CN100393516C - 喷墨打印机的喷墨头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种喷墨头，其具有多个压力室和用于多个压力室的促动器单元，每个压力室的一端与排出喷嘴相连，另一端与墨水供应器相连。促动器单元形成连续的平面层，包括至少一层非活动层和至少一层活动层，非活动层布置在压力室的一侧，活动层布置在压力室上与非活动层相对的一侧，此促动器单元覆盖多个压力室。至少一层活动层的极化方向与至少一层活动层的厚度方向平行，当促动器单元被促动时，公共电极和多个驱动电极在平行于所述极化方向的方向提供电场。所述至少一层活动层和至少一层非活动层的层数总和多于2层，并且至少一层活动层具有的极化方向与所述电场的方向平行，其中一层活动层是与所述至少一层非活动层中的其中一层紧邻的压电层。

Description

喷墨打印机的喷墨头

技术领域

本发明涉及喷墨打印机的喷墨头。

背景技术

最近，喷墨打印机被广泛使用。在喷墨打印机中使用的喷墨头(即，打印头)的结构是，将墨盒中的墨水提供到歧管中并分配到喷墨头中的多个压力室中。通过对压力室选择性地施加压力，墨水选择性地从喷嘴中喷出，每个喷嘴分别与压力室对应。为了对每个压力室选择性地施加压力，广泛使用压电陶瓷片层叠形成的促动器单元。

美国专利5,402,159公开了这种喷墨头的一个例子，其原理在这里引用作为参考。上述专利公开的喷墨头包括促动器单元，促动器单元具有陶瓷层，这些陶瓷层是在多个压力室上方的连续层叠平面。在上述专利的喷墨头中，促动器单元的压电陶瓷层一般包括活动层和非活动层。活动层位于压力室一侧并且夹在保持为接地电位的公共电极与驱动电极(单独的电极)之间，驱动电极分别位于与压力室对应的位置。而非活动层位于与压力室相对的一侧上并且不带有电极。通过选择性地控制驱动电极的电位以与公共电极的电位不同，活动层根据压电纵向效应沿层的堆积方向膨胀/收缩。当活动层膨胀/收缩时，对应压力室的容积改变，从而选择性地从压力室中喷出墨水。非活动层变形很小并作为对活动层的支撑，使活动层有效地在层的堆积方向上膨胀/收缩。

最近，对高度集成的压力室的需求增大。但是，上述专利中涉及的喷墨头不足以满足这些需求。

发明内容

考虑到上述问题，本发明在提供具有高度集成的压力室的喷墨头方面具有优点。

根据本发明的一个方面，提供了一种喷墨头，其具有多个压力室，每个压力室的一端与排出喷嘴相连，另一端与墨水供应器相连；以及用于多个压力室的促动器单元。其中，所述促动器单元形成为连续的平面层，所述促动器单元包括至少一层非活动层和至少一层活动层，所述非活动层由压电材料制成并布置在压力室的一侧，所述至少一层非活动层中的一层形成在促动器单元的靠近压力室的表面上，在促动器单元远离压力室的表面上，不包括由压电材料制成的非活动层，所述至少一层活动层由压电材料制成并层叠于所有非活动层之上，所述促动器单元被设置成覆盖所述多个压力室。其中，所述至少一层的活动层夹在公共电极和多个驱动电极之间，所述多个驱动电极所处的位置与所述多个压力室对应，所述至少一层活动层的极化方向与该至少一层活动层的厚度方向一致，当促动器单元被促动时，所述公共电极和多个驱动电极在平行于所述极化方向的方向提供电场。并且，所述至少一层活动层和所述至少一层非活动层的层数总和多于2层，并且至少一层活动层具有的极化方向与所述电场的方向平行，其中一层活动层是与所述至少一层非活动层中的其中一层紧邻的压电层。

在一个特殊情况下，当驱动电极设定的电位与公共电极的电位不同时，至少一层活动层根据压电横向效应产生变形，活动层的变形与至少一层非活动层相结合，一起产生单形效应，从而改变压力室的容积。

可以选择的是，可以把公共电极保持在接地电位。

可以选择的是，离压力室最远的电极的结构可以是公共电极和多个驱动电极中最薄的一个。这种电极可以通过气相沉积方法制成。

可以选择的是，最靠近压力室的电极是公共电极。

进一步可以选择的是，至少一个活动层的层厚度是20μm或小于20μm。

再可以选择的是，至少一层活动层和至少一层非活动层的总数是4或大于4。

需要注意的是，优选的t/T值为0.8或小于0.8，其中t表示至少一层活动层的厚度，T表示至少一层活动层和至少一层非活动层的整个厚度。特别优选的是t/T值为0.7或小于0.7。

可以选择的是，可以满足下面的条件：

0.1mm≤L≤1mm

0.3≤δ/L≤1

其中，

其中，L表示每个所述的压力室沿横向方向的长度，以及

δ表示每个驱动电极在与每个压力室长度L方向相同的方向上的长度。

在一个特殊的情况下，所有的至少一层活动层和至少一层非活动层是由相同材料制成的。

可以选择的是，所有的至少一层活动层和至少一层非活动层具有基本相同的厚度。

在一个特殊情况下，活动层的数量和非活动层的数量分别是2和1。活动层的数量和非活动层的数量可以分别是2和2。另外可以选择的是，活动层和非活动层的总数可以是5，并且活动层和非活动层二者之一的数量可以是3。

在一个特殊的情况下，活动层的数量和非活动层的数量是相同的。可以选择的是，活动层的数量和非活动层的数量之差可以是1。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的喷墨头的仰视图；

图2是图1中虚线包围区域的放大图；

图3是图2中虚线包围区域的放大图；

图4是图1中喷墨头的主要部分的剖视图；

图5是图1中喷墨头的主要部分的分解透视图；

图6是图4中虚线包围区域的放大图；

图7是表示通过模拟得到的喷墨头的电效率和面积效率曲线图；

图8是表示通过模拟得到的喷墨头的变形效率曲线图，其中活动和非活动层的数量从2变到6；

图9是表示通过模拟得到的喷墨头的变形效率曲线图，其中活动和非活动层的厚度假定为10μm、15μm和20μm；以及

图10是表示通过模拟得到的喷墨头的变形效率曲线图，其中活动宽度假定为100μm、150μm、200μm、250μm、300μm和350μm。

具体实施方式

下面将参考附图详细描述本发明的实施例。

图1是根据本发明一个实施例的喷墨头的仰视图；图2是图1中虚线包围区域的放大图；图3是图2中虚线包围区域的放大图；图4是图1中喷墨头的主要部分的剖视图；图5是图1中喷墨头的主要部分的分解透视图；图6是图4中虚线包围区域的放大图。

喷墨打印机中使用的喷墨头1根据图像数据通过将墨水喷射到纸上来记录图像。如图1所示，当从底部观察时，根据此实施例的喷墨头1在一个方向上基本呈矩形(此方向为喷墨打印机的主要扫描方向)。喷墨头1的底面具有多个梯形的墨水喷射区2，沿着喷墨头1的纵向(即主要扫描方向)排列成两行，并且还互相交错(即交替排列成两行)。

多个墨水喷射孔8(见图2和3)排列在每个墨水喷射区2的表面上，这将在下面描述。墨水储存器3沿着纵向形成在喷墨头1的内部。墨水储存器3通过孔3a与墨盒(未示出)相通，孔3a位于墨水储存器3的一端，从而墨水储存器3在所有时刻都充满墨水。多个成对的孔3b和3b沿着纵向(即主要扫描方向)以互相交错的形式排列在墨水储存器3上。每对孔3b和3b形成在从底部观察没有墨水喷射区2的区域。

如图1和2所示，墨水储存器3通过孔3b与下面的歧管5相通。可以选择的是，孔3b可以具有过滤器，用以去除从其中通过的墨水中的灰尘。歧管5的末端分成两个支歧管5a和5a(见图2)。两个支歧管5a和5a从两个孔3b和3b中的每一个延伸进入墨水喷射区2的上部，两个孔3b和3b分别位于墨水喷射区2沿喷墨头1纵向的两侧。这样，在一个墨水喷射区2的上部，沿着喷墨头1的纵向共有四个支歧管5a伸入其中。每个支歧管5a由墨水储存器3中提供的墨水充满。

如图2和3所示，多个墨水喷射孔8排列在每个墨水喷射区2的表面上。如图4所示，每个墨水喷射孔8形成为具有锥形末端的喷嘴，并且通过孔12和压力室(空腔)10与支歧管5a相通。压力室10是平面形的，基本为菱形(900μm长，350μm宽)。墨水通道32在喷墨头1中从墨盒经过墨水储存器3、歧管5、支歧管5a、孔12和压力室10延伸到墨水喷射孔8。需要注意的是，尽管压力室10和孔12形成在墨水喷射区2的内部并且通常应该以虚线画出，但在图2和3中为了清楚起见以实线画出。

并且，从图3中可以看出，压力室10在墨水喷射区2内互相排列紧密，从而与一个压力室10相通的孔12与相邻的压力室10重叠。这种排列是能实现的，因为压力室10和孔12形成在不同层次(高度)上，如图4所示。压力室10可以排列得紧密，从而可以用占据相对较小面积的喷墨头1产生高分辨率的图像。

压力室10沿着两个方向，即喷墨头1的纵向(第一阵列方向)以及与喷墨头1的宽度方向略微倾斜的方向(第二阵列方向)，排列在墨水喷射区2内，并位于图2所示的平面中。墨水喷射孔8在第一阵列方向的排列密度为50dpi。在每个墨水喷射区2的第二阵列方向上最多有12个压力室10。需要注意的是，位于12个压力室10阵列一端的压力室10与在阵列另一端的另一个压力室10的相对位移对应于第一阵列方向中压力室10的尺寸。这样，在第一阵列方向中相邻的两个墨水喷射孔8之间存在12个墨水喷射孔8，尽管它们处于喷墨头1宽度方向上的不同位置。需要注意的是，在第一方向外围部分的阵列中，压力室10的数量小于12个。但是，下一个喷射区2的外围部分(与少于12个压力室10的阵列相对的阵列)在设计上是互相补偿的，这样，从喷墨头1的整体上看，满足上述条件。

因此，根据本实施例的喷墨头1在相对于纸的宽度方向的移动，通过从排列在第一和第二阵列方向中的多个墨水喷射孔8中喷射墨水，根据此实施例的这样喷墨头1在主扫描方向上能进行分辨率为600dpi的打印。

接着将讨论喷墨头1的剖面结构。如图4和5所示，喷墨头1底侧的主要部分具有层叠的结构，其中总共层叠了10层薄板。这10层薄板从上到下依次是促动器单元21，空腔板22，基板23，孔板24，供给板25，歧管板26、27、28，盖板29，以及喷嘴板30。

促动器单元21的结构，下面将详细描述，使5个压电片层叠。在促动器单元21上具有电极，从而三个片是活动的，而其余两个是非活动的。空腔板22是金属板，上面具有多个基本如菱形的开口以形成压力室10。基板23是金属板，包括连接压力室10和孔12的连通孔以及从压力室10向墨水喷射孔8延伸的连通孔，用于空腔板22的每个压力室10。孔板24是金属板，除了孔12外，包括从压力室10向墨水喷射孔8延伸的连通孔，用于空腔板22的每个压力室10。供给板25是金属板，包括连接孔12和支歧管5a的连通孔以及从压力室10向墨水喷射孔8延伸的连通孔，用于空腔板22的每个压力室10。歧管板24是金属板，除了支歧管5a外，包括从压力室10向墨水喷射孔8延伸的连通孔，用于空腔板22的每个压力室10。盖板29是金属板，包括从压力室10向墨水喷射孔8延伸的连通孔，用于空腔板22的每个压力室10。喷嘴板30是金属板，具有一个锥形的墨水喷射孔8作为喷嘴，用于空腔板的每个压力室10。

10层薄板元件从21到30对齐形成墨水通道32后层叠在一起，如图4所示。墨水通道32从支歧管5a向上延伸，接着在孔12中水平延伸。接着墨水通道32进一步向上延伸，再在压力室10中水平延伸，并接着在远离孔12的一个方向上向下倾斜地延伸一定距离，然后垂直向下延伸到墨水喷射孔8。

如图6所示，促动器单元21包括5个压电片41、42、43、44、45，具有大致相同的厚度为15μm。这些从41到45的压电片是连续的平面层。促动器单元21在喷墨头1一个墨水喷射区2内的多个压力室10之上延伸。由于压电片41到45以连续的平面层覆盖多个压力室10，因此压电元件具有高的机械刚性并提高与喷墨头1墨水喷射有关的响应速度。

公共电极34a具有约2μm的厚度，形成在最上层的压电片41和压电片42之间的上部。与公共电极34a相似，另一个公共电极34b也具有约2μm的厚度，形成在紧靠压电片42之下的压电片43和紧靠压电片43之下的压电片44之间的上部。并且，驱动电极(单独电极)35a形成在每个压力室10的压电片41上(参见图3)。每个驱动电极35a厚度约为1μm，在俯视图上具有与压力室10大致相似的形状(例如，850μm长，250μm宽)。每个驱动电极35a的排列使其在层堆积方向上的投影位于压力室10的范围内。并且，驱动电极35b，每个厚度约为2μm，形成在压电片42和压电片43之间，其结构与驱动电极35a相似。但是，在紧靠压电片43之下的压电片44和紧靠压电片44之下的压电片45之间没有电极，压电片45下面也没有电极。

公共电极34a、34b接地。这样，公共电极34a、34b与压力室10对应的每一区域同等地保持在接地电位。驱动电极35a和35b由单独的引线(未示出)连接到驱动器(未示出)，从而控制每个压力室10的驱动电极的电位。需要注意的是，形成一对(即，在上下方向排列)的相应驱动电极35a、35b可以由同一根引线连接到驱动器。

还需要注意的是，公共电极34a、34b不需要在压电片的整个区域上形成一片，但是，与压力室10相应，多个公共电极34a、34b可以这样形成，其在层堆积方向上的投影覆盖与压力室10相应的的整个区域，或者其投影落在与压力室相应的区域之内。但是在这种情况下，需要将公共电极连接在一起，从而与压力室10相应的区域处于相同的电位。

在根据此实施例的喷墨头1中，压电片41到45的极化方向与其厚度方向一致。促动器单元21形成一个所谓的单形促动器，其中在较上部分的三个压电片41到43(远离压力室10的压电片)是活动层，在较下部分(靠近压力室10的部分)的其它两个压电片44和45是非活动层。当驱动电极35a、35b设定为预定的正/负电位时，如果电场方向与极化方向一致，则夹在电极之间的压电片41到43(即活动层)内的部分在垂直于极化方向的方向上收缩。同时，没有被电场影响的压电片44和45不主动地收缩。这样，上层的压电片41到43和下层的压电片44、45在极化方向上的变形不同，并且压电片41到45整体上变形，使非活动层一侧变得凸出(单形变形)。如图6所示，由于压电片41到45的底面固定在形成压力室10的空腔板22的供应隔板的上表面上，因此压电片41到45向压力室一侧凸出。所以压力室10的容积减小，增大墨水的压力并使墨水从墨水喷射孔8喷出。

如果此后切断施加在驱动电极35a、35b上的驱动电压，压电片41到45恢复到中性形状(即图6中所示的平面形状)，压力室10的容积恢复(即增大)到正常容积，因此从歧管5中吸收墨水。

需要注意的是，在另一种驱动方法中，最初在驱动电极35a、35b上施加电压，在每次有喷射需求时切断并在一定持续时间后重新施加一段预定时间的电压。在这种情况下，压电片41到45在电压切断时恢复到正常形状，压力室10的容积与最初容积(即在施加电压的条件下)相比增大了，因此从歧管5中吸收墨水。接着，当再次施加电压时，压电片41到45变形，使压力室一侧变得凸出，从而通过减小压力室的容积增大墨水的压力，以将墨水喷出。

如果电场的方向与极化方向相反，则夹在电极中的压电片41到43或活动层部分沿垂直极化方向的方向膨胀。因此，在这种情况下，压电片41到45夹在电极34a、34b、35a、35b之间的部分被压电横向效应弯曲，从而压力室一侧表面变得凹下。这样，当在电极34a、34b、35a、35b上施加电压时，压力室10的容积增大，从歧管5中吸收墨水。接着，如果切断施加在驱动电极35a、35b上的电压，则压电片41到45恢复到其正常形状，从而压力室10的容积恢复到其正常容积，将墨水从喷嘴喷出。

与先前所述的专利中描述的、活动层在压力室一侧而非活动层在相反一侧的喷墨头相比，喷墨头1能提高电效率(即改变单位静电容量的压力室10的容积)或者面积效率(即改变单位投影面积的压力室10的容积)(见图7)，因为它具有多个压电片41到43作为活动层以及多个压电片44、45作为非活动层。电效率和面积效率的提高允许减小电极34a、34b、35a、35b的驱动器尺寸，从而可以降低制造成本。并且，当减小电极34a、34b、35a、35b的驱动器尺寸时，压力室10可以做得更紧凑。因此，甚至当压力室10高度集成时，也能喷射足够量的墨水。这样可以达到减小喷墨头1的尺寸并提高打印点的密度。特别是当活动和非活动层的数量是四层或四层以上时这一作用更加明显。需要注意的是，即使是在一个活动层与多个非活动层结合，或者多个活动层与一个非活动层结合的情况下(例如一个活动层与两个非活动层，或者两个活动层与一个非活动层)，仍希望与那些传统的喷墨头相比能够提高电效率和面积效率。

上述作用是相当大的，因为在喷墨头1中，每个活动层的厚度，即压电片41到43中每一片的厚度较薄，为15μm。如同下面将要描述的，为了提高电效率和面积效率，需要保持压电片41到43中每一片的厚度为20μm或更薄(见图9)。

并且，在喷墨头1中，活动层和非活动层的总厚度(压电片41到45的总厚度)为75μm，活动层的厚度(压电片41到43的总厚度)为45μm，因此二者之比为45/75＝0.6。由于这一结构，喷墨头1中的上述作用更加明显。

如同下面将要详细描述的，从提高电效率或面积效率的观点出发，优选的是t/T为0.8或更小，更优选的是0.7或更小，其中T是活动层和非活动层的总厚度(压电片41到45的总厚度)，t是活动层的厚度(压电片41到43的总厚度)。

在根据此实施例的喷墨头1中上述作用是相当大的，因为压力室10在横向的长度是350μm，而同一方向上驱动电极35a、35b的长度(活动宽度)是250μm，因此二者之比为250/350＝0.714...。如同下面将要详细描述的，从提高电效率或面积效率的观点出发，优选的是满足条件0.1mm≤L≤1mm和0.3≤δ/L≤1，其中L是压力室10在横向上的长度，δ是驱动电极35a、35b在与长度L相同方向上的长度(见图10)。

并且，在喷墨头1的四个电极34a、34b、35a、35b中最靠近压力室一侧的电极作为公共电极(34b)。这种结构防止由于驱动电极35a、35b的电位变化对导电墨水的影响所形成的不稳定打印。

在此实施例中，压电片41到45是由锆钛酸铅(PZT)材料制成的，这种材料具有铁电性。电极34a、34b、35a、35b是由金属制成的，例如Ag-Pd族金属。

促动器单元21是由陶瓷材料的压电片45、陶瓷材料的压电片44、金属材料的公共电极34b、陶瓷材料的压电片43、金属材料的驱动电极35b、陶瓷材料的压电片42、金属材料的公共电极34a以及陶瓷材料的压电片41堆积后再焙烧而成的。接着，将金属材料的驱动电极35a电镀在压电片41的整个表面上，其中不需要的部分通过激光去除掉。

另外可供选择的是，使用一个在需要形成驱动电极35a的位置处具有开口的罩，通过气相沉积的方法将驱动电极35a涂覆在压电片41上。

与其它电极不同的是，驱动电极35a没有与陶瓷材料的压电片41到45焙烧在一起。这是因为驱动电极35a暴露在表面当在高温下焙烧时容易蒸发，从而与其它被陶瓷材料覆盖的电极34a、34b、35b相比，驱动电极35a的厚度相当难以控制。但是，其它电极34a、34b、35b的厚度在焙烧时也多少有所减小。因此，经过焙烧后难以在保持这些电极连续的同时将它们做得很薄。相反，与其它电极34a、34b、35b相比，电极35a可以做得尽可能薄，因为驱动电极35a是在焙烧后通过上述的方法形成的。如上所述，在此实施例的喷墨头1中，位于最上层的驱动电极35a比其它电极34a、34b、35b做得薄，因此不会对压电片41到43(即活动层)的位移造成大的阻碍，从而提高了促动器单元21的效率(电效率和面积效率)。

在喷墨头1中，压电片41到43或活动层，以及压电片44、45或非活动层是由相同材料制成的。因此，喷墨头1可以由较简单的制造工艺制成，而不必更换材料。这样，降低了制造成本。并且，由于所有的压电片41到43或活动层，以及压电片44、45或非活动层具有基本相同的厚度，简化了制造了工艺，并进一步降低了制造成本。这是因为，调节制成压电片的陶瓷材料厚度的工艺可以简化。

另外，在此实施例的喷墨头1中，促动器单元21分割成每个墨水喷射区2。这是因为，如果均匀地形成促动器单元21，空腔板22与重叠在其上面的促动器单元21之间的小位移在远离对齐点的距离处增大，导致促动器单元21的驱动电极35a、35b相对于压力室10产生大的位移。根据此实施例，这种位移很难发生，并且达到高的对齐准确性。

虽然已经详细描述了本发明的优选实施例，但需要注意的是，本发明并不限于上述典型实施例的结构，在不偏离本发明精神的情况下可以做出不同的修改。

例如，压电片和电极的材料并不限于上面所述的那些，可以用其它合适的材料代替。并且，压力室的平面形状、剖面形状和排列可以适当改变。活动层或非活动层的数量为两个或两个以上的条件下，可以改变活动层和非活动层的数量。并且，活动层和非活动层的厚度可以不同。

具体实施例

下面描述根据此实施例的喷墨头的具体实施例以及对比实施例。

第一具体实施例

在第一具体实施例中，非活动层位于压力室上与活动层相反的一侧。

通过模拟得到了喷墨头的电效率和面积效率，其中喷墨头除了具有两个活动层(驱动电极的宽度为200μm)和两个非活动层外，其结构与上述的结构相似。每个活动层和非活动层的厚度是15μm。结果列于表1中。进行模拟时，将与压力室最大压力对应的压力施加在压电元件的整个底面上(下面的模拟以相似的方式进行)。

第二和第三具体实施例

通过模拟得到了喷墨头的电效率和面积效率，其中喷墨头按照与第一具体实施例喷墨头1相同的方式制造，但在第二具体实施例中驱动电极的宽度为250μm，在第三具体实施例中为300μm。结果列于表1中。

第四到第七具体实施例

通过模拟得到了喷墨头的电效率和面积效率，其中除了具有三层活动层(实施例4：顶层驱动电极的宽度为250μm，其余两层驱动电极为300μm；实施例5：顶层驱动电极的宽度为200μm，其余两层驱动电极为300μm；实施例6：每个驱动电极的宽度为300μm；实施例7：顶层驱动电极的宽度为150μm，其余两层驱动电极为300μm)和两层非活动层外，喷墨头具有与上述实施例相似的结构。活动层和非活动层每层的厚度为15μm。结果列于表1中。

对比实施例

通过模拟得到了喷墨头的电效率和面积效率，其中喷墨头具有与日本专利特许公报平4-341852中涉及的喷墨头相似的结构(层数：10，层厚：30μm)。结果列于表1中。

表1

D.F.：变形效率＝电效率×面积效率

图7是表示表1结果的曲线图。从图7可以清楚地看出，第一到第七实施例的喷墨头，其中包括多个活动层或多个非活动层，与先前技术的对比实施例相比，表现出优秀的电效率和面积效率。特别是，与对比实施例1相比，电效率是其一到二倍大，面积效率是其三到四倍大。这样，第一到第七实施例的喷墨头能实现较高的压力室集成密度并且进一步减小驱动器的尺寸。

层数

下面描述活动层和非活动层的总数以及它们之间的关系。

变形效率是由电效率和面积效率推算出的，多个喷墨头，其中每个喷墨头具有与喷墨头1相似的结构，其变形效率是通过在2到6范围内改变活动层和非活动层的总数模拟得出的。对于高的压力室集成密度和减小驱动器尺寸，大的变形效率是优选的。模拟的结果示于图8中。活动层和非活动层的厚度是相同的，并使用三种不同的厚度，即10μm、15μm、20μm。至于驱动电极的宽度，使用四种宽度，从50μm到150μm之间的间隔为50μm。驱动电极的数量为一到三个，其条件除了层数为2以外，至少包括多个活动层或多个非活动层。

从图8中可以看出，当层数为2时变形效率为100pl²/(nF·mm²)，并随着层数的增加而增大。当层数为5时变形效率达到最大值(约600pl²/(nF·mm²))，当层数为6时略微下降。

一般地认为，当层数少时变形效率大，这与模拟结果不同。对此的解释如下：由于压力室的内部压力上升到几个大气压，因此所需压电元件的力学强度要足以承受此压力。可以认为，由厚度为20μm或小于20μm的片层叠形成的压电元件，如同实施例中所述的，在压电元件施加电压产生变形以及承受内部压力之间能提供最佳的平衡，内部的压力作用在约5层上使压电元件朝相反方向变形。

当层数为2时变形效率高于对比实施例1。当层数为3时，即包括至少多个活动层或多个非活动层时，会得到更加优异的结果。特别是，当层数为4或更多时(即4层、5层或6层)，得到极为优异的结果，在层数为5时获得最好的结果。当然，活动层和非活动层的总数可以为7或更多。

通过模拟检测了在具有给定数量的层数(即活动层和非活动层的总数)时活动层的最佳数量(在这种情况下假定每层具有相同的厚度)。

如果层数为3，则所需的活动层数为1(活动层厚度/总厚度＝0.33)或2(活动层厚度/总厚度＝0.67)，满足在压电元件中包括至少多个活动层或多个非活动层的条件，并且发现活动层的优选数量为2。

如果层数为4，则所需的活动层数为1(活动层厚度/总厚度＝0.25)、2(活动层厚度/总厚度＝0.50)或3(活动层厚度/总厚度＝0.75)，满足在压电元件中包括至少多个活动层或多个非活动层的条件，并且发现在上述结构中活动层的优选数量为1或2，而且2层结构比1层结构更为优选。当层数为3时变形效率略微下降。

如果总层数为5，则所需的活动层数为1(活动层厚度/总厚度＝0.2)、2(活动层厚度/总厚度＝0.4)、3(活动层厚度/总厚度＝0.6)或4(活动层厚度/总厚度＝0.8)，满足在压电元件中包括至少多个活动层或多个非活动层的条件，并且发现活动层的优选数量为2或3。当活动层数为4时变形效率略微下降。

如果总层数为6，则所需的活动层数为1(活动层厚度/总厚度＝0.17)、2(活动层厚度/总厚度＝0.33)、3(活动层厚度/总厚度＝0.5)、4(活动层厚度/总厚度＝0.67)或5(活动层厚度/总厚度＝0.83)，满足在压电元件中包括至少多个活动层或多个非活动层的条件，并且发现活动层的优选数量为2或3，其中3层比2层更为优选。当活动层数为5时变形效率略微下降。

如果总层数为7，则所需的活动层数为1(活动层厚度/总厚度＝0.14)、2(活动层厚度/总厚度＝0.29)、3(活动层厚度/总厚度＝0.43)、4(活动层厚度/总厚度＝0.57)、5(活动层厚度/总厚度＝0.71)或6(活动层厚度/总厚度＝0.86)，满足在压电元件中活动层和非活动层二者中至少一个包括多于一层的条件，并且发现优选的导数为3或4。当层数为6时变形效率略微下降。

从上述结果中可以总结出，t/T优选的为0.8或更小，更优选的是t/T为0.7或更小，其中T是活动层和非活动层的总厚度，t表示活动层的厚度。需要注意的是，假设即使在活动层厚度与非活动层厚度不同的情况下也可以得到相似的结果。

活动层和非活动层的厚度

多个喷墨头的变形效率是由电效率和面积效率推算出的，其中每个喷墨头具有与喷墨头1相似的结构，其变形效率是通过模拟活动层和非活动层三个不同厚度得出的，即10μm、15μm和20μm。结果表示在图9中。活动层和非活动层的总数在3到6的范围内(四种类型)，电极的宽度在150μm到300μm的范围内，其间的间隔为50μm(四种类型)，驱动电极的数量在1层到3层的范围内(包括至少多个活动层或多个非活动层)。

从图9中可以看出，当层厚为10μm时，变形效率出现最大值为约660pl²/(nF·mm²)，并随着层厚的减小变形效率减小。当厚度为20μm时，出现最小值(约250pl²/(nF·mm²))。因此，层越薄，效率越高。从实际使用的观点出发，优选的厚度为20μm或更小。

活动层的宽度

多个喷墨头的变形效率是由电效率和面积效率推算出的，其中每个喷墨头具有与喷墨头1相似的结构，其变形效率是通过模拟6个不同的活动层宽度或驱动电极在横向的长度得出的，即100μm、150μm、200μm、250μm、300μm和350μm。结果表示在图10中。活动层和非活动层的总数在3到6的范围内(四种类型)，活动层和非活动层的厚度得出为10μm、15μm和20μm(三种类型)，驱动电极的数量在1层到3层的范围内(包括至少多个活动层或多个非活动层)。

从图10中可以看出，当活动层宽度为100μm时，变形效率为约130pl²/(nF·mm²)，并随着活动层宽度的增大而增大，直到当宽度为240μm时出现最大值约500pl²/(nF·mm²)。此后，当宽度增大到350μm时变形效率减小。

上面的结果表示，当活动层的宽度在100μm(活动层的宽度与压力室的宽度350μm之比为100/350)到350μm(活动层的宽度与压力室的宽度350μm之比为350/350＝1)的范围内时，变形效率比第一对比实施例提高。从进一步提高变形效率的观点出发，活动层的宽度优选的在140μm(上述比例为0.4)到330μm(上述比例为0.94)的范围内，更优选的在170μm(上述比例为0.49)到300μm(上述比例为0.86)的范围内，最优选的在200μm(上述比例为0.57)到270μm(上述比例为0.77)的范围内。需要注意的是，在模拟中压力室的宽度设定为0.1mm≤L≤1mm。

如上所述，根据此实施例，促动器单元是利用压电横向效应的单形类型，促动器单元能在活动层和非活动层层叠的方向上产生较大数量的变形。因此，每个压力室的容积能改变较大的数量，甚至在压力室做得较小的情况下也能喷出足够的墨水。这样，根据此实施例，通过减小压力室的容积就可以以高密度排列压力室。

并且，根据此实施例，离压力室最远的电极做成最薄的电极，保证促动器单元的大位移。这种结构也允许减小驱动电压，进而限制了电极电位对墨水的影响，保证喷墨头的正常工作。

而且，通过使活动层的厚度为20μm或更小，实现促动器单元的大位移。

并且，根据此实施例，能实现促动器单元相对较大的位移。

并且，根据此实施例，由于活动层和非活动层由相同材料制成，并且每层的厚度基本相同，因此简化了喷墨头的制造工艺。

Claims (18)

1.一种喷墨头，包括：

多个压力室，每个压力室的一端与排出喷嘴相连，另一端与墨水供应器相连；以及

用于多个压力室的促动器单元，

其中所述促动器单元形成为连续的平面层，所述促动器单元包括至少一层非活动层和至少一层活动层，所述非活动层由压电材料制成并布置在压力室的一侧，所述至少一层非活动层中的一层形成在促动器单元的靠近压力室的表面上，在促动器单元远离压力室的表面上，不包括由压电材料制成的非活动层，所述至少一层活动层由压电材料制成并层叠于所有非活动层之上，所述促动器单元被设置成覆盖所述多个压力室，

其中所述至少一层的活动层夹在公共电极和多个驱动电极之间，所述多个驱动电极所处的位置与所述多个压力室对应，所述至少一层活动层的极化方向与该至少一层活动层的厚度方向一致，当促动器单元被促动时，所述公共电极和多个驱动电极在平行于所述极化方向的方向提供电场，以及

其中所述至少一层活动层和所述至少一层非活动层的层数总和多于2层，并且

至少一层活动层具有的极化方向与所述电场的方向平行，其中一层活动层是与所述至少一层非活动层中的其中一层紧邻的压电层。

2.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于当所述驱动电极设定的电位与所述公共电极的电位不同时，所述至少一层活动层根据压电横向效应产生变形，所述活动层的变形与所述至少一层非活动层一起产生单形效应，从而改变所述每个压力室的容量。

3.如权利要求2所述的喷墨头，其特征在于所述公共电极保持在接地电位。

4.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于离所述压力室最远的电极被设计成是所述公共电极和所述多个驱动电极中最薄的一个电极。

5.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于最靠近所述压力室的电极是所述公共电极。

6.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于所述至少一层活动层的每一层厚度是20μm或小于20μm。

7.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于所述至少一层活动层和所述至少一层非活动层的总数是4或大于4。

8.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于t/T为0.8或小于0.8，

其中t表示所述的至少一层活动层的厚度，T表示所述的至少一层活动层和至少一层非活动层的总厚度。

9.如权利要求8所述的喷墨头，其特征在于t/T为0.7或小于0.7。

10.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于满足下面的条件：

0.1mm≤L≤1mm，及

0.3≤δ/L≤1，

其中，L表示每个所述的压力室沿横向方向的长度，以及

δ表示每个驱动电极在与每个压力室长度L方向相同的方向上的长度。

11.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于所有的所述至少一层活动层和所述至少一层非活动层是由相同材料制成的。

12.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于所有的所述至少一层活动层和所述至少一层非活动层具有相同的厚度。

13.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于活动层的数量和非活动层的数量分别是2和1。

14.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于活动层的数量和非活动层的数量分别是2和2。

15.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于活动层和非活动层的总数是5，活动层和非活动层二者之一的数量是3。

16.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于活动层的数量和非活动层的数量是相同的。

17.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于活动层的数量和非活动层的数量之差是1。

18.如权利要求1所述的喷墨头，其特征在于所述公共电极保持在接地电位。

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