CN114953741A - 液体喷出头以及液体喷出装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了使用了无铅压电体的液体喷出头以及液体喷出装置。一个实施方式所涉及的液体喷出头具备致动器和振动板。致动器具备层叠的多个由无铅压电体构成的板状的压电部件。振动板通过所述压电部件的层叠方向的振动而在厚度方向上振动。
Description
技术领域
本发明的实施方式涉及液体喷出头以及液体喷出装置。
背景技术
在喷墨头中，使用了PZT等压电体的喷墨头被制造成各种产品。PZT等压电体由于含有铅，因此在环境方面不适合。因此，期望一种在喷墨头中使用不含铅的压电体的技术。但是，不含铅的压电体在被用作喷墨头的致动器时，除了成本变高以外，例如钛酸钡系等还由于居里温度过低、铌酸钠钾系等还由于压电常数过小等理由，难以实用化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种使用了无铅压电体的液体喷出头以及液体喷出装置。
一个实施方式所涉及的液体喷出头具备致动器和振动板。致动器具备层叠的多个由无铅压电体构成的板状的压电部件。振动板通过所述压电部件的层叠方向的振动而在厚度方向上振动。
一个实施方式所涉及的液体喷出装置具备上述液体喷出头以及在与所述液体喷出头对置的位置支承印刷介质的支承部。
附图说明
图1是示出第一实施方式所涉及的喷墨头的一部分的构成的立体图。
图2是示出该喷墨头的简易构成的剖视图。
图3是示出该喷墨头的层叠压电部件的立体图。
图4是示出该喷墨头的层叠压电部件的侧视图。
图5是示出该层叠压电部件的材料的特性的说明图。
图6是示出该层叠压电部件的材料的特性的说明图。
图7是示出第一实施方式所涉及的喷墨记录装置的简易构成的说明图。
附图标记说明
1…喷墨头，10…基座，20…压电元件，21…压电部件，22…电极，23…虚设层，28…喷出喷嘴，30…振动板，31…压力室，32…共用室，33…开口部，34…引导流路，35…墨流路，40…歧管，41…框状部，42…隔壁部，43…引导壁，50…喷嘴板，51…喷嘴，60…框架，100…喷墨记录装置，111…壳体，112…介质供给部，113…图像形成部，114…介质排出部，115…输送装置，116…控制部，117…支承部，118…输送带，119…支承板，120…带辊，121…引导板对，122…输送用辊，130…头单元，132…墨罐，133…连接流路，134…供给泵，221…电极，222…电极，301…振动部位，2211…外部电极，2221…外部电极。
具体实施方式
以下，参照图1至图7对作为第一实施方式所涉及的液体喷出头的喷墨头1以及作为液体喷出装置的喷墨记录装置100进行说明。图1是示出喷墨头1的一部分的简易构成的立体图，图2是喷墨头1的剖视图。图3是示出喷墨头的层叠压电部件的立体图，图4是其侧视图。图5和图6是示出压电材料的特性的表。图中的箭头X、Y、Z分别表示相互正交的三个方向。为了在各图中进行说明，适当放大、缩小或省略地表示构成。
如图1至图4所示，喷墨头1具备基座10、单个或多个压电元件20、振动板30、歧管40、具有多个喷嘴51的喷嘴板50以及框架60。
压电元件20是致动器，具备：多张压电部件21，在图中的Z方向所示的第一方向上层叠；内部电极221、222，形成在各压电部件21的主面上；外部电极231、232；以及虚设层24。压电元件20例如配置在基座10的第一方向的一侧的端部上，并与基座10接合。
压电部件21由无铅压电体构成为薄板状。作为一个例子，作为压电部件21，使用以铌酸钠钾为主要成分的无铅系压电陶瓷。多个压电部件21的厚度方向沿着第一方向层叠，并经由粘接层相互粘接。
内部电极221、222是由银钯等能够烧制的导电性材料构成为规定形状的导电膜。内部电极221、222形成在各压电部件21的主面的规定区域。内部电极221、222是互不相同的电极。例如，一方的内部电极221在图中的X方向所示的第二方向上形成在到达压电部件21的一个端部且未到达另一个端部的区域中。另一方的内部电极222在图中的X方向所示的第二方向上形成在未到达压电部件21的一个端部且到达另一个端部的区域中。内部电极221、222分别与形成在压电元件20的侧面上的外部电极231、232连接。
外部电极231、232形成在压电元件20的侧面部，汇集内部电极221、222的端部而构成。外部电极通过电镀法或溅射法等已知的方法，利用Ni、Cr、Au等成膜。作为不同电极的外部电极231和外部电极232被安装在相同侧面部的不同区域。或者，也可以将外部电极231和外部电极232分别配置在不同的侧面部。内部电极221、222通过与端部连接的外部电极231、232与各种布线连接，并经由各种布线与驱动IC等安装部件连接。
虚设层24与压电部件21由相同的材料制成。虚设层24仅在一侧具有电极，并且由于不施加电场，因此不会变形。即，虚设层24不作为压电体发挥作用，而是成为固定时的基座、或者为了提高组装中或组装后的精度而进行研磨的研磨余量。
经由外部电极231、232对内部电极221、222施加电压，从而压电元件20沿着压电部件21的层叠方向进行纵向振动。例如，这里所说的纵向振动是指“由压电常数d33定义的厚度方向的振动”。需要说明的是，在本实施方式中，作为一个例子，如图2所示，多个并列配置的压电元件20中每隔一个配置的半数压电元件20隔着振动板30与压力室31对应地配置，剩余的半数压电元件20配置在隔着振动板30与隔壁部42对置的位置。
图5是示出压电材料的特性的表(根据“无铅压电陶瓷·器件”第三章，日本AEM学会编养贤堂)。在图5中示出了PZT、钛酸钡系(BaTiO3)、钛酸铋系((BiNa)TiO3、(BiK)TiO3)、铌酸钠钾系(KNN：K0.5Na0.5NbO3)的压电常数(d33)和居里温度。PZT的压电常数d33为400pC/N以下，居里温度为300℃以下。钛酸钡系的压电常数d33为350pC/N以上，居里温度为130℃以下。钛酸铋系的(BiNa)TiO3的压电常数d33为220pC/N以下，居里温度为278℃以下。钛酸铋系的(BiK)TiO3的压电常数d33为97pC/N以下，居里温度为520℃以下。铌酸钠钾系的压电常数d33为250pC/N以下，居里温度为400℃以下。
如图5所示，在压电材料中，钛酸钡系的压电常数比钛酸铋系和铌酸钠钾系的压电常数大。钛酸钡系的居里温度比钛酸铋系和铌酸钠钾系的居里温度低。因此，钛酸钡系的制造工艺受到制约，使用温度受到制约。此外，钛酸铋系的压电常数比钛酸钡系及铌酸钠钾系的压电常数小。因此，钛酸铋系为了实现与PZT相同的喷出，需要增大驱动电压，元件会变大。另一方面，铌酸钠钾(KNN)系的相对介电常数(ε33/ε0)约为PZT的一半，消耗电力相差不大。此外，铌酸钠钾(KNN)系的居里温度比钛酸钡系和钛酸铋系((BiNa)TiO3)的居里温度高。
图6是示出压电元件20的构成、驱动电压以及位移的关系的表。图6示出了层叠纵向振动PZT和铌酸钠钾系的压电元件20的相对介电常数(ε33/ε0)、压电常数(d33)、宽度W、长度LA、有效长度LB、一层的厚度、层数、驱动电压、驱动层总厚度T、静电容量以及位移的关系。宽度W、长度LA、有效长度LB、驱动层总厚度T如图1所示。宽度W是压电元件20的X方向的尺寸。长度LA是压电元件20的Y方向的尺寸。有效长度LB是压电元件20中的多个内部电极221、222和压电部件21层叠的区域的Y方向的尺寸。一层的厚度是压电部件21的一层的Z方向的尺寸。一层的厚度包括电极221、222。驱动层总厚度T是一层的厚度与总层叠数(层数)的乘积。
图6是根据铌酸钠钾系的压电体的特性形状求出静电容量、位移量的图，计算出以相同的驱动电压得到与作为基准的PZT具有相同的位移的组合。
例如，在本实施方式中，以多用于喷墨头的、一层的厚度为30μm左右、层数为20层左右、d33为400左右、相对介电常数(ε33/ε0)为2000左右的层叠纵向振动PZT为基准，计算出在铌酸钠钾系的压电元件20中以相同的驱动电压得到相同的位移的尺寸和层数。铌酸钠钾系的压电元件20优选层叠数＝50层以下、厚度＝10μm～40μm、厚度与总层叠数的乘积＝小于1000μm。需要说明的是，宽度、长度能够适当变更。若厚度与总层叠数的乘积例如为1000μm以上则过厚，按压力室分割的槽变深，加工变得困难。不仅是厚度，若驱动电压较大(例如60V以上)，则需要变更驱动IC。若静电容量过大(例如3453pF以上)，则消耗电力变多，为了得到与PZT相同的位移，厚度、层数会受到限制。
振动板30例如沿着厚度方向为层叠方向的第一方向配置，在与第一方向正交的面方向上延伸。振动板30配置在压电元件20的层叠方向的一侧、即喷嘴板50侧的面。例如，振动板30具有与各压力室31对置且能够单独位移的多个振动部位301，多个振动部位301一体地相连而形成。或者，也可以排列多个单独位移的振动板30。
振动板30与压电元件20的一侧的端面接合。作为一个例子，在本实施方式中，在振动板30的第一方向的一侧的主面中，与第一方向及第二方向正交的第三方向上的一端侧的区域与压电元件20接合，第三方向上的另一端侧的规定的区域与框架60接合。在振动板30的第一方向一侧的主面中，第三方向的两端的区域与歧管40接合。在喷墨头1的第三方向上的中央部，在振动板30与歧管40之间形成有能够容纳墨的压力室31和引导流路34。在振动板30的第一方向另一侧的主面与框架60之间形成有能够容纳墨的共用室32。即，振动板30的一侧面向压电元件20，另一侧面向压力室31、隔壁部42以及引导流路34。
各压力室31与配置于第一方向一侧的喷嘴板50上形成的喷嘴51连通。沿第二方向排列的多个压力室31和引导流路34通过设置于歧管40的隔壁部42而相互隔开。
振动板30具有在厚度方向上贯通并且使压力室31与共用室32连通的开口部33。在振动板30的第一方向上的一侧形成有压力室31，在振动板30的第一方向上的另一侧形成有共用室32。共用室32沿第二方向延伸，并且与沿第二方向排列的多个压力室31连通。振动板30随着压电元件20的变形而变形，从而改变压力室31的容积。
歧管40与振动板30的一侧接合。歧管40配置在喷嘴板50与振动板30之间，形成规定的墨流路35，该墨流路具有：多个压力室31，被隔壁部42隔开；以及引导流路34，从多个压力室31朝向开口部33在第三方向上延伸。歧管40具备：框状部41，与振动板30的外缘部接合；多个隔壁部42，将多个墨流路35隔开；以及引导壁43，形成引导流路34。多个压力室31的一侧被喷嘴板50堵塞，并且与喷嘴51连通，另一侧被振动板30堵塞，并且经由引导流路34以及开口部33与共用室32连通。压力室31保存从共用室32经由引导流路34供给的液体，通过振动板30的振动而变形，从而将液体从喷嘴51喷出。
喷嘴板50构成为例如由SUS·Ni等金属或聚酰亚胺等树脂材料形成的厚度为10μm～100μm左右的方形板状。喷嘴板50以覆盖压力室31的一侧的开口的方式配置在歧管40的一侧。在喷嘴板50上形成有沿厚度方向贯通的多个喷嘴51。喷嘴51沿第二方向排列，形成喷嘴列。各喷嘴51分别设置在与多个压力室31对应的位置上。
框架60配置在振动板30的第一方向上的另一侧。框架60在其与振动板30之间形成共用室32。共用室32形成在框架60的内侧，通过设置在振动板30上的开口部33和引导流路34与压力室31连通。
在如以上那样构成的喷墨头1中，通过喷嘴板50、框架60、歧管40以及振动板30，形成墨流路35，该墨流路具有：多个压力室31，与喷嘴51连通；多个引导流路34；以及共用室32，与多个压力室31连通。例如，共用室32与墨盒连通，墨通过共用室32被供给到各压力室31。在喷墨头1中，当通过驱动IC对电极221、222施加驱动电压时，压电元件20在层叠方向、即各压电部件21的厚度方向上振动。即，进行纵向振动。由于该压电元件20的纵向振动，振动板30振动，并且通过在第一方向上振动，压力室31变形。然后，随着压力室31的内部容积的变化，将墨从共用室32引出，从喷嘴51喷出。
在制造本实施方式所涉及的喷墨头1的工序中，首先准备压电元件20。具体而言，制作原料粉体，调配粘合剂、增塑剂等并混匀，成型为片状，从而得到片状的压电材料。对形成为片状的压电材料进行内部电极的印刷处理，形成压电部件21。然后，将形成有内部电极的多张压电部件21沿第一方向层叠，通过切断而单片化为规定的形状。接着，通过烧制处理、调光处理单片化为规定的形状，经过外部电极的印刷处理、极化处理而形成压电元件20。将所得到的多个压电元件20沿着第二方向以规定的间距排列，并利用粘接剂等粘贴在基座10上。进一步地，将歧管40与框架60接合，使喷嘴51与各压力室31对置配置并粘接喷嘴板50，从而完成喷墨头1。
以下，参照图7对具备喷墨头1的喷墨记录装置100的一个例子进行说明。喷墨记录装置100具备：壳体111、介质供给部112、图像形成部113、介质排出部114、输送装置115以及控制部116。
喷墨记录装置100是如下的液体喷出装置：沿着从介质供给部112通过图像形成部113到达介质排出部114的规定的输送路径A，一边输送作为喷出对象物的印刷介质例如纸张P一边喷出墨等液体，从而对纸张P进行图像形成处理。
壳体111构成喷墨记录装置100的外轮廓。在壳体111的规定部位具备将纸张P向外部排出的排出口。
介质供给部112具备多个供纸盒，构成为能够层叠地保存多张各种尺寸的纸张P。
介质排出部114具备排纸托盘，该排纸托盘构成为能够保存从排出口排出的纸张P。
图像形成部113具备：支承部117，支承纸张P；以及多个头单元130，对置配置在支承部117的上方。
支承部117具备：输送带118，在进行图像形成的规定区域设置为环状；支承板119，从里侧支承输送带118；以及多个带辊120，设置在输送带118的里侧。
支承部117在图像形成时，在作为输送带118的上表面的保存面上支承纸张P，并且通过带辊120的旋转在规定的时刻传送输送带118，从而将纸张P向下游侧输送。
头单元130具备：多个(四色)喷墨头1；作为液体罐的墨罐132，分别搭载在各喷墨头1上；连接流路133，连接喷墨头1和墨罐132；以及供给泵134。
在本实施方式中，具备青色、品红色、黄色、黑色这四种颜色的喷墨头1和分别容纳这些各种颜色的墨的墨罐132。墨罐132通过连接流路133与喷墨头1连接。
此外，在墨罐132上连结有未图示的泵等负压控制装置。然后，通过与喷墨头1和墨罐132的水头值对应地利用负压控制装置对墨罐132内进行负压控制，从而使供给到喷墨头1的各喷出喷嘴28的墨形成为规定形状的弯液面。
供给泵134例如是由压电泵构成的送液泵。供给泵134设置在供给流路上。供给泵134通过布线与控制部116的驱动电路连接，构成为能够通过CPU(Central ProcessingUnit：中央处理器)的控制进行控制。供给泵134向喷墨头1供给液体。
输送装置115沿着从介质供给部112通过图像形成部113到达介质排出部114的输送路径A输送纸张P。输送装置115具备：多个引导板对121，沿着输送路径A配置；以及多个输送用辊122。
多个引导板对121分别具备隔着所输送的纸张P而对置配置的一对板部件，沿着输送路径A引导纸张P。
输送用辊122在控制部116的控制下被驱动而旋转，从而沿着输送路径A将纸张P输送到下游侧。需要说明的是，在输送路径A的各处配置有检测纸张的输送状况的传感器。
控制部116具备：作为控制器的CPU等控制电路；ROM(Read Only Memory：只读存储器)，存储各种程序等；RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)，暂时存储各种可变数据、图像数据等；以及接口部，输入来自外部的数据并向外部输出数据。
在如以上那样构成的喷墨记录装置100中，控制部116例如在接口中检测到用户通过操作输入部的操作进行的印刷指示时，驱动输送装置115输送纸张P，并且在规定的时刻对头单元130输出打印信号，从而驱动喷墨头1。作为喷出动作，喷墨头1根据与图像数据对应的图像信号，向驱动IC发送驱动信号，经由布线向电极22施加驱动电压，选择性地驱动压电元件20以使其在层叠方向上纵向振动，使压力室31的容积发生变化，从而从喷嘴51喷出墨，在被保存在输送带118上的纸张P上形成图像。此外，作为液体喷出动作，控制部116驱动供给泵134，从而从墨罐132向喷墨头1的共用室32供给墨。
根据上述的实施方式所涉及的喷墨头1和喷墨记录装置100，能够提供使用了无铅的压电材料的喷墨头1和喷墨记录装置100。即，具备层叠了多层无铅的压电体的压电元件，通过层叠方向的振动来驱动压电元件，从而能够实现小型化且得到必要的位移量。喷墨头1能够通过增加层叠数来增加位移量，并且能够容易地通过与电压的组合得到期望的位移。此外，由于层方向的厚度较小，所以即使增加层，对尺寸的影响也较小，对致动器间距的影响也较小，因此能够利用压电常数较小的无铅压电体以现实的尺寸实现期望的位移量。此外，作为压电材料，通过使用以铌酸钠钾为主要成分的无铅压电体，对工艺的限制较小，能够得到与PZT接近的特性，因此能够将无铅压电体应用于现有的PZT层叠纵向振动的喷墨头。此外，通过应用无铅压电体，能够提供适合于环境的喷墨头1和喷墨记录装置100。
在喷墨头1中，通过使一层的厚度为10μm～40μm、层叠数为50层以下、厚度与层数的乘积小于1000，能够在不增加厚度和驱动电压的情况下实现。因此，不需要变更驱动IC，也能够抑制静电容量、消耗电力。
需要说明的是，作为比较例，在使薄板状的压电体在横向上伸缩，使振动板弯曲变形而对墨进行加压的弯曲型的情况下，为了在压电常数(d31)较小的情况下得到变形量，需要提高电压，或者在喷嘴51的排列方向上增大致动器的宽度。此外，在通过压电体的剪切模式(d15)使墨室的侧壁变形而直接对墨进行加压的共享模式侧壁型的情况下，为了在压电常数(d15)较小的情况下得到与压电常数较大时相同的变形量，需要提高电压，或增大致动器的深度方向。此外，在使用压电体的剪切模式(d15)使墨室的顶板变形而直接对墨进行加压的共享模式顶盖型中，为了在压电常数(d15)较小的情况下得到与压电常数较大时相同的变形量，需要提高电压，或增大致动器的宽度方向。因此，在这些比较例的构成中，为了得到期望位移量，需要增大电压，在增加压电体的使用量的基础上，致动器间距变大。当致动器间距变大时，头整体变大。此外，在利用压电体的直接伸缩来按压振动板而对墨进行加压的活塞型中，在利用单一压电体的横向振动(d31)的情况下，材料增加，成本随着头整体的增大而增加。此外，在单一压电体的纵向振动的情况下，若增大致动器的纵向，则电压也成比例地变大，因此难以实用化。在单一压电体的横向振动的情况下，为了增大位移，需要增大致动器的宽度方向。相对于这些比较例，本实施方式所涉及的喷墨头1采用层叠无铅的压电材料并利用层叠方向的纵向振动的构成，从而能够实现小型化且取得较大的位移。
需要说明的是，本发明并不限定于上述实施方式，在实施阶段能够在不脱离其主旨的范围内对构成要素进行变形而具体化。
例如，压电元件20的具体构成或流路的形状、包括歧管40、喷嘴板50、框架60在内的各种部件的构成或位置关系并不限定于上述的例子，能够适当变更。此外，喷嘴51、压力室31的排列也不限于上述的排列。例如，也可以将喷嘴51排列两列以上。此外，也可以在多个压力室31之间形成虚设室。此外，虽然示出了压电元件20在层叠方向的两端具有虚设层24的例子，但并不限定于此，也可以仅在压电元件20的一侧具有虚设层24，或者也可以是压电元件20不具备虚设层24的构成。
例如，喷出的液体不限于打印用的墨，例如也可以是喷出含有用于形成印刷布线基板的布线图案的导电性粒子的液体的装置等。
此外，在上述实施方式中，示出了喷墨头1用于喷墨记录装置等液体喷出装置的例子，但不限于此，例如也能够用于3D打印机、工业用的制造机械、医疗用途，能够实现小型轻量化和低成本化。
根据以上说明的至少一个实施方式，能够提供使用了无铅的压电材料的液体喷出头以及液体喷出装置。
虽然说明了本发明的几个实施方式，但这些实施方式只是作为示例而提出的，并非旨在限定发明的范围。这些新的实施方式能够以其他各种方式进行实施，能够在不脱离发明的宗旨的范围内进行各种省略、替换、变更。这些实施方式及其变形被包括在发明的范围和宗旨中，同样地被包括在权利要求书所记载的发明及其均等的范围内。
Claims (10)
1.一种液体喷出头，其特征在于，具备：
致动器，具备层叠的多个由无铅压电体构成的板状的压电部件；以及
振动板，通过所述压电部件的层叠方向的振动而在厚度方向上振动。
2.根据权利要求1所述的液体喷出头，其特征在于，
所述无铅压电体以铌酸钠钾为主要成分。
3.根据权利要求1或2所述的液体喷出头，其特征在于，
所述无铅压电体的层叠数为50层以下，并且一层所述无铅压电体的所述层叠方向的尺寸为10μm～40μm，
一层所述无铅压电体的厚度与所述层叠数的乘积小于1000μm。
4.根据权利要求1或2所述的液体喷出头，其特征在于，
所述振动板在所述致动器的所述层叠方向的一侧构成容积通过所述致动器的层叠方向的振动而变化的压力室，
所述液体喷出头具备与所述压力室连通的喷嘴。
5.根据权利要求3所述的液体喷出头，其特征在于，
所述振动板在所述致动器的所述层叠方向的一侧构成容积通过所述致动器的层叠方向的振动而变化的压力室，
所述液体喷出头具备与所述压力室连通的喷嘴。
6.根据权利要求1所述的液体喷出头，其特征在于，
所述致动器还具备内部电极、外部电极以及虚设层。
7.根据权利要求6所述的液体喷出头，其特征在于，
所述内部电极是由能够烧制的导电性材料构成为规定形状的导电膜。
8.根据权利要求4所述的液体喷出头，其特征在于，
形成有所述喷嘴的喷嘴板构成为由金属或树脂材料形成的厚度为10μm～100μm的方形板状。
9.根据权利要求5所述的液体喷出头，其特征在于，
形成有所述喷嘴的喷嘴板构成为由金属或树脂材料形成的厚度为10μm～100μm的方形板状。
10.一种液体喷出装置，其特征在于，具备：
权利要求1至9中任一项所述的液体喷出头；以及
支承部，在与所述液体喷出头对置的位置支承印刷介质。
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