CN1315647C - 压电喷墨头 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压电喷墨头，为了防止各个驱动区域或独立压电元件的驱动状态受其周围其他数个驱动区域或压电元件驱动状态的影响而使形成图象点直径和点形状产生偏差，在作为加压室的邻接凹部间间隔的隔壁所形成的剖面形状中，在基板的叠层有驱动部的面侧的上端部在面方向的宽度W1和基板厚度方向的高度H满足式(1)：W1≥H (1)并且，上述宽度W1与基板的凹部底侧下端部的在面方向宽度W2满足式(2)：W1≤W2 (2)。

Description

压电喷墨头

技术领域

本发明涉及一种压电喷墨头，尤其涉及一种能适用于打印机、复印机、传真机以及它们的组合机等的压电喷墨头。

背景技术

用于按需型喷墨打印机等并以压电元件的电致伸缩效应为驱动源的压电喷墨头，例如，日本国专利公开公报JP-H05-318731-A2(1993)中说明所示，充填油墨的加压室沿板状基板的一侧面的方向配置数个，并且把喷吐油墨的喷嘴与各加压室的每一个都连通，同时在各加压室上都配置有带压电元件的驱动部，这是广泛运用的类型。

在上述压电喷墨头中，与各个加压室对应的压电元件中，给任意一个或两个以上的压电元件分别附加驱动电压而使其变形，从而与该压电元件对应的加压室容积减小，加压室的油墨从连通着的喷嘴作为墨滴喷出，以在纸面上形成点。

更详细来说，驱动部包括压电元件和支撑压电元件的振动板，该驱动部的作用为，作为通过把压电元件产生的力作为压力传递给加压室内的油墨，以用于从连通该加压室的喷嘴喷出墨滴的驱动源。即，驱动部在压电元件附加驱动电压所致变形作用下，使振动板能向加压室的方向伸出挠曲，使加压室的容积减小，从而给加压室内的油墨加压，并作为墨滴从喷嘴先端喷出。

与此同时，驱动部因承受加压室内油墨的压力而使振动板向上述的反向挠曲，所以，相对喷墨头内油墨振动能具有作为弹性体的作用。

一旦在压电元件上附加驱动电压以产生力，喷墨头内的油墨利用振动板在驱动部承受的压力作用下引起振动。该振动使驱动部、加压部产生弹性，在加压室上供给油墨的供给口以及连通加压室和喷嘴的喷嘴流路及喷嘴产生惯性。在这种振动中，喷墨头内油墨体积速度的固有振动周期取决于上述各部件的尺寸和油墨的物理参数以及驱动部的大小和物理参数。

压电喷墨头中，利用这种油墨振动所致喷嘴内油墨机械振动产生墨滴，以在纸面上形成点。

为了提高压电喷墨头的分辨率，并且使压电喷墨头小型化，必须要尽可能地缩小喷嘴间距。若提高喷墨头的分辨率且增加喷嘴的数目，难以给每个加压室分别配置独立的压电元件。因此，最近压电喷头的主流类型是，把横振动式薄板状压电元件以夹持该压电元件方式进行配置，压电元件上附加驱动电压的一对电极中的下侧(振动板侧)电极(共用电极)和振动板一起，按覆盖多个加压室的大小形成一体(元件共用型)。另外，一对电极中配置在压电元件上侧的电极(独立电极)，由于把驱动电压分别附加在各个压电元件上，能分离形成对应于各个加压室的规定形状。

在元件共用型压电喷墨头中，由压电元件平面内的独立电极和共用电极夹持的区域(成为“驱动区域”)，一旦从独立电极附加驱动电压产生电场，正好与独立的压电元件同样，使该驱动区域驱动，能给相应加压室内的油墨加压。

可是，或相邻加压室间快接近时，对应于特定加压室的压电元件(元件共用型情况下的驱动区域)受驱动时，与此相邻接的周围加压室对应的压电元件(或驱动区域)容易产生受到上述压电元件驱动影响的问题。特别是在元件共用型压电喷墨头中，该问题显著。

即，元件共用型压电喷墨头中，如图6所示，横振动式薄板状压电元件9，利用共用电极8和振动板7，固定在基板1上隔开邻接的加压室2间的隔壁1e之上端面，从而压电元件9构造成由独立电极10平面形状规定的驱动区域周围，由上述隔壁1e上端面上固定的非驱动区域限定。

例如，给图中距左侧第二个独立电极10附加驱动电压，使压电元件9中对应于上述独立电极10的驱动区域驱动，从而，该驱动区域与其正下方共用电极8、振动板7在图7空心箭头所示方向(正方向)变形，使加压室2的容积减小，喷出油墨，进行这种操作时，虽只图示一方，但两侧的加压室2上的振动板7、共用电极8以及压电元件9的驱动区域，与图中黑箭头所示方向相反，向加压室2内的容积增加的方向(负方向)变形。

所以，从如图7的状态开始，对负向变形产生的邻接加压室2上的独立电极10附加驱动电压而使压电元件9中对应于该独立电极10的驱动区域驱动的话，在相邻两侧驱动区域都不受驱动的状态下，其正向变形量是从该驱动区域单独驱动时的正向变形量减去上述负向变形量的差值。所以，通过振动板7附加在其正下方加压室2内油墨上用于喷出的压力只会下降这些，从喷嘴喷出的墨滴会变小，或者喷出速度会变低，结果，点的直径变小且点的形状变形。

这种现象重复发生在薄板状压电元件9中面方向排列的多个驱动区域间。

例如，压电元件9中夹持一个驱动区域的两侧驱动区域都驱动的状态下，使其间夹持的驱动区域驱动时，该驱动区域的正向变形量比上述情况下还要小。

虽然远比邻接驱动区域的影响小，但即使在如再隔一个进而邻接的驱动区域的驱动状态和/或邻接列的接近的驱动区域的驱动状态等，也会影响到特定驱动区域的驱动状态。

所以，若对于特定的一个驱动区域进行考察，相应于其周围数个驱动区域的驱动状态，即相应于形成的图象的点图，因该驱动区域的正向变形量变化，点直径或点形状就会有偏差。

上述现象在各加压室分别分离形成压电元件的现有型(元件分离型)中同样发生。在这种情况下，振动板和其上共用电极的变形影响邻接加压室上的压电元件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种压电喷墨头，因各个驱动区域或独立压电元件的驱动状态不受其周围其他数个驱动区域或压电元件的驱动状态影响，所以相应于形成图形的点图的点直径或点形状没有偏差。

为了解决上述技术问题，发明者对压电喷墨头的结构再次进行研究。

结果表明，现有压电喷墨头中，如前述由于加压室过于接近，隔开相邻加压室间的隔壁面方向宽度比基板厚度方向的高度小，所以，产生前述现象。

即，以元件共用型压电喷墨头为例进行说明，如图6所示，因隔壁1e的面方向的宽度w比基板厚度方向的高度h小，所以，如图7所示，在特定区域驱动时，随着该驱动区域的面方向收缩，围绕该驱动区域构成非驱动区域的隔壁1e之上端部被拉向加压室2的方向。并且在这种拉引力的作用下，隔壁1e以向加压室2歪斜方式变形，结果，对相邻驱动区域有影响。

因此，发明者对防止歪斜变形的措施研究表明，隔壁所形成剖面形状应当采用的方式如下，基板中叠层有驱动部面侧的上端部在面方向宽W1和基板厚度方向高度H满足式(1)：

W1≥H    (1)

并且，上述宽度W1和基板中凹部底侧下端部在面方向的宽度W2满足式(2)：

W1≤W2    (2)

结果发现，可以防止各个驱动区域的驱动状态受到其周围驱动区域驱动状态的影响。对于元件分离型压电喷墨头也是如此。

因此，本发明之一的压电喷墨头，具有板状基板，在该基板的单侧面上，以基板的一部分为间隔隔壁，沿基板面方向排列配置多个作为填充有油墨的加压室的凹部，同时，在基板内部，通过喷嘴流路连通喷嘴和各个凹部，该喷嘴用于把充填在加压室中的油墨作为墨滴喷出，并且通过供给口连通共用供给路和各凹部，该共用供给路给各加压室供给油墨，在该基板中形成凹部的面上配置驱动部，该驱动部具有横振动模式的薄板状压电元件、振动板、从上下夹持压电元件的上部及下部电极，该振动板能密闭凹部而构成加压室，并且由压电元件的变形振动以使任意加压室的容积减小，通过喷嘴使该加压室内的油墨作为墨滴喷出，该压电喷墨头的特征在于，振动板形成为覆盖多个点形成部的大小，并且压电元件形成为与振动板相同大小，在邻接凹部间的间隔隔壁所形成的剖面形状中，所述隔壁的在基板的叠层有驱动部一面侧的上端部在面方向的宽度W1和所述隔壁的在基板厚度方向的高度H满足式(1)：

W1≥H          (1)

并且，上述宽度W1与所述隔壁的在基板中凹部底侧下端部在面方向的宽度W2满足式(2)：

W1≤W2         (2)。

另外，本发明的压电喷墨头中，为了可靠地防止隔壁歪斜变形，最好隔壁下端侧的宽度W2比其上端部侧的宽度W1大，具有梯形剖面形状。

因此，本发明之二点压电喷墨头，在上述的压电喷墨头基础上，其特征在于在隔壁所形成剖面形状中，上述宽度W1、W2满足式(2-1)。

W1＜W2    (2-1)

另外，本发明所述的这种隔壁是指一个加压室与其周围数个加压室相隔的所有隔壁，一个加压室周围所有隔壁剖面形状满足上述式(1)、(2)，就能解决该隔壁歪斜所致的问题。

但是，要考虑到隔壁的某一部分，例如加压室隆起和给加压室配管等影响下不满足前述式(1)、(2)的薄壁情况。即使在这种情况下，与该薄壁部连接的其他大部分满足式(1)、(2)，从隔壁整体来看，上述薄壁部不产生歪斜的情况也包含在本发明中。

设置在基板周边的加压室与外部隔离的隔壁剖面形状，没有特殊限定，但为了防止歪斜，考虑到其内侧的各加压室上驱动区域和驱动区域的变形特性一致等情况，即使这种周边部的隔壁也最好满足前述式(1)、(2)。

附图说明

图1是本发明压电喷墨头一例中装配上具有压电元件和振动板的驱动部前状态下的俯视图；

图2是图1所示实施例喷墨头中装配有驱动部的状态下，一个点形成部的放大的图3的A-A线的剖面图；

图3是表示构成一个点形成部的各部重叠状态的透视图；

图4是表示上述例中压电喷墨头中在垂直于图2方向上加压室排列配置数个的放大状态，是图2的III-III线剖面图；

图5是表示压电喷墨头变形实例中垂直于图2方向上加压室排列配置数个的状态放大图，是图2的III-III线的剖面图；

图6是现有压电喷墨头一实施例中数个加压室以薄厚度隔壁间隔着接近配置状态下的放大的剖面图；

图7是用于说明上述压电喷墨中驱动一个加压室上的驱动区域时、该驱动影响周围加压室的驱动区域及隔壁的剖面图。

具体实施方式

图1是表示本发明压电喷墨头一例中组装驱动部前状态的俯视图，该驱动部含有压电元件和振动板。

图例中的压电喷墨头在一块基板1上排列配置数个点形成部，该点形成部具有加压室2和与加压室2连通的喷嘴部3。

图2是表示上述实例的压电喷墨头中组装驱动部后状态下一个点形成部放大的剖面图，图3是表示构成一个点形成部的各部重叠状态的透视图。

另外，图4是表示上述实例的压电喷墨头中沿垂直于图2方向排列配置数个加压室状态下的放大剖面图。

各点形成部的加压室2、喷嘴3，按图1空心箭头所示主扫描方向数个并列。图例中并列四列，同一列内点形成部间距是90dpi，压电喷墨头整体达到360dpi。

各点形成部中，加压室2和喷嘴3由喷嘴流路4连接，加压室2由基板1上图2中上面侧形成的凹部构成，具有与矩形的中央部两端连接着半圆形端部形成的平面形状(参照图3)；喷嘴3在上述基板1的下面侧且在加压室2的一端侧端部形成，位于与半圆中心重叠的位置；喷嘴流路4具有与上述端部的半圆同径的剖面圆形；同时各点形成部中，通过供给口5连通加压室2和共同供给路6(图1虚线所示)，供给口5在上述加压室2另一端的端部且与半圆中心重叠的位置上，共同供给路6在基板1内连接着各点形成部。

如图4所示，各加压室2在同一列内，沿垂直于图2方向分别间隔隔壁1e等间隔排列配置。

在图例中，上述各部按第一基板1a、第二基板1b、第三基板1c、第四基板1d的顺序叠层形成一体，第一基板1a中形成了加压室2，第二基板1b中形成了喷嘴流路4的上部4a和供给口5，第三基板1c中形成了喷嘴流路4的下部4b和共同供给路6，第四基板1d中形成了喷嘴部3。

如图1所示，在第一基板1a与第二基板1b中形成有通孔11，该通孔11构成将在第三基板1c上形成的共同供给路6与位于基板1的上面侧、未图示的墨盒配管连接的连接部。

另外，各基板1a～1d，例如是由树脂或金属等构成，由具有规定厚度的、设有利用光刻法的蚀刻等作为上述各部的通孔的板体形成。隔壁1e是第一基板1a上形成作为各加压室2的通孔后残余部分。

图例中，隔壁1e形成的剖面中，在基板中叠层有驱动部的面侧的上端部在面方向的宽度W1和基板厚度方向的高度H满足式(1)：

W1≥H    (1)

并且，上述宽度W1与基板中凹部底侧下端部在面方向宽度W2满足式(2-2)：

W1＝W2    (2-2)

其中，隔壁1e的宽度W1、W2取决于第一基板1a上形成的作为各加压室2的通孔的形成间隔，高度H取决于第一基板1a的厚度。因此，若规定第一基板1a的厚度和成为各加压室2的通孔之形成间隔等，就能够满足点形成部间的间距或加压室2的容积等的压电喷墨头中所要求的各参数，同时，隔壁1e的宽度W1、W2和高度H满足上述式(1)、(2-2)。

另外，虽然未图示，不言而喻，加压室2周围的、在其他方向的隔壁所形成的剖面形状同样也满足前述式(1)、(2-2)。

若隔壁1e具有上述剖面形状，特定驱动区域驱动时，随着该驱动区域面方向的收缩，能防止围绕该驱动区域的隔壁1e歪斜变形。因此，相应于形成的图形的点图，能防止点直径和点形状偏差，能形成良好的图形。

基板1的上面侧上，依次叠层一枚振动板7、一枚薄膜状共用电极8、一枚横振动式薄板状压电元件9，其中振动板7具有至少覆盖各点形成部的大小，薄膜状共用电极8与该振动板7大小相近，横振动式薄板状压电元件9与上述振动板7和共用电极8大小相近，并且，通过在压电元件9上与图1单点划线所示各点形成部的加压室2之中央部重叠位置部，能分离形成数个单独电极10而构成驱动部。

由上述各部分构成的驱动部，可以用通过烧制成薄板状压电体的压电体生片来制造。

例如，在压电体生片单面上，印刷或涂布通过烧结而成共用电极的导电性膏剂，再在其上叠层压电体生片后进行烧结，在两层薄板状压电体层间夹持有共用电极8，形成具有这种结构的叠层体后，一旦在该叠层体一方的压电体层表面形成数个独立电极10，就能获得以共用电极8和独立电极10夹持一方的压电体层为压电元件9，而以另一方压电体层作为振动板7的驱动部。

形成上述驱动部内振动板7、压电元件9的压电材料，例如可以选用锆钛酸铅(PZT)、或在该PZT中添加镧、钡、铌、锌、镍、锰等氧化物的一种或两种以上的材料，例如，PLZT等PZT类压电材料。另外，也可以选用以镁铌酸铅(PMN)、镍铌酸铅(PNN)、锌铌酸铅、锰铌酸铅、锑锡酸铅、钛酸铅、钛酸钡等为主成分的材料。压电体生片含有能通过烧结制成上述任一压电材料的化合物。

作为形成共用电极8的导电性膏剂，使用含有如金、银、铂、铜、铝等导电性优良的金属粉末的材料。这种导电性膏剂层与前述压电体生片一起进行烧制，烧结或熔融该膏剂中的金属粉末，形成一体化的共用电极8。

独立电极10可以采用与上述同样的导电性膏剂印刷在要成压电元件9一方的压电体层表面上而形成，也可以采用由前述导电性优良的金属构成的箔或电镀覆膜、真空喷镀膜等来形成。

振动板7可以用金属制成。

例如，可以采用钼、钨、钽、钛、铂、铁、镍等单体金属或这些金属的合金或不锈钢等金属材料，形成具有规定厚度的板状振动板7。

另外，在与前述相同的压电体生片单面上，将印刷或涂布通过烧制而成为共用电极的导电性膏剂的叠层体进行烧结，形成具有共用电极8和薄板状压电体层的叠层体后，在该叠层体中共用电极8侧的表面粘接振动板7，一旦在该叠层体另一面即压电体层的表面形成数个独立电极10，就能获得以压电体层为压电元件9的驱动部。

把上述形成一体的驱动部用粘着剂粘接在基板1上等进行固定的话，就能获得压电喷墨头。

为了使压电元件9为横振动式，使压电材料的极化方向朝向该压电元件9厚度方向进行取向，更具体来说，使压电材料的极化方向从独立电极10朝向共用电极8的方向进行取向。所以，可以采用如高温极化法、室温极化法、交流电场重叠法、电场冷却法等现有公知的极化法。并且，还可以对极化后的压电元件9进行陈化处理。

使压电材料的极化方向向上述方向取向的压电元件9，在共用电极8接地的状态下，如果附加来自独立电极10的正驱动电压，则由独立电极10和共用电极8夹持的驱动区域在与极化方向垂直的面内收缩。但是，由于压电元件9借助共用电极8固定在振动板7上，所以，收缩后的驱动区域向加压室2的方向挠曲。

因此，挠曲发生时的力作为压力变化传递给加压室2内油墨，由于这种压力变化，引起供给口5、加压室2、喷嘴流路4及喷嘴部3内油墨振动。振动速度的结果朝向喷嘴部3的外部，使该喷嘴部3内的油墨半月形弯曲面挤向外部，形成所谓的墨柱。

即，墨柱因振动的速度不久朝向喷嘴内而被喷嘴3内的油墨弯曲面吸收，这时墨柱被切离，形成墨滴并飞向纸面方向，在纸面上形成点。

墨滴飞翔减量部分的油墨，在喷嘴部3内油墨弯曲面表面张力的作用下，从墨盒开始，经过该墨盒的配管、连接部11、共同供给路6、供给口5、加压室2及喷嘴流路4，再充填给喷嘴部3。

另外，压电元件9与独立电极10相同，也可以在各加压室2上分离形成。

图5是表示本发明压电喷墨头另一实例中垂直于图2方向上排列配置数个加压室后放大状态的剖面图。

在图例中，隔壁1e形成的梯形剖面形状中宽度W1和高度H满足式(1)：

W1≥H    (1)

并且，宽度W1、W2满足式(2-1)：

W1＜W2    (2-1)

因此，由于特定驱动区域驱动时，随着该驱动区域面方向的收缩，还能可靠地防止围绕该驱动区域的隔壁1e歪斜变形，能进一步形成良好的图形。

宽度W2相对宽度W1大到何种程度即宽度W2的上限没有特殊限定。但因宽度W2过大时加压室2的容积会变小，所以，宽度W2可以在满足式(2-3)的范围内：

W2≤W1+2H    (2-3)

为了使隔壁1e形成为上述剖面形状，可以在其第一基板1a上采用各项异性蚀刻形成要成为加压室2的通孔。

另外，也可以把第一基板1a沿厚度方向细分形成多个薄板材。这时，各个板材上，具有要成为加压室2之通孔和具有将隔壁剖面形状在厚度方向分割的平面形状之通孔配合，把他们叠层成一体，就能形成具有梯形剖面形状的隔壁1e。

其他部件因与图2例中的相同，相同的标号表示同一部件，省略对其说明。

即使在该实施例中，与独立电极10一样，压电元件9也能在各加压室2上分离形成。

实施例

实施例1

制作的压电喷墨头具有图1～图4所示的结构，并且加压室2的面积为0.2mm²、宽200μm、深80μm，喷嘴部3的直径25μm、长30μm，喷嘴流路4的直径200μm、长800μm，供给口5的直径25μm、长30μm，且加压室2间间隔的隔壁1e的宽度W1为82μm、宽度W2为82μm。隔壁1e的高度H与加压室2的深度相同，为80μm。

实施例2

制作的压电喷墨头具有图1～图3、图5所示的结构，并且加压室2的面积0.2mm²、宽200μm、深80μm，喷嘴部3的直径为25μm、长30μm，喷嘴流路4的直径为200μm、长800μm，供给口5的直径为25μm、长30μm，且加压室2间隔的隔壁1e的宽度W1为82μm、宽度W2为98μm。隔壁1e的高度H与加压室2的深度相同，为80μm。

比较例1

制作的压电喷墨头具有图1～图4所示的结构，并且加压室2的面积0.2mm²、宽200μm、深80μm，喷嘴部3的直径为25μm、长30μm，喷嘴流路4的直径为200μm、长800μm，供给口5的直径为25μm、长30μm，且加压室2间隔的隔壁1e的宽度W1为50μm、宽度W2为50μm。隔壁1e的高度H与加压室2的深度相同，为80μm。

印刷品质观察

上述制作的实施例和比较例的压电喷墨头装在喷墨打印机上，与图1空心箭头所示打印头主扫描方向平行的线和与上述主扫描方向垂直线各有数条，印刷成各条分别间隔1cm配置的、格子状的印刷图。线宽度在两方向上是相等的。

在比较例1中，与喷墨头主扫描方向垂直的线的线宽度明显比原印刷图细。与此相比，实施例1、2中没有产生上述现象，在任意方向的线都能按一定宽度完全忠实于原印刷图进行印刷。

Claims (2)

1、一种压电喷墨头，具有板状基板，在该基板的单侧面上，以基板的一部分为间隔隔壁，沿基板面方向排列配置多个作为填充有油墨的加压室的凹部，同时，在基板内部，通过喷嘴流路连通喷嘴和各个凹部，该喷嘴用于把充填在加压室中的油墨作为墨滴喷出，并且通过供给口连通用于给各加压室供给油墨的共用供给路和各凹部，在该基板的形成凹部的面上配置驱动部，该驱动部具有横振动模式的薄板状压电元件、振动板、从上下夹持压电元件的上部及下部电极，该振动板密闭凹部而构成加压室，并且由压电元件的变形而振动使任意加压室的容积减小，通过喷嘴使该加压室内的油墨作为墨滴喷出，其特征在于，

振动板形成为覆盖多个点形成部的大小，并且压电元件形成为与振动板相同大小，

在邻接凹部间的间隔隔壁所形成的剖面形状中，所述隔壁的在基板的叠层有驱动部一面侧的上端部在面方向的宽度W1和所述隔壁的在基板厚度方向的高度H满足式(1)：

W1≥H     (1)

并且，上述宽度W1与所述隔壁的在基板的凹部底侧的下端部在面方向的宽度W2满足式(2)：

W1≤W2    (2)。

2、根据权利要求1所述的压电喷墨头，其特征在于，在隔壁所形成剖面形状中，上述宽度W1、W2满足式(2-1)：

W1＜W2    (2-1)。

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