CN103228451A - 液体喷出头和液体喷出头的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种液体喷出头，其包括：多个喷出口，其喷出液体，多个压力室，其存储从喷出口喷出的液体，并且根据压力室的内壁的膨胀和收缩从喷出口喷出液体，以及多个凹部，其形成于压力室的周围，其中，在至少一个凹部和压力室之间存在压电构件。

Description

液体喷出头和液体喷出头的制造方法

技术领域

本发明涉及喷出液体的液体喷出头及其制造方法。

背景技术

通常，将喷出墨的液体喷出头安装于通过将墨喷出到记录介质上而在记录介质上记录图像的喷墨记录设备。作为使液体喷出头喷出墨的机构，已知如下的机构：该机构使用能够利用压电元件来使容积缩小的压力室。在该机构中，当压力室由于被施加了电压的压电元件的变形而缩小时，压力室内的墨从形成于压力室一端的喷出口喷出。作为具有这种机构的液体喷出头，已知所谓的剪切模式类型（shear mode type），在该剪切模式类型中，压力室的一个或两个内壁面由压电元件形成，并且通过对压电元件施加电压而剪切压电元件使得压力室收缩。

在用于工业目的的喷墨设备中，有使用高粘性液体的需求。为了喷出高粘性液体，液体喷出头需要具有较大的喷出力。为了满足这种需求，提出了一种被称为所谓的葫芦类型（gourd type）液体喷出头，其中，压力室由具有圆形或矩形截面形状的筒状压电构件形成。在葫芦类型液体喷出头中，压力室能够以压电构件相对于压力室的中央在内-外方向（径向）上一致地变形的方式膨胀或收缩。在葫芦类型液体喷出头中，由于压力室的所有壁面均变形并且这种变形对喷出墨的力起作用，所以与一个或两个壁面由压电元件形成的剪切模式类型相比能够获得较大的液体喷出力。

在葫芦类型液体喷出头中，需要以高的密度配置多个喷出口以便获得较高的分辨率。对这种配置而言，需要对应于喷出口以较高的密度分别配置压力室。专利文献1公开了一种新的葫芦类型液体喷出头的制造方法，在其中能够以高的密度配置压力室。

在专利文献1所公开的制造方法中，首先，在多个压电板的每一个中均形成沿着相同方向延伸的多个槽。随后，将这些多个压电板以槽的方向匹配的方式堆叠，并且沿着与槽的方向垂直的方向切割压电板。在被切割的压电板中，槽部形成压力室的内壁面。随后，为了使各压力室分开，将存在于压力室之间的压电构件去除直到预定的深度。具有完成的压力室的压电板的上部和下部被连接至供给路径板、墨池板（ink pool plate）、印刷电路板和喷嘴板，由此完成液体喷出头的制造。根据专利文献1中所公开的制造方法，由于压力室能够被配置成矩阵形状，所以能够以高密度配置压力室。进一步地，根据该制造方法，由于与对压电板进行穿孔的情况相比，在压电板中能够容易地加工槽，所以认为能够以高精度形成压力室。

在通过专利文献1所公开的制造方法制造的液体喷出头中，多个压力室以彼此之间设有空间的方式配置。为此，特别地，当压力室的长度（高度）被制得长以便喷出高粘性液体（以便增加喷出液体的力）时，液体喷出头的刚性减小。当刚性减小时，在压力室被弯折时可能不会喷出液体。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本特开2007-168319号公报

发明内容

一种液体喷出头，其包括：多个喷出口，其喷出液体，多个压力室，其存储从所述喷出口喷出的液体，并且根据所述压力室的内壁的膨胀和收缩从所述喷出口喷出液体，以及多个凹部，其形成于所述压力室的周围，其中，在至少一个所述凹部和所述压力室之间存在压电构件。

从下面参照附图对示例性实施方式的说明，本发明的其它特征将变得明显。

附图说明

[图1]图1是示出发明的第一实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

[图2A]图2A是示出图1所示的压电块单元的各面的视图。

[图2B]图2B是示出图1所示的压电块单元的各面的视图。

[图2C]图2C是示出图1所示的压电块单元的各面的视图。

[图2D]图2D是示出图1所示的压电块单元的各面的视图。

[图3A]图3A是示出槽形成工序的立体图。

[图3B]图3B是示出槽形成工序的立体图。

[图4A]图4A是示出电镀工序的立体图。

[图4B]图4B是示出电镀工序的立体图。

[图4C]图4C是示出电镀工序的立体图。

[图4D]图4D是示出电镀工序的立体图。

[图5]图5是示出极化处理工序的立体图。

[图6]图6是示出堆叠工序的立体图。

[图7A]图7A是示出液体喷出头的仿真模型的截面图。

[图7B]图7B是示出液体喷出头的仿真模型的截面图。

[图7C]图7C是示出液体喷出头的仿真模型的截面图。

[图8A]图8A是分别示出仿真电压波形和仿真结果的图表。

[图8B]图8B是分别示出仿真电压波形和仿真结果的图表。

[图9A-图9B]图9A-图9B是示出发明的第二实施方式的液体喷出头的图。

[图9C-图9D]图9C-图9D是示出发明的第二实施方式的液体喷出头的图。

[图10]图10是示出发明的第三实施方式的液体喷出头的主要部分的结构的主视图。

[图11]图11是示出发明的第四实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

[图12]图12是示出发明的第五实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

[图13]图13是示出发明的第六实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

[图14]图14是从图13的A观察的视图。

[图15]图15是示出发明的第七实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

具体实施方式

下面，将参照附图说明本发明的液体喷出头及其制造方法的实施方式的示例。

此外，在第一实施方式至第五实施方式中，为了简化对电极互连的说明，将示出同时驱动所有压力室的类型。

第一实施方式

首先，将说明示出发明的第一实施方式的液体喷出头的结构。图1是示出发明的第一实施方式的液体喷出头的外观的立体图。

如图1所示，本实施方式的液体喷出头12包括墨池板8、压电块单元11和喷嘴板9。喷嘴板9接合至压电块单元11的正面。此外，在图1中，压电块11和喷嘴板9是分开的，以便易于理解压电块单元11的结构。喷嘴板9设置有多个均由圆形通孔形成的喷出口10，并且喷出口10以彼此之间具有预定间隔的方式两维地配置。墨池板8接合至压电块单元11的背面。

图2A至图2D是示出图1所示的压电块单元11的各面的视图。图2A是主视图。图2B是侧视图。图2C是后视图。图2D是沿着图2A所示的切割线2D-2D截取的截面图。

压电块单元11是板1（第一板）和板2（第二板）以粘合层5处于二者之间的方式交替堆叠的层叠单元。板1和2也是压电材料，并且每个板1均包括多个凹部4a（第一凹部）和存储液体的多个压力室3。压力室3和凹部4a通过压电构件34彼此分隔开。另外，板2设置有多个凹部4b（第二凹部），并且各个凹部4b通过压电构件35彼此分隔开。

每个压力室3均包括方形的压力室开口31和方形的流路13（参照图2D）。压力室开口31以面对喷出口10（与喷出口10连通）的方式形成于板1的正面。压力室开口31的开口直径比喷出口10的开口直径稍大。流路13以贯穿板1的内部的方式从压力室开口31延伸（参照图2D）。

如图2A所示，压力室开口31被配置为使得：多个压力室开口列沿着与第一方向X相交的第二方向以彼此之间设有间隔（第二间隔）的方式配置，在每个压力室开口列中多个压力室以彼此之间设有间隔（第一间隔）的方式沿着第一方向X配置于板1的一个面。如图2A所示，凹部4a具有沿着第一方向X与压力室开口31交替配置的开口32（参照图2D），并且凹部4a以与压力室3平行的方式从开口32向板1内部延伸。另外，如图2A所示，凹部4b具有沿着第二方向与压力室开口31交替配置的开口33，并且凹部4b以与压力室3平行的方式从开口33向板2内部延伸。

如图2A所示，压力室3的内壁的三个面设置有第一电极6a。如图2C和图2D所示，第一电极6a与形成于板1的背面的电极6b连接。如图2D所示，电极6b与形成于板1的侧面的电极6c连接。

压力室3中的由板2形成的内壁面（内壁侧）设置有第一电极6d，第一电极6d与板1中形成的电极6a连接。在板2中，电极6b形成于背面，电极6c形成于侧面，并且电极6d被连接至电极6b和6c。

如图2D所示，凹部4a的内壁面（内壁侧）设置有第二电极7a。第二电极7a被连接至形成于开口32的下部的电极7c（参照图2A）。电极7c被连接至形成于板1的下表面的电极7d。如图2B所示，电极7d被连接至形成于板1的侧面的电极7e。此外，在压电板1的侧面，电极7e以与电极6c隔开的方式布置。

凹部4b的内壁面（内壁侧）设置有第二电极7b。第二电极7b的极性与第二电极7a的极性相同，并且与第一电极6a的极性不同。第二电极7b被连接至形成于板2的顶面的电极7f（参照图1）。电极7f被连接至形成于板2的侧面的电极7g（参照图1）。

在具有上述结构的板1和板2中，压电构件34和35从压力室3的内壁面到凹部4a和凹部4b的内壁面预先经受极化处理。为此，当正电压被施加至形成于压力室3的内壁面的第一电极6a和6d、并且形成于凹部4a的内壁面的第二电极7a和形成于凹部4b的内壁面的第二电极7b和7d被接地时，压力室3收缩。于是，从墨池板8引到压力室3的墨经过压力室开口31从喷出口10喷出。

根据本实施方式的液体喷出头12，由凹部4a和4b以及压电构件34和35形成压力室3之间的间隔。为此，与在压力室之间设有空间的结构相比，能够增加压力室的刚性。

然后，将参照图3A至图3B、图4A至图4D、图5和图6说明液体喷出头12的制造工序。此外，这里将详细说明压电块单元11的制造工序。

图3A和图3B是示出槽形成工序的立体图。如图3A所示，在槽形成工序中，通过切割（dicing）在压电材料基板14中交替地形成多个槽16（第一槽）和多个槽17a（第二槽），其中槽16形成各压力室3的内壁面，槽17a形成各凹部4a的内壁面。各槽16从压电材料基板14的一个面延伸到该面的相对面，并且槽16的一端形成压力室开口31。各槽17a从压电材料基板14的一个面以与槽16平行的方式延伸，并且在压电材料基板14的内部终止。另外，在槽形成工序中，如图3B所示，通过切割在压电材料基板15中形成多个槽17b（第三槽），其中槽17b形成各凹部4b的内壁面。各槽17b从压电材料基板15的一个面沿着一个方向延伸，并且在压电材料基板15的内部终止。当槽形成工序完成时，进行电镀工序。

图4A至图4D是示出电镀工序的立体图。图4A是从正面侧示出压电材料基板14的立体图，图4B是从背面侧示出压电材料基板14的立体图。图4C是从正面侧示出压电材料基板15的立体图，并且图4D是从背面侧示出压电材料基板15的立体图。

如图4A和图4B所示，在电镀工序中，在压电材料基板14的正面和背面进行选择性电镀18。于是，在压电材料基板14中形成上述的第一电极6a、6b和6c，第二电极7a，以及电极7c至7e。另外，在电镀工序中，如图4C和图4D所示，还在压电材料基板15的正面和背面进行选择性电镀18。于是，在压电材料基板15中形成第一电极6d、6b和6c，第二电极7b，电极7f，以及电极7g。当电镀工序完成时，进行极化处理工序以使得压电块单元11成为各压力室3可以收缩变形的形式。

图5是示出极化处理工序的立体图。如图5所示，在极化处理工序中，200摄氏度的硅油19被注入到容器23中，并且从电源20向压电材料基板14和15施加2kV/mm的电场，使得压电材料基板14和15被极化。结果，板1和板2完成制造。当极化处理工序完成时，进行堆叠工序。

图6是示出堆叠工序的立体图。如图6所示，在堆叠工序中，多个板1和多个板2以粘合层5处于二者之间的方式交替地彼此接合。于是，完成压电块单元11。喷嘴板9被接合至完成的压电块单元11的正面。另外，墨池板8被结合至完成的压电块单元11的背面。于是，完成液体喷出头12。

在上述的制造工序中，极化处理工序在堆叠工序之前进行。这是因为当极化处理工序在堆叠工序之后进行时，粘合层5中所用的粘合剂需要耐热性和耐电场性，因此适用的粘合剂是有限的。在本实施方式中，由于极化处理工序是在堆叠工序之前进行的，所以能够选择可适用于粘合层5的多种粘合剂。另外，当极化处理工序在堆叠工序之前进行时，由于在由单个的大基板生产多个压电板的情况下能够在大基板阶段进行极化处理，所以这对于批量生产是有利的。

然后，将参照图7A至图7C、图8A和图8B说明用于比较本实施方式的液体喷出头12和比较例的液体喷出头的仿真模型和仿真结果。此外，这里，使用了传统的在压力室之间设有空间的葫芦类型液体喷出头和以工业液体喷出头闻名的壁驱动剪切模式类型液体喷出头作为比较例的液体喷出头。另外，使用了由ANSYS公司制造的结构计算仿真器。

图7A是本实施方式的液体喷出头12的仿真模型的纵向截面。图7B是沿着图7A中的切割线7B-7B截取的截面图。图7C是作为一个比较例的葫芦类型液体喷出头的压力室的截面图。

在图7A和图7B所示的仿真模型中，使压力室3收缩的驱动部的长度L1被设为6mm，并且仿真模型包括被设置在驱动部后方且具有5mm的长度L2的基部。另外，仿真模型包括隔膜（diaphragm）板21，隔膜板21设置在驱动部后方、具有0.22mm的厚度t1并且由硅形成。隔膜板21设置有隔膜22，隔膜22的宽度被设为0.03mm、高度被设为0.2mm并且长度被设为0.22mm。此外，使用锆钛酸铅（PZT）作为压电板1和2的材料。另外，喷嘴板9固定在驱动部的正面侧，喷嘴板具有直径为0.02mm、厚度t2为0.02mm并且由不锈钢（SUS）形成的喷出口10。

图7C所示的压力室30的截面面积与图7B中所示的压力室3的截面面积相同。各个压力室3和30的截面形状都是各边L3均为0.12mm的正方形。压力室3和压力室30取决于外周是否受到约束而彼此不同。

关于剪切模式类型液体喷出头的仿真模型的尺寸，压力室的截面被设成宽度为0.1mm、高度为0.2mm，并且驱动壁的厚度被设为0.07mm。

图8A示出用于使本实施方式和比较例的各压力室的仿真模型收缩的电压波形。如图8A中示出的波形所示，在该仿真中，对各压力室的内壁面施加+30V电压1到2微秒。墨的粘度被设为40mPa·s。图8B示出如下的图表：在图表中沿着纵轴绘出代表着喷嘴部中的液面随时间变化的弯液面（meniscus）位移。图8B中的图表示出在同时比较时，喷出墨的力随着弯液面位移的变大而变大。

在图8B所示的仿真结果中，本实施方式的液体喷出头的喷出墨的力尽管小于比较例的葫芦类型的喷出墨的力，但是比剪切模式类型的喷出墨的力大。为此，本实施方式的液体喷出头具有足以用于喷出高粘性的墨的喷出性能。

第二实施方式

图9A至图9D是示出发明的第二实施方式的液体喷出头的示意图。图9A是本实施方式的液体喷出头12a的喷出口10的布局图。图9B是示出按照喷出墨的顺序从图9A所示的喷出口10喷出到记录介质的墨的点90的图。另外，图9C是第一实施方式的液体喷出头12的喷出口10的布局图。图9D是示出按照喷出墨的顺序从图9C所示的喷出口10喷出到记录介质的墨的点90的图。

在图9A和图9C中，在同一列中相邻的喷嘴之间的间隔为8d，由此通过配置八个列所形成的点距为d。

如图9C所示，在第一实施方式的液体喷出头12中，在每一个喷出口列中喷出口10的中心沿着上述第一方向X偏离（deviated）。为此，顺次喷出墨的两个喷出口列之间的偏离长度d是常数。结果，当在沿着传送方向Y传送记录介质的状态下顺次地从各喷出口列喷出墨时，第一实施方式的液体喷出头12连续地形成如图9D所示的邻接的点90。

另一方面，在本实施方式的液体喷出头12a中，如图9A所示，喷出墨的两个喷出口列之间的偏离长度与不同的两个喷出口列的中心之间的偏离长度是不同的（所以它们并不一致）。例如，存在于喷出口列1（第一喷出口列）和喷出口列2（第二喷出口列）中的喷出口31的中心之间的偏离长度是3d。相反地，在喷出口列3和喷出口列4（第四喷出口列）中的喷出口10的中心之间的偏离长度是5d。为此，当各喷出口列在记录介质沿着传送方向Y被传送的状态下而顺次地喷出墨时，在本实施方式的液体喷出头12a中，如图9B所示，邻接的点90不是连续地形成的。因此，在本实施方式的液体喷出头12a中，不容易产生液珠（beading）。此外，在专利文献1所公开的制造方法中，由于设置有槽的压电板的层叠单元被沿着与槽的方向垂直的方向切割，所以在喷出口的中心之间的偏离长度可能不会如本实施方式那样地每一个喷出口列都改变。另外，这里所提到的液珠是指如下的现象：由于后一墨滴在先前喷出的墨滴被记录介质吸收之前被喷出，使得墨滴彼此混合而造成密度不均匀，所以墨的浓度不恒定。

第三实施方式

图10是示出发明的第三实施方式的液体喷出头的主要部分的结构的主视图。在图10中，本实施方式的液体喷出头12b的压力室3的附近被放大。在图10所示的液体喷出头12b中，凹部4b的形状与第一实施方式的液体喷出头12的凹部4b的形状不同。具体地，在第一实施方式的液体喷出头12中，如图2A所示，凹部4b的宽度比凹部4a之间的间隔窄。另一方面，在本实施方式的液体喷出头12b中，凹部4b的宽度W1被设为0.48mm，并且凹部4a之间的间隔被设为0.36mm，其中压力室3处于凹部4a之间。即，凹部4b的宽度W1比凹部4a之间的间隔W2宽。为此，由于与第一实施方式的液体喷出头12相比，本实施方式的液体喷出头12b易于使压力室3收缩，所以增强了喷出墨的力。此外，由于可以通过使第一实施方式中说明的槽形成工序中的槽17b的宽度变宽来制造本实施方式的液体喷出头，所以制造不会特别困难。

第四实施方式

图11是示出发明的第四实施方式的液体喷出头的立体图。在本实施方式的液体喷出头12c中，凹部4b的宽度比第三实施方式的液体喷出头12b的凹部4b的宽度宽很多。具体地，在第三实施方式的液体喷出头12b中，为每个压力室3设置一个凹部4b。另一方面，在本实施方式的液体喷出头12c中，为两个压力室3设置一个凹部4b。为此，由于与第三实施方式的液体喷出头12b相比，本实施方式的液体喷出头12c能够易于使压力室3收缩，所以进一步增强了喷出墨的力。

第五实施方式

图12是示出发明的第五实施方式的液体喷出头的外观的立体图。在本实施方式的液体喷出头12d中，凹部4b的形状与第一实施方式的液体喷出头12的凹部4b的形状不同。具体地，在第一实施方式的液体喷出头12中，如图2A所示，板2设置有多个凹部4b。另一方面，在本实施方式的液体喷出头12d中，多个凹部4b以形成具有宽的宽度的单个凹部4b的方式连接。此外，在本实施方式的液体喷出头12d中，设置了穿过凹部4b和凹部4a的狭缝23。设置狭缝23以使得从最上层的凹部4b注入的绝缘冷却油24填充到最下层的凹部4b。通过使凹部4a和4b内的绝缘冷却油24以该方式循环，可以冷却液体喷出头12d。

第六实施方式

图13是示出发明的第六实施方式的液体喷出头的外观的立体图，除了电极配线的结构不同之外其与第一实施方式的液体喷出头相同。本发明的液体喷出头示出了独立驱动各个压力室的点按需型（dot-on-demand type）液体喷出头。图14是从图13的A观察时的立体图。图13所示的电极6和第一电极6a以彼此对应的方式彼此电连接，由此形成独立的电极。各电极6在图14所示的平面内从压力室3的内壁向上延伸，并且各电极6越过如图13所示的液体喷出头11的脊线配置在液体喷出头11的一个侧面上。在电极的接触墨的部分上形成保护膜。

第七实施方式

图15是示出发明的第七施方式的液体喷出头的外观的立体图。基本结构与第六实施方式的基本结构相同，但是板2的材料从压电材料改变为易加工陶瓷。由于压力室3的顶面不是压电材料，所以驱动面从四个面改变为三个面。然而，由于易加工陶瓷能够被容易地加工、足以批量生产以及具有高的导热性，所以这对于防止头的温度升高是有利的。

这里，尽管压力室的三个表面被构造成能被驱动，但是压力室周围的构件可以不同于压电材料。另外，即使当构件由压电材料形成时，通过设置不形成电极的表面，仅仅两个或一个表面也可以被构造成能被驱动。

如上，根据发明的各实施方式，由于压力室之间的间隔由构件和凹部形成，所以相比于在压力室之间设有空间的结构，能够增加各个压力室的刚性。

尽管已经参照示例性实施方式说明了本发明，但是应当理解，本发明不限于所公开的示例性实施方式。所附权利要求书的范围应符合最宽泛的解释，以包括所有这种变型、等同结构和功能。

本申请要求2010年12月24日提交的日本专利申请No.2010-288006及2011年11月10日提交的日本专利申请No.2011-246454的优先权，其所有内容通过引用包含于此。

Claims (9)

1.一种液体喷出头，其包括：

多个喷出口，其喷出液体；

多个压力室，其存储从所述喷出口喷出的液体，并且根据所述压力室的内壁的膨胀和收缩从所述喷出口喷出液体；以及

多个凹部，其形成于所述压力室的周围，

其中，在至少一个所述凹部和所述压力室之间存在压电构件。

2.根据权利要求1所述的液体喷出头，其中，

多个所述压力室沿着第一方向配置，并且多个所述压力室沿着与所述第一方向相交的第二方向配置，

所述凹部具有第一凹部和第二凹部，所述第一凹部与所述压力室沿着所述第一方向交替地形成，所述第二凹部与所述压力室沿着所述第二方向交替地形成。

3.根据权利要求2所述的液体喷出头，还包括：

第一板，其设置有第一槽和第二槽，所述第一槽形成所述压力室的内壁面，所述第二槽形成所述第一凹部的内壁面；以及

第二板，其设置有第三槽并且与所述第一板堆叠在一起，所述第三槽形成所述第二凹部的内壁面。

4.根据权利要求3所述的液体喷出头，其中，所述第一板和所述第二板中的至少一方是压电材料。

5.一种液体喷出头，其包括：

多个压力室，其与喷出液体用的喷出口连通并且存储从所述喷出口喷出的液体；

第一电极，其形成于所述压力室的内壁；

多个凹部，其形成于所述压力室的周围；

第二电极，其形成于所述多个凹部中的至少一个凹部的内壁；以及

压电构件，其存在于所述压力室和设置有所述第二电极的所述多个凹部的内壁之间，并且沿着连接所述第一电极和所述第二电极的方向被极化。

6.一种液体喷出头的制造方法，其包括：

以彼此之间设有间隔的方式形成多个压力室和在所述压力室之间形成凹部和压电构件的第一步骤，所述压力室均具有在所述压力室的可变形内壁面上的第一电极，所述凹部具有第二电极，所述第二电极形成于所述凹部的内壁面，所述压电构件从所述压力室的内壁面连续至所述凹部的内壁面；以及

使所述压电构件经受极化处理以使所述压力室的内壁面能够变形的第二步骤。

7.根据权利要求6所述的液体喷出头的制造方法，其中，在所述第一步骤中，多个所述压力室沿着第一方向配置，并且多个所述压力室沿着与所述第一方向相交的第二方向配置，第一凹部与所述压力室沿着所述第一方向交替地形成，第二凹部与所述压力室沿着所述第二方向交替地形成。

8.根据权利要求7所述的液体喷出头的制造方法，其中，

所述第一步骤包括堆叠第一板和第二板的堆叠步骤，所述第一板设置有第一槽和第二槽，所述第一槽形成所述压力室的内壁面，所述第二槽形成所述第一凹部的内壁面，所述第二板设置有第三槽，所述第三槽形成所述第二凹部的内壁面。

9.根据权利要求8所述的液体喷出头的制造方法，其中，

所述第二步骤在所述堆叠步骤之前进行。

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