專利名稱：噴墨打印機(jī)的噴墨頭的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
實(shí)用新型背景本實(shí)用新型涉及噴墨打印機(jī)的噴墨頭。
最近，噴墨打印機(jī)被廣泛使用。在噴墨打印機(jī)中使用的噴墨頭(即，打印頭)的結(jié)構(gòu)是，將墨盒中的墨水提供到歧管中并分配到噴墨頭中的多個(gè)壓力室中。通過(guò)對(duì)壓力室選擇性地施加壓力，墨水選擇性地從噴嘴中噴出，每個(gè)噴嘴分別與壓力室對(duì)應(yīng)。為了對(duì)每個(gè)壓力室選擇性地施加壓力，廣泛使用壓電陶瓷片層疊形成的促動(dòng)器單元。
美國(guó)專利5,402,159公開了這種噴墨頭的一個(gè)例子，其原理在這里引用作為參考。上述專利公開的噴墨頭包括促動(dòng)器單元，促動(dòng)器單元具有陶瓷層，這些陶瓷層是在多個(gè)壓力室上方的連續(xù)層疊平面。在上述專利的噴墨頭中，促動(dòng)器單元的壓電陶瓷層一般包括活動(dòng)層和非活動(dòng)層。活動(dòng)層位于壓力室一側(cè)并且夾在保持為接地電位的公共電極與驅(qū)動(dòng)電極(單獨(dú)的電極)之間，驅(qū)動(dòng)電極分別位于與壓力室對(duì)應(yīng)的位置。而非活動(dòng)層位于與壓力室相對(duì)的一側(cè)上并且不帶有電極。通過(guò)選擇性地控制驅(qū)動(dòng)電極的電位以與公共電極的電位不同，活動(dòng)層根據(jù)壓電縱向效應(yīng)沿層的堆積方向膨脹/收縮。當(dāng)活動(dòng)層膨脹/收縮時(shí)，對(duì)應(yīng)壓力室的容積改變，從而選擇性地從壓力室中噴出墨水。非活動(dòng)層變形很小并作為對(duì)活動(dòng)層的支撐，使活動(dòng)層有效地在層的堆積方向上膨脹/收縮。
最近，對(duì)高度集成的壓力室的需求增大。但是，上述專利中涉及的噴墨頭不足以滿足這些需求
實(shí)用新型內(nèi)容
考慮到上述問(wèn)題，本實(shí)用新型在提供具有高度集成的壓力室的噴墨頭方面具有優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)本實(shí)用新型的一個(gè)方面，提供了一種噴墨頭，其具有多個(gè)壓力室和多個(gè)壓力室的促動(dòng)器單元，每個(gè)壓力室具有的結(jié)構(gòu)使其一端與排出噴嘴相連，另一端與墨水供應(yīng)器相連。在此結(jié)構(gòu)中，促動(dòng)器單元是連續(xù)的平面層，包括至少一層非活動(dòng)層和至少一層活動(dòng)層，非活動(dòng)層布置在壓力室的一側(cè)并由壓電材料制成，活動(dòng)層與非活動(dòng)層相對(duì)，布置在壓力室上的相對(duì)一側(cè)并由壓電材料制成，平面元件布置成覆蓋多個(gè)壓力室。至少一層的活動(dòng)層夾在公共電極和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間，多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極所處的位置與多個(gè)壓力室對(duì)應(yīng)。連續(xù)的平面層包括至少一個(gè)活動(dòng)層和/或至少一個(gè)非活動(dòng)層二者中的多個(gè)。
在一個(gè)特殊情況下，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極設(shè)定的電位與公共電極的電位不同時(shí)，至少一層活動(dòng)層根據(jù)壓電橫向效應(yīng)產(chǎn)生變形，活動(dòng)層的變形與至少一層非活動(dòng)層相結(jié)合，一起產(chǎn)生單形效應(yīng)，從而改變壓力室的容積。
可以選擇的是，可以把公共電極保持在接地電位。
可以選擇的是，離壓力室最遠(yuǎn)的電極的結(jié)構(gòu)可以是公共電極和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極中最薄的一個(gè)。這種電極可以通過(guò)氣相沉積方法制成。
可以選擇的是，最靠近壓力室的電極是公共電極。
進(jìn)一步可以選擇的是，至少一個(gè)活動(dòng)層的層厚度是20μm或小于20μm。
再可以選擇的是，至少一層活動(dòng)層和至少一層非活動(dòng)層的總數(shù)是4或大于4。
需要注意的是，優(yōu)選的t/T值為0.8或小于0.8，其中t表示至少一層活動(dòng)層的厚度，T表示至少一層活動(dòng)層和至少一層非活動(dòng)層的整個(gè)厚度。特別優(yōu)選的是t/T值為0.7或小于0.7。
可以選擇的是，可以滿足下面的條件0.1mm≤L≤1mm0.3≤δ/L≤1其中，L表示至少一層活動(dòng)層在較短一側(cè)的寬度，以及δ表示每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極在與至少一層活動(dòng)層寬度L相似的方向上的寬度。
在一個(gè)特殊的情況下，所有的至少一層活動(dòng)層和至少一層非活動(dòng)層是由相同材料制成的。
可以選擇的是，所有的至少一層活動(dòng)層和至少一層非活動(dòng)層具有基本相同的厚度。
在一個(gè)特殊情況下，活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量分別是2和1?；顒?dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量可以分別是2和2。另外可以選擇的是，活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)可以是5，并且活動(dòng)層和非活動(dòng)層二者之一的數(shù)量可以是3。
在一個(gè)特殊的情況下，活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量是相同的?？梢赃x擇的是，活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量之差可以是1。
附圖的簡(jiǎn)要描述


圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的噴墨頭的仰視圖；圖2是
圖1中虛線包圍區(qū)域的放大圖3是圖2中虛線包圍區(qū)域的放大圖；圖4是
圖1中噴墨頭的主要部分的剖視圖；圖5是
圖1中噴墨頭的主要部分的分解透視圖；圖6是圖4中虛線包圍區(qū)域的放大圖；圖7是表示通過(guò)模擬得到的噴墨頭的電效率和面積效率曲線圖；圖8是表示通過(guò)模擬得到的噴墨頭的變形效率曲線圖，其中活動(dòng)和非活動(dòng)層的數(shù)量從2變到6；圖9是表示通過(guò)模擬得到的噴墨頭的變形效率曲線圖，其中活動(dòng)和非活動(dòng)層的厚度假定為10μm、15μm和20μm；以及
圖10是表示通過(guò)模擬得到的噴墨頭的變形效率曲線圖，其中活動(dòng)寬度假定為100μm、150μm、200μm、250μm、300μm和350μm。
實(shí)施例的詳細(xì)描述下面將參考附圖詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。
圖1是根據(jù)本實(shí)用新型一個(gè)實(shí)施例的噴墨頭的仰視圖；圖2是
圖1中虛線包圍區(qū)域的放大圖；圖3是圖2中虛線包圍區(qū)域的放大圖；圖4是
圖1中噴墨頭的主要部分的剖視圖；圖5是
圖1中噴墨頭的主要部分的分解透視圖；圖6是圖4中虛線包圍區(qū)域的放大圖。
噴墨打印機(jī)中使用的噴墨頭1根據(jù)圖像數(shù)據(jù)通過(guò)將墨水噴射到紙上來(lái)記錄圖像。如
圖1所示，當(dāng)從底部觀察時(shí)，根據(jù)此實(shí)施例的噴墨頭1在一個(gè)方向上基本呈矩形(此方向?yàn)閲娔蛴C(jī)的主要掃描方向)。噴墨頭1的底面具有多個(gè)梯形的墨水噴射區(qū)2，沿著噴墨頭1的縱向(即主要掃描方向)排列成兩行，并且還互相交錯(cuò)(即交替排列成兩行)。
多個(gè)墨水噴射孔8(見圖2和3)排列在每個(gè)墨水噴射區(qū)2的表面上，這將在下面描述。墨水儲(chǔ)存器3沿著縱向形成在噴墨頭1的內(nèi)部。墨水儲(chǔ)存器3通過(guò)孔3a與墨盒(未示出)相通，孔3a位于墨水儲(chǔ)存器3的一端，從而墨水儲(chǔ)存器3在所有時(shí)刻都充滿墨水。多個(gè)成對(duì)的孔3b和3b沿著縱向(即主要掃描方向)以互相交錯(cuò)的形式排列在墨水儲(chǔ)存器3上。每對(duì)孔3b和3b形成在從底部觀察沒(méi)有墨水噴射區(qū)2的區(qū)域。
如
圖1和2所示，墨水儲(chǔ)存器3通過(guò)孔3b與下面的歧管5相通?？梢赃x擇的是，孔3b可以具有過(guò)濾器，用以去除從其中通過(guò)的墨水中的灰塵。歧管5的末端分成兩個(gè)支歧管5a和5a(見圖2)。兩個(gè)支歧管5a和5a從兩個(gè)孔3b和3b中的每一個(gè)延伸進(jìn)入墨水噴射區(qū)2的上部，兩個(gè)孔3b和3b分別位于墨水噴射區(qū)2沿噴墨頭1縱向的兩側(cè)。這樣，在一個(gè)墨水噴射區(qū)2的上部，沿著噴墨頭1的縱向共有四個(gè)支歧管5a伸入其中。每個(gè)支歧管5a由墨水儲(chǔ)存器3中提供的墨水充滿。
如圖2和3所示，多個(gè)墨水噴射孔8排列在每個(gè)墨水噴射區(qū)2的表面上。如圖4所示，每個(gè)墨水噴射孔8形成為具有錐形末端的噴嘴，并且通過(guò)孔12和壓力室(空腔)10與支歧管5a相通。壓力室10是平面形的，基本為菱形(900μm長(zhǎng)，350μm寬)。墨水通道32在噴墨頭1中從墨盒經(jīng)過(guò)墨水儲(chǔ)存器3、歧管5、支歧管5a、孔12和壓力室10延伸到墨水噴射孔8。需要注意的是，盡管壓力室10和孔12形成在墨水噴射區(qū)2的內(nèi)部并且通常應(yīng)該以虛線畫出，但在圖2和3中為了清楚起見以實(shí)線畫出。
并且，從圖3中可以看出，壓力室10在墨水噴射區(qū)2內(nèi)互相排列緊密，從而與一個(gè)壓力室10相通的孔12與相鄰的壓力室10重疊。這種排列是能實(shí)現(xiàn)的，因?yàn)閴毫κ?0和孔12形成在不同層次(高度)上，如圖4所示。壓力室10可以排列得緊密，從而可以用占據(jù)相對(duì)較小面積的噴墨頭1產(chǎn)生高分辨率的圖像。
壓力室10沿著兩個(gè)方向，即噴墨頭1的縱向(第一陣列方向)以及與噴墨頭1的寬度方向略微傾斜的方向(第二陣列方向)，排列在墨水噴射區(qū)2內(nèi)，并位于圖2所示的平面中。墨水噴射孔8在第一陣列方向的排列密度為50dpi。在每個(gè)墨水噴射區(qū)2的第二陣列方向上最多有12個(gè)壓力室10。需要注意的是，位于12個(gè)壓力室10陣列一端的壓力室10與在陣列另一端的另一個(gè)壓力室10的相對(duì)位移對(duì)應(yīng)于第一陣列方向中壓力室10的尺寸。這樣，在第一陣列方向中相鄰的兩個(gè)墨水噴射孔8之間存在12個(gè)墨水噴射孔8，盡管它們處于噴墨頭1寬度方向上的不同位置。需要注意的是，在第一方向外圍部分的陣列中，壓力室10的數(shù)量小于12個(gè)。但是，下一個(gè)噴射區(qū)2的外圍部分(與少于12個(gè)壓力室10的陣列相對(duì)的陣列)在設(shè)計(jì)上是互相補(bǔ)償?shù)?，這樣，從噴墨頭1的整體上看，滿足上述條件。
因此，根據(jù)本實(shí)施例的噴墨頭1在相對(duì)于紙的寬度方向的移動(dòng)，通過(guò)從排列在第一和第二陣列方向中的多個(gè)墨水噴射孔8中噴射墨水，根據(jù)此實(shí)施例的這樣噴墨頭1在主掃描方向上能進(jìn)行分辨率為600dpi的打印。
接著將討論噴墨頭1的剖面結(jié)構(gòu)。如圖4和5所示，噴墨頭1底側(cè)的主要部分具有層疊的結(jié)構(gòu)，其中總共層疊了10層薄板。這10層薄板從上到下依次是促動(dòng)器單元21，空腔板22，基板23，孔板24，供給板25，歧管板26、27、28，蓋板29，以及噴嘴板30。
促動(dòng)器單元21的結(jié)構(gòu)，下面將詳細(xì)描述，使5個(gè)壓電片層疊。在促動(dòng)器單元21上具有電極，從而三個(gè)片是活動(dòng)的，而其余兩個(gè)是非活動(dòng)的?？涨话?2是金屬板，上面具有多個(gè)基本如菱形的開口以形成壓力室10?；?3是金屬板，包括連接壓力室10和孔12的連通孔以及從壓力室10向墨水噴射孔8延伸的連通孔，用于空腔板22的每個(gè)壓力室10?？装?4是金屬板，除了孔12外，包括從壓力室10向墨水噴射孔8延伸的連通孔，用于空腔板22的每個(gè)壓力室10。供給板25是金屬板，包括連接孔12和支歧管5a的連通孔以及從壓力室10向墨水噴射孔8延伸的連通孔，用于空腔板22的每個(gè)壓力室10。歧管板24是金屬板，除了支歧管5a外，包括從壓力室10向墨水噴射孔8延伸的連通孔，用于空腔板22的每個(gè)壓力室10。蓋板29是金屬板，包括從壓力室10向墨水噴射孔8延伸的連通孔，用于空腔板22的每個(gè)壓力室10。噴嘴板30是金屬板，具有一個(gè)錐形的墨水噴射孔8作為噴嘴，用于空腔板的每個(gè)壓力室10。
10層薄板元件從21到30對(duì)齊形成墨水通道32后層疊在一起，如圖4所示。墨水通道32從支歧管5a向上延伸，接著在孔12中水平延伸。接著墨水通道32進(jìn)一步向上延伸，再在壓力室10中水平延伸，并接著在遠(yuǎn)離孔12的一個(gè)方向上向下傾斜地延伸一定距離，然后垂直向下延伸到墨水噴射孔8。
如圖6所示，促動(dòng)器單元21包括5個(gè)壓電片41、42、43、44、45，具有大致相同的厚度為15μm。這些從41到45的壓電片是連續(xù)的平面層。促動(dòng)器單元21在噴墨頭1一個(gè)墨水噴射區(qū)2內(nèi)的多個(gè)壓力室10之上延伸。由于壓電片41到45以連續(xù)的平面層覆蓋多個(gè)壓力室10，因此壓電元件具有高的機(jī)械剛性并提高與噴墨頭1墨水噴射有關(guān)的響應(yīng)速度。
公共電極34a具有約2μm的厚度，形成在最上層的壓電片41和壓電片42之間的上部。與公共電極34a相似，另一個(gè)公共電極34b也具有約2μm的厚度，形成在緊靠壓電片42之下的壓電片43和緊靠壓電片43之下的壓電片44之間的上部。并且，驅(qū)動(dòng)電極(單獨(dú)電極)35a形成在每個(gè)壓力室10的壓電片41上(參見圖3)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極35a厚度約為1μm，在俯視圖上具有與壓力室10大致相似的形狀(例如，850μm長(zhǎng)，250μm寬)。每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極35a的排列使其在層堆積方向上的投影位于壓力室10的范圍內(nèi)。并且，驅(qū)動(dòng)電極35b，每個(gè)厚度約為2μm，形成在壓電片42和壓電片43之間，其結(jié)構(gòu)與驅(qū)動(dòng)電極35a相似。但是，在緊靠壓電片43之下的壓電片44和緊靠壓電片44之下的壓電片45之間沒(méi)有電極，壓電片45下面也沒(méi)有電極。
公共電極34a、34b接地。這樣，公共電極34a、34b與壓力室10對(duì)應(yīng)的每一區(qū)域同等地保持在接地電位。驅(qū)動(dòng)電極35a和35b由單獨(dú)的引線(未示出)連接到驅(qū)動(dòng)器(未示出)，從而控制每個(gè)壓力室10的驅(qū)動(dòng)電極的電位。需要注意的是，形成一對(duì)(即，在上下方向排列)的相應(yīng)驅(qū)動(dòng)電極35a、35b可以由同一根引線連接到驅(qū)動(dòng)器。
還需要注意的是，公共電極34a、34b不需要在壓電片的整個(gè)區(qū)域上形成一片，但是，與壓力室10相應(yīng)，多個(gè)公共電極34a、34b可以這樣形成，其在層堆積方向上的投影覆蓋與壓力室10相應(yīng)的的整個(gè)區(qū)域，或者其投影落在與壓力室相應(yīng)的區(qū)域之內(nèi)。但是在這種情況下，需要將公共電極連接在一起，從而與壓力室10相應(yīng)的區(qū)域處于相同的電位。
在根據(jù)此實(shí)施例的噴墨頭1中，壓電片41到45的極化方向與其厚度方向一致。促動(dòng)器單元21形成一個(gè)所謂的單形促動(dòng)器，其中在較上部分的三個(gè)壓電片41到43(遠(yuǎn)離壓力室10的壓電片)是活動(dòng)層，在較下部分(靠近壓力室10的部分)的其它兩個(gè)壓電片44和45是非活動(dòng)層。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電極35a、35b設(shè)定為預(yù)定的正/負(fù)電位時(shí)，如果電場(chǎng)方向與極化方向一致，則夾在電極之間的壓電片41到43(即活動(dòng)層)內(nèi)的部分在垂直于極化方向的方向上收縮。同時(shí)，沒(méi)有被電場(chǎng)影響的壓電片44和45不主動(dòng)地收縮。這樣，上層的壓電片41到43和下層的壓電片44、45在極化方向上的變形不同，并且壓電片41到45整體上變形，使非活動(dòng)層一側(cè)變得凸出(單形變形)。如圖6所示，由于壓電片41到45的底面固定在形成壓力室10的空腔板22的供應(yīng)隔板的上表面上，因此壓電片41到45向壓力室一側(cè)凸出。所以壓力室10的容積減小，增大墨水的壓力并使墨水從墨水噴射孔8噴出。
如果此后切斷施加在驅(qū)動(dòng)電極35a、35b上的驅(qū)動(dòng)電壓，壓電片41到45恢復(fù)到中性形狀(即圖6中所示的平面形狀)，壓力室10的容積恢復(fù)(即增大)到正常容積，因此從歧管5中吸收墨水。
需要注意的是，在另一種驅(qū)動(dòng)方法中，最初在驅(qū)動(dòng)電極35a、35b上施加電壓，在每次有噴射需求時(shí)切斷并在一定持續(xù)時(shí)間后重新施加一段預(yù)定時(shí)間的電壓。在這種情況下，壓電片41到45在電壓切斷時(shí)恢復(fù)到正常形狀，壓力室10的容積與最初容積(即在施加電壓的條件下)相比增大了，因此從歧管5中吸收墨水。接著，當(dāng)再次施加電壓時(shí)，壓電片41到45變形，使壓力室一側(cè)變得凸出，從而通過(guò)減小壓力室的容積增大墨水的壓力，以將墨水噴出。
如果電場(chǎng)的方向與極化方向相反，則夾在電極中的壓電片41到43或活動(dòng)層部分沿垂直極化方向的方向膨脹。因此，在這種情況下，壓電片41到45夾在電極34a、34b、35a、35b之間的部分被壓電橫向效應(yīng)彎曲，從而壓力室一側(cè)表面變得凹下。這樣，當(dāng)在電極34a、34b、35a、35b上施加電壓時(shí)，壓力室10的容積增大，從歧管5中吸收墨水。接著，如果切斷施加在驅(qū)動(dòng)電極35a、35b上的電壓，則壓電片41到45恢復(fù)到其正常形狀，從而壓力室10的容積恢復(fù)到其正常容積，將墨水從噴嘴噴出。
與先前所述的專利中描述的、活動(dòng)層在壓力室一側(cè)而非活動(dòng)層在相反一側(cè)的噴墨頭相比，噴墨頭1能提高電效率(即改變單位靜電容量的壓力室10的容積)或者面積效率(即改變單位投影面積的壓力室10的容積)(見圖7)，因?yàn)樗哂卸鄠€(gè)壓電片41到43作為活動(dòng)層以及多個(gè)壓電片44、45作為非活動(dòng)層。電效率和面積效率的提高允許減小電極34a、34b、35a、35b的驅(qū)動(dòng)器尺寸，從而可以降低制造成本。并且，當(dāng)減小電極34a、34b、35a、35b的驅(qū)動(dòng)器尺寸時(shí)，壓力室10可以做得更緊湊。因此，甚至當(dāng)壓力室10高度集成時(shí)，也能噴射足夠量的墨水。這樣可以達(dá)到減小噴墨頭1的尺寸并提高打印點(diǎn)的密度。特別是當(dāng)活動(dòng)和非活動(dòng)層的數(shù)量是四層或四層以上時(shí)這一作用更加明顯。需要注意的是，即使是在一個(gè)活動(dòng)層與多個(gè)非活動(dòng)層結(jié)合，或者多個(gè)活動(dòng)層與一個(gè)非活動(dòng)層結(jié)合的情況下(例如一個(gè)活動(dòng)層與兩個(gè)非活動(dòng)層，或者兩個(gè)活動(dòng)層與一個(gè)非活動(dòng)層)，仍希望與那些傳統(tǒng)的噴墨頭相比能夠提高電效率和面積效率。
上述作用是相當(dāng)大的，因?yàn)樵趪娔^1中，每個(gè)活動(dòng)層的厚度，即壓電片41到43中每一片的厚度較薄，為15μm。如同下面將要描述的，為了提高電效率和面積效率，需要保持壓電片41到43中每一片的厚度為20μm或更薄(見圖9)。
并且，在噴墨頭1中，活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總厚度(壓電片41到45的總厚度)為75μm，活動(dòng)層的厚度(壓電片41到43的總厚度)為45μm，因此二者之比為45/75＝0.6。由于這一結(jié)構(gòu)，噴墨頭1中的上述作用更加明顯。
如同下面將要詳細(xì)描述的，從提高電效率或面積效率的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選的是t/T為0.8或更小，更優(yōu)選的是0.7或更小，其中T是活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總厚度(壓電片41到45的總厚度)，t是活動(dòng)層的厚度(壓電片41到43的總厚度)。
在根據(jù)此實(shí)施例的噴墨頭1中上述作用是相當(dāng)大的，因?yàn)閴毫κ?0在橫向的長(zhǎng)度是350μm，而同一方向上驅(qū)動(dòng)電極35a、35b的長(zhǎng)度(活動(dòng)寬度)是250μm，因此二者之比為250/350＝0.714...。如同下面將要詳細(xì)描述的，從提高電效率或面積效率的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選的是滿足條件0.1mm≤L≤1mm和0.3≤δ/L≤1，其中L是壓力室10在橫向上的長(zhǎng)度，δ是驅(qū)動(dòng)電極35a、35b在與長(zhǎng)度L相同方向上的長(zhǎng)度(見
圖10)。
并且，在噴墨頭1的四個(gè)電極34a、34b、35a、35b中最靠近壓力室一側(cè)的電極作為公共電極(34b)。這種結(jié)構(gòu)防止由于驅(qū)動(dòng)電極35a、35b的電位變化對(duì)導(dǎo)電墨水的影響所形成的不穩(wěn)定打印。
在此實(shí)施例中，壓電片41到45是由鋯鈦酸鉛(PZT)材料制成的，這種材料具有鐵電性。電極34a、34b、35a、35b是由金屬制成的，例如Ag-Pd族金屬。
促動(dòng)器單元21是由陶瓷材料的壓電片45、陶瓷材料的壓電片44、金屬材料的公共電極34b、陶瓷材料的壓電片43、金屬材料的驅(qū)動(dòng)電極35b、陶瓷材料的壓電片42、金屬材料的公共電極34a以及陶瓷材料的壓電片41堆積后再焙燒而成的。接著，將金屬材料的驅(qū)動(dòng)電極35a電鍍?cè)趬弘娖?1的整個(gè)表面上，其中不需要的部分通過(guò)激光去除掉。
另外可供選擇的是，使用一個(gè)在需要形成驅(qū)動(dòng)電極35a的位置處具有開口的罩，通過(guò)氣相沉積的方法將驅(qū)動(dòng)電極35a涂覆在壓電片41上。
與其它電極不同的是，驅(qū)動(dòng)電極35a沒(méi)有與陶瓷材料的壓電片41到45焙燒在一起。這是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電極35a暴露在表面當(dāng)在高溫下焙燒時(shí)容易蒸發(fā)，從而與其它被陶瓷材料覆蓋的電極34a、34b、35b相比，驅(qū)動(dòng)電極35a的厚度相當(dāng)難以控制。但是，其它電極34a、34b、35b的厚度在焙燒時(shí)也多少有所減小。因此，經(jīng)過(guò)焙燒后難以在保持這些電極連續(xù)的同時(shí)將它們做得很薄。相反，與其它電極34a、34b、35b相比，電極35a可以做得盡可能薄，因?yàn)轵?qū)動(dòng)電極35a是在焙燒后通過(guò)上述的方法形成的。如上所述，在此實(shí)施例的噴墨頭1中，位于最上層的驅(qū)動(dòng)電極35a比其它電極34a、34b、35b做得薄，因此不會(huì)對(duì)壓電片41到43(即活動(dòng)層)的位移造成大的阻礙，從而提高了促動(dòng)器單元21的效率(電效率和面積效率)。
在噴墨頭1中，壓電片41到43或活動(dòng)層，以及壓電片44、45或非活動(dòng)層是由相同材料制成的。因此，噴墨頭1可以由較簡(jiǎn)單的制造工藝制成，而不必更換材料。這樣，降低了制造成本。并且，由于所有的壓電片41到43或活動(dòng)層，以及壓電片44、45或非活動(dòng)層具有基本相同的厚度，簡(jiǎn)化了制造了工藝，并進(jìn)一步降低了制造成本。這是因?yàn)椋{(diào)節(jié)制成壓電片的陶瓷材料厚度的工藝可以簡(jiǎn)化。
另外，在此實(shí)施例的噴墨頭1中，促動(dòng)器單元21分割成每個(gè)墨水噴射區(qū)2。這是因?yàn)?，如果均勻地形成促?dòng)器單元21，空腔板22與重疊在其上面的促動(dòng)器單元21之間的小位移在遠(yuǎn)離對(duì)齊點(diǎn)的距離處增大，導(dǎo)致促動(dòng)器單元21的驅(qū)動(dòng)電極35a、35b相對(duì)于壓力室10產(chǎn)生大的位移。根據(jù)此實(shí)施例，這種位移很難發(fā)生，并且達(dá)到高的對(duì)齊準(zhǔn)確性。
雖然已經(jīng)詳細(xì)描述了本實(shí)用新型的優(yōu)選實(shí)施例，但需要注意的是，本實(shí)用新型并不限于上述典型實(shí)施例的結(jié)構(gòu)，在不偏離本實(shí)用新型精神的情況下可以做出不同的修改。
例如，壓電片和電極的材料并不限于上面所述的那些，可以用其它合適的材料代替。并且，壓力室的平面形狀、剖面形狀和排列可以適當(dāng)改變?；顒?dòng)層或非活動(dòng)層的數(shù)量為兩個(gè)或兩個(gè)以上的條件下，可以改變活動(dòng)層和非活動(dòng)層的數(shù)量。并且，活動(dòng)層和非活動(dòng)層的厚度可以不同。
具體實(shí)施例下面描述根據(jù)此實(shí)施例的噴墨頭的具體實(shí)施例以及對(duì)比實(shí)施例。
第一具體實(shí)施例在第一具體實(shí)施例中，非活動(dòng)層位于壓力室上與活動(dòng)層相反的一側(cè)。
通過(guò)模擬得到了噴墨頭的電效率和面積效率，其中噴墨頭除了具有兩個(gè)活動(dòng)層(驅(qū)動(dòng)電極的寬度為200μm)和兩個(gè)非活動(dòng)層外，其結(jié)構(gòu)與上述的結(jié)構(gòu)相似。每個(gè)活動(dòng)層和非活動(dòng)層的厚度是15μm。結(jié)果列于表1中。進(jìn)行模擬時(shí)，將與壓力室最大壓力對(duì)應(yīng)的壓力施加在壓電元件的整個(gè)底面上(下面的模擬以相似的方式進(jìn)行)。
第二和第三具體實(shí)施例通過(guò)模擬得到了噴墨頭的電效率和面積效率，其中噴墨頭按照與第一具體實(shí)施例噴墨頭1相同的方式制造，但在第二具體實(shí)施例中驅(qū)動(dòng)電極的寬度為250μm，在第三具體實(shí)施例中為300μm。結(jié)果列于表1中。
第四到第七具體實(shí)施例通過(guò)模擬得到了噴墨頭的電效率和面積效率，其中除了具有三層活動(dòng)層(實(shí)施例4頂層驅(qū)動(dòng)電極的寬度為250μm，其余兩層驅(qū)動(dòng)電極為300μm；實(shí)施例5頂層驅(qū)動(dòng)電極的寬度為200μm，其余兩層驅(qū)動(dòng)電極為300μm；實(shí)施例6每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極的寬度為300μm；實(shí)施例7頂層驅(qū)動(dòng)電極的寬度為150μm，其余兩層驅(qū)動(dòng)電極為300μm)和兩層非活動(dòng)層外，噴墨頭具有與上述實(shí)施例相似的結(jié)構(gòu)?；顒?dòng)層和非活動(dòng)層每層的厚度為15μm。結(jié)果列于表1中。
對(duì)比實(shí)施例通過(guò)模擬得到了噴墨頭的電效率和面積效率，其中噴墨頭具有與日本專利特許公報(bào)平4-341852中涉及的噴墨頭相似的結(jié)構(gòu)(層數(shù)10，層厚30μm)。結(jié)果列于表1中。
表1
D.F.變形效率＝電效率×面積效率圖7是表示表1結(jié)果的曲線圖。從圖7可以清楚地看出，第一到第七實(shí)施例的噴墨頭，其中包括多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層，與先前技術(shù)的對(duì)比實(shí)施例相比，表現(xiàn)出優(yōu)秀的電效率和面積效率。特別是，與對(duì)比實(shí)施例1相比，電效率是其一到二倍大，面積效率是其三到四倍大。這樣，第一到第七實(shí)施例的噴墨頭能實(shí)現(xiàn)較高的壓力室集成密度并且進(jìn)一步減小驅(qū)動(dòng)器的尺寸。
層數(shù)下面描述活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)以及它們之間的關(guān)系。
變形效率是由電效率和面積效率推算出的，多個(gè)噴墨頭，其中每個(gè)噴墨頭具有與噴墨頭1相似的結(jié)構(gòu)，其變形效率是通過(guò)在2到6范圍內(nèi)改變活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)模擬得出的。對(duì)于高的壓力室集成密度和減小驅(qū)動(dòng)器尺寸，大的變形效率是優(yōu)選的。模擬的結(jié)果示于圖8中。活動(dòng)層和非活動(dòng)層的厚度是相同的，并使用三種不同的厚度，即10μm、15μm、20μm。至于驅(qū)動(dòng)電極的寬度，使用四種寬度，從50μm到150μm之間的間隔為50μm。驅(qū)動(dòng)電極的數(shù)量為一到三個(gè)，其條件除了層數(shù)為2以外，至少包括多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層。
從圖8中可以看出，當(dāng)層數(shù)為2時(shí)變形效率為100pl2/(nF·mm2)，并隨著層數(shù)的增加而增大。當(dāng)層數(shù)為5時(shí)變形效率達(dá)到最大值(約600pl2/(nF·mm2))，當(dāng)層數(shù)為6時(shí)略微下降。
一般地認(rèn)為，當(dāng)層數(shù)少時(shí)變形效率大，這與模擬結(jié)果不同。對(duì)此的解釋如下由于壓力室的內(nèi)部壓力上升到幾個(gè)大氣壓，因此所需壓電元件的力學(xué)強(qiáng)度要足以承受此壓力。可以認(rèn)為，由厚度為20μm或小于20μm的片層疊形成的壓電元件，如同實(shí)施例中所述的，在壓電元件施加電壓產(chǎn)生變形以及承受內(nèi)部壓力之間能提供最佳的平衡，內(nèi)部的壓力作用在約5層上使壓電元件朝相反方向變形。
當(dāng)層數(shù)為2時(shí)變形效率高于對(duì)比實(shí)施例1。當(dāng)層數(shù)為3時(shí)，即包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層時(shí)，會(huì)得到更加優(yōu)異的結(jié)果。特別是，當(dāng)層數(shù)為4或更多時(shí)(即4層、5層或6層)，得到極為優(yōu)異的結(jié)果，在層數(shù)為5時(shí)獲得最好的結(jié)果。當(dāng)然，活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)可以為7或更多。
通過(guò)模擬檢測(cè)了在具有給定數(shù)量的層數(shù)(即活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù))時(shí)活動(dòng)層的最佳數(shù)量(在這種情況下假定每層具有相同的厚度)。
如果層數(shù)為3，則所需的活動(dòng)層數(shù)為1(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.33)或2(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.67)，滿足在壓電元件中包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層的條件，并且發(fā)現(xiàn)活動(dòng)層的優(yōu)選數(shù)量為2。
如果層數(shù)為4，則所需的活動(dòng)層數(shù)為1(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.25)、2(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.50)或3(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.75)，滿足在壓電元件中包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層的條件，并且發(fā)現(xiàn)在上述結(jié)構(gòu)中活動(dòng)層的優(yōu)選數(shù)量為1或2，而且2層結(jié)構(gòu)比1層結(jié)構(gòu)更為優(yōu)選。當(dāng)層數(shù)為3時(shí)變形效率略微下降。
如果總層數(shù)為5，則所需的活動(dòng)層數(shù)為1(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.2)、2(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.4)、3(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.6)或4(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.8)，滿足在壓電元件中包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層的條件，并且發(fā)現(xiàn)活動(dòng)層的優(yōu)選數(shù)量為2或3。當(dāng)活動(dòng)層數(shù)為4時(shí)變形效率略微下降。
如果總層數(shù)為6，則所需的活動(dòng)層數(shù)為1(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.17)、2(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.33)、3(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.5)、4(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.67)或5(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.83)，滿足在壓電元件中包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層的條件，并且發(fā)現(xiàn)活動(dòng)層的優(yōu)選數(shù)量為2或3，其中3層比2層更為優(yōu)選。當(dāng)活動(dòng)層數(shù)為5時(shí)變形效率略微下降。
如果總層數(shù)為7，則所需的活動(dòng)層數(shù)為1(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.14)、2(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.29)、3(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.43)、4(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.57)、5(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.71)或6(活動(dòng)層厚度/總厚度＝0.86)，滿足在壓電元件中活動(dòng)層和非活動(dòng)層二者中至少一個(gè)包括多于一層的條件，并且發(fā)現(xiàn)優(yōu)選的導(dǎo)數(shù)為3或4。當(dāng)層數(shù)為6時(shí)變形效率略微下降。
從上述結(jié)果中可以總結(jié)出，t/T優(yōu)選的為0.8或更小，更優(yōu)選的是t/T為0.7或更小，其中T是活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總厚度，t表示活動(dòng)層的厚度。需要注意的是，假設(shè)即使在活動(dòng)層厚度與非活動(dòng)層厚度不同的情況下也可以得到相似的結(jié)果。
活動(dòng)層和非活動(dòng)層的厚度多個(gè)噴墨頭的變形效率是由電效率和面積效率推算出的，其中每個(gè)噴墨頭具有與噴墨頭1相似的結(jié)構(gòu)，其變形效率是通過(guò)模擬活動(dòng)層和非活動(dòng)層三個(gè)不同厚度得出的，即10μm、15μm和20μm。結(jié)果表示在表9中?；顒?dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)在3到6的范圍內(nèi)(四種類型)，電極的寬度在150μm到300μm的范圍內(nèi)，其間的間隔為50μm(四種類型)，驅(qū)動(dòng)電極的數(shù)量在1層到3層的范圍內(nèi)(包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層)。
從圖9中可以看出，當(dāng)層厚為10μm時(shí)，變形效率出現(xiàn)最大值為約660pl2/(nF·mm2)，并隨著層厚的減小變形效率減小。當(dāng)厚度為20μm時(shí)，出現(xiàn)最小值(約250pl2/(nF·mm2))。因此，層越薄，效率越高。從實(shí)際使用的觀點(diǎn)出發(fā)，優(yōu)選的厚度為20μm或更小。
活動(dòng)層的寬度多個(gè)噴墨頭的變形效率是由電效率和面積效率推算出的，其中每個(gè)噴墨頭具有與噴墨頭1相似的結(jié)構(gòu)，其變形效率是通過(guò)模擬6個(gè)不同的活動(dòng)層寬度或驅(qū)動(dòng)電極在橫向的長(zhǎng)度得出的，即100μm、150μm、200μm、250μm、300μm和350μm。結(jié)果表示在表10中?；顒?dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)在3到6的范圍內(nèi)(四種類型)，活動(dòng)層和非活動(dòng)層的厚度得出為10μm、15μm和20μm(三種類型)，驅(qū)動(dòng)電極的數(shù)量在1層到3層的范圍內(nèi)(包括至少多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層)。
從
圖10中可以看出，當(dāng)活動(dòng)層寬度為100μm時(shí)，變形效率為約130pl2/(nF·mm2)，并隨著活動(dòng)層寬度的增大而增大，直到當(dāng)寬度為240μm時(shí)出現(xiàn)最大值約500pl2/(nF·mm2)。此后，當(dāng)寬度增大到350μm時(shí)變形效率減小。
上面的結(jié)果表示，當(dāng)活動(dòng)層的寬度在100μm(活動(dòng)層的寬度與壓力室的寬度350μm之比為100/350)到350μm(活動(dòng)層的寬度與壓力室的寬度350μm之比為350/350＝1)的范圍內(nèi)時(shí)，變形效率比第一對(duì)比實(shí)施例提高。從進(jìn)一步提高變形效率的觀點(diǎn)出發(fā)，活動(dòng)層的寬度優(yōu)選的在140μm(上述比例為0.4)到330μm(上述比例為0.94)的范圍內(nèi)，更優(yōu)選的在170μm(上述比例為0.49)到300μm(上述比例為0.86)的范圍內(nèi)，最優(yōu)選的在200μm(上述比例為0.57)到270μm(上述比例為0.77)的范圍內(nèi)。需要注意的是，在模擬中壓力室的寬度設(shè)定為0.1mm≤L≤1mm。
如上所述，根據(jù)此實(shí)施例，促動(dòng)器單元是利用壓電橫向效應(yīng)的單形類型，促動(dòng)器單元能在活動(dòng)層和非活動(dòng)層層疊的方向上產(chǎn)生較大數(shù)量的變形。因此，每個(gè)壓力室的容積能改變較大的數(shù)量，甚至在壓力室做得較小的情況下也能噴出足夠的墨水。這樣，根據(jù)此實(shí)施例，通過(guò)減小壓力室的容積就可以以高密度排列壓力室。
并且，根據(jù)此實(shí)施例，離壓力室最遠(yuǎn)的電極做成最薄的電極，保證促動(dòng)器單元的大位移。這種結(jié)構(gòu)也允許減小驅(qū)動(dòng)電壓，進(jìn)而限制了電極電位對(duì)墨水的影響，保證噴墨頭的正常工作。
而且，通過(guò)使活動(dòng)層的厚度為20μm或更小，實(shí)現(xiàn)促動(dòng)器單元的大位移。
并且，根據(jù)此實(shí)施例，能實(shí)現(xiàn)促動(dòng)器單元相對(duì)較大的位移。
并且，根據(jù)此實(shí)施例，由于活動(dòng)層和非活動(dòng)層由相同材料制成，并且每層的厚度基本相同，因此簡(jiǎn)化了噴墨頭的制造工藝。
權(quán)利要求1.一種噴墨頭，包括多個(gè)壓力室，每個(gè)壓力室的一端與排出噴嘴相連，另一端與墨水供應(yīng)器相連；以及多個(gè)壓力室的促動(dòng)器單元，其中所述促動(dòng)器單元是連續(xù)的平面層，包括至少一層非活動(dòng)層和至少一層活動(dòng)層，所述非活動(dòng)層由壓電材料制成并布置在壓力室的一側(cè)，所述活動(dòng)層由壓電材料制成并布置在所述壓力室上與所述非活動(dòng)層相對(duì)的一側(cè)，所述平面層覆蓋所述多個(gè)壓力室，其中所述至少一層的活動(dòng)層夾在公共電極和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間，所述多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極所處的位置與所述多個(gè)壓力室對(duì)應(yīng)，以及其中所述連續(xù)的平面層包括多個(gè)所述的至少一層活動(dòng)層和/或多個(gè)所述的至少一層非活動(dòng)層。
2.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于當(dāng)所述驅(qū)動(dòng)電極設(shè)定的電位與所述公共電極的電位不同時(shí)，所述至少一層活動(dòng)層根據(jù)壓電橫向效應(yīng)產(chǎn)生變形，所述活動(dòng)層的變形與所述至少一層非活動(dòng)層一起產(chǎn)生單形效應(yīng)，從而改變所述每個(gè)壓力室的容量。
3.如權(quán)利要求2所述的噴墨頭，其特征在于所述公共電極保持在接地電位。
4.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于離所述壓力室最遠(yuǎn)的電極被設(shè)計(jì)成是所述公共電極和所述多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極中最薄的一個(gè)電極。
5.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于最靠近所述壓力室的電極是所述公共電極。
6.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于所述至少一層活動(dòng)層的每一層厚度是20μm或小于20μm。
7.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于所述至少一層活動(dòng)層和所述至少一層非活動(dòng)層的總數(shù)是4或大于4。
8.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于t/T為0.8或小于0.8，其中t表示所述的至少一層活動(dòng)層的厚度，T表示所述的至少一層活動(dòng)層和至少一層非活動(dòng)層的總厚度。
9.如權(quán)利要求7所述的噴墨頭，其特征在于t/T為0.7或小于0.7。
10.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于滿足下面的條件0.1mm≤L≤1mm，及0.3≤δ/L≤1，其中，L表示所述的至少一層活動(dòng)層在較短一側(cè)的寬度，以及δ表示每個(gè)驅(qū)動(dòng)電極在與所述的至少一層活動(dòng)層寬度L相似的方向上的寬度。
11.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于所有的所述至少一層活動(dòng)層和所述至少一層非活動(dòng)層是由相同材料制成的。
12.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于所有的所述至少一層活動(dòng)層和所述至少一層非活動(dòng)層具有基本相同的厚度。
13.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量分別是2和1。
14.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量分別是2和2。
15.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于活動(dòng)層和非活動(dòng)層的總數(shù)是5，活動(dòng)層和非活動(dòng)層二者之一的數(shù)量是3。
16.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量是相同的。
17.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于活動(dòng)層的數(shù)量和非活動(dòng)層的數(shù)量之差是1。
18.如權(quán)利要求1所述的噴墨頭，其特征在于所述公共電極保持在接地電位。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種噴墨頭，其具有多個(gè)壓力室和多個(gè)壓力室的促動(dòng)器單元，每個(gè)壓力室的結(jié)構(gòu)使其一端與排出噴嘴相連，另一端與墨水供應(yīng)器相連。促動(dòng)器單元形成連續(xù)的平面層，包括至少一層非活動(dòng)層和至少一層活動(dòng)層，非活動(dòng)層布置在壓力室的一側(cè)，活動(dòng)層布置在壓力室上與非活動(dòng)層相對(duì)的一側(cè)，此平面層覆蓋多個(gè)壓力室。至少一層的活動(dòng)層夾在公共電極和多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間，公共電極保持接地電位，多個(gè)驅(qū)動(dòng)電極所處的位置對(duì)應(yīng)于多個(gè)壓力室。所述的連續(xù)的平面層包括多個(gè)活動(dòng)層或多個(gè)非活動(dòng)層。
文檔編號(hào)B41J2/045GK2628263SQ03263739
公開日2004年7月28日 申請(qǐng)日期2003年5月27日 優(yōu)先權(quán)日2003年5月27日
發(fā)明者渡邊英年, 坂井田惇夫, 廣田淳 申請(qǐng)人:兄弟工業(yè)株式會(huì)社