CN1597324A - 压电喷墨头 - Google Patents
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Abstract
一种压电喷墨头,其中为了确实防止各个驱动区域或个别压电元件的振动特性产生偏差,其中,将用于电连接从上下夹持压电元件的上部以及下部电极的接点,设置在未形成有构成加压室的凹部、公共供给通路、供给口、喷嘴流道以及喷嘴的基板的实心状的区域中。
Description
技术领域
本发明涉及一种压电喷墨头,具体涉及一种可适用于打印机、复印机、传真机以及它们的组合设备等中的压电喷墨头。
背景技术
作为用于请求(on demand)型喷墨头等的、以压电元件的电致伸缩效应作为驱动源的压电喷墨头,例如,如在日本特许公开公报JP-H05-318731-A2(1993)中所公开,广泛采用的是具如下结构的压电喷墨头:在板状基板的一侧的表面上,沿其表面方向排列设置多个填充有油墨的加压室,并且使各个加压室都与用于喷射油墨的喷嘴连通,同时,在各个加压室中设置含压电元件的驱动部
在上述压电喷墨头中,通过对与各个加压室对应的压电元件中的任意的1个或2个以上的压电元件个别施加驱动电压以使其变形,减小了与所述压电元件对应的加压室的容积,从连通的喷嘴将加压室内的油墨作为墨滴喷出并在纸面上形成墨点。
具体说明如下。含有压电元件和支承压电元件的振动板的驱动部将由压电元件产生的力作为压力传递至加压室内的油墨,由此达到作为用以从与所述加压室连通的喷嘴喷射出墨滴的驱动源的效果。即,驱动部中,利用向压电元件施加驱动电压时压电元件所产生的变形,使振动板以向加压室的方向突出的方式弯曲,从而减少加压室的容积,以此对加压室内的油墨加压,以从喷嘴的顶端喷射出墨滴。
与此同时,由于通过接收加压室内油墨的压力,振动板向与上述方向相反的方向弯曲,因此,对于喷墨头内的振动,驱动部还具有作为弹性体的作用。
若对压电元件施加驱动电压而产生力,则喷墨头内的油墨会受介由振动板接受的来自于驱动部的压力而发生振动。该振动在驱动部和加压室中是作为弹性,在向加压室供给油墨的供给口、连接加压室和喷嘴的喷嘴流道以及喷嘴中是作为惯性产生的。所述振动中喷墨头内的油墨的体积速度的特性振动周期取决于上述各个部分的尺寸与油墨的物性值、驱动部的尺寸以及物性值。
在压电喷墨头中,利用由所述油墨的振动产生的、在喷嘴内的油墨弯液面的振动产生墨滴,并在纸面上形成墨点。
为了提高压电喷墨头的分辨率并且实现压电喷墨头的小型化,必须尽可能缩小喷嘴之间的间距。另外,如果喷墨头的分辨率上升并增大喷嘴的数量,则很难在每一个加压室中分别设置独立的压电元件。因此,近年来主要采用的是如下类型(“元件共用型”)的压电喷墨头,其中,将横向振动模式的薄板状压电元件与以夹持所述压电元件的方式配置的、用于向压电元件上施加驱动电压的一对电极中的下侧(振动板侧)的电极(共用电极)或振动板,以一同覆盖多个加压室的尺寸一体形成。一对电极中设置在压电元件上侧的电极(独立电极)为了向各个压电元件单独施加驱动电压,以与各个加压室对应的规定形状分离形成。
在元件共用型压电喷墨头中,在压电元件的平面内由独立电极和共用电极夹持的区域(即“驱动区域”)中,若由独立电极施加驱动电压而产生电场,则与恰好独立的压电元件同样地驱动所述驱动区域,从而能够对该加压室内的油墨进行加压。
若要在对上述元件共用型压电喷墨头的各个独立电极单独施加驱动电压的同时使共用电极接地,则必须在各个电极上钎焊固定配线或者压接接点部件以实现电连接。
然而,如在日本特许公开公报JP-H11-34323-A2(1999)中所公开,在加压室的区域内进行电连接时,在钎焊固定的情况下,钎料的自身刚性或重量以及在接点部件的压接的情况下的其压接力,在每一个电极中均不是一定的,因此,会出现压电元件中每一驱动区域的振动特性产生偏差的问题。因此,在JP-H11-34323-A2中,在加压室的区域外实现了与各个电极的电连接。
本发明人为了在元件共用型喷墨头中,提高各个驱动区域的振动特性,并且在各个加压室上单独分离、形成压电元件的以往类型(即“元件分离型”)的喷墨头中提高各个压电元件的振动特性,研究了比以往缩小振动板的厚度的方法,详细地说是,将压电元件的厚度t1与振动板的厚度t2的厚度t2之比t1/t2设定为1/1~1/4。
但是,已知在具有厚度较小的振动板的压电喷墨头中,仅在加压室的区域外电连接各个电极是不充分的,各个驱动区域、各个别压电元件的振动特性依然会产生偏差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压电喷墨头,与以往相比,该喷墨头能够可靠地防止各个驱动区域或各个压电元件的振动特性产生偏差。
为了解决上述问题,本发明人对JP-H11-34323-A2中记载的压电喷墨头的结构进行了研究。
结果发现,在上述公报中记载的压电喷墨头中,虽然确实是在加压室的区域外实现与电极的电连接,但是针对避开基板内部上存在用于向各加压室供给油墨的公共供给通路或供给口等空洞的区域而实现与电极的电连接的方法却没有进行探讨,假使在内部存在空洞的某些区域中形成电连接,则在进行钎焊的情况下,是由于钎料自身刚性或重量的偏差;在接点部件的压接的情况下,是由于压接力的偏差,各个驱动区域及各个别压电元件的振动特性均会产生偏差。
即,由于基板中在内部含有空洞的区域与不含空洞的实心状区域相比,刚性较低,并且公共供给通路或供给口等空洞设置在加压室附近,因此,若在基板表面中含有这些空洞的区域形成与电极实现电连接,则钎料的自身刚性或重量的偏差、压接力的偏差均会对基板的上述区域的刚性造成影响,这种影响会通过薄振动板对加压室上的各个驱动区域或各个别压电元件的振动特性产生影响。
但是在JP-H11-34323-A2中并没有考虑空洞的影响的原因是,在上述公报中记载的压电喷墨头中,以远大于压电元件的厚度t1的尺寸(t1/t2=1/7.5)设定了振动板的厚度t2,因此,较厚的振动板的自身刚性较高,从而难以受到基板内部结构的影响(参见段落[0032])。但是,在为了提高压电元件的振动特性,而使振动板的厚度处于前面所述的范围内的情况下,易于受到基板的内部结构以及与其相关的刚性的影响。
与此相比,在将用以与电极电连接的接点设置在基板中未形成构成加压室的凹部、公共供给通路、供给口、喷嘴流道以及喷嘴等中空部的刚性较大的实心状的区域中时,即使使振动板的厚度处于前面所述的范围内,仍可以确保防止各个驱动区域或各个别压电元件的振动特性产生偏差。
因此,本发明1的压电喷墨头中,设有板状的基板,在所述基板一侧的表面上,沿基板的面方向设置有多个成为可填充油墨的加压室的凹部,同时,在基板的内部,用于将填充在加压室中的油墨作为墨滴而喷射的喷嘴通过喷嘴流道与每一个凹部连通,并且用于将油墨供给至各个加压室的公共供给通路通过供给口与各个凹部连通,在所述基板的形成有凹部的表面上设置有驱动部,所述驱动部包含:
横向振动模式的薄板状压电元件;
振动板,其封闭凹部而构成加压室,并且通过压电元件的变形而振动以减少任意加压室的容积,从而通过喷嘴将所述加压室内的油墨作为墨滴喷出;
从上下夹持压电元件的上部以及下部电极;
所述压电喷墨头的特征在于:
用于电连接上述各个电极的接点设置在未形成构成加压室的凹部、公共供给通路、供给口、喷嘴流道以及喷嘴的基板中的实心状(solid)的区域中。
另外。在本发明的压电喷墨头中,在向横振动模式的薄板状压电元件施加驱动电压时,为了在元件共用型喷墨头中提高各个驱动区域的振动特性,并且在元件分离型喷墨头中提高各个压电元件的振动特性,如上所述,最好将压电元件的厚度t1与振动板的厚度t2的厚度比t1/t2设定为1/1~1/4。
因此,本发明2的特征在于,在本发明1的压电喷墨头中,将压电元件的厚度t1与振动板的厚度t2的厚度比t1/t2设定为1/1~1/4。
另外,在本发明的压电喷墨头中,当在横向振动模式的薄板状的压电元件上施加驱动电压时,为了在元件共用型喷墨头中进一步提高各个驱动区域的振动特性,并且在元件分离型喷墨头中进一步提高各个压电元件的振动特性,同时,简化层的结构,最好以具有导电性的材料形成振动板,并与从上下夹持压电元件的上部和下部电极中的下部电极形成为一体。
因此,本发明3的特征在于,在本发明1的压电喷墨头中,以具有导电性的材料形成振动板,并与从上下夹持压电元件的上部和下部电极中的下部电极形成为一体。
附图说明
图1为俯视图,表示在本发明压电喷墨头的一个例子中,安装含压电元件和振动板的驱动部之前的状态。
图2为图3A-A线的截面图,放大表示在图1例子的压电喷墨头中,在安装驱动部的状态下的一个墨点形成部。
图3为透视图,表示构成一个墨点形成部的各个部分的重叠状态。
图4为截面图,放大表示在本发明压电喷墨头的另一个例子中的1个墨点的形成部。
图5A~5C为截面图,其模拟了在改变压电元件和振动板的厚度比时,压电元件的驱动区域的振动特性如何发生变化。
图6为图7A-A线的截面图,放大表示在以往的压电喷墨头的一个例子中,在安装驱动部的状态下的1个墨点形成部。
图7为透视图,放大表示图6的例子中构成1个墨头形成部的各个部分的重叠状态。
具体实施方式
图1为俯视图,表示在本发明压电喷墨头的一个例子中,安装含压电元件和振动板的驱动部之前的状态。
图中所示例子的压电喷墨头在一块基板1上排列设有多个墨点形成部,这些墨点形成部含有加压室2以及与其连通的喷嘴3。
图2为截面图,其放大显示了在上述例子的压电喷墨头中,在安装驱动部状态下的一个墨点形成部,图3为透视图,其显示了构成一个墨点形成部的各个部分的重叠状态。
各个墨点形成部的加压室2、喷嘴3沿图1中空白箭头所示的主扫描方向并排设有多列。在图中所示的例子中,并排设有4列,同一列内墨点形成部之间的间距为90dpi,作为压电喷墨头整体具有360dpi。
各墨点形成部由基板1中在图2中形成于上表面的凹部构成,通过截面为圆形的喷嘴流道4连接加压室2和喷嘴3,所述加压室2具有半圆形的端部与矩形形状的中央部的两端相连的平面形状(参见图3),所述喷嘴3形成于上述基板1下侧且在加压室2一端的端部的与半圆中心重叠的位置处,所述喷嘴流道4相对于上述端部,向喷嘴3侧逐渐减小,同时,通过形成于上述加压室2另一端侧的端部的供给口5,使加压室2在基板1内,与以连接各墨点形成部的方式形成的公共供给通路6(如图1中虚线所示)相连。
上述各部在图中所示的例子中,按如下顺序将以下结构依次层叠并一体化而形成:形成有加压室2的第1基板1a、形成有喷嘴流道4的上部4a以及供给口5的上部5a的第2基板1b、形成有喷嘴流道4的中部4b以及供给口5的下部5b的第3基板1c、形成有喷嘴流道4的下部4c以及公共供给通路6的第4基板1d、形成有喷嘴3的第5基板1e。
另外,第1基板1a、第2基板1b以及第3基板1c如图1所示,形成有通孔11,该通孔用于构成使形成于第4基板1d上的公共供给通路6在基板1的上表面与由图中未示出的墨盒延伸出的配管相连的接合部。
还有,各个基板1a~1e例如由树脂或金属等构成,并且由具有规定厚度的板材形成,所述板材上通过光刻法等蚀刻法设有构成上述各个部分的通孔。
在基板1的上表面侧按顺序层叠尺寸至少能覆盖各个墨点形成部的1块振动板7、尺寸与所述振动板7大致相同的1个薄膜状公共电极8、尺寸与上述振动板7和公共电极8大致相同的1个横向振动模式的薄板状压电元件9,同时,在压电元件9上,如图1中点划线所示,通过在与所述各个墨点形成部的加压室2的中央部重叠的位置处,分离形成多个独立电极10,构成振动部D。
独立电极10如图3所示,一体形成为具有与加压室2的平面形状相似的电极主体10a、设置在所述电极主体10a的喷嘴3的端部侧的加压室2之外的用于电连接的接点10b、电连接电极主体10a和接点10b的配线部10c的平面形状。
另外,所述接点10b如图2所示,设置在基板1中未形成加压室2、喷嘴3、喷嘴流道4、供给口5以及公共供给通路6等中空部的实心状区域中。
通过这种结构,在图中所示的例中,在将配线钎焊固定在所述接点10b的情况下,即使钎料自身的刚性或重量产生了偏差,另外,即使在压接接点部件的情况下,产生了压接力的偏差,对于压电元件9而言,各个驱动区域的振动特性也都不会产生偏差,从而具有稳定的振动特性。
另外,虽未在图中示出,但是对于公共电极8而言,用于电连接的接点也设置在基板1中未形成中空部的实心状的区域中。因此,即使钎焊固定配线或者压接接点部件,也能够防止因所述偏差而导致压电元件9中位于接点附近的驱动区域的振动特性产生偏差。
由上述各个部分构成的驱动部D可利用通过烧结形成为薄板状压电体的压电体生片(green sheet)制造。
例如,在压电体生片的一个面上,印刷或涂布通过烧结可形成公共电极的导电性软膏,在其上再层叠压电体生片后进行烧结,以形成具有在2层薄板状压电体层之间夹持公共电极8的结构的层叠体后,在所述层叠体中的一侧压电体层的表面上形成多个独立电极10,则能够获得以由公共电极8和独立电极10夹持的一侧压电体层作为压电元件9,以另一侧压电体层作为振动板7的驱动部D。
在上述驱动部D中,作为形成振动板7、压电元件9的压电材料,例如可以采用锆酸钛酸铅(PZT)或在该PZT中添加了镧、钡、铌、锌、镍、锰等的氧化物中的1种或2种以上所得的材料,例如PLZT等PZT系压电材料。另外,也可以选择以镁铌酸铅(PMN)、镍铌酸铅(PNN)、锌铌酸铅、锰铌酸铅、锑锡酸铅、钛酸铅、钛酸钡等为主要成分的材料。压电体生片中含有通过烧结可形成上述任意一种压电材料的化合物。
作为形成公共电极8的导电性软膏,可以采用例如金、银、铂、铜、铝等导电性优良的金属的粉末。并且,如上所述,通过与压电体生片一起烧结所述导电性软膏层,使所述软膏中的金属粉末进行烧结或使其熔融,可一体形成为公共电极8。
另外,独立电极10可以在成为压电元件9的一侧压电体层的表面上印刷与上述相同的导电性软膏而形成,也可以利用由前面所述的导电性优良的金属形成的箔或镀覆被膜、真空蒸镀被膜等形成。
也可以用金属形成振动板7。
例如可由钼、钨、钽、钛、铂、铁、镍等单质金属或由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。
另一方面,如果通过烧结在与前面所述相同的压电体生片的一个面上印刷或涂布有可通过烧结形成为公共电极的导电性软膏的层叠体,形成公共电极8与薄板状压电体层的层叠体,之后,在所述层叠体中公共电极8侧的表面上粘结振动板7,进而在作为层叠体的相反面的压电体层的表面上形成多个独立电极10,则能够获得以压电体层作为压电元件9的驱动部D。
若通过粘结剂将如上所述地一体形成的驱动部D粘结固定在基板1上,则能够获得压电喷墨头。
若要使压电元件9形成为横振动模式,应使压电材料的极化方向取向为该压电元件9的厚度方向,更详细地说是从独立电极10朝向公共电极8的方向。因此,可以采用例如高温极化法、室温极化法、交流电场重叠法、电场冷却法等以往公知的极化方法。另外,也可以对极化后的压电元件9进行陈化处理。
压电材料的极化方向取向为上述方向的压电元件9,若在使公共电极8接地的状态下,从独立电极10施加正的驱动电压,则被所述独立电极10和公共电极8夹持的驱动区域在与极化方向正交的面内收缩。但是,由于压电元件9通过公共电极8被固定在振动板7上,结果,收缩的驱动区域会沿加压室2的方向弯曲。
因此,发生弯曲时的力变为压力传递至加压室2内的油墨,通过所述压力变化,供给口5、加压室2、喷嘴流道4以及喷嘴3内的油墨会发生振动。结果,使振动的速度朝向喷嘴3的外部,从而所述喷嘴3内的油墨弯液面被向外挤压,形成所谓油墨柱。
虽然随着振动的速度朝向喷嘴3的内部方向,可以由喷嘴3内的油墨弯液面吸收油墨柱,但是,此时,油墨柱已被切断且形成墨滴,并沿纸面的方向飞行,从而在纸面上形成墨滴。
通过喷嘴3内的油墨弯液面的表面张力,从墨盒、该墨盒的配管、接头部11、公共供给通路6、供给口5、加压室2以及喷嘴流道4,将因墨滴飞出而减少的部分的油墨再填充至喷嘴3内。
压电元件9可以与独立电极10相同,也在各个加压室2上分离形成。
图4为截面图,其放大显示了在本发明的压电喷墨头的另一个例子中的1个墨点的形成部。
在该图所示的例子中,通过以导电性优良的金属材料形成振动板7并使其与公共电极8形成一体,从而省略了公共电极8。由于其它的部件与图2的例子相同,因此,相同的部件采用了相同的符号,并省略了对它们的说明。
例如由钼、钨、钽、钛、铂、铁、镍等单质金属或由这些金属的合金或不锈钢等金属材料将振动板7形成为具有规定厚度的板状。
另一方面,烧结与前面所述相同的压电体生片,形成薄板状压电体层后,在所述压电体层一侧的表面上粘结振动板7,并在相反的面上形成多个独立电极10,则能够获得以压电体层作为压电元件9且使振动板7与公共电极形成为一体而省略了公共电极的驱动部D。
在该例中,压电元件9也与独立电极10相同,可分离形成在每个加压室2上。
在本发明的压电喷墨头中,压电元件9和振动板7,如前面所述,为了提高压电元件9的驱动区域的振动特性,最好将它们的厚度比t1/t2设定为1/1~1/4。
以下的模拟技术是针对用金属形成振动板7并省略了公共电极8的图4的例子的驱动部D进行的。由于独立电极10为极薄的膜,并且具有优良的塑性变形性,且几乎不会影响驱动区域的振动特性,因此进行模拟是视为其不存在。另外,公共电极8与独立电极10相同,为极薄的膜,并且具有优良的塑性变形性,且几乎不会影响驱动区域的振动特性,因此,即使在任何情况下,都能获得与以下相同的结果。
在使兼作公共电极8的振动板7接地的状态下,若从独立电极10施加正的驱动电压,使其正下方的压电元件9的驱动区域在面方向收缩,则振动板7和压电元件9的层叠体如前所述,沿加压室2的方向弯曲。在这种弯曲状态下,在层叠体中厚度方向的1/2处上侧(独立电极10侧)的区域沿面方向收缩,但是其下侧(加压室2侧)的区域则相反,在面方向伸长。
如图5A所示,若压电元件9与振动板7具有相同的厚度,即前面所述的比t1/t2为1/1,则压电元件9整体位于与压电元件9和振动板7的界线一致的、层叠体的厚度方向的1/2的线L1上侧。因此,压电元件9的整体贡献于层叠体中在线L1上侧的区域的收缩,从而使施加驱动电压时的驱动区域的弯曲量达到最大,驱动区域的振动特性显示出最好的状态。
但是,如图5B所示,在压电元件9的厚度大于振动板7的厚度时,即比值t1/t2为t1/t2>1/1时,压电元件9厚度方向的一部分位于层叠体厚度方向的1/2的线L1的下侧。因此,在压电元件9的驱动区域中,位于线L1下侧的部分的收缩,会妨碍位于上述线L1下侧的部分的延伸,因此,在施加驱动电压时的驱动区域的弯曲量会减少相应的量,导致振动特性下降。
如图5C所示,在压电元件9的厚度小于振动板7的厚度时,即t1/t2为t1/t2<1/1时,振动板7厚度方向的一部分位于层叠体厚度方向的1/2的线L1的上侧,但是,由于振动板7为无助于面方向收缩的成分,因此,压电元件9的厚度越小,且存在于层叠体厚度方向1/2上侧的振动板7的厚度越大,施加驱动电压时的驱动区域的弯曲量就会与其成比地减小,从而导致振动特性下降。
若以形成振动板7和压电元件9的一般材料的杨氏模量等为基础测算弯曲量降低的程度,则在t1/t2为t1/t2=1/4时,降低至1/1时的40%。
因此,若要提高压电元件9的驱动区域的振动特性,最好将其厚度比t1/t2设定为1/1~1/4。
以上的解析是在将压电元件9的厚度t1以及振动板7的厚度t2的合计厚度t1+t2保持一定,并且根据压电元件9的厚度t1,使施加在所述压电元件9上的电场强度保持一定,并调整所施加的电压的条件下进行的。
实施例
实施例1
制造压电喷墨头,其具有图1、图3以及图4所示的结构,并且加压室2的面积为0.2mm2,宽度为200μm,深度为100μm,喷嘴3的直径为25μm,长度为30μm,喷嘴流道4的直径在最大部为200μm,长度为800μm,供给口5的下部5b的直径为25μm,长度为30μm,上部5a中沿基板1厚度方向的长度为30μm,振动板7的厚度为30μm,压电元件9的厚度为30μm,连接独立电极10的电极主体10a和接点10b的配线部10c的宽度为50μm。
接点10b如图3、4所示,设置在基板1中未形成加压室2、喷嘴3、喷嘴流道4、供给口5以及公共供给通路6等中空部的实心状的区域中。
压电元件9在作为振动板7的钛板上,粘结如上所述地烧结压电体生片所获得的薄板状压电体层而形成。
比较例1
除了如图7所示,将独立电极10一体形成为具有电极主体10a、设在该电极主体10a的供给口5端部的加压室2之外的接点10b、连接电极主体10a和接点10b的配线部10c的平面形状以外,以与实施例1相同的方式制造压电喷墨头。
接点10b如图6、7所示,设置在基板1的公共供给通路6的上方。
将按照以上方式制造的实施例、比较例的压电喷墨头的各个接点10b以及柔性印刷电路板的各个接点,利用设置在柔性印刷电路板的各个接点上的钎料球进行加压、加热,由此关于实施例、比较例,分别制造10个通过钎焊实现电连接的样品。
之后发现在比较例中,10个样品中的2个因电连接时的加压而产生裂纹。
未产生裂纹的剩余样品中的2个在实际进行打印测试时产生裂纹。另外,剩余的6个在印刷时会发生紊乱。
与此相比,实施例的10个样品均没有因电连接时的加压以及打印测试而产生裂纹,并且在打印时也未产生紊乱。
Claims (3)
1.一种压电喷墨头,其中设有板状的基板,在所述基板一侧的表面上,沿基板的面方向设置有多个成为可填充油墨的加压室的凹部,同时,在基板的内部,用于将填充在加压室中的油墨作为墨滴而喷射的喷嘴通过喷嘴流道与每一个凹部连通,并且用于将油墨供给至各个加压室的公共供给通路通过供给口与各个凹部连通,在所述基板的形成有凹部的表面上设置有驱动部,所述驱动部包含横向振动模式的薄板状压电元件;振动板,其封闭凹部而构成加压室,并且通过压电元件的变形而振动以减少任意加压室的容积,从而通过喷嘴将所述加压室内的油墨作为墨滴喷出;从上下夹持压电元件的上部以及下部电极;其特征在于:用于电连接上述各个电极的接点设置在未形成有构成加压室的凹部、公共供给通路、供给口、喷嘴流道以及喷嘴的基板的实心状的区域中。
2.根据权利要求1所述的压电喷墨头,其特征在于:将压电元件的厚度t1与振动板的厚度t2之比t1/t2设定为1/1~1/4。
3.根据权利要求1所述的压电喷墨头,其特征在于:由具有导电性的材料形成振动板,并且与从上下夹持压电元件的上部以及下部电极中的下部电极形成为一体。
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