JP5869351B2 - Piezoelectric actuator substrate for liquid discharge head, liquid discharge head using the same, and recording apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、液滴を吐出させる液体吐出ヘッドに用いられる圧電アクチュエータ基板、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに記録装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator substrate used for a liquid discharge head that discharges droplets, 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, such a liquid ejection head has a serial type that performs recording while moving the liquid ejection head in a direction (main scanning direction) orthogonal to the conveyance direction (sub-scanning direction) of the recording medium, and is long in the main scanning direction. There is a line type in which recording is performed on a recording medium conveyed in the sub-scanning direction with the liquid discharge head 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金属の流路部材と、前記加圧室をそれぞれ覆うように設けられた複数の変位素子を有するセラミックスの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。また、変位素子は、流路部材側から、振動板、共通電極、圧電セラミック層、加圧室に対向した位置にある個別電極が積層された構造をしている。また、各変位素子へは信号伝達部を通して外部から吐出信号が伝達される。 Accordingly, the liquid discharge head includes a manifold and a metal flow path member having discharge holes that connect the manifold via the plurality of pressurizing chambers, and a plurality of displacement elements provided so as to cover the pressurizing chambers, respectively. A structure in which a piezoelectric actuator substrate made of ceramics is laminated 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. Further, the displacement element has a structure in which the diaphragm, the common electrode, the piezoelectric ceramic layer, and the individual electrode located at the position facing the pressurizing chamber are laminated from the flow path member side. Further, an ejection signal is transmitted from the outside to each displacement element through a signal transmission unit.
特許文献1に記載されているような液体吐出ヘッドで、信号伝達部としてフレキシブル
配線基板を用いると、フレキシブル配線基板が変位素子に接触した状態となってしまうことにより、変位素子の変位量が小さくなり、液滴の吐出量が少なくなってしまったり、液滴が吐出されなくなったりするという問題があった。
When a flexible wiring board is used as a signal transmission unit in a liquid ejection head as described in
したがって、本発明の目的は、外部との接続を行なう信号伝達部と接触した状態になり難い液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板、およびそれを用いた液体吐出ヘッド、ならびに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 substrate for a liquid discharge head that is unlikely to be in contact with a signal transmission unit that is connected to the outside, a liquid discharge head using the same, and a recording apparatus. .
本発明の液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板は、振動板と、該振動板の一方の主面に配置されている複数の変位素子と、フレキシブル配線基板とを有している液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板であって、前記複数の変位素子は、表面電極と撓み変形する圧電体を有しており、前記表面電極は、前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板の表面に露出しているとともに、平均厚みが3μm以下であり、前記表面電極の、撓み変形する部位にある表面電極本体の表面には、高さ3μm以上の突起があり、前記フレキシブル配線基板は、前記表面電極と電気的に接続されているとともに、前記表面電極本体に面して配置されていることを特徴とする。
A piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head according to the present invention includes a vibration plate, a plurality of displacement elements arranged on one main surface of the vibration plate, and a flexible wiring substrate. a substrate, wherein the plurality of displacement elements, Propelled by one piezoelectric body FLEXIBLE viewed deformed the surface electrode, the surface electrodes, as well as exposed on the surface of the piezoelectric actuator substrate for the liquid discharge head, the average thickness is below 3μm or less, before Symbol of the surface electrode, the surface of the surface electrode the body in the region of the bending deformation, Ri height 3μm or more protrusions there, the flexible wiring board, said surface electrode together are electrically connected, characterized that you have been disposed facing the surface electrode body.
一つの前記表面電極本体にある前記突起の個数が10〜100個であることが好ましい。 It is preferable that the number of the protrusions on one surface electrode main body is 10 to 100.
前記表面電極本体の前記突起が、前記表面電極本体の周縁部より中央部に多く配置されていることが好ましい。 It is preferable that a larger number of the protrusions of the surface electrode main body are arranged at the center than the peripheral edge of the surface electrode main body.
前記突起の密度が前記突起以外の前記表面電極本体の密度より低いことが好ましい。 It is preferable that the density of the protrusions is lower than the density of the surface electrode body other than the protrusions.
前記表面電極と前記フレキシブル配線基板とは、前記表面電極に設けられている接続バンプを介して電気的に接続されているとともに、前記突起の高さが前記接続バンプの高さより低いことが好ましい。
Wherein the surface electrode and the flexible wiring board, wherein with are electrically connected via the connection bumps provided on the surface electrode, the low Ikoto height of the projections Ri by the height of the connecting bumps Is preferred.
本発明の液体吐出ヘッドは、前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板と、複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を有しており、前記振動板が前記複数の加圧室を覆うとともに、複数の前記表面電極本体と前記複数の加圧室とがそれぞれ重なるように前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板に接合されている流路部材とを有することを特徴とする。
The liquid discharge head of the present invention, the piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head has a discharge hole of multiple, and a plurality of pressurizing chambers are connected plurality of discharge holes and each of the diaphragm covering the plurality of pressure chambers, and a flow path member and the pressure chamber of the plurality of said surface electrode body and the front Kifuku number is bonded to the piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head so as to overlap each It is characterized by that.
前記フレキシブル配線基板と前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板との間の距離が10〜50μmであることが好ましい。 It is preferable that a distance between the flexible wiring substrate and the piezoelectric actuator substrate for the liquid discharge head is 10 to 50 μm.
本発明の記録装置は、前記液体吐出ヘッドと、記録媒体を前記液体吐出ヘッドに対して搬送する搬送部と、前記液体吐出ヘッドを制御する制御部とを備えていることを特徴とする。 The recording apparatus of the present invention includes the liquid discharge head, a transport unit that transports a recording medium to the liquid discharge head, and a control unit that controls the liquid discharge head.
本発明の液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板によれば、表面電極本体に突起があることにより、表面電極本体とフレキシブル配線基板とが面で接する状態になり難いので、表面電極本体と信号伝達部とが接触した状態になり難く、信号伝達部により変位素子の変位が阻害され難い。これにより、変位素子の変位量にばらつきが生じ難い。
According to the piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head of the present invention, by extrusion on the front surface electrode body, since the surface electrode body and the flexible wiring board is hardly ready contact with the surface, the surface electrode body and the signal transmission unit Are not in contact with each other, and the displacement of the displacement element is hardly inhibited by the signal transmission unit. Thereby, it is hard to produce dispersion | variation in the displacement amount of a displacement element.
図1は、本発明の一実施形態による液体吐出ヘッドを含む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。この長い方向を長手方向と呼ぶことがある。
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a color ink jet printer which is a recording apparatus including a liquid discharge head according to an embodiment of the present invention. This color inkjet printer 1 (hereinafter referred to as printer 1) has four
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
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
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
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
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
The
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
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
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、下端に液体吐出ヘッド本体13を有している。液体吐出ヘッド本体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4および5参照)。
The four
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には図示しない外部液体タンクから液体が供給される。各液体吐出ヘッド2の吐出孔8は、吐出孔面に開口しており、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、液体吐出ヘッド本体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
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を構成する液体吐出ヘッド本体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
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
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
次に本発明の液体吐出ヘッドを構成する液体吐出ヘッド本体13について説明する。図2は、図1に示された液体吐出ヘッド本体13を示す上面図である。図3は、図2の一点鎖線で囲まれた領域の拡大上面図であり、液体吐出ヘッド本体13の一部である。図4は、図3と同じ位置の拡大透視図で、吐出孔8の位置が分かり易いように、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を実線で描いている。図5(a)は図3のV−V線に沿った部分に相当する縦断面図であるが、接続バンプが形成され、信号伝達部が接続された状態を示している。図5(b)は、図5(a)の要部の拡大図であり、(c)は、流路部材および圧電アクチュエータ基板圧電の(a)の付近の拡大平面図である。
Next, the liquid discharge head
液体吐出ヘッド本体13は、平板状の流路部材4と、流路部材4上に、液体吐出ヘッド用)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、その台形の一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 liquid
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
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液体吐出ヘッド本体13の長手方向に延在している。
The
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とほぼ同一の大きさおよび形状の領域を占有している。また、圧電アクチュエータ基板21は複
数の加圧室10を覆うように積層されるので、各加圧室10の開口は、圧電アクチュエータ基板21で閉塞されている。
The
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
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、圧電アクチュエータ基板21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。
As a whole, the pressurizing
つまり、流路部材4の長手方向に平行な仮想直線に対して直交するように吐出孔8を投影すると、図3に示した仮想直線のRの範囲に、4つの副マニホールド5aに繋がっている4つの吐出孔8、つまり全部で16個の吐出孔8が600dpiの等間隔に配置されている。また、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。
That is, when the
圧電アクチュエータ基板21の上面における各加圧室10に重なる位置には個別電極35がそれぞれ形成されている。すなわち、個別電極35は、圧電アクチュエータ基板21の上面に、第1の方向および第1の方向とは異なる方向にわたって形成されている。個別電極(表面電極)35は、個別電極本体(表面電極本体)35aと個別電極35aから引き出された引出電極35bとを含む。個別電極本体35a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。
流路部材4の下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。これらの吐出孔群は圧電アクチュエータ基板21とほぼ同一の大きさおよび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
液体吐出ヘッド本体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。液体吐出ヘッド本体13は、図5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
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
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27〜29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
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
圧電アクチュエータ基板21は、図5(a)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の圧電セラミック層21a、21bの積層体(個別電極35を含み、接続バンプ46は形成されていたとしても含まない)の厚さは43μm程度であり、100μm以下であることにより、変位量を大きくすることができる。圧電アクチュエータ基板21は、流路部材4の加圧室10の開口している平面状の面に積層されており、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、強誘電性を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系のセラミックス材料からなる。
As shown in FIG. 5A, the
圧電アクチュエータ基板21は、Ag−Pd系などの金属材料からなる共通電極34、および個別電極35を有している。共通電極34および個別電極35の一対の電極は、その間に圧電体である圧電セラミック層21bが挟まれており、この圧電セラミック層21bは前記一対の電極間に電圧をかけることにより、面方向に伸縮(伸長および収縮のどちらか一方でもよい)して、変位素子50を撓み変形させる。詳細は後述するが、個別電極35には、制御部100からフレキシブル配線基板60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
個別電極35は、圧電アクチュエータ基板21の上面における加圧室10と重なる位置に配置されている個別電極本体35aと、個別電極本体35aから加圧室10と重ならない位置まで引き出されている引出電極35bとを含んでいる。引出電極35bは隣り合う他の個別電極本体35aを超えない範囲まで引き出されている。個別電極35の厚さは、
0.5〜3μmである。100μm程度と薄い圧電アクチュエータ基板21であると、個別電極35の厚さが変位量に与える影響も大きく、平均厚みを3μm以下にする。また、導通の信頼性を高くするため、平均厚みは0.5μm以上であることが好ましい。平均厚みは、さらに1.5〜2.5μmであることが好ましい。個別電極本体35aの表面には、高さが3μm以上の突起35a−1が形成されている。
The
0.5-3 μm. When the
圧電アクチュエータ基板21の引出電極35bの加圧室10のない位置には、接続バンプ46が形成されている。接続バンプ46は、例えば、銀粒子を含み、これらが樹脂で固められたものや、ガラスフリットを含む銀を焼き付けたものからなり、厚さが5〜50μm程度で凸状に形成されている。また、接続バンプ46は、圧電アクチュエータ基板21に沿って配置される信号伝達部であるフレキシブル配線基板60に設けられた配線60bと電気的に接合されている。フレキシブル配線基板60は、ベースフィルム(被覆層)60aおよびカバーフィルム60c(被覆層)で配線60bを覆っている構造を有しており、接続バンプ46はカバーフィルム60cを貫通して配線60bと接続している。600dpiの印刷をするのに用いられる圧電アクチュエータに対応するフレキシブル配線基板60は、配線60bの密度が高くなり、配線60bと接続バンプ46とが接続される個所も非常に多くなる。このような場合、カバーフィルム60cとして柔らかいものを用いるか、カバーフィルム60cを柔らかい状態(未硬化あるいは半硬化した状態)にしておいて、カバーフィルム60cを貫通させて、接続を行なうのが好ましい。配線60bと接続バンプ46との接続の保持は、柔らかい状態のカバーフィルム60cの粘着性、あるいは貫通後カバーフィルム60cを硬化させることで行なえる。
A
このような場合、フレキシブル配線基板60と変位素子50とが接触した状態になったり、フレキシブル配線基板60と変位素子50とくっついてしまうことがある。変位素子50の変位が阻害されるため、そのようなことは好ましくない。そのため、個別電極本体35aの表面に、高さが3μm以上の突起35a−1を形成する。これにより、個別電極本体35aの表面とフレキシブル配線基板60の表面とが面同士で接触し難くなるので、個別電極本体35aとフレキシブル配線基板60とが接触した状態になることを抑制できる。なお、個別電極35の引出電極35b部分には、突起はあっても、なくてもどちらでもかまわない。
In such a case, the flexible wiring board 60 and the
一つの個別電極本体35aにある突起35a−1の個数が10以上であることにより、表面電極本体35a内に、突起35a−1が広く分布して、フレキシブル配線基板60を付き難くできる。また、突起35a−1が100個以下であることにより、突起35a−1があることによる変位の低下少なくできる。突起35a−1の個数は、20〜80がより好ましい。
When the number of the
突起35a−1は、個別電極本体35aの周縁部より中央部に多く配置されていることにより、フレキシブル配線基板60と付いた場合に変位に影響度の大きい中央部にフレキシブル配線基板60を付き難くできる。図5(c)のにおいて仮想形Sは、個別電極本体35aと相似で、面積重心が一致し、個別電極本体35aの面積の半分の形状である。仮想形Sの内部を個別電極本体35aの中央部、それ以外を個別電極本体35aの周縁部として、中央部における突起35a−1の密度が、周縁部における突起35a−1の密度より高いことが好ましい。これにより少ない突起35a−1の個数で、効果的にフレキシブル配線基板60を付き難くできる。
Since the
突起35a−1の高さhは、接続バンプ46の高さやカバーフィルム60cの厚さにもよるが、3〜10μmであるのが好ましい。あまり高くなると、フレキシブル配線基板60と突起35a−1との距離が短くなるので、少ないフレキシブル配線基板の変形でフレキシブル配線基板60と突起35a−1とが付き易くなってしまう。突起35a−1の高さは、接続バンプ46の高さより低いことが好ましい。さらに、突起35a−1の高さはカバーフィルム60cの厚さより小さくことが好ましい。これにより、突起35a−1がカバーフィルム60cに入り込んでも、当該変位素子と電気的に繋がらない配線60bと電気的に繋がってしまうことが抑制できる。
Although the height h of the
突起35a−1は、個別電極35を焼き付けで形成する場合などは、個別電極35となる導体ペーストに、粒径の大きな金属粒子を入れたり、粒径の大きなフィラーを入れたりすることで形成できる。粒径の大きな粒子は、細かい粒子が凝集などにより集まった2次粒子でもよい。粒径の大きな粒子は絶縁性であると、突起35a−1がカバーフィルム60cに入り込んでも導通するおそれが減るので、好ましい。絶縁性の粒子としては、セラミックスや、焼き付け温度よりも軟化点の高いガラス粒子が例示できる。粒径の大きな粒子として、突起35a−1を除いた個別電極本体35aよりも密度の低いものを使えば、突起35a−1が個別電極本体35aより飛び出した形状で形成できるので好ましい。また、粒径の大きな粒子を密度の低いものにし、粘度の低い導体ペーストで印刷すると、表面張力により、粒径の大きな粒子が個別電極本体35aの中央部に近づき、中央部の突起35a−1の密度を、周縁部より高くできる。また、粒径の大きな粒子として、角部が尖ったものを用いると、突起35a−1がフレキシブル配線基板60に、より付き難くできる。
The
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、個別電極35からなる電極群を避ける位置に個別電極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、多数の個別電極35と同様に、外部配線内の別の電極と接続されている。
The
なお、以上は、圧電アクチュエータ基板21が2層の圧電セラミック層の場合の構造であるが、3相層以上の圧電セラミック層を積層して、個別電極35と共通電極34が交互になるように配置してもよい。
The above is the structure in the case where the
図5に示されるように、共通電極34と個別電極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における個別電極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21a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. 5, the
なお、後述のように、個別電極35に選択的に所定の駆動信号が供給されることにより、この個別電極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、対応する液体吐出口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および液体吐出口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の直上に位置するセラミック振動板21a、共通電極34、圧電セラミック層21b、個別電極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
よって液体吐出口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
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、個別電極35に供給される駆動電圧(駆動信号)に関して説明する。個別電極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、個別電極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
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個別電極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
本実施の形態における実際の駆動手順は、あらかじめ個別電極35を共通電極34より高い電位(以下高電位と称す)にしておき、吐出要求がある毎に個別電極35を共通電極34と一旦同じ電位(以下低電位と称す)とし、その後所定のタイミングで再び高電位とする。これにより、個別電極35が低電位になるタイミングで、圧電セラミック層21a、bが元の形状に戻り、加圧室10の容積が初期状態(両電極の電位が異なる状態)と比較して増加する。このとき、加圧室10内に負圧が与えられ、液体がマニホールド5側から加圧室10内に吸い込まれる。その後再び個別電極35を高電位にしたタイミングで、圧電セラミック層21a、bが加圧室10側へ凸となるように変形し、加圧室10の容積減少により加圧室10内の圧力が正圧となり液体への圧力が上昇し、液滴が吐出される。つまり、液滴を吐出させるため、高電位を基準とするパルスを含む駆動信号を個別電極35に供給することになる。このパルス幅は、圧力波がしぼり12から吐出孔8まで伝播する時間長さであるAL(Acoustic Length)が理想的である。これによると、加圧室10
内部が負圧状態から正圧状態に反転するときに両者の圧力が合わさり、より強い圧力で液滴を吐出させることができる。
In an actual driving procedure in the present embodiment, the
When the inside is reversed from the negative pressure state to the positive pressure state, both pressures are combined, and the liquid droplets can be ejected at a stronger pressure.
以上のような液体吐出ヘッド2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法等により形成する。また、必要に応じてグリーンシートの一部にビアホールを形成し、その内部にビア導体を充填する。
The
ついで、各グリーンシートを積層して積層体を作製し、加圧密着を行なう。加圧密着後の積層体を高濃度酸素雰囲気下で焼成し、圧電アクチュエータ基体を作製した。その後、10μmのガラスフィラーを添加したAg−Pdペーストを用いて焼成体表面に個別電極35を印刷、焼成して、圧電アクチュエータ基板21を作製する。圧電アクチュエータ基板21の個別電極本体35aには、ガラスフィラーの突起35a−1が形成される。
Next, each green sheet is laminated to produce a laminate, and pressure adhesion is performed. The laminated body after pressure contact was fired in a high concentration oxygen atmosphere to produce a piezoelectric actuator substrate. Thereafter, the
次に、流路部材4を、圧延法等により得られプレート22〜31を接着層を介して積層して作製する。プレート22〜31に、マニホールド5、個別供給流路6、液体加圧室10およびディセンダなどとなる孔を、エッチングにより所定の形状に加工する。
Next, the
これらプレート22〜31は、Fe―Cr系、Fe−Ni系、WC−TiC系の群から選ばれる少なくとも1種の金属によって形成されていることが望ましく、特に液体としてインクを使用する場合にはインクに対する耐食性の優れた材質からなることが望ましため、Fe−Cr系がより好ましい。
These
圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とは、例えば接着層を介して積層接着することができる。接着層としては、周知のものを使用することができるが、圧電アクチュエータ基板21や流路部材4への影響を及ぼさないために、熱硬化温度が100〜150℃のエポキシ樹脂、フェノール樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂の群から選ばれる少なくとも1種の熱硬化性樹脂系の接着剤を用いるのがよい。このような接着層を用いて熱硬化温度にまで加熱することによって、圧電アクチュエータ基板21と流路部材4とを加熱接合することができる。
The
その後、圧電アクチュエータ基板21の引出電極35b上に、樹脂を含むAgペーストを塗布、乾燥し、接続バンプ46を形成する。接続バンプ46が形成されていると、圧電アクチュエータユニット21と流路部材4との接合の際に加わる圧力が不均一になるので、接合後に形成するのが好ましい。配線60bが形成されたベースフィルム60a上に、カバーフィルム60cとなる樹脂を供給し、その樹脂が未硬化あるいは半硬化の状態で、配線60と接続バンプ46とを位置合わせして、圧電アクチュエータ基板21に接合する。接続バンプ46は、未硬化あるいは半硬化の樹脂を貫通して、配線60bに接続される。その後樹脂は硬化されて、配線60bと接続バンプ46との接続は強固になる。硬化された樹脂はカバーフィルム60cとなり、ベースフィルム60a、配線60b、およびカバーフィルム60cは、フレキシブル配線基板(信号伝達部)60となる。
Thereafter, an Ag paste containing a resin is applied and dried on the
1・・・プリンタ
2・・・液体吐出ヘッド
4・・・流路部材
5・・・マニホールド
5a・・・副マニホールド
5b・・・マニホールドの開口
6・・・個別供給流路
8・・・吐出孔
9・・・加圧室群
10・・・加圧室
11a、b、c、d・・・加圧室列
12・・・しぼり
13・・・液体吐出ヘッド本体
15a、b、c、d・・・吐出孔列
21・・・(液体吐出ヘッド用)圧電アクチュエータ基板
21a・・・圧電セラミック層(セラミック振動板)
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・・・個別電極(表面電極)
35a・・・個別電極本体(表面電極本体)
35a−1・・・(個別電極本体の)突起
35b・・・引出電極
46・・・接続バンプ
50・・・変位素子
60・・・フレキシブル配線基板(信号伝達部)
60a・・・ベースフィルム(被覆層)
60b・・・配線
60c・・・カバーフィルム(被覆層)
h・・・(個別電極本体の)突起の高さ
DESCRIPTION OF
21b ... Piezoelectric ceramic layer 22-31 ...
35a ... Individual electrode body (surface electrode body)
35a-1 ... projection of
60a ... Base film (coating layer)
60b ...
h ... Height of protrusion (individual electrode body)
Claims (8)
該振動板の一方の主面に配置されている複数の変位素子と、
フレキシブル配線基板と
を有している液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板であって、
前記複数の変位素子は、表面電極と撓み変形する圧電体とを有しており、
前記表面電極は、前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板の表面に露出しているとともに、平均厚みが3μm以下であり、
前記表面電極の、撓み変形する部位にある表面電極本体の表面には、高さ3μm以上の突起があり、
前記フレキシブル配線基板は、前記表面電極と電気的に接続されているとともに、前記表面電極本体に面して配置されていることを特徴とする液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板。 A diaphragm,
A plurality of displacement elements arranged on one main surface of the diaphragm ;
With flexible wiring board
A piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head having
Wherein the plurality of displacement elements has a piezoelectric body that FLEXIBLE viewed deformed the surface electrode,
The surface electrodes, as well exposed on the surface of the piezoelectric actuator substrate for the liquid discharge head, the average thickness is below 3μm or less,
Before Symbol surface electrode, on the surface of the surface electrode the body in the region of the bending deformation, Ri height 3μm or more projections there,
The flexible wiring board, wherein with being surface electrodes electrically connected to said surface electrode liquid discharge piezoelectric actuator head substrate, characterized that you have been disposed facing the body.
複数の吐出孔、および該複数の吐出孔とそれぞれ繋がっている複数の加圧室を有しており、前記振動板が前記複数の加圧室を覆うとともに、複数の前記表面電極本体と前記複数の加圧室とがそれぞれ重なるように前記液体吐出ヘッド用圧電アクチュエータ基板に接合
されている流路部材とを有することを特徴とする液体吐出ヘッド。 A piezoelectric actuator substrate for a liquid ejection head according to any one of claims 1 to 5 ,
A plurality of discharge holes, and has a plurality of pressurizing chambers are connected plurality of discharge holes and each together with the diaphragm covering the plurality of pressure chambers, a plurality of said surface electrode body and the front Stories a liquid discharge head characterized by having a flow path member and the pressurizing chamber of the multiple is bonded to the piezoelectric actuator substrate for a liquid discharge head so as to overlap respectively.
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