专利名称：打印头单元的制作方法
打印头单元
背景技术：
在压电喷墨打印头中，墨液或其他流体通常以液滴形式喷射出来。来自各个流体腔室的流体通过各个喷嘴行进到衬底上。流体通过压电元件的运动被喷射出来。流体腔室具有由压电致动器构成的壁，压电致动器通常是连接到压电元件的膜片。通过压电元件促使膜片振动，从而使流体朝喷嘴运动。目前，单晶片型压电致动器包括集成或附连到压电层的柔性膜片。如果致动器具有较小的例如I到10微米之间的厚度，例如具有薄膜压电陶瓷和薄膜片层，致动器在流体腔室上可跨越的最大宽度通常最大为50-100微米或更小。跨度更大时，致动器不适于实 现期望的频率和/或压力。因此，流体腔室通常具有细长形状，从而使得最大宽度为大约50-100微米之间或更小，而其长度明显更大，例如在O. 5-2_之间。本发明的一个目的是提供一种替代的压电方法和装置。
出于例示说明的目的，现在将参照所附的示意图来描述本发明的某些实施例，附图中
图IA是压电喷墨打印头单元的示意性横截面侧视 图IB是图IA压电喷墨打印头单元的示意性横截面前视 图IC是图IA和IB压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中为了方便描述，喷嘴板被画成了透明的；
图ID是图1A、1B、1C压电喷墨打印头单元的示意性底视图，其中为了便于图示，用虚线表示了多个部件；
图2A是压电喷墨打印头单元的示意性横截面侧视 图2B是图5A压电喷墨打印头单元的示意性横截面前视 图2C是图2A和2B压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中为了便于图示，喷嘴板被画成了透明的；
图2D是图2A、2B、2C压电喷墨打印头单元的示意性底视图，其中为了便于图示，用虚线表示腔室底部、进口和出口 ；
图3是压电喷墨打印头单元的示意性横截面前视 图4是压电喷墨打印头单元的示意性横截面前视 图5是压电喷墨打印头单元的示意性顶视 图6是压电喷墨打印头单元的示意性顶视 图7是压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中为了便于图示，去除了致动器；
图8是压电喷墨打印头单元的示意性透视图，其中为了便于图示，去除了致动器；
图9是压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中为了便于图示，去除了致动器；
图10是具有图9打印头单元的压电喷墨打印头的一部分的示意性顶视图，其中为了便于图示，从各个打印头单元中去除了致动器；图11是压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中致动器具有图案化压电陶瓷元件；为了便于图示，致动器被画成透明的并用虚线表示；
图12是压电喷墨打印头单元的示意性顶视图，其中致动器具有图案化压电陶瓷元件，该图案化压电陶瓷元件包括两个分离的压电陶瓷元件。为了便于图示，该致动器被画成透明的并用虚线表示。
具体实施方式
在下文的详细描述中，将对附图进行介绍。说明书和附图中的实施例应当被理解为例示说明性的，而不应理解成被限制为所描述的元件的具体实施方式
。为了便于图示，比例和有关尺寸与实际情况并不一致。附图中标示的各个视图不应当被认为是对元件或装置的定向的限定。例如，俯视图也可能代表仰视图，或侧视图等，这取决于各元件的定向。但是，单个实施例的多个视图可以表示出各个特征之间的相对关系以及相对定向。因此，顶壁可以看做是底壁，反之亦然，这取决于装置的定向和用途，而底壁与顶壁之间的相对关系以及与装置的相对关系是保持不变的。同样的原则可适用于其他特征，例如一个特征的长度或宽度可按任意始终一致的方式选择。通过对某些元件进行修改、组合或变型，可以从下文的描述中得到多个实施例。另夕卜，本公开中没有具体披露的实施例或元件也可根据说明书和附图中得出。图I示出了压电单元I。压电单元I可包括压电喷墨打印头单元1，其可形成压电喷墨打印头的一部分。在本领域中，压电喷墨打印头单元I也可称为“喷射器”。所述单元I可包括流体腔室2。流体腔室2的体积可由至少一个壁3，4，5A-D确定。所述至少一个壁可包括顶壁3、底壁4和多个侧壁5A、5B、5C、5D。单元I可包括通向流体腔室2的流体出口6。出口 6可包括喷嘴7。任选地，出口 6可包括用于将流体从流体腔室2导向喷嘴7的下行部8。在图IA和IB中，液滴被示出为沿前进方向从喷嘴7中射出。单元I可包括致动器9。致动器9可包括薄膜致动器9。致动器9可以用作流体腔室2的一个壁，例如作为流体腔室2的底壁或顶壁，以下称为“致动器壁”。致动器9可包括膜片10以及至少一个压电陶瓷元件11。压电陶瓷元件11可包括薄膜压电陶瓷元件11。膜片10和压电陶瓷元件11两者都可包括薄膜材料。薄膜压电陶瓷元件11可包括沉积压电陶瓷材料或烧结沉积压电陶瓷材料。膜片10可形成流体腔室2的这个壁。在一个实施例中，致动器9可包括沿流体腔室2延伸的膜片10以及沿流体腔室2延伸的多个压电陶瓷元件 11A，11B。压电陶瓷材料可被图案化到膜片10上。“图案化”压电陶瓷元件11可以理解为压电陶瓷元件11在流体腔室上方包括至少一个中断12。例如，致动器9可包括膜片10的一些未被压电陶瓷材料覆盖的部分，这些部分位于膜片10被压电陶瓷材料覆盖的其他部分之间。另一种图案化压电陶瓷元件11可包括多个设置在致动器9上的压电元件11A，11B。图IA-D示出了示例性的图案化压电陶瓷元件11，这是因为压电陶瓷元件包括两个压电陶瓷元件11A，11B，二者之间设置有中断12，如图1B、1D所示。单元I可包括支撑元件13。如图所示，单元I可包括多个支撑元件13。支撑元件13可被设置成用于防止致动器9被支撑部14沿致动器9的致动运动M的主方向移动。支撑元件13可被连接到打印头单元的大致沿与致动器9相反的方向延伸的那一部分。支撑元件13可被连接到打印头的刚性部分。例如，与支撑元件13连接的打印头部分包括与致动器壁4相对的腔室壁3的一部分，例如流体腔室2的顶壁3或4，这取决于哪一个壁包括致动器壁。支撑元件13可允许薄膜致动器9在整个流体腔室2上延伸；如果没有支撑元件13，致动器9的厚度将会是两倍甚至更厚。被支撑部14可包括膜片10连接到支撑元件13的那一部分。支撑元件13可以沿致动运动M的方向支撑致动器9，以便被支撑部14与支撑元件13可以保持相对静止，而致动器9的周围部件可由压电陶瓷元件11的致动而引起振动。例如，在图I所示的实施例中，沿致动运动M方向的致动可以在被支撑部14的至少两侧邻近被支撑部14进行。在一个实施例中，中断12可以设置在被支撑部14处，例如在被支撑部14下方或上方，如侧视图或前视图所示。然后，压电陶瓷元件11沿被支撑部14延伸，如侧视图或前视图所示。流体腔室2可包括至少一个使流体进入流体腔室2中的进口 15。进口 15例如可 设置在腔室壁3，4，5A-D中的任一个上。在附图中，进口 15设置在侧壁5B中。进口 15和出口 6可设置在腔室容积中的相对位置处，以便流体流过该容积中的所有点。例如，进口 15和出口 6可设置在相对的壁3,4中或邻近它们设置，和/或可设置在相对的侧壁5A, 5B或5C,5D中或邻近它们设置。在所示的实施例中，出口 6邻近侧壁5A延伸大到顶壁3中，进口 15邻近底壁4延伸到相对的侧壁5B中。在一个实施例中，一个或多个支撑元件13可在出口 6和进口 15之间延伸。各支撑元件13可延伸至流体腔室2中，即处于至少一个侧壁5A-D之间或其内。支撑元件13可包括柱体。柱体可以是基本上圆柱形的，和/或可以具有基本上被弄圆的(例如圆形或椭圆形)的圆周壁。除了其它方面外，希望将柱体的形状设置成能使致动器的移动部分的面积最大化。单元I可包括一组柱体。支撑元件13的横截面的侧向厚度C可例如为大约5微米到大约30微米之间，例如10-15微米。所示支撑元件13的示例性横截面厚度C可以是大约15微米。最小横截面厚度可以由腔室5的深度、蚀刻工艺的类型以及允许足够流量的横截面厚度C的不均匀性确定。致动器9可包括两个可独立控制的压电陶瓷元件11A，IlB0例如，可独立控制的压电陶瓷元件11A，IlB可在支撑元件13的一个侧面上延伸。相对于传统的具有相同厚度致动器的打印头单元而言，使用支撑元件13可允许增加薄膜致动器9的跨度。如果需要，可用支撑元件13来避免流体腔室2具有传统的细长形状。相反，可以实现更节约空间的腔室形状。在一个实施例中，如俯视图所示，流体腔室2的基本形状可以是，例如，大致圆形、正方形、六边形、任何圆内接多边形或诸如此类的形状。当然，可以对这些形状稍作改动，例如，角部可以被弄圆和/或剪切，或者长度可以稍微比宽度长点。例如，优选的形状可包括椭圆形、菱形和/或矩形，如俯视图所示。在一个实施例中，流体腔室2的长度可以是流体腔室2的宽度的大约I到3倍。这里，长度L和宽度W可被看作是在与单元I的顶壁或底壁平行的平面中两个垂直方向上相对侧壁5A-D之间的距离。腔室2的高度H可表示腔室2的底壁3到顶壁4之间的距离。相邻支撑元件13之间的距离D可以在20-90微米之间，例如在30_80微米之间。例如，相邻支撑元件之间的距离可以是大约55微米。最小距离可由以下因素确定腔室5的深度、蚀刻工艺的类型、和/或相邻支撑元件13之间允许足够流量的开口大小。类似地，支撑元件13和侧壁之间的距离可以在20-90微米之间，例如55微米。在一个实施例中，致动器9可以跨越整个流体腔室2，在两个互相垂直方向上跨度至少为大约115微米，例如至少为大约150微米。所述距离可以是相对侧壁部5A，5B或5C， 之间的距离。一个或多个支撑元件13可以支撑致动器9，以得到相对较宽的跨度。支撑元件13可被设置成用于减小致动器9的最大未被支撑跨度，也就是支撑元件13之间和/或支撑元件13与壁5A-D的距离，使该跨度至少减少腔室2宽度的一半。压电陶瓷元件11的厚度T可以是大约5微米或更小，例如大约3微米或更小，例如I. 5微米或更小。例如，压电陶瓷元件11的厚度T可以是大约O. 5微米。致动器9的厚 度可例如是10微米或更小，例如在大约I微米至大约10微米之间，例如在大约2. 5微米和大约5. 5微米之间。支撑元件13可允许较薄的致动器9跨过较宽的流体腔室2。致动器9在流体腔室2上方及在相对的侧壁部之间的总跨度在两个互相垂直的方向上可至少为150微米或更大，而致动器9的厚度可以是5微米或更小，例如I. 5微米或更小。总跨度可以更大，这例如取决于单元I中所用支撑元件13的布局方式和数目。如果支撑元件13大致在流体腔室2的侧壁部的中点或两个支撑元件13的中点处支撑致动器9，致动器9的厚度可以减小到大约1/2. 5倍，同时实现致动器9在致动运动M的方向上相同的位移。换句话说，通过减小致动器的未被支撑跨度到原始未被支撑跨度的一半，致动器的厚度可以减小到大约1/2. 5倍，而实现类似的位移。更进一步地，通过减小致动器的未被支撑跨度到一半，致动器的厚度可以减小到大约1/2倍而没有任何压力损失。因此，通过选择性地设置支撑元件13，可以相对自由地选择流体腔室2的尺寸。可用公式来估计矩形膜片10中心处的应力水平σ和最大位移7_。在下面的公式里，向矩形膜片10的整个表面均匀施加载荷。这种情形相当于例如矩形致动器9具有向膜片10的基本上整个表面施加载荷的压电陶瓷元件11，膜片10被四个侧壁5A-D夹住。膜片10在其中心处的最大位移JVr的指标可用如下公式获得
Ciqb4 ymax ; .........￡"Γ|.........
其中，a表示下文将会指出的常数因子，i 表示弹性模量， 表示膜片厚度j表示膜片10在侧壁5C-D之间的宽度，q表示施加到整个表面的压力。在相同条件下，膜片10在其中心处的应力σ的指标可用如下公式获得
JA令·#§
Cf rs -^~^-
其中，是常数。下表可用来查询常数因子a和表示膜片10在侧壁5Α-Β之间的长度。
cl h I 0.25 0.5 0—75 I .O1.5 U) ·χ·
β； OJ 386 0,1794 (OW4 Ci 22860.2406 CK 24 72 0.2500
0.O138 0.0188 Oi)226 0,02510.COCi 0,027 0—0284
对于相同腔室2以及等同的致动器9，当沿着致动器9的中心线(S卩，在各侧壁5C-D之间的中点处)设置一行支撑元件13时，导致的厚度 、应力σ和/或位移JVr的变化可以通过将不包括支撑元件13情况下的6的数值减半而估计出。导致的最大压力变化可对应于压力σ的变化。以上简述的理论情形对应于由一个层构成的膜片10。在使用多层致动器9时，常数的值例如万、〃和可能会改变。但是，厚度 和宽度6的幂可接近得足以用于估计设置支撑元件13的总体影响。因此，可以利用这些公式估计设置支撑元件13时与致动器9的总厚度和跨度有关的总体影响。例如，当考虑支撑元件13时，可以使用如下公式
OVb1)4 = Ct2Zt1)3,
其中，和bi是膜片10的初始厚度和宽度，b2是被二等分支撑元件13和对应侧壁5之间跨度的宽度，其中
b2 = (I- ε )1^/2 ,
其中，ε是支撑元件13的宽度，其表示成占整个腔室2的宽度的百分比。例如，如果ε = 0，那么t2 ^ X1/2. 5，如果ε = O. 14，那么t2 ^ X1/3 0因此，如果一7TT支撑兀件13将腔室二等分，且支撑元件13的宽度被包括，其宽度占整个腔室宽度的大约14%，那么对于类似位移Λ·，致动器9的厚度可以至少减小到1/3倍，而厚度t可以至少减小到1/2. 3倍而没有压力损失。在插入了支撑元件13且减小了致动器9的厚度后，为了大致实现相同的位移和压力，可以调整压电元件11的图案化和其他几何因素。另外，代替上述公式或除了利用上述公式以外，实际数值可以通过有限元分析模型和/或实验计算出。单元I的制造方法可包括在膜片10上图案化薄膜压电陶瓷材料。例如，可以在膜片10上沉积薄膜压电陶瓷材料，随后烧结。除了其它方面外，压电陶瓷材料的沉积可以通过溅射、溶胶凝胶涂敷、气溶胶冲击等方法实施。在另一实施例中，薄膜压电陶瓷元件的图案化可以通过对包括压电陶瓷材料的衬底进行蚀刻来实现，例如利用光刻方法。所得的致动器9的厚度可以是5微米或更小，例如3微米或更小，例如I. 5微米或更小。流体腔室2可以利用光刻方法制造，或者，通过照射并蚀刻晶片。晶片周围的部分可以形成侧壁5A-5D。例如，利用光刻加工的晶片可包括侧壁5A-D和支撑元件13。例如在蚀刻了流体腔室2和支撑元件13以后，薄膜致动器9可被连接到晶片，例如连接到侧壁5A-D上。支撑元件13可以延伸至腔室2的至少一个侧壁5A-D之间，从而使得支撑元件13在连接到晶片部分后支撑住薄膜致动器9。利用单元I通过压电致动射出液滴的方法可包括以下步骤。响应于压电陶瓷元件11的致动，膜片10发生振动。振动在腔室2中的流体内产生瞬时压力脉冲，导致流体从出口 6方向流出，一滴或多滴流体从喷嘴7中喷射出来。膜片10可以被至少一个流体腔室壁5A-D以及至少一个支撑元件13支撑，以便膜片在邻近相应支撑元件13处的至少两侧偏转，至少如俯视图所示。致动器9的连接至支撑元件13的部分，例如在被支撑部14处，至少在运动M的方向上的偏转被抑制。响应于支撑元件13的至少两侧的振动，流体腔室2中的流体可朝着出口 6的方向沿相应支撑元件13流动，液滴可以从相应出口 6处被喷射出。图2A-D示出了单元I的另一个实施例。在该实施例中，支撑元件13可包括隔离壁。具有壁形形状的支撑元件13是便利的，因为流体可沿着该壁相对容易地流动，以免影、响腔室2中的流体流动，或至少降低对该流体流动的影响。隔离壁可在流体腔室2中延伸，例如大致平行于流体腔室2的至少一个侧壁5A-D。隔离壁可被布置成，避免阻碍进口 15和出口 6之间的流体流动。隔离壁可在进口 15和出口 6之间纵向延伸。隔离壁可被布置成大致与流体的主流动方向F平行地或大致沿着流体的主流动方向F延伸，其中流体的主流动方向F例如可通过获得平均流动方向和/或通过画出进口 15与出口 6之间的假想线来确定。例如，可以提供多个隔离壁。隔离壁的侧向厚度C可以在大约5微米到大约30微米之间,例如在大约10微米到大约15微米之间，例如大约为15微米。图3示出了一个进一步的实施例。单元I可包括至少一个支撑元件13以及至少一个对应的被支撑部14。支撑元件13可在流体腔室2中延伸。压电陶瓷元件11可包括图案化压电陶瓷元件11，其在邻近被支撑部14处包括中断12。用于连接至进一步电驱动电路的互连电极16在中断12内可被提供在被支撑部14上。互连电极16可被布置成连接多个可独立控制的压电陶瓷元件11A，IlB至驱动电路。在一个实施例中，可以为每个独立的压电陶瓷元件11A，IlB提供一个独立的互连电极16。例如，独立的压电陶瓷元件11A，11B被布置成被独立控制，因此每个压电陶瓷元件可配备有相应的互连电极16，以与驱动电路互连。互连电极16可包括导电焊盘，其被布置成使压电陶瓷元件11与进一步的电路接触。所述进一步的电路可包括至少一根导线16A和/或迹线等。中断12和支撑元件13可便利地允许将驱动互连电极16设置到被支撑部14上。中断12可避免必须将互连电极16设置到压电陶瓷元件11上。通过将互连电极16设置到被支撑部14 (其由支撑元件13保持相对静止)上，可以防止互连电极16发生振动，同时实现了相对无应力的附连。如图3所示，互连电极16可直接连接至薄膜膜片7，其在流体腔室2的至少一个侧壁5A-D之间，例如在致动器9附近或中点处上。 正如本领域已知的，致动器9可包括连接至压电元件的至少两个电极(未示出)，在这两个电极之间有电压。一个实施例可在压电陶瓷元件11的相对表面上具有电极。相应压电陶瓷元件11与膜片10之间界面处的平面上的相应电极(以下称为“内部电极”)可形成相同层的一部分，而且具有相同的对地电压。事实上，内部电极层可被保持在地电势。当压电陶瓷元件11包括图案化压电陶瓷元件11A，IlB时，可在电极和压电陶瓷元件11之间延伸的界面导电层可以是连续的，从而使得每个内部电极可以通过界面导电层电连接至相应的压电陶瓷元件11A，11B。相对的电极，也就是在压电陶瓷元件11外侧与膜片10相对的电极，可通过导电薄膜条连接至互连电极16。在一种制造方法中，导电薄膜条可在将压电陶瓷元件11图案化到膜片10上之后添加。为了避免额外的处理步骤，内部电极可以是连续的。在每个压电陶瓷元件11A，IlB被独立控制的实施例中，导电薄膜可从与每个外部电极相关联的每个独立的互连电极16延伸。在其它实施例中，可以在压电陶瓷元件11的相同平面中和/或在其外表面上提供两个电极。可提供和集成多个电极，将每隔一个电极具有相同的电压，并且它们被连接至对应的图案化压电陶瓷元件11A，IlB0 图4示出了一个实施例，其中支撑元件13可被布置在流体腔室2的外部。支撑元件13可被连接至打印头部分17，所述打印头部分大致地、至少部分与致动器9相对地延伸且处于墨液腔室2外部。所述部分17可以是相对刚性的部分。所述部分17可包括盖帽和/或保护层，用于保护和/或气密密封压电陶瓷元件11并且支撑住支撑元件13。例如，该部分17可包括直立壁17A和/或与致动器9相对的部分17B。图5用俯视图的形式示出了压电喷墨打印头单元I的另一实施例。单元I可包括图案化压电陶瓷元件11。图案化压电陶瓷元件11可包括多个独立的压电陶瓷元件11C-F。在所示实施例中，提供了 4个压电陶瓷元件11C-F。独立的压电陶瓷元件IlC-F是可独立控制的。独立的压电陶瓷元件IIC-F可大致互相平行地延伸。致动器9可包括位于压电陶瓷元件IlC-F之间的多个中断12A-C，例如3个中断12A-C。图6用俯视图的形式示出了压电喷墨打印头单元I的另一实施例。流体腔室2可具有大致圆形的形状，如俯视图所示。流体腔室2可包括一个侧壁5。侧壁5可基本上是圆形的。单元I可包括支撑元件13，其被布置成大致抵靠着致动器9的中间部分。单元I可包括支撑元件13和对应的被支撑部14，它们大致布置在腔室2的中点处，如顶视图所示。致动器9可包括处于被支撑部14处的中断12。致动器9可包括基本上是圆形的压电陶瓷元件11。中断12可被大致提供在压电陶瓷元件11的中间部分中。压电陶瓷元件 11可被布置成邻近支撑元件13以及邻近侧壁5，处于支撑元件13和侧壁5之间，如顶视图所示。在膜片10的较接近支撑元件13或接近侧壁5的部分处，振动可以被抑制。因此，压电陶瓷元件11可被布置在离相应支撑元件13 —定距离处和/或离相应侧壁5 —定距离处，如顶视图所示。例如，这样的距离可以是至少I微米，或至少5微米，或至少10微米。图7示出了单元I的进一步的实施例，其中示出了流体腔室2的顶视图。腔室2可包括圆形或圆内接多边形形状，如顶视图所示，其具有圆形壁5或具有圆内接多边形形状的壁5。支撑元件13可包括柱体。支撑元件13可大致在腔室2的中间处延伸，如顶视图所示。例如，可提供两个进口 15。支撑元件13可在进口 15和出口 6之间延伸。可利用计算流体动力学模型来设置进口 15的位置。这样，流体可以有利地流过支撑元件13。此外，两个进口 15可使流体更加均匀地流过流体腔室2，因而扫过腔室2。图8以透视图的形式示出了单元I的一个实施例，其中致动器9被除去。可以看到同一晶片中相邻腔室2的各部分。图中示出了一组支撑元件13。该组可包括矩阵式结构。例如，可提供两个或更多个行和/或列的支撑元件13。在所示布局中，支撑元件阵列包括3行、3列的支撑元件13，也就是9个支撑元件13。支撑元件13可按规则间距D布置，例如，间距为大约30微米到大约80微米之间，例如大约为55微米。腔室的长度和/或宽度可例如为大约115到400微米，例如为大约265微米。支撑元件13的阵列可布置在进口 15和出口 6之间。进口 15可布置在流体腔室2的侧面上，且邻近相应侧壁5C，5D。邻近所述侧面的进口 15可使流体有利地在腔室2中流动。设置多个行和/或列的支撑元件13可允许致动器9跨过相对较宽的流体腔室2。中断12可布置在膜片10 (未示出)的被支撑部13。图9示出了单元I的顶视图，其中为了便于图示，去除了致动器9。单元I可包括出口 6和两个进口 15。可在出口 6和进口 15之间提供支撑元件13的阵列，例如以彼此间相等的间距D布置4个支撑元件13。单元I的腔室2可被成形为基本上呈正方形，其中，角部可被弄圆。如图所示，多个支撑元件13可被布置成对应的正方形形状，其中支撑元件13可被提供在每隔弄圆或剪切过的角部附近。腔室2的至少一个侧面角部可被剪切掉，从而为腔室提供剪切侧18。由于剪切，腔室2可包括另两个角部，这两个角部也可被弄圆。出口6可设在与腔室2的剪切侧18相对的弄圆的角部处。进口 15可布置在剪切侧18附近，例如在剪切侧18的每个弄圆的角部19附近。这种布局可以使流体在流体腔室2中相对较为均匀地流动。弄圆的角部可使流体流动呈流线形，而剪切可有助于在整个腔室2中分配流体。 图10示出了打印头的一部分，其中多个单元I (可对应于图9中的单元I)以阵列形式布置。如图所示，单元I的喷嘴7可被布置成行和/或列。单元I可被布置成像矩阵一样和/或沿对角直线布置。单元I的不同行和/或列的出口 16可被布置成大致在相同的假想直线L上，如图10所示。所示实施例可允许打印头具有相对较高的喷嘴密度。图11示出了一个实施例，其中单元I具有基本上细长形的形状，其中腔室2的侧壁5的周界可以被成形为跑道形状。进口 15可被布置在腔室2的纵向端附近，例如在侧壁5中。出口 6可被布置在与进口 15相对的纵向端。可在进口 15和出口 6之间布置多个支撑元件13。支撑元件13可被布置在能够在进口 15和出口 6之间画出的假想直线L2上，至少如顶视图所示。跑道形状可允许在整个腔室2中相对均匀地引导流体。在图11中，压电陶瓷元件11由虚线表示。压电陶瓷元件11可被图案化成在被支撑部14处包含中断12。中断12可具有离被支撑部14 一定距离的边界，这样可以在被支撑部14和压电陶瓷元件11之间留下间隙，至少如顶视图所示。此外，压电陶瓷元件I的圆周边界可以离侧壁5 —定距离延伸，至少如顶视图所示，这已参照图6进行了讨论。致动器9可具有大约2. 5微米的厚度。相邻支撑元件13之间的距离D以及支撑元件13与侧壁5之间的距离可以是例如大约55微米，或例如至少在30至80微米之间。压电陶瓷元件11的所示图案可允许致动器9具有相对一致的位移和刚性，即时在跨度不精确等于所述距离D的情况下也一样。在所示实施例中，致动器厚度为大约2. 5微米，支撑元件13之间以及支撑元件13与侧壁5之间的距离D为大约55微米，这样的实施例可导致致动器9每发生一次偏转，有大约3. 3皮升最大排出体积的流体被排到出口 6中。图12示出了与图11相似但具有与图11不同特征的单元I的实施例。划分中断12D可将压电陶瓷元件11分为两个分离的压电陶瓷元件11G，IlH0压电陶瓷元件11G，IlH是可独立控制的。对应的电极16 (图12未示出)可被布置在至少一个被支撑部14上，并被附连到每个压电陶瓷元件11G，11H。划分中断12D可在至少一个被支撑部14上延伸。划分中断12D可包括位于膜片10中点处且侧向地在膜片10的宽度上延伸的开口，至少如顶视图所示。在一个实施例中，分离的、可独立控制的压电陶瓷元件11G，IlH可被非同时地致动，以实现较好的流体流动。有利的是，相应压电陶瓷元件11的布局方式可被调整成实现最佳偏转。膜片10的厚度和/或压电陶瓷元件11的厚度可被调整成达到期望的流体压力。这可适用于本公开中的每个致动器9。每种设计可被优化成在满足出口处期望流速所需的压力的情况下，达到最大的可能位移，。尽管在被支撑部14上提供中断12可能是有利的，但如上文所述，在某些实施例中，压电陶瓷元件11可在被支撑部14以及支撑元件13或侧壁5A-D上无中断地延伸。另夕卜，本发明不排除使用细长形状的流体腔室。尽管本说明中描述了用于喷墨打印头的单元1，但在其他实施例中，单元I可包括例如除压电喷墨打印头单元以外的任何类型的压电致动器。例如，流体可包括液体和/或气体。单元I可以是使流体运动的MEMS (微机电系统)装置，其中MEMS装置可例如形成片上实验室(lab on a chip)的一部分。在其它实施例中，单元I可包括用于排出空气的扬声器或发音装置。在另一实施例中，单元I可包括用于使部件运动的装置，例如原子力显微镜中控制梢部位置的装置。第一方面，提供了压电单元1，包括(i)流体腔室2，(ii)流体出口 6，(iii)致动器9。单元I可包括薄膜压电陶瓷元件11 以及膜片10，其用作流体腔室2的壁4;以及(iv)支撑元件13，支撑元件13用于防止致动器9的被支撑部14沿致动器9的致动运动M的主方向运动，同时允许在被支撑部14的至少两侧进行致动运动M，其中支撑元件13被连接至可大致相对于(或称相反于)致动器延伸的单元部分4，17。第二方面，提供了利用压电致动来喷射流体滴的方法。所述方法可包括(i)对压电陶瓷元件11进行致动；(ii)使膜片10振动，膜片10被至少一个流体腔室壁5，5A-D以及至少一个支撑元件13支撑，从而使得膜片10在邻近支撑元件13的至少两侧偏转，而且膜片10的偏转在其与支撑元件13附连的部分14处被抑制；(iii)响应于支撑元件13至少两侧的振动，流体腔室2中的流体在通向腔室2的出口 6的方向上沿支撑元件13流动；以及(iv)流体滴由于振动从相应出口 6中喷射出。第三方面，提供了一种制造压电单元I的方法。所述方法可包括(i)通过在膜片10上图案化压电陶瓷材料来制造薄膜致动器9，其中致动器9的厚度可以是大约5微米或更小；以及(ii)将致动器9连接至晶片，其中所述晶片可包括流体腔室壁5，5A-D和支撑元件13，连接后从与致动器9的表面垂直的方向看，支撑元件13在腔室2的至少一个侧壁5之间延伸，从而使得支撑元件13和壁5可在薄膜致动器9与所述晶片连接后支撑薄膜致动器9。上文的描述并不是穷举性的，不应用来将本发明限制在所描述的实施例内。根据对附图、公开内容以及所附权利要求的研究，在实施要求保护的发明时，本领域技术人员能够理解和实现所公开实施例的其他变型。在权利要求书中，用语“包括”并不排除其他元件或步骤，以及表示英语不定冠词的“一”或“一个”并不排除复数，同时，提到部件的某一数量并不排除具有更多部件的可能性。单个单元可实现本公开所述多个项目的功能，而本公开所述的多个项目可实现一个单元的功能。在互不相同的从属权利要求中给出了某些的量值，但这个简单的事实并不意味着不能有利地使用这些量值的组合。在不脱离本发明范围的情况下，可以实现多种替代方案、等同方案、变型以及组合。
权利要求
1.压电单元，包括 流体腔室； 流体出口 ； 致动器，其包括薄膜压电陶瓷元件和膜片，其用作所述流体腔室的壁；以及 支撑元件，其被布置成用于防止所述致动器的被支撑部沿所述致动器的致动运动的主方向运动，同时允许在所述被支撑部的至少两侧进行这样的致动运动，其中 所述支撑元件被连接至大致相对于所述致动器延伸的单元部分。
2.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述压电元件的厚度为大约5微米或更小。
3.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述压电元件的厚度为大约I.5微米或更小。
4.权利要求I所述的压电单元，包括沉积烧结压电陶瓷元件。
5.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述致动器包括图案化压电陶瓷元件。
6.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述图案化压电陶瓷元件包括两个可独立控制的压电陶瓷元件。
7.根据权利要求I所述的压电单元，其中用于将所述致动器连接至驱动电路的互连电极被布置于所述致动器的被支撑部。
8.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述支撑元件从所述流体腔室的底部开始在所述流体腔室中延伸。
9.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述支撑元件包括柱体。
10.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述流体腔室的长度是所述流体腔室的宽度的大约I至3倍。
11.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述致动器在所述流体腔室上方延伸，延伸的距离在两个垂直方向上为至少大约115微米。
12.根据权利要求I所述的压电单元，其中相邻支撑元件之间的距离是30-80微米。
13.根据权利要求I所述的压电单元，其中所述支撑元件在所述出口和进口之间延伸。
14.利用压电致动来喷射流体的方法，包括 对压电陶瓷元件致动； 使膜片振动，所述膜片被至少一个流体腔室壁以及至少一个支撑元件支撑，从而使得所述膜片在邻近所述支撑元件的至少两侧处偏转，而且膜片的偏转在其与所述支撑元件连接的部分处被抑制； 响应于振动，流体腔室中的流体在通向所述腔室的出口的方向上沿所述支撑元件流动；以及 流体由于振动从相应出口中喷射出。
15.制造压电单元的方法,包括 通过在膜片上图案化压电陶瓷材料来制造薄膜致动器，其中所述致动器具有大约5微米或更小的厚度；以及 将所述致动器连接至晶片，所述晶片包括流体腔室壁和支撑元件，连接后从与所述致动器的表面垂直的方向看，所述支撑元件在所述腔室的至少一个侧壁之间延伸，从而使得所述支撑元件和所述壁在所述薄膜致动器与所述晶片连接后对支撑所述薄膜致动器。
全文摘要
压电单元，包括流体腔室；流体出口；致动器，所述致动器包括薄膜压电陶瓷元件和膜片，用作所述流体腔室的壁；以及支撑元件，所述支撑元件被布置成用于防止所述致动器的被支撑部沿所述致动器的致动运动的主方向运动，同时允许在所述被支撑部的至少两侧进行致动运动，其中所述支撑元件被连接至大致相对于所述致动器延伸的单元部分。
文档编号B41J2/175GK102639328SQ201080049507
公开日2012年8月15日 申请日期2010年10月29日 优先权日2009年10月30日
发明者P.马迪洛维奇, T.S.克鲁斯-乌里贝 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业