專利名稱：壓電器件和具有此壓電器件的墨盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種壓電器件和具有此壓電器件的墨盒，具體地涉及一種用于液體檢測的壓電器件和具有此壓電器件的墨盒。
噴墨記錄裝置設(shè)置成可通過將墨水從墨水貯槽(墨水容器)中經(jīng)流動路徑連續(xù)地供給記錄頭來進行連續(xù)的打印。墨水貯槽設(shè)置為可拆卸的盒體，在墨水耗盡時用戶可以容易地更換此貯槽。
傳統(tǒng)上存在一些用于墨盒的墨水消耗的管理方法。一種方法是通過軟件來總計由記錄頭噴射出的墨滴噴射量和由于保養(yǎng)而被吸收的墨水量，通過計算來管理墨水消耗。另外一種方法是在墨盒上安裝可進行液位檢測的電極，從而管理實際上消耗了預(yù)定量墨水時的時間點。
然而，在通過軟件來總計墨滴噴射量和墨水量并通過計算來管理墨水消耗的方法中會引起下述問題。一些記錄頭所噴出的墨滴具有重量差異。墨滴的重量差異不會對圖象的質(zhì)量起負面影響，然而，考慮到因重量差異而引起墨水消耗的累積誤差的情況，應(yīng)當(dāng)在墨盒中充滿備用量(marginal amount)的墨水。因此導(dǎo)致了一個問題，即在某些墨盒中存留了備用量的墨水。
另一方面，通過電極來管理墨水消耗的時間點的方法可以檢測到墨水的實際量。因此，可以非?？煽康毓芾砟氖Ｓ嗔?。然而，墨水液位的檢測取決于墨水的導(dǎo)電性，因此可被檢測的墨水的種類有限，而且電極的密封結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。另外，通常使用具有高導(dǎo)電性和耐腐蝕性的貴金屬來作為電極材料，因此增加了墨盒的制造成本。此外，由于必須安裝兩個電極，因此增加了制造工藝，從而增加了制造成本。
為了解決上述問題，在日本專利申請No.2000-147052中介紹了一種壓電器件，其可以準(zhǔn)確地檢測液體剩余量，無需復(fù)雜的密封結(jié)構(gòu)，并安裝在液體容器中。
根據(jù)與上述專利申請相關(guān)的技術(shù)，在與壓電器件的振動部分相對的空間中存在墨水和不存在墨水的情況下，利用因壓電器件的振動部分的剩余振動所產(chǎn)生的剩余振動信號的共振頻率的變化，可以對墨盒中的墨水剩余量進行監(jiān)測。


圖19和20是顯示了相關(guān)技術(shù)的壓電器件的圖。壓電器件具有基體200，其設(shè)置成將振動膜202層疊在襯底201上，在基體200上形成有可容納將被檢測的介質(zhì)的空腔203。在基體200的兩個端部處形成了下電極端子204和上電極端子205。另外，在基體200的中央部分形成了與下電極端子204相連的下電極層206，在下電極層206上層疊有壓電層207，在壓電層207上層疊有上電極層208。
此外，在基體200上形成有輔助電極層209，輔助電極層209將上電極層208和上電極端子205電連接，其一部分位于振動膜202和壓電層207之間，并從下方支撐壓電層207的延伸部分210。由于壓電層207的延伸部分210由輔助電極層209以這種方式支撐，因此可防止延伸部分210形成臺階形部分。
另外，如圖20清楚地所示，輔助電極層209形成于與空腔203相對應(yīng)的區(qū)域之外。這是因為，由于位于與空腔203相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的振動膜202和壓電層207構(gòu)成了壓電器件的振動部分，輔助電極層209形成于振動部分的區(qū)域之外，因此就防止了壓電器件的振動特性降低。
然而，在上述傳統(tǒng)的壓電器件中，當(dāng)壓電器件被驅(qū)動且振動部分振動時產(chǎn)生了在圖20所示的箭頭A的位置處壓電層207和上電極層208上容易產(chǎn)生裂縫的問題。
產(chǎn)生裂縫的原因被認為是如下所述。即，如圖20所示，在下電極層206和輔助電極層209之間形成有間隙211，以保證兩者之間的絕緣狀態(tài)，此間隙211形成為包括了與空腔203的周邊203a相對應(yīng)的位置。因此，當(dāng)驅(qū)動壓電器件而使壓電器件的振動部分振動時，壓電層207在與空腔203的周邊203a相對應(yīng)的位置處產(chǎn)生了應(yīng)力集中，它被認為是產(chǎn)生裂縫的原因。
另外，如圖19清楚地所示，在傳統(tǒng)的壓電器件中，在與空腔203相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)，構(gòu)成振動部分的壓電層207、下電極層206和上電極層208整體地形成不對稱的形狀。因此產(chǎn)生了一個問題，即壓電器件的振動部分的重量平衡惡化，而且振動部分的振動特性降低。
考慮到上述問題研制了本發(fā)明，其打算提供一種可防止在壓電層產(chǎn)生裂縫并能提高壓電器件的振動部分的振動特性的壓電器件。
所述絕緣間隙最好整體地位于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
所述輔助電極層最好具有凸出部分，其從與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域的外部向其內(nèi)部突出并超過與所述空腔的所述周邊相對應(yīng)的所述位置。
所述輔助電極層的所述凸出部分最好具有圓角。
所述輔助電極層的所述凸出部分最好形成為比所述壓電層的所述延伸部分更寬。
所述輔助電極層的所述凸出部分最好形成為比所述壓電層的所述延伸部分更窄。
最好，所述第一電極層具有從與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域的內(nèi)部向所述輔助電極層延伸并超過與所述空腔的所述周邊相對應(yīng)的所述位置的延伸部分；所述絕緣間隙形成于所述第一電極層的所述延伸部分和所述輔助電極層之間，并整體地位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域之外。
位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述第一電極層的一部分、所述第二電極層的一部分和所述輔助電極層的一部分整體上最好形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體中心的至少一個對稱軸。
位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分最好形成幾乎對稱的形狀，其具有所述至少一個對稱軸。
所述至少一個對稱軸最好包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
為了解決上述問題，本發(fā)明的壓電器件包括具有設(shè)置成彼此相對的第一表面和第二表面的基體，所述基體包括用于容納將被檢測的介質(zhì)的空腔，所述空腔具有底部并形成為可在所述第一表面的一側(cè)上打開，所述空腔的所述底部形成為可以振動；形成于所述第二表面的一側(cè)上的第一電極層，所述第一電極具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體；層疊在所述第一電極層上的壓電層，所述壓電層具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的主體和從所述主體延伸出并超過與所述空腔的周邊相對應(yīng)的位置的延伸部分；形成于所述基體的所述第二表面的一側(cè)上的輔助電極層，所述輔助電極層的至少一部分位于所述第二表面和所述壓電層的所述延伸部分之間，使其可支撐所述壓電層的所述延伸部分；和層疊在所述壓電層上并與所述輔助電極層相連的第二電極層，其中，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述第一電極層的一部分、所述第二電極層的一部分和所述輔助電極層的一部分整體上形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體中心的至少一個對稱軸。
位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分最好形成幾乎對稱的形狀，其具有所述至少一個對稱軸。
所述至少一個對稱軸最好包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
為了解決上述問題，本發(fā)明的壓電器件包括具有設(shè)置成彼此相對的第一表面和第二表面的基體，所述基體包括用于容納將被檢測的介質(zhì)的空腔，所述空腔具有底部并形成為可在所述第一表面的一側(cè)上打開，所述空腔的所述底部形成為可以振動；形成于所述第二表面的一側(cè)上的第一電極層，所述第一電極具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體；層疊在所述第一電極層上的壓電層，所述壓電層具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體和從所述主體延伸出并超過與所述空腔的周邊相對應(yīng)的位置的延伸部分；形成于所述基體的所述第二表面的一側(cè)上的輔助電極層，所述輔助電極層的至少一部分位于所述第二表面和所述壓電層的所述延伸部分之間，使其可支撐所述壓電層的所述延伸部分；和層疊在所述壓電層上并與所述輔助電極層相連的第二電極層，其中，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分最好形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體的中心的至少一個對稱軸。
所述至少一個對稱軸最好包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
為了解決上述問題，本發(fā)明的用于噴墨記錄裝置的墨盒包括可容納墨水的墨水容器；和如上述的壓電器件，其中所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
為了解決上述問題，本發(fā)明的用于噴墨記錄裝置的墨盒包括可容納墨水的墨水容器；和如上述的壓電器件，其中所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
為了解決上述問題，本發(fā)明的用于噴墨記錄裝置的墨盒包括可容納墨水的墨水容器；和如上述的壓電器件，其中所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
圖2是顯示了本發(fā)明一個實施例的壓電器件的圖。
圖3是顯示了圖2所示壓電器件的放大部分的剖視圖。
圖4是顯示了圖2和3所示壓電器件的周邊及其等效電路的圖。
圖5A和5B是顯示了圖2和3所示壓電器件所檢測到的墨水的共振頻率和墨水密度之間的關(guān)系的圖。
圖6A和6B是顯示了圖2和3所示壓電器件的反電動勢波形的圖。
圖7是顯示了結(jié)合有圖2和3所示壓電器件的模塊體的透視圖。
圖8是顯示了圖7所示模塊體的結(jié)構(gòu)的分解視圖。
圖9是顯示了安裝在墨盒的墨水容器中的圖7所示模塊體的截面的示例的圖。
圖10是顯示了圖2和3所示實施例的一個變化示例的壓電器件的圖。
圖11是顯示了圖2和3所示實施例的另一變化示例的壓電器件的圖。
圖12是顯示了圖2和3所示實施例的又一變化示例的壓電器件的圖。
圖13是顯示了圖2和3所示實施例的再一變化示例的壓電器件的圖。
圖14是顯示了圖2和3所示實施例的還有的一個變化示例的壓電器件的圖。
圖15是顯示了本發(fā)明另一實施例的壓電器件的圖。
圖16是顯示了圖15所示實施例的一個變化示例的壓電器件的圖。
圖17是顯示了本發(fā)明另一實施例的壓電器件的一個適合示例的圖。
圖18是顯示了本發(fā)明另一實施例的壓電器件的另一適合示例的圖。
圖19是顯示了傳統(tǒng)壓電器件的圖。
圖20是顯示了圖19所示的傳統(tǒng)壓電器件的放大部分的剖視圖。
圖1中的標(biāo)號1表示托架，此托架1設(shè)置成可通過托架電機2所驅(qū)動的定時帶3由導(dǎo)向件4所引導(dǎo)在壓紙卷筒5的軸向方向上往復(fù)運動。
在托架1上與記錄紙6相對的一側(cè)上設(shè)置了噴墨記錄頭，在紙的上方以可取出的狀態(tài)安裝了可將墨水供應(yīng)給記錄頭的墨盒7。
在記錄裝置的非打印區(qū)域即原位(圖中的右側(cè))處設(shè)置了壓蓋件31，壓蓋件31設(shè)置成當(dāng)裝在托架1上的記錄頭移動到原位時，壓蓋件31被壓在記錄頭的噴嘴形成面上，并在噴嘴形成面和其自身之間形成了封閉空間。在壓蓋件31的下方設(shè)置了泵單元10，其用于對壓蓋件31所形成的封閉空間施加負壓并進行清潔操作。
在壓蓋件31的打印區(qū)域側(cè)的附近設(shè)置了具有橡膠彈性板的擦拭裝置11，其可前后移動，例如沿與記錄頭的移動軌跡成水平的方向移動，而且，當(dāng)托架1在壓蓋件31的側(cè)邊前后移動時，擦拭裝置11設(shè)置成使其在必要時可擦洗記錄頭的噴嘴形成面。
圖2和3是顯示了此實施例的壓電器件的圖，壓電器件60具有結(jié)構(gòu)設(shè)置為振動膜52層疊在襯底41上的基體40，基體40具有彼此相對的第一表面40a和第二表面40b。在基體40上形成有用于容納將被檢測的介質(zhì)的圓形空腔43，并使其在第一表面40a的一側(cè)上是打開的，而空腔43的底部43b形成為可由振動膜42引發(fā)振動。在基體40的第二表面40b側(cè)的兩個端部處形成了下電極端子44和上電極端子45。
在基體40的第二表面40b上設(shè)有下電極層(第一電極層)46，下電極層46具有形成于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體46a以及從主體46a上延伸出并超過與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置的延伸部分46b。下電極層46的主體46a為圓形，其圓心幾乎與空腔43的圓心重合。下電極層46的主體46a設(shè)置成其直徑比空腔43的直徑更小。
在下電極層46上層疊了壓電層47，壓電層47具有形成于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體47a以及從主體47a上延伸出并超過與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置的延伸部分47b。壓電層47的主體47a為圓形，其圓心幾乎與空腔43的圓心重合。壓電層47的主體47a的直徑小于空腔43的直徑，但大于下電極層46的主體46a的直徑。
在基體40的第二表面40b一側(cè)設(shè)有輔助電極層48，輔助電極層48最好具有與下電極層46相同的材料和相同的厚度。輔助電極層48的一部分位于第二表面40b和壓電層47的延伸部分47b之間，并從下方支撐壓電層47的延伸部分47b。由于壓電層47的延伸部分47b由輔助電極層48的一部分所支撐，因此可防止壓電層47產(chǎn)生高度差異。
在壓電層47上層疊有上電極層(第二電極層)49，上電極層49具有形成于壓電層47的主體47a上的主體49a以及從主體49a上延伸出并超過與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置的延伸部分49b。上電極層49的延伸部分49b與輔助電極層48相連，上電極層49和上電極端子45通過輔助電極層48電連接。由于上電極層49以這種方式通過輔助電極層48與上電極端子45相連，因此，由壓電層47和下電極層46的總厚度產(chǎn)生的高度差異可以被上電極層49和輔助電極層48所吸收。因此，可以防止在上電極層49中產(chǎn)生較大的高度差異和減小機械強度。
上電極層49的主體49a為圓形，其圓心幾乎與空腔43的圓心相重合。上電極層49的主體49a具有比壓電層47的主體47a和空腔43的直徑更小而比下電極層46的主體46a的直徑更大的直徑。
如上所述，壓電層47的主體47a設(shè)置成使其保持在上電極層49的主體49a和下電極層46的主體46a之間。這樣，壓電層47才能有效地發(fā)生變形和被驅(qū)動。
如上所述，在上電極層49的主體49a、壓電層47的主體47a、下電極層46的主體46a和空腔43中，具有最大面積的是空腔43。由于這種結(jié)構(gòu)，振動膜42上實際振動的振動區(qū)域由空腔43所決定。
另外，由于上電極層49的主體49a、壓電層47的主體47a和下電極層46的主體46a的面積均小于空腔43的面積，因此振動膜42可以更容易地發(fā)生振動。
此外，在與壓電層47電連接的下電極層46的主體46a和上電極層49的主體49a中，下電極層46的主體46a較小。因此，下電極層46的主體46a決定壓電層47上能產(chǎn)生壓電效果的部分。
壓電層47的主體47a、上電極層49的主體49a和下電極層46的主體46a的圓心均幾乎與空腔43的圓心重合。另外，用于確定振動膜42的振動部分的圓形空腔43的圓心幾乎位于整個壓電器件60的中心處。因此，壓電器件60的振動部分的中心幾乎與壓電器件60的中心重合。
另外，壓電層47的主體47a、上電極層49的主體49a、下電極層46的主體46a和振動膜42的振動部分分別具有圓形的形狀，因此，壓電器件60的振動部分關(guān)于壓電器件60的中心具有對稱的形狀。如上所述，由于壓電器件60的振動部分關(guān)于壓電器件60的中心具有對稱的形狀，因此，將不會激發(fā)由不對稱結(jié)構(gòu)所引起的不必要的振動。因此，提高了共振頻率的檢測精度。
另外，壓電器件60的振動部分是各向同性的，這樣，當(dāng)粘合壓電器件60時，壓電器件60在固定中幾乎不受振動的影響，其可以均勻地粘合到墨水容器中。也就是說，將壓電器件60安裝到墨水容器中的安裝能力是令人滿意的。
此外，振動膜42的柔量(compliance)較大，因此降低了振動阻尼，并提高了共振頻率的檢測精度。
壓電器件60所包括的部件最好相互間一起煅燒并整體地形成。當(dāng)壓電器件60整體地形成時，可以很容易地對其進行處理。
另外，當(dāng)襯底41的強度增加時，可以提高其振動特性。也就是說，當(dāng)襯底41的強度提高時，只有壓電器件60的振動部分振動，而壓電器件60上振動部分以外的其它部分都不振動。另外，為了使得振動部分的振動加大，除了增加襯底41的強度以外，使壓電器件60的壓電層47、上電極層49和下電極層46變薄和變小以及使振動膜42變薄都是有效的。
最好采用鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)或未使用鉛的無鉛壓電薄膜作為壓電層47的材料。最好采用氧化鋯或氧化鋁作為襯底41的材料。另外，最好采用和襯底41相同的材料作為振動膜42的材料。對于上電極層49、下電極層46、上電極端子45和下電極端子44，可以采用導(dǎo)電材料如金屬，例如金、銀、銅、鉑、鋁或鎳。
如圖3所示，在下電極層46和輔助電極層48之間形成了絕緣間隙50。絕緣間隙50形成為遠離于與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置。更具體地說，絕緣間隙50形成為其整體地位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
在整個絕緣間隙50以這種方式位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)且通過驅(qū)動壓電器件60而使振動部分振動時，可以顯著地抑制壓電層47中在與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。因此，可以防止壓電層47和上電極層49產(chǎn)生裂縫。
另外，輔助電極層48具有從與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域的外部向其內(nèi)部突出并超過與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置的凸出部分48a，該凸出部分48a具有圓角。
當(dāng)輔助電極層48的凸出部分48a的角部以這種方式制成圓角時，可以防止壓電層47在輔助電極層48的邊緣部分產(chǎn)生裂縫。此外，考慮到在形成輔助電極層48時發(fā)生位移的情況，在輔助電極層48的凸出部分48a具有角部時，凸出部分48a的角部會因成形時的位移而在與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域的內(nèi)外移動。因此，各個壓電器件60的振動特性會產(chǎn)生變化。另一方面，當(dāng)輔助電極層48的凸出部分48a的角部制成此本實施例的圓角時，就可以顯著地抑制在形成輔助電極層48時因位移而引起的振動特性的變化。
圖4顯示了本實施例中使用的壓電器件60及其等效電路。壓電器件60檢測到因剩余振動所引起的共振頻率，從而檢測聲阻抗的變化，并檢測墨盒中的液體的消耗狀態(tài)。
在圖4中，(A)和(B)顯示了壓電器件60的等效電路。另外，在圖4中，(C)和(D)分別顯示了在墨盒充滿墨水時壓電器件60的周邊及其等效電路，而圖4中，(E)和(F)分別顯示了在墨盒不含墨水時壓電器件60的周邊及其等效電路。
圖2到4中所示的壓電器件60安裝在墨盒7的墨水容器中的一個預(yù)定位置處，使得空腔43可以接觸到墨水容器中所容納的液體(墨水)。也就是說，壓電器件60的振動部分的至少一部分暴露在墨水容器的容納空間中。當(dāng)墨水容器中容納了足夠的液體時，空腔43的內(nèi)外都充滿了液體。
另一方面，當(dāng)墨水容器中的液體被消耗并且液位降低到壓電器件的安裝位置之下時，壓電器件進入到空腔43中不存在液體或液體僅存留在空腔43中而空腔外部只存在氣體的狀態(tài)。
壓電器件60檢測到因這種狀態(tài)變化而引起的聲阻抗的差異。因此，壓電器件60可檢測到墨水容器中充滿液體的狀態(tài)或超過一個固定量的液體被消耗的狀態(tài)。
接下來，將說明通過壓電器件60進行液位檢測的原理。
壓電器件60可利用共振頻率的變化來檢測液體的聲阻抗變化。在壓電器件的振動部分振動之后，通過測量由存留在振動部分內(nèi)的剩余振動所產(chǎn)生的反電動勢，可以檢測到共振頻率。也就是說，壓電器件60的壓電層47通過存留在壓電器件60的振動部分內(nèi)的剩余振動而產(chǎn)生了反電動勢。反電動勢的大小根據(jù)壓電器件60的振動部分的振幅而變化。因此，隨著壓電器件60的振動部分的振幅增加，檢測變得更容易。
另外，根據(jù)壓電器件60的振動部分的剩余振動的頻率，反電動勢大小的變化周期發(fā)生改變。也就是說，壓電器件60的振動部分的頻率與反電動勢的頻率一致。在這種情況下，共振頻率指的是壓電器件60的振動部分與接觸到振動部分的介質(zhì)處于共振狀態(tài)下的頻率。
壓電器件60的振動區(qū)域是振動膜42上與空腔43相對應(yīng)的部分。當(dāng)墨水容器中足夠地填充了液體時，空腔43充滿了液體，振動區(qū)域和墨水容器中的液體相接觸。另一方面，當(dāng)墨水容器沒有足夠地填充液體時，振動部分和存留在墨水容器的空腔43中的液體相接觸，或和氣體或真空接觸而不是和液體接觸。
接下來通過參考圖2到4，從通過測量反電動勢而得到的介質(zhì)和壓電器件60的振動部分的共振頻率方面來解釋用于檢測墨水容器中液體狀態(tài)的操作和原理。
在壓電器件60中，電壓通過上電極端子45和下電極端子44分別施加到上電極層49和下電極層46上。然后，在壓電層47的位于上電極層49和下電極層46之間的部分上產(chǎn)生了電場。通過這個電場，壓電層47發(fā)生變形。當(dāng)壓電層47變形時，振動膜42的振動區(qū)域進行撓性振動。在壓電層47變形后的一段較短時間內(nèi)，在壓電器件60的振動部分上存留了撓性振動。
剩余振動是壓電器件60的振動部分和介質(zhì)之間的自由振動。因此，當(dāng)施加到壓電層47上的電壓設(shè)成脈沖波形或方波時，在施加電壓后振動部分和介質(zhì)之間可以很容易地達到共振狀態(tài)。剩余振動是壓電器件60的振動部分的振動，其伴隨著壓電層47的變形發(fā)生。因此，壓電層47產(chǎn)生了反電動勢。反電動勢通過上電極層49、下電極層46、上電極端子45和下電極端子44來檢測。通過所檢測到的反電動勢，可以確定共振頻率。根據(jù)共振頻率可以檢測到墨水容器中液體的存在。
通常，共振頻率fs表達為fs＝1/(2*π*(M*Cact)1/2)--- 公式1其中，M表示振動部分的慣量Mact和附加慣量M’的和，Cact表示振動部分的柔量。
在圖4中，(A)和(B)顯示了在空腔43中沒有墨水時壓電器件60的振動部分和空腔43的等效電路。
如圖4(A)所示，Mact表示將振動部分的厚度和振動部分的密度的乘積除以振動部分的面積所獲得的商，它由下述公式詳細地表達成Mact＝Mpzt+Melectrode1+Melectrode2+Mvib---公式2在這種情況下，Mpzt表示將振動部分的壓電層47的厚度和壓電層47的密度的乘積除以壓電層47的面積所獲得的商。Melectrodel表示將振動部分的上電極層49的厚度和上電極層49的密度的乘積除以上電極層49的面積所獲得的商。Melectrode2表示將振動部分的下電極層46的厚度和下電極層46的密度的乘積除以下電極層46的面積所獲得的商。Mvib表示將振動部分的振動膜42的厚度和振動膜42的密度的乘積除以振動膜42的面積所獲得的商。
然而，可以從振動區(qū)域的總厚度、密度和面積以及壓電層47的各面積來計算Mact，這樣，雖然上電極層49、下電極層46和振動膜42的振動區(qū)域具有上述的數(shù)量關(guān)系，但是面積間的相互差異很小。
另外，在此實施例中，在壓電層47、上電極層49和下電極層46中，除了它們的主要部分圓形主體47a、49a和46a以外的部分最好很小，以至相對于其主要部分可以忽略。因此，在壓電器件60中，Mact是上電極層49、下電極層46、壓電層47和共振膜42的振動區(qū)域的各個慣量的總和。另外，柔量Cact是由上電極層49、下電極層46、壓電層47和共振膜42的振動區(qū)域所形成的部分的柔量。
此外，在圖4中，(A)、(B)、(D)和(F)顯示了壓電器件60的振動部分和空腔43的等效電路，在此等效電路中，Cact表示壓電器件60的振動部分的柔量。Cpzt、Celectrodel、Celectrode2和Cvib分別表示振動部分的壓電層47、上電極層49、下電極層46和振動膜42的柔量。Cact由下面的公式3來表示1/Cact＝(1/Cpzt)+(1/Celectrode 1)+(1/Celectrode2)+(1/Cvib)--公式3從公式2和3中可知，圖4(A)可以由圖4(B)表示。
柔量Cact表示當(dāng)單位面積加壓時可由變形所接受的介質(zhì)的體積。也就是說，柔量Cact表示變形的容易程度。
圖4(C)顯示了當(dāng)墨水容器中充分地填充了液體且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊充滿了液體時的壓電器件60的剖視圖。圖4(C)中所示的M’max表示在墨水容器中充分地填充了液體且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊充滿了液體時附加慣量(其由將附加重量(對振動區(qū)域的振動有負面影響的重量)除以面積所的平方而得到)的最大值。M’max表達為如下所述M’max＝(π*ρ/(2*k3))*(2*(2*k*a)3/(3*π))/(π*a2)2---公式4其中，“a”表示振動部分的半徑，ρ表示介質(zhì)的密度，而k表示波數(shù)。
另外，在壓電器件60的振動區(qū)域是半徑為“a”的圓時公式4成立。附加慣量M’是表了示由振動部分附近的介質(zhì)所明顯增加的振動部分的重量的量。如公式4所示，M’max隨振動部分的半徑“a”和介質(zhì)的密度ρ的變化而顯著地變化。
波數(shù)k表達成如下所述k＝2*π*fact/c---公式5其中，fact表示振動部分的共振頻率，而c表示在介質(zhì)中傳播的聲速。
圖4(D)顯示了圖(C)中的壓電器件60的振動部分和空腔43的等效電路，此時墨水容器中充分地填充了液體且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊充滿了液體。
圖4(E)顯示了當(dāng)墨水容器中的液體被消耗、在壓電器件60的振動區(qū)域的周邊沒有液體存在而且液體存留在壓電器件60的空腔43中時壓電器件60的剖視圖。
公式4是顯示了在墨水容器充滿了液體時由墨水密度ρ所決定的慣量最大值M’max的公式。另一方面，在墨水容器中的液體被消耗、液體存留在空腔43中且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊的液體被氣體或真空取代時，附加慣量M’通常表達成(詳見公式8)如下所述M’＝ρ*t/S---公式6其中，t表示與振動相關(guān)的介質(zhì)的厚度，S表示壓電器件60的振動區(qū)域的面積，當(dāng)振動區(qū)域是半徑為“a”的圓時，S＝π*a2。
因此，在墨水容器中充分地填充了液體且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊充滿液體時，附加慣量M’遵循公式4。另一方面，在墨水容器中的液體被消耗、液體存留在空腔43中且壓電器件60的振動區(qū)域周邊的液體被氣體或真空所取代時，附加慣量M’遵循公式6。
在此處，如圖(E)所示，為了方便起見，在墨水容器中的液體被消耗、壓電器件60的振動區(qū)域的周邊沒有液體存在且液體存留在壓電器件60的空腔43中時的附加慣量M’假定為M’cav，以區(qū)別在壓電器件60的振動區(qū)域周邊充滿了液體時的附加慣量M’max。
圖4(F)顯示了圖4(E)中的壓電器件60的振動部分和空腔43的等效電路，此時墨水容器中的液體被消耗，壓電器件60的振動區(qū)域的周邊沒有液體存在，而且液體存留在壓電器件60的空腔43中。
在這種情況下，和介質(zhì)狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)為公式6中的介質(zhì)密度ρ和介質(zhì)厚度t。當(dāng)墨水容器充分地容納有液體時，液體與壓電器件60的振動部分相接觸。另一方面，當(dāng)墨水容器未充分地容納有液體時，壓電器件60的振動部分接觸到存留在空腔43中的液體，或者接觸到氣體或真空。在壓電器件60的周邊的液體被消耗且附加慣量從圖4(C)所示的M’max變化到圖4(E)所示的M’cav的過程中，附加慣量M’var根據(jù)墨水容器中液體的容納狀態(tài)相應(yīng)于介質(zhì)密度ρ和介質(zhì)厚度t的變化而變化。這樣，共振頻率fs也發(fā)生變化。因此，通過確定共振頻率fs，就可以檢測到墨水容器中的液體量。
接下來，當(dāng)如圖4(E)所示假定t＝d時，通過用空腔深度d來代替公式6給出的t，M’cav表達成如下所述M’cav＝ρ*d/S---公式7
另外，當(dāng)介質(zhì)是種類不同的液體時，密度ρ根據(jù)其成分的差異而不同，使得附加慣量M’和共振頻率fs也不同。因此，通過確定共振頻率fs可檢測液體的種類。
圖5(A)是顯示了墨水貯槽中的墨水量和墨水與振動部分的共振頻率fs的關(guān)系的曲線圖。在這里，將對作為液體示例的墨水進行說明?？v軸表示共振頻率fs，橫軸表示墨水量。當(dāng)墨水成分固定時，隨著墨水余量的下降，共振頻率fs增加。
當(dāng)墨水容器充分地容納有墨水且壓電器件60的振動部分的周邊充滿墨水時，附加慣量的最大值M’max是由公式4所表示的值。另一方面，當(dāng)墨水被消耗、墨水存留在空腔43中且壓電器件60的振動區(qū)域的周邊沒有充滿墨水時，附加慣量M’var根據(jù)介質(zhì)的厚度t從公式6中計算出。公式6中的“t”是和振動相關(guān)的介質(zhì)的厚度，因此，通過將存留墨水的壓電器件60的空腔43的深度d變小，也就是將襯底41的厚度變得足夠薄，就可以檢測墨水緩慢消耗的過程(參考圖4(c))。在這種情況下，tink表示和振動相關(guān)的墨水厚度，而tink-max表示在M’max時的tink。
例如，壓電器件60安裝在墨盒底部，幾乎和墨水液位平齊。在這種情況下，當(dāng)墨水被消耗，墨水液位下降到低于壓電器件60的tink-max高度時，M’var按公式6緩慢變化，且共振頻率fs按公式1緩慢變化。因此，只要墨水液位在t范圍內(nèi)，壓電器件60就可以緩慢地檢測到墨水消耗的狀態(tài)。
或者，壓電器件60可與墨水液位幾乎垂直地設(shè)置在墨盒的側(cè)壁上。在這種情況下，當(dāng)墨水被消耗且墨水液位到達壓電器件60的振動區(qū)域時，隨著液位的下降，附加慣量M’減小。這樣，共振頻率fs按公式1緩慢地增加。因此，只要墨水液位處于空腔43的直徑2a(參考圖4(c))的范圍內(nèi)，壓電器件60就可以緩慢地檢測到墨水消耗的狀態(tài)。
曲線X顯示了當(dāng)設(shè)置在底部的壓電器件60的空腔43變得足夠淺，或者設(shè)置在側(cè)壁上的壓電器件60的振動區(qū)域變得足夠大或足夠長時，墨水貯槽中容納的墨水量和墨水與振動部分的共振頻率fs之間的關(guān)系?？梢岳斫猓?dāng)墨水貯槽中的墨水量下降時，墨水和振動部分的共振頻率fs緩慢地變化。
更詳細地說，可檢測到的墨水緩慢消耗的過程的情況是這樣的一種情況，即在壓電器件60的振動區(qū)域的周邊處，密度不同的液體和氣體共存并與振動相關(guān)。隨著墨水被緩慢消耗，在壓電器件60的振動區(qū)域的周邊處，相對于與振動相關(guān)的介質(zhì)來說，液體減少而氣體增加。
例如，當(dāng)壓電器件60設(shè)置成與墨水液面成水平且tink小于tink-max時，與壓電器件60的振動相關(guān)的介質(zhì)包括墨水和氣體。因此，當(dāng)利用壓電器件60的振動區(qū)域的面積S由墨水和氣體的附加重量來表達低于公式4中M’max的狀態(tài)時，得到下面的公式M’＝M’air+M’ink＝ρair*tair/S+ρink*tink/S---公式8其中，M’air表示氣體慣量，M’ink表示墨水慣量，ρair表示氣體密度，ρink表示墨水密度，tair表示與振動相關(guān)的氣體的厚度，tink表示與振動相關(guān)的墨水的厚度。
在與壓電器件60的振動區(qū)域的周邊處的振動相關(guān)的介質(zhì)中，當(dāng)壓電器件60設(shè)置成與墨水液位幾乎成水平時，隨著液體減少而氣體增加，tair增加而tink下降。這樣，M’var緩慢地下降，而共振頻率緩慢地增加。因此，可以檢測到存留在墨水貯槽中的墨水量或墨水的消耗。另外，公式7僅僅是液體密度的公式的原因是其假定氣體密度遠小于液體密度以至于可忽略。
當(dāng)壓電器件60設(shè)置成與墨水液位幾乎垂直時，在壓電器件60的振動區(qū)域中，考慮了與壓電器件60的振動相關(guān)的介質(zhì)只為墨水的區(qū)域以及與壓電器件60的振動相關(guān)的介質(zhì)只為氣體的區(qū)域的并聯(lián)等效電路(圖中未示出)。假定與壓電器件60的振動相關(guān)的介質(zhì)只為墨水的區(qū)域的面積為Sink，與壓電器件60的振動相關(guān)的介質(zhì)只為氣體的區(qū)域的面積為Sair，可得到下述公式1/M’＝1/M’air+1/M’ink＝Sair/(ρair*t air)+S ink/(ρink*t ink)--公式9另外，公式9應(yīng)用于在壓電器件60的空腔43中沒有容納墨水時的情況。當(dāng)壓電器件60的空腔43中容納有墨水時，附加慣量可以由公式9中的M’與公式7中的M’cav的和計算出。
壓電器件60的振動從深度tink-max變化到墨水存留深度d，因此，當(dāng)設(shè)置在底部的壓電器件60處于墨水存留深度略較小于tink-max的狀態(tài)時，無法檢測到墨水緩慢減少的過程。在這種情況下，從墨水量從tink-max到存留深度d的微小變化而引起的壓電器件60的振動變化中可以檢測到墨水量的變化。另外，當(dāng)壓電器件60設(shè)置在側(cè)壁上且空腔43的直徑較小時，在通過空腔43的過程中壓電器件60的振動變化很小，因此檢測通過過程中的墨水量和檢測墨水液位是否在空腔43之上或之下是很困難的。
例如，圖5A中的曲線Y顯示了在振動區(qū)域是小的圓形區(qū)域時墨水貯槽中的墨水量和墨水與振動部分的共振頻率fs之間的關(guān)系。所示的情形是，在墨水貯槽中的墨水液位通過壓電器件60的安裝位置之前和之后的墨水量差異Q的部分中，墨水和振動部分的共振頻率fs急劇地變化。從這里就可以根據(jù)二進制基礎(chǔ)(binary basis)來檢測在墨水貯槽中是否存留了預(yù)定量的墨水。
利用壓電器件60來檢測液體存在的方法可從振動膜42和液體的直接接觸中而檢測墨水的存在，因此，其檢測精度要高于通過軟件計算墨水消耗的方法。另外，采用電極通過導(dǎo)電性來檢測墨水存在的方法受到電極在墨水容器上的安裝位置和墨水種類的影響，然而，利用壓電器件60來檢測液體存在的方法幾乎不會受到壓電器件60在墨水容器上的安裝位置和墨水種類的影響。
此外，振動和液體存在的檢測都可以利用單個壓電器件60來進行，因此，與利用不同的傳感器來進行振動和檢測液體存在的方法相比，可以減小安裝在墨水容器中的傳感器數(shù)目。另外，最好將壓電層47的振動頻率設(shè)置在不可聽的范圍內(nèi)，從而減輕壓電器件60的操作過程中所產(chǎn)生的噪音。
圖5B顯示了墨水密度和墨水與振動部分的共振頻率fs之間關(guān)系的一個示例?！澳疂M”和“墨水空”(或“無墨水”)意味兩種相對的狀態(tài)，但而并不意味著所謂的“墨水充滿的狀態(tài)”和“墨水耗盡的狀態(tài)”。如圖5B所示，當(dāng)墨水密度較高時，附加慣量增加，因此共振頻率fs下降。也就是說，共振頻率fs隨墨水種類而變化。因此，當(dāng)測量出所填充的墨水的共振頻率fs，可以確定具有不同密度的墨水混合物。也就是說，可以區(qū)別開容納有不同種類墨水的墨水貯槽。
接下來，下面將詳細介紹在空腔43的尺寸和形狀設(shè)置成使得即使墨水容器處于空墨水的狀態(tài)下液體也存留壓電器件60的空腔43中時準(zhǔn)確檢測液體狀態(tài)的條件。如果壓電器件60能夠檢測到在空腔43中充滿了液體、甚至在空腔43沒有充滿液體時的液體狀態(tài)，那么壓電器件60就能夠檢測液體狀態(tài)。
共振頻率fs是慣量M的函數(shù)。慣量M是振動部分的慣量Mact和附加慣量M’的和。在這種情況下，慣量M’和液體狀態(tài)相關(guān)。慣量M’是表示了由存在于振動部分附近的介質(zhì)所明顯增加的振動部分的重量的量。即，它是通過振動部分的振動來明顯地吸收(和振動相關(guān)的慣量的增加)介質(zhì)所帶來的振動部分的重量增加。
因此，當(dāng)M’cav大于公式4中的M’max時，被明顯吸收的介質(zhì)全部是存留在空腔43中的液體。因此，這和墨水容器中充滿液體時的狀態(tài)是相同的。在這種情況下，與振動相關(guān)的介質(zhì)不小于M’max，因此即使墨水被消耗，也無法檢測到變化。
另一方面，當(dāng)M’cav小于公式4中的M’max時，被明顯吸收的介質(zhì)是存留在空腔43中的液體和墨水容器中的氣體或真空。在此時，與墨水容器充滿了液體的狀態(tài)不同，M’發(fā)生改變，使得共振頻率fs發(fā)生改變。因此，壓電器件60可以檢測出墨水容器中的液體狀態(tài)。
也就是說，當(dāng)墨水容器處于空的液體狀態(tài)且液體存留在壓電器件60的空腔43中時，通過壓電器件60準(zhǔn)確地檢測液體狀態(tài)的條件是M’cav小于M’max。另外，通過壓電器件60準(zhǔn)確地檢測液體狀態(tài)的條件M’max＞M’cav和空腔43的形狀無關(guān)。
在這種情況下，M’cav表示體積與空腔43幾乎相同的液體的重量慣性。因此，從不等式M’max＞M’cav中，通過壓電器件60準(zhǔn)確地檢測液體狀態(tài)的條件可以表達為空腔43的體積條件。例如，假定圓形空腔43的半徑為“a”，空腔43的深度為d，那么下述不等式成立。
M’max＞ρ*d/πa2---公式10當(dāng)對公式10進行擴展時，可得到以下條件。
a/d＞3*π/8---公式11因此，即使墨水容器處于空的液體狀態(tài)且液體存留在空腔43中時，滿足公式11的開口161的半徑為“a”且空腔43的深度為d的壓電器件60也可以不出差錯地檢測液體狀態(tài)。
另外，只有當(dāng)空腔43的形狀是圓形時公式10和11才成立。當(dāng)空腔43的形狀不是圓形時，利用對應(yīng)的M’max的公式，通過用其面積替換πa2來計算公式10，可以得到空腔43的尺寸如寬度、長度和深度之間的關(guān)系。
另外，附加慣量M’也影響聲阻抗特性，因此，可以說用于測量壓電器件60因剩余振動而產(chǎn)生的反電動勢的方法至少可檢測聲阻抗的變化。
圖6A和6B顯示了在施加驅(qū)動信號給壓電器件60并使振動部分振動之后壓電器件60的剩余振動的波形和剩余振動的測量方法。通過在壓電器件60振動后剩余振動的頻率的變化或振幅的變化，可以檢測到墨水液位位于壓電器件60在墨盒中的安裝位置之上還是之下。在圖6A和6B中，縱軸表示由壓電器件60的剩余振動所產(chǎn)生的反電動勢的電壓，而橫軸表示時間。如圖6A和6B所示，通過壓電器件60的剩余振動，產(chǎn)生了電壓的模擬信號波形。接著，該模擬信號轉(zhuǎn)變(二進制化)為數(shù)字值。在圖6A和6B所示示例中，測量了產(chǎn)生從第4脈沖到第8脈沖的4個脈沖所需的時間。
更詳細地說，在壓電器件60振動之后，計算預(yù)先設(shè)置的預(yù)定基準(zhǔn)電壓從低電壓側(cè)到高電壓側(cè)交叉的次數(shù)。而且，產(chǎn)生了計數(shù)4和計數(shù)8之間的時間間隔較大的數(shù)字信號，并通過預(yù)定的時鐘脈沖來測量從計數(shù)4到計數(shù)8的時間。
圖6A顯示了在墨水液位高于壓電器件60的安裝位置時的波形。另一方面，圖6B顯示了在壓電器件60的安裝位置處沒有墨水時的波形。圖6A和圖6B的對比顯示了圖6A所示的從計數(shù)4到計數(shù)8的時間要長于圖6B所示的從計數(shù)4到計數(shù)8的時間。換句話說，從計數(shù)4到計數(shù)8所需的時間隨墨水的存在而變化。利用所需時間的差異，可以檢測墨水的消耗狀態(tài)。
從模擬波形的第4計數(shù)開始計算次數(shù)的原因是應(yīng)當(dāng)在壓電器件60的振動穩(wěn)定后才開始測量。從第4計數(shù)開始只是一個示例，也可以從一個任選的計數(shù)開始計算次數(shù)。在這里，檢測從第4計數(shù)到第8個計數(shù)的信號，并通過預(yù)定的時鐘脈沖來測量從第4計數(shù)到第8計數(shù)的時間。根據(jù)這個時間可以得到共振頻率。對于時鐘脈沖，沒有必要測量到第8計數(shù)的時間，次數(shù)計算可到一個任選的計數(shù)。在圖6A和6B中，測量了從第4計數(shù)到第8個計數(shù)的時間。然而，根據(jù)檢測頻率的電路結(jié)構(gòu)，可以檢測不同計數(shù)間隔內(nèi)的時間。
例如，當(dāng)墨水量穩(wěn)定且峰值振幅變化很小時，為了加快檢測速度，可通過檢測從第4計數(shù)到第6計數(shù)的時間來得到共振頻率。另外，當(dāng)墨水質(zhì)量不穩(wěn)定且脈沖振幅變化很大時，為了準(zhǔn)確地檢測剩余振動，可檢測從第4計數(shù)到第12計數(shù)的時間。
圖7是顯示了整體地形成為一個安裝模塊體100的壓電器件60結(jié)構(gòu)的透視圖。模塊體100安裝在墨盒的墨水容器的預(yù)定位置處。模塊體100設(shè)置成可通過至少檢測墨水容器中介質(zhì)的聲阻抗變化來檢測墨水容器中的墨水消耗狀態(tài)。
本實施例中的模塊體100具有用于將壓電器件60安裝在墨水容器中的墨水容器安裝部分101。墨水容器安裝部分101具有底座102，其具有幾乎矩形的表面，部分101還具有安裝在底座102上的柱狀體116，其用于放入由驅(qū)動信號而產(chǎn)生振動的壓電器件60。另外，模塊體100設(shè)置成當(dāng)其安裝在墨盒上時無法從外部接觸到模塊體100的壓電器件60。這樣，可防止壓電器件60受到外部的接觸。另外，柱狀體116的端邊為圓形，當(dāng)將其安裝到墨盒上的孔中時，安裝會很容易。
圖8是圖7所示模塊體100的分解視圖。模塊體100包括由樹脂制成的墨水容器安裝部分101、盤件110和具有凹面113的壓電器件安裝部分105(參考圖7)。此外，模塊體100具有引線104a和104b、壓電器件60和薄膜108。盤件110最好由防銹材料如不銹鋼或不銹鋼合金制成。
包括在墨水容器安裝部分101之內(nèi)的柱狀體116和底座102具有形成于其中心以放入引線104a和104b的開口114，以及形成于開口114周圍以放入壓電器件60、薄膜108和盤件110的凹面113。
壓電器件60通過薄膜108而和盤件110相連，盤件110和壓電器件60固定在凹面113(墨水容器安裝部分101)上。因此，引線104a和104b、壓電器件60、薄膜108和盤件110整體地安裝在墨水容器安裝部分101上。
引線104a和104b分別與壓電器件60的上電極端子45和下電極端子44相連，將驅(qū)動信號傳送到壓電層47上，并將信號和壓電器件60所檢測到的共振頻率傳送到記錄裝置上。
壓電器件60根據(jù)從引線104a和104b上傳送出的驅(qū)動信號而暫時地振動。另外，壓電器件60產(chǎn)生剩余振動，而且振動產(chǎn)生了反電動勢。在此時，檢測反電動勢的波形的振動周期，因此就可以檢測到與墨水容器中液體消耗狀態(tài)相對應(yīng)的共振頻率。
薄膜108粘合在壓電器件60和盤件110上，并使壓電器件60處于氣密狀態(tài)。薄膜108最好由聚烯烴制成并通過熱熔來粘合。當(dāng)壓電器件60和盤件110通過薄膜108粘合且扁平地固定時，粘合位置不發(fā)生變化，振動部分以外的其它部分不發(fā)生振動。因此，即使壓電器件60和盤件110粘合時，壓電器件60的振動特性也不會改變。
另外，盤件110為圓形，底座102的開口114為圓柱形。壓電器件60和薄膜108為矩形。引線104a和104b、壓電器件60、薄膜108和盤件110以可拆卸的狀態(tài)與底座連接。底座102、引線104a和104b、壓電器件60、薄膜108和盤件110設(shè)置成關(guān)于模塊體100的中心軸對稱。另外，底座102、壓電器件60、薄膜108和盤件110的中心都幾乎設(shè)置在模塊體100的中心軸上。
此外，底座102的開口114的面積大于壓電器件60的振動區(qū)域的面積。在盤件110中心處與壓電器件60的振動部分相對的位置設(shè)有通孔112。如圖2到4所示，空腔43形成于壓電器件60中，通孔112和空腔43分別形成了墨水槽。盤件110的厚度最好小于通孔112的直徑，使得剩余墨水的影響減小。例如，通孔112的深度最好小于其直徑的1/3。通孔112具有關(guān)于模塊體100的中心軸對稱的幾乎圓形的形狀。另外，通孔112的面積大于壓電器件60的空腔43的開口面積。通孔112的周邊部分可為錐形或階梯形。
模塊體100安裝在墨水容器的側(cè)面、頂部或底部，以便將通孔112向內(nèi)引入到墨水容器中。當(dāng)墨水被消耗且壓電器件60周圍的墨水耗盡時，根據(jù)壓電器件60的共振頻率的較大變化，可以檢測到墨水液位的變化。
圖9是在圖7所示模塊體100安裝在墨盒7的墨水容器20中時墨水容器20的底部附近的剖視圖。模塊體100安裝在位于墨水容器20的側(cè)壁上的通孔中。在墨水容器20的側(cè)壁和模塊體100之間的結(jié)合面上安裝了O形密封圈90，使得模塊體100和墨水容器20能保持氣密性。由于結(jié)合表面以這種方式被O形密封圈所密封，因此模塊體100最好具有如圖7所示的柱狀體。
由于模塊體100的端部暴露在墨水容器20的墨水容納空間20a中，因此墨水容器20中的墨水通過盤件110的通孔112而和壓電器件60相接觸。壓電器件60的剩余振動的共振頻率隨著壓電器件60振動部分周圍的介質(zhì)是液體還是氣體而發(fā)生變化，因此，利用模塊體100可以檢測到墨水的消耗狀態(tài)。
接著，作為圖2和3所示實施例的變化示例，如圖10所示，輔助電極層48的凸出部分48a形成為比壓電層47的延伸部分47b更窄。
這樣，重疊在與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域上的輔助電極層48的面積變小，因此提高了壓電器件60的振動特性。另外，可以減少用于形成輔助電極層48所必需的材料量，從而可降低制造成本。
另外，作為另一變化示例，如圖11所示，輔助電極層48的凸出部分48a可以形成為比壓電層47的延伸部分47b更寬。這樣，可以加固空腔43的周邊。
此外，作為另外一種變化示例，如圖12到14所示，下電極層46、上電極層49和輔助電極層48可以整體地形成為幾乎對稱的形狀，其具有通過壓電層47的主體47a的中心的對稱軸O1和O2。當(dāng)構(gòu)成壓電器件60的多個部件以這種方式整體地設(shè)置成對稱的形狀時，可以提高壓電器件60的振動特性。特別是，當(dāng)位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的下電極層46、上電極層49和輔助電極層48整體地對稱時，可以提高壓電器件60的振動特性。
接著將參考圖15來說明本發(fā)明另一實施例的壓電器件。另外，下面還將說明與前述圖2和3所示實施例中不同的部分。
如圖15所示，在此實施例的壓電器件70中，下電極層46具有從位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的圓形體46a朝向輔助電極層48方向延伸并超過與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置的延伸部分46c。另一方面，整個輔助電極層48形成于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域之外。而且，在下電極層46的延伸部分46c和輔助電極層48之間形成了絕緣間隙50，而且整個絕緣間隙50位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域之外。
當(dāng)整個絕緣間隙50以這種方式位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域之外，且通過驅(qū)動壓電器件70使壓電器件70的振動部分發(fā)生振動時，可以顯著地抑制壓電層47在與空腔43的周邊43a相對應(yīng)的位置處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。因此，可以防止在壓電層47和上電極層中產(chǎn)生裂縫。
作為圖15所示實施例的變化示例，如圖16所示，下電極層46、上電極層49和輔助電極層48整體地形成為一個幾乎對稱的形狀，其具有通過壓電層47的主體47a的中心的對稱軸O1和O2。當(dāng)構(gòu)成壓電器件70的多個部件以這種方式整體地設(shè)置成對稱的形狀時，可以提高壓電器件70的振動特性。特別是，當(dāng)位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的下電極層46、上電極層49和輔助電極層48整體地對稱時，可以提高壓電器件70的振動特性。
特別是，在此變化示例中，絕緣間隙50位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域之外，這樣就提高了下電極層46、上電極層49和輔助電極層48作為一個整體的對稱性，并也更加提高了振動特性。
接著，作為本發(fā)明的另外一個實施例，在上述各個實施例和變化示例中，位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的壓電層47可形成為幾乎對稱的形狀，其具有通過壓電層47的主體47a的中心的至少兩個對稱軸。最好，位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的壓電層47可以形成幾乎對稱的形狀，其具有沿壓電層47的延伸部分47b的延伸方向延伸的第一對稱軸O1以及與第一對稱軸O1正交的第二對稱軸O2。
圖17顯示了圖14所示示例中壓電層47的形狀有所變化的示例，圖18顯示了圖16所示示例中壓電層47的形狀有所變化的示例。
在圖17和18所示的示例中，壓電層47、下電極層46、上電極層49和輔助電極層48整體地形成為一個幾乎對稱的形狀，其具有通過壓電層47的主體47a的中心的對稱軸O1和O2。當(dāng)構(gòu)成壓電器件60的多個部件以這種方式整體地設(shè)置成對稱的形狀時，可以提高壓電器件60的振動特性。特別是，當(dāng)位于與空腔43相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的壓電層47、下電極層46、上電極層49和輔助電極層48整體地對稱時，可以提高壓電器件60的振動特性。
特別是，壓電層47具有與下電極層46、上電極層49和輔助電極層48比相對較大的重量，因此當(dāng)壓電層47形成為對稱時，可以顯著地提高振動特性。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，形成于第一電極層和輔助電極層之間的絕緣間隙形成為遠離于與空腔周邊相對應(yīng)的位置，因此當(dāng)通過驅(qū)動壓電器件使振動部分振動時，可以顯著地抑制壓電層在與空腔的周邊相對應(yīng)的位置處所產(chǎn)生的應(yīng)力集中。因此，可以防止在壓電層和上電極層上產(chǎn)生裂縫。
根據(jù)本發(fā)明，位于與空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的第一電極層、第二電極層和輔助電極層整體地形成幾乎對稱的形狀，因此可以提高壓電器件的振動特性。
根據(jù)本發(fā)明，位于與空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的壓電層形成為幾乎對稱的形狀，其具有通過壓電層的主體的中心的至少一個對稱軸，因此可以提高壓電器件的振動特性。
權(quán)利要求
1.一種壓電器件，包括具有設(shè)置成彼此相對的第一表面和第二表面的基體，所述基體包括用于容納將被檢測的介質(zhì)的空腔，所述空腔具有底部并形成為在所述第一表面的一側(cè)上打開，所述空腔的所述底部形成為可以振動；形成于所述第二表面的一側(cè)上的第一電極層，所述第一電極具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體；層疊在所述第一電極層上的壓電層，所述壓電層具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體和從所述主體延伸出并超過與所述空腔的周邊相對應(yīng)的位置的延伸部分；形成于所述基體的所述第二表面的一側(cè)上的輔助電極層，所述輔助電極層的至少一部分位于所述第二表面和所述壓電層的所述延伸部分之間，使其可支撐所述壓電層的所述延伸部分；和層疊在所述壓電層上并與所述輔助電極層相連的第二電極層，其特征在于，在所述第一電極層和所述輔助電極層之間形成有絕緣間隙，以保證在所述第一電極層和所述輔助電極層之間形成絕緣狀態(tài)，所述絕緣間隙形成為遠離與所述空腔的所述周邊相對應(yīng)的所述位置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述絕緣間隙整體地位于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓電器件，其特征在于，所述輔助電極層具有凸出部分，其從與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域的外部向其內(nèi)部突出并超過與所述空腔的所述周邊相對應(yīng)的所述位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電器件，其特征在于，所述輔助電極層的所述凸出部分具有圓角。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電器件，其特征在于，所述輔助電極層的所述凸出部分形成為比所述壓電層的所述延伸部分更寬。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓電器件，其特征在于，所述輔助電極層的所述凸出部分形成為比所述壓電層的所述延伸部分更窄。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述第一電極層具有從與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域的內(nèi)部向所述輔助電極層延伸并超過與所述空腔的所述周邊相對應(yīng)的所述位置的延伸部分；和所述絕緣間隙形成于所述第一電極層的所述延伸部分和所述輔助電極層之間，并整體地位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域之外。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述第一電極層的一部分、所述第二電極層的一部分和所述輔助電極層的一部分整體地形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體的中心的至少一個對稱軸。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電器件，其特征在于，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分形成幾乎對稱的形狀，其具有所述至少一個對稱軸。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的壓電器件，其特征在于，所述至少一個對稱軸包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
11.一種壓電器件，包括具有設(shè)置成彼此相對的第一表面和第二表面的基體，所述基體包括用于容納將被檢測的介質(zhì)的空腔，所述空腔具有底部并形成為可在所述第一表面的一側(cè)上打開，所述空腔的所述底部形成為可以振動；形成于所述第二表面的一側(cè)上的第一電極層，所述第一電極具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體；層疊在所述第一電極層上的壓電層，所述壓電層具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的主體和從所述主體延伸出并超過與所述空腔的周邊相對應(yīng)的位置的延伸部分；形成于所述基體的所述第二表面的一側(cè)上的輔助電極層，所述輔助電極層的至少一部分位于所述第二表面和所述壓電層的所述延伸部分之間，使其可支撐所述壓電層的所述延伸部分；和層疊在所述壓電層上并與所述輔助電極層相連的第二電極層，其特征在于，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述第一電極層的一部分、所述第二電極層的一部分和所述輔助電極層的一部分整體地形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體的中心的至少一個對稱軸。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓電器件，其特征在于，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分形成幾乎對稱的形狀，其具有所述至少一個對稱軸。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的壓電器件，其特征在于，所述至少一個對稱軸包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
14.一種壓電器件，包括具有設(shè)置成彼此相對的第一表面和第二表面的基體，所述基體包括用于容納將被檢測的介質(zhì)的空腔，所述空腔具有底部并形成為在所述第一表面的一側(cè)上打開，所述空腔的所述底部形成為可以振動；形成于所述第二表面的一側(cè)上的第一電極層，所述第一電極具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體；層疊在所述第一電極層上的壓電層，所述壓電層具有形成于與所述空腔相對應(yīng)的區(qū)域內(nèi)的主體和從所述主體延伸出并超過與所述空腔的周邊相對應(yīng)的位置的延伸部分；形成于所述基體的所述第二表面的一側(cè)上的輔助電極層，所述輔助電極層的至少一部分位于所述第二表面和所述壓電層的所述延伸部分之間，使其可支撐所述壓電層的所述延伸部分；和層疊在所述壓電層上并與所述輔助電極層相連的第二電極層，其特征在于，位于與所述空腔相對應(yīng)的所述區(qū)域內(nèi)的所述壓電層的一部分形成幾乎對稱的形狀，其具有通過所述壓電層的所述主體的中心的至少一個對稱軸。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的壓電器件，其特征在于，所述至少一個對稱軸包括沿所述壓電層的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一對稱軸和與所述第一對稱軸正交的第二對稱軸。
16.一種用于噴墨記錄裝置的墨盒，包括可容納墨水的墨水容器；和如權(quán)利要求1所述的壓電器件，其特征在于，所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
17.一種用于噴墨記錄裝置的墨盒，包括可容納墨水的墨水容器；和如權(quán)利要求10所述的壓電器件，其特征在于，所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
18.一種用于噴墨記錄裝置的墨盒，包括可容納墨水的墨水容器；和如權(quán)利要求12所述的壓電器件，其特征在于，所述壓電器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容納空間中。
全文摘要
一種壓電器件，其具有基體，它包括在基體第一表面上開口的空腔，形成于基體第二表面上的第一電極層，層疊在第一電極層上的壓電層，以及形成于基體第二表面之上的輔助電極層。在第一電極層和輔助電極層之間形成了絕緣間隙，以保證在這兩層電極層之間形成絕緣狀態(tài)。絕緣間隙形成為遠離與空腔周邊相對應(yīng)的位置。該壓電器件可以防止在壓電層產(chǎn)生裂縫。
文檔編號G01F23/22GK1400102SQ02127859
公開日2003年3月5日 申請日期2002年8月1日 優(yōu)先權(quán)日2001年8月1日
發(fā)明者塚田憲児 申請人:精工愛普生株式會社