CN1272178C - 压电打印头及其制造方法 - Google Patents

Abstract

压电打印头由平行于第二压电致动器布置的第一压电致动器形成。该第一和第二压电致动器有一个布置在它们之间的公共内电极，第一控制电极布置在第一压电致动器的一个外侧表面上，第二控制电极布置在第二压电致动器的一个外侧表面上。这些致动器是由具有布置在一陶瓷基底上的一压电层的块材形成的，其中，压电层中有以金属胶形式嵌入其中的二种平行的，不同的电极排列形式。

Description

压电打印头及其制造方法

                    技术领域

本发明涉及喷墨打印机，更具体说，涉及用于压电喷墨打印机头的新型电极排列形式。

                    发明背景

当电场施加于压电材料或合成物上时，电场将改变它的尺寸。在压电式按需喷滴的喷墨打印机中，当利用压电传感器或致动器使墨腔的薄壁变形时，将造成墨腔中压力的变化，并导致形成墨滴和墨滴从小孔中喷出。

到目前为止，在获得高清晰度压电式打印头方面的困难之一是如何限制打印头的大小。打印头的大小与压电传感器的大小直接相关。为获得足够的墨液排出量，需要比较大的传感器，但是，这与为获得必要的打印质量和密度(即，清晰度)而必须在一个较小的区域内安排大量传感器是不相符的。

另一个困难在于设计一种能提供足够墨液排出量的致动器，以在合理外加电压条件下喷出墨滴。

在努力解决上述困难中所采用的一种方法是将压电棒或其他结构的一端贴至形成墨腔一壁的可变形薄膜上。当施加电信号时，压电材料被激发至导致其扩张并推动薄膜导致墨腔体积变化的“直接模式”。墨腔体积的变化造成墨滴的形成，随后，墨滴通过小孔喷出至纸页上。

直接模式有二种主要类型。第一种通常称为“D31模式”。在D31模式中，压电传感器的变形方向与压电材料的极化和所施加的电场相垂直。一般来说，运行在D31模式中的压电传感器是以阵列形式彼此平行排列的，电极则布置在每个个体传感器之间。当每单位施加于每个个体传感器电压的位移比较大时，墨腔薄膜的总位移局限于每个个体传感器的位移量。换言之，每个个体传感器的位移是相互平行的，并没有位移的累积。其结果是，必须有大量的个体传感器元件和相应很大的打印头才能获得高清晰度的打印效果。

另一种直接模式通常称之为“D33模式”。在D33模式中，压电传感器的变形方向与压电材料的极化和所施加的电场相平行。在D33模式中，可以将多个压电层堆叠起来以得到累积的位移。比如专利JP-A-4-86265中公开的技术，喷墨头包括：在层叠压电振子上平行地设置沟及大致垂直地设置独立电极侧浅沟及共通电极侧深沟；在浅沟及深沟的各个沟内和前述层叠压电振子的表面上设置外部电极；喷墨头的加工方法包括：在前述层叠压电振子中加工前述沟之前，与该沟大致垂直地设置独立电极侧浅沟和共通电极侧深沟，在该浅沟和深沟的各个沟内、和前述层叠压电振子的表面设置外部电极。再如专利US-A-5983471中公开的技术，喷墨头包括多个碾压的压电致动器在一个基底上排成多个行以形成压电致动器单元，一个横膈膜连接在压电致动器的上部末端表面上，一个流动通道盘结合在横膈膜的上部表面，多个压力腔和一个墨水流动通道形成于该流动通道盘上，从而每个压力腔响应于每个压电致动器的碾压而受到压迫，使得墨滴自压力腔从位于流动通道盘上部表面连接的喷嘴处喷射出来；每个压电致动器在电压的作用下在厚度方向上变形。

与D33模式相伴的一个困难是如何精确控制每个个体打印致动器以实现按需喷滴打印。为控制这些致动器，必须将它们连接至一控制信号。在致动器电极处于暴露的外表面上时，连接比较简单。然而，为获得高清晰度，则必须将许多致动器布置成一个紧密相间的阵列。在这种布置中，要接触到内部的电极则往往是困难的。这样，即使是只用平行的二列致动器，也至少会有不容易接触到的二个内部电极表面。

因此，需要有一种压电打印头，它能以小的或紧凑的组件形式提供高清晰度的打印效果。希望是，这种压电打印头被构造成具有容易接触(即，连接)到的电极，以控制打印头的运转。

也还需要有一种制造压电打印头的方法，它可以使制造一种在有限区域内包含大量传感器，能容易达到高清晰度打印要求的打印头变得更为方便。

                发明内容

压电打印头包括至少两个压电致动器，一个平行于第二压电致动器布置的第一压电致动器，该第一和第二致动器具有一个布置在它们之间的共有内电极。第一控制电极布置在第一压电致动器的一个外侧表面上，第二控制电极布置在第二压电致动器的一个外侧表面上。

该压电致动器是用单个陶瓷块材制造的，该块材有一个布置在压电和导电层相互交替的多层结构下面的陶瓷基底。充有正电荷的电极布置在压电致动器的第一表面上，充有负电荷的电极布置在压电致动器的第二表面上。在一个实施例中，控制电路是穿过块材基底中的导电通道与电极连接的。

本发明还仔细考虑了一种制造压电打印头的方法。这种方法包括提供一个具有布置在陶瓷基底上的压电层的块材，在压电层中嵌入金属胶形式的电极要多个步骤。压电层被分割成小块以形成第一列压电致动器和第二列压电致动器，第二列压电致动器布置在一平行排中的第一列的邻近处。每一列都有一个内表面和一个外表面。公共电极形成于内表面上，而充以相反电荷的电极则形成于外表面上，以公共电极作为接地极，而充以相反电荷的电极则与控制电路相连接。压电层的外表面镀有导电材料。陶瓷块材被切割成一排压电致动器。

在一种优选实施方案中，导电层以至少二种不同的，相互交替的排列形式布置。第一种排列形式的布置至少在第一纵向位置处限定一个第一间隙。第二种排列形式的布置至少在不同于第一纵向位置的第二纵向位置处限定一个第二间隙。第一种排列形式的导电层与第一控制电极电气相连，第二种排列形式的导电层与第二控制电极电气相连。

本发明还仔细考虑了制造一种压电打印头的方法，它包括提供一个具有布置在分层压电结构下面的陶瓷基底的陶瓷块材，该分层结构中在二个相继压电层之间嵌入有导电层，以及切割压电结构以暴露导电层等多个步骤。压电结构镀金金属以形成与导电层接触的第一电极和第二电极。该方法包括切割压电结构以形成一排个体致动器，和把导电通道切割进块材基底的步骤。控制电路通过导电通道与电极相连接。

在一种优选方法中，第一小块以第一预定深度形成于压电层中，第二小块平行于第一小块形成于压电层中。第二小块以不同于第一预定深度的第二预定深度形成。第一和第二小块限定了压电致动器的一个列。该致动器列具有一个内表面和一个外表面，共有电极在内表面上，而充以相反电荷的电极则在外表面上。

该方法还包括在压电层的外表面上镀以导电材料和以形成压电致动器阵列的第一和第二预定深度之间的第三预定深度，沿上述切割方向的横向方向切割陶瓷块。

本发明还仔细考虑了一种控制压电致动器的方法，它包括穿过布置在致动器下面的导电通道将控制电路与压电致动器相连接和从控制电路向压电致动器传送信号等多个步骤。信号通过导电通道传送到与致动器接触的控制电极上。

通过如下详细说明，附图和所附的权利要求书，对本领域技术人员来说，本发明的其他特色和优点将成为明显的。

                附图说明

在研究了下述详细说明和附图后，对本领域普通技术人员来说，本发明的益处和优点将更为明显，其中，

图1A和图1B分别给出了用来形成压电打印头的陶瓷原始块材的顶视图和剖面图和按照本发明的原则制造打印头的方法；

图2A和图2B分别展示了第一切割步骤后的陶瓷块材的顶视图和剖面图；

图3A和图3B分别展示了陶瓷块材被镀以导电金属涂层后的顶视图和剖面图；

图4A和图4B分别展示的是在各致动列中完成了将各电极分隔开的浅切口后，陶瓷块材的顶视图和剖面图；

图5展示的是在完成了沿浅切口的横向方向的附加切口后的陶瓷块材的顶视图，这些横向切口将致动列与支撑列相隔开；

图6给出了分隔出各个个体致动器后的陶瓷块材的顶视图；

图7是示意地展示打印头致动器阵列的透视图；

图8是打印头的一个剖面图；

图9说明打印头组合件，同时示出了独立的喷口板；

图10给出具有一体化喷口板的打印头组合件；

图11是电极和连接排列形成的一个实施例的示意性剖面图，其中，电极接触是从压电致动器的一侧实现的；

图12是电极和连接排列形式的另一个实施例的示意性剖面图，其中，电极接触是从压电致动器的底部实现的。

                具体实施方式

虽然本发明可以有各种实施例，但在附图中所示并在此后将予以说明的几种具体实施例和方法的本公开内容应理解为是作为本发明的示例，而决无将本发明限制于所展示和说明的具体实施方案和方法的意图。

还应理解的是，本说明书这一节的标题，即“本发明的详细说明”涉及美国专利和商标局的一个要求，它并不意味着，不暗指，也不应视为对在此处公开的主题内容和本发明范围的限制。

在一个实施例中，本发明所指的是一种具有可供D33直接模式矩阵所用的电极和接触布置形式的压电打印头。

首先参照图，这里给出的是单一块材陶瓷结构2。该结构2有一个布置在多层结构6下面的陶瓷材料的基底4。多层结构6由压电材料8形成，压电材料8中嵌入了具有在高温下焙烧成的导电胶形式的导电层10。本领域技术人员会理解和评价这种结构的形成和焙烧此结构所采用的温度。

现在简要地参照图8和图11-12，可以看到，导电层10是与压电材料8互相插入的。层10以交错排列的形式插入在材料8中。就是说，有二种相互交替的不同层状排列形式。在这种布置中，层10并不完全跨越材料8的横向方向。例如，如图1所示，层10a，c，e并不完全跨越材料8；相反，层10a，c，e的第一层都布置成形成一中央间隙，如图中11a，c，e处所示。交错的或中间层10b，d是居中布置的(就是说，未延伸到材料8的两端部)，每一层都在毗邻层10b，d的两侧形成用11b，d标志的间隙，这样，就将各层面“交错”开了。形成这些间隙11a，b，c，d，e……的目的是，当电极形成时，这些电极彼此间是电气绝缘的，这将在以后予以说明。

研究过这些图之后，本领域技术人员很容易理解和赞赏的是，间隙11a，c，e处于用箭头15标示的第一纵向位置，间隙11b，d处于用箭头17标示的第二纵向位置，位置17不同于位置15。

现在参见图2，可以看到，多层结构6被切割开是为了将导电层10暴露出来。切割最好有一个第一深切口12，它穿过整个多层结构6并进入基底4的顶部表面。第二和第三切口14，16，相应地，安排在深切口12的两侧。第二和第三切口14，16穿过多层结构6的一部分，但不延伸至基底4中。这些切口12，14，16导致的结果是，形成了压电材料8的二个明晰的列18和20，它们具有布置在深切口12两侧的嵌入式导电层10。

深切口12两侧并最靠近它的列18和20以后将称为致动列。相对于深切口12处于最外面的列24，26提供机械支撑。这二个列24，26以后将称为支撑列。

现在参见图3，可以看到，致动器列18，20镀有导电层22。沿每个致动列18，20侧表面的导电层22充当第一电极28和第二电极30的作用。最靠近深切口的电极，以后称为内电极28，29，分享共有的电荷。外电极30，31充有与内电极28，29相反的电荷。在一个优选实施例中，内电极28，29带负电荷，它是用作接地的。外电极30，31充有正电荷。

现在参见图4，可以看到，在每个致动列18，20的顶部表面上随后又形成了浅切口32，33。这些浅切口32，33将每个致动列的内电极和外电极间隔开。

在图5中可以看到，此后又加工了二个附加切口34，36，它们是横向的，并且最好垂直于以前的那些切口。这些横向切口34，36是在靠近块材2的两端38，40形成的，并延伸穿过致动列18，20和支撑列24，26以在块材2的两端38，40处限定支撑柱42，44。

参见图6，随后，给块材2加电，通常是将电压施加于独立的层状电材料8和金属部分10之间，使块材2被极化。

仍参见图6，可以看到，接下去是下一个分割步骤，在这一步骤中，凭借一般用49标示的横向切口，致动列18，20被分割成若干致动器单元46。那些平行排的个体致动器的透视图示于图7中。在图7中可以看到，致动列18，20又被分割成布置成一些平行排的各个致动器18a，b，c……和20a，b，c……。在这种布置中，支撑列24，26位于致动器阵列的两侧，支撑柱42，44位于阵列的端部。

应提醒注意的是，在分割步骤中，也就是在形成各个体致动器中，各个致动器之间的切口深度必须要精确控制。更具体说，横向切口49应较第二和第三切口14，16为深，但较深切口12为浅。这样，由第二和第三切口14，16所限定的通道中的导电层22被切割，但由深切口12所限定的通道中的导电层22则不被切割。这样，深切口12通道内的导电层22形成为共有电极，而第二和第三切口14，16通道内的导电层22则被“分割”而形成各个体致动器18a，b，c，d……和20a，b，c，d……。

图8中给出了打印头配置的一个部面图，图中可以看到，第一压电致动器45布置为平行于第二致动器47。致动器45，47有一个布置于它们之间的公共内电极48，第一控制电极50布置在第一压电致动45的外侧表面52上，第二控制电极54则布置在第二压电致动器47的外侧表面56上。在一种优选配置中，公共内电极48是带负电荷的，并作接地使用。如上所述，因为导电层22在由深切口12所形成的通道内并未被切割(在切成小块期间)，所以内电极48是一个公用的电极。控制电极50，54是带正电荷的，并且可连接至控制电路。还如上面所述，因为导电层22在第二和第三通道切口14，16内是被切割的(在切成小块期间)，所以控制或中央电极50，54每个都是单独控制的。在此图中，横向切口49用虚线表示，为的是区别于深切口12和(较浅的)第二与第三切口14，16而更明晰和便于理解。

现在参见图9，可以看到，已完成的打印头还可包括一个柔性墨腔60，它也可称为腔板。该示例性腔板60有一墨腔62和墨液集液腔64。腔板60和膜层66位于压电致到器上面并与其相连接。当控制电路将信号传送至布置在特定小孔69下面的压电致动器时，墨液通过位于腔板60顶部的特定小孔69排出(见图10)。在图9中可以看到，小孔板68可以与腔板60相隔开，也可以如图10中所示，与腔板60结合成一整体。

现在参见图10，可以看到，带一体化小孔板72的腔板70包括布置在压电致动器阵列76之上并与其相连的墨液集液腔74。聚合物68布置在每个致动器76之间。致动器76布置在基底板80之上。

现在参见图11，可以看到，通过公共内电极48的配置，打印头空间得到节约，接触致动器45，47也变得简单。外电极50，54很容易从侧面接触到，以便与控制电路连接以提供控制致动器的信号。

在另一个实施例中，如图12所示，电极148，150，154是从15b标志的底部而不是从侧面触及的。在这种配置中，通道158是切入陶瓷基底4中的。通道158利用，例如类似半导体加工工艺的网板印刷工艺充以金属胶160，本领域技术人员都知道这种示例性网板印刷工艺。布置在基底4下面的信号引线162与将信号送至压电层的导电通道158相连，也布置在基底4下面的公共接地引线164通过导电通道与致动列的内电极相连接。

本领域技术人员都知道，通道158可以在整个压电致动器制造过程中的各种不同时间和不同位置形成于基底4中。例如，基底材料4可以用复合层构成，而通道158可以在层“建立”以形成基底4时在复合层中形成。或者，通道158也可以在已形成的基底4材料中“切”出来。本领域技术人员都能了解并评价形成通道158的其他各种属于本发明范围和精神的方法和技术。

这种底部接触156方法可用于更为紧凑的设计和简化的加工。它还能提供更高打印密度的致动器阵列的附加列。

在研究了这些图和上述说明后可以理解，无论连接配置如何，层部分10a，10c，…形成了(或电气连接至)电极50的一个部分，而层部分10b，10d…则形成了(或电气连接至)电极48的一部分。此外，在参照图10后即可明白，墨滴从打印头喷射出来的方向是由E处的箭头标明的。这样，喷滴的方向E是与施加于压电致动器的电场方向平行的，因此，打印头工作于D33模式。

从前面所述可以看出，在不偏离本发明创新概念的真实精神和范畴的前提下，可实现很多修改和变异。可以理解，这里并无限制于所展示的具体实施方案和方法的意图或暗示。本公开内容意在按照所附的权利要求书而涵盖属于本权利要求范围内的所有此类变形。

Claims (28)

1.一种压电打印头，包括至少两个压电致动器，其特征在于：

—与第二压电致动器平行布置的第一压电致动器，该第一和第二压电致动器有一布置在它们之间的公共内电极，一第一控制电极布置在该第一压电致动器的一个外表面上，一第二控制电极布置在该第二压电致动器的一个外表面上。

2.依照权利要求1的压电打印头，其中，公共内电极是接地端。

3.依照权利要求2的压电打印头，其中，控制电极是与控制电路相连接的。

4.依照权利要求1的压电打印头，其中，第一压电致动器是由布置在一列的第一排压电致动器形成的，第二压电致动器是由第二排压电致动器形成的，该第一和第二排相互平行并分离开。

5.依照权利要求1的压电打印头，其中，第一和第二压电致动器是由多层结构形成的。

6.依照权利要求5的压电打印头，其中，多层结构是一种具有插入导电层的压电材料。

7.依照权利要求6的压电打印头，其中，插入的导电层是相互平行并彼此分离开的。

8.依照权利要求6的压电打印头，其中，插入的导电层以至少二种不同的并相互交替的排列形式布置在压电材料之中，其中，第一种排列形式布置成在第一纵向位置处限定至少一个第一间隙，其中的第二种排列形式布置成在不同于第一纵向位置的第二纵向位置处形成至少一个第二间隙，使得第一种排列形式的导电层与第一控制电极电气相连，第二种排列形式的导电层与第二控制电极电气相连。

9.依照权利要求4的压电打印头，其中，所述第一和第二排压电致动器的基底下面布置导电通道，公共接地引线通过导电通道与致动器的内电极相连接。

10.一种制造压电打印头的方法，包括如下步骤：

提供一块具有布置在陶瓷基底上的压电层的块材，该压电层具有以金属胶形式嵌入其中的层状电极；

在该压电层中形成一个达到第一预定深度的第一小块；

在该压电层中形成一个与第一小块平行的第二小块，该第二小块的形成深度为不同于第一预定深度的第二预定深度，该第一和第二小块限定了一列压电致动器，该致动器列有一个内表面和一个外表面，在内表面上有一公共电极，在外表面上有一带相反电荷的电极；

给压电层的外表面镀以导电材料；

沿上述切割方向的横向方向将陶瓷块材切割至不同于前述第一和第二预定深度的第三深度，以形成一排压电致动器。

11.依照权利要求10的方法，包括以至少二种不同的，交替的排列形式在压电材料中布置导电层的步骤，其中，第一种排列形式布置成在第一纵向位置处限定至少一个第一间隙，其中，第二种排列形式布置成在不同于第一纵向位置的第二纵向位置处形成至少一个第二间隙，使得第一种排列形式的导电层与公共电极电气相连，第二种排列形式的导电层与带相反电荷的电极电气相连。

12.依照权利要求10的方法，包括将公共电极接地的步骤。

13.依照权利要求12的方法，包括将带相反电荷的电极连接至控制电路的步骤。

14.依照权利要求10的方法，其中，第二预定深度小于第一预定深度。

15.依照权利要求10的方法，其中，第三预定深度小于第一预定深度。

16.依照权利要求15的方法，其中，第三预定深度介于第一和第二预定深度之间。

17.一种制造压电打印头的方法，包括如下步骤：

提供一块陶瓷块材，它有一个布置在层状压电结构下面的陶瓷基底，该层状结构中有导电层嵌入在相继压电层之间；

在第一切口处将压电结构切至第一深度，以暴露导电层中的若干层；

在第二切口处将压电结构切至不同于第一深度的第二深度，以暴露导电层中的其他各层；

给压电结构镀以金属，以形成与电极中的若干电极相连接的第一电极和与导电层中的其他各层相连接的第二电极；

以不同于第一和第二深度的第三深度将压电结构切成小块，以形成每个个体致动器的一个阵列；

在块材的基底中形成导电通道；通过导电通道将控制电路连接至各电极。

18.依照权利要求17的方法，包括在压电材料中形成导电层的步骤。

19.依照权利要求18的方法，包括在压电材料中以二种不同排列方式形成导电层的步骤，其中，第一种排列形式布置成在第一纵向位置处限定至少一个第一间隙，其中，第二种排列形式布置成在不同于第一纵向位置的第二纵向位置处形成至少一个第二间隙，使得第一种排列形式的导电层与第一电极电气相连，第二种排列形式的导电层与第二电极电气相连。

20.依照权利要求17的方法，包括将第一或第二电极形成为公共电极的步骤。

21.依照权利要求20的方法，包括将公共电极接地的步骤。

22.依照权利要求20的方法，包括将带相反电荷的电极连接至控制电路的步骤。

23.依照权利要求17的方法，其中，第二预定深度小于第一预定深度。

24.依照权利要求17的方法，其中，第三预定深度小于第一预定深度。

25.依照权利要求24的方法，其中，第三预定深度介于第一和第二预定深度之间。

26.依照权利要求17的方法，包括由陶瓷材料的多个堆叠层形成陶瓷基底的步骤。

27.依照权利要求26的方法，包括在陶瓷材料的多个堆叠层中形成导电通道的步骤。

28.依照权利要求27的方法，包括在堆叠这些层时在这些层中形成通道的步骤。

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