CN1121946C - 喷墨记录头 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种喷墨记录头，其包括：形成具有用以供给墨水的供给口和用以喷出墨水的喷出口的多个压力室用凹部的记录头主体；和将记录头主体的各凹部盖上，与该凹部一起构成压力室，并由电场的作用而发生变形，来使该压力室内的墨水喷出的板状致动器，其中，将驱动器的可动部的变形量设为一个能使上述各压力室的内侧弯曲一次时，可从该压力空中喷出的最大喷出量(2)和对应于上述压力室用凹部的开口面积的上述致动器的各可动部的面积(A)之比A/V在6000到10000之间，这种喷墨记录头有利于分层次地控制墨水喷出、点的高密度化以及记录头的小型化。

Description

喷墨记录头
技术领域
本发明涉及一种用在喷墨印刷机上的喷墨记录头。
背景技术
在日本专利公报：特开平9-234864号中展示有喷墨记录头的一例。它具备被供到墨水的多个加压室。各加压室中，一个面是由振动板构成的。在该发明中，通过用压电元件使该振动板发生变形，来减小该加压室的容积，这样从通到该加压室的喷嘴中吐出墨水。在上述振动板上叠层形成加强板，而在该加强板上叠层形成压电元件。在该压电元件的表面上形成个别电极(上部电极)，在底面上形成共同电极(下部电极)。
将上述加压室沿水平方向切开时，其断面呈细长条状，在该喷墨记录头中，在与加压室的长径方向正交的方向排列着这样的细长加压室。另外，该喷墨记录头是将形成加压室的部件和形成墨水坑和喷墨嘴的部件接在一起而形成的。
然而，在已有的喷墨记录头中，为了实现分层次的喷墨控制而增加最大喷出量时，压力室的尺寸即随之增大，因而存在了不可达成点(dot)的高密度化、整个记录头的尺寸也加大的问题。另外，为了尽量提高点密度，将压力室作成细长条形。但是，在采用了细长条形的压力室的情况下，要将形成压力室的部件、形成墨水通路的部件、形成喷墨嘴的部件等多个部件互相连接时所要求的定位精度高，导致产品合格率降低。
发明内容
本发明的目的是提供一种有利于分层次的喷墨控制、点的高密度化及记录头的小型化的喷墨记录头。
在本发明中，从振动板的厚度、变形量、振动板的形状(被振动板覆盖的压力室的开口部的形状)、压力室的配置等几方面着手，而对喷墨记录头加以改良，这样可达成上述目的。
具体说来，本发明的喷墨记录头包括：记录头主体，形成有备有用以供给墨水的供给口和用以喷出墨水的喷出口的多个压力室用凹部；和板状致动器，将该记录头主体的各凹部封上，与该凹部一起构成压力室，并由于电场的作用而发生变形，来使该压力室内的墨水喷出，其中：
应这样来设定上述致动器的可动部的变形量，即上述各压力室的最大喷出量V(pl)和对应于上述压力室用凹部的开口面积的上述致动器的各可动部的面积A(μm2)之比A/V小于或者等于10000。
上述最大喷出量V即是上述致动器的可动部向上述压力室的内侧弯曲一次时，可从该压力室中喷出的墨水的最大量。
上述比A/V≤10000意味着即使上述致动器的可动部的面积很小，也可喷出很多墨水，即有利于分层次地控制墨水喷出。再就是，随着可动部的面积减小，更有利于点的高密度化，可达成记录头的小型化。
上述比A/V最好在6000到10000之间。
为了得到一能使上述比A/V等于或者小于10000的变形量，最好将上述致动器的可动部的厚度设为8μm以下，将该可动部作成长径L和短径S之比(L/S)在1到3之间的椭圆形状。这样一来，即使在上述致动器的可动部的面积很小的情况下也可获得很大的变形量，便进一步有利于分层次地控制墨水喷出、点的高密度化以及记录头的小型化。上述可动部的最大厚度最好在2到8μm之间。
上述致动器最好包括：可盖住上述记录头主体的各凹部，和该凹部一起构成压力室的振动板；分别对该多个压力室的每一个设置的、与该振动板中构成各压力室的可动部连接的、可使该可动部发生变形而使该压力室内的墨水喷出的薄膜压电元件；和分别对这些压电元件设置，可给各压电元件施加电压的个别电极。上述振动板的可动部的厚度最好在1到5μm之间。
由于上述压电元件的电场感应歪曲，与该压电元件连接的振动板的可动部发生弯曲变形，由此压力室的容积发生变化并从该压力室中喷出墨水。由于该振动板的可动部的厚度在1到5μm之间，所以在这样一个很小的可动部面积上能发生很大的变形。
在由上述多个压力室排列成三列以上的列时，最好在上述压力室列当中靠边的那一压力室列的外侧，设置可接到分别对各压力室设置的上述致动器的个别电极的电连接点组，从而使可将位于上述靠边的压力室列的内侧的各压力室的个别电极和上述电连接点组中所对应的连接点进行连接的多条导体，通过上述靠边的那一压力室列中相邻的压力室之间的记录头表面一侧。
换句话说，如果让多个压力室排成三列以上，即可提高点密度。可是，若在各压力室的旁边配设这些个别电极的电连接点，由于必须在各压力室的周围确保接点用空间，所以就不能紧密地配设该压力室。其结果，多个喷墨孔被分散着排列在一个较大的范围内，并导致记录头大型化。于是，在本发明中，通过将位于能隔开相邻的压力室的间壁的上端面的空间(即，记录头表面一侧的空间)用作布线空间，使得在靠边的那一压力室列的外侧集合设置电连接点，这样可以很容易地对该连接点进行布线工作，并且可紧密地配置多个压力室，从而有利于点的高密度化及记录头的小型化。
在由上述多个压力室排列成多个列，并且上述致动器包括：可盖住上述记录头主体的各凹部，和该凹部一起构成压力室的振动板；对该多个压力室的每一个分别设置并与该振动板中构成各压力室的可动部连接，可将该可动部发生变形来使该压力室内的墨水喷出的薄膜压电元件；和对这些压电元件分别设置，可给各压电元件施加电压的个别电极的情况下，最好在上述振动板的表面上叠层形成具有同一个图形的上述压电元件和个别电极，在该振动板中构成各压力室的可动部上由该压电元件和个别电极形成用以使该可动部变形的驱动部，同时形成从该驱动部延伸到上述多个压力室列当中靠边的那一压力室列的外侧的导体部，并且自从位于上述靠边的那一压力室列的内侧的压力室的驱动部延伸的导体部通过该靠边的那一压力室列中相邻的压力室间的记录头表面一侧。
就是说，在将相邻的压力室的间壁的记录头表面一侧用作布线空间时，也可想到在该空间里配设导体，中间可夹着绝缘层，从而将该导体叠层接到压力室的压电元件上。然而，若这样进行布线，便在该连接部产生台阶并容易造成断线。用薄膜形成该导体时，断线倾向特别明显。而且，一般难以进行那样的连接。
于是，在本发明中，在振动板表面上叠层形成图形相同的薄膜压电元件和个别电极，来形成上述驱动部和导体部，并使从上述靠边的那一压力室列的内侧的压力室的驱动部延伸的导体部通过该靠边的压力室列中相邻的压力室间的空隙。因此，不再产生上述台阶，有利于防止断线。此外，由于在形成上述图形时，可采用将为压电元件和个别电极材料的膜叠层之后，将它们一起形成图形的方法，所以也有利于加工制造。
一种喷墨记录头，包括：记录头主体，形成有备有用以供给墨水的供给口和用以喷出墨水的喷出口的多个压力室用凹部；和板状致动器，将该记录头主体的各凹部盖上，与该凹部一起构成压力室，并由于电场的作用而发生变形，来使该压力室内的墨水喷出，其中：
最好是能够满足下述三个条件：在上述致动器中构成各压力室的可动部的厚度为8μm以下；上述多个压力室排列成许多列，其列数在6到10之间；并且在该记录头沿主扫描方向的一次通过中可打印的与该主扫描方向正交的副扫描方向的点密度为300dpi以上。
就是说，即使是要在一定长度的空间里配置尽量多的压力室，因为一定要保证所规定的压力室容积，所以自然地在可并列设置的压力室的数量上有限制，为了实现300dpi以上的点密度，必须在多个列中配置压力室。可是，随着压力室的列数增加，记录头会变大。与此相对，若将压力室的列数设在6到10之间，并通过抑制致动器的可动部的厚度，便能在记录头不变大的情况下达成300dpi以上的高点密度。
更具体地说，首先通过抑制致动器的可动部的厚度，即使是压力室用凹部的开口面积(可动部的面积)小，也可确保所必需的喷出量。并且，通过采用小面积的可动部，使得在一列中配置更多的压力室。例如，点密度从300dpi增加到600dpi时，通过简单的计算，就要在一列中配置两倍的压力室，但实际上点密度增加一倍时，可将各压力室的喷墨量抑制在一半以下，有时候也可抑制在1/4以下，所以也可减小上述可动部的面积。因此，可在一列中配置更多的压力室，即不用过度地增加压力室的列数。
最好将上述三个条件设为：上述致动器的最大厚度在2到8μm之间；上述压力室的列数在6到10之间；上述点密度在300到1200dpi之间。
再就是，在可满足上述三个条件的喷墨记录头中，上述致动器最好包括：可盖住上述记录头主体的各凹部，和该凹部一起构成压力室的振动板；对该多个压力室的每一个分别设置并与该振动板中构成各压力室的可动部连接，可将该可动部发生变形来使该压力室内的墨水喷出的薄膜压电元件；和对这些压电元件分别设置，可给各压电元件施加电压的个别电极。上述振动板的可动部的厚度最好在1到5μm之间。
还有，最好将上述致动器的可动部作成长径L和短径S之比(L/S)在1到3之间的椭圆形状。
就是说，由于致动器的可动部是椭圆形状，因此在可动部的面积小的情况下也可保证所必需的喷墨量，即有利于保证列数在6到10之间的情况下的300dpi以上的点密度。此外，由于可动部是L/S比＝1～3的椭圆形状，因此即使增加压力室的列数，这些压力室也不会分散着排列在主扫描方向的一个较大的范围内。因为如此，即使在各压力室的正下方设置喷嘴(喷墨孔)，喷嘴间距也不会在主扫描方向扩大，所以为选择性地打点而进行的信号处理变得容易，并有利于记录头的小型化。
最好将上述各压力室列中的压力室配置在相邻的压力室列中的相邻的压力室之间所对应的位置上，即从上往下看，压力室的配置呈锯齿形。
也就是说，由于将压力室配置为锯齿形，所以该压力室的配置很紧密，便有利于记录头的小型化。
还有，在可满足上述三个条件的喷墨记录头中，最好设上述各压力室的最大喷出量V(pl)和对应于上述压力室用凹部的开口面积的上述致动器的各可动部的面积A(μm2)之比A/V小于或者等于10000。
比A/V小于或者等于10000就意味着，即使可动部的面积很小，也可获得很大的喷墨量，便有利于保证列数在6到10之间的情况下的300dpi以上的点密度，并有利于记录头的小型化。
上述比A/V最好在6000到10000之间。
附图说明
图1是本发明的实施例所涉及的喷墨印刷机的立体图。
图2是表示该印刷机的喷墨记录头的一部分的立体图。
图3是分别表示该喷墨记录头的记录头主体和致动器中的一部分的分解立体图。
图4是表示该记录头主体的压力室用凹部的开口形状(也就是致动器的可动部或者振动板的可动部的形状)的平面图。
图5是将该喷墨记录头的压力室沿副扫描方向切开后的剖面图(图6的Z-Z线剖面图)。
图6是表示该压力室的配置等的平面图。
图7是按工序顺序表示该压力室的压电元件和个别电极的图案形成方法的剖面图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施例。
在图1所示的喷墨印刷机中，1是喷墨记录头，它被装在滑架2上，靠驱动机构(图中未示)沿着滑架轴3进行来回运动。该滑架2和滑架轴3构成能使喷墨记录头1和记录纸7进行相对移动的机构。该相对移动方向X即是喷墨记录头1的主扫描方向。
4是与喷墨记录头1对着配置的对置电极，在喷墨记录头1接地的状态下，电源5将所规定的高电压(例如，-1.8KV)施加给该喷墨记录头1和对置电极4。6是可将记录纸7向与滑架轴3垂直的方向传送的记录纸传送装置，记录纸7在喷墨记录头1和对置电极4之间被传送。该传送方向Y即是与上述主扫描方向正交的副扫描方向。
上述高电压被加到喷墨记录头1的喷嘴板(后述)和对置电极4之间，由此，从喷嘴板喷出的墨滴即带了正电，借助于喷嘴板和对置电极4之间的静电场，墨滴一边被加速而溅到记录纸7上。
在图2以后的附图中示出了喷墨记录头1的具体结构。在图2所示的喷墨记录头1中，11是形成有用于喷出墨水的多个压力室12的记录头主体(基板)、13是可将电压加到各压力室12的致动器14的压电元件的集成电路片。在本例中，在副扫描方向的8列中并列配置多个压力室12。
如图3所示，记录头主体11是将具有压力室形成用的穿通孔的第1板15、具有供墨口16和喷墨口17的第2板18、用以形成供墨用通路19和喷墨用通路20的第3板21及第4板22、以及具有喷墨孔23的第5板(喷嘴板)24在上下方向叠层而接合在一起的。就是说，由第1板15和第2板18构成在其底面形成有供墨口16和喷墨口17的压力室用凹部25，由第2～第4板18、21、22构成通到上述供墨口16的供墨用通路19和通到上述喷墨口17的喷墨用通路20，该喷墨用通路20通到第5板24的喷墨孔23。还有，在上述第1板15的上面设置有可盖住上述压力室用凹部25的开口部的致动器14，这样形成上述压力室12。
在图4中具体表示上述压力室用凹部25的开口形状。它是长径L和短径S之比L/S在1到3之间的椭圆形状，长径L沿着主扫描方向。
如图5所示，上述致动器14是由可覆盖多个压力室用凹部25的薄膜振动板31、在该振动板31当中可构成各压力室12的可动部31a上叠层形成的薄膜压电元件32以及在该压电元件32之上叠层形成的薄膜的个别电极33构成的。这里，振动板31是由铬或者铬系材料构成的厚度在1到5μm之间的板，它是所有的压力室12喷出墨水时所共用的共同电极。与此相对，在各压力室12上分别设有压电元件32和个别电极33。压电元件32由锆钛酸铅(PZT)构成，其厚度在1到7μm之间。个别电极33由铂或铂系材料构成，其厚度是1μm以下，例如是0.1μm。
在图6中具体表示上述喷墨记录头1的压力室12等的配置状态。该图表示8个压力室列当中位于图2中的左侧的4列，其中所有的压力室12的长径L都与列方向正交。还有，在该图中，相对于左端的第1列的压力室12组，第2列的各压力室12配置在第1列中相邻的压力室12、12之间所对应的位置上，第2列的压力室12和第3列的压力室12的配置关系以及第3列的压力室12和第4列的压力室12的配置关系也与上述第1列的压力室12和第2列的压力室12的配置关系一样。换句话说，在多个列中排列着多个压力室12，它们均配置成与相邻的列中的压力室错开一点位置的锯齿形。
但是，各列的压力室12并不会在与该列方向正交的同一条直线上排列，而在列方向互相错开一点距离。这是为了将各点的位置在副扫描方向互相挪动一些。
不仅是在图6中所示的左侧的4列，图2中的右侧4列的压力室12也配置成锯齿形。这些右侧的4列压力室12也在列方向互相错开一些，并且对和上述左侧4列中的哪一个压力室12的关系来说，也在列方向互相错离，以免在同一条直线上排列。
另外，在上述各压力室12上分别形成的压电元件32和个别电极33，在振动板31的表面上互相叠层形成同一个图形，而在该振动板31的可动部31a上形成可将该可动部31a变形的驱动部35，又形成从该驱动部35向上述左端的压力室列的外侧延伸的导体部36，并在该左端压力室列的外侧形成电连接点部37。此时，作为共同电极的振动板31和个别电极33即是由压电元件32绝缘的。各电连接点部37由导线38连接到集成电路片13的电极部(连接区)。
再就是，从位于上述左端压力室列的内侧的各列压力室12的驱动部35延伸的导体部36，通过其他列中互相邻接的压力室12、12之间或者相邻的列中的压力室12、12之间的记录头表面一侧。
也就是说，在该喷墨记录头1中，在多列中配置了多个压力室12，并从上往下看，能和相邻的列中的压力室形成锯齿形，这样实现了最紧密的配置状态。与此同时，能隔开相邻的压力室12、12的间壁8(参见图5)的记录头表面一侧的部分用作导体部36的配设空间。还有，由于在靠边的那一压力室列的内侧形成有3个压力室列，因此如图5所示，在左端的压力室列中相邻的压力室12、12间的记录头表面一侧通有3条导体部36。
在右边4列压力室12中的压电元件32和个别电极33的图形也和上述左边4个压力室列的一样，又在该右边4列中，导体部36向右端的压力室列的外侧延伸，并在右端的压力室列的外侧设置有电连接点组。
接下来，参照图7对上述图形的形成方法加以说明。在图7中按工序顺序示出该方法中的各工序。
图7A表示准备图案形成用基片41的工序。例如，使用厚度为20mm的基片41。
图7B表示在上述基片41的表面上形成个别电极用的白金膜42的工序。
可通过溅镀法形成白金膜42，例如其厚度可为0.1μm。
图7C表示在上述白金膜42的表面上形成压电元件用的PZT膜43的工序。可通过溅镀法形成PZT膜43，例如其厚度可为2～3μm。
图7D表示将上述白金膜42和PZT膜43同时进行图案化的工序。这就是形成上述压电元件32和个别电极33的图形的工序。可通过化学蚀刻或者离子铣削形成图形。蚀刻结束之后，将其表面平坦化。
图7E表示塑料涂覆工序。这就是将经上述图案形成工序而被除去的部分用绝缘元件(塑料)44填上，来将个别电极之间绝缘的工序。例如，可用聚笋亚胺作该塑料。
图7F表示在上述压电元件32个别电极33和绝缘元件44的表面上形成振动板31的工序。可通过铬溅镀来形成振动板31，例如其厚度可为2μm。
图7G表示在上述振动板31的表面上接合用于形成压力室的第1板15的工序。可使用热固性粘合剂进行接合。另外，该接合结束之后，将基片41加以除去。<具体例>
附表示出为了实现高点密度而形成厚度为2μm的振动板31和厚度为3μm的压电元件32，并将振动板31的椭圆形状可动部31a的长径L和短径S的值加以种种改变时的比L/S、该可动部31a的面积A(μm2)和最大喷出量V(pl)之比A/V、所必需的压力室深度、压力室的间壁厚度以及所必需的压力室列数(锯齿形配置的列数)。
从该表能看到，喷嘴间距P由要实现的点密度来决定，点密度越高，最大喷出量越少。再就是，最大喷出量减少时，用面积较小的振动板31的可动部31a即能应付，因而，随着点密度的增加，可动部31a的长径L和短径S也随之变小。但在此，该长径L和短径S之比L/S采用“1”、“2”和“3”的三种。
此外，压力室的深度随着最大喷出量的变化而变化，以便准确地喷出所需量的墨水。也就是说，要喷出的墨水量越多，压力室12的容积就要越大，要不然，墨水就供不来了。还有，压力室12的深度加深时，压力室的间壁面积也随之增大并其刚性降低。因此，压力室12的深度越大，就将间壁的厚度T作得越厚，以免在将一个压力室12喷出墨水时，间壁发生弯曲而导致邻接的压力室12中的墨水移动。
压力室的列数N可按下式由喷嘴间距P、振动板31的可动部31a的短径S和压力室12的间壁厚度T来求出，但由于商可能为一个小数，所以实际上采用将小数部分进上去的数。
      N＝(S+T)÷P
该表中的比较例表示振动板的厚度为9μm、压电元件的厚度为12μm、可动部(压力室用凹部的开口形状)为细长条形时的情况。
从该表可知，象本发明的实施例那样采用薄的振动板31和压电元件32时，可减小A/V比，尤其是L/S比在1到3之间时，可实现特别小的A/V比。又可知，不管点密度的高低，通过将压力室12的列数设在6到10之间，可实现300到1200dpi的点密度。
还有，从上述表和图6能看到，在振动板31的可动部31a为L/S比＝1～3的椭圆形状的情况下，与可动部31a为细长条形的情况相比，越可减小A/V比，同时可紧密地配置压力室12，从而可达成记录头的小型化。特别是，由于是椭圆形状，即使增加压力室12的列数，压力室12也不会分散着排列在主扫描方向的一个较大的范围内，因而，即使在各压力室12的正下方设置喷嘴(喷墨孔23)，喷嘴也不会分散着排列在主扫描方向的一个较大的范围内，因此可容易进行为选择性地打点的信号处理。
此外，由于在上述压力室12的多列锯齿形配置中，相邻的压力室12、12的间壁部分用作个别电极33的布线空间，因此免得压力室12分散着排列在主扫描方向和副扫描方向的一个较大的范围内。并且，这样通过将间壁部分用作布线空间，即可将电连接点集合到压力室列组的外侧，有利于和集成电路片13的导线连接。
本发明在不脱离其精神或者主要特征的情况下，可在其他各种形态下实施。本发明不应该基于上述实施例和具体例而作限定性的解释。
举例而言，在上述喷墨记录头1中，在各压力室12的正下方形成了喷墨孔23，但也可将各列的压力室12的喷墨孔集合起来排列在副扫描方向上，并将从各压力室12通到所对应的各喷墨孔的喷墨通路延长。

Claims (5)

1.一种喷墨记录头，包括：形成有具有用以供给墨水的供给口和用以喷出墨水的喷出口的多个压力室用凹部的记录头主体；和将该记录头主体的各凹部盖上，与该凹部一起构成压力室，并由于电场的作用而发生变形，来使该压力室内的墨水喷出的板状致动器，其中：
将上述致动器的可动部的变形量设为一个能使上述各压力室的内侧弯曲一次时，可从该压力室中喷出的最大喷出量V(pl)和对应于上述压力室用凹部的开口面积的上述致动器的各可动部的面积A(μm2)之比A/V在6000到10000之间。
2.根据权利要求1或者2所述的喷墨记录头，其中：
上述致动器的可动部的厚度为8μm以下，该致动器的可动部是长径L和短径S之比(L/S)在1到3之间的椭圆形状。
3.根据权利要求2所述的喷墨记录头，其中：
上述致动器的可动部的最大厚度在2到8μm之间。
4.根据权利要求2所述的喷墨记录头，其中：
上述致动器包括：可盖住上述记录头主体的各凹部，和该凹部一起构成压力室的振动板；分别对该多个压力室的每一个设置的、与该振动板中构成各压力室的可动部连接的、可使该可动部发生变形而使该压力室内的墨水喷出的薄膜压电元件；和分别对这些压电元件设置，可给各压电元件施加电压的个别电极，上述振动板的可动部的厚度在1到5μm之间。
5.根据权利要求3所述的喷墨记录头，其中：
上述致动器包括：可盖住上述记录头主体的各凹部，和该凹部一起构成压力室的振动板；分别对该多个压力室的每一个设置的、与该振动板中构成各压力室的可动部连接的、可使该可动部发生变形而使该压力室IN99500内的墨水喷出的薄膜压电元件；和分别对这些压电元件设置，可给各压电元件施加电压的个别电极，上述振动板的可动部的厚度在1到5μm之间。
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