液体喷头 【技术领域】
本发明涉及一种通过压电振动元件的变形而使压力室内的液体产生压力变动，并使其从喷嘴开口作为液滴喷出的液体喷头。
背景技术
作为通过使压力室内的液体产生压力变动而使液滴从喷嘴开口喷出的液体喷头，例如有记录头、液晶喷头、有色材料喷头等。记录头被安装在打印机、绘图仪等图像记录装置中，它将墨水液作为液滴喷出。液晶喷头被用于制造液晶显示器的显示器制造装置中。在这种显示器制造装置中，在具有多个栅格的显示器基体的预定栅格中注入从液晶喷头喷出的液滴状的液晶。有色材料喷头被用于制造滤色镜地滤色镜制造装置中，它将有色材料喷出到滤色镜基体的表面上。
这样的液体喷头有各种形式，其中一种是通过使形成于振动板表面上的压电振动元件弯曲变形来喷出液滴。这种液体喷头例如由包括压力室和压电振动元件的致动器单元、包括喷嘴开口和共用液体室的流路单元构成。在这种液体喷头中，通过使振动板上的压电振动元件变形而使压力室容积变化，从而使压力室内所存储的液体产生压力变动。然后，利用该压力变动使液滴从喷嘴开口喷出。例如，通过压力室的收缩向液体加压，从而将液体从喷嘴开口压出。
作为上述压电振动元件，一般是包括压电层、形成于该压电层的一个表面上并与驱动信号的供给源导通的驱动电极、和形成于该压电层的另一个表面上的共用电极的单层结构。因为该压电振动元件的大小是由压力室的开口面积确定的，所以液体喷头中压电振动元件的位移量的界限是0.11μm左右。这是因为，若提高电极间的电位差以提高压电振动元件的位移量，压电振动元件和振动板之间的接合面就会产生应力集中，于是就存在压电振动元件从该接合面上剥离的问题。为了使剥离难以产生，也考虑过将压电层构成得厚一些，但是因为制造耗时、成本增加的原因，所以不现实。
【发明内容】
然而，这种液体喷头对液滴的高频喷出有高的要求，但是为了实现高频喷出就需要缩短压力室的固有振动周期Tc。这是由于液滴的喷出时间是根据固有振动周期而规定的。
也就是，通过压力室容积的变动，液体中产生固有振动周期Tc的压力振动，从而弯月面(在喷嘴开口露出的液体的自由表面)也以该固有振动周期Tc振动。即，弯月面在喷嘴开口内在喷出方向和压力室方向上往复移动。然后，所喷出液滴的量和飞行速度根据压力室收缩时刻的弯月面状态(位置和移动方向)而变化。因此，为了喷出量和飞行速度一致的液滴，就需要使压力室收缩时刻的弯月面状态一致。其结果是，在连续喷出液滴时，其喷出时刻被规定为固有振动周期Tc的n倍，因而为了实现液滴的高频喷出，缩短固有振动周期Tc是必须的要素。
本发明鉴于上述情况，其目的在于提供一种可以实现以更高频率喷出液体的液体喷头。
为了达成该目的，本发明提供一种液体喷头，该液体喷头包括：压力产生部分，被设于从共用墨室到喷嘴开口的墨水流路的途中；和振动板，用于限定所述压力产生部分的一部分；和压电振动元件，被设于所述压力产生部分的相反一侧的振动板表面上，并且在共用墨室与压力产生部分之间设置作为孔起作用的供液口，并且通过振动板的变形可将压力产生部分内的液体作为液滴从喷嘴开口喷出，在该液体喷头中，
所述压电振动元件通过多层结构的压电振动元件而构成，所述多层结构的压电振动元件包括彼此层积的上层压电体及下层压电体；形成于这些上层压电体及下层压电体的交界处且与驱动信号的供给源导通的驱动电极；形成于上层压电体的表面的共用上电极；和形成于下层压电体的表面的共用下电极，
将所述喷嘴开口及供液口的惯量设定得比压力产生部分的惯量大。
通过该结构可以尽可能地缩短压力产生部分内的固有振动周期，进而可以实现液滴的高频驱动。
【附图说明】
图1是说明记录头的结构的分解立体图；
图2是说明致动器单元及流路单元的剖面图，以及说明喷嘴板的部分放大图；
图3是说明致动器单元及流路单元的剖面图；
图4是在压力室的宽度方向上切断了的致动器单元的剖面放大图。
【具体实施方式】
以下对用于实施本发明的最佳方式进行说明。在这里，作为液体喷头，以喷墨式记录头(以下称记录头)为例进行说明。该记录头被安装在打印机、绘图仪等图像记录装置中，例如，如图1所示，大体上由流路单元2、致动器单元3和膜状的配线板4构成。而且，多个致动器单元3多行并排排列在流路单元2的表面上并与之接合，并且配线板4安装在致动器单元3与流路单元2相对侧的表面上。
如图2及图3的剖面图所示，流路单元2由供给口形成板7、墨室形成板9和喷嘴板11构成，其中，所述供给口形成板7上开设了作为供墨口5(本发明的供液口的一种)的通孔以及作为喷嘴连通口6的一部分的通孔，所述墨室形成板9上开设了作为共用墨室8的通孔以及作为喷嘴连通口6的一部分的通孔，所述喷嘴板11上沿着副扫描方向开设了喷嘴开口10。这些供给口形成板7、墨室形成板9以及喷嘴板11例如是通过对不锈钢板进行压制加工而制成。此外，关于这些各个部件7、9、11的板厚，在本实施方式中，供给口形成板7是100μm，墨室形成板9是150μm，喷嘴板11是80μm。
另外，在这些图中示意了流路单元2的一部分。即，示意了对应于一个致动器单元3的部分。在本实施方式中，因为一个流路单元2上接合有三个致动器单元3，所以，每个致动器单元都形成有供墨口5、喷嘴连通口6、供给口形成板7、共用墨室8等，在一个流路单元2上共有3组。
而且，分别在墨室形成板9的一个表面(图中下侧)上配置喷嘴板11，在另一个表面上(同上侧)配置供给口形成板7，并通过接合这些供给口形成板7、墨室形成板9以及喷嘴板11而制成流路单元2。例如，通过采用片状的粘着剂接合各个部件7、9、11而制成。
上述喷嘴开口10是直径极小的环形流路，是朝向喷嘴面(喷嘴板11的外表面)直径渐缩的锥形流路。在本实施方式中，喷嘴面一侧的外侧开口直径为20μm，流路长度和喷嘴板11的厚度同为80μm，锥形角度为35°。
如图2(b)所示，以规定的间隔开设多个成列的该喷嘴开口10。然后，通过成列设置的多个喷嘴开口10构成喷嘴列12。例如，通过92个喷嘴开口10构成一列喷嘴列12。而且，对应一个致动器单元3形成2列该喷嘴列12。因此，在本实施方式中，一个流路单元2上并排形成共计6列的喷嘴列12。
所述供墨口5是与喷嘴开口10同样的具有极小直径的环形流路，起孔的作用。该供墨口5压力室一侧(供给一侧的连通口一侧)的开口直径比共用墨室8一侧的开口直径大，是越靠共用墨室8一侧直径越小的锥形流路。在本实施方式中，共用墨室8的外侧的开口直径为20μm，流路长度与供给口形成板7的厚度同为100μm，锥形角度为35°。
致动器单元3又称为喷头芯片(head chip)，是压电致动器的一种。如图2(a)所示，该致动器单元3由压力室形成板14、振动板15、盖部件17和压电振动元件18构成，其中，所述压力室形成板14开设了作为压力室13的通孔，所述振动板15限定压力室13的一部分，所述盖部分17开设了作为供给侧连通口16的通孔以及作为喷嘴连通口6的一部分的通孔。关于这些各个部件14、15、17的板厚，压力室形成板14及盖部件17为50μm以上为好，优选100μm以上。在本实施方式中，取压力室形成板14的厚度为80μm，盖部件17的厚度为150μm。而且，振动板15为50μm以下为好，优选在3～12μm的范围内。在本实施方式中，取振动板15的厚度为6μm。
而且，分别在压力室形成板14的一个表面上设置盖部件17，在另一表面上设置振动板15，并通过将这些各个部件14、15、17一体化来制成该致动器单元3。也就是，通过氧化铝、氧化锆等陶瓷来制成这些压力室形成板14、振动板15以及盖部件17，并通过烧结将其一体化。
例如，对于印刷电路基板(未烧结的片材)，通过进行切削或冲孔等加工来形成必要的通孔，从而形成压力室形成板14、振动板15以及盖部件17的各片状前体。然后，通过层积及烧结各片状前体，使各片状前体一体化从而形成一张陶瓷片。此时，因为各陶瓷片被烧结成一体，所以不需要特别的接合处理。而且，还可以在各片状前体的接合面上得到高密封性。
此外，在一张陶瓷片上形成有与多个单元数量相应的压力室13和喷嘴连通口6等。换言之，由一张陶瓷片制成多个致动器单元3(喷头芯片)。例如，在一张陶瓷片内呈矩阵状设定多个各作为一个致动器单元3的芯片区域。然后，在各芯片区域内形成压电振动元件18等必需部件后，将该陶瓷片按芯片区域切割，从而得到多个致动器单元3。
上述压力室13是在与喷嘴列12正交的方向上细长的长方体形状的空间部分，并与喷嘴开口10相对应地形成有多个。即，如图2(b)所示，在喷嘴列的方向上成列设置。如图3及图4所示，本实施方式的压力室13的高度hc为80μm，宽度wc为160μm，长度Lc为1.1mm。换言之，将高与宽与长的比大约设为1∶2∶14。此处，将压力室13的长度Lc设定为1.1mm是因为压电振动元件18的位移量为0.17μm。即，随着将压电振动元件18的位移量规定为0.17μm，通过考虑所喷出墨滴的量(3pL以下。后述)而将长度Lc设定为1.1mm。而且，各压力室13的长度方向的一端通过喷嘴连通口6与对应的喷嘴开口10连通。另一方面，各压力室13的长度方向的另一端通过供给侧连通口16以及供墨口5而与共用墨室8连通。此外，该压力室13的一部分(上表面)由振动板15来限定。
所述压电振动元件18是所谓的弯曲振动模式的压电振动元件18，对每个压力室在与压力室13相对一侧的振动板表面上形成该压电振动元件18，如图3及图4所示，该压电振动元件18是在压力室的长度方向上细长的块状，其宽度大致等于压力室13的宽度，在本实施方式中为160μm。而且，压电振动元件18的长度稍微比压力室13的长度长，因而被设置得其两端部分超出压力室13的长度方向上的端部。
如图4所示，本实施方式中的压电振动元件18由压电层21、共用电极22和驱动电极23(单独电极)等构成，并且由共用电极22和驱动电极23夹持压电层21。驱动电极23通过单独端子与驱动信号的供给源(未图示)导通，共用电极22例如被调整为接地电位。而且，若将驱动信号供给驱动电极23，则产生强度与驱动电极23和共用电极22之间的电位差相对应的电场。若将该电场施加给压电层21，则压电层21根据电场的强度而变形。
在本实施方式的压电振动元件18中，压电层21由彼此层积的上层压电体(外侧压电体)24及下层压电体(内侧压电体)25构成。此外，共用电极22由共用上电极(共用外电极)26及共用下电极(共用内电极)27构成。而且，该共用电极22和驱动电极23(单独电极)构成电极层。
另外，这里所说的“上(外)”“下(内)”表示的是以振动板15为基准的位置关系。即，“上(外)”表示远离振动板15的一侧，“下(内)”表示靠近振动板15的一侧。
上述驱动电极23被形成在上层压电体24和下层压电体25的交界处，共用电极27被形成在下层压电体25和振动板15之间。而且，共用上电极26形成在上层压电体24的与下层压电体25相对一侧的表面上。即，该压电振动元件18是从振动板15依次由共用下电极27、下层压电体25、驱动电极23、上层压电体24、共用上电极26层积而成的多层结构。
而且，关于压电层21的厚度，上层压电体24及下层压电体25的厚度都设定在10μm以下。在本实施方式中，将上层压电体24的厚度设定为8μm，将下层压电体25的厚度设定为9μm，从而将总厚度设定为17μm。此外，包括共用电极22的压电振动元件18的整体厚度大约为20μm。因为可以这样设定压电振动元件18的厚度，所以可以获得必需的刚性，从而可以减小振动板15的柔量。
上述共用上电极26和共用下电极27被调整为与驱动信号无关的恒定电位。在本实施方式中，该共用上电极26和共用下电极27被互相导通，并被调整为接地电位。上述驱动电极23与驱动信号的供给源导通，从而响应所供给的驱动信号来改变电位。因此，通过供给驱动信号而在驱动电极23与共用上电极26之间，以及驱动电极23与共用下电极27之间分别产生方向相反的电场。
而且，作为构成这些各个电极23、26、27的材料，例如金属单体、合金、电绝缘的陶瓷与金属的混合物等各种导体可被选择，但是，要求在烧结温度下不产生变质等不好的情况。在本实施方式中，共用上电极26采用的是金，共用下电极27及驱动电极23采用的是白金。
上述上层压电体24和下层压电体25都是由以锆钛酸铅(PZT)为主要成分的压电材料制成的。而且，上层压电体24和下层压电体25的极化方向相反。因此，施加驱动信号时的伸缩方向在上层压电体24和下层压电体25上是一致的，从而可以无障碍地变形。即，上层压电体24及下层压电体25使振动板15变形，使得驱动电极23的电位升高，则压力室13的容积减小，而驱动电极23的电位降低，则压力室13的容积增加。
而且，通过使用这样的多层结构的压电振动元件18，使得随着驱动信号的供给而产生的压电振动元件18的位移量为0.16μm以上。在本实施方式中，位移量为0.17μm。通过该结构形成可从喷嘴开口10喷出记录所需的量的墨滴的结构。
而且，通过使用多层结构的压电振动元件18，将压电振动元件18的柔量设定在墨水的柔量(后述的Ci)以下。这样，可以减小由制造引起的压电振动元件18的柔量偏差的影响，从而可以以各压力室13之间一致的飞行速度和量地喷出墨水。
而且，在使用了多层结构的压电振动元件18时，在各层的压电体24、25上施加有电场，该电场强度是由从驱动电极23到各共用电极26、27的间隔(即各层压电体的厚度)和驱动电极23与各共用电极26、27的电位差确定的。因此，与通过驱动电极和共用电极夹持单层压电体的单层结构的压电振动元件相比，各层的压电体24、25可以构成得比单层压电体薄，而且，即使稍微增厚压电振动元件整体的厚度而减小了变形部分的柔量，也可以在相同的驱动电压下进行较大变形。而且，因为各层压电体24、25可以构成得比单层压电体薄，所以可以降低应力。
而且，该致动器单元3和上述流路单元2互相接合。例如，使片状接合剂位于供给口形成板7和盖部件17之间，并通过在该状态下对致动器3向着流路2一侧加压而将其接合。
通过接合，使压力室13的一端和喷嘴开口10之间通过连通口6而连通。而且，压力室13的另一端与供墨水5之间通过供给侧连通口16而连通。这些喷嘴连通口6及供给侧连通口16由截面为环形的流路构成。本实施方式的喷嘴连通口6由直径为125μm、流路长度为400μm的流路构成。而且，供给侧连通口16由直径为125μm、流路长度为150μm的流路构成。
上述结构的记录头1中，每个喷嘴开口10都形成有一连串从共用墨室8开始，经过供墨口5、供给侧连通口16、压力室13以及喷嘴连通口6，直到喷嘴开口10的墨水流路。使用时，该墨水流路内被充满墨水，通过使压电振动元件18变形来使对应的压力室13收缩或膨胀，从而使压力室13内的墨水产生压力变动。通过这样控制墨水压力可以使墨滴从喷嘴开口10喷出。例如，若在使恒定体积的压力室13膨胀后使其急剧收缩，则随着压力室13的膨胀来填充墨水，再通过之后的急剧收缩而给压力室13内的墨水加压，从而喷出墨滴。进一步地，若墨滴被从喷嘴开口10喷出，则由于从共用墨室8向墨水流路内供给新的墨水，所以可以连续喷出墨滴。
在通过使压力室13内的墨水如此产生压力变动而从喷嘴开口10喷出墨滴的记录头1中，随着压力室13内的墨水的压力变动而在压力室13内激起了如同音响管的振动一样的压力振动(墨水的固有振动)。
此处，为了使记录高速化就需要使更多的墨滴在短时间内喷出。为了满足这个要求，就需要将压力室13内的墨水的固有振动周期Tc设定得尽可能的短。因此，该固有振动周期Tc可以通过式(1)表示。
Tc=2π(Ci+Cv)[Mn+(Mc/2)][Ms+(Mc/2)]/(Mn+Ms+Mc).......(1)]]>
其中，Ci：压力产生部分内的墨水的柔量，Cv：压力室形成板14的刚性柔量，Mn：喷嘴开口10的惯量，Ms：供墨口5的惯量，Mc：压力产生部的惯量。
此处，所谓压力产生部分是喷嘴开口10和供墨口5之间的一连串空间部分，在该例子中是指由压力室13、喷嘴连通口6和供给侧连通口16构成的一连串空间部分。在本实施方式中，因为压力室13的截面积、喷嘴连通口6的截面积以及供给侧连通口16的截面积大致相等，所以压力产生部分的惯量可以通过式(2)表示。
Mcρ×Lc/Sc ……(2)
其中，ρ：墨水密度，Lc：压力室13的长度，Sc：压力室13的截面积。
另外，供墨口5的惯量Ms可以通过式(3)表示。
Ms＝ρ×Ls/Ss ……(3)
其中，ρ：墨水密度，Ls：供墨口5的长度，Ss：供墨口5的截面积。
同样，喷嘴开口10的惯量Mn可以通过式(4)表示。
Mn＝ρ×Ln/Sn ……(4)
其中，ρ：墨水密度，Ln：喷嘴开口10的长度，Sn：喷嘴开口10的截面积。
此处，关于压力产生部分的流路长度，是因为各个基板被大体设定为规定的厚度，所以，供给侧连通口16的长度以及喷嘴连通口6的长度基本为恒定值。因此，压力产生部分的惯量Mc实际上是由压力室13的长度Lc来决定。
另外，压力室形成板14的刚性柔量Cv是支配性地规定压力室13的柔量的要素。该刚性柔量Cv是相对于压力变化ΔP的容积变化ΔV，可以如下式(5)所示。
Cv＝ΔV/ΔP ……(5)
此处，从减少压力室13的容量偏差的观点来看，在本实施方式中，将刚性柔量Cv设定在墨水的柔量Ci以下。这样，若将刚性柔量Cv设定在墨水的柔量Ci以下，则墨水的柔量Ci占压力室13的柔量的比例比刚性柔量Cv的比例相对更大，所以，用于将相邻压力室13、13之间予以划分的分隔壁和振动板15等压力室构成部件的加工精度的偏差难以影响墨滴的喷出特性。
而且，从尽可能地缩短固有振动周期Tc的观点出发，将喷嘴开口10以及供墨口15的惯量Mn、Ms设定得比压力产生部分的惯量Mc大。而且，如上所述，通过尽可能地减小压力室13的长度Lc，使压力产生部分的惯量Mc比喷嘴开口10的惯量Mn和供墨口5的惯量Ms小。这样，若惯量Mc小，则墨水的柔量Ci及刚性柔量Cv与压力室13的长度Lc成正比地变化，所以也可以同时减小墨水的柔量Ci及刚性柔量Cv。其结果是，可以缩短固有振动周期Tc。此外，虽然也考虑过为了减小惯量Mc而比以往还增大压力室13的截面积的结构，但是这种情况下，因为增加了墨水的惯量Ci及刚性惯量Cv，所以无法缩短固有振动周期Tc。
而且，由于通过缩短压力室13的长度Lc而减小惯量Mc，所以，压电振动元件18的位移量(变形量)相应减小，墨滴的量就减少。因此可以记录极小的点。而且，在本实施方式中，如上所述，将喷嘴开口10的直径设定为比以往(例如25μm)小的20μm，从而增大喷嘴开口10的惯量Mn，所以，可以高速喷出墨滴。
另外，在本实施方式中，将喷嘴开口10及供墨口5的惯量Mn、Ms设定为压力产生部分的惯量Mc的2倍以上。这是为了可靠地将压力产生部分所引起的对固有振动周期Tc的影响无效化。
即，若设定压力室13的长度，使得Mn≥2×Mc以及Ms≥2×Mc的关系成立，具体而言，若将压力室13的长度设定为1.1mm以下的长度，则固有振动周期Tc的值是依赖于喷嘴开口10及供墨口5的惯量Mn、Ms而被规定的。
因此，即使压力室13产生了形状偏差，也可以通过高尺寸精度地制造喷嘴开口10和喷嘴连通口16来使固有振动周期Tc的偏差极小。这样，可以使每个压力室13的墨滴的特性偏差极低。
另外，如上所述，由于通过缩短压力室13的长度Lc来减小惯量Mc，所以压电振动元件18的位移量(变形量)相应减小。鉴于这一点，在本实施方式中，采用上述的多层结构的压电振动元件18，以加强从压电振动元件18所产生的力。通过这一点还可以高速喷出极少量的墨滴(例如6pL～3pL)。
其结果是，可以将固有振动周期Tc缩短到7μs以下(本实施方式中是6.5μs)。通过这样可以以50kHz以上的频率喷出6pL以上的墨滴。而且可以以30kHz以上的频率喷出3pL以下的墨滴。因此，一方面可以使1滴的墨水量比以往少，另一方面还可以使墨滴的喷出频率比以往高，所以既可以以高水平实现记录图像的高画质，又可以以高水平实现记录的高速化。
而且，因为可以将压力室13的长度缩短得比以往短，所以可以实现低成本化。即，因为将压力室13的长度缩短得比以往短，所以可布置在1片陶瓷片内的致动器单元3的数量可以增加，所以，即使通过相同的制造工艺(操作内容)也可以制造比以往多的致动器单元3。而且，可以由等量的原材料制造出比以往多的致动器单元3。这样，可以提高制造效率，可以节约原材料费用，从而可以实现记录头1的低成本化。
另外，即使压力室13的尺寸精度设定得比以往粗糙，也可以以高精度实现一致的固有振动周期Tc，从而可以提高成品率。通过这一点也可以实现记录头1的低成本化。
工业上的可利用性
如上所述，本发明可适用于可喷出墨滴的记录头。而且也可适用于液晶喷头、有色材料喷头等其他液体喷头。
符号说明
1喷墨式记录头
2流路单元
3致动器单元
4配线板
5供墨口
6喷嘴连通口
7供给口形成板
8共用墨室
9墨室形成板
10喷嘴开口
11喷嘴板
12喷嘴列
13压力室
14压力室形成板
15振动板
16供给侧连通口
17盖部件
18压电振动元件
21压电层
22共用电极
23驱动电极
24上层压电体
25下层压电体
26共用上电极
27共用下电极