Cu, and Cr are added to the Ag paste that becomes the individual electrode 35, and these elements are transferred from the Ag paste to the piezoelectric ceramic layer 21b. It may be diffused.

さらに、固定部材である、開口部10を有する金属製のプレート22と圧電アクチュエータ基板21とを接着積層すれば、圧電アクチュエータを作製することができる。   Furthermore, a piezoelectric actuator can be manufactured by bonding and laminating a metal plate 22 having an opening 10 as a fixing member and a piezoelectric actuator substrate 21.

まず、評価用の圧電アクチュエータを作製した。評価用の圧電アクチュエータは、基本的な構造は図2〜5に示したものと同じであるが、加圧室10がプレート31まで開口しており、液体を吐出することはできないが、プレート31側からレーザードップラー変位計により、変位素子50の変位が測定できるようにしたものである。   First, a piezoelectric actuator for evaluation was produced. The basic structure of the piezoelectric actuator for evaluation is the same as that shown in FIGS. 2 to 5, but the pressurizing chamber 10 is open to the plate 31 and cannot discharge liquid. The displacement of the displacement element 50 can be measured from the side by a laser Doppler displacement meter.

圧電セラミック層21a、21bに用いる圧電材料は、組成式で(K0.47Na0.47Li0.06)NbOとなるように、NaCO,KCO,LiCO,Nbの各粉末を調合した。調合した原料は、水もしくはイソプロパノールとジルコニアボールとともにポットに入れて混合した。混合した原料は、いったん乾燥した後、900℃で仮焼した。仮焼した原料は、水もしくはイソプロパノールとジルコニアボールとともにポットに入れて解砕した。この粉末を用いてスラリーを作成し、このスラリーから、成形方法としてロールコータ法を採用して、グリーンシートを作製した。 The piezoelectric material used piezoelectric ceramic layers 21a, and 21b, as will become a composition formula as (K 0.47 Na 0.47 Li 0.06) NbO 3, Na 2 CO 3, K 2 CO 3, Li 2 CO 3 , Nb 2 O 5 powders were prepared. The prepared raw materials were mixed in a pot together with water or isopropanol and zirconia balls. The mixed raw material was once dried and then calcined at 900 ° C. The calcined raw material was crushed by putting it in a pot together with water or isopropanol and zirconia balls. A slurry was prepared using the powder, and a green sheet was prepared from the slurry by employing a roll coater method as a forming method.

次いで、Ag−Pd合金を含む導体ペーストを用いたスクリーン印刷法により、グリーンシートの表面に、共通電極34となる電極パターンを形成した。次いで、このグリーンシートに印刷をしていないグリーンシートを積層した後、1050℃の温度で焼成して圧電アクチュエータ素体を得た。得られた圧電アクチュエータ素体の圧電セラミック層21a、21bの厚みは1層あたり約20μmであった。   Next, an electrode pattern to be the common electrode 34 was formed on the surface of the green sheet by a screen printing method using a conductive paste containing an Ag—Pd alloy. Next, green sheets that were not printed were laminated on the green sheets and then fired at a temperature of 1050 ° C. to obtain a piezoelectric actuator element body. The thickness of the piezoelectric ceramic layers 21a and 21b of the obtained piezoelectric actuator body was about 20 μm per layer.

圧電セラミック層21bに、Mn、Cu、Crのいずれかを添加するサンプルについては、MnO、CuO、Crの粉末を含んだペーストを所定のパターンで印刷した。また、印刷量(印刷厚み)を変えたサンプル作成することで、圧電セラミック層21bに対する添加量を変えた。印刷後、1000℃で焼成して、それら元素を圧電セラミック層21bに拡散させた。焼成後には印刷されたパターンは視認できず、全量が圧電セラミック層21bに拡散したと考えられる。 For the sample in which any of Mn, Cu, and Cr was added to the piezoelectric ceramic layer 21b, a paste containing MnO, CuO, and Cr 2 O 3 powder was printed in a predetermined pattern. Moreover, the addition amount with respect to the piezoelectric ceramic layer 21b was changed by producing the sample which changed printing amount (printing thickness). After printing, firing was performed at 1000 ° C. to diffuse these elements into the piezoelectric ceramic layer 21b. It is considered that the printed pattern was not visible after firing, and the entire amount was diffused into the piezoelectric ceramic layer 21b.

次いで、圧電アクチュエータ素体の表面に、個別電極35となるAuを含む導体ペーストを、スクリーン印刷でマトリックス状のパターンで印刷した。なお、Mn、Cu、Crを拡散させたサンプルについては、それらの酸化物ペーストを印刷した位置と同じ位置に導体ペーストを印刷した。印刷した圧電アクチュエータ素体を700℃で焼成して、個別電極35を焼き付けて、圧電アクチュエータ基板21を作製した。   Next, a conductor paste containing Au to be the individual electrodes 35 was printed on the surface of the piezoelectric actuator element body in a matrix pattern by screen printing. In addition, about the sample which diffused Mn, Cu, and Cr, the conductor paste was printed in the same position as the position where those oxide pastes were printed. The printed piezoelectric actuator body was baked at 700 ° C., and the individual electrodes 35 were baked to produce the piezoelectric actuator substrate 21.

次いで金属性のプレートを接着積層して作製した流路部材4(固定部材)の開口部10に、個別電極35の位置を合わせて接着積層した。その後、個別電極35と共通電極35との間に直流電圧を加えて、駆動部51の圧電セラミック層21bを分極して、圧電アクチュエータを作製した。   Next, the position of the individual electrode 35 was aligned and laminated to the opening 10 of the flow path member 4 (fixing member) produced by bonding and laminating metallic plates. Thereafter, a direct-current voltage was applied between the individual electrode 35 and the common electrode 35 to polarize the piezoelectric ceramic layer 21b of the drive unit 51, thereby producing a piezoelectric actuator.

各サンプルは、初期の変位量を測定した後、2kHzのパルス波形を加えて駆動劣化を生じさせ、所定サイクルの駆動後に変位量を測定した。なお、周波数を2kHzとしたことで、印刷にしようされる20〜40kHz程度の駆動波形に対して、1/10程度のサ
イクル数で駆動劣化が生じていると考えられる。得られた結果を表1に示す。なお、劣化率は、初期の変位量に対して、100億サイクル後の変位量が低下した割合である。
For each sample, after measuring the initial amount of displacement, a pulse waveform of 2 kHz was added to cause drive deterioration, and the amount of displacement was measured after driving for a predetermined cycle. In addition, it is thought that drive deterioration has arisen by the cycle number of about 1/10 with respect to the drive waveform of about 20-40 kHz used for printing by setting the frequency to 2 kHz. The obtained results are shown in Table 1. The deterioration rate is a ratio of the displacement amount after 10 billion cycles to the initial displacement amount.

Figure 2015009370
Figure 2015009370

表の記載内容の詳細は次の通りである。「駆動部の添加量」および「非駆動部(外周上)の添加量」は、印刷した各酸化物の全量が、印刷したパターンの直下の圧電セラミック層21bに拡散した際のニオブ酸カリウムナトリウム(リチウム)成分100質量部に対する割合である。実際には、個別電極35側の濃度が高くなっていると考えられるので、ここで示した値は、その平均値となる。   Details of the contents of the table are as follows. The “addition amount of the driving portion” and “addition amount of the non-driving portion (on the outer periphery)” are the potassium sodium niobate when the total amount of each printed oxide diffuses into the piezoelectric ceramic layer 21b immediately below the printed pattern. It is a ratio with respect to 100 parts by mass of the (lithium) component. Actually, since the concentration on the individual electrode 35 side is considered to be high, the value shown here is an average value thereof.

「(添加物)添加領域面積」は、各酸化物が添加されて、その濃度が高くなっている領域(添加領域53)の面積である。この面積は、圧電アクチュエータ基板21の表面において、各酸化物の含有量の濃度が半分となるところを境界とした面積である。   The “(additive) added region area” is an area of a region (added region 53) in which each oxide is added and its concentration is increased. This area is an area with a boundary where the concentration of each oxide content is halved on the surface of the piezoelectric actuator substrate 21.

「非駆動部中の添加領域の面積割合」は、非駆動部52に存在する添加領域53の面積の割合である。(添加領域53の面積−駆動部51面積)/非駆動部52の面積で算出できる。なお、駆動部51の面積は、0.104mm、非駆動部52の面積は0.056mmである。 The “area ratio of the additive region in the non-driving part” is a ratio of the area of the additive region 53 existing in the non-driving part 52. It can be calculated by (area of added region 53−area of driving unit 51) / area of non-driving unit 52. The area of the drive unit 51 is 0.104 mm 2 , and the area of the non-drive unit 52 is 0.056 mm 2 .

本発明の範囲内の圧電アクチュエータである、試料No.3〜11、13〜18および20〜25は、本発明の範囲外の圧電アクチュエータである、酸化物を添加していない試料No.1、および各酸化物を駆動部51と非駆動部52とに同じ割合で添加した試料N
o.2、12、19に対して劣化利率が小さくなっており、駆動劣化し難くなっていた。
Sample No. which is a piezoelectric actuator within the scope of the present invention. 3 to 11, 13 to 18, and 20 to 25 are piezoelectric actuators outside the scope of the present invention, sample Nos. To which no oxide was added. 1 and sample N in which each oxide is added to the driving unit 51 and the non-driving unit 52 in the same ratio
o. The deterioration rate was small with respect to 2, 12, and 19, and the driving deterioration was difficult.

また、Mn含有量の差(MN1−MN2)が2.5質量部以上20質量部以下である試料No.3〜6および8〜12では、試料No.1に対して初期の変位量も大きくなった。Cu含有量の差(CU1−CU2)が2.5質量部以上20質量部以下である試料No.14、15、17および18では、試料No.1に対して初期の変位量も大きくなった。Cr含有量の差(CR1−CR2)が2.5質量部以上10質量部以下である試料No.21、24および25では、試料No.1に対して初期の変位量も大きくなった。   Further, Sample No. in which the difference in Mn content (MN1-MN2) is 2.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less. In samples 3-6 and 8-12, sample no. The initial displacement amount was larger than 1. Sample No. in which the difference in Cu content (CU1-CU2) is 2.5 parts by mass or more and 20 parts by mass or less. In samples 14, 15, 17 and 18, sample no. The initial displacement amount was larger than 1. Sample No. whose Cr content difference (CR1-CR2) is 2.5 parts by mass or more and 10 parts by mass or less. 21, 24 and 25, sample no. The initial displacement amount was larger than 1.

さらに、Mn含有量の差(MN1−MN2)が10質量部である試料No,5および8〜11を比較すると、非駆動部中の添加領域の面積割合が20〜55%である試料No.5、9および10では、面積割合が0%の試料No.8よりも駆動劣化し難くなった。CuおよびCrを添加した試料においても、上述の面積割合の範囲内の試料の方が、面積割合が0%の試料よりも駆動劣化し難くなった。   Further, when comparing Sample Nos. 5 and 8 to 11 in which the difference in Mn content (MN1 to MN2) is 10 parts by mass, the sample No. In Nos. 5, 9, and 10, sample Nos. With an area ratio of 0% Drive deterioration is less likely than in 8. Also in the sample to which Cu and Cr were added, the sample within the range of the area ratio described above was less likely to be driven and deteriorated than the sample having the area ratio of 0%.

1・・・プリンタ
2・・・液体吐出ヘッド
4・・・流路部材(固定部材)
5・・・マニホールド
5a・・・副マニホールド
5b・・・開口
6・・・個別供給流路
8・・・吐出孔
9・・・加圧室群
10・・・加圧室(開口部)
11a、b、c、d・・・加圧室列
12・・・しぼり
15a、b、c、d・・・吐出孔列
21・・・圧電アクチュエータ基板
21a・・・圧電セラミック層(振動板)
21b・・・圧電セラミック層
22〜31・・・プレート
32・・・個別流路
34・・・共通電極
35・・・駆動電極
36・・・接続電極
50・・・変位素子
51・・・駆動部
52・・・非駆動部
53・・・(添加物)添加領域
54・・・(添加物)非添加領域
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Printer 2 ... Liquid discharge head 4 ... Channel member (fixing member)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 5 ... Manifold 5a ... Sub manifold 5b ... Opening 6 ... Individual supply flow path 8 ... Discharge hole 9 ... Pressurizing chamber group 10 ... Pressurizing chamber (opening part)
11a, b, c, d ... pressurization chamber row 12 ... squeezing 15a, b, c, d ... discharge hole row 21 ... piezoelectric actuator substrate 21a ... piezoelectric ceramic layer (vibrating plate)
21b ... Piezoelectric ceramic layer 22-31 ... Plate 32 ... Individual flow path 34 ... Common electrode 35 ... Drive electrode 36 ... Connection electrode 50 ... Displacement element 51 ... Drive Part 52... Non-driving part 53... (Additive) added region 54... (Additive) non-added region

Claims (6)

開口部を有する固定部材と、
前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、
前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、
前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と
を含む圧電アクチュエータであって、
平面視したときに、
前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、
前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはMnが含まれており、
前記駆動部における前記主成分100質量部に対するMnのMnO換算の割合をMN1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するMnのMnO換算の割合をMN2[質量部]としたとき、2.5≦MN1−MN2≦25であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A fixing member having an opening;
A diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening;
A piezoelectric layer laminated on the diaphragm so as to cover the opening;
A pair of electrodes disposed so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening,
When viewed in plan,
In the portion of the piezoelectric layer that overlaps with the opening, there is a drive unit that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive unit that is not sandwiched between the pair of electrodes,
The non-driving part is disposed along the outer periphery of the opening,
The piezoelectric layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving unit contains Mn.
The ratio of Mn converted to MnO with respect to 100 parts by mass of the main component in the driving unit is MN1 [parts by mass], and the ratio of Mn to MnO with respect to 100 parts by mass of the main component in the non-driving unit on the outer periphery of the opening. A piezoelectric actuator characterized by satisfying 2.5 ≦ MN1-MN2 ≦ 25 when MN2 [part by mass].
開口部を有する固定部材と、
前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、
前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、
前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と
を含む圧電アクチュエータであって、
平面視したときに、
前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、
前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはCuが含まれており、
前記駆動部における前記主成分100質量部に対するCuのCuO換算の割合をCU1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するCuのCuO換算の割合をCU2[質量部]としたとき、2.5≦CU1−CU2≦25であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A fixing member having an opening;
A diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening;
A piezoelectric layer laminated on the diaphragm so as to cover the opening;
A pair of electrodes disposed so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening,
When viewed in plan,
In the portion of the piezoelectric layer that overlaps with the opening, there is a drive unit that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive unit that is not sandwiched between the pair of electrodes,
The non-driving part is disposed along the outer periphery of the opening,
The piezoelectric layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving unit includes Cu.
The ratio of Cu to CuO equivalent to 100 parts by mass of the main component in the driving part is CU1 [parts by mass], and the ratio of Cu to CuO equivalent to 100 parts by mass of the main ingredient in the non-driving part on the outer periphery of the opening. A piezoelectric actuator characterized by satisfying 2.5 ≦ CU1-CU2 ≦ 25 when CU2 [parts by mass].
開口部を有する固定部材と、
前記開口部を覆うように前記固定部材の上に積層されている振動板と、
前記開口部を覆うように前記振動板の上に積層されている圧電体層と、
前記開口部上に位置している前記圧電体層を挟むように配置されている一対の電極と
を含む圧電アクチュエータであって、
平面視したときに、
前記圧電体層の、前記開口部と重なっている部位には、前記一対の電極に挟まれている駆動部と、前記一対の電極に挟まれていない非駆動部とが存在しており、
前記非駆動部は、前記開口部の外周に沿って配置されており、
前記圧電体層は、ニオブ酸カリウムナトリウムを主成分とするともに、少なくとも前記駆動部にはCrが含まれており、
前記駆動部における前記主成分100質量部に対するCrのCr換算の割合をCR1[質量部]、前記開口部の外周上の前記非駆動部における前記主成分100質量部に対するCrのCr換算の割合をCR2[質量部]としたとき、1.25≦CR1−CR2≦15であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
A fixing member having an opening;
A diaphragm laminated on the fixing member so as to cover the opening;
A piezoelectric layer laminated on the diaphragm so as to cover the opening;
A pair of electrodes disposed so as to sandwich the piezoelectric layer located on the opening,
When viewed in plan,
In the portion of the piezoelectric layer that overlaps with the opening, there is a drive unit that is sandwiched between the pair of electrodes and a non-drive unit that is not sandwiched between the pair of electrodes,
The non-driving part is disposed along the outer periphery of the opening,
The piezoelectric layer is mainly composed of potassium sodium niobate, and at least the driving portion includes Cr.
The ratio of Cr in terms of Cr 2 O 3 with respect to 100 parts by mass of the main component in the drive unit is CR1 [parts by mass], and Cr 2 of Cr with respect to 100 parts by mass of the main component in the non-drive unit on the outer periphery of the opening. A piezoelectric actuator characterized by satisfying 1.25 ≦ CR1−CR2 ≦ 15 when the ratio in terms of O 3 is CR2 [parts by mass].
平面視したとき、前記非駆動部のうち、前記駆動部を囲んでいる、前記非駆動部の面積に対して20%以上55%以下の領域が前記駆動部と同様の組成であることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電アクチュエータ。   When viewed in a plan view, a region of the non-driving portion that surrounds the driving portion and that is 20% to 55% of the area of the non-driving portion has the same composition as the driving portion. The piezoelectric actuator according to claim 1. 請求項1〜4のいずれかに記載の圧電アクチュエータを複数有しており、複数の前記開口部にそれぞれ繋がっている複数の吐出孔を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。   5. A liquid discharge head comprising a plurality of piezoelectric actuators according to claim 1, comprising a plurality of discharge holes respectively connected to the plurality of openings. 6. 請求項5に記載の液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、複数の前記圧電アクチュエータを制御する制御部とを備えていることを特徴とする記録装置。
6. A recording apparatus comprising: the liquid discharge head according to claim 5; a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head; and a control unit that controls the plurality of piezoelectric actuators.
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