專利名稱：壓電致動(dòng)器、包含它的液體噴頭及其制造方法
背景技術(shù)：
本發(fā)明涉及在振動(dòng)板表面具有壓電元件作為驅(qū)動(dòng)源的壓電致動(dòng)器，包含這樣的致動(dòng)器的液體噴頭，以及制造這樣的致動(dòng)器和噴頭的方法。
壓電元件在施加電能后產(chǎn)生變形，并被作為驅(qū)動(dòng)元件廣泛地用于例如液體噴頭、微型泵和音響設(shè)備(如揚(yáng)聲器)。這里，壓電元件由表現(xiàn)出壓電效應(yīng)的壓電材料組成，如由金屬氧化物粉末(例如，BaTiO3，PbZrO3，PbTiO3)壓制和焙燒而成的壓電陶瓷，利用聚合物復(fù)合物制成的壓電聚合物膜等。液體噴頭通過(guò)使壓力腔中液體壓力發(fā)生變化而從噴口噴射出液滴；液體噴頭包括用于例如圖象記錄裝置如打印機(jī)的記錄頭，用于制造液晶顯示器的液晶噴頭，和用于制造顏色濾光片的顏料噴頭等。微型泵是一種能夠輸送痕量液體的超小型泵；例如，它可以用于極少量的液體藥物的輸送。
具有一個(gè)在振動(dòng)板表面上的壓電元件的壓電致動(dòng)器是這樣一個(gè)液體噴頭和微型泵中使用的一個(gè)重要零件。壓電致動(dòng)器被連在壓力腔形成板上，壓力腔形成板有一個(gè)作為壓力腔的中空腔，振動(dòng)板部分地確定出壓力腔。為了噴射液滴或傳送液體，給壓電元件提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖使壓電元件和振動(dòng)板(即壓力腔的變形部分)產(chǎn)生變形，從而改變壓力腔的容積。
在液體噴頭和微型泵中，對(duì)壓電元件的高頻驅(qū)動(dòng)有很強(qiáng)的要求，以實(shí)現(xiàn)液滴的高頻噴射和提高液體的輸送能力。為了實(shí)現(xiàn)壓電元件的高頻驅(qū)動(dòng)，有必要使得變形部件的柔性盡可能最小而壓電元件的變形量盡可能最大，因?yàn)槿绻沟米冃尾考娜嵝愿?，則響應(yīng)性能得到提高，從而有可能以比以往更高的頻率驅(qū)動(dòng)，而如果增大壓電元件的變形量，則壓力腔容積變化量增加，從而使得噴射的液滴量和輸送的液體量增加。
人們提出了具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件以滿足對(duì)變形部件柔性和壓電元件的變形量的相互矛盾的要求。例如，日本專利公開No.2-289352A公開了一種壓電元件，其壓電體層具有由上壓電體和下壓電體組成的雙層結(jié)構(gòu)，驅(qū)動(dòng)電極(分立的電極)在上壓電體和下壓電體之間的界面上形成，而上壓電體和下壓電體在外表面上都形成了一個(gè)公共電極。同樣地，日本專利公開No.10-34924A也公開了一種具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件。
在上述的多層壓電元件中，驅(qū)動(dòng)電極位于上壓電體和下壓電體之間的界面，因而上壓電體和下壓電體都被施加了一個(gè)強(qiáng)度取決于驅(qū)動(dòng)電極至各公共電極的距離(即各壓電體的厚度)和驅(qū)動(dòng)電極和各公共電極之間的電位差的電場(chǎng)。這樣，與具有夾在驅(qū)動(dòng)電極和公共電極之間的單層壓電體的壓電元件相比，在施加與以往相同電壓時(shí)，即使為了增加剛度而略微加厚整個(gè)壓電元件，雙層結(jié)構(gòu)的壓電元件也可以產(chǎn)生更大的變形。
然而，實(shí)際上，上述具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。因此作為實(shí)際產(chǎn)品所使用的肯定是具有夾在一個(gè)公共電極和一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極之間的單層壓電體的壓電元件。這可能有各種原因；而難以得到包含具有均一壓電體特性的多層壓電元件的組件也被認(rèn)為是一個(gè)原因。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是得到配備有高度一致的壓電體特性的多層壓電元件的壓電致動(dòng)器，和包含這樣的致動(dòng)器的液體噴頭。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供制造這樣的壓電致動(dòng)器和液體噴頭的方法。
為了實(shí)現(xiàn)上面的目的，根據(jù)本發(fā)明，所提供的壓電致動(dòng)器包括振動(dòng)板；形成在振動(dòng)板上并設(shè)定為預(yù)定電位的第一公共電極，第一公共電極具有一個(gè)第一鄰近部分和從鄰近部分延伸出來(lái)的第一分支部分；第一壓電層，疊放在每一個(gè)第一分支部分上；驅(qū)動(dòng)電極，疊放在每一個(gè)第一壓電層上；第二壓電層，疊放在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上；第二公共電極，第二公共電極具有一個(gè)第二鄰近部分和從鄰近部分延伸出來(lái)的第二分支部分，使得每一個(gè)第二分支部分疊放在每一個(gè)第二壓電層上，第二壓電層要被保持在預(yù)定電位；以及導(dǎo)電部件，將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了一種液體噴頭，它包含了上述致動(dòng)器單元，以使得每一個(gè)第一分支部分與一個(gè)和噴射出液滴的噴口相通的壓力腔相關(guān)聯(lián)。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造壓電致動(dòng)器的方法，包括步驟配備振動(dòng)板；在振動(dòng)板上形成第一公共電極，使其具有第一鄰近部分和從此鄰近部分延伸出來(lái)的第一分支部分；在每一個(gè)第一分支部分上疊放一個(gè)第一壓電層；在每一個(gè)第一壓電層上疊放驅(qū)動(dòng)電極；在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上疊放第二壓電層；形成具有第二鄰近部分和從此鄰近部分延伸出來(lái)的第二分支部分的第二公共電極，使得每一個(gè)第二分支部分疊放在每一個(gè)第二壓電層上，而第一公共電極和第二公共電極彼此絕緣；以及電氣連接第一鄰近部分和第二鄰近部分。
最好，此制造方法還包括步驟在將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接以前，測(cè)量第一壓電層的第一壓電特性；以及根據(jù)所測(cè)出的第一壓電特性，將致動(dòng)器劃分到預(yù)先確定的等級(jí)之一中去。
最好，制造方法還包括下列步驟在將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接以前，測(cè)量第二壓電層的第二壓電特性；以及根據(jù)所測(cè)出的第二壓電特性，將致動(dòng)器劃分到預(yù)先確定的等級(jí)之一中去。
根據(jù)本發(fā)明，還提供了制造液體噴頭的方法，包括步驟配備按上述方法制造的致動(dòng)器單元；配備流道單元，此單元形成有每個(gè)均和噴出液滴的噴口相通的壓力腔；以及接合致動(dòng)器單元和流道單元，使得每一個(gè)第一分支部分與壓力腔之一相關(guān)聯(lián)。
在上述構(gòu)造中，由于第一公共電極和第二公共電極在其形成時(shí)是電氣絕緣的，可以針對(duì)每一個(gè)上壓電體和下壓電體單獨(dú)測(cè)量壓電體特性。上壓電體和下壓電體的壓電體特性可以單獨(dú)測(cè)量。因此，能夠得到壓電元件的壓電特性高度一致的產(chǎn)品。


在附圖中圖1是描述根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的噴頭體基本結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖2示出從噴管板觀察的第一實(shí)施例的噴頭體；圖3是示出第一實(shí)施例的致動(dòng)器單元沿壓力腔縱向方向的剖視圖；圖4是示出第一實(shí)施例的致動(dòng)器單元沿壓力腔橫向方向的剖視圖；圖5是示出第一實(shí)施例的驅(qū)動(dòng)電極的端部結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖6是示出第一實(shí)施例的上公共電極的端部結(jié)構(gòu)的剖視圖；圖7A是第一實(shí)施例的上公共電極的俯視圖；圖7B是第一實(shí)施例中的下公共電極的俯視圖；圖8A至圖8F是示出第一實(shí)施例中的壓電元件制造過(guò)程的示意圖；圖9是示出第一實(shí)施例的壓電元件的極化示意圖；圖10A是根據(jù)本發(fā)明第二實(shí)施例的壓電元件的剖視圖；圖10B是第二實(shí)施例的壓電元件的俯視圖，示出了沒(méi)有配備接線部件的情況；圖10C是第二實(shí)施例的壓電元件的俯視圖，示出了配備接線部件的情況；圖11是示出具有多個(gè)噴頭體的記錄頭的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)參照附圖，在下面將描述優(yōu)選實(shí)施例。在下面的描述中，以安裝在圖形記錄裝置如打印機(jī)或繪圖儀中的記錄頭為例。例如，如圖11所示，記錄頭具有多個(gè)安裝在安裝基體61上的噴頭體1。
首先，將參照?qǐng)D1和圖2討論根據(jù)本發(fā)明第一實(shí)施例的噴頭體的基本結(jié)構(gòu)。噴頭體1大致由流道單元2和致動(dòng)器單元3組成。
流道單元2由一個(gè)供應(yīng)端口形成板6，一個(gè)儲(chǔ)存腔形成板8，和一個(gè)噴管板10組成，供應(yīng)端口形成板上形成有通孔，用作供墨端口(孔)4的一部分和每一個(gè)噴管貫通端口5的一部分；儲(chǔ)存腔形成板上形成有通孔，用作公共墨水儲(chǔ)存腔7和每一個(gè)噴管貫通端口5的一部分；噴管板上有沿著朝副掃描方向制作(垂直于記錄頭移動(dòng)的主掃描方向)的噴口9。供應(yīng)端口形成板6，儲(chǔ)存腔形成板8和噴管板10由例如不銹鋼板材壓制而成。
為了制造流道單元2，噴管板10被置于儲(chǔ)存腔形成板8的一個(gè)表面上(圖中的下側(cè))，而供應(yīng)端口形成板6被置于儲(chǔ)存腔形成板8相反一側(cè)的表面上(圖中的上側(cè))，且供應(yīng)端口形成板6，儲(chǔ)存腔形成板8和噴管板10由例如片狀的膠粘劑接合。
如圖2和圖11所示，按預(yù)定的間距成排地制作噴口9以形成噴管行11。例如，92個(gè)噴口9組成一個(gè)噴管行11，兩行噴管行11并排形成。
致動(dòng)器單元3是也被稱為頭芯片的部件。致動(dòng)器單元3由形成有作為壓力腔12的通孔的壓力腔形成板13、用于確定每個(gè)壓力腔的一部分的振動(dòng)板14、形成有作為供應(yīng)貫通端口15和每一個(gè)噴管貫通端口5的通孔的蓋部件16和作為驅(qū)動(dòng)源的壓電元件17組成。對(duì)于部件13，14和16的板厚度，最好是每一個(gè)壓力腔形成板13和蓋部件16的厚度都為50μm或50μm以上，100μm或100μm以上更優(yōu)。振動(dòng)板14的厚度最好為50μm或小于50μm，3μm至12μm更優(yōu)。
在致動(dòng)器單元3中，振動(dòng)板14和壓電元件17組成了本發(fā)明的壓電致動(dòng)器單元。振動(dòng)板14起到了支撐部件的作用，其上放置壓電元件17。
為了制造致動(dòng)器單元3，蓋部件16被放置在壓力腔形成板13的一個(gè)表面上而振動(dòng)板14被放置在相反一側(cè)的表面上，并且將這些部件接合起來(lái)，然后在振動(dòng)板14的表面上形成壓電元件。壓力腔形成板13，振動(dòng)板14和蓋部件16由氧化鋁或氧化鋯等陶瓷材料制成，并通過(guò)焙燒彼此接合。
例如，將壓力腔形成板13，振動(dòng)板14和蓋部件16接合的過(guò)程如下首先，使用陶瓷原材料，粘合劑，液體介質(zhì)等制備陶瓷漿料。接著利用通用的裝置如刮刀，逆轉(zhuǎn)輥涂機(jī)等將漿料形成生材板(未焙燒板件)。然后，對(duì)生材板進(jìn)行裁剪、沖孔等，以形成所需的通孔等，用于形成壓力腔形成板13、振動(dòng)板14和蓋部件16的每一個(gè)片狀前驅(qū)體。將這幾個(gè)片狀前驅(qū)體相互疊加并焙燒，藉此使它們變成一塊，形成一個(gè)片狀部件。在這種情況下，片狀前驅(qū)體被燒結(jié)成一塊，因此不需進(jìn)行特別的粘接處理。前驅(qū)體的接合面也具有很好的密封性。
一個(gè)片狀部件形成有多個(gè)單元的壓力腔12和噴管貫通端口5等。換句話說(shuō)，從一個(gè)片狀部件制造出多個(gè)致動(dòng)器單元(頭芯片)。例如，每一個(gè)芯片區(qū)形成一個(gè)致動(dòng)器單元，多個(gè)芯片區(qū)以類似矩陣的形式排列在一個(gè)片狀部件中。在每一個(gè)芯片區(qū)中形成壓電元件17等的所需部件，然后將片狀部件(陶瓷片)按每一個(gè)芯片區(qū)切割，藉此提供多個(gè)致動(dòng)器單元3。
每一個(gè)壓力腔12都是一個(gè)沿垂直于噴嘴排方向拉長(zhǎng)的中空腔，并與噴口9一一對(duì)應(yīng)形成。即，如圖2所示，多個(gè)壓力腔12沿噴嘴排的方向排列成行。每一個(gè)壓力腔12在一端通過(guò)噴管貫通端口5與相應(yīng)的噴口9相連。壓力腔12通過(guò)供應(yīng)貫通端口15和供墨端口4在與和噴管貫通端口5相反的一端和公共儲(chǔ)墨室7相通。此外，壓力腔12的一部分由振動(dòng)板14確定。
每個(gè)壓電元件17都是處于偏移振動(dòng)模式(deflection vibration)的壓電元件，并在振動(dòng)板14與壓力腔12相反的表面上和壓力腔12一一對(duì)應(yīng)地形成。壓電元件17的寬度大致與壓力腔12相當(dāng)，長(zhǎng)度比壓力腔12稍長(zhǎng)。即，壓電元件17這樣形成以在壓力腔12長(zhǎng)度方向上覆蓋住壓力腔12。壓電元件17具有包含壓電體層31、公共電極32、驅(qū)動(dòng)電極33等的多層結(jié)構(gòu)，并且，例如，如圖3所示，壓電體層31夾在驅(qū)動(dòng)電極33和公共電極32之間。壓電元件17的具體結(jié)構(gòu)將在后面詳細(xì)描述。
將驅(qū)動(dòng)信號(hào)供應(yīng)源(沒(méi)有畫出)電氣連接到驅(qū)動(dòng)電極33，并且將公共電極32調(diào)整至例如地電位。當(dāng)給驅(qū)動(dòng)電極33提供一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電極33和公共電極32之間產(chǎn)生了一個(gè)強(qiáng)度和電位差對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)。將電場(chǎng)施加到壓電體層31以后，壓電體層會(huì)隨所加電場(chǎng)強(qiáng)度的大小產(chǎn)生變形。即，驅(qū)動(dòng)電極33的電位越高，壓電體層31沿垂直于電場(chǎng)方向的收縮程度越大，使振動(dòng)板14變形，以減小壓力腔12的容積。另一方面，驅(qū)動(dòng)電極33的電位越低，壓電體層31沿垂直于電場(chǎng)方向的膨脹程度越大，使動(dòng)板14變形，以增大壓力腔12的容積。
將致動(dòng)器單元3與流道單元2彼此接合。例如，將片狀膠粘劑置于供應(yīng)端口形成板6和蓋部件16之間，并在這種狀態(tài)下，將致動(dòng)器單元3壓靠在流道單元2上，藉此使致動(dòng)器單元3和流道單元2接合。
在所描述的噴頭體1中，每一個(gè)墨水流道從公共儲(chǔ)墨室7開始，通過(guò)供墨口4，供應(yīng)貫通端口15，壓力腔12和噴管貫通端口5到達(dá)噴口9，并與噴口9一一對(duì)應(yīng)形成。在工作時(shí)，墨水流道中灌滿墨水(一種液體)。當(dāng)壓電元件17發(fā)生變形，對(duì)應(yīng)的壓力腔12收縮或膨脹，壓力腔12中的墨水壓力產(chǎn)生波動(dòng)。因墨水壓力受到控制，墨滴能夠從噴口9中噴出。例如，如果靜態(tài)容積的壓力腔12一旦膨脹并隨后迅速收縮，則當(dāng)壓力腔12膨脹時(shí)，壓力腔中充滿了墨水，然后壓力腔中的墨水因壓力腔12隨后的快速收縮而受到擠壓，噴射出墨滴。
為了執(zhí)行快速紀(jì)錄，需要在短時(shí)間內(nèi)噴射出大量的墨滴。為了滿足這個(gè)要求，有必要考慮振動(dòng)板14確定了壓力腔12部分和壓電元件17(即壓力腔12的變形部分)的柔性和壓電元件17的變形量。需要考慮柔性和變形量的原因是因?yàn)殡S著變形部分柔性的增加，對(duì)變形的響應(yīng)能力變差，使高頻驅(qū)動(dòng)變難，并且隨著變形部件柔性的降低，該部分變得不易變形，并且壓力腔12的收縮量減小，一滴墨滴中的墨量減小。
從很多觀點(diǎn)來(lái)看，在已實(shí)際使用的采用偏移振動(dòng)模式壓電元件的記錄頭中，采用了都具有夾在公共電極和驅(qū)動(dòng)電極之間的單層壓電體的壓電元件；最高的響應(yīng)頻率約為25KHz，最大的墨滴墨量約為13pL(皮升)。
在本實(shí)施例中，采用的每一個(gè)壓電元件17都具有多層結(jié)構(gòu)，用來(lái)降低振動(dòng)板14的柔性，并且，對(duì)壓電元件17的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，藉此，有可能在比以往更高的頻率下噴射所需墨量的墨滴。這一點(diǎn)將在下面討論
首先，壓電元件17的結(jié)構(gòu)將被詳細(xì)討論。如圖3所示，壓電體層31由彼此層疊的上壓電體(外壓電體)34和下壓電體(內(nèi)壓電體)35組成。公共電極由上公共電極(外公共電極)36和下公共電極(內(nèi)公共電極)37組成。公共電極32和驅(qū)動(dòng)電極33(分立的電極)組成了電極層。
這里提及的術(shù)語(yǔ)“上(外)”或“下(內(nèi))”是用來(lái)指明以振動(dòng)板14作為參照物的位置關(guān)系。換句話說(shuō)，用來(lái)指明基于壓電元件17到振動(dòng)板14的接合面，也可被稱為壓電元件17的變形輸出作用面，對(duì)振動(dòng)板的位置關(guān)系。術(shù)語(yǔ)“上(外)”用于表示遠(yuǎn)離振動(dòng)板14的那一側(cè)，而術(shù)語(yǔ)“下(內(nèi))”用于表示靠近振動(dòng)板14的那一側(cè)。
驅(qū)動(dòng)電極33在上壓電體34和下壓電體35之間的交界處形成，而下公共電極37在下壓電體35和振動(dòng)板14之間形成。上公共電極36在下壓電體35相反一側(cè)的上壓電體34的表面上形成。即，壓電元件17是多層結(jié)構(gòu)，其中，下公共電極37，下壓電體35，驅(qū)動(dòng)電極33，上壓電體34和上公共電極36從振動(dòng)板的一側(cè)依次層疊。壓電體層31的厚度約為17μm(上壓電體34的厚度加下壓電體35的厚度)。壓電元件17加上公共電極32的總厚度約為20μm。
有關(guān)技術(shù)中的多層結(jié)構(gòu)壓電元件的總厚度約為15μm。因此，隨著壓電元件17厚度的增加，振動(dòng)板14的柔性相應(yīng)地降低。
不管驅(qū)動(dòng)信號(hào)如何，將上公共電極36和下公共電極37調(diào)節(jié)至恒定的電位。在本實(shí)施例中，上公共電極和下公共電極在電絕緣狀態(tài)下形成，然后被彼此電氣連接。在工作時(shí)，上公共電極36和下公共電極37被調(diào)整為例如地電位。如前面所提及的，驅(qū)動(dòng)電極33被電氣連接到驅(qū)動(dòng)信號(hào)供應(yīng)源，其電位相應(yīng)于所供應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)改變。因此，在提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，在驅(qū)動(dòng)電極33與上公共電極36之間以及驅(qū)動(dòng)電極33和下公共電極37之間產(chǎn)生了方向相反的電場(chǎng)。對(duì)于形成電極33，36和37的材料，可以選擇金屬單質(zhì)，合金，絕緣陶瓷與金屬的混合物等各種導(dǎo)體，但要求在焙燒溫度下，不發(fā)生失效等。在本實(shí)施例中，上公共電極36用金制造，下公共電極37和驅(qū)動(dòng)電極33用鉑制造。
上壓電體34和下壓電體35，例如，都是用主要包含鋯酸鈦酸鉛(PZT)的壓電材料制成。上壓電體34和下壓電體35的極化方向相反。所以，當(dāng)施加驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，上壓電體34和下壓電體35的膨脹和收縮方向相一致，且能夠沒(méi)有阻礙地使振動(dòng)板14產(chǎn)生變形。即，當(dāng)使驅(qū)動(dòng)電極33的電位升高時(shí)，上壓電體34和下壓電體35使振動(dòng)板14變形以減小壓力腔12的容積；當(dāng)使得驅(qū)動(dòng)電極33的電位降低時(shí)，上壓電體34和下壓電體35使振動(dòng)板14變形以增大壓力腔12的容積。
為了使具有多層結(jié)構(gòu)的壓電元件17有效地變形，在本實(shí)施例中，當(dāng)提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，上壓電體34的變形度被設(shè)定得大于下壓電體體35的變形度。即，當(dāng)提供相同的信號(hào)時(shí)，上壓電體34的變形大于下壓電體35。如果上壓電體34的彎曲程度相對(duì)比下壓電體35更大，則上壓電體34較下壓電體35離振動(dòng)板14的距離更遠(yuǎn)，因此上壓電體34的變形量被放大并作用在振動(dòng)板14上，有可能使振動(dòng)板14的變形量增大。
因?yàn)檎駝?dòng)板14可以產(chǎn)生大的變形，在收縮時(shí)壓力腔的容積能變得更小。因此，與僅僅使用多層結(jié)構(gòu)的壓電元件17的情況相比，壓力腔12在膨脹和收縮時(shí)的容積差能被加大，墨滴的噴射墨量能增多。
因?yàn)樯瞎搽姌O36比其它電極的變形更大，所以上公共電極36采用比其它任何電極(驅(qū)動(dòng)電極，下公共電極37)更薄和柔韌形更高的電極材料。即，上公共電極36在上壓電體34的表面上形成，因此其變形比其它電極更大。所以，上公共電極36使用了比任何其它電極更柔軟的材料，并/或被減薄，這樣可防止在上公共電極36發(fā)生反復(fù)變形時(shí)上公共電極36產(chǎn)生斷裂。如果把上公共電極36減薄，可采用具有良好導(dǎo)電性的電極材料來(lái)防止電阻過(guò)分增大。
具體地說(shuō)，對(duì)于電極材料，如上所述，上公共電極36用金制成，驅(qū)動(dòng)電極33和下公共電極37用鉑制成。下公共電極37和驅(qū)動(dòng)電極33都為2至3μm度；上公共電極36(te1)的厚度被設(shè)定為下公共電極37或驅(qū)動(dòng)電極33的十分之一(例如，0.3μm)。這樣的組合有可能使得上公共電極36跟隨壓電元件17變形，并避免削弱壓電元件17的變形量的情況。如果壓電元件17反復(fù)變形，斷裂故障等不易發(fā)生。另外，可以允許電流有效地流過(guò)上公共電極36。
如圖5所示，驅(qū)動(dòng)電極33在壓電元件17的一個(gè)端部暴露在壓電元件17的外邊，并通過(guò)連接電極39和供電端子40相連。每個(gè)供電端子40都是用于提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的接觸接點(diǎn)，并與驅(qū)動(dòng)電極33一一對(duì)應(yīng)地形成。把用于提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)的柔性扁平電纜(FFC)接觸接點(diǎn)和每一個(gè)供電端子40電氣連接。因此，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)供電端子40和連接電極39提供給相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電極33。
連接電極39在壓電元件17的端面、振動(dòng)板14的表面和安裝有供電端子40的接線板41的表面上形成。盡管如上所述，下公共電極37也形成在振動(dòng)板14的表面，但在連接電極39和下公共電極37之間設(shè)有沒(méi)有形成電極的絕緣區(qū)域X，所以連接電極39和下公共電極37之間是電氣絕緣的。
通過(guò)這個(gè)方法，如上所述，壓電元件17和噴口9一一對(duì)應(yīng)地形成，這樣每一個(gè)噴管行11的壓電元件17的數(shù)目是92。盡管上公共電極36和下公共電極37是彼此電氣連接的，但是如果公共電極36和公共電極37都與每一個(gè)壓電元件17電氣連接，則工作效率很低且生產(chǎn)率無(wú)法提高。另一方面，如果在形成公共電極32(36和37)時(shí)將公共電極36和公共電極37電氣連接，在針對(duì)每一個(gè)壓電元件17，測(cè)量每一個(gè)上壓電體34和下壓電體35的電容(一種壓電體特性)的情況下，這樣的測(cè)量必須針對(duì)各個(gè)壓電元件17一起進(jìn)行。在這樣的情況下，很難指定有問(wèn)題的元件。
基于上面的考慮，在此實(shí)施例中，每一個(gè)上公共電極36和下公共電極37形成由一個(gè)鄰近電極和多個(gè)分支電極組成的梳狀的電極，且分別測(cè)量上壓電體34和下壓電體35的壓電體特性，然后將它鄰近電極彼此電氣連接。即，在電極的形成過(guò)程中，上公共電極36和下公共電極37彼此絕電氣絕緣，在測(cè)量過(guò)壓電體特性以后，再將電極36和37電氣連接。這點(diǎn)將在下面討論。
如圖5至7所示，上電極36是由一個(gè)沿平行于噴嘴排方向拉長(zhǎng)的條狀鄰近電極42和多個(gè)從鄰近電極42的一側(cè)延伸出來(lái)的分支電極43組成的梳狀電極，覆蓋壓電元件17(上壓電體34)的表面。
鄰近電極42在振動(dòng)板14的表面形成，且為了使如果在同一時(shí)間給所有壓電元件17提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)讓電流無(wú)阻礙地流過(guò)，鄰近電極42具有被設(shè)定得比分支電極43足夠地寬的寬度。如圖7A所示，鄰近電極42沿長(zhǎng)度方向在端部形成有一個(gè)導(dǎo)電區(qū)42a。當(dāng)把上公共電極36和下公共電極37電氣連接時(shí)(在后面描述)使用到導(dǎo)電區(qū)42a。如圖6所示，每一個(gè)分支電極43都在上壓電體的表面延伸，通過(guò)了壓電體層31的一端的斜坡部分。
如圖5所示，每一個(gè)分支電極43的遠(yuǎn)心端都被放置得遠(yuǎn)離上壓電體34的端面。原因是每一個(gè)上壓電體43的端部和驅(qū)動(dòng)電極33被彼此分開放置，藉此防止分支電極43和驅(qū)動(dòng)電極33之間由于空氣放電而短路的不良情況。
整個(gè)下公共電極37在振動(dòng)板的表面形成；下公共電極37是由一個(gè)沿平行于噴嘴排方向拉長(zhǎng)的條狀的鄰近電極44、多個(gè)分支電極45和導(dǎo)電帶46形成的梳狀電極。分支電極45與壓電元件17(下壓電體35)一一對(duì)應(yīng)地形成，以從鄰近電極44的一側(cè)延伸出來(lái)，導(dǎo)電帶46從鄰近電極44的另一端延伸到分支電極45相反的一側(cè)。
為了使如果在同一時(shí)間給所有壓電元件17提供驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)讓電流無(wú)阻礙地流過(guò)，鄰近電極44具有被設(shè)定得比分支電極45足夠地寬的寬度。如圖5所示，分支電極45被放置在壓電體層31(下壓電體35)和振動(dòng)板14之間，且具有與上公共電極36相匹配的遠(yuǎn)心端。當(dāng)把下公共電極37和上公共電極36電氣連接時(shí)，用到導(dǎo)電帶46。即，導(dǎo)電帶46形成在靠近上公共電極36的導(dǎo)電區(qū)42a的位置，并且導(dǎo)體部件47如焊錫等被置于跨接導(dǎo)電區(qū)42a和導(dǎo)電帶46的狀態(tài)，如圖8F所示。因此，為了將公共電極36和37都電氣連接，導(dǎo)體部件47只需跨接導(dǎo)電區(qū)42a和導(dǎo)體帶46形成，并且操作能被簡(jiǎn)化，也適合于自動(dòng)化。
接著，參照?qǐng)D8A至圖8F，將討論上公共電極36和下公共電極37的制造工序。公共電極36和公共電極37都是在振動(dòng)板14上(更具體些，在切割得到致動(dòng)器單元3之前的基體，但為了描述起來(lái)更方便，用“振動(dòng)板14”)在形成壓電元件17的元件形成工序中形成的。
在元件形成工序中，首先，如圖8A所示，在振動(dòng)板14的表面上形成下公共電極37。在本實(shí)施例中，下公共電極37通過(guò)印刷形成。因此，首先將掩模放在振動(dòng)板14上的預(yù)定位置，鉑膏通過(guò)掩模被涂敷到振動(dòng)板14的表面上。如果涂敷好了鉑膏，接著將鉑膏進(jìn)行焙燒。即，把在振動(dòng)板表面涂敷了鉑膏的片狀部件(壓力腔形成板13，振動(dòng)板14和蓋部件16的前驅(qū)體的已焙燒物)放入焙燒爐中，在預(yù)定的溫度下焙燒預(yù)定的時(shí)間。在片狀部件焙燒以后，在振動(dòng)板14的表面上形成了下公共電極37。
如果形成了下公共電極37，則如圖8B所示形成下壓電體35。即，把掩模放在振動(dòng)板14上的預(yù)定位置，接著把壓電材料的漿料(如鋯酸鈦酸鉛)涂敷到振動(dòng)板14的表面。對(duì)涂敷的壓電材料的漿料進(jìn)行焙燒。在此以后，如圖8C至8E所示，按相似的方式依次形成驅(qū)動(dòng)電極33，上壓電體34和上公共電極36。具體地說(shuō)，驅(qū)動(dòng)電極33在下壓電體35之上形成；上壓電體34在下壓電體35之上形成以覆蓋住驅(qū)動(dòng)電極33；上公共電極36在上壓電體34的表面形成。
在上公共電極36形成完成以后，過(guò)程前進(jìn)到切割工序。在切割工序中，把陶瓷片(形成有壓電元件17的片狀部件)按每一個(gè)芯片區(qū)進(jìn)行切割，以提供多個(gè)致動(dòng)器單元3。
如果陶瓷片被切割成致動(dòng)器單元3，過(guò)程前進(jìn)到檢測(cè)工序，進(jìn)行檢驗(yàn)以保證壓電元件17的組成層制造正常。
在本實(shí)施例中，與其尺寸(例如厚度和寬度)有關(guān)的壓電體層的電容被針對(duì)每一個(gè)上壓電體34和下壓電體35分別進(jìn)行測(cè)量。即，在檢測(cè)工序中，公共電極36和37都還沒(méi)有被電氣連接，所以可以針對(duì)每一個(gè)上壓電體34和下壓電體35分別測(cè)量電容。
在完成對(duì)所有壓電元件17的檢測(cè)后(例如，測(cè)量電容)，致動(dòng)器單元3是否可用取決于所測(cè)出的電容。此外，根據(jù)所測(cè)出的電容，對(duì)確定為可用的致動(dòng)器單元3進(jìn)行分類。例如，根據(jù)致動(dòng)器單元3的平均電容或電容的變化范圍對(duì)致動(dòng)器單元3分級(jí)。
在對(duì)致動(dòng)器單元3進(jìn)行分類后，工序前進(jìn)到制造出的壓電元件的極化工序。極化是施加一個(gè)強(qiáng)電場(chǎng)使內(nèi)部的電偶極子具有統(tǒng)一的恒定方向。例如，如圖9所示，上公共電極36和下公共電極37都接地，并且驅(qū)動(dòng)電極33接電源。在這種情況下，極化在充分高于平常所用的驅(qū)動(dòng)電壓的電壓下進(jìn)行。在本實(shí)施例中，驅(qū)動(dòng)電壓約為30V，而極化電壓設(shè)為約70V。如果極化電壓被施加了預(yù)定的時(shí)間，極化被終止。
如果上壓電體34和下壓電體35被極化，隨后過(guò)程前進(jìn)到電氣連接工序。在電氣連接工序中，如圖8F所示，在經(jīng)歷了用于電氣連接上公共電極36和下公共電極37的極化后，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元3進(jìn)行錫焊等電氣連接。例如，把作為導(dǎo)體部件47的錫焊，焊線等被置于跨接導(dǎo)電區(qū)42a和導(dǎo)電帶46的狀態(tài)。
這里，用于進(jìn)行極化的極化電壓是經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電極33施加的，所以上壓電體34和下壓電體35可以一起極化。因此可操作性優(yōu)異。由于上公共電極36和下公共電極37在電極形成時(shí)電氣絕緣而在檢測(cè)完成后電氣連接，所以一個(gè)壓電元件17的壓電體特性可以在檢測(cè)工序中針對(duì)每一個(gè)上壓電體34和下壓電體35被分別測(cè)量。因此，能夠得到每一個(gè)都具有一致的壓電體特性的致動(dòng)器單元3。也可以高準(zhǔn)確度地找出制造時(shí)的不良情況。(defective condition on manufacturing)雖然已對(duì)每一個(gè)上公共電極36和下公共電極37形成梳狀電極的實(shí)例進(jìn)行了描述，但上公共電極36或下公共電極37中的任一個(gè)可以針對(duì)每一個(gè)壓電元件17分立地形成，并且上公共電極36和下公共電極37可以用柔形扁平線等接線部件電氣連接。
在本發(fā)明的第二個(gè)實(shí)施例中，如圖10A至圖10C所示，分立的上公共電極36’與壓電元件17一一對(duì)應(yīng)地形成，且下公共電極37’呈梳狀形成。為了電氣連接上公共電極36’和下公共電極37’，賠了了一個(gè)接線部件51。即，在接線部件51的連接部分形成了一個(gè)平面狀的導(dǎo)電層52，并且導(dǎo)電層52被放置在下公共電極37’(鄰近電極)和上公共電極36’上，以連接它們。
通過(guò)這樣做，一個(gè)壓電元件17的壓電體特性可以針對(duì)每一個(gè)上壓電體34和下壓電體35被分別測(cè)量。因此，能夠選出每一個(gè)具有一致壓電體特性的致動(dòng)器單元3，并且也可以高準(zhǔn)確度地找出制造時(shí)的不良情況。
雖然對(duì)將本發(fā)明應(yīng)用于一種液體噴頭式記錄頭和用于此記錄頭的壓電致動(dòng)器的實(shí)例已進(jìn)行了描述，但本發(fā)明不限于這些具體的實(shí)例。例如，本發(fā)明也可以應(yīng)用于其它液體噴頭，如液晶噴頭和顏料噴頭以及用于這些液體噴頭的壓電致動(dòng)器。本發(fā)明也可應(yīng)用于用于微型泵和音響設(shè)備的壓電致動(dòng)器。
權(quán)利要求
1.一種壓電致動(dòng)器，包括振動(dòng)板；形成在振動(dòng)板上并設(shè)定為預(yù)定電位的第一公共電極，第一公共電極具有一個(gè)第一鄰近部分和從所述鄰近部分延伸出來(lái)的第一分支部分；第一壓電層，疊放在每一個(gè)第一分支部分上；驅(qū)動(dòng)電極，疊放在每一個(gè)第一壓電層上；第二壓電層，疊放在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上；第二公共電極，第二公共電極具有一個(gè)第二鄰近部分和從所述鄰近部分延伸出來(lái)的第二分支部分，使得每一個(gè)第二分支部分疊放在每一個(gè)第二壓電層上，第二壓電層要被保持在預(yù)定電位；以及導(dǎo)電部件，將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接。
2.一種制備壓電致動(dòng)器的方法，包括步驟配備振動(dòng)板；在振動(dòng)板上形成第一公共電極，使其具有第一鄰近部分和從所述鄰近部分延伸出來(lái)的第一分支部分；在每一個(gè)第一分支部分上疊放一個(gè)第一壓電層；在每一個(gè)第一壓電層上疊放驅(qū)動(dòng)電極；在每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上疊放第二壓電層；形成具有第二鄰近部分和從此鄰近部分延伸出來(lái)的第二分支部分的第二公共電極，使得每一個(gè)第二分支部分疊放在每一個(gè)第二壓電層上，而第一公共電極和第二公共電極彼此絕緣；以及電氣連接第一鄰近部分和第二鄰近部分。
3.如權(quán)利要求2所述的制備方法，還包括步驟在將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接以前，測(cè)量第一壓電層的第一壓電特性；以及根據(jù)所測(cè)出的第一壓電特性，將致動(dòng)器劃分到預(yù)先確定的等級(jí)之一中去。
4.如權(quán)利要求2所述的制備方法，還包括步驟在將第一鄰近部分和第二鄰近部分電氣連接以前，測(cè)量第二壓電層的第二壓電特性；以及根據(jù)所測(cè)出的第二壓電特性，將致動(dòng)器劃分到預(yù)先確定的等級(jí)之一中去。
5.一種液體噴頭，包括如權(quán)利要求1中所述的致動(dòng)器元件，使得每一個(gè)第一分支部分和一個(gè)壓力腔相關(guān)聯(lián)，所述壓力腔與噴出液滴的噴口相通。
6.一種制造液體噴頭的方法，包括配備按如權(quán)利要求2中的方法制造出的致動(dòng)器單元；以及配備流道單元，此單元形成有每個(gè)均和噴出液滴的噴口相通的壓力腔；以及接合致動(dòng)器單元和流道單元，使得每一個(gè)第一分支部分與壓力腔之一相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種壓電致動(dòng)器，包含此致動(dòng)器的液體噴頭和制造此致動(dòng)器與噴頭的方法，其中設(shè)定為預(yù)定電位的第一公共電極在振動(dòng)板上形成。第一公共電極具有一個(gè)第一鄰近部分和從第一鄰近部分延伸出來(lái)的第一分支部分。每一個(gè)第一分支部分上層疊一個(gè)第一壓電層。每一個(gè)第一壓電層上層疊一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極。每一個(gè)驅(qū)動(dòng)電極上層疊一個(gè)第二壓電層。設(shè)定為預(yù)定電位的第二公共電極具有一個(gè)第二鄰近部分和從第二鄰近部分延伸出來(lái)的第二分支部分，使得每一個(gè)第二壓電層上層疊一個(gè)第二分支部分。一個(gè)導(dǎo)電部件電氣連接第一鄰近部分和第二鄰近部分。
文檔編號(hào)B41J2/16GK1445919SQ03120708
公開日2003年10月1日 申請(qǐng)日期2003年3月18日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月18日
發(fā)明者張俊華 申請(qǐng)人:精工愛普生株式會(huì)社