專利名稱：液體排放頭和記錄裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液體排放頭和記錄裝置，該液體排放頭包括用于排放液滴的排放口和與所述排放口連通的液體腔室，液滴通過(guò)改變液體腔室的容積來(lái)排放。本發(fā)明的液體排放頭和記錄裝置可應(yīng)用于用于在紙、布、皮革、非織造布、OHP(投影儀)片及類似物上印刷的記錄裝置；圖案形成裝置；用于將液體涂敷到諸如襯底、板材等的固體物品上的涂敷裝置。
背景技術(shù)：
常規(guī)地，諸如噴墨打印機(jī)的記錄裝置由于其低噪音、低運(yùn)行成本、及容易使裝置小型化和調(diào)色而廣泛用于記錄裝置，如打印機(jī)、傳真機(jī)及類似物中。尤其是，使用壓電致動(dòng)機(jī)構(gòu)或類似物作為專用于裝置制造的圖案形成裝置的液體排放頭，由于可以高度自由地選擇排放液體應(yīng)用越來(lái)越廣泛。
如日本專利No.3379538所公開的，現(xiàn)在詳細(xì)說(shuō)明利用壓電致動(dòng)機(jī)構(gòu)從液體排放頭中的排放口排放液體的方法。用于使分液體腔室的容積收縮和膨脹的容積控制通過(guò)提供電信號(hào)施加位移進(jìn)行，所述位移即時(shí)傳遞到構(gòu)成部分分液體腔室的振動(dòng)板上。因此，液體延伸并開始以液柱狀態(tài)投射到外側(cè)。此后，液體飛越間隙或記錄間隙(在液體排放頭和待記錄的材料之間)，同時(shí)借助表面張力分離成多個(gè)液滴。
一方面，在噴嘴(液體排放口)線上的分辨率越高，則應(yīng)用中運(yùn)送到記錄裝置或圖案形成裝置的所排放的液體量越細(xì)。還實(shí)現(xiàn)了更高精度的液滴沉積精度。使分液體腔室的寬度變窄的方法正被研究作為獲得更高分辨率的主要方法。
然而，當(dāng)通過(guò)使分液體腔室的寬度變窄來(lái)增加分辨率時(shí)，尤其是，當(dāng)使售貨機(jī)型液體排放頭中的分液體腔室的寬度變窄時(shí)，不能充分保證振動(dòng)板的彎曲變形及由其產(chǎn)生的振動(dòng)板的位移。因此，不能實(shí)現(xiàn)所希望的排放性能(排放量和排放速度)。
作為這個(gè)問題的對(duì)策，曾考慮使振動(dòng)板的厚度盡可能薄。然而，從發(fā)明人的詳細(xì)研究中發(fā)現(xiàn)了下列問題。
研究對(duì)象是稱為單壓電晶片型(售貨型)壓電記錄頭的液體排放頭，所述壓電記錄頭具有形成在振動(dòng)板上的壓電體和電極。制備了振動(dòng)板的厚度改變的各種不同類型的壓電記錄頭，以比較排放壽命。用于確定壽命的準(zhǔn)則是其間由于振動(dòng)板斷裂而在振動(dòng)板部分處產(chǎn)生液體漏泄的時(shí)間周期。評(píng)估達(dá)到該點(diǎn)的排放操作次數(shù)。可以很容易假定，在更薄的振動(dòng)板中，由于振動(dòng)板的斷裂而導(dǎo)致壽命更短。
在公開待審的日本專利申請(qǐng)No.2000-272126中公開了一種致動(dòng)裝置，其中下電極的端部是起壓電元件的主要驅(qū)動(dòng)部分作用的壓電體有效部分的端部，而膜厚度部分設(shè)在下電極的所述端部外側(cè)上的絕緣層上。如后所述，在本發(fā)明的實(shí)施例中，與“膜厚度部分”相對(duì)應(yīng)的部分所設(shè)置的位置明顯與公開待審的日本專利申請(qǐng)No.2000-272126中的位置不同。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是提供一種液體排放頭和一種記錄裝置，所述液體排放頭中分液體腔室的寬度變窄以實(shí)現(xiàn)高分辨率，防止振動(dòng)板斷裂以延長(zhǎng)壽命，并保證足夠的排放壽命。
為了達(dá)到所述目的，本發(fā)明的液體排放頭包括排放口，所述排放口用于排放液體；液體腔室，所述液體腔室與所述排放口連通；壓電元件，所述壓電元件包括一個(gè)電極層、另一個(gè)電極層和夾在對(duì)應(yīng)于液體腔室獨(dú)立地設(shè)置的所述一個(gè)電極層和另一個(gè)電極層之間的壓電膜，并包括壓電驅(qū)動(dòng)部分，在所述壓電驅(qū)動(dòng)部分處壓電膜對(duì)應(yīng)于液體腔室變形和位移；及振動(dòng)板，所述振動(dòng)板插在壓電元件和液體腔室之間，其中，在所述一個(gè)電極層的布置方向上，振動(dòng)板的與壓電驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)應(yīng)的部分的兩端的抗彎剛性大于所述兩端之間的區(qū)域的抗彎剛性。
按照本發(fā)明，在其中使液體腔室的寬度變窄以達(dá)到高分辨率的構(gòu)造中，即使振動(dòng)板變薄到充分保證振動(dòng)板的位移，也可以通過(guò)增加振動(dòng)板的周邊區(qū)域的抗彎剛性防止振動(dòng)板的斷裂并延長(zhǎng)壽命。從而提供了具有高分辨率和長(zhǎng)壽命的液體排放頭。


圖1A，1B和1C是示出按照例1所述的記錄頭的視圖，其中圖1A是示出記錄頭的主要部分的局部剖視圖，圖1B示出記錄頭的示意平面圖，圖1C是說(shuō)明制造振動(dòng)板的方法的視圖；圖2是說(shuō)明振動(dòng)板和圖1A、1B和1C的記錄頭的分液體腔室的設(shè)置的示意平面圖；圖3A和3B是示出振動(dòng)板的位移的曲線圖，其中圖3A是現(xiàn)有技術(shù)的振動(dòng)板的位移曲線，而圖3B是實(shí)施例的振動(dòng)板的位移曲線；圖4是示出按照第五例所述記錄頭的主要部分的局部剖視圖；圖5是說(shuō)明記錄頭的振動(dòng)板和分液體腔室的設(shè)置的示意平面圖；圖6是說(shuō)明例6的記錄頭的振動(dòng)板和分液體腔室的設(shè)置的示意平面圖；圖7A和7B是說(shuō)明例7的記錄頭的振動(dòng)板和分液體腔室的設(shè)置的示意平面圖；圖8是說(shuō)明例8的記錄頭的振動(dòng)板和分液體腔室的設(shè)置的示意平面圖；圖9是說(shuō)明按照本發(fā)明的例9所述的液體排放頭的框架格式剖視圖；圖10是說(shuō)明按照本發(fā)明的例9所述的液體排放頭的示意平面圖；圖11A和11B的框架格式剖視圖說(shuō)明了用于形成按照本發(fā)明的例子所述的振動(dòng)板的方法；圖12是說(shuō)明按照本發(fā)明的例12所述的液體排放頭的示意平面圖；圖13是說(shuō)明按照本發(fā)明的例13所述的液體排放頭的示意平面圖；圖14是說(shuō)明按照本發(fā)明的例14所述的液體排放頭的示意平面圖；圖15是說(shuō)明按照本發(fā)明的例15所述的液體排放頭的示意平面圖；
圖16是說(shuō)明整個(gè)記錄裝置的框架格式透視圖；圖17是示出現(xiàn)有技術(shù)的記錄頭的主要部分的局部剖視圖；和圖18是說(shuō)明圖17的裝置的振動(dòng)板和分液體腔室的布置的示意平面圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在根據(jù)各

本發(fā)明的實(shí)施例。
在本發(fā)明中，壓電元件的“壓電驅(qū)動(dòng)部分”指壓電元件與自變形部分相對(duì)應(yīng)的部分，所述自變形部分夾在壓電膜的一對(duì)電極層之間，該壓電元件的所述部分可對(duì)應(yīng)于液體腔室位移。本發(fā)明具有這樣的特征在兩電極層其中一個(gè)的布置方向上，振動(dòng)板的與壓電驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)應(yīng)的部分的兩端的抗彎剛性大于所述兩端之間的區(qū)域的抗彎剛性。在本發(fā)明中，壓電驅(qū)動(dòng)部分和振動(dòng)板彼此完全接觸。
在按照本發(fā)明所述的第一示例性實(shí)施例中，振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分的楊氏模量大于兩端之間的區(qū)域的楊氏模量。在這種情況下，楊氏模量的差優(yōu)選地大于或等于40GPa。這是由于本發(fā)明的效果在較高的水平處出現(xiàn)。
在按照本發(fā)明所述的第二示例性實(shí)施例中，振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分比兩端之間的區(qū)域厚。在這種情況下，厚度差優(yōu)選地大于或等于1μm。這是由于本發(fā)明的效果在較高的水平處出現(xiàn)。在本實(shí)施例中，振動(dòng)板的兩端的厚的部分凸出到液體腔室的內(nèi)側(cè)的形式比相關(guān)的厚的部分凸出到外側(cè)的形式更優(yōu)選。這是由于當(dāng)凸出的部分位于液體腔室的內(nèi)側(cè)上時(shí)，排放頭更容易制造(比如，容易使薄膜在振動(dòng)板的外側(cè)上生長(zhǎng))。
在本發(fā)明中，第一示例性實(shí)施例比第二示例性實(shí)施例更優(yōu)選。這是由于第一示例性實(shí)施例的基本結(jié)構(gòu)在振動(dòng)板處沒有凸出的部分，因而使排放頭更容易制造。
在本發(fā)明中，振動(dòng)板的厚度優(yōu)選地小于或等于10μm。這是由于本發(fā)明的效果在較高的水平處出現(xiàn)。如圖1A和1B所示，起液體排放頭作用的記錄頭包括噴嘴2、連通口4和分液體腔室5，所述噴嘴2起形成在噴嘴板1中的排放口作用，而按照本發(fā)明，所述分液體腔室5起形成在基體3中的液體腔室的作用。另外，設(shè)置有起容積改變裝置作用的壓電元件6，用于通過(guò)控制(改變)分液體腔室5的容積來(lái)給分液體腔室5中的墨或液體加壓。壓電元件6的加壓力通過(guò)振動(dòng)板7傳遞到分液體腔室5內(nèi)部的墨上。
振動(dòng)板7內(nèi)與分液體腔室5的中心部分相對(duì)應(yīng)的第一區(qū)域(中心區(qū)域)7a由具有小楊氏模量的耐熱玻璃及類似物制成，以便得到足夠的振動(dòng)板的位移。振動(dòng)板7與分液體腔室5的周邊部分相對(duì)應(yīng)的第二區(qū)域(周邊區(qū)域)7b用硅或類似物制成。也就是說(shuō)，振動(dòng)板7的周邊區(qū)域或第二區(qū)域7b被構(gòu)造成具有比內(nèi)側(cè)上的中心區(qū)域或第一區(qū)域7a更高的楊氏模量。
因?yàn)樾⌒突酶〉囊后w排放頭噴嘴節(jié)距進(jìn)行，所以振動(dòng)板必需變薄，以得到足夠的振動(dòng)板的位移，這會(huì)引起在振動(dòng)板處斷裂，并縮短了液體排放頭的壽命。因此，增加具有大位移量的振動(dòng)板的周邊區(qū)域的楊氏模量，以防止振動(dòng)板的斷裂并實(shí)現(xiàn)液體排放頭的更長(zhǎng)的壽命。
圖1A，1B，1C和2示出了例1。采用這樣一種方法對(duì)應(yīng)于噴嘴2設(shè)置壓電元件6，并通過(guò)將與記錄信息相對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)提供給壓電元件6來(lái)從噴嘴2排放液滴。設(shè)置有電極接線用于將電力提供給壓電元件6。壓電元件6包括上電極(一個(gè)電極層)6b、下電極(另一個(gè)電極層)6c、和夾在一對(duì)電極之間的壓電膜6a。振動(dòng)板7和下電極6c跨過(guò)相鄰液體腔室設(shè)在襯底的整個(gè)表面上，而壓電膜6a和上電極6b按分別對(duì)應(yīng)于液體腔室5的方式設(shè)置，如圖1B(圖1A的平面示意圖)所示。振動(dòng)板7布置成插在壓電元件6和液體腔室5之間。
附圖標(biāo)記5a是用于將液體供給到液體腔室5的供給路徑。供給路徑5a設(shè)置成沿垂直于圖1A的表面的方向延伸。液體通過(guò)供給路徑5b供應(yīng)到多個(gè)液體腔室5的每一個(gè)。
在圖1B中，附圖標(biāo)記5代表液體腔室的外周邊。附圖標(biāo)記6f是壓電驅(qū)動(dòng)部分，壓電膜6a在壓電驅(qū)動(dòng)部分處變形和位移。如上所述，壓電元件6的壓電驅(qū)動(dòng)部分6f指與自變形部分相對(duì)應(yīng)的部分，所述自變形部分夾在壓電元件6的電極對(duì)6b，6c之間，所述部分(與圖1B中陰影線部分相對(duì)應(yīng)的部分)可對(duì)應(yīng)于液體腔室5位移。在上電極6b的布置方向(圖1B中左右方向)上，振動(dòng)板7的與壓電驅(qū)動(dòng)部分6f相對(duì)應(yīng)的部分的兩端(對(duì)應(yīng)于6e)的抗彎剛性大于兩端之間的區(qū)域(相應(yīng)于6d)的抗彎剛性。
現(xiàn)在說(shuō)明用于制造記錄頭的方法。首先，基體3用下述方式制造。蝕刻掩膜用光刻法形成在硅襯底上。厚度為1μm的氧化物膜或類似物用于蝕刻掩膜。采用ICP(感應(yīng)耦合等離子體)蝕刻裝置作為蝕刻裝置，并且蝕刻氣體采用SF6、C4F8。
用于形成分液體腔室5的圖案的蝕刻掩膜設(shè)在硅襯底的前表面上，所述硅襯底的厚度為400μm，并利用ICP蝕刻裝置形成分液體腔室5，所述分液體腔室5的深度為100μm，寬度(D)為100μm，且長(zhǎng)度(L)為2500μm，如圖2所示。分液體腔室5通過(guò)分液體腔室間隔壁3a間隔開。
用于形成連通口4的圖案的蝕劑掩膜設(shè)在厚度為400μm的硅襯底的背面上。深度為300μm的連通口4用ICP蝕刻裝置形成。
此后，將振動(dòng)板7附接到硅襯底的表面上。
然后在振動(dòng)板7上形成壓電元件6，并將噴嘴板1附接到硅襯底的背面?zhèn)壬?，所述噴嘴?通過(guò)沖壓法或類似方法由SUS板等獨(dú)立地加工。
用于制造振動(dòng)板的方法如下所述。如圖1C所示，在將楊氏模量為130GPa的(100)硅襯底7B和楊氏模量為87GPa的SD2耐熱玻璃7A(由HOYA制造的陽(yáng)極粘結(jié)玻璃)通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法粘結(jié)之后，實(shí)施拋光使之變薄，得到了厚度為3μm的振動(dòng)板7。
制備下列樣品用于比較。
(比較例1)如圖17和18所示，制造了噴嘴(排放口)密度為150dpi的記錄頭。記錄頭包括帶有噴嘴1002的噴嘴板1001、帶有連通口1004和分液體腔室1005的基體1003、壓電元件1006和振動(dòng)板1007。分液體腔室1005的寬度為約100μm，分液體腔室1005的長(zhǎng)度為約2500μm，振動(dòng)板1007的板厚為約3μm。將矩形電壓波形施加到記錄頭上，重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第3×109次排放操作，在振動(dòng)板1007的一部分處觀察到液體漏泄。
(比較例2)與比較例1相似，制造了噴嘴(排放口)密度為150dpi的記錄頭。分液體腔室的寬度為約100μm，分液體腔室的長(zhǎng)度為約2500μm，振動(dòng)板的板厚為約5μm。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第5×109次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄。
(比較例3)與比較例1相似，制造了噴嘴(排放口)密度為150dpi的記錄頭。分液體腔室的寬度為約100μm，分液體腔室的長(zhǎng)度為約2500μm，及振動(dòng)板的板厚為約7μm。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第7×109次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄。
仔細(xì)地審查各比較例的結(jié)果以找出原因，并顯示出下列幾點(diǎn)首先，在比較例1的分液體腔室的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，以掌握振動(dòng)板的位移形狀。因?yàn)閴弘娫袎弘婓w和電極的厚度是顯微的，所以壓電元件表面的表面位移被假定為基本上與振動(dòng)板的位移相同。
圖3A是曲線圖，圖中在水平軸上繪出分液體腔室的縱向方向上的坐標(biāo)，而在垂直軸上繪出位移量。針對(duì)位移，將時(shí)間周期t1、t2、t3期間、在分液體腔室的中心橫截面的位置處測(cè)量的振動(dòng)板表面的位移結(jié)果示出為曲線T1、T2、T3，分液體腔室在所述時(shí)間周期t1、t2、t3內(nèi)擴(kuò)張。
振動(dòng)板的位移沒有變形成單峰凸形，而是變形成在兩端處具有角的雙峰形。盡管在程度上有差別，但在所有比較例1-3中都觀察到這種狀態(tài)。兩端處的角的部分比其它部分受到更大的彎曲，并且重復(fù)地增加對(duì)薄的振動(dòng)板來(lái)說(shuō)是嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，因而可能發(fā)生斷裂。
抑制形成在分液體腔室的縱向方向上兩端處的兩個(gè)有角峰的方法包括將振動(dòng)板的材料換成具有大楊氏模量的材料。然而，這種方法也降低了在分液體腔室的縱向方向上中心部分的振動(dòng)板的位移量，不能保證令人滿意的排放。
因此，在本例中，將具有大楊氏模量的振動(dòng)板材料用于分液體腔室的縱向方向上兩端處的部分，而將具有小楊氏模量的振動(dòng)板材料用于分液體腔室的縱向方向上的中心部分，以抑制在分液體腔室的縱向方向上兩端處產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰。用于測(cè)量楊氏模量的方法包括已知的“膜變形法”，“推擠試驗(yàn)法”、“Brillouin散射法”，“超聲顯微鏡法”，“諧振法”，“表面彈性波法”等。
現(xiàn)在觀察振動(dòng)板的楊氏模量的優(yōu)選范圍。楊氏模量的下限必需是足夠使“以某一質(zhì)量(或重量)存在的液體”流動(dòng)(抵抗液體的重量的流動(dòng))到分液體腔室中的數(shù)值。至于楊氏模量的上限，為了防止振動(dòng)板的損壞起見，數(shù)值越大越合適。盡管它似乎受到位移量下降的限制，但位移量的下降通過(guò)使分液體腔室的寬度變寬來(lái)改善，并可以通過(guò)使振動(dòng)板的厚度進(jìn)一步變薄來(lái)改善。因此，只要是材料適合于制造記錄頭，則在本實(shí)施例中可以使用具有世界上現(xiàn)有的最大楊氏模量的材料。
例1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下。將矩形電壓波形施加到例1的記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第2×1010次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與比較例1相比，使用壽命增加了。與比較例1相似，在分液體腔室的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，利用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。結(jié)果，抑制了形成在分液體腔室的縱向方向上兩端處的兩個(gè)角形峰，如圖3B中所示，因而沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例2在將楊氏模量為130GPa的(100)硅與楊氏模量為87GPa的SD2(由HOYA制造的陽(yáng)極粘結(jié)玻璃)通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法粘結(jié)之后，進(jìn)行拋光使之變薄，得到了厚度為5μm的振動(dòng)板。其它制造方法與比較例2相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第3×1010次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與對(duì)比較例2相比，壽命增加。在采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果中，抑制了形成在分液體腔室縱向方向上兩端處的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例3在將楊氏模量為130GPa的(100)硅與楊氏模量為87GPa的SD2(由HOYA制造的陽(yáng)極粘結(jié)玻璃)通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法粘結(jié)之后，進(jìn)行拋光使之變薄，得到了厚度為7μm的振動(dòng)板。其它制造辦法與比較例3相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第4×1010次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與比較例3相比，使用壽命增加。在采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果中，抑制了形成在分液體腔室的縱向方向上兩端處的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例4在將楊氏模量為190GPa的(111)硅與楊氏模量為87GPa的SD2(由HOYA制造的陽(yáng)極粘結(jié)玻璃)通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法粘結(jié)之后，進(jìn)行拋光使之變薄，得到了厚度為5μm的振動(dòng)板。其它的制造方法與比較例2相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第5×1010次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與比較例2相比，使用壽命增加。在采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果中，抑制了形成在分液體腔室的縱向方向上兩端處的兩個(gè)角形峰。因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例5如圖4和5中所示，厚度為5μm且楊氏模量為130GPa的(100)硅襯底27a可以考慮作為振動(dòng)板27的基底。SiN薄膜27b(楊氏模量為267GPa)通過(guò)濺射法或類似方法生長(zhǎng)和堆疊在第二區(qū)域上，所述第二區(qū)域位于硅襯底27a的第一區(qū)域的兩端，該第一區(qū)域接觸分液體腔室5的中心部分處的液體。堆疊結(jié)構(gòu)不僅通過(guò)總體地增加楊氏模量來(lái)增強(qiáng)抗彎剛性，而且目的是通過(guò)總體地增加厚度來(lái)增強(qiáng)抗彎剛性。該振動(dòng)板27通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法與硅基體3粘結(jié)。其它的制造方法與比較例2相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)排放操作。結(jié)果，與(100)硅的單個(gè)基體制成5μm厚的振動(dòng)板時(shí)相比，使用壽命增加。與比較例2相似，在分液體腔室5的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。結(jié)果，抑制了形成在分液體腔室5的縱向方向上兩端處的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例6如圖6所示，將噴嘴密度制成80dpi(分液體腔室5的寬度為270μm)，并制造包括具有500μm的短長(zhǎng)度的分液體腔室35的記錄頭，目的是為了顯著增加驅(qū)動(dòng)頻率。在這種情況下，即使振動(dòng)板37的厚度不象例1-5中那樣薄，但端部支撐距離在分液體腔室35的縱向方向和寬度方向(垂直于一個(gè)電極層的布置方向的方向)上都長(zhǎng)。因此，在分液體腔室35的縱向方向和寬度方向上，都觀察到了如圖3A中所示的變形。
與例1-4相似，包括由硅制成的第一區(qū)域37a和由SD2制成的第二區(qū)域37b的振動(dòng)板37通過(guò)重復(fù)粘結(jié)和拋光(100)硅或(111)硅和SD2制造，并制造記錄頭。在這種情況下，振動(dòng)板37的第二區(qū)域37b由硅形成，并且所述部分的楊氏模量較大。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，與振動(dòng)板僅用SD2制造的記錄頭相比，壽命增加。另外，在分液體腔室的縱向方向和寬度方向上的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集液體腔室容積控制裝置的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。結(jié)果，如圖3B所示，抑制了在分液體腔室的縱向方向和寬度方向上兩端處產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
在例1-4和例6中，振動(dòng)板通過(guò)粘結(jié)技術(shù)和拋光法制造，但也可以用其它技術(shù)制造。
例7如圖7A和7B中所示，如果分液體腔室45和面向液體腔室45的振動(dòng)板47的外部形狀是圓形或基本上是圓形，則將具有大楊氏模量的第二區(qū)域47b相對(duì)于中心處的第一區(qū)域47a同心設(shè)置。
例8如圖8所示，象例1-3中那樣，通過(guò)將具有比第一區(qū)域57a更大楊氏模量的材料用于振動(dòng)板57的第二區(qū)域57b，即使分液體腔室55的端部為沒有角的R形，也能得到同樣的效果。在本例中，液體腔室5通過(guò)緊固部5c緊固。因此，使分液體腔室之間的壓力干擾(pressurecross talk)更小。
例9現(xiàn)在，將根據(jù)相應(yīng)

本發(fā)明的實(shí)施例。
如圖9和10所示，按照本發(fā)明所述的液體排放頭具有形成在基體3中的分液體腔室5或者液體腔室，所述分液體腔室5或液體腔室通過(guò)連通口4與形成在噴嘴板1中的多個(gè)排放口2連通。
在每個(gè)分液體腔室5中都設(shè)置有壓電元件6，而用于將壓電元件6的位移傳送到分液體腔室5中液體的振動(dòng)板7插在壓電元件6和分液體腔室5之間。
振動(dòng)板7包括厚的厚度部分7d和薄的厚度部分7c，所述厚的厚度部分7d設(shè)在接觸分液體腔室5中液體的區(qū)域中，該區(qū)域與分液體腔室5的縱向方向上的兩端相對(duì)應(yīng)，而所述薄的厚度部分7c設(shè)在接觸分液體腔室5中液體的區(qū)域中，該區(qū)域與分液體腔室5的中心區(qū)域相對(duì)應(yīng)。厚的厚度部分7d的厚度設(shè)定為比薄的厚度部分的厚度7c更厚，以防止振動(dòng)板7的斷裂。
本例示出用作圖9和10所示液體排放頭的記錄頭，所述記錄頭用下述方法制造。
首先，通過(guò)光刻法在厚度為400μm的硅襯底或類似物的基體3的表面上形成用于分液體腔室5的圖案形成的蝕刻掩膜，所述蝕刻掩膜由厚度為1μm的氧化物膜制成。此后，用SF6，C4F8作為蝕刻氣體，通過(guò)使用ICP(感應(yīng)耦合等離子體)蝕刻裝置形成分液體腔室5，所述分液體腔室5由間隔壁8間隔開，并且深度為100μm。
在基體3的背面上形成用于連通口4的圖案形成的蝕刻掩膜之后，通過(guò)使用ICP蝕刻裝置形成連通口4，所述連通口4由間隔壁8間隔開，并且深度為約300μm。
然后通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法將振動(dòng)板7附接到基體3的表面上，并進(jìn)行拋光，以獲得所希望的板的厚度。
振動(dòng)板7由陽(yáng)極粘結(jié)玻璃SD2(由HOYA制造)并通過(guò)下述方法制造。
如圖11A和11B所示，在襯底9上形成與振動(dòng)板7的厚的厚度部分7d相對(duì)應(yīng)的光刻膠9a、9b之后，進(jìn)行蝕刻達(dá)到深度為2μm。低濃度的氫氟酸溶液用作蝕刻劑。
然后將殘余的光刻膠除去，并通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法附接到基體3的表面上，并通過(guò)拋光制成所希望的厚度，如圖11B所示。因此，得到了其中厚的厚度部分7d為5μm并且薄的厚度部分的厚度為3μm的振動(dòng)板7。
壓電元件6形成在振動(dòng)板7上，而將通過(guò)沖壓法及類似方法由SUS板及類似材料另外加工的噴嘴板1附接到基體3的背面上。
將矩形電壓波形施加到按照本例所述的記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N4＝2×1010(＞N1)次排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與后面所述的比較例相比，壽命延長(zhǎng)了。
在分液體腔室5的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間的變化數(shù)據(jù)的結(jié)果接近圖3B所示的結(jié)果。如圖3B所示，抑制了形成在振動(dòng)板7與分液體腔室5的縱向方向上兩端相對(duì)應(yīng)的區(qū)域處的兩個(gè)角形峰(見圖3A)，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例10在本例中，如圖11A所示，在相對(duì)于襯底9形成與振動(dòng)板7的縱向方向上兩端的厚的厚度部分7d相對(duì)應(yīng)的光刻膠9a、9b之后，進(jìn)行蝕刻達(dá)到與振動(dòng)板7的縱向方向上中心區(qū)域的薄的厚度部分7c相對(duì)應(yīng)的4μm的深度。低濃度氫氟酸溶液用作蝕刻劑。
然后除去殘留的光刻膠，并通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法附接到基體3的表面上，在此之后，進(jìn)行拋光以獲得所希望的厚度，如圖11B所示。因此，得到其中振動(dòng)板的厚的厚度部分7d的厚度為7μm而與分液體腔室5的縱向方向上中心區(qū)域相對(duì)應(yīng)的薄的厚度部分的厚度為3μm的振動(dòng)板7。其它步驟與例9相同，因此省略其說(shuō)明。
將矩形電壓波形施加到按照本例所述的記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N5＝3×1010次(＞N1)排放操作，在振動(dòng)板7的一部分處觀察到液體漏泄，但與各比較例相比，壽命延長(zhǎng)。
在分液體腔室5的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果接近圖3B所示的結(jié)果。如圖3B所示，抑制了振動(dòng)板7與分液體腔室5的縱向方向上兩端相對(duì)應(yīng)的區(qū)域處所產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例11在本例中，在相對(duì)于襯底9形成與振動(dòng)板7的厚的厚度部分相對(duì)應(yīng)的光刻膠之后，進(jìn)行蝕刻以達(dá)到與振動(dòng)板7的縱向方向上中心區(qū)域相對(duì)應(yīng)的6μm的深度。低濃度氫氟酸溶液用作蝕刻劑。
然后除去殘留的光刻膠，并通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法將其附接到基體3的表面上，以通過(guò)拋光獲得所希望的厚度，如圖11B所示。因此，獲得了其中振動(dòng)板7的厚的厚度部分7d的厚度為9μm且薄的厚度部分7c的厚度為3μm的振動(dòng)板7。其它步驟與例9相同，因此省略其說(shuō)明。
將矩形電壓波形施加到按照本例所述的記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N6＝4×1010(＞N1)排放操作，在振動(dòng)板的一部分處觀察到液體漏泄，但與各比較例相比，壽命延長(zhǎng)。
在分液體腔室5的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果接近圖3B所示的結(jié)果。如圖3B所示，抑制了與分液體腔室5的縱向方向上的兩端相對(duì)應(yīng)的區(qū)域處所產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并且壽命延長(zhǎng)。
例12為了顯著增加驅(qū)動(dòng)頻率以代替高密度地安裝噴嘴(排放口)，用與例9相似的方法制造如圖12所示具有極短的分液體腔室15的記錄頭(80dpi)。分液體腔室15的長(zhǎng)度為500μm且寬度為270μm。在現(xiàn)有技術(shù)的這種模式中，在分液體腔室15的縱向方向和寬度方向上都觀察到如圖3A所示的變形。
如圖12所示，本實(shí)施例的振動(dòng)板17具有接觸分液體腔室15中的液體的區(qū)域，該內(nèi)側(cè)區(qū)域?qū)?yīng)于由薄的厚度部分17c所構(gòu)成的排放口12，而薄的厚度部分17c的外側(cè)被厚的厚度部分17d包圍。在這種情況下，使厚的厚度部分17d比設(shè)在與排放口12相對(duì)應(yīng)的內(nèi)側(cè)區(qū)域上的薄的厚度部分17c更厚。
將矩形電壓波形施加到按照本例所述的記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，與其中振動(dòng)板以均勻厚度制造的記錄頭相比，壽命延長(zhǎng)。在分液體腔室15的縱向方向和寬度方向上500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)的結(jié)果接近圖3B所示的結(jié)果。如圖3B所示，抑制了與分液體腔室15的縱向方向和寬度方向上兩端相對(duì)應(yīng)的區(qū)域處所產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰，因此嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)沒有增加，并且壽命延長(zhǎng)。
(比較例4)本比較例的記錄頭在圖17和18中示出。在本比較例中，排放口(噴嘴)202的密度為150dpi，分液體腔室205的寬度為約100μm，分液體腔室205的長(zhǎng)度為約2500μm，振動(dòng)板207的板厚為約3μm。
現(xiàn)在將說(shuō)明用于制造按照本比較例所述記錄頭的方法的梗概。
首先，通過(guò)光刻法在厚度為400μm的硅襯底或類似物的基體203的表面上形成用于分液體腔室205的圖案形成的蝕刻掩膜。在此之后，用SF6，C4F8作為蝕刻氣體，通過(guò)ICP蝕刻裝置形成分液體腔室205，所述分液體腔室205由間隔壁208間隔開，并且深度為100μm。
在基體203的背面上形成用于連通口204的圖案形成的蝕刻掩膜之后，使用ICP蝕刻裝置形成連通口204，所述連通口204由間隔壁208間隔開，并且其深度為300μm。
然后將振動(dòng)板207附接到基體203的表面上，并進(jìn)行拋光以獲得所希望的板厚。
陽(yáng)極粘結(jié)玻璃SD2(由HOYA制造)用于振動(dòng)板207。
在振動(dòng)板207上形成容積改變裝置(壓電元件)206，并將通過(guò)沖壓或類似方法由SUS板或類似材料另外加工的噴嘴板201附接到基體203的背面上。
將矩形電壓波形施加到液體排放頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N1＝3×109次排放操作，在振動(dòng)板207的一部分處觀察到液體漏泄。
(比較例5)按照本比較例所述的記錄頭除了振動(dòng)板207的厚度為約5μm之外，其余與比較例4相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N2＝5×109次(＞N1)排放操作，在振動(dòng)板207的一部分處觀察到液體漏泄。
(比較例6)按照本比較例所述的記錄頭除了振動(dòng)板207的板厚度為約7μm之外，其余與比較例4相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，在大約第N3＝7×109(＞N2＞N1)次排放操作，在振動(dòng)板207的一部分處，觀察到液體漏泄。
所述比較例的結(jié)果和所預(yù)計(jì)的一樣，但經(jīng)過(guò)嚴(yán)格核查以便找到原因，并顯示了下列幾點(diǎn)首先，在分液體腔室的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集容積改變裝置的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，以掌握振動(dòng)板的位移形狀。因?yàn)槿莘e改變裝置中壓電體和電極的厚度是顯微的，所以容積改變裝置的表面的位移假定與振動(dòng)板的位移大體相同。
曲線圖的結(jié)果接近圖3A的結(jié)果，所述曲線圖中，水平軸上繪出分液體腔室的縱向方向上的坐標(biāo)，而在垂直軸上繪出位移量。關(guān)于圖3A的位移，容積改變裝置在分液體腔室的中心橫截面的位置處的位移以時(shí)間周期t1、t2、t3(t1＜t2＜t3)示出，分液體腔室在這些時(shí)間周期中擴(kuò)張。
容積改變裝置的表面的位移(振動(dòng)板的位移)不會(huì)變形形成一個(gè)單峰凸形，而是變形成在兩端處具有角的兩個(gè)峰形。盡管在程度上有差別，但在所有比較例4-6中全都觀察到這種狀態(tài)。在兩端處的角的部分與其它部分相比受到更大的彎曲，并重復(fù)地增加對(duì)薄振動(dòng)板來(lái)說(shuō)是嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，從而可能會(huì)發(fā)生斷裂。
現(xiàn)在將說(shuō)明按照本發(fā)明所述的液體排放頭的另一些例子。
例13如圖13所示，本發(fā)明對(duì)于其中分液體腔室25的排放口一側(cè)上的端部25a是沒有角的弧形液體排放頭的液體排放頭也有效。在本例中，厚的厚度部分27d形成在振動(dòng)板27的接觸各個(gè)液體排放室中的液體的區(qū)域中，該區(qū)域與按照在所述圖9和10中示出的例9的液體排放頭的分液體腔室的縱向方向上兩端相對(duì)應(yīng)。薄的厚度部分27c設(shè)在振動(dòng)板27的接觸分液體腔室25中的液體的區(qū)域中，該區(qū)域與分液體腔室的縱向方向上的中心區(qū)域相對(duì)應(yīng)。
例14
如圖14所示，本發(fā)明對(duì)于其中振動(dòng)板37的接觸分液體腔室中液體的區(qū)域是圓形或大體圓形的液體排放頭也有效。在本例中，振動(dòng)板37具有厚的厚度部分37d，所述厚的厚度部分37d同心地圍繞中心區(qū)域的薄的厚度部分37c的外周邊。
例15在通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法將楊氏模量為130GPa的(100)硅與楊氏模量為87GPa的SD2(由HOYA制造的陽(yáng)極粘結(jié)玻璃)粘結(jié)之后，進(jìn)行拋光使之變薄，得到了厚度為5μm的振動(dòng)板。另外，通過(guò)濺射法或類似方法將SiN薄膜(楊氏模量為267GPa)7e生長(zhǎng)和堆疊在第二區(qū)域上，所述第二區(qū)域位于振動(dòng)板的接觸分液體腔室的中心部分處的液體的第一區(qū)域的兩端上(圖15)。堆疊結(jié)構(gòu)不僅通過(guò)總體地增加楊氏模量來(lái)增加抗彎剛性，而且目的還在于通過(guò)總體地增加厚度來(lái)增加抗彎剛性。因此，生長(zhǎng)和堆疊的SiN不限于(100)硅區(qū)域，并可以位于橫跨(100)硅和SD2的區(qū)域中。該振動(dòng)板通過(guò)陽(yáng)極粘結(jié)法粘結(jié)到硅的基體上。其它的制造方法與比較例2相同。
將矩形電壓波形施加到記錄頭上，并重復(fù)液體排放操作。結(jié)果，與當(dāng)單個(gè)(100)硅體制成為5μm的振動(dòng)板時(shí)相比，壽命增加。與比較例2相似，在分液體腔室的縱向方向上2500μm內(nèi)的幾個(gè)點(diǎn)處，用非接觸式位移計(jì)采集振動(dòng)板的表面的位移隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)。結(jié)果，抑制了在分液體腔室5的縱向方向上兩端處所產(chǎn)生的兩個(gè)角形峰，因此沒有增加嚴(yán)重的彎曲狀態(tài)，并壽命延長(zhǎng)。
圖16是說(shuō)明裝有記錄頭的整個(gè)記錄裝置的剖開的透視圖。將進(jìn)給到記錄裝置的待記錄的媒介P通過(guò)進(jìn)給輥109、110輸送到記錄頭單元100的可記錄區(qū)域，所述進(jìn)給輥109、110用作媒介輸送裝置。記錄頭單元100通過(guò)兩個(gè)導(dǎo)軸107、102沿著延伸方向(主掃描方向)可動(dòng)地引導(dǎo)，并以往復(fù)方式掃描記錄區(qū)域。記錄頭單元100的掃描方向是主掃描方向，而待記錄的媒介P的輸送方向是副掃描方向。用于排放多種顏色的墨滴的記錄頭和用于將墨供應(yīng)到每個(gè)記錄頭的墨盒101安裝在記錄頭單元100中。在這個(gè)例子的噴墨記錄裝置中的多種顏色的墨是黑(BK)、青(C)、品紅(M)和黃(Y)這四種顏色。每種顏色的位置處于隨機(jī)順序。
回收系統(tǒng)單元112設(shè)在一區(qū)域的右端下部處，其中記錄頭單元100可移動(dòng)到該區(qū)域以在非記錄操作期間在記錄頭的排出口上實(shí)施回收過(guò)程。
在這種情況下，用于黑、青、品紅和黃中的每種顏色的墨(BK，C，M，Y)的墨盒全都可以獨(dú)立地更換。記錄頭單元100安裝有用于排出BK墨滴、C墨滴、M墨滴和Y墨滴的記錄頭組以及BK墨盒101B、C墨盒101C、M墨盒101M和Y墨盒101Y。每個(gè)墨盒都連接到記錄頭組上，并將墨水供給到與記錄頭組的排放口連通的噴嘴流動(dòng)路徑上。除了這種例子外，用于各種顏色的墨盒可以以任意組合整體地構(gòu)造。
權(quán)利要求
1.一種液體排放頭，包括用于排放液體的排放口；與排放口連通的液體腔室；壓電元件，所述壓電元件包括對(duì)應(yīng)于液體腔室獨(dú)立布置的一個(gè)電極層、另一個(gè)電極層和夾在所述一個(gè)電極層和所述另一個(gè)電極層之間的壓電膜，并包括壓電驅(qū)動(dòng)部分，所述壓電膜在所述壓電部分處變形和位移，該壓電驅(qū)動(dòng)部分對(duì)應(yīng)于液體腔室布置；和振動(dòng)板，所述振動(dòng)板插在所述壓電元件和液體腔室之間，所述壓電驅(qū)動(dòng)部分和振動(dòng)板彼此完全接觸；其中，在所述一個(gè)電極層的布置方向上，所述振動(dòng)板的與所述壓電驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)應(yīng)的部分的兩端的抗彎剛性大于所述兩端之間的區(qū)域的抗彎剛性。
2.按照權(quán)利要求1所述的液體排放頭，其特征在于，所述一個(gè)電極層的所述布置方向與所述液體腔室的縱向方向相同。
3.按照權(quán)利要求1所述的液體排放頭，其特征在于，在與所述一個(gè)電極層的所述布置方向垂直的方向上，所述振動(dòng)板的兩端的抗彎剛性大于兩端之間的區(qū)域的抗彎剛性。
4.按照權(quán)利要求1所述的液體排放頭，其特征在于，所述振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分的楊氏模量大于兩端之間的區(qū)域的楊氏模量。
5.按照權(quán)利要求4所述的液體排放頭，其特征在于，所述振動(dòng)板通過(guò)將具有不同楊氏模量的兩種材料接合而制造。
6.按照權(quán)利要求1所述的液體排放頭，其特征在于，所述振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分比兩端之間的區(qū)域厚。
7.按照權(quán)利要求6所述的液體排放頭，其特征在于，所述振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分具有多個(gè)薄膜的堆疊構(gòu)造。
8.按照權(quán)利要求6所述的液體排放頭，其特征在于，其楊氏模量大于兩端之間的區(qū)域的楊氏模量的薄膜堆疊在所述振動(dòng)板的與兩端相對(duì)應(yīng)的部分處。
9.按照權(quán)利要求1所述的液體排出頭，其特征在于，所述振動(dòng)板的厚度小于或等于10μm。
10.一種記錄裝置，包括按照權(quán)利要求1所述的液體排放頭；和用于輸送媒介的裝置，該媒介要被涂敷由所述液體排放頭的排放口排出的液體。
全文摘要
一種液體排放頭，包括用于排放液體的排放口；與排放口連通的液體腔室；壓電元件，所述壓電元件包括一個(gè)電極層、另一個(gè)電極層、以及夾在對(duì)應(yīng)于液體腔室獨(dú)立布置的所述一個(gè)電極層和所述另一個(gè)電極層之間的壓電膜，并包括壓電驅(qū)動(dòng)部分，在該壓電驅(qū)動(dòng)部分處壓電膜對(duì)應(yīng)于液體腔室變形和位移；以及振動(dòng)板，所述振動(dòng)板插在壓電元件和液體腔室之間，其中，在所述一個(gè)電極層的布置方向上，振動(dòng)板的與壓電驅(qū)動(dòng)部分相對(duì)應(yīng)的部分的兩端的抗彎剛性大于兩端之間的區(qū)域的抗彎剛性。
文檔編號(hào)B41J2/16GK1880077SQ2006100928
公開日2006年12月20日 申請(qǐng)日期2006年6月16日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月16日
發(fā)明者北上浩一, 古田達(dá)雄 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社