专利名称：喷墨记录头及采用该记录头的记录装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种喷墨记录头和利用喷射的墨滴实现字符和图象记录的喷墨记录装置。
背景技术：
喷墨记录头用于通过使墨滴粘附到纸上而在记录纸页等上面打印字符和图象。沿一主扫描方向往复移动记录头并沿与主扫描方向垂直之副扫描方向移动记录纸页的同时，从多个喷嘴选择性地喷出墨滴。图19至20是表示按常规技术之一般喷墨记录头的结构简图。图19是剖视图，图20是在一个压力腔附近部分的截面图，图21是主要部分(压电致动器和压力腔)的顶面透视图。如图19和20所示，该喷墨记录头由喷嘴板21、供给路径板22、压力腔板23和隔膜4构成，这些组件按所列顺序被叠置。以这些板和隔膜为基础，形成多条墨水路径，它们从墨池10分别经供给路径11和压力腔2到喷嘴1。
具体地说，沿喷嘴板21上的一条线形成多个穿透该板的喷嘴，用于喷射墨滴。在供给路径板22上形成每一条供给路径11，它们连结在相应的压力腔2与墨池10之间，还形成各个连结在对应的一个压力腔2和对应的一个喷嘴1之间的通孔12。每个供给路径11和通孔12都穿透供给路径板22。压力腔板23有单一墨池10和与穿透此压力腔23之各个喷嘴1相应的压力腔2。压电致动器5通过导体粘合剂连结到对应于各个压力腔的隔膜4。每个压电致动器5的两个侧面上设有电极膜，自由表面一侧上的电极膜用作单独的电极9。由金属材料制成的隔膜还用为对每个压电致动器5的公共电极。
如图20和21所示，每个压电致动器5的形状被做成具有固定宽度的板，并由驱动部分6和电极垫片部分7组成。驱动部分6位于一个与压力腔2对应的区域，电极垫片部分7位于一个与压力腔2的侧壁对应的区域内。
由电极垫片部分7提供从外部驱动电路到单个电极9的电连结(未示出)。当在压电致动器5的两个电极(单个电极9和隔膜4)之间加给一个电势差，做为驱动信号时，压电致动器5的驱动部分6和隔膜4与该驱动部分6对应的区域变形。结果，使对应的压力腔2中的墨水受到压缩，并使墨滴从对应的喷嘴1被喷射出。当变形较大时，还可能增大墨水的喷射量。喷射墨滴后，从墨池10经对应的公共路径11向对应的压力腔2补充墨水。
通过设在压电致动器5中的电极垫片部分7与单个电极9的电连结有一个优点，即不需要用导线提供与驱动部分6的电连结。采用这种安排，可以避免对挠曲变形的限制，并防止发生各种变形，而这些情况在用导线连结驱动时将会显现出来。另外，由电极垫片部分形成的电连结还有下述另一优点。即使在电连结过程中被加给过度的压力时，也不会使电极垫片部分被损坏，因为电极垫片部分位于压力腔的侧壁，并且具有很高的刚性。换言之，可以避免由于施加压力导致喷墨装置挠曲而被损坏。
如图19和21所示，常规的压力腔平面视图呈矩形形状。这有两个原因。一个原因是希望使喷嘴之间的间距尽可能窄(也即令矩形的短边更短些)，从而实现高分辨率地打印。另一个原因在于希望使隔膜的挠曲面积尽可能地大(也即令隔膜的长边尽可能地长)，从而确保高分别率打印所需的墨滴量。压电致动器的形状做成宽度恒定的矩形，以便与具有矩形形状的压力腔匹配。
如上所述，通过使用具有矩形平面形状的压力腔，在常规的高分辨率喷墨打印头中已经实现了简单的结构。
近年来，对喷墨打印头还有高速的要求。为了实现高速喷墨记录，增大喷嘴的数量是有效的。这是因为当喷嘴数目较大时，能够增大单位时间里形成在记录纸页上的墨滴(象点)数量。
但是，当仅仅增大喷嘴数量时，会使打印头的总尺寸变大，这将带来打印头制造成本增大的问题。因此，在增多喷嘴数目的情况下，必须要考虑如何在规定的打印头区域内设置尽可能多的喷嘴。换言之，如何提高喷嘴的密度成为最为重要的问题。
压力腔占据每个喷嘴的大部分面积。因此，为了实现提高喷嘴的密度，必须减小每个压力腔的表面平面面积。当减小压力腔的平面面积时，会使驱动部分的挠曲变形减小。结果，喷射的墨滴量也变少，导致打印字符和图象的密度降低。
换言之，为了实现高速喷墨打印，即使减小压力腔的平面面积，也必须增大驱动部分的挠曲变形，即增大每单位面积的驱动效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种使得在每单位面积内能有较高驱动效率的喷墨记录头。
本发明的另一目的在于提供一种即使在压电致动器的位置有偏移时也能够避免驱动效率变化的喷墨记录头。
本本发明的再一目的在于提供一种具有高精度和高可靠性的喷墨记录头，可以通过简化的制造过程以较低的成本制造这种记录头。
为了解决上述问题，本发明人集中精力对压力腔的平面形状进行了分析和研究。在压力腔具有相同平面面积的矩形形状但具有不同纵横比(高度与宽度之比)的条件下，我们测量当这些配置有隔膜和压电致动器的压力腔被振动时的挠曲变形量。图4表示挠曲变形的测量结果。图4还表示压电致动器的挠曲变形的情况。在这种情况下，纵横比可以是一个表明压力腔平面形状平坦度的指标。具体地说，对图3中所示的每种形状把纵横比定义为B/A。当此值很大时，意味着压力腔具有细长的平面形状。例如，等边三角形的纵横比为0.866，正方形的纵横比为1，正六边形的纵横比为0.866，正圆的纵横比为1。用来分析的条件如下。压力腔的平面面积为2.5×10-7m2。隔膜的厚度为10μm。隔膜的材料为SUS304不锈钢。压电致动器的厚度为30μm。压电致动器的材料为PZT。压电致动器的形状与压力腔(不包括电极垫片)的形状相同。驱动电压为30V。
从图4所示的结果可知，压力腔的最佳纵横比为1，以便获得单位面积的高驱动效率。根据这一结果，假设有最实用的结构。还对电极垫片设置在压电致动器中的情形进行附带的分析。在压力腔平面形状的短边上设置每种形状的电极垫片部分。
图5表示这一分析结果。出于比较的目的，将图4所示的结果也包含于图5中。从图5中可以清楚地看到，当另外地设置电极垫片时，会使驱动效率降低。降低的量与纵横比有关。具体地说，当压力腔具有纵横比接近1的结构时，这种降低达到极致。换言之，当另外地设置电极垫片时，由于形状的纵横比接近1，所以出现一个特殊的问题。已经清楚，只有在纵横比接近1时，驱动效率提高的效果才很小。因此，需要进一步改进装置，以获得更好的效果。
在考虑实现此目标的方式之前，先研究由于增加电极垫片所导致的效率降低的问题。通过观察图4和图5中存在电极垫片的情形和不存在电极垫片的情形来比较挠曲变形的状态。结果发现，在电极垫片部分和驱动部分之间的连结部分处失去变形。由此认为，由于电极垫片部分限制驱动部分的自由变形，所以使效率降低。特别是在纵横比接近1的结构中，驱动部分和电极垫片部分之间连结部分的截面面积较大。因此认为，此较大的截面面积限制了变形，并且极大地降低了效率。
从上面的研究结果可以得出下面的理解。为了提高单位面积的驱动效率，采用具有纵横比接近1的平面状压力腔，并实现对电极垫片部分限制较少的结构是很重要的。
为了实现上述目的，本发明的一个方面是提供一种喷墨记录头，其中每个致动器包括驱动部分，它设在与压力腔对应的区域中，在加给驱动信号时，与隔膜一起发生挠曲变形；电极垫片部分，它设在与压力腔侧壁对应的区域中，实现与驱动信号源的电连结；以及桥接部分，它连结驱动部分和电极垫片部分。在这种喷墨记录头中，压力腔成平面形状，其纵横比接近1。在桥接部分中，与驱动部分连结区域的宽度小于驱动部分连结侧的宽度。按照这一方面，可以减少在驱动部分发生挠曲变形时电极垫片部分的制约因素，并且可以避免挠曲变形的减弱。因此，可以实现高驱动效率的喷墨记录头。
在本发明的上述这一方面中，最好把与驱动部分连结区域的宽度减小到等于或小于驱动部分连结边宽度的一半。基于驱动部分和电极垫片部分之间的连结面积非常小，可以基本上消除当驱动部分发生挠曲变形时电极垫片部分的限制，并避免挠曲变形的减弱。因此，可以实现具有高驱动效率的喷墨记录头。
另外，本发明的另一方面提供一种喷墨记录头，其中，在对应于具有隔膜的小挠曲变形部分附近的部位，使一个或多个桥部分与驱动部分连结。另外，在对应于远离于驱动部分连结面一侧的中心的位置，使一个或多个桥接部分与驱动部分连结。另外，在与压力腔顶部附近对应的一个部位，使一个或多个桥接部分与驱动部分连结。这些部分基本是隔膜发生较小变形的位置。因此，即使通过在附近设置桥接部分而使电极垫片部分与驱动部分连结时，基本上也不会影响电极垫片部分制约驱动部分的挠曲变形。结果，可以获得很大的变形。采用这种结构，桥接部分本身的弯曲变形很小。因此，可以避免在桥接部分中发生裂纹和因疲劳所致的断裂。
可以用桥接部分的驱动部分，以弯曲的形式构成连结区域的边缘部分。采用这种布置，可以释放在制造时或在驱动挠曲变形时集中在桥接部分连结部分附近的应力。从而，可以避免致动器的损坏。还可以在桥部分和电极垫片部分之间形成连结部分弯曲的边缘。
另外，按照本发明的又一方面，提供一种喷墨记录头，其中存在下述关系Wp≤Wc-2δ，或Wc+2δ≤Wp，其中δ代表压力腔的中心位置和驱动部分的中心位置之间的位置偏移，Wp代表驱动部分平面形状的宽度，Wc代表压力腔平面形状的宽度。譬如，Wc值与图3中所示每个平面形状的值对应。一般地说，驱动部分的挠曲变形很大程度上受驱动部分周围支撑条件的影响。例如，在未将致动器应用于压力腔外壁的结构(致动器小于压力腔)中，以不旋转的支撑为基础，可以得到很大的挠曲变形。另一方面，在把致动器应用于压力腔外壁的结构(致动器大于压力腔)中，以固定支撑为基础的挠曲变形很小。假设存在下面两种状态。一种状态是驱动部分作用到压力腔的外壁。另一种状态是由于在制造过程中扰动状态下产生压电致动器的位置偏移，驱动部分不作用到压力腔的外壁。在这种情况下，两种状态之间的挠曲变形有很大的不同。换句话说，振动变强。按照本发明的这一方面，当满足Wp＜Wc-2δ时，在任何时间，甚至当在任一方向都有位置偏移时，驱动部分也不作用到压力腔的外壁。因此可以总能保持不旋转的支撑状态。同时，当满足Wc+2δ≤Wp时，驱动部分的外周总是保持作用到压力腔的外壁，甚至在发生位置偏移时也是如此。因此，可以总能保持固定支撑的状态。结果，当满足这些条件中的任何一个时，能够归因于位置偏移的挠曲变形的变化都变得很小，并能提供高度精确的喷墨记录头。
在本发明的上述方面，Wp最好在下列范围内(Wc-2δ)×0.9≤Wp≤Wc-2δ。一般地说，在同样的非旋转支撑条件下，当Wc小于Wp时，因为挠曲变形面积较小，所以挠曲变形变小，而当Wp接近Wc时，因为支撑条件变得接近于固定支撑，挠曲变形变小。换言之，相对于Wc，Wp具有最佳值。按照本发明的这一方面，当把Wp设定为最佳值时，可以使挠曲变形最大化。此时，可以使挠曲变形相对于压电致动器位置偏移的变化成为最小。结果，可以提供高度精确的喷墨记录头。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种喷墨记录头，其中以二维方式设置多个喷嘴。另外，使多个喷嘴排成多一行，各喷嘴之间有固定的间隔。只以一维布置的喷嘴为基础，不能够使喷嘴布局的间距小于压力腔的宽度。因此，不可能实现高分辨率的喷墨记录头。但是，根据本发明的这一方面，可以使喷嘴布局的间距小于压力腔的宽度。从而，可以实现高分辨率的喷墨记录头。
按照这种二维布置，在一行之内按恒定间隔设置的多个喷嘴，沿与喷墨记录头扫描方向近似垂直于的方向排成N行。各行内喷嘴的布局沿列的方向上依次有1/N恒定的间距差。或者，每一行中的喷嘴等间距排列，使得喷嘴设置在平行四边形隔栅的交叉位置处。按照本发明的这一方面的布局，喷嘴沿与记录头扫描方向垂直的方向喷射(参见图14)。按照这种布局，与一维设置喷嘴的情况相比，可以把喷嘴的间距(喷嘴布局的间距)变窄到这些间距的1/N。换言之，可以提供高分辨率的喷墨记录头。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种上述方面的喷墨记录头，其中设置一个包含信号线的布线基板，以覆盖设置成二维矩阵的致动器。另外，通过凸出部使电极垫片部分和布线基板彼此电连结。根据本发明的这一方面，每个压电致动器的信号线存在于每个压电致动器平面的外侧。因此，可以高密度地排列信号线，无需有象常规设在致动器之间的每个信号线的间隔。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种喷墨记录头，其中由导体芯材和涂敷在芯材周围的连结材料构成凸出部。按照本发明的这一方面，在布线基板和压电致动器驱动部分之间形成一个空隙。因此，布线基板不对驱动部分的挠曲变形产生影响。另外，根据本发明的这一方面，由流经空隙的空气使因压电致动器的驱动而受热的驱动部分被冷却。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种上述方面的喷墨记录头，其中形成半圆形的芯材。根据本发明的这一方面，可以确保与电极垫片部分的电接触和机械接触。另外，根据本发明的这一方面，可以避免在形成与电极垫片部分接触的过程中电极垫片部分的损坏。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种上述方面的喷墨记录头，其中使布线基板构成至少包括一种树脂基材。根据本发明的这一方面，即使在因温度变化而使喷墨记录头膨胀或翘曲时，因为树脂基材的布线基板有较低的刚性，而可以避免凸出部的损坏。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种如上述方面的喷墨记录头，其中致动器是一种具有由压电元件制成之驱动部分的压电致动器。为了制造压电致动器，采用喷砂法(后面将描述)。根据这种方法，即使压电致动器有多个桥接部分的复杂形状，也可以在短时间内容易并且精确地加工压电致动器。结果，可以低成本地实现高密度的喷墨记录头。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种喷墨记录头，其中设置模拟图案，以覆盖压电致动器区域的外周，该区域中分布和/或在压电致动器之间设置多个压电致动器。一般地说，在被称作砂蚀刻处理中，喷砂法有一个尺寸精度的问题。在不用喷砂进行研磨的区域(本发明中的每个致动器)中剩下掩膜部分。在此掩膜部分的边缘附近的掩膜以下存在研磨喷砂颗粒。结果，发生精加工尺寸的变化。这种喷砂蚀刻与待处理的相邻部件的存在与否有关。具体地说，喷砂蚀刻与待处理的相邻部件间的距离有关。按照本发明的这一方面，模拟图案存在于压电致动器区域的外周。因此，在压电致动器区域的外周与内侧之间存在喷砂蚀刻方面的微小差异。因而可以获得均一的尺寸，并且可以实现高精度。另外，按照本发明的这一方面，在每个压电致动器的周围也存在所述模拟图案。于是，在所有的压电致动器之间存在喷砂蚀刻方面的微小差异。结果，可以实现高精度。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种喷墨打印头，其中分开压电致动器和相邻模拟图案的凹槽宽度(相关距离)基本上对所有的凹槽都相同。按照本发明的这一方面，喷砂蚀刻变得对于所有的压电致动器相同。结果，可以实现高精度。
另外，按照本发明的再一方面，提供一种喷墨记录装置，这种喷墨记录装置装有本发明上述各个方面的任意一种喷墨记录头。
图1是本发明第一实施例喷墨记录头分解透视图；图2A和2B是本发明第一实施例喷墨记录头的压电致动器和压力腔的平面俯视图；图3A-3D表示说明以各类平面形状为基础的纵横比定义的简图；图4是在相同面积内有不同纵横比的打印头结构中，在每个压电致动器中没有电极垫片时挠曲变形分析的结果；图5是除图4所示的简图之外，当在每个压电致动器中有一个电极垫片时挠曲变形的分析结果；图6是说明制造本发明第一实施例压电致动器方法的示意图；图7是表示本发明第一实施例的结构和具有不同宽度桥接部分的多个喷砂记录头的结构所发生的挠曲变形的曲线；图8是表示在驱动部分平面形状的宽度Wp改变，而压力腔平面形状的宽度保持恒定的情况下，在驱动部分被驱动时，相对于(Wp-Wc)/2值的挠曲变形中的变化曲线；图9是表示在驱动部分平面形状的宽度Wp改变，而压力腔平面形状的宽度保持恒定的情况下，在驱动部分被驱动时，相对于(Wp-Wc)/2值的挠曲变形曲线；图10是本发明第二实施例喷墨记录头中的压电致动器和压力腔的俯视图；图11A和11B分别是本发明第一实施例和第二实施例的驱动部分和桥接部分的挠曲变形的说明性示意图；图12A、12B、12C和12D是分别表示本发明第二实施例的压电致动器的形状的示意图；图13是本发明第三实施例喷墨记录头的分解透视图；图14是本发明第三实施例的喷墨记录头的俯视图；图15A和15B是本发明第四实施例压电致动器的俯视图；图16是表示本发明第五实施例电连结喷墨记录头方法的透视图；图17是本发明第五实施例的两个相邻压电致动器的截面图；图18是表示装有本发明喷墨记录头之喷墨记录装置的一种举例的局部剖面透视图；图19是常规喷墨记录头的分解透视图；图20是常规喷墨记录头中压力腔附近的截面图；图21是常规喷墨记录头中压电致动器和压力腔的俯视图。
具体实施例方式
下面将参照附图详细描述本发明的具体实施例。
(第一实施例)结构图1是根据本发明第一实施例的喷墨记录头剖视图；图2A是图1所示压电致动器平面俯视图。图2B是可以按类似地方式使用的另一压电致动器的俯视图。除了压力腔和压电致动器分别具有与图19不同的形状外，本发明的喷墨记录头基本上具有与图19类似的结构。所述喷墨记录头设有多个选择性地喷射墨滴的喷嘴；与喷嘴1对应并具有正方形平面形状(有代表性的形状是具有约为1的纵横比)的压力腔2；把墨水供给每个压力腔2的墨池10；连结在压力腔与墨池10之间的公共路径11；形成压力腔2表面的隔膜4和与隔膜4耦接的压电致动器5。
每个压电致动器5都由一个驱动部分6、一个电极垫片部分7和一个连结所述驱动部分6与电极垫片部分7的桥接部分8构成。驱动部分6、电极垫片部分7和桥接部分8形成一体，后面将有描述。驱动部分6设在一个与压力腔2对应的区域中，当加给驱动电压时，与隔膜4一起发生挠曲变形。电极垫片部分7设在一个与压力腔2的侧壁对应的区域中，用以提供与驱动信号源的电连结。连结驱动部分6和电极垫片部分7的桥接部分8有一个对驱动部分的连结部分，这个部分的宽度小于驱动部分的连结侧。在压电致动器5的表面上设置一个单个电极9，用于加给驱动电压。隔膜4还有公共电极的作用。
下面将详细描述本发明第一实施例喷墨记录头的每个元件。本实施例中用的四种板，即喷嘴板21、供给路径板22、压力腔板23和隔膜4均由不锈钢(SUS)制成。喷嘴板21的厚度为75μm，并且配置有间距为1.016mm的多个喷嘴1，每个喷嘴的直径为30μm。供给路径板22的厚度为25μm，并且配置有多个通孔12，每个通孔的直径为100μm，并设在与相应喷嘴1对应的位置，多个供给路径11中的每一个都连结在对应的压力腔2与墨池10之间。压力腔板23的厚度为150μm，并配置有墨池10和压力腔2，每个压力腔的形状类似于正方形，其中心位置与相应的喷嘴1对应。根据喷射所需量的墨滴所必须的隔膜4的挠曲变形而决定每个压力腔2的大小。在本实施例中，每个压力腔2的尺寸为500μm×500μm。隔膜4的厚度为10μm。上述各板21-23中的每一个和隔膜4都设有定位用的对准标记(未示出)。
压电致动器的压电材料可以由锆酸铅钛基陶瓷制成，或是普通铁电制成的材料。做为单个电极9的材料，可以采用金、银、钯或其它具有导电性的金属。压电致动器5驱动部分的形状可以做成正方形，尺寸为460μm×460μm，与对应的压力腔区域的中心相同。因此，在驱动部分6的外周与对应于压力腔区域的外周之间存在一个20μm的空隙。压电致动器5的电极垫片部分所具有的尺寸按照驱动时电连结所需的面积确定。在驱动部分和电极垫片部分彼此面对的一侧的中心，设置连结驱动部分6和电极垫片部分7的桥接部分8。桥接部分8的长度为40μm，宽度为100μm。
操作下面描述本发明实施例的工作情况。首先，把墨水充入与墨池10相连的供墨单元(未示出)。墨水经供墨单元、墨池和压力腔的路径被充入每个压力腔2。然后，在选取的压电致动器5的单个电极9与公共电极(隔膜4)之间加给驱动电压。这就引起在压力腔的相应区域内压电致动器5和隔膜4发生挠曲变形，由此把墨水压缩在压力腔之内(即压力腔的内部压强增大)。结果，墨滴从对应的喷嘴1喷出。
在本实施例中，压力腔具有正方形的形状，纵横比几乎等于1。因而，在驱动效率方面，这种压力腔结构优于矩形形状的常规压力腔。
另外，设在压力腔中的每个压电致动器均由一个驱动部分、一个电极垫片部分和一个连结驱动部分与电极垫片部分的桥接部分构成。在与驱动部分连结的部位处的桥接部分，其宽度小于驱动部分的宽度。当纵横比设置为接近1时，电极垫片部分的约束较大，而且在这种情况下，不能够充分地显示出驱动效率改进的目标效果，就像上面所说的那样。但是，根据本发明设置的桥接部分，可以减少当驱动部分挠曲变形时电极垫片部分的制约。于是，通过把纵横比设置为约等于1，可以实现驱动效率向目标值的高阶。
为了检查这一效果，根据本发明这一实施例的结构，制备桥接部分具有宽度不同的多个喷墨记录头，用以在多个取样之间进行挠曲变形的比较。图7表示这种比较的结果。水平轴表示桥接部分的宽度，纵轴表示挠曲变形。水平轴上的0μm代表没有桥接部分的打印头结构。通过导线连结，使电极垫片与驱动部分电连结。另外，水平轴上的460μm意味着常规打印头结构，其中驱动部分和电极垫片部分成带状连结，而没有颈部(见图21)。从比较结果中可以有如下确定。首先，桥接部分导致电极垫片部分的制约与常规结构中的制约相比被放松，并且可以使挠曲变形变大。第二，当桥接部分的宽度设定得较小时，可以使挠曲变形变大。特别是已经确认，当可将桥接部分的宽度设置成不大于驱动部分宽度的一半时，可以基本上完全取消桥接部分的所有制约，导致有效地避免挠曲变形的减弱。
日本专利申请公开出版物特开平11-78015公开了一种喷墨记录头，这种记录头所采用的压电致动器每个都有一个驱动部分、一个电极垫片部分和一个桥接部分。但是在该项公开中，每个压力腔的形状都为细长的矩形。另外，该项申请没有关于压力腔的平板形状(纵横比)与驱动效率之间关系的描述。按照这一公开，每个电极垫片部分都设在对应的压力腔的短边上。因此，电极垫片部分对驱动部分的影响小到几乎可以忽略。相反，按照本发明，做为本发明的主要目标，精力集中放在通过把压力腔平面形状的纵横比近似地设置为1并减少电极垫片部分的制约而实现驱动效率的提高效果上。因此，本发明与上述公开在这些方面不同。
另外，按照本发明，采用喷砂法处理压电致动器。这使得能够制造具有复杂形状的致动器。下面将描述本发明实施例的制造方法(喷砂法和打印头装配法)。
制造方法如图6所示，首先，叠置压电材料块(未示出)，以制备压电材料板31。根据压电致动器5所需挠曲变形的幅度和驱动电压决定压电材料板31的厚度。在本实施例中，压电材料板31的厚度为30μm。在此压电材料板31的两侧上溅射电极薄膜32。在本实施例中，用金做为电极材料。接下来，通过在高温下没有粘结力的发泡粘结带33把溅射的压电材料板31暂时地固定到固定板34上。此固定板上事先有一个附着其上的对齐标记(未示出)，用于定位与SUS流径板的连结。
将感光膜掩膜35粘结到此压电材料板31上，所述压电材料板被暂时固定到固定板34上。在本实施例中，采用厚度为50μm的尿烷薄膜掩膜。然后，单独制备一个曝光掩膜36，该掩膜具有一个图样，用于只通过被留做压电致动器的部分透射紫外线(UV)。所述曝光掩膜36粘结到薄膜掩膜上。该曝光掩膜36上关于固定板对准标记被制成图案。UV线经曝光掩膜36辐射到被薄膜掩膜35覆盖的压电材料板31上。然后，蚀刻此压电材料板31。对于蚀刻液体，采用一种不去除被UV辐射的部分但确保可以去除其它部分的液体。本实施例中使用碳酸钠。
通过执行上述过程，只在被留下做为压电致动器5的部分留下薄膜掩膜35，其它所有部分的薄膜掩膜35都被除去。然后，对此结构进行喷砂。在薄膜掩膜35已被除去之后，使压电材料的曝光部分被可靠地接地，并被去除、而剩下薄膜掩膜35的部分的压电材料不接地的条件下进行所述的喷砂。喷砂之后，去除并清洁剩在压电材料表面的薄膜掩膜35。在上述过程中，形成这样一种结构，即在两侧具有电极薄膜32的压电致动器5通过发泡的粘结带粘结到固定板34。
随后，把压电材料粘结到隔膜4上。首先，把粘合剂(未示出)涂敷到压电材料上。在本实施例中，因为隔膜4还用作公共电极，所以涂敷导电粘合剂。涂敷这种粘合剂之后，参照固定板34和隔膜4的对准标记，把压电致动器5覆盖到隔膜4上。在200℃下，加给2kg/cm2的压强，以固化粘合剂，由此将压电致动器5与隔膜4连接在一起。加热时，被暂时用于把压电致动器5固定到固定板34的发泡粘结带33丧失粘合力，并且很容易地揭去该粘结带。在上述过程中，得到一个单元，该单元具有压电致动器5，它粘结到也用作公共电极隔膜4(形成有图案)上，并且单个电极9设在各个致动器5的自由表面一侧上。可以通过把此单元粘结到SUS流径单元而得到一种喷墨打印头，其中SUS流径单元是通过单独地把除隔膜以外的隔膜喷嘴板、供给路径板以及压力腔板连结到一起而形成的。
最后，进行电连结，以向每个压电致动器5加给驱动电压。在本实施例中把FPC电缆(未示出)粘结到喷墨记录头的周围。然后通过导线连结，把电极端子和每个压电致动器的单个电极连结到一起。在这种情况下，用于把导线落在单个电极上的部分是压电致动器的电极垫片部分。通过上述制造过程，完成本实施例的喷墨记录头。
根据本实施例中所用的喷砂法，可以处理具有复杂平面形状的压电致动器。另外，可以按简单的方法和用较短的时间，精确地处理压电致动器。因此，可以降低成本。
在上述第一实施例中，每个压力腔采用正方形形状。但是，本发明每个压力腔的平面形状并不限于正方形。也可以采用多边形或圆形做为每个压力腔的平面形状，只要压力腔具有纵横比约为1的平面形状。例如，当压力腔具有如图2B所示的圆形平面时，也可以获得与上述具有正方形形状的情形极为相似的作用和效果。当致动器具有约为圆形平面的压力腔并且驱动部分具有近似为圆形时，圆形驱动部分的直径被认做是驱动部分连结区域的宽度大小。
(第二实施例)
图10是表示本发明第二实施例喷墨记录头中压电致动器和压力腔相对位置的顶面透视图。第二实施例与第一实施例的不同之处在于，在压力腔的角部(顶点)相应地设置两个桥接部分，用于连结压电致动器的驱动部分和电极垫片部分。本实施例与第一实施例的类似之处在于驱动部分和电极垫片部分之间连结的面积较小。驱动部分和电极垫片部分相对于压力腔的位置与第一实施例的情况相同。
在本实施例中，也可以通过把与驱动部分连结的桥接部分的宽度设置成小于驱动部分的宽度，而减少在驱动部分发生挠曲变形时对电极垫片部分的限制。因此，可以实现提高驱动效率。
为了验证本实施例的效果，在第一和第二实施例的各个结构中实验测量驱动部分的挠曲变形。图11A和11B分别是本发明第一和第二实施例的驱动部分和桥接部分的挠曲变形轮廓线。如这些附图所示，图11B所示第二实施例的结构具有总数较多的轮廓线。换言之，按照本实施例的结构，获得较大的挠曲变形。具体地说，第一实施例的挠曲变形的最大幅值为0.207μm，第二实施例中挠曲变形的最大幅值为0.213μm。从以上可以理解，与第一实施例相比，本实施例中可以进一步减小约束驱动部分挠曲变形的影响，导致更大的挠曲变形。
在本实施例中可以获得更大的挠曲变形，因为驱动部分上电极垫片部分的约束程度不同。参见图11A和11B，使接近正方形一边的中心(第一实施例中的桥接部分)附近的位移与接近正方形一边的两端(第二实施例的桥接部分)的位移相比较。从这种比较可以理解，后一种情况下具有设在有较小位移的部位的桥接部分。因此认为，由于附加的电极垫片部分所产生的限制的影响小于第二实施例中的情形，第二实施例中桥接部分设置在暂时提供小位移的部位，实现较高的驱动效率。
另外，从图11A和11B中知道，本实施例中桥接部分的轮廓线数量小于在第一实施例中的情形。这意味着桥接部分本身的完全变形较小。因此，可以避免桥接部分发生裂隙和疲劳损坏。
如上所述，根据本实施例，还可以进一步提高驱动效率，并提高桥接部分的可靠性。
另外，做为对本实施例的补充研究，详细研究Wc和Wp之间的关系。
图8表示在压电致动器的位置偏移δ时，通过改变宽度Wp而保持压力腔平面形状的宽度Wc恒定，而在水平轴上挠曲变形相对于(Wp-Wc)/2值的变化。水平轴上的值代表驱动部分和压力腔外壁之间的空隙。当该值为正时，表示驱动部分从压力腔的外周伸出。当该值为负时，驱动部分包含在压力腔的外周之内。将位置偏差δ设为20μm，假设这就是处于实际制造过程中。结果，很清楚的是可以通过把Wp设置在(Wp-Wc)/2≤-δ，或δ≤(Wp-Wc)/2，即Wp＜Wc-2δ，或Wc+2δ≤Wp。这些表达式表示，即使发生位置偏差时，也可以保持驱动部分外周支撑条件的恒定。换言之，在前一情况下，支撑条件总是无旋转地支撑，哪怕是在发生位置偏差时也是如此。另一方面，在后一种情况下，支撑条件总是固定支撑。如上所述，挠曲变形受支撑条件的影响很大。但是，当满足此条件时，由于位置偏差，支撑条件不发生改变，并且因而可以抑制变化。
图9表示在无位置偏差的情况下，保持Wc恒定的同时改变Wp时的挠曲变形。从该图可以理解，Wp最好落在(Wc-2δ)×0.9≤Wp≤Wc-2δ的范围内，以使挠曲变形最大。这一表达式表示对于Wp有一最佳范围，因为当驱动部分小于压力腔的外周时，提供一种对挠曲变形有力的无旋转的支撑条件，但是当驱动部分太小时，驱动面积变小，导致减弱的挠曲变小。当采用一般的对准方法时，位置偏差δ是约10μm-30μm。在这种情况下，当将驱动部分的宽度Wp设置成比压力腔的宽度Wc小约20μm-60μm时为最佳。
本实施例具有的结构满足这些要求。因此，可以提供一种相对于压电致动器的位置偏差挠曲变形的变化较小的高精度喷墨记录头。还可以使挠曲变形本身最大化。
其它结构在本实施例所示的结构以外，还可以采用图12A-12D中所示的一种结构或者它们的组合结构。在图12A-12D中，桥接部分8在靠近隔膜小挠曲变形部位的位置处，或者在距离驱动部分连结区域侧面的中心一定距离的位置处与驱动部分6连接。
图12A表示正方形压力腔2的一个顶点处设置一个桥接部分的情况。图12B表示代替设置在压力腔2连结区域每一侧的中心，使桥接部分设置在类似的压力腔2四个角部的情况。图12C表示基本上只在压力腔2的一个区域内存在驱动部分6，并且通过截去对应于压力腔2连结区域每一侧中心的部分，在两个角部形成桥接部分的情形。图12D表示桥接部分8的内边缘部分在与驱动部分6的连结区域，以及与电极垫片部分7的连结区域形成弯曲的情况。这些结构导致电极垫片部分对驱动部分的限制较小，并且可以进一步提高驱动效率。另外，即使在压电致动器和压力腔之间出现位置偏差时，也可以减小隔膜的挠曲部分的面积(在对应于压力腔的区域之外没有压电致动器的隔膜的暴露部分)。因此，可以避免这样的现象，即由于在驱动时墨水的内部压强而使该部分的变形消失，并由此丧失驱动效果。另外，根据图12D所示的结构，与图10所示第二实施例的情形相比，连结部分附近的应力集中得以解除。因此，可以避免压电致动器的损坏。
(第三实施例)图13是本发明第三实施例喷墨记录头的分解透视图。图14是本发明第三实施例喷墨记录头的顶面透视图。如这些图中所示，第三实施例将多个压力腔和对应的喷嘴(喷嘴单元)设置为二维矩阵形式。每个喷嘴的结构类似于第二实施例的情形。
如图13和14所示，按基本垂直于喷墨记录头扫描方向41的方向以预定的间隔成行设置的八个喷嘴，沿近似扫描的方向被排列成三行。将每一行的单个喷嘴设置成一行中的喷嘴与相邻行中的对应喷嘴移位三分之一的预定间隔。
根据此种布置，当这些喷嘴沿打印头扫描方向喷射时，各喷嘴以三分之一预定间隔的窄间距42等同地排列成一行。结果，可以实现人造的高分辨率打印头。在进行打印的情形中，控制每一列喷射墨滴的时间，同时沿扫描方向移动打印头。通过这种方式可以进行基本上与喷嘴在打印头中排列成一行时相同的打印。
按照本实施例，当采用纵横比约为1的宽度较大的压力腔时，可以人工实现比此压力腔宽度窄的间距的喷嘴(高分辨率)布置。换言之，可以实现高驱动效率和高分辨率的喷墨记录头。在本实施例中，只描述8×3矩阵的喷嘴布局。除这种喷墨记录头外，也制备单独的记录头，在三个单元的布置中有780个喷嘴，每个单元中有一个26×10的矩阵布局。从这一结果中还可以获得类似地效果。还可以选择基于所需喷嘴数和所需记录头大小的各种布局。
(第四实施例)图15A和15B是本发明第四实施例的压电致动器顶面视图。如图所示，每个压电致动器及其布置都与第三实施例中的情形相似。但是第四实施例与第三实施例的不同之处在于，将模拟图案51设在压电致动器区域的周围，其中压电致动器按多行设置，并处于单个的压电致动器之间。在本实施例中，将每个压电致动器与每个模拟图案分开的凹槽的宽度设置为80μm。所有其它的结构均与第三实施例相同。
如前所述，当进行喷砂时，侧面的蚀刻量根据待处理的相邻处理点之间的距离而不同，并且完成的测量结果不同。但是，根据本实施例，可以使所有压电致动器的侧面蚀刻均匀，导致加工处理的精度提高。
为了检查本实施例的效果，对第三实施例和第四实施例测量以喷砂为基础的压电致动器的尺寸精度。测量结果证明，在第三实施例(没有模拟图案)中存在±20μm的尺寸精度偏差。另一方面，在设置模拟图案的本实施例中，尺寸精度的偏差改进到±5μm，从而，使本发明的效果得到证实。
(第五实施例)图16是表示电连结本发明第五实施例喷墨记录头方法的透视图。图17是表示本发明第五实施例的两个相邻压电致动器的截面图。
挠性印刷电路基板64由三层厚度为25μm的聚酰亚胺基膜、铜信号线62和厚度为12.5μm的聚酰亚胺覆盖层63组成。对应于每个压电致动器的电极垫片设置挠性印刷线路基板64上的各个信号电极65。通过电镀，用焊料形成在铜芯表面上的凸出部通过加热形成在单个信号电极上。
每个压电致动器的电极垫片部分与挠性印刷线路基板的凸出部面对，并且通过压力和加热而相互连接。在本实施例中，通过在230℃下加热以及每十秒逐级施加100Mpa的压强而实现电连结和机械连结。
根据本实施例，可以在没有电连结部分的结构中形成驱动部分。从而可以消除由于电连结部分的挠曲限制，并且将驱动效率提高到一个较高的水平。与此同时，可以消除因电连结的制造误差(就连结的区域和位置而言)所致挠曲变形方面出现的偏差。另外，因为电极垫片部分设置在具有高度刚性的压力腔侧壁上，所以可以避免由于电连结过程中电极垫片部分上的压强所导致的电极垫片损坏，并实现稳固的连结。因此，可以实现高可靠性和高效率的高分辨率喷墨记录头。
在本实施例中，对于压电致动器的信号线存在于每个压电致动器的平面之外。因此，不需要在致动器之间设置信号线。结果，可以制成与高密度喷墨记录头匹配的电连结。
另外，在本实施例中，形成半圆形的凸出部。因此，可以在连结每个压电致动器与电极极板部分时进行电连结和机械连结，并进一步避免在此接触时电极垫片部分的损坏。检查在本实施例中进行的每个压电致动器的电连结，结果证明所以的致动器正常电连结，并且不会损坏压电致动器。
另外，在本实施例中，因为芯部元件包含在凸出部中，所以在布线基板和压电致动器的驱动部分之间形成空隙。因此，可以避免对驱动部分挠曲变形的影响，并通过流经空隙的空气进一步消除驱动时所产生的热量。当实际对每个压电致动器加给驱动电压波形时，所有致动器均正常地发生挠曲变形。另外，还证明可以得到稳定的驱动动作，不会有喷墨记录头被长时间(如在18kHz频率下进行24小时)驱动时因发热所致的性能衰减。
另外，在本实施例中，可以避免甚至在热已经热扩散或由于温度变化所致的翘曲时凸出部的损坏，因为布线基板由聚酰亚胺制成并遵循热变形。在实验中，热的温度在-20℃～+40℃之间循环地反复变化。电检查的结果是没有出现故障。
另外，如图18所示，把上述每个实施例的喷墨记录头安装在喷墨记录装置上，并且在纸页上进行打印。这种记录装置由一个由头部和给头部供墨之墨池组成的车架101、往复移动车架的定时皮带102、移动纸页103用以打印的辊104和外壳105构成。为了进行打印，沿主扫描方向往复移动车架。与此同时，使墨滴选择性地从头部的多个喷嘴喷射到纸页上，同时沿与主扫描方向垂直的副扫描方向移动纸页。通过此项操作，墨滴粘附到纸页上，由此在纸页上形成字符和图象。
在上述第一至第五实施例中，虽然把压电致动器用作所述的致动器，但也可以采用其它驱动系统。例如，可以采用具有与隔膜不同热膨胀系数的材料替代压电致动器。将热量加到这些材料上，做为驱动信号，并且可以利用以热膨胀为基础的挠曲变形。另外，可以对与隔膜相对形成的电极表面加给电压，并可利用静电力为基础所产生的挠曲变形，而无需对隔膜连结任何东西。
无需赘述，可以在本发明的范围内对其它部分做各种改型。最好Wc为300～700μm，致动器的材料为锆酸铅钛陶瓷，致动器的厚度为15～40μm。
如上所述，根据本发明，压力腔平面形状的纵横比约为1。因此，可以获得比常规情形大的挠曲变形。结果，可以实现高驱动效率的喷墨记录头和喷墨记录装置。
另外，根据上述结构，可以将致动器的桥接部分和驱动部分之间连结部分的截面积做得很小。采用这种布置，可以减少当驱动部分挠曲变形时对电极垫片部分的约束，同时允许有较大的挠曲变形。结果，可以实现具有较高驱动效率的喷墨记录头。
另外，根据本发明，即使在致动器的驱动部分相对于压力腔从预定位置稍稍偏离时也不会改变驱动部分周围的支撑条件。因此，挠曲变形方面不出现偏差。结果，可以实现高分辨率的喷墨记录头。另外，根据本发明，当桥接部分本身的弯曲变形较小时，可以避免致动器的损坏，致使喷墨记录头具有很高的可靠性。通过设计桥接部分的平面形状，并保持截面积较小，也可以避免致动器的损坏，并且因而提高可靠性。另外，本发明的喷墨记录头是以喷砂法为基础形成的。因此，即使致动器具有复杂的形状，也可以进行简易的精确处理。结果是可以实现低成本的高密度喷墨。
权利要求
1.一种喷墨装置，其特征在于，包括排放墨滴的喷嘴；与喷嘴连接的压力腔；用于将墨汁提供给压力腔的墨汁供给路径；由压力腔的一个平面壁组成的隔膜；和包括与所述隔膜接触之驱动部分的致动器，它设在压力腔的上面，并与隔膜一起变形；电极垫片部分，设在压力腔侧壁的上面，并与信号源电连接；以及桥接部分，使驱动部分和电极垫片部分电连接；其中，桥接部分与驱动部分连接，在那里隔膜的变形是小的。
2.如权利要求1所述的喷墨装置，其特征在于，驱动部分的外形包括角部，并且所述桥接部分与驱动部分的角部连接。
3.如权利要求1或2所述的喷墨装置，其特征在于，包括驱动部分的外形相似于相应压力腔的平面形状，并且所述驱动部分平面形状的宽度Wp落在如下范围内Wp≤Wc-2δ，或Wc+2δ≤Wp，其中δ代表相应压力腔的中心位置和驱动部分的中心位置之间的位置偏移，Wc代表相应压力腔平面形状的宽度。
4.一种喷墨记录头，包括多个权利要求1所述的喷墨装置；和供墨源，用于把墨水供给所述多个喷墨装置。
5.一种喷墨记录装置，包括权利要求1所述的喷墨装置；墨池，将墨汁提供给所述喷墨装置；和移送机构，相对于所述喷墨装置移送记录介质。
全文摘要
本发明公开一种可有高驱动效率并避免驱动效率偏差的喷墨记录头。对每个墨水喷嘴设置一个压电致动器，每个致动器有一个设置在压力腔对应区域中的驱动部分，一个电极垫片部分，至少一个连结驱动部分和电极垫片部分的桥接部分。压力腔具有纵横比接近1的平面形状，桥接部分与驱动部分连结区域的宽度小于驱动部分连结侧的宽度。
文档编号B41J2/14GK1739967SQ20051009969
公开日2006年3月1日 申请日期2001年12月19日 优先权日2000年12月19日
发明者中村洋文, 奥田真一, 大塚泰弘 申请人:富士施乐株式会社