CN1590101A - 压电器件和具有此压电器件的墨盒 - Google Patents

Abstract

一种压电器件，其具有基体，它包括在基体第一表面上开口的空腔，形成于基体第二表面上的第一电极层，层叠在第一电极层上的压电层，以及形成于基体第二表面之上的辅助电极层。在第一电极层和辅助电极层之间形成了绝缘间隙，以保证在这两层电极层之间形成绝缘状态。绝缘间隙形成为远离与空腔周边相对应的位置。该压电器件可以防止在压电层产生裂缝。

Description

压电器件和具有此压电器件的墨盒

技术领域

本发明涉及一种压电器件和具有此压电器件的墨盒，具体地涉及一种用于液体检测的压电器件和具有此压电器件的墨盒。

背景技术

在喷墨记录装置中，在托架上安装了喷墨记录头，其具有可对压力发生室进行增压的压力产生装置和将增压的墨水以墨滴形式喷射出的喷嘴口。

喷墨记录装置设置成可通过将墨水从墨水贮槽(墨水容器)中经流动路径连续地供给记录头来进行连续的打印。墨水贮槽设置为可拆卸的盒体，在墨水耗尽时用户可以容易地更换此贮槽。

传统上存在一些用于墨盒的墨水消耗的管理方法。一种方法是通过软件来总计由记录头喷射出的墨滴喷射量和由于保养而被吸收的墨水量，通过计算来管理墨水消耗。另外一种方法是在墨盒上安装可进行液位检测的电极，从而管理实际上消耗了预定量墨水时的时间点。

然而，在通过软件来总计墨滴喷射量和墨水量并通过计算来管理墨水消耗的方法中会引起下述问题。一些记录头所喷出的墨滴具有重量差异。墨滴的重量差异不会对图象的质量起负面影响，然而，考虑到因重量差异而引起墨水消耗的累积误差的情况，应当在墨盒中充满备用量(marginal amount)的墨水。因此导致了一个问题，即在某些墨盒中存留了备用量的墨水。

另一方面，通过电极来管理墨水消耗的时间点的方法可以检测到墨水的实际量。因此，可以非常可靠地管理墨水的剩余量。然而，墨水液位的检测取决于墨水的导电性，因此可被检测的墨水的种类有限，而且电极的密封结构较复杂。另外，通常使用具有高导电性和耐腐蚀性的贵金属来作为电极材料，因此增加了墨盒的制造成本。此外，由于必须安装两个电极，因此增加了制造工艺，从而增加了制造成本。

为了解决上述问题，在日本专利申请No.2000-147052中介绍了一种压电器件，其可以准确地检测液体剩余量，无需复杂的密封结构，并安装在液体容器中。

根据与上述专利申请相关的技术，在与压电器件的振动部分相对的空间中存在墨水和不存在墨水的情况下，利用因压电器件的振动部分的剩余振动所产生的剩余振动信号的共振频率的变化，可以对墨盒中的墨水剩余量进行监测。

图19和20是显示了相关技术的压电器件的图。压电器件具有基体200，其设置成将振动膜202层叠在衬底201上，在基体200上形成有可容纳将被检测的介质的空腔203。在基体200的两个端部处形成了下电极端子204和上电极端子205。另外，在基体200的中央部分形成了与下电极端子204相连的下电极层206，在下电极层206上层叠有压电层207，在压电层207上层叠有上电极层208。

此外，在基体200上形成有辅助电极层209，辅助电极层209将上电极层208和上电极端子205电连接，其一部分位于振动膜202和压电层207之间，并从下方支撑压电层207的延伸部分210。由于压电层207的延伸部分210由辅助电极层209以这种方式支撑，因此可防止延伸部分210形成台阶形部分。

另外，如图20清楚地所示，辅助电极层209形成于与空腔203相对应的区域之外。这是因为，由于位于与空腔203相对应的区域内的振动膜202和压电层207构成了压电器件的振动部分，辅助电极层209形成于振动部分的区域之外，因此就防止了压电器件的振动特性降低。

然而，在上述传统的压电器件中，当压电器件被驱动且振动部分振动时产生了在图20所示的箭头A的位置处压电层207和上电极层208上容易产生裂缝的问题。

产生裂缝的原因被认为是如下所述。即，如图20所示，在下电极层206和辅助电极层209之间形成有间隙211，以保证两者之间的绝缘状态，此间隙211形成为包括了与空腔203的周边203a相对应的位置。因此，当驱动压电器件而使压电器件的振动部分振动时，压电层207在与空腔203的周边203a相对应的位置处产生了应力集中，它被认为是产生裂缝的原因。

另外，如图19清楚地所示，在传统的压电器件中，在与空腔203相对应的区域内，构成振动部分的压电层207、下电极层206和上电极层208整体地形成不对称的形状。因此产生了一个问题，即压电器件的振动部分的重量平衡恶化，而且振动部分的振动特性降低。

考虑到上述问题研制了本发明，其打算提供一种可防止在压电层产生裂缝并能提高压电器件的振动部分的振动特性的压电器件。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的压电器件包括：一种压电器件，包括：具有设置成彼此相对的第一表面和第二表面的基体，所述基体包括用于容纳将被检测的介质的空腔，所述空腔具有底部并形成为在所述第一表面的一侧上打开，所述空腔的所述底部形成为可以振动；形成于所述第二表面的一侧上的第一电极层，所述第一电极具有形成于与所述空腔相对应的区域内的主体；层叠在所述第一电极层上的压电层，所述压电层具有形成于与所述空腔相对应的区域内的主体和从所述主体延伸出并超过与所述空腔的周边相对应的位置的延伸部分；形成于所述基体的所述第二表面的一侧上的辅助电极层，所述辅助电极层的至少一部分位于所述第二表面和所述压电层的所述延伸部分之间，使其可支撑所述压电层的所述延伸部分；和层叠在所述压电层上并与所述辅助电极层相连的第二电极层，其特征在于，所述压电层的位于与所述空腔相对应的所述区域内的那一部分形成几乎对称的形状，其具有通过所述压电层的所述主体的中心的至少两个对称轴。

最好，在所述第一电极层和所述辅助电极层之间形成有绝缘间隙，以保证在所述第一电极层和所述辅助电极层之间形成绝缘状态，所述绝缘间隙形成为远离与所述空腔的所述周边相对应的所述位置。

最好，所述绝缘间隙整体地位于与所述空腔相对应的区域内。

最好，所述辅助电极层具有凸出部分，其从与所述空腔相对应的所述区域的外部向其内部突出并超过与所述空腔的所述周边相对应的所述位置。

最好，所述辅助电极层的所述凸出部分具有圆角。

最好，所述辅助电极层的所述凸出部分形成为比所述压电层的所述延伸部分更宽。

最好，所述辅助电极层的所述凸出部分形成为比所述压电层的所述延伸部分更窄。

最好，所述第一电极层具有从与所述空腔相对应的所述区域的内部向所述辅助电极层延伸并超过与所述空腔的所述周边相对应的所述位置的延伸部分；和所述绝缘间隙形成于所述第一电极层的所述延伸部分和所述辅助电极层之间，并整体地位于与所述空腔相对应的所述区域之外。

最好，所述至少两个对称轴包括沿所述压电层的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一对称轴和与所述第一对称轴正交的第二对称轴。

本发明还提供了一种用于喷墨记录装置的墨盒，包括：可容纳墨水的墨水容器；和前面所述的压电器件，其特征在于，所述压电器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容纳空间中。

附图说明

图1是显示了采用本发明一个实施例的墨盒的喷墨记录装置的示意性结构的透视图。

图2是显示了本发明一个实施例的压电器件的图。

图3是显示了图2所示压电器件的放大部分的剖视图。

图4是显示了图2和3所示压电器件的周边及其等效电路的图。

图5A和5B是显示了图2和3所示压电器件所检测到的墨水的共振频率和墨水密度之间的关系的图。

图6A和6B是显示了图2和3所示压电器件的反电动势波形的图。

图7是显示了结合有图2和3所示压电器件的模块体的透视图。

图8是显示了图7所示模块体的结构的分解视图。

图9是显示了安装在墨盒的墨水容器中的图7所示模块体的截面的示例的图。

图10是显示了图2和3所示实施例的一个变化示例的压电器件的图。

图11是显示了图2和3所示实施例的另一变化示例的压电器件的图。

图12是显示了图2和3所示实施例的又一变化示例的压电器件的图。

图13是显示了图2和3所示实施例的再一变化示例的压电器件的图。

图14是显示了图2和3所示实施例的还有的一个变化示例的压电器件的图。

图15是显示了本发明另一实施例的压电器件的图。

图16是显示了图15所示实施例的一个变化示例的压电器件的图。

图17是显示了本发明另一实施例的压电器件的一个适合示例的图。

图18是显示了本发明另一实施例的压电器件的另一适合示例的图。

图19是显示了传统压电器件的图。

图20是显示了图19所示的传统压电器件的放大部分的剖视图。

具体实施方式

下面将参考附图来说明根据本发明一个实施例的压电器件和具有此压电器件的墨盒。

图1中的标号1表示托架，此托架1设置成可通过托架电机2所驱动的定时带3由导向件4所引导在压纸卷筒5的轴向方向上往复运动。

在托架1上与记录纸6相对的一侧上设置了喷墨记录头，在纸的上方以可取出的状态安装了可将墨水供应给记录头的墨盒7。

在记录装置的非打印区域即原位(图中的右侧)处设置了压盖件31，压盖件31设置成当装在托架1上的记录头移动到原位时，压盖件31被压在记录头的喷嘴形成面上，并在喷嘴形成面和其自身之间形成了封闭空间。在压盖件31的下方设置了泵单元10，其用于对压盖件31所形成的封闭空间施加负压并进行清洁操作。

在压盖件31的打印区域侧的附近设置了具有橡胶弹性板的擦拭装置11，其可前后移动，例如沿与记录头的移动轨迹成水平的方向移动，而且，当托架1在压盖件31的侧边前后移动时，擦拭装置11设置成使其在必要时可擦洗记录头的喷嘴形成面。

图2和3是显示了此实施例的压电器件的图，压电器件60具有结构设置为振动膜42层叠在衬底41上的基体40，基体40具有彼此相对的第一表面40a和第二表面40b。在基体40上形成有用于容纳将被检测的介质的圆形空腔43，并使其在第一表面40a的一侧上是打开的，而空腔43的底部43b形成为可由振动膜42引发振动。在基体40的第二表面40b侧的两个端部处形成了下电极端子44和上电极端子45。

在基体40的第二表面40b上设有下电极层(第一电极层)46，下电极层46具有形成于与空腔43相对应的区域内的主体46a以及从主体46a上延伸出并超过与空腔43的周边43a相对应的位置的延伸部分46b。下电极层46的主体46a为圆形，其圆心几乎与空腔43的圆心重合。下电极层46的主体46a设置成其直径比空腔43的直径更小。

在下电极层46上层叠了压电层47，压电层47具有形成于与空腔43相对应的区域内的主体47a以及从主体47a上延伸出并超过与空腔43的周边43a相对应的位置的延伸部分47b。压电层47的主体47a为圆形，其圆心几乎与空腔43的圆心重合。压电层47的主体47a的直径小于空腔43的直径，但大于下电极层46的主体46a的直径。

在基体40的第二表面40b一侧设有辅助电极层48，辅助电极层48最好具有与下电极层46相同的材料和相同的厚度。辅助电极层48的一部分位于第二表面40b和压电层47的延伸部分47b之间，并从下方支撑压电层47的延伸部分47b。由于压电层47的延伸部分47b由辅助电极层48的一部分所支撑，因此可防止压电层47产生高度差异。

在压电层47上层叠有上电极层(第二电极层)49，上电极层49具有形成于压电层47的主体47a上的主体49a以及从主体49a上延伸出并超过与空腔43的周边43a相对应的位置的延伸部分49b。上电极层49的延伸部分49b与辅助电极层48相连，上电极层49和上电极端子45通过辅助电极层48电连接。由于上电极层49以这种方式通过辅助电极层48与上电极端子45相连，因此，由压电层47和下电极层46的总厚度产生的高度差异可以被上电极层49和辅助电极层48所吸收。因此，可以防止在上电极层49中产生较大的高度差异和减小机械强度。

上电极层49的主体49a为圆形，其圆心几乎与空腔43的圆心相重合。上电极层49的主体49a具有比压电层47的主体47a和空腔43的直径更小而比下电极层46的主体46a的直径更大的直径。

如上所述，压电层47的主体47a设置成使其保持在上电极层49的主体49a和下电极层46的主体46a之间。这样，压电层47才能有效地发生变形和被驱动。

如上所述，在上电极层49的主体49a、压电层47的主体47a、下电极层46的主体46a和空腔43中，具有最大面积的是空腔43。由于这种结构，振动膜42上实际振动的振动区域由空腔43所决定。

另外，由于上电极层49的主体49a、压电层47的主体47a和下电极层46的主体46a的面积均小于空腔43的面积，因此振动膜42可以更容易地发生振动。

此外，在与压电层47电连接的下电极层46的主体46a和上电极层49的主体49a中，下电极层46的主体46a较小。因此，下电极层46的主体46a决定压电层47上能产生压电效果的部分。

压电层47的主体47a、上电极层49的主体49a和下电极层46的主体46a的圆心均几乎与空腔43的圆心重合。另外，用于确定振动膜42的振动部分的圆形空腔43的圆心几乎位于整个压电器件60的中心处。因此，压电器件60的振动部分的中心几乎与压电器件60的中心重合。

另外，压电层47的主体47a、上电极层49的主体49a、下电极层46的主体46a和振动膜42的振动部分分别具有圆形的形状，因此，压电器件60的振动部分关于压电器件60的中心具有对称的形状。如上所述，由于压电器件60的振动部分关于压电器件60的中心具有对称的形状，因此，将不会激发由不对称结构所引起的不必要的振动。因此，提高了共振频率的检测精度。

另外，压电器件60的振动部分是各向同性的，这样，当粘合压电器件60时，压电器件60在固定中几乎不受振动的影响，其可以均匀地粘合到墨水容器中。也就是说，将压电器件60安装到墨水容器中的安装能力是令人满意的。

此外，振动膜42的柔量(compliance)较大，因此降低了振动阻尼，并提高了共振频率的检测精度。

压电器件60所包括的部件最好相互间一起煅烧并整体地形成。当压电器件60整体地形成时，可以很容易地对其进行处理。

另外，当衬底41的强度增加时，可以提高其振动特性。也就是说，当衬底41的强度提高时，只有压电器件60的振动部分振动，而压电器件60上振动部分以外的其它部分都不振动。另外，为了使得振动部分的振动加大，除了增加衬底41的强度以外，使压电器件60的压电层47、上电极层49和下电极层46变薄和变小以及使振动膜42变薄都是有效的。

最好采用锆钛酸铅(PZT)、锆钛酸铅镧(PLZT)或未使用铅的无铅压电薄膜作为压电层47的材料。最好采用氧化锆或氧化铝作为衬底41的材料。另外，最好采用和衬底41相同的材料作为振动膜42的材料。对于上电极层49、下电极层46、上电极端子45和下电极端子44，可以采用导电材料如金属，例如金、银、铜、铂、铝或镍。

如图3所示，在下电极层46和辅助电极层48之间形成了绝缘间隙50。绝缘间隙50形成为远离于与空腔43的周边43a相对应的位置。更具体地说，绝缘间隙50形成为其整体地位于与空腔43相对应的区域内。

在整个绝缘间隙50以这种方式位于与空腔43相对应的区域内且通过驱动压电器件60而使振动部分振动时，可以显著地抑制压电层47中在与空腔43的周边43a相对应的位置处所产生的应力集中。因此，可以防止压电层47和上电极层49产生裂缝。

另外，辅助电极层48具有从与空腔43相对应的区域的外部向其内部突出并超过与空腔43的周边43a相对应的位置的凸出部分48a，该凸出部分48a具有圆角。

当辅助电极层48的凸出部分48a的角部以这种方式制成圆角时，可以防止压电层47在辅助电极层48的边缘部分产生裂缝。此外，考虑到在形成辅助电极层48时发生位移的情况，在辅助电极层48的凸出部分48a具有角部时，凸出部分48a的角部会因成形时的位移而在与空腔43相对应的区域的内外移动。因此，各个压电器件60的振动特性会产生变化。另一方面，当辅助电极层48的凸出部分48a的角部制成此本实施例的圆角时，就可以显著地抑制在形成辅助电极层48时因位移而引起的振动特性的变化。

图4显示了本实施例中使用的压电器件60及其等效电路。压电器件60检测到因剩余振动所引起的共振频率，从而检测声阻抗的变化，并检测墨盒中的液体的消耗状态。

在图4中，(A)和(B)显示了压电器件60的等效电路。另外，在图4中，(C)和(D)分别显示了在墨盒充满墨水时压电器件60的周边及其等效电路，而图4中，(E)和(F)分别显示了在墨盒不含墨水时压电器件60的周边及其等效电路。

图2到4中所示的压电器件60安装在墨盒7的墨水容器中的一个预定位置处，使得空腔43可以接触到墨水容器中所容纳的液体(墨水)。也就是说，压电器件60的振动部分的至少一部分暴露在墨水容器的容纳空间中。当墨水容器中容纳了足够的液体时，空腔43的内外都充满了液体。

另一方面，当墨水容器中的液体被消耗并且液位降低到压电器件的安装位置之下时，压电器件进入到空腔43中不存在液体或液体仅存留在空腔43中而空腔外部只存在气体的状态。

压电器件60检测到因这种状态变化而引起的声阻抗的差异。因此，压电器件60可检测到墨水容器中充满液体的状态或超过一个固定量的液体被消耗的状态。

接下来，将说明通过压电器件60进行液位检测的原理。

压电器件60可利用共振频率的变化来检测液体的声阻抗变化。在压电器件的振动部分振动之后，通过测量由存留在振动部分内的剩余振动所产生的反电动势，可以检测到共振频率。也就是说，压电器件60的压电层47通过存留在压电器件60的振动部分内的剩余振动而产生了反电动势。反电动势的大小根据压电器件60的振动部分的振幅而变化。因此，随着压电器件60的振动部分的振幅增加，检测变得更容易。

另外，根据压电器件60的振动部分的剩余振动的频率，反电动势大小的变化周期发生改变。也就是说，压电器件60的振动部分的频率与反电动势的频率一致。在这种情况下，共振频率指的是压电器件60的振动部分与接触到振动部分的介质处于共振状态下的频率。

压电器件60的振动区域是振动膜42上与空腔43相对应的部分。当墨水容器中足够地填充了液体时，空腔43充满了液体，振动区域和墨水容器中的液体相接触。另一方面，当墨水容器没有足够地填充液体时，振动部分和存留在墨水容器的空腔43中的液体相接触，或和气体或真空接触而不是和液体接触。

接下来通过参考图2到4，从通过测量反电动势而得到的介质和压电器件60的振动部分的共振频率方面来解释用于检测墨水容器中液体状态的操作和原理。

在压电器件60中，电压通过上电极端子45和下电极端子44分别施加到上电极层49和下电极层46上。然后，在压电层47的位于上电极层49和下电极层46之间的部分上产生了电场。通过这个电场，压电层47发生变形。当压电层47变形时，振动膜42的振动区域进行挠性振动。在压电层47变形后的一段较短时间内，在压电器件60的振动部分上存留了挠性振动。

剩余振动是压电器件60的振动部分和介质之间的自由振动。因此，当施加到压电层47上的电压设成脉冲波形或方波时，在施加电压后振动部分和介质之间可以很容易地达到共振状态。剩余振动是压电器件60的振动部分的振动，其伴随着压电层47的变形发生。因此，压电层47产生了反电动势。反电动势通过上电极层49、下电极层46、上电极端子45和下电极端子44来检测。通过所检测到的反电动势，可以确定共振频率。根据共振频率可以检测到墨水容器中液体的存在。

通常，共振频率fs表达为：

fs＝1/(2*π*(M*Cact)^1/2)    ---公式1

其中，M表示振动部分的惯量Mact和附加惯量M’的和，Cact表示振动部分的柔量。

在图4中，(A)和(B)显示了在空腔43中没有墨水时压电器件60的振动部分和空腔43的等效电路。

如图4(A)所示，Mact表示将振动部分的厚度和振动部分的密度的乘积除以振动部分的面积所获得的商，它由下述公式详细地表达成：

Mact＝Mpzt+Melectrode1+Melectrode2+Mvib    ---公式2

在这种情况下，Mpzt表示将振动部分的压电层47的厚度和压电层47的密度的乘积除以压电层47的面积所获得的商。Melectrode1表示将振动部分的上电极层49的厚度和上电极层49的密度的乘积除以上电极层49的面积所获得的商。Melectrode2表示将振动部分的下电极层46的厚度和下电极层46的密度的乘积除以下电极层46的面积所获得的商。Mvib表示将振动部分的振动膜42的厚度和振动膜42的密度的乘积除以振动膜42的面积所获得的商。

然而，可以从振动区域的总厚度、密度和面积以及压电层47的各面积来计算Mact，这样，虽然上电极层49、下电极层46和振动膜42的振动区域具有上述的数量关系，但是面积间的相互差异很小。

另外，在此实施例中，在压电层47、上电极层49和下电极层46中，除了它们的主要部分圆形主体47a、49a和46a以外的部分最好很小，以至相对于其主要部分可以忽略。因此，在压电器件60中，Mact是上电极层49、下电极层46、压电层47和共振膜42的振动区域的各个惯量的总和。另外，柔量Cact是由上电极层49、下电极层46、压电层47和共振膜42的振动区域所形成的部分的柔量。

此外，在图4中，(A)、(B)、(D)和(F)显示了压电器件60的振动部分和空腔43的等效电路，在此等效电路中，Cact表示压电器件60的振动部分的柔量。Cpzt、Celectrode1、Celectrode2和Cvib分别表示振动部分的压电层47、上电极层49、下电极层46和振动膜42的柔量。Cact由下面的公式3来表示：

1/Cact＝(1/Cpzt)+(1/Celectrode1)+(1/Celectrode2)+(1/Cvib)--公式3

从公式2和3中可知，图4(A)可以由图4(B)表示。

柔量Cact表示当单位面积加压时可由变形所接受的介质的体积。也就是说，柔量Cact表示变形的容易程度。

图4(C)显示了当墨水容器中充分地填充了液体且压电器件60的振动区域的周边充满了液体时的压电器件60的剖视图。图4(C)中所示的M’max表示在墨水容器中充分地填充了液体且压电器件60的振动区域的周边充满了液体时附加惯量(其由将附加重量(对振动区域的振动有负面影响的重量)除以面积所的平方而得到)的最大值。

M’max表达为如下所述：

M’max＝(π*ρ/(2*k³))*(2*(2*k*a)³/(3*π))/(π*a²)²  ---公式4

其中，“a”表示振动部分的半径，ρ表示介质的密度，而k表示波数。

另外，在压电器件60的振动区域是半径为“a”的圆时公式4成立。附加惯量M’是表了示由振动部分附近的介质所明显增加的振动部分的重量的量。如公式4所示，M’max随振动部分的半径“a”和介质的密度ρ的变化而显著地变化。

波数k表达成如下所述：

k＝2*π*fact/c ---公式5

其中，fact表示振动部分的共振频率，而c表示在介质中传播的声速。

图4(D)显示了图(C)中的压电器件60的振动部分和空腔43的等效电路，此时墨水容器中充分地填充了液体且压电器件60的振动区域的周边充满了液体。

图4(E)显示了当墨水容器中的液体被消耗、在压电器件60的振动区域的周边没有液体存在而且液体存留在压电器件60的空腔43中时压电器件60的剖视图。

公式4是显示了在墨水容器充满了液体时由墨水密度ρ所决定的惯量最大值M’max的公式。另一方面，在墨水容器中的液体被消耗、液体存留在空腔43中且压电器件60的振动区域的周边的液体被气体或真空取代时，附加惯量M’通常表达成(详见公式8)如下所述：

M’＝ρ*t/S ---公式6

其中，t表示与振动相关的介质的厚度，S表示压电器件60的振动区域的面积，当振动区域是半径为“a”的圆时，S＝π*a²。

因此，在墨水容器中充分地填充了液体且压电器件60的振动区域的周边充满液体时，附加惯量M’遵循公式4。另一方面，在墨水容器中的液体被消耗、液体存留在空腔43中且压电器件60的振动区域周边的液体被气体或真空所取代时，附加惯量M’遵循公式6。

在此处，如图(E)所示，为了方便起见，在墨水容器中的液体被消耗、压电器件60的振动区域的周边没有液体存在且液体存留在压电器件60的空腔43中时的附加惯量M’假定为M’cav，以区别在压电器件60的振动区域周边充满了液体时的附加惯量M’max。

图4(F)显示了图4(E)中的压电器件60的振动部分和空腔43的等效电路，此时墨水容器中的液体被消耗，压电器件60的振动区域的周边没有液体存在，而且液体存留在压电器件60的空腔43中。

在这种情况下，和介质状态相关的参数为公式6中的介质密度ρ和介质厚度t。当墨水容器充分地容纳有液体时，液体与压电器件60的振动部分相接触。另一方面，当墨水容器未充分地容纳有液体时，压电器件60的振动部分接触到存留在空腔43中的液体，或者接触到气体或真空。在压电器件60的周边的液体被消耗且附加惯量从图4(C)所示的M’max变化到图4(E)所示的M’cav的过程中，附加惯量M’var根据墨水容器中液体的容纳状态相应于介质密度ρ和介质厚度t的变化而变化。这样，共振频率fs也发生变化。因此，通过确定共振频率fs，就可以检测到墨水容器中的液体量。

接下来，当如图4(E)所示假定t＝d时，通过用空腔深度d来代替公式6给出的t，M’cav表达成如下所述：

M’cav＝ρ*d/S ---公式7

另外，当介质是种类不同的液体时，密度ρ根据其成分的差异而不同，使得附加惯量M’和共振频率fs也不同。因此，通过确定共振频率fs可检测液体的种类。

图5(A)是显示了墨水贮槽中的墨水量和墨水与振动部分的共振频率fs的关系的曲线图。在这里，将对作为液体示例的墨水进行说明。纵轴表示共振频率fs，横轴表示墨水量。当墨水成分固定时，随着墨水余量的下降，共振频率fs增加。

当墨水容器充分地容纳有墨水且压电器件60的振动部分的周边充满墨水时，附加惯量的最大值M’max是由公式4所表示的值。另一方面，当墨水被消耗、墨水存留在空腔43中且压电器件60的振动区域的周边没有充满墨水时，附加惯量M’var根据介质的厚度t从公式6中计算出。公式6中的“t”是和振动相关的介质的厚度，因此，通过将存留墨水的压电器件60的空腔43的深度d变小，也就是将衬底41的厚度变得足够薄，就可以检测墨水缓慢消耗的过程(参考图4(c))。在这种情况下，tink表示和振动相关的墨水厚度，而tink-max表示在M’max时的tink。

例如，压电器件60安装在墨盒底部，几乎和墨水液位平齐。在这种情况下，当墨水被消耗，墨水液位下降到低于压电器件60的tink-max高度时，M’var按公式6缓慢变化，且共振频率fs按公式1缓慢变化。因此，只要墨水液位在t范围内，压电器件60就可以缓慢地检测到墨水消耗的状态。

或者，压电器件60可与墨水液位几乎垂直地设置在墨盒的侧壁上。在这种情况下，当墨水被消耗且墨水液位到达压电器件60的振动区域时，随着液位的下降，附加惯量M’减小。这样，共振频率fs按公式1缓慢地增加。因此，只要墨水液位处于空腔43的直径2a(参考图4(c))的范围内，压电器件60就可以缓慢地检测到墨水消耗的状态。

曲线X显示了当设置在底部的压电器件60的空腔43变得足够浅，或者设置在侧壁上的压电器件60的振动区域变得足够大或足够长时，墨水贮槽中容纳的墨水量和墨水与振动部分的共振频率fs之间的关系。可以理解，当墨水贮槽中的墨水量下降时，墨水和振动部分的共振频率fs缓慢地变化。

更详细地说，可检测到的墨水缓慢消耗的过程的情况是这样的一种情况，即在压电器件60的振动区域的周边处，密度不同的液体和气体共存并与振动相关。随着墨水被缓慢消耗，在压电器件60的振动区域的周边处，相对于与振动相关的介质来说，液体减少而气体增加。

例如，当压电器件60设置成与墨水液面成水平且tink小于tink-max时，与压电器件60的振动相关的介质包括墨水和气体。因此，当利用压电器件60的振动区域的面积S由墨水和气体的附加重量来表达低于公式4中M’max的状态时，得到下面的公式：

M’＝M’air+M’ink＝ρair*tair/S+ρink*tink/S  ---公式8

其中，M’air表示气体惯量，M’ink表示墨水惯量，ρair表示气体密度，ρink表示墨水密度，tair表示与振动相关的气体的厚度，tink表示与振动相关的墨水的厚度。

在与压电器件60的振动区域的周边处的振动相关的介质中，当压电器件60设置成与墨水液位几乎成水平时，随着液体减少而气体增加，tair增加而tink下降。这样，M’var缓慢地下降，而共振频率缓慢地增加。因此，可以检测到存留在墨水贮槽中的墨水量或墨水的消耗。另外，公式7仅仅是液体密度的公式的原因是其假定气体密度远小于液体密度以至于可忽略。

当压电器件60设置成与墨水液位几乎垂直时，在压电器件60的振动区域中，考虑了与压电器件60的振动相关的介质只为墨水的区域以及与压电器件60的振动相关的介质只为气体的区域的并联等效电路(图中未示出)。假定与压电器件60的振动相关的介质只为墨水的区域的面积为Sink，与压电器件60的振动相关的介质只为气体的区域的面积为Sair，可得到下述公式：

1/M’＝1/M’air+1/M’ink＝Sair/(ρair*tair)+Sink/(ρink*tink)---公式9

另外，公式9应用于在压电器件60的空腔43中没有容纳墨水时的情况。当压电器件60的空腔43中容纳有墨水时，附加惯量可以由公式9中的M’与公式7中的M’cav的和计算出。

压电器件60的振动从深度tink-max变化到墨水存留深度d，因此，当设置在底部的压电器件60处于墨水存留深度略较小于tink-max的状态时，无法检测到墨水缓慢减少的过程。在这种情况下，从墨水量从tink-max到存留深度d的微小变化而引起的压电器件60的振动变化中可以检测到墨水量的变化。另外，当压电器件60设置在侧壁上且空腔43的直径较小时，在通过空腔43的过程中压电器件60的振动变化很小，因此检测通过过程中的墨水量和检测墨水液位是否在空腔43之上或之下是很困难的。

例如，图5A中的曲线Y显示了在振动区域是小的圆形区域时墨水贮槽中的墨水量和墨水与振动部分的共振频率fs之间的关系。所示的情形是，在墨水贮槽中的墨水液位通过压电器件60的安装位置之前和之后的墨水量差异Q的部分中，墨水和振动部分的共振频率fs急剧地变化。从这里就可以根据二进制基础(binary basis)来检测在墨水贮槽中是否存留了预定量的墨水。

利用压电器件60来检测液体存在的方法可从振动膜42和液体的直接接触中而检测墨水的存在，因此，其检测精度要高于通过软件计算墨水消耗的方法。另外，采用电极通过导电性来检测墨水存在的方法受到电极在墨水容器上的安装位置和墨水种类的影响，然而，利用压电器件60来检测液体存在的方法几乎不会受到压电器件60在墨水容器上的安装位置和墨水种类的影响。

此外，振动和液体存在的检测都可以利用单个压电器件60来进行，因此，与利用不同的传感器来进行振动和检测液体存在的方法相比，可以减小安装在墨水容器中的传感器数目。另外，最好将压电层47的振动频率设置在不可听的范围内，从而减轻压电器件60的操作过程中所产生的噪音。

图5B显示了墨水密度和墨水与振动部分的共振频率fs之间关系的一个示例。“墨水满”和“墨水空”(或“无墨水”)意味两种相对的状态，但而并不意味着所谓的“墨水充满的状态”和“墨水耗尽的状态”。如图5B所示，当墨水密度较高时，附加惯量增加，因此共振频率fs下降。也就是说，共振频率fs随墨水种类而变化。因此，当测量出所填充的墨水的共振频率fs，可以确定具有不同密度的墨水混合物。也就是说，可以区别开容纳有不同种类墨水的墨水贮槽。

接下来，下面将详细介绍在空腔43的尺寸和形状设置成使得即使墨水容器处于空墨水的状态下液体也存留压电器件60的空腔43中时准确检测液体状态的条件。如果压电器件60能够检测到在空腔43中充满了液体、甚至在空腔43没有充满液体时的液体状态，那么压电器件60就能够检测液体状态。

共振频率fs是惯量M的函数。惯量M是振动部分的惯量Mact和附加惯量M’的和。在这种情况下，惯量M’和液体状态相关。惯量M’是表示了由存在于振动部分附近的介质所明显增加的振动部分的重量的量。即，它是通过振动部分的振动来明显地吸收(和振动相关的惯量的增加)介质所带来的振动部分的重量增加。

因此，当M’cav大于公式4中的M’max时，被明显吸收的介质全部是存留在空腔43中的液体。因此，这和墨水容器中充满液体时的状态是相同的。在这种情况下，与振动相关的介质不小于M’max，因此即使墨水被消耗，也无法检测到变化。

另一方面，当M’cav小于公式4中的M’max时，被明显吸收的介质是存留在空腔43中的液体和墨水容器中的气体或真空。在此时，与墨水容器充满了液体的状态不同，M’发生改变，使得共振频率fs发生改变。因此，压电器件60可以检测出墨水容器中的液体状态。

也就是说，当墨水容器处于空的液体状态且液体存留在压电器件60的空腔43中时，通过压电器件60准确地检测液体状态的条件是M’cav小于M’max。另外，通过压电器件60准确地检测液体状态的条件M’max＞M’cav和空腔43的形状无关。

在这种情况下，M’cav表示体积与空腔43几乎相同的液体的重量惯性。因此，从不等式M’max＞M’cav中，通过压电器件60准确地检测液体状态的条件可以表达为空腔43的体积条件。例如，假定圆形空腔43的半径为“a”，空腔43的深度为d，那么下述不等式成立。

M’max＞ρ*d/πa²  ---公式10

当对公式10进行扩展时，可得到以下条件。

a/d＞3*π/8    ---公式11

因此，即使墨水容器处于空的液体状态且液体存留在空腔43中时，满足公式11的开口161的半径为“a”且空腔43的深度为d的压电器件60也可以不出差错地检测液体状态。

另外，只有当空腔43的形状是圆形时公式10和11才成立。当空腔43的形状不是圆形时，利用对应的M’max的公式，通过用其面积替换πa²来计算公式10，可以得到空腔43的尺寸如宽度、长度和深度之间的关系。

另外，附加惯量M’也影响声阻抗特性，因此，可以说用于测量压电器件60因剩余振动而产生的反电动势的方法至少可检测声阻抗的变化。

图6A和6B显示了在施加驱动信号给压电器件60并使振动部分振动之后压电器件60的剩余振动的波形和剩余振动的测量方法。通过在压电器件60振动后剩余振动的频率的变化或振幅的变化，可以检测到墨水液位位于压电器件60在墨盒中的安装位置之上还是之下。在图6A和6B中，纵轴表示由压电器件60的剩余振动所产生的反电动势的电压，而横轴表示时间。如图6A和6B所示，通过压电器件60的剩余振动，产生了电压的模拟信号波形。接着，该模拟信号转变(二进制化)为数字值。在图6A和6B所示示例中，测量了产生从第4脉冲到第8脉冲的4个脉冲所需的时间。

更详细地说，在压电器件60振动之后，计算预先设置的预定基准电压从低电压侧到高电压侧交叉的次数。而且，产生了计数4和计数8之间的时间间隔较大的数字信号，并通过预定的时钟脉冲来测量从计数4到计数8的时间。

图6A显示了在墨水液位高于压电器件60的安装位置时的波形。另一方面，图6B显示了在压电器件60的安装位置处没有墨水时的波形。图6A和图6B的对比显示了图6A所示的从计数4到计数8的时间要长于图6B所示的从计数4到计数8的时间。换句话说，从计数4到计数8所需的时间随墨水的存在而变化。利用所需时间的差异，可以检测墨水的消耗状态。

从模拟波形的第4计数开始计算次数的原因是应当在压电器件60的振动稳定后才开始测量。从第4计数开始只是一个示例，也可以从一个任选的计数开始计算次数。在这里，检测从第4计数到第8个计数的信号，并通过预定的时钟脉冲来测量从第4计数到第8计数的时间。根据这个时间可以得到共振频率。对于时钟脉冲，没有必要测量到第8计数的时间，次数计算可到一个任选的计数。在图6A和6B中，测量了从第4计数到第8个计数的时间。然而，根据检测频率的电路结构，可以检测不同计数间隔内的时间。

例如，当墨水量稳定且峰值振幅变化很小时，为了加快检测速度，可通过检测从第4计数到第6计数的时间来得到共振频率。另外，当墨水质量不稳定且脉冲振幅变化很大时，为了准确地检测剩余振动，可检测从第4计数到第12计数的时间。

图7是显示了整体地形成为一个安装模块体100的压电器件60结构的透视图。模块体100安装在墨盒的墨水容器的预定位置处。模块体100设置成可通过至少检测墨水容器中介质的声阻抗变化来检测墨水容器中的墨水消耗状态。

本实施例中的模块体100具有用于将压电器件60安装在墨水容器中的墨水容器安装部分101。墨水容器安装部分101具有底座102，其具有几乎矩形的表面，部分101还具有安装在底座102上的柱状体116，其用于放入由驱动信号而产生振动的压电器件60。另外，模块体100设置成当其安装在墨盒上时无法从外部接触到模块体100的压电器件60。这样，可防止压电器件60受到外部的接触。另外，柱状体116的端边为圆形，当将其安装到墨盒上的孔中时，安装会很容易。

图8是图7所示模块体100的分解视图。模块体100包括由树脂制成的墨水容器安装部分101、盘件110和具有凹面113的压电器件安装部分105(参考图7)。此外，模块体100具有引线104a和104b、压电器件60和薄膜108。盘件110最好由防锈材料如不锈钢或不锈钢合金制成。

包括在墨水容器安装部分101之内的柱状体116和底座102具有形成于其中心以放入引线104a和104b的开口114，以及形成于开口114周围以放入压电器件60、薄膜108和盘件110的凹面113。

压电器件60通过薄膜108而和盘件110相连，盘件110和压电器件60固定在凹面113(墨水容器安装部分101)上。因此，引线104a和104b、压电器件60、薄膜108和盘件110整体地安装在墨水容器安装部分101上。

引线104a和104b分别与压电器件60的上电极端子45和下电极端子44相连，将驱动信号传送到压电层47上，并将信号和压电器件60所检测到的共振频率传送到记录装置上。

压电器件60根据从引线104a和104b上传送出的驱动信号而暂时地振动。另外，压电器件60产生剩余振动，而且振动产生了反电动势。在此时，检测反电动势的波形的振动周期，因此就可以检测到与墨水容器中液体消耗状态相对应的共振频率。

薄膜108粘合在压电器件60和盘件110上，并使压电器件60处于气密状态。薄膜108最好由聚烯烃制成并通过热熔来粘合。当压电器件60和盘件110通过薄膜108粘合且扁平地固定时，粘合位置不发生变化，振动部分以外的其它部分不发生振动。因此，即使压电器件60和盘件110粘合时，压电器件60的振动特性也不会改变。

另外，盘件110为圆形，底座102的开口114为圆柱形。压电器件60和薄膜108为矩形。引线104a和104b、压电器件60、薄膜108和盘件110以可拆卸的状态与底座连接。底座102、引线104a和104b、压电器件60、薄膜108和盘件110设置成关于模块体100的中心轴对称。另外，底座102、压电器件60、薄膜108和盘件110的中心都几乎设置在模块体100的中心轴上。

此外，底座102的开口114的面积大于压电器件60的振动区域的面积。在盘件110中心处与压电器件60的振动部分相对的位置设有通孔112。如图2到4所示，空腔43形成于压电器件60中，通孔112和空腔43分别形成了墨水槽。盘件110的厚度最好小于通孔112的直径，使得剩余墨水的影响减小。例如，通孔112的深度最好小于其直径的1/3。通孔112具有关于模块体100的中心轴对称的几乎圆形的形状。另外，通孔112的面积大于压电器件60的空腔43的开口面积。通孔112的周边部分可为锥形或阶梯形。

模块体100安装在墨水容器的侧面、顶部或底部，以便将通孔112向内引入到墨水容器中。当墨水被消耗且压电器件60周围的墨水耗尽时，根据压电器件60的共振频率的较大变化，可以检测到墨水液位的变化。

图9是在图7所示模块体100安装在墨盒7的墨水容器20中时墨水容器20的底部附近的剖视图。模块体100安装在位于墨水容器20的侧壁上的通孔中。在墨水容器20的侧壁和模块体100之间的结合面上安装了O形密封圈90，使得模块体100和墨水容器20能保持气密性。由于结合表面以这种方式被O形密封圈所密封，因此模块体100最好具有如图7所示的柱状体。

由于模块体100的端部暴露在墨水容器20的墨水容纳空间20a中，因此墨水容器20中的墨水通过盘件110的通孔112而和压电器件60相接触。压电器件60的剩余振动的共振频率随着压电器件60振动部分周围的介质是液体还是气体而发生变化，因此，利用模块体100可以检测到墨水的消耗状态。

接着，作为图2和3所示实施例的变化示例，如图10所示，辅助电极层48的凸出部分48a形成为比压电层47的延伸部分47b更窄。

这样，重叠在与空腔43相对应的区域上的辅助电极层48的面积变小，因此提高了压电器件60的振动特性。另外，可以减少用于形成辅助电极层48所必需的材料量，从而可降低制造成本。

另外，作为另一变化示例，如图11所示，辅助电极层48的凸出部分48a可以形成为比压电层47的延伸部分47b更宽。这样，可以加固空腔43的周边。

此外，作为另外一种变化示例，如图12到14所示，下电极层46、上电极层49和辅助电极层48可以整体地形成为几乎对称的形状，其具有通过压电层47的主体47a的中心的对称轴O₁和O₂。当构成压电器件60的多个部件以这种方式整体地设置成对称的形状时，可以提高压电器件60的振动特性。特别是，当位于与空腔43相对应的区域内的下电极层46、上电极层49和辅助电极层48整体地对称时，可以提高压电器件60的振动特性。

接着将参考图15来说明本发明另一实施例的压电器件。另外，下面还将说明与前述图2和3所示实施例中不同的部分。

如图15所示，在此实施例的压电器件70中，下电极层46具有从位于与空腔43相对应的区域内的圆形体46a朝向辅助电极层48方向延伸并超过与空腔43的周边43a相对应的位置的延伸部分46c。另一方面，整个辅助电极层48形成于与空腔43相对应的区域之外。而且，在下电极层46的延伸部分46c和辅助电极层48之间形成了绝缘间隙50，而且整个绝缘间隙50位于与空腔43相对应的区域之外。

当整个绝缘间隙50以这种方式位于与空腔43相对应的区域之外，且通过驱动压电器件70使压电器件70的振动部分发生振动时，可以显著地抑制压电层47在与空腔43的周边43a相对应的位置处所产生的应力集中。因此，可以防止在压电层47和上电极层中产生裂缝。

作为图15所示实施例的变化示例，如图16所示，下电极层46、上电极层49和辅助电极层48整体地形成为一个几乎对称的形状，其具有通过压电层47的主体47a的中心的对称轴O₁和O₂。当构成压电器件70的多个部件以这种方式整体地设置成对称的形状时，可以提高压电器件70的振动特性。特别是，当位于与空腔43相对应的区域内的下电极层46、上电极层49和辅助电极层48整体地对称时，可以提高压电器件70的振动特性。

特别是，在此变化示例中，绝缘间隙50位于与空腔43相对应的区域之外，这样就提高了下电极层46、上电极层49和辅助电极层48作为一个整体的对称性，并也更加提高了振动特性。

接着，作为本发明的另外一个实施例，在上述各个实施例和变化示例中，位于与空腔43相对应的区域内的压电层47可形成为几乎对称的形状，其具有通过压电层47的主体47a的中心的至少两个对称轴。最好，位于与空腔43相对应的区域内的压电层47可以形成几乎对称的形状，其具有沿压电层47的延伸部分47b的延伸方向延伸的第一对称轴O₁以及与第一对称轴O₁正交的第二对称轴O₂。

图17显示了图14所示示例中压电层47的形状有所变化的示例，图18显示了图16所示示例中压电层47的形状有所变化的示例。

在图17和18所示的示例中，压电层47、下电极层46、上电极层49和辅助电极层48整体地形成为一个几乎对称的形状，其具有通过压电层47的主体47a的中心的对称轴O₁和O₂。当构成压电器件60的多个部件以这种方式整体地设置成对称的形状时，可以提高压电器件60的振动特性。特别是，当位于与空腔43相对应的区域内的压电层47、下电极层46、上电极层49和辅助电极层48整体地对称时，可以提高压电器件60的振动特性。

特别是，压电层47具有与下电极层46、上电极层49和辅助电极层48比相对较大的重量，因此当压电层47形成为对称时，可以显著地提高振动特性。

如上所述，根据本发明，形成于第一电极层和辅助电极层之间的绝缘间隙形成为远离于与空腔周边相对应的位置，因此当通过驱动压电器件使振动部分振动时，可以显著地抑制压电层在与空腔的周边相对应的位置处所产生的应力集中。因此，可以防止在压电层和上电极层上产生裂缝。

根据本发明，位于与空腔相对应的区域内的第一电极层、第二电极层和辅助电极层整体地形成几乎对称的形状，因此可以提高压电器件的振动特性。

根据本发明，位于与空腔相对应的区域内的压电层形成为几乎对称的形状，其具有通过压电层的主体的中心的至少一个对称轴，因此可以提高压电器件的振动特性。

Claims (10)

1.一种压电器件，包括：

具有设置成彼此相对的第一表面和第二表面的基体，所述基体包括用于容纳将被检测的介质的空腔，所述空腔具有底部并形成为在所述第一表面的一侧上打开，所述空腔的所述底部形成为可以振动；

形成于所述第二表面的一侧上的第一电极层，所述第一电极具有形成于与所述空腔相对应的区域内的主体；

层叠在所述第一电极层上的压电层，所述压电层具有形成于与所述空腔相对应的区域内的主体和从所述主体延伸出并超过与所述空腔的周边相对应的位置的延伸部分；

形成于所述基体的所述第二表面的一侧上的辅助电极层，所述辅助电极层的至少一部分位于所述第二表面和所述压电层的所述延伸部分之间，使其可支撑所述压电层的所述延伸部分；和

层叠在所述压电层上并与所述辅助电极层相连的第二电极层，

其特征在于，所述压电层的位于与所述空腔相对应的所述区域内的那一部分形成几乎对称的形状，其具有通过所述压电层的所述主体的中心的至少两个对称轴。

2.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，在所述第一电极层和所述辅助电极层之间形成有绝缘间隙，以保证在所述第一电极层和所述辅助电极层之间形成绝缘状态，所述绝缘间隙形成为远离与所述空腔的所述周边相对应的所述位置。

3.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述绝缘间隙整体地位于与所述空腔相对应的区域内。

4.根据权利要求3所述的压电器件，其特征在于，所述辅助电极层具有凸出部分，其从与所述空腔相对应的所述区域的外部向其内部突出并超过与所述空腔的所述周边相对应的所述位置。

5.根据权利要求4所述的压电器件，其特征在于，所述辅助电极层的所述凸出部分具有圆角。

6.根据权利要求4所述的压电器件，其特征在于，所述辅助电极层的所述凸出部分形成为比所述压电层的所述延伸部分更宽。

7.根据权利要求4所述的压电器件，其特征在于，所述辅助电极层的所述凸出部分形成为比所述压电层的所述延伸部分更窄。

8.根据权利要求2所述的压电器件，其特征在于，所述第一电极层具有从与所述空腔相对应的所述区域的内部向所述辅助电极层延伸并超过与所述空腔的所述周边相对应的所述位置的延伸部分；和

所述绝缘间隙形成于所述第一电极层的所述延伸部分和所述辅助电极层之间，并整体地位于与所述空腔相对应的所述区域之外。

9.根据权利要求1所述的压电器件，其特征在于，所述至少两个对称轴包括沿所述压电层的所述延伸部分的延伸方向延伸的第一对称轴和与所述第一对称轴正交的第二对称轴。

10.一种用于喷墨记录装置的墨盒，包括：

可容纳墨水的墨水容器；和

如权利要求1所述的压电器件，

其特征在于，所述压电器件的所述空腔暴露在所述墨水容器的墨水容纳空间中。

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