JP4831104B2 - Liquid pressure generation mechanism - Google Patents
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Description
本発明は、例えばインクジェットプリンタにおいてインク室に収容されたインクに圧力を付与するために用いられる液体圧力発生機構に関する。 The present invention relates to a liquid pressure generating mechanism used to apply pressure to ink accommodated in an ink chamber, for example, in an ink jet printer.
インクジェットヘッドにおいて圧力室に収容されたインクに圧力を付与するために用いられる液体圧力発生機構の一例として、ピエゾ方式が知られている(特許文献1、2)。図9に、ピエゾ方式の液体圧力発生機構をアクチュエータユニットとして有するインクジェットヘッドの断面図を示す。図9に描かれたインクジェットヘッド101においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号(グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる)により駆動されるアクチュエータユニット106と、インク流路を形成する流路ユニット107とが積層されている。アクチュエータユニット106と流路ユニット107は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。また、アクチュエータユニット106の上面には、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号を印加するためにフレキシブル配線基板(図示せず)等が接合されている。
A piezo method is known as an example of a liquid pressure generating mechanism used for applying pressure to ink stored in a pressure chamber in an inkjet head (Patent Documents 1 and 2). FIG. 9 shows a cross-sectional view of an ink jet head having a piezoelectric liquid pressure generating mechanism as an actuator unit. The
流路ユニット107は、金属材料からなる薄板状の3枚のプレート(キャビティプレート107a、スペーサプレート107b、マニホールドプレート107c)と、インクを噴射するノズル109を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート107dとが積層されることによって構成されている。最上部のキャビティプレート107aは、アクチュエータユニット106に接している。
The
キャビティプレート107aの表面には、アクチュエータユニット106の動作により選択的に噴射されるインクを収容する複数の圧力室110が長手方向に沿って2列に形成されている。複数の圧力室110は、隔壁110aによって相互に隔てられ、その長手方向を平行に並べて配列されている。また、スペーサプレート107bには、圧力室110の一端をノズル109に連通させる連通孔111と、圧力室110の他端を図示しないマニホールド流路に連通させる連通孔(図示せず)とがそれぞれ形成されている。
On the surface of the
また、マニホールドプレート107cには、圧力室110の一端をノズル109に連通させる連通孔113が形成されている。さらに、マニホールドプレート107cには、インクを各圧力室110に供給するマニホールド流路が複数の圧力室110がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。また、マニホールド流路の一端は、図示されないインク供給源に接続されている。このようにして、マニホールド流路から図示しない連通孔、圧力室110、連通孔111、連通孔113を経てノズル109に至るインク流路が形成されている。
The
アクチュエータユニット106においては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなる6枚の圧電セラミックスプレート106a〜106fが積層されている。そして、圧電セラミックスプレート106bと圧電セラミックスプレート106cとの間、及び、圧電セラミックスプレート106dと圧電セラミックスプレート106eとの間にはそれぞれ共通電極121、123が、流路ユニット107の圧力室110に対応した範囲内のみに配置されている。一方、圧電セラミックスプレート106cと圧電セラミックスプレート106dとの間、及び、圧電セラミックスプレート106eと圧電セラミックスプレート106fとの間にはそれぞれ個別電極122、124が、流路ユニット107の圧力室110に対応した範囲内にのみ配置されている。
In the
共通電極121、123は常にグランド電位に保持されている。一方、個別電極122、124には駆動パルス信号が与えられる。共通電極121、123と個別電極122、124とによって挟まれた圧電セラミックスプレート106c〜106eの当該挟まれた領域は予めこれら電極によって電界が印加されることによって積層方向に分極した活性部125となっている。そのため、個別電極122、124の電位が正の所定電位になると、圧電セラミックスプレート106c〜106eの活性部125は電界が印加されて積層方向に伸びようとする。ところが、圧電セラミックスプレート106a、106bにはこのような現象が現れないので、アクチュエータユニット106の活性部125に対応した部分は、全体として圧力室110側に伸びるように膨らむ。すると圧力室110の容積が小さくなるので、圧力室110内に充填されたインクに噴射圧力が付与されてノズル109からインクが噴射される。
The
図9に示された2つの圧力室110のうち左側は、このように個別電極122、124に正の所定電位が与えられて圧力室110側に伸びたアクチュエータユニット106によって圧力室110の容積が縮小することで、当該圧力室110に連通したノズル109からインクが噴射されようとする様子を描いたものである。また、右側は、駆動パルス信号が共通電極121、123の電位と同じくグランド電位に保持されているために、圧力室110に連通したノズル109からインクが噴射されない様子を描いたものである。
The left side of the two
また、特許文献3には、インクジェットヘッドのアクチュエータユニットとしていわゆるユニモルフ構造を有するピエゾ方式のアクチュエータユニットが記載されている。特許文献3に記載されたユニモルフ構造のアクチュエータユニットにおいては、厚み方向に分極された圧電素子からなる薄層を挟むように導電性皮膜と可撓板とが貼り合わされており、導電性皮膜と可撓板との間に電界が印加されると圧電素子の薄層が厚み方向に伸びることによって面方向に縮もうとする。すると、薄層は可撓板と共に可撓板側(即ち、圧力室側)に膨らむように湾曲する。そして、電界が解除されると、薄層及び可撓板は自身の持つ弾性により共に平らな状態に戻る。これにより、圧力室内のインクを噴射させることができる。
特許文献1〜3に記載されたアクチュエータユニットは、いずれも圧電素子の厚み方向に電界を印加することによって圧電素子を変形させるようにしているので、圧電素子が電極で挟み込まれた構造を有している必要がある。しかしながら、このような構造を有するアクチュエータユニットを得るためには複雑な製造工程が必要になって、アクチュエータユニットの製造コストが大きなものとなってしまう。 The actuator units described in Patent Documents 1 to 3 all have a structure in which the piezoelectric element is sandwiched between electrodes because the piezoelectric element is deformed by applying an electric field in the thickness direction of the piezoelectric element. Need to be. However, in order to obtain the actuator unit having such a structure, a complicated manufacturing process is required, and the manufacturing cost of the actuator unit is increased.
また、特許文献1、2に記載のアクチュエータユニットは、非常に薄い圧電素子の板状体を積層した構造になっているために板状体に微細なクラックが存在するとインク漏れなどのために隣接する電極同士がショートするなどの故障が発生しやすく、耐久性に問題がある。
In addition, the actuator units described in
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、比較的簡易な工程で製造可能であって、耐久性の高い液体圧力発生機構を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides a highly durable liquid pressure generating mechanism that can be manufactured by a relatively simple process.
本発明の液体圧力発生機構は、圧電材料からなる板状体と、前記板状体を貫通することなくその表面から厚み方向に延びるように前記板状体内に配置された第1の電極と、前記板状体の面方向について前記第1の電極と対向するように前記板状体の表面からその厚み方向に延びるように前記板状体内に配置された第2の電極とを備えた液体圧力発生機構であって、前記第1の電極と前記第2の電極は、それぞれ複数設けられており、これらは各々が円柱形状を有しており、さらに、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極は、交互に同心円環状に配置され、前記複数の第1の電極が配置されてできた円上では、前記複数の第1の電極が互いに間隔を空けて配置され、前記複数の第2の電極が配置されてできた円上では、前記複数の第2の電極が互いに間隔を空けて配置されており、同じ円上に配置される前記複数の第1の電極同士が、前記複数の第1の電極が配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の第1の金属配線を介して接続され、同じ円上に配置される前記複数の第2の電極同士が、前記複数の第2の電極が配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の第2の金属配線を介して接続され、前記第1の金属配線と前記第2の金属配線は同心円環状に配置されていることを特徴とする(請求項1)。 The liquid pressure generating mechanism of the present invention includes a plate-like body made of a piezoelectric material, a first electrode disposed in the plate-like body so as to extend in the thickness direction from the surface without penetrating the plate-like body, A liquid pressure comprising: a second electrode disposed in the plate-like body so as to extend in the thickness direction from the surface of the plate-like body so as to face the first electrode in the plane direction of the plate-like body. It is a generation | occurrence | production mechanism, Comprising: Each of the said 1st electrode and the said 2nd electrode is provided with two or more, These each have a column shape, Furthermore, the said some 1st electrode and the said some The second electrodes are alternately arranged in concentric rings, and on the circle formed by arranging the plurality of first electrodes, the plurality of first electrodes are arranged at intervals from each other. On the circle formed by arranging the second electrodes, the plurality of second electrodes In which the plurality of first electrodes arranged on the same circle have the same diameter as the circle formed by arranging the plurality of first electrodes. The plurality of second electrodes connected via a ring-shaped first metal wiring and arranged on the same circle have the same diameter as a circle formed by arranging the plurality of second electrodes. The first metal wiring and the second metal wiring are connected via an annular second metal wiring, and are arranged in a concentric ring shape (Claim 1).
この液体圧力発生機構によると、第1の電極が圧電材料からなる板状体を貫通していないので、第1の電極と第2の電極との間に電位差を与えると板状体の第1の電極と第2の電極とに挟まれた領域(以下、本明細書において「電極領域」ということがある)は面方向の電界が印加されることにより圧電作用により変形しようとするが、電極領域に対して板状体の厚み方向に隣接した第1の電極及び第2の電極が配置されていない領域(以下、本明細書において「非電極領域」ということがある)は電界が印加されず電極領域が面方向に伸びるのに抵抗する。その結果、板状体はその厚み方向に凹又は凸となるように変形する。そして、電界が解除されると、板状体は弾性により元の形状に戻る。このように動作することにより、液体に圧力を与えることが可能となる。 According to this liquid pressure generating mechanism, since the first electrode does not penetrate the plate-like body made of the piezoelectric material, if a potential difference is applied between the first electrode and the second electrode, the first electrode of the plate-like body is used. A region sandwiched between the first electrode and the second electrode (hereinafter sometimes referred to as an “electrode region” in this specification) tends to be deformed by a piezoelectric action by applying an electric field in a plane direction. An electric field is applied to a region where the first electrode and the second electrode adjacent to the region in the thickness direction of the plate-like body are not disposed (hereinafter, referred to as “non-electrode region” in this specification). Resist the electrode region extending in the surface direction. As a result, the plate-like body is deformed so as to be concave or convex in the thickness direction. When the electric field is released, the plate-like body returns to its original shape due to elasticity. By operating in this way, it is possible to apply pressure to the liquid.
本発明の液体圧力発生機構は、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極が配置されてできた円の中心から前記円に向かって延びる線上で、前記第1の電極と前記第2の電極が対向するように配置されてもよい(請求項2)。
本発明の液体圧力発生機構は、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極が配置されてできた円の中心には、前記第1の電極または前記第2の電極が配置されてもよい(請求項3)。
本発明の液体圧力発生機構は、前記第1の電極は、前記第1の金属配線を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる信号を付与される端子に接続され、前記第2の電極は、前記第2の金属配線を介して、グランド電位に保持された端子に接続され、前記第1の電極は、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極が配置されてできた円の中心に配置されてもよい(請求項4)。
本発明の液体圧力発生機構は、前記板状体は、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極が配置されてできた円を少なくとも3つ有しており、
中心から離れるにつれて、前記第1の電極と前記第2の電極が対向する部分が多くなるように構成されてもよい(請求項5)。
本発明の液体圧力発生機構は、前記板状体には、前記第1の電極及び前記第2の電極と同じ形状の凹部が形成されてもよい(請求項6)。
The liquid pressure generating mechanism of the present invention includes a first electrode and the second electrode on a line extending from a center of a circle formed by arranging the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes toward the circle. The second electrodes may be arranged so as to face each other (claim 2).
In the liquid pressure generating mechanism of the present invention, the first electrode or the second electrode is arranged at the center of a circle formed by arranging the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes. (Claim 3).
In the liquid pressure generating mechanism of the present invention, the first electrode is connected to a terminal to which a signal for selectively taking either a ground potential or a positive predetermined potential is applied via the first metal wiring. The second electrode is connected to a terminal held at a ground potential via the second metal wiring, and the first electrode includes the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes. It may be arranged at the center of a circle formed by arranging the electrodes.
In the liquid pressure generating mechanism of the present invention, the plate-like body has at least three circles formed by arranging the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes,
The distance between the first electrode and the second electrode may increase as the distance from the center increases (Claim 5).
In the liquid pressure generating mechanism of the present invention, a concave portion having the same shape as that of the first electrode and the second electrode may be formed in the plate-like body .
以上説明したように、本発明によると、板状体内にその厚みの途中まで第1の電極及び第2の電極を配置するという簡易な工程で容易に液体圧力発生装置を製造可能である。そのため、製造コストを低く抑えることができる。また、多数の板状体と電極とを積層した構造になっていないために、板状体に微細なクラックが存在してもインク漏れなどのために隣接する電極同士がショートするなどの故障が生じることが少なく、耐久性が高いものとなる。 As described above, according to the present invention, the liquid pressure generating device can be easily manufactured by a simple process of arranging the first electrode and the second electrode halfway through the thickness of the plate-like body. Therefore, the manufacturing cost can be kept low. In addition, since it does not have a structure in which a large number of plate-like bodies and electrodes are laminated, even if there are fine cracks in the plate-like body, there is a failure such as short-circuiting between adjacent electrodes due to ink leakage etc. It is less likely to occur and has high durability.
以下、図面を参照しつつ、本発明の好適な実施の形態を説明する。
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドについて説明する。図1は、本実施の形態に係るアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図2は、このインクジェットヘッドをその幅方向に沿って切断した部分断面図である。図1に示す圧電式のインクジェットヘッド1は、ほぼ直方体の流路ユニット7上にこれとほぼ同形状のアクチュエータユニット6が積層され、アクチュエータユニット6上に外部回路との接続のためのフレキシブルフラットケーブル又はフレキシブルプリント回路(FPC)(図示せず)が貼付されたものである。インクジェットヘッド1は、流路ユニット7の下面側に開口したノズル9から下向きにインクを噴射する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[First Embodiment]
An ink jet head including an actuator unit that is a liquid pressure generating mechanism according to a first embodiment of the present invention will be described. FIG. 1 is a partial cross-sectional view of an inkjet head including an actuator unit according to the present embodiment cut along the longitudinal direction. FIG. 2 is a partial cross-sectional view of the inkjet head cut along the width direction. The piezoelectric ink jet head 1 shown in FIG. 1 has an
流路ユニット7の上面には、上方に開口した多数の圧力室(インク収容室)10が設けられている。また、流路ユニット7の長手方向についての一端部近傍には、後述するマニホールド流路15にそれぞれ連通した一対の供給孔(図示せず)が穿設されている。これら供給孔は、インクカートリッジ(図示せず)から供給されるインク中の塵除去のためのフィルタ(図示せず)で覆われている。
A large number of pressure chambers (ink storage chambers) 10 opened upward are provided on the upper surface of the
図1及び図2に示すように、インクジェットヘッド1においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号(グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる)によりFPCを介して駆動されるアクチュエータユニット6と、インク流路を形成する流路ユニット7とが積層されている。アクチュエータユニット6と流路ユニット7は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。なお、FPC側の端子はアクチュエータユニット6側の対応する端子21a、22a、21b、22bと接続されている。
As shown in FIGS. 1 and 2, the inkjet head 1 is driven through an FPC by a drive pulse signal (selectively taking either a ground potential or a positive predetermined potential) generated by a drive circuit (not shown). The
流路ユニット7は、金属材料からなる薄板状の3枚のプレート(キャビティプレート7a、スペーサプレート7b、マニホールドプレート7c)と、インクを噴射するノズル9を備えたポリイミド等の合成樹脂製のノズルプレート7dとが積層されることによって構成されている。最上部のキャビティプレート7aは、アクチュエータユニット6に接している。
The
キャビティプレート7aの表面には、アクチュエータユニット6の動作により選択的に噴射されるインクを収容するほぼ円盤型形状を有する複数の圧力室10が長手方向に沿って2列に形成されている。複数の圧力室10は、隔壁10aによって相互に隔てられている。また、スペーサプレート7bには、圧力室10の一端をノズル9に連通させる連通孔11と、圧力室10の他端を後述するマニホールド流路15に連通させる連通孔12とがそれぞれ形成されている。
On the surface of the
また、マニホールドプレート7cには、圧力室10の一端をノズル9に連通させる連通孔13が形成されている。さらに、マニホールドプレート7cには、インクを圧力室10に供給するマニホールド流路15が複数の圧力室10がなす列の下方においてその列方向に長く形成されている。また、マニホールド流路15の一端は、上述した供給孔のいずれか一方を介して図示されないインク供給源に接続されている。このようにして、マニホールド流路15から連通孔12、圧力室10、連通孔11、連通孔13を経てノズル9に至るインク流路が形成されている。
The
図3は、アクチュエータユニット6の部分拡大斜視図である。アクチュエータユニット6は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなる1枚の圧電セラミックスプレート6aを有している。図1及び図3に示すように、圧電セラミックスプレート6a内には、その厚み方向が軸方向となった円柱形状を有する多数の電極17a、17b、17c、17dが配置されている。これらの電極17a、17b、17c、17dは、軸方向について圧電セラミックスプレート6aの厚みの1/2よりもやや短い長さを有している。そして、全ての電極17a、17b、17c、17dは、その長手方向一端面が圧電セラミックスプレート6aの上面(流路ユニット7とは反対側の面)から突出することなく露出するように、圧電セラミックスプレート6a内において上方に偏在して配置されている。そのため、電極17a、17b、17c、17dは、圧電セラミックスプレート6aを貫通することなくその厚み方向に延びている。
FIG. 3 is a partially enlarged perspective view of the
電極17bは電極17aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されており、電極17cは電極17bがなす円よりも一回り大きい電極17aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されており、電極17dは電極17cがなす円よりも一回り大きい電極17aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されている。このように、電極17b、17c、17dは電極17aを中心点として3重の同心円環状に配置されている。
The
図1からも分かるように、複数の電極17dが配置されてできた円は、圧力室10とほぼ同じ直径を有している。そして、複数の電極17dは、圧力室10内にほぼ収まるように配置されている。つまり、多数の電極17a、17b、17c、17dは、流路ユニット7の圧力室10に対応した領域内に実質的に一様に配置されている。なお、電極はその間隔が上記のように均一でなくても、圧力室10に対応した領域内全体にわたって分布していればよい。
As can be seen from FIG. 1, the circle formed by arranging the plurality of
圧電セラミックスプレート6aの電極領域6c(電極17dが配置されてできた円内にあって、圧電セラミックスプレート6aの上面(圧力室10とは反対側の表面)から電極17a、17b、17c、17dの長さ分の距離までの領域)は、面方向に沿って電極17aから電極17bに向かう方向、電極17cから電極17b、17dに向かう方向というように、電極17aを中心とした径方向に交互に分極した活性部となっている。
The
電極17aは、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子22aに接続されている。全ての電極17bは、複数の電極17bが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線24を介して、常にグランド電位に保持された端子21aに接続されている。全ての電極17cは、複数の電極17cが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線25を介して、端子22aに与えられるのと同じ駆動パルス信号が与えられる端子22bに接続されている。全ての電極17dは、複数の電極17dが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線26を介して、常にグランド電位に保持された端子21bに接続されている。つまり、本実施の形態において、電極17a及び電極17cの電位は常に同じであり、電極17b及び電極17dの電位も常に同じである。したがって、4種類の電極17a、17b、17c、17dは、電極17a及び電極17cからなる第1の電極と、電極17b及び電極17dからなる第2の電極とに分類することができる。
The
上述の説明から分かるように、電極17a、17cがグランド電位となっているときには、径方向に隣接する電極間(つまり、電極17a−電極17b間、電極17b−電極17c間、電極17c−電極17d間)に電界が発生しない。ところが、電極17a、17cが正の所定電位となっているときには、径方向に隣接する電極間に電界が発生する。
As can be seen from the above description, when the
図1に示された2つの圧力室10のうち、左側は電極17a、17cが正の所定電位となっているときの様子を描いたものであり、右側は電極17a、17cがグランド電位となっているときの様子を描いたものである。このように、電極17a、17cが正の所定電位になると、径方向に隣接する電極間に図1中の矢印で示すような方向(圧電セラミックスプレート6aの面方向)の電界が生じる。この電界の方向は圧電セラミックスプレート6aの分極方向と同じであるので、圧電セラミックスプレート6aの電極17a、17b、17c、17dによって挟まれた電極領域は、圧電作用により面方向に伸びようとする。
Of the two
一方、電極領域に対して圧電セラミックスプレート6aの厚み方向に隣接した電極17a、17b、17c、17dが配置されていない非電極領域6dには、電界が印加されず面方向に伸びようとする力が働かない。したがって、電極領域と非電極領域とに面方向への伸長差が生じ、非電極領域は電極領域が面方向に伸びるのに抵抗する。その結果、特許文献3に記載されたユニモルフ構造のアクチュエータユニットと類似した作用が生じて、図1の左側に示すように、圧電セラミックスプレート6aは、電極領域側が凸となるように厚み方向に湾曲する。このとき、圧電セラミックスプレート6aの下面(圧力室10側の面)は圧力室10を拡大する方向に湾曲する。したがって、圧力室10内にマニホールド流路からインクが流入して、圧力室10がインクで満たされる。
On the other hand, in the
その後、電極17a、17cがグランド電位になると電界が解除され、圧電セラミックスプレート6aは図1の右側に示すようにそれ自体が有する弾性により元の平板形状に戻る。すると、圧電セラミックスプレート6aの下面の位置も元の位置に戻るので、圧力室10の容積が図1の左側の状態から減少する。これにより圧力室10内のインクに圧力が与えられて、圧力室10に連通したノズル9からインク滴が噴射される。
Thereafter, when the
図1〜図3に示したインクジェットヘッド1からインクを噴射させる方式としては、いわゆる押し打ち及び引き打ちのいずれを用いてもよい。押し打ちを行う場合、常態において、全圧力室10に対応する部分において電極17a、17cを正の所定電位としておくことで電極領域に電界を印加し、圧電セラミックスプレート6aを図1の左側に示すように湾曲させておく。そして、インクを噴射しようとする圧力室10に対応する電極17a、17cのみグランド電位とすることで電極領域の電界を解除し、図1の右側のように圧力室10を縮小して圧力室10内のインクに圧力を付与する。
As a method for ejecting ink from the ink jet head 1 shown in FIGS. 1 to 3, either so-called pushing or striking may be used. In the case of pushing, in an ordinary state, an electric field is applied to the electrode region by setting the
一方、引き打ちを行う場合、常態において、全圧力室10に対応する部分において電極17a、17cをグランド電位としておくことで電極領域に電界を印加せず、圧電セラミックスプレート6aを図1の右側に示すように平坦にしておく。そして、インクを噴射しようとする圧力室10に対応する電極17a、17cのみ一旦正の所定電位として電極領域に電界を印加し、その部分において圧電セラミックスプレート6aを図1の左側に示すように湾曲させて圧力室10を拡大する。このとき、圧力室10内には圧力波が生じ、それが圧力室10内を長手方向に伝播する。その後圧力波が正圧となるタイミングで再び電極17a、17cをグランド電位に戻して電極領域の電界を解除し、図1の右側のように圧力室10を縮小して圧力室10内のインクに圧力を付与する。引き打ちを行うと、圧力を重ね合わせることができるので比較的小さなエネルギーで大きな噴射圧をインクに与えることができる。
On the other hand, when pulling is performed, in the normal state, by setting the
次に、このインクジェットヘッド1の製造方法について簡単に説明する。図1〜図3で説明したようなインクジェットヘッド1を製造するには、流路ユニット7及びアクチュエータユニット6などの部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。
Next, a method for manufacturing the inkjet head 1 will be briefly described. In order to manufacture the ink jet head 1 as described with reference to FIGS. 1 to 3, components such as the
流路ユニット7を作製するには、図1及び図2に描かれた4枚のプレート7a〜7dをそれぞれ独立して作製した後に、これらが位置合わせされて積層された状態で接着剤を用いてこれらを互いに接着する。なお、プレート7a〜7cに圧力室10や連通孔11などを形成するのにはエッチング加工が用いられ、プレート7dにノズル9を形成するのにはレーザ加工が用いられる。
In order to fabricate the
一方、アクチュエータユニット6を作製するには、まず、圧電セラミックスのグリーンシートを用意し、そのグリーンシートの圧力室に対応した部分に電極配置用の多数の円柱状凹部をプレス加工又はレーザ加工で形成する。プレス加工は、グリーンシートをアクチュエータユニット6に対応した所定形状に成形する際に同時に行うことができるという点で利点が大きい。
On the other hand, in order to manufacture the
その後、円柱状凹部内にペースト状の導電性材料を流し込んでから圧電セラミックスのグリーンシートを公知のセラミックスと同様に脱脂し、さらに所定の温度で焼成する。これにより、円柱状凹部内に電極17a、17b、17c、17dが配置された圧電セラミックスプレート6aが得られる。そして、電極17a、17b、17c、17dに金属配線24〜26を印刷又は蒸着により施すことにより、アクチュエータユニット6が得られる。なお、圧電セラミックスのグリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで設計される。
Thereafter, a paste-like conductive material is poured into the cylindrical recess, and then the piezoelectric ceramic green sheet is degreased in the same manner as known ceramics and further fired at a predetermined temperature. Thereby, the piezoelectric
しかる後、流路ユニット7とアクチュエータユニット6とが、電極領域の位置と圧力室10の位置とを合わせて、熱硬化性接着剤を用いて貼り合わされ、アクチュエータユニット6の隣接する電極グループ間の下面すなわち各電極領域の外周部分が隔壁10a上に固着される。そして、アクチュエータユニット6と別途用意されたFPCとが対応する端子同士がそれぞれ重なるように半田を用いて貼り合わされる。
Thereafter, the
その後、電極17b、17dの電位をグランド電位に保持した状態において電極17a、17cに高電位を与えることで、電極領域内の圧電セラミックスプレート6aを電極の対向方向つまり面方向に沿って電極17aを中心とした径方向に分極させ、この領域を活性部とする。以上の工程を経ることによって、インクジェットヘッド1が完成する。
Thereafter, a high potential is applied to the
なお、上述した製造工程において、グリーンシートの焼成後にレーザ加工で円柱状凹部を形成するようにしてもよい。また、グリーンシートの焼成後に円柱状凹部内に電極を配置するようにしてもよい。さらに、分極工程の後でFPCの貼り合わせ行ってもよい。この場合、電極17a、17b、17c、17dへはFPC以外から電位を与える必要がある。
In the manufacturing process described above, a cylindrical recess may be formed by laser processing after the green sheet is fired. Moreover, you may make it arrange | position an electrode in a cylindrical recessed part after baking of a green sheet. Further, FPC may be bonded after the polarization step. In this case, it is necessary to apply a potential to the
このように、本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット6によると、1枚の圧電セラミックスプレート6a内にこれを貫通しないように配置された電極17a、17cと電極17b、17dとの電位差を制御することで、圧電セラミックスプレート6aをその厚み方向に湾曲した状態と湾曲していない状態とのいずれかに切り替えることができる。したがって、所望の圧力室10内のインクに圧力を与えてインクを噴射させることができる。
Thus, according to the
また、本実施の形態のアクチュエータユニット6は、圧電セラミックスプレート6a内にその厚みの途中まで電極17a、17b、17c、17dを配置するという簡易な工程で容易に製造可能である。そのため、製造コストを低く抑えることができるという優れた利点を有する。また、アクチュエータユニット6は、特許文献1及び特許文献2のように多数の圧電セラミックスプレートと薄層電極とを積層した構造になっていないために、電極を十分な厚さの非電極領域6dを介してインクと隔てることができ、圧電セラミックスプレート6aに微細なクラックが存在してもインク漏れなどのために隣接する電極同士がショートするなどの故障が生じることが少なく、耐久性が高い。
In addition, the
また、圧電セラミックスプレート6aの電極領域の分極方向が電界の方向と同じく電極の対向方向、つまり圧電セラミックスプレート6aの面方向に沿って電極17aを中心とした径方向であるので、圧電セラミックスプレート6aはユニモルフ型と類似した原理で電極領域側が凸となるように厚み方向に湾曲し、これにより圧力室10内のインクに圧力を与えることができる。
Further, since the polarization direction of the electrode region of the piezoelectric
さらに、アクチュエータユニット6において、多数の電極17a、17b、17c、17dが圧電セラミックスプレート6aの電極領域内に配置されているので、特許文献1及び特許文献2に記載された圧電セラミックスプレートと電極とが積層されたアクチュエータユニットのように大きな電極を用いる場合に比べて電極間距離及び電極面積を小さくすることができる。そのため、電極17a、17cに与えられる電位及びアクチュエータユニット6の静電容量を小さくすることができ、その結果、インクジェットヘッド1のドライバICや電気回路のコストを低く抑えると共にエネルギー消費量及び発熱量を削減することが可能となる。
Further, in the
しかも、本実施の形態によるアクチュエータユニット6は、電極17a、17b、17c、17dがこの順番で第1の電極と第2の電極とが交互となるように同心円環状に配置されたものであるので、電界強度が強くなって圧電セラミックスプレート6aの変形量を大きくすることができる。
Moreover, in the
また、本実施の形態のアクチュエータユニット6において、圧電セラミックスプレート6aの非電極領域6d側の面に圧力室10が配置されているので、上述した引き打ちを行う場合には常態において圧電セラミックスプレート6aに電界を印加しておく必要がなくなる。そのため、圧電セラミックスプレート6aの電極領域側の面に圧力室10が配置されている場合と比較して、トータルの電界印加時間が著しく短くなってエネルギー消費量を削減することが可能となると共に安全性が高くなる。
Further, in the
さらに、本実施の形態のアクチュエータユニット6では、互いに隔壁10aによって隔てられた複数の圧力室10が圧電セラミックスプレート6aの非電極領域側の面に配置されており、電極17a、17b、17c、17dが圧力室10に対応した各領域内にそれぞれ配置されているので、各圧力室10内のインクに効率よく圧力を与えることができる。
Further, in the
次に、本実施の形態によるアクチュエータユニットの一変形例について、その斜視図である図4を参照して説明する。本変形例のアクチュエータユニットは、図1〜図3で説明したのと同様にインクジェットヘッドの一部品として流路ユニット及びFPCと共に用いられるものとする。 Next, a modification of the actuator unit according to the present embodiment will be described with reference to FIG. 4 which is a perspective view thereof. The actuator unit according to this modification is used together with the flow path unit and the FPC as one component of the ink jet head, as described with reference to FIGS.
図4において、アクチュエータユニット36は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなる1枚の圧電セラミックスプレート36aを有している。圧電セラミックスプレート36a内には、その厚み方向が軸方向となった円柱形状を有する多数の電極47a、47b、47c、47d、47e、47f、47gが配置されている。これらの電極47a〜47gは、軸方向について圧電セラミックスプレート36aの厚みの1/2よりもやや短い長さを有している。そして、全ての電極47a〜47gは、その長手方向一端面が圧電セラミックスプレート36aの流路ユニット7とは反対側の面から突出することなく露出するように、圧電セラミックスプレート36a内において上方に偏在して配置されている。そのため、電極47a〜47gは、圧電セラミックスプレート36aを貫通することなくその厚み方向に延びている。
In FIG. 4, the
電極47a〜47gはそれぞれ複数個ずつ一直線上に互いに等間隔に配置されている。そして、電極47aがなすラインと電極47bがなすラインとの間隔、電極47bがなすラインと電極47cがなすラインとの間隔、電極47cがなすラインと電極47dがなすラインとの間隔、電極47dがなすラインと電極47eがなすラインとの間隔、電極47eがなすラインと電極47fがなすラインとの間隔、電極47fがなすラインと電極47gがなすラインとの間隔は、互いに同じである。このように、電極47a〜47gはマトリックス状に配置されている。そして、電極47a〜47gが配置された範囲が流路ユニットの圧力室10と対応した位置となるように、アクチュエータユニット36と流路ユニットとが貼り合わされているとする。これにより、多数の電極47a〜47gは、流路ユニットの圧力室10に対応した領域内に実質的に一様に配置されている。
A plurality of
圧電セラミックスプレート36aの電極領域(電極47a〜47gが配置された範囲内にあって、圧電セラミックスプレート36aの上面(圧力室とは反対側の表面)から電極47a〜47gの長さ分の距離までの領域)は、圧電セラミックスプレート36aの面方向に沿って電極47bから電極47a、47へ向かう方向、電極47dから電極47c、47eへ向かう方向、電極47fから電極47e、47gへ向かう方向というように、各電極47a〜47gがなすラインと直交する方向に交互に分極した活性部となっている。
From the upper surface (surface opposite to the pressure chamber) of the piezoelectric
全ての電極47aは、複数の電極47aがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線54を介して、常にグランド電位に保持された端子51aに接続されている。全ての電極47bは、複数の電極47bがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線55を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子52aに接続されている。全ての電極47cは、複数の電極47cがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線56を介して、常にグランド電位に保持された端子51bに接続されている。全ての電極47dは、複数の電極47dがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線57を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子52bに接続されている。全ての電極47eは、複数の電極47eがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線58を介して、常にグランド電位に保持された端子51cに接続されている。全ての電極47fは、複数の電極47fがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線59を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子52cに接続されている。全ての電極47gは、複数の電極47gがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線60を介して、常にグランド電位に保持された端子51dに接続されている。
All the
そして、端子52a、52b、52cには、同じ駆動パルス信号が与えられる。つまり、本実施の形態において、電極47b、47d、47fの電位は常に同じであり、電極47a、47c、47e、47gの電位も常に同じグランド電位である。したがって、7種類の電極47a〜47gは、電極47b、47d、47fからなる第1の電極と、電極47a、47c、47e、47gからなる第2の電極とに分類することができる。
The same drive pulse signal is given to the
上述の説明から分かるように、電極47b、47d、47fがグランド電位となっているときには、各電極47a〜47gがなすラインと直交する方向に隣接する電極間(つまり、電極47a−電極47b間、電極47b−電極47c間、電極47c−電極47d間、電極47d−電極47e間、電極47e−電極47f間、電極47f−電極47g間)に電界が発生しない。ところが、電極47b、47d、47fが正の所定電位となっているときには、各電極47a〜47gがなすラインと直交する方向に隣接する電極間に電界が発生する。
As can be seen from the above description, when the
この電界の方向は圧電セラミックスプレート36aの分極方向と同じであるので、圧電セラミックスプレート36aの電極47a〜47gによって挟まれた電極領域は、圧電作用により面方向に伸びようとする。一方、電極領域に対して圧電セラミックスプレート36aの厚み方向に隣接した電極47a〜47gが配置されていない非電極領域には、電界が印加されず面方向に伸びようとする力が働かない。したがって、電極領域と非電極領域とに面方向への伸長差が生じ、非電極領域は電極領域が面方向に伸びるのに抵抗する。その結果、特許文献3に記載されたユニモルフ構造のアクチュエータユニットと類似した作用が生じて、圧電セラミックスプレート36aは、電極領域側が凸となるように厚み方向に湾曲する。このとき、圧電セラミックスプレート36aの下面(圧力室側の面)は圧力室を拡大する方向に湾曲する。したがって、圧力室内にマニホールド流路からインクが流入して、圧力室がインクで満たされる。
Since the direction of the electric field is the same as the polarization direction of the piezoelectric
その後、電極47b、47d、47fがグランド電位になると電界が解除され、圧電セラミックスプレート36aはそれ自体が有する弾性により元の平板形状に戻る。すると、圧電セラミックスプレート36aの下面の位置も元の位置に戻るので、圧力室の容積が減少する。これにより圧力室内のインクに圧力が与えられて、圧力室に連通したノズルからインク滴が噴射される。
Thereafter, when the
本変形例のアクチュエータユニット36を用いた場合も、上述した第1の実施の形態と同様の利益が得られる。
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドについて説明する。なお、上述した実施の形態と同様の部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。図5は、本実施の形態に係るアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図5に示す圧電式のインクジェットヘッド61は、ほぼ直方体の流路ユニット7上にこれとほぼ同形状のアクチュエータユニット66が積層され、アクチュエータユニット66上に外部回路との接続のためのフレキシブルフラットケーブル又はフレキシブルプリント回路(FPC)(図示せず)が貼付されたものである。インクジェットヘッド61は、流路ユニット7の下面側に開口したノズル9から下向きにインクを噴射する。なお、流路ユニット7は第1の実施の形態のものと同じであるので、ここではその詳細な説明を省略する。
Even when the
[Second Embodiment]
Next, an ink jet head including an actuator unit that is a liquid pressure generating mechanism according to a second embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to embodiment mentioned above, and the description is abbreviate | omitted. FIG. 5 is a partial cross-sectional view of the inkjet head including the actuator unit according to the present embodiment cut along the longitudinal direction. The piezoelectric
図5に示すように、インクジェットヘッド61においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号(グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる)によりFPCを介して駆動されるアクチュエータユニット66と、インク流路を形成する流路ユニット7とが積層されている。アクチュエータユニット66と流路ユニット7は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。なお、FPC側の端子はアクチュエータユニット66側の対応する端子71a、72a、71b、72bと接続されている。
As shown in FIG. 5, in the
図6は、アクチュエータユニット66の部分拡大斜視図である。アクチュエータユニット66においては、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなるほぼ同じ厚みを有する2枚の圧電セラミックスプレート66a、66bが積層されている。図5及び図6に示すように、圧電セラミックスプレート66a内には、その厚み方向が軸方向となった円柱形状を有する多数の電極77a、77b、77c、77dが配置されている。これらの電極77a、77b、77c、77dは、軸方向方向について圧電セラミックスプレート66aの厚みとほぼ同じ長さを有している。つまり、電極77a、77b、77c、77dは、圧電セラミックスプレート66aの厚みと同じ長さで圧電セラミックスプレート66bにはみ出すことなくこれらの厚み方向に延びている。
FIG. 6 is a partially enlarged perspective view of the
電極77bは電極77aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されており、電極77cは電極77bがなす円よりも一回り大きい電極77aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されており、電極77dは電極77cがなす円よりも一回り大きい電極77aを中心とした1つの円上に互いに等間隔に配置されている。このように、電極77b、77c、77dは電極77aを中心点として3重の同心円環状に配置されている。
The
図5からも分かるように、複数の電極77dが配置されてできた円は、圧力室10とほぼ同じ直径を有している。そして、複数の電極77dは、圧力室10内にほぼ収まるように配置されている。つまり、多数の電極77a、77b、77c、77dは、流路ユニット7の圧力室10に対応した領域内に実質的に一様に配置されている。
As can be seen from FIG. 5, the circle formed by arranging the plurality of
圧電セラミックスプレート66aの電極領域(電極77dが配置されてできた円内にある領域)は、図1のものと同様に、面方向に沿って電極77aを中心とした径方向に交互に分極した活性部となっている。
The electrode region of the piezoelectric
電極77aは、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子72aに接続されている。全ての電極77bは、複数の電極77bが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線74を介して、常にグランド電位に保持された端子71aに接続されている。全ての電極77cは、複数の電極77cが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線75を介して、端子72aに与えられるのと同じ駆動パルス信号が与えられる端子72bに接続されている。全ての電極77dは、複数の電極77dが配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の金属配線76を介して、常にグランド電位に保持された端子71bに接続されている。つまり、本実施の形態において、電極77a及び電極77cの電位は常に同じであり、電極77b及び電極77dの電位も常に同じである。したがって、4種類の電極77a、77b、77c、77dは、電極77a及び電極77cからなる第1の電極と、電極77b及び電極77dからなる第2の電極とに分類することができる。
The
上述の説明から分かるように、電極77a、77cがグランド電位となっているときには、径方向に隣接する電極間(つまり、電極77a−電極77b間、電極77b−電極77c間、電極77c−電極77d間)に電界が発生しない。ところが、電極77a、77cが正の所定電位となっているときには、径方向に隣接する電極間に電界が発生する。
As can be understood from the above description, when the
図5に示された2つの圧力室10のうち、左側は電極77a、77cが正の所定電位となっているときの様子を描いたものであり、右側は電極77a、77cがグランド電位となっているときの様子を描いたものである。このように、電極77a、77cが正の所定電位になると、径方向に隣接する電極間に図5中の矢印で示すような方向(圧電セラミックスプレート66aの面方向)の電界が生じる。この電界の方向は圧電セラミックスプレート66aの分極方向と同じであるので、圧電セラミックスプレート66aの電極77a、77b、77c、77dによって挟まれた電極領域は、圧電作用により面方向に伸びようとする。
Of the two
一方、電極領域に対して圧電セラミックスプレート66aの厚み方向に隣接した電極77a、77b、77c、77dが配置されていない非電極領域(圧電セラミックスプレート66b内にあって電極領域の下方に当たる領域)には、電界が印加されず面方向に伸びようとする力が働かない。したがって、電極領域と非電極領域とに面方向への伸長差が生じ、非電極領域は電極領域が面方向に伸びるのに抵抗する。その結果、特許文献3に記載されたユニモルフ構造のアクチュエータユニットと類似した作用が生じて、図5の左側に示すように、圧電セラミックスプレート66a、66bは、電極領域側が凸となるように厚み方向に湾曲する。このとき、圧電セラミックスプレート66bの下面(圧力室10側の面)は圧力室10を拡大する方向に湾曲する。したがって、圧力室10内にマニホールド流路からインクが流入して、圧力室10がインクで満たされる。
On the other hand, in the non-electrode region (the region within the piezoelectric
その後、電極77a、77cがグランド電位になると電界が解除され、圧電セラミックスプレート66a、66bは図5の右側に示すようにそれ自体が有する弾性により元の平板形状に戻る。すると、圧電セラミックスプレート66bの下面の位置も元の位置に戻るので、圧力室10の容積が図5の左側の状態から減少する。これにより圧力室10内のインクに圧力が与えられて、圧力室10に連通したノズル9からインク滴が噴射される。本実施の形態のインクジェットヘッド61の場合も、インクを噴射させる方式として押し打ち及び引き打ちのいずれを用いてもよい。
Thereafter, when the
次に、このインクジェットヘッド61の製造方法について簡単に説明する。インクジェットヘッド61を製造するには、流路ユニット7及びアクチュエータユニット61などの部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。
Next, a method for manufacturing the
流路ユニット7を作製する手順は上述した第1の実施の形態のものと同じであるので、ここでは説明を省略する。アクチュエータユニット61を作製するには、まず、圧電セラミックスのグリーンシートを2枚用意し、そのうちの1枚のグリーンシートの圧力室に対応した部分に電極配置用の多数の円柱状貫通孔をプレス加工又はレーザ加工で形成する。プレス加工は、グリーンシートをアクチュエータユニット6に対応した所定形状に成形する際に同時に行うことができるという点で利点が大きい。
Since the procedure for producing the
その後、2枚のグリーンシートを重ね合わせた後、円柱状貫通孔内にペースト状の導電性材料を流し込んでから圧電セラミックスのグリーンシートを公知のセラミックスと同様に脱脂し、さらに所定の温度で焼成する。これにより、円柱状貫通孔内に電極77a、77b、77c、77dが配置された圧電セラミックスプレート66a、66bが得られる。そして、電極77a、77b、77c、77dに金属配線74〜76を印刷又は蒸着により施すことにより、アクチュエータユニット61が得られる。なお、圧電セラミックスのグリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで設計される。
Then, after the two green sheets are overlaid, a paste-like conductive material is poured into the cylindrical through-hole, and then the piezoelectric ceramic green sheet is degreased in the same manner as known ceramics, and further fired at a predetermined temperature. To do. Thereby, the piezoelectric
しかる後、流路ユニット7とアクチュエータユニット61とが、電極領域の位置と圧力室10の位置とを合わせて、熱硬化性接着剤を用いて貼り合わされると共に、アクチュエータユニット61と別途用意されたFPCとが対応する端子同士がそれぞれ重なるように半田を用いて貼り合わされる。
Thereafter, the
その後、電極77b、77dの電位をグランド電位に保持した状態において電極77a、77cに高電位を与えることで、電極領域内の圧電セラミックスプレート66aを電極の対向方向つまり面方向に沿って電極77aを中心とした径方向に分極させ、この領域を活性部とする。以上の工程を経ることによって、インクジェットヘッド1が完成する。
Thereafter, a high potential is applied to the
なお、上述した製造工程において、グリーンシートの焼成後にレーザ加工で円柱状凹部を形成するようにしてもよい。また、グリーンシートの焼成後に円柱状凹部内に電極を配置するようにしてもよい。さらに、分極工程の後でFPCの貼り合わせ行ってもよい。この場合、電極77a、77b、77c、77dへはFPC以外から電位を与える必要がある。
In the manufacturing process described above, a cylindrical recess may be formed by laser processing after the green sheet is fired. Moreover, you may make it arrange | position an electrode in a cylindrical recessed part after baking of a green sheet. Further, FPC may be bonded after the polarization step. In this case, it is necessary to apply a potential to the
このように、本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット61によると、圧電セラミックスプレート66a内に配置された電極77a、77cと電極77b、77dとの電位差を制御することで、圧電セラミックスプレート66a、66bをその厚み方向に湾曲した状態と湾曲していない状態とのいずれかに切り替えることができる。したがって、所望の圧力室10内のインクに圧力を与えてインクを噴射させることができる。
Thus, according to the
また、本実施の形態のアクチュエータユニット61は、圧電セラミックスプレート66aに電極77a、77b、77c、77dを配置し且つ圧電セラミックスプレート66aと圧電セラミックスプレート66bとを積層するという簡易な工程で容易に製造可能である。そのため、製造コストを低く抑えることができるという優れた利点を有する。本実施の形態を第1の実施の形態と比較すると、2枚の圧電セラミックスプレート66a、66bを積層するという工程が加わるものの、圧電セラミックスプレート66aには凹部(非貫通孔)ではなく貫通孔を形成してもいいという点で製造工程を簡略化できる利点がある。
The
また、アクチュエータユニット61は、特許文献1及び特許文献2のように多数の圧電セラミックスプレートと薄層電極とを積層した構造になっていないために、電極を十分な厚さの非電極領域を介してインクと隔てることができ、圧電セラミックスプレート66a、66bに微細なクラックが存在してもインク漏れなどのために隣接する電極同士がショートするなどの故障が生じることが少なく、耐久性が高い。その他、第1の実施の形態と同様の利益が得られる。
Further, since the
なお、本実施の形態では、電極77a〜77dの軸方向の長さを圧電セラミックスプレート66aの厚みと同じとしたが、電極77a〜77dの軸方向の長さを圧電セラミックスプレート66aの厚みよりも小さくしても同様の結果が得られる。
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態に係る液体圧力発生機構であるアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドについて説明する。なお、上述した実施の形態と同様の部材には同じ符号を付けてその説明を省略する。図7は、本実施の形態に係るアクチュエータユニットを含むインクジェットヘッドをその長手方向に沿って切断した部分断面図である。図7に示す圧電式のインクジェットヘッド81は、ほぼ直方体の流路ユニット7上にこれとほぼ同形状のアクチュエータユニット86が積層され、アクチュエータユニット86上に外部回路との接続のためのフレキシブルフラットケーブル又はフレキシブルプリント回路(FPC)(図示せず)が貼付されたものである。インクジェットヘッド81は、流路ユニット7の下面側に開口したノズル9から下向きにインクを噴射する。なお、流路ユニット7は第1の実施の形態のものと同じであるので、ここではその詳細な説明を省略する。
In the present embodiment, the axial length of the
[Third Embodiment]
Next, an ink jet head including an actuator unit which is a liquid pressure generating mechanism according to a third embodiment of the present invention will be described. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the member similar to embodiment mentioned above, and the description is abbreviate | omitted. FIG. 7 is a partial cross-sectional view of the inkjet head including the actuator unit according to the present embodiment cut along the longitudinal direction. In the piezoelectric
図7に示すように、インクジェットヘッド81においては、図示されない駆動回路で発生した駆動パルス信号(グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる)によりFPCを介して駆動されるアクチュエータユニット86と、インク流路を形成する流路ユニット7とが積層されている。アクチュエータユニット86と流路ユニット7は、エポキシ系の熱硬化性の接着剤によって接着されている。なお、FPC側の端子はアクチュエータユニット86側の対応する端子91a、92a、91b、92b、91c、92c、91d(図7には92aのみが描かれている。残りのものについては図8参照)と接続されている。
As shown in FIG. 7, in the
図8は、アクチュエータユニット86の部分拡大斜視図である。図8において、アクチュエータユニット86は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)のセラミックス材料からなる1枚の圧電セラミックスプレート86aを有している。圧電セラミックスプレート86a内には、その厚み方向が軸方向となった円柱形状を有する多数の電極87a、87b、87c、87d、87e、87f、87gが配置されている。これらの電極87a〜87gは、軸方向について圧電セラミックスプレート86aの厚みの1/2よりもやや短い長さを有している。そして、全ての電極87a〜87gは、その長手方向一端面が圧電セラミックスプレート86aの上面(圧力室10とは反対側の面)から突出することなく露出するように、圧電セラミックスプレート86a内において上方に偏在して配置されている。そのため、電極87a〜87gは、圧電セラミックスプレート86aを貫通することなくその厚み方向に延びている。
FIG. 8 is a partially enlarged perspective view of the
電極87a〜87gはそれぞれ複数個ずつ一直線上に互いに等間隔に配置されている。そして、電極87aがなすラインと電極87bがなすラインとの間隔、電極87bがなすラインと電極87cがなすラインとの間隔、電極87cがなすラインと電極87dがなすラインとの間隔、電極87dがなすラインと電極87eがなすラインとの間隔、電極87eがなすラインと電極87fがなすラインとの間隔、電極87fがなすラインと電極87gがなすラインとの間隔は、互いに同じである。このように、電極87a〜87gはマトリックス状に配置されている。そして、電極87a〜87gが配置された範囲が流路ユニットの圧力室10と対応した位置となるように、アクチュエータユニット86と流路ユニット7とが貼り合わされているとする。これにより、多数の電極87a〜87gは、流路ユニット7の圧力室10に対応した領域内に実質的に一様に配置されている。
A plurality of
圧電セラミックスプレート86aの電極領域(電極87a〜87gが配置された範囲内にあって、圧電セラミックスプレート86aの上面から電極87a〜87gの長さ分の距離までの領域)は、圧電セラミックスプレート86aの面方向に沿って各電極87a〜87gがなすラインと直交する方向に交互に分極した活性部となっている。
The electrode region of the piezoelectric
全ての電極87aは、複数の電極87aがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線94を介して、常にグランド電位に保持された端子91aに接続されている。全ての電極87bは、複数の電極87bがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線95を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子92aに接続されている。全ての電極87cは、複数の電極87cがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線96を介して、常にグランド電位に保持された端子91bに接続されている。全ての電極87dは、複数の電極87dがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線97を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子92bに接続されている。全ての電極87eは、複数の電極87eがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線98を介して、常にグランド電位に保持された端子91cに接続されている。全ての電極87fは、複数の電極87fがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線99を介して、グランド電位及び正の所定電位のいずれかを選択的にとる駆動パルス信号が与えられる端子92cに接続されている。全ての電極87gは、複数の電極87gがなすラインに沿って配置された直線形状の金属配線100を介して、常にグランド電位に保持された端子91dに接続されている。
All the
そして、端子92a、92b、92cには、同じ駆動パルス信号が与えられる。つまり、本実施の形態において、電極87b、87d、87fの電位は常に同じであり、電極87a、87c、87e、87gの電位も常に同じグランド電位である。したがって、7種類の電極87a〜87gは、電極87b、87d、87fからなる第1の電極と、電極87a、87c、87e、87gからなる第2の電極とに分類することができる。
The same drive pulse signal is applied to the
上述の説明から分かるように、電極87b、87d、87fがグランド電位となっているときには、各電極87a〜87gがなすラインと直交する方向に隣接する電極間(つまり、電極87a−電極87b間、電極87b−電極87c間、電極87c−電極87d間、電極87d−電極87e間、電極87e−電極87f間、電極87f−電極87g間)に電界が発生しない。ところが、電極87b、87d、87fが正の所定電位となっているときには、各電極87a〜87gがなすラインと直交する方向に隣接する電極間に電界が発生する。
As can be seen from the above description, when the
この電界の方向は圧電セラミックスプレート86aの分極方向と同じであるので、圧電セラミックスプレート86aの電極87a〜87gによって挟まれた電極領域は、圧電作用により面方向に伸びようとする。一方、電極領域に対して圧電セラミックスプレート86aの厚み方向に隣接した電極87a〜87gが配置されていない非電極領域には、電界が印加されず面方向に伸びようとする力が働かない。したがって、電極領域と非電極領域とに面方向への伸長差が生じ、非電極領域は電極領域が面方向に伸びるのに抵抗する。その結果、特許文献3に記載されたユニモルフ構造のアクチュエータユニットと類似した作用が生じて、図8の左側に示すように、圧電セラミックスプレート86aは、電極領域側が凸となるように厚み方向に湾曲する。このとき、圧電セラミックスプレート86aの下面(圧力室側の面)は圧力室を拡大する方向に湾曲する。したがって、圧力室内にマニホールド流路からインクが流入して、圧力室がインクで満たされる。
Since the direction of the electric field is the same as the polarization direction of the piezoelectric
その後、電極87b、87d、87fがグランド電位になると電界が解除され、圧電セラミックスプレート86aはそれ自体が有する弾性により、図8の右側に示すように、元の平板形状に戻る。すると、圧電セラミックスプレート86aの下面の位置も元の位置に戻るので、圧力室の容積が図8の左側の状態から減少する。これにより圧力室内のインクに圧力が与えられて、圧力室に連通したノズルからインク滴が噴射される。本実施の形態のインクジェットヘッド81の場合も、インクを噴射させる方式として押し打ち及び引き打ちのいずれを用いてもよい。
Thereafter, when the
また、図7に描かれているように、複数の電極87bがなすラインの両側には、電極87bと同じ形状の凹部88がそれぞれ形成されている。同様に、図8に描かれているように、複数の電極87b〜87fがなす各ラインの両側には、電極87b〜87fと同じ形状の凹部88がそれぞれ形成されている。凹部88は各ラインの最も外側の電極87b〜87fから、ライン方向に隣接する電極間の距離と同じだけ離れている。このように、圧電セラミックスプレート86aの電極領域は、複数の凹部88によって面方向に部分的且つ不連続的に囲まれている。
Further, as illustrated in FIG. 7,
次に、このインクジェットヘッド81の製造方法について簡単に説明する。インクジェットヘッド81を製造するには、流路ユニット7及びアクチュエータユニット81などの部品を別々に作製し、それから各部品を組み付ける。
Next, a method for manufacturing the
流路ユニット7を作製する手順は上述した第1の実施の形態のものと同じであるので、ここでは説明を省略する。アクチュエータユニット81を作製するには、まず、圧電セラミックスのグリーンシートを1枚用意し、このグリーンシートの圧力室に対応した部分に電極配置用の多数の円柱状凹部及び凹部88をプレス加工又はレーザ加工で形成する。プレス加工は、グリーンシートをアクチュエータユニット6に対応した所定形状に成形する際に同時に行うことができるという点で利点が大きい。
Since the procedure for producing the
その後、円柱状凹部内にペースト状の導電性材料を流し込んでから圧電セラミックスのグリーンシートを公知のセラミックスと同様に脱脂し、さらに所定の温度で焼成する。これにより、円柱状凹部内に電極87a〜87gが配置され且つ複数の電極87b〜87fがなす各ラインの両側に凹部88が形成された圧電セラミックスプレート86aが得られる。そして、電極87a〜87gに金属配線94〜100を印刷又は蒸着により施すことにより、アクチュエータユニット86が得られる。なお、圧電セラミックスのグリーンシートは、予め焼成による収縮量を見込んで設計される。
Thereafter, a paste-like conductive material is poured into the cylindrical recess, and then the piezoelectric ceramic green sheet is degreased in the same manner as known ceramics and further fired at a predetermined temperature. Thereby, the piezoelectric
しかる後、流路ユニット7とアクチュエータユニット86とが、電極領域の位置と圧力室10の位置とを合わせて、熱硬化性接着剤を用いて貼り合わされると共に、アクチュエータユニット86と別途用意されたFPCとが対応する端子同士がそれぞれ重なるように半田を用いて貼り合わされる。
Thereafter, the
その後、電極87a、87c、87e、87gの電位をグランド電位に保持した状態において電極87b、87d、87fに高電位を与えることで、電極領域内の圧電セラミックスプレート86aを電極の対向方向つまり面方向に沿って各電極87a〜87gがなすラインと直交する方向に分極させ、この領域を活性部とする。以上の工程を経ることによって、インクジェットヘッド81が完成する。
Thereafter, in a state where the potentials of the
なお、上述した製造工程において、グリーンシートの焼成後にレーザ加工で円柱状凹部及び凹部88を形成するようにしてもよい。また、グリーンシートの焼成後に円柱状凹部内に電極を配置するようにしてもよい。さらに、分極工程の後でFPCの貼り合わせ行ってもよい。この場合、電極87a〜87gへはFPC以外から電位を与える必要がある。
In the manufacturing process described above, the cylindrical recess and the
このように、本実施の形態による液体圧力発生機構であるアクチュエータユニット81によると、圧電セラミックスプレート86a内に配置された電極87a、87c、87e、87gと電極87b、87d、87fとの電位差を制御することで、圧電セラミックスプレート86aをその厚み方向に湾曲した状態と湾曲していない状態とのいずれかに切り替えることができる。したがって、所望の圧力室10内のインクに圧力を与えてインクを噴射させることができる。
Thus, according to the
また、本実施の形態のアクチュエータユニット81は、圧電セラミックスプレート86aに電極87a〜87gを配置するという簡易な工程で容易に製造可能である。そのため、製造コストを低く抑えることができるという優れた利点を有する。なお、凹部88は電極配置用の多数の円柱状凹部と同時に形成できるので、第1の実施の形態に比べて製造工程が複雑になることはない。また、アクチュエータユニット81は、特許文献1及び特許文献2のように多数の圧電セラミックスプレートと薄層電極とを積層した構造になっていないために、電極を十分な厚さの非電極領域を介してインクと隔てることができ、圧電セラミックスプレート86aに微細なクラックが存在してもインク漏れなどのために隣接する電極同士がショートするなどの故障が生じることが少なく、耐久性が高い。
In addition, the
また、本実施の形態においては、圧電セラミックスプレート86aの電極領域が複数の凹部88によって面方向に部分的且つ不連続的に囲まれているために、圧電セラミックスプレート86aの1つの電極領域の変形が隣接する電極領域に伝播するのを抑制することができる。したがって、インクが噴射されるノズル9に隣接したノズル9からのインク噴射が悪影響を受けずらくなって、クロストークが抑制される。その他、第1の実施の形態と同様の利益が得られる。
In the present embodiment, since the electrode region of the piezoelectric
なお、本実施の形態では、凹部88の軸方向の長さを電極87a〜87gの軸方向の長さと同じとしたが、凹部88の軸方向の長さを電極87a〜87gの軸方向の長さよりも長くすることでクロストーク低減効果を高めることができる。また、電極領域を円柱状の凹部88によって不連続的に囲むよりも溝状の凹部で電極領域を連続的に囲むようにすればクロストーク低減効果をさらに高めることができる。この凹部88は、図3のように電極を円形に配置したものの外周に設けることもでき、また、図2の2層のものにも適用できる。
In the present embodiment, the axial length of the
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。例えば、電極は同心環状やライン状だけでなく、同心楕円形状や同心長方形状に圧電セラミックスプレート内に配置されてよく、環状に配置する場合であっても同心でなくてもよく、どの場合も等間隔でなくてもよい。また、第1及び第3の実施の形態では圧電セラミックスプレートを1層とし、第2の実施の形態では圧電セラミックスプレートを2層としたが、圧電セラミックスプレートを3層以上積層してもよい。このとき、電極は全ての層を貫通しないように少なくとも最外層内に配置されていればよい。 The preferred embodiments of the present invention have been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible as long as they are described in the claims. . For example, the electrodes may be arranged not only in concentric rings or lines but also in concentric elliptical or concentric rectangular shapes in the piezoelectric ceramic plate, and may or may not be arranged in a ring. It may not be equally spaced. In the first and third embodiments, the piezoelectric ceramic plate has one layer, and in the second embodiment, the piezoelectric ceramic plate has two layers. However, three or more piezoelectric ceramic plates may be stacked. At this time, the electrode should just be arrange | positioned in the outermost layer so that it may not penetrate all the layers.
また、圧電材料からなる板状体内に配置される電極の形状、分布は任意である。例えば、上述の実施の形態では比較的小さな電極を用いてこれらを適宜分布させるようにしたが、大きな帯状の電極を互いが対向するように1組配置してもよい。また、上述した実施の形態では電極がその一端が露出するようにアクチュエータユニットの上面側に偏在しているが、電極がアクチュエータユニット内に埋め込まれていて電極の一端が露出していなくてもよい。また、電極はアクチュエータユニットの下面(圧力室側の面)側に偏在していてもよい。こうすると、電界をかけたときに圧力室の容積が減少する。 Further, the shape and distribution of the electrodes arranged in the plate-like body made of the piezoelectric material are arbitrary. For example, in the above-described embodiment, relatively small electrodes are used and these are appropriately distributed. However, one set of large strip-shaped electrodes may be arranged so as to face each other. In the above-described embodiment, the electrode is unevenly distributed on the upper surface side of the actuator unit so that one end of the electrode is exposed. However, the electrode may be embedded in the actuator unit and the one end of the electrode may not be exposed. . The electrode may be unevenly distributed on the lower surface (surface on the pressure chamber side) side of the actuator unit. This reduces the volume of the pressure chamber when an electric field is applied.
また、上述の実施の形態では圧電セラミックスプレートの分極方向が電界方向と同じであるが、分極方向を電界方向と交差する方向にしてもよい。例えば、図1のものにおいて、電極17aと電極17bとの間、電極17bと電極17cとの間、電極17cと電極17dとの間を圧電セラミックスプレートの厚み方向でかつ交互に逆方向に分極し、さらに電極17aを中心として左右対称に分極する。このようにすると、各電極間はシェアモード変形し、電極領域全体としては電極17aを頂点とした円錐型に変形する。なお、このとき、圧電セラミックスプレートを分極させるのに電極を用いることができなくなるので、FPCを貼り付ける前に別の手段で圧電セラミックスプレートを分極させる必要がある。また、上述した実施の形態において、多数の電極に印加する正電位及びグランド電位の関係を入れ替えてもよく、正電位と負電位或いは負電位とグランド電位を印加するようにしてもよい。
Moreover, in the above-described embodiment, the polarization direction of the piezoelectric ceramic plate is the same as the electric field direction, but the polarization direction may be a direction intersecting the electric field direction. For example, in FIG. 1, the
また、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された液滴噴射装置において、噴射媒体として導電ペーストを用いることにより、極めて微細な電気回路パターンを印刷したり、或いは、噴射媒体として有機発光体を用いることにより有機エレクトロルミネッセンスディスプレイ(OELD)などの高精細ディスプレイデバイスを作成したりすることもできる。そのほか、上述した実施の形態で説明したインクジェットプリンタと同様に構成された液滴噴射装置は、微小なドットを被印刷媒体上に形成する用途であれば、極めて広範に用いることができる。 In addition, in the liquid droplet ejecting apparatus configured in the same manner as the ink jet printer described in the above-described embodiment, by using a conductive paste as the ejecting medium, an extremely fine electric circuit pattern can be printed or the ejecting medium can be used. A high-definition display device such as an organic electroluminescence display (OELD) can also be created by using an organic light emitter. In addition, the droplet ejecting apparatus configured in the same manner as the ink jet printer described in the above-described embodiment can be used in a wide range as long as it is used for forming minute dots on a print medium.
1 インクジェットヘッド(流体圧力発生機構)
6 アクチュエータユニット
6a 圧電セラミックスプレート(板状体)
7 流路ユニット
9 ノズル
10 圧力室
10a 隔壁
17a、17c 電極(第1の電極)
17b、17d 電極(第2の電極)
21a、22a、21b、22b 端子
24、25、26 金属配線
1 Inkjet head (fluid pressure generating mechanism)
6
7 Channel unit 9
17b, 17d electrode (second electrode)
21a, 22a, 21b,
Claims (6)
前記板状体を貫通することなくその表面から厚み方向に延びるように前記板状体内に配置された第1の電極と、
前記板状体の面方向について前記第1の電極と対向するように前記板状体の表面からその厚み方向に延びるように前記板状体内に配置された第2の電極とを備えた液体圧力発生機構であって、
前記第1の電極と前記第2の電極は、それぞれ複数設けられており、これらは各々が円柱形状を有しており、
さらに、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極は、交互に同心円環状に配置され、
前記複数の第1の電極が配置されてできた円上では、前記複数の第1の電極が互いに間隔を空けて配置され、前記複数の第2の電極が配置されてできた円上では、前記複数の第2の電極が互いに間隔を空けて配置されており、
同じ円上に配置される前記複数の第1の電極同士が、前記複数の第1の電極が配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の第1の金属配線を介して接続され、同じ円上に配置される前記複数の第2の電極同士が、前記複数の第2の電極が配置されてできた円と同じ直径を有する円環形状の第2の金属配線を介して接続され、前記第1の金属配線と前記第2の金属配線は同心円環状に配置されていることを特徴とする液体圧力発生機構。 A plate-like body made of a piezoelectric material;
A first electrode disposed in the plate-like body so as to extend in the thickness direction from the surface without penetrating the plate-like body;
A liquid pressure comprising: a second electrode disposed in the plate-like body so as to extend in the thickness direction from the surface of the plate-like body so as to face the first electrode in the plane direction of the plate-like body. Generation mechanism,
A plurality of the first electrode and the second electrode are provided, each of which has a cylindrical shape,
Further, the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes are alternately arranged in a concentric ring shape,
On the circle formed by arranging the plurality of first electrodes, the plurality of first electrodes are arranged at intervals from each other, and on the circle formed by arranging the plurality of second electrodes, The plurality of second electrodes are spaced apart from each other;
The plurality of first electrodes arranged on the same circle are connected to each other via a ring-shaped first metal wiring having the same diameter as a circle formed by arranging the plurality of first electrodes. The plurality of second electrodes arranged on the same circle are connected to each other via an annular second metal wiring having the same diameter as the circle formed by arranging the plurality of second electrodes. The liquid pressure generating mechanism is characterized in that the first metal wiring and the second metal wiring are arranged concentrically.
前記第2の電極は、前記第2の金属配線を介して、グランド電位に保持された端子に接続され、
前記第1の電極は、前記複数の第1の電極及び前記複数の第2の電極が配置されてできた円の中心に配置されていることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに液体圧力発生機構。 The first electrode is connected to a terminal to which a signal for selectively taking either a ground potential or a positive predetermined potential is applied via the first metal wiring,
The second electrode is connected to a terminal held at a ground potential via the second metal wiring,
The first electrode is arranged at the center of a circle formed by arranging the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes. Liquid pressure generation mechanism.
中心から離れるにつれて、前記第1の電極と前記第2の電極が対向する部分が多くなるように構成されていることを特徴とする請求項3または4に記載の液体圧力発生機構。 The plate-like body has at least three circles formed by arranging the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes,
5. The liquid pressure generating mechanism according to claim 3, wherein a portion where the first electrode and the second electrode face each other increases as the distance from the center increases.
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