喷墨头 本发明涉及可以高密度地配置多个喷出墨滴的喷墨头，更具体地说涉及的是在将墨滴飞散在记录介质上以进行图像记录的的喷墨记录装置中的喷墨头，其具有多个喷嘴、和对应于各喷嘴配置的墨室、在各墨室的一个面上形成的加压板、以及驱动该加压板的执行元件，通过执行元件的驱动使加压板上产生变形，压缩墨室内的墨，从喷嘴喷出墨滴。
参照图11说明以往的技术。图11是表示特开平4-148936号公报所公开的现有喷墨头的一个例子。其结构是多个喷嘴101排成一列，其细长地平面状的墨室102关于喷嘴列而相向地朝向两侧排列，以便使其一端处于与喷嘴对应的位置。另外，墨室的另一端配置着供给孔103。
进而，在与配置了墨室层的不同的层中，配置着所有墨室共用的墨池104，通过供给孔103与各墨室连接着。另外在构成各墨室一面的加压板上分别安装着执行元件。以下对由压电元件构成的压电执行元件进行说明。
此喷墨头的动作是通过驱动执行元件使得加压板向减小墨室102的体积的方向弯曲，其结果是墨室内的墨被压缩，从喷嘴101喷出墨滴。喷出墨滴后，随着加压板的变形复原，通过供给孔从墨池104将墨再充填到墨室内，准备下次的喷出。
在上述的现有技术的喷墨头中，通过将喷嘴间的间距变小，随之排列多个宽度小的墨室，具有可实现高密度地配置喷嘴的优点。
可是，随着高密度化的发展，必须将墨室的宽度变小，则加压板随之变为难以弯曲的形状，因此不能得到大的墨室体积变化量。而对于高速打印需要至少30pl(pico-1itre皮升)的体积变化量，即存在着只能喷出微小的墨滴，从而使打印速度变慢的问题。或者，为了将墨室的体积变化量加大，必须采取将其纵向的长度变大的对策，其结果是存在墨室的占用面积变大而不能提高喷嘴的面密度的问题。
本发明就是在这样的背景下提出的，其目的在于，通过使用加压板容易弯曲的平面形状的墨室，提供既可维持喷出的墨滴量，又可使墨室的占用面积减小、且能实现喷嘴的高密度化的喷墨头。本发明之目的在于，提供即使把喷嘴形成高密度化配置，也能维持大的墨滴喷出量，且可进行稳定的驱动的可靠性高的喷墨头。本发明之目的还在于，提供制造工艺简单及加工精度高的喷墨头的制造方法。
根据本发明的喷墨头，其具有在由对喷墨头主扫描方向有一定倾斜角度的多个行和对该喷墨头主扫描方向正交的多个列构成的格子上设置的多个喷嘴、对应于上述多个喷嘴分别设置的多个墨室、在上述多个墨室的各个墨室的一面上形成的加压板、在上述多个加压板上分别设置的用于通过使上述加压板变形而对上述墨室内的墨加压的执行元件、对应上述多个行或列所配置的，向上述多个墨室供墨的多个墨池支流、以及由至少两个以上的上述墨池支流合流而形成的墨池主流，其特征在于，设上述加压板的平面形状的外接圆直径与内接圆直径之比(外接圆直径/内接圆直径)为A，上述加压板的平面形状满足1≤A≤2的关系。
例如，上述加压板的平面形状是大致正方形。或者，上述加压板的平面形状是具有与上述各行及上述各列平行的边的大致菱形。
由于在驱动执行元件时加压板是容易弯曲的形状，所以可以得到即使墨室的占用面积小也能维持驱动时所必需的体积变化量的、高效率的墨室。因此，可以高密度地配置喷嘴而不会降低墨滴喷出量。
进而，在上述加压板的平面形状是具有与上述各行及上述各列平行的边的大致菱形的情况下，上述执行元件的平面形状，优选的是具有与上述各行及各列平行的边的大致菱形。
由此，可以按照各行及各列单位统一地冲模加工执行元件。因此，可实现制造工艺简化和执行元件的尺寸及位置的高精度化。
上述墨室内的墨流路最好是在上述墨室的纵向的对角线的方向上形成。
由此，由于是平滑地形成墨室内的墨流路，所以可防止气泡停留从而提高执行元件的可靠性。
设上述各行和喷墨头主扫描方向的倾斜角为θ、设配置在上述各行的多个喷嘴在对于相邻的间隔喷墨头主扫描方向成正交的方向上的距离为d(mm)时，θ和d的关系最好满足0＜tan θ≤5d。
由此，各墨室的喷墨头主扫描方向的宽度可作成约0.2mm以上，可得到产生体积变化量的墨室尺寸，该体积变化量只喷出所希望大小的墨滴。
设配置在上述各行的喷嘴数为n时，上述n和上述d的关系最好是n×d≥0.2。
由此，可以将与各墨室的喷墨头主扫描方向正交的方向的宽度作成约0.2mm以上，可得到产生体积变化量的墨室尺寸，该体积变化量只喷出所希望大小的墨滴。
上述n和上述θ的关系优选是：0.5≤n×tanθ≤2。
由此，在各墨室尺寸容许范围内，可将喷墨头主扫描方向和与喷墨头主扫描方向正交的方向形成为大致相同。按照此布局，可将墨室以矩阵形式配置而不会浪费空间，可实现高密度化。例如，在n×tanθ值比1小时，在各墨室尺寸容许范围内，可取喷墨头主扫描方向比与其正交方向大的值。另外，在比1大时，可取与喷墨头主扫描方向正交的方向比喷墨头主扫描方向大的值。因此，在使用大致正方形或大致菱形的墨室时，由于可有效地将其空的间隔作为上述墨池支流的间隔使用，所以可实现包括墨室和上述墨池的高密度化。
优选上述墨池主流的断面积形成得比上述墨池支流的断面积大。
由此，即使流动在各墨池支流的全部墨流量全部在墨池主流中流动，也可形成稳定的流动。此时，流路的阻力小，所以单位时间的墨供给量可以加大，可以加快喷出的频度。进而，可减少各支流间的墨供给量之差，抑制喷嘴间的喷出特性的差异。
上述墨池支流和/或上述墨池主流的断面积最好形成得越到下游就越小。
对于墨池主流来说，由于向下游的墨池支流的供给，或对于墨池支流来说，由于向下游墨室的供给，上述任何一种方式都可降低墨流量，但此时却不使流速降低。由此，即使在下游部分也可稳定地供墨，从而可以抑制喷嘴间的喷出特性的差异。另外，可抑制由于流速降低引起的气泡停留，提高喷墨头的可靠性。
图1(a)是体积变化量对于四边形的长宽比的关系图；图1(b)是体积变化量与各种形状墨室的(外接圆直径)/(内接圆直径)值的关系图。
图2是本发明实施例1的喷墨头的全体透视图。
图3是本发明实施例1的喷墨头的放大透视图。
图4是表示本发明实施例1的喷墨头的立体构成图。
图5是表示为了说明决定矩阵配置所必要的参数图。
图6是表示制造本发明实施例1的喷墨头的执行元件部分的工序图。
图7是表示制造本发明实施例1的喷墨头的执行元件部分的工序图。
图8是表示制造本发明实施例1的喷墨头的工序图。
图9是表示本发明实施例1的喷墨头的驱动电压波形图。
图10是本发明实施例2的喷墨头的放大透视图。
图11是表示现有技术的喷墨头图。
在叙述本发明的实施例之前，对于占用面积小，但是驱动时的体积变化量大的高效率墨室的形状事先进行了研究，在此加以说明。
图1(a)是关于配置有加压板的四方形墨室面的平面形状，对于其面积相同而长宽比不同的各形状，利用数值分析研究了施加相同压力时的排除体积(体积变化量)的图。另外，墨室的加压面的面积是0.608mm2、执行元件的加压板的材料是Ni，其弹性系数是200Gpa、其厚度是20μm、施加压力是0.1MPa。
若按照此结果表明，墨室平面形状的长宽比越接近1，即越接近正方形，就越容易弯曲，体积变化量可变大。即，使用接近正方形的平面形状的墨室，即使是更小的占用面积也可得到大的体积变化量。
另外，在本研究中，对于四方形进行了研究，但在除此以外的多边形或圆形中也得到相同的效果。更详细地，在多边形或圆形的最大宽度尺寸和最小宽度尺寸的比例接近1时容易弯曲，可得到大的体积变化量。
其中，对于墨室内的平面形状即加压板的平面形状，可以是按角的数目分类的各种形状。例如在三角形中，可以是等边三角形、直角三角形、等腰三角形等。而在四边形中，则可以是正方形、长方形、梯形、菱形等。图1(b)是在这种墨室的加压面的面积相同的条件下，在三角形、四边形、六边形、圆形等各种形状的情况下，对各墨室的加压面(加压板)施加压力(一定值)时，排除体积(体积变化量)的数值分析结果。横轴是各墨室的加压面的平面形状的“外接圆直径/内接圆直径”的值(以下将墨室的该项形状指标称为A值)，纵轴是体积变化量。其中，A值存在与墨室的加压面的平面形状的角数目依存关系的最小值，对于三角形是2(等边三角形)，对于四边形是(正方形时)，对于六边形时是(正六边形时)，对于圆形是1(真正的圆时)。还有，作为分析条件，墨室内加压面的面积是0.375mm2，加压板的材料是Ni，其弹性系数是200Gpa、其厚度是15μm、施加压力是0.1MPa。
根据该结果，明确了A值和体积变化量的关系与墨室的加压面的平面形状的角数目几乎没有依存关系。即，如果要确定墨室的加压面面积，几乎可以仅用A值来确定体积变化量。通过该图可知，要实现比作为目标值的30pl更大，A值必须在2以下。此外，A值的最小值是在圆形情况下的1。
在本发明中，上述的喷嘴是格子状的矩阵形式的布局。在这种情况下，在各喷嘴中配置墨室时对墨室的尺寸要求条件是，横向宽度比喷墨头扫描方向的喷嘴间距(=d/tanθ)小，而纵向宽度比喷墨头扫描方向的正交方向的喷嘴行间距(=d×n)小。从而，当横向宽度与纵向宽度之比用n×tanθ表示时，其可表示墨室尺寸的容许范围的(纵/横)比。该值在0.5(横向长度)到2(纵向长度)之间时，可配置作为上述墨室的形状指标的A值满足1≤A≤2的关系的墨室，从而能够实现墨室的高效率(高密度)的布局。另外，如果满足0.5≤n×tanθ≤2的条件，则可以得到能够实现30pl排量的墨室的高密度配置。
在此分析结果的基础上，对于以下的实施例，进行关于将大致正方形墨室矩阵地配置在棋盘状格子上的样品的评价，用图详细地说明。实施例1
在本发明的实施例1中，将其平面形状大致是正方形的墨室按矩阵形式配置在棋盘状格子上，进而作为供给各墨室墨的墨池，采用具有主流和多个支流的梳齿形状墨池。其结构表示如下。图2是表示本发明的实施例1的喷墨头的总图。另外，图3是表示其详细的放大图。进而，图4是表示以墨室为单元的立体结构的断面图。
本实施例的喷墨头，是将多个墨室单元10按矩阵形式配置在棋盘状格子上，该墨室单元具有喷出墨滴的喷嘴1、对应各喷嘴配置的、其平面形状是大致正方形的墨室2、构成墨室的底面的加压板7、连接加压板的、具有施加驱动电压的各个电极8的执行元件9。此外，形成连接墨池支流5及墨池主流6的梳齿形状的墨池。各墨室单元的压力室通过分别配设的供给孔3在墨池支流5中连接。
对于矩阵配置所必须的参数，如图5所示，有以下4个参数。即是对于配置在上述各行11,12,13,...的多个喷嘴的邻接间隔喷墨头主扫描方向30正交方向的距离20(以下用d表示)、上述各行11,12,13,...和喷墨头主扫描方向30的角度31(以下用θ表示)、配置在上述各行11,12,13,...的喷嘴数(以下用n表示)，然后是上述各行的总数(以下用m表示)。另外，上述各列21,22,23,...是与喷墨头主扫描方向30正交的方向。在本样品中，设各个值为d=0.1693mm、θ=12.53度、n=6、m=16。按照此布局，总喷嘴数是96个，各墨室2的尺寸容许范围，喷墨头主扫描方向的宽度是0.762mm、与喷墨头主扫描方向正交的方向的宽度是1.016mm。其中，本样品所用的墨室2的尺寸取0.612mm×0.612mm的正方形墨室。
在此布局及墨室尺寸情况下，与喷墨头主扫描方向相比，在其正交方向的喷嘴之间有空隙。本样品中，将此空间作为墨池支流5使用，尽可能加大宽度形成大容量的墨池，通过降低喷出驱动时的喷嘴间交叉干扰、提高再灌注的速度来实现提高驱动频度。按照墨池布局，墨池支流5，与对于喷嘴主扫描方向30仅有θ倾斜角的上述各行平行，其数目仅与上述各行数m相同地设置。
各墨池支流5在各个端与墨池主流6合流。墨池主流6的流动方向的决定，按照使从墨池主流6向支流5分流时流动方向的角度变化小于90度的方式，从各墨池支流5分支和从墨池主流6分支。由此，可以防止分流时产生旋涡或发生滞流点，从而向各墨室稳定地供墨，提高喷墨头的可靠性。另外，在本样品中，墨池支流5的宽度从上游到下游是一定的，但对于墨池主流6是形成向下游变窄的结构。
另外。在本样品中，在各墨池支流5的顶端部的列和墨池主流6的顶端部与根部的行上实际上设置不进行驱动的假墨室。假墨室与进行驱动的正规的墨室的结构完全相同。通过设置此假墨室，可排出混入的气泡，提高喷墨头的可靠性。
配置在各墨室2的执行元件9，其外形与墨室2的尺寸相同，厚度是30μm。对于加压板7的接合，使用导电性的粘结剂(未图示出)。施加驱动电压的各电极8分别配置在与加压板7相对的面上，是由加压板7起共同电极的作用。
另外，本实施例所用的执行元件材料是锆酸钛酸铅系陶瓷，但也可使用其他一般的强介电体等。
以下，用图说明本实施例的制造方法。如图6所示，通过临时固定粘结板42，将Au电极41两面蒸镀的厚度30μm的板状电压体40贴附在临时固定基板43上。然后，如图7所示，使用与作为执行元件必须的位置和尺寸相一致作成的掩模44，进行喷沙处理，分离加工各执行元件9。进而，在其执行元件表面上涂敷导电性粘结剂(图中未示出)，在厚度为15μm的加压板上复制接合后，卸下以前的临时固定粘结板42及临时固定基板43。按照以上所述完成加压板和执行元件的单元的制作。
以下，对于制造包括喷嘴1、墨室2、梳齿形状的墨池支流5等的墨室加以说明。图8是表示构成墨室的部件。其是具有喷嘴的墨池51、具有在喷嘴处连通的孔和梳齿形状的墨池支流5及主流6的池板54、具有在喷嘴处连通的孔和供给孔的供给孔板53、具有墨室的墨室板52、与其加压板7。这些所有的部件都使用不锈钢钢板。喷嘴1和供给孔3是用开孔冲压加工作成的，另外，梳齿形状的墨池支流5或墨室2是使用腐蚀方法制成的。除加压板7外，将这些墨室部件(51,52,53,54)粘结接合，然后将贴附上述执行元件9的加压板进行粘结接合。
进而，为了向配置在各执行元件9的各电极8施加驱动电压而进行电连接。在本样品中，在矩阵形式配置的外周配有柔性印刷电缆(flexible printed cable)电缆(图中未示出)的电极端子，用布线连接其端子和各执行元件9的各电极8。然后，为了在执行元件9上产生压电性，施加偏置电压，进行分极处理。
以下，对于本实施例的动作加以说明。在如上述形成的喷墨头的梳齿形状的墨池主流6的根部连接墨供给用导管，进行墨注入。这样，以墨池主流6→墨池支流5→供给孔3→墨室2→喷嘴1的顺序填充墨。
若在各执行元件9的各电极8和共同电极(加压板7)之间，施加如图9所示的波形电压，由于双压电晶片效应(bimorph effect)使加压板弯曲变形，墨室内的墨被压缩，从喷嘴喷出墨滴。
对于实际制作的喷墨头，从分别施加如图9所示的波形电压的结果，确认了从所有喷嘴稳定地喷出30pl的墨滴。进而，改变同时驱动的喷嘴数，进行相同的试验，也确认与驱动次数无关，可稳定地喷出相同滴量的墨滴。另外，不能确认由于驱动的场所不同而引起喷出特性的差异。从此试验结果，确认由于组合使用大致正方形的墨室和梳齿形状的墨池支流，具有高密度地配置喷嘴的效果，并通过试验证实其能稳定地喷墨。
此外，在使用梳齿形状的墨池时，墨池主流内墨流量向下游逐渐减少。从而，由于本实施例的墨池主流的下游侧变窄，下游侧的墨流速也降低，可以起到防止墨室内气泡和垃圾的残留。
再有，本实施例中的加压板厚度为15微米，用了了2微米的厚度，墨室的尺寸也小至0.2mm×0.2mm，实验确认同样可以喷出30pl的墨滴。
这里，与喷嘴配置有关，如果满足0≤tanθ≤5d(mm)、n×d≥0.2(mm)的条件，则由于可以实现这样的墨室布局，所以可以实现高密度的排列。实施例2
在本发明实施例1中，通过将各墨室外形的各边形成为与上述各行和上述各列分别平行的菱形墨室，可保持正方形墨室的高效率特性，且由于墨室内的墨流平滑地形成而防止气泡停留，可提高喷墨头的可靠性，进而，也可简化执行元件的制造方法。将其构成作为本发明实施例2如下表示。
图10是表示本发明实施例2的喷墨头的详细的放大图。喷墨头的整体结构和立体结构与实施例1相同。
本实施例的喷墨头的墨室形状，其平面形状是大致菱形，详细地说，其边的倾斜与上述各行11,12,13,...和上述各列21,22,23,...的倾斜一致。在此墨室2中，在长的对角线的两端分别配置喷嘴1和供给孔3。另外，执行元件9的形状也与之相似，其各边的倾斜与上述各行11,12,13,...和上述各列21,22,23,...的倾斜一致。
其他的部分，即梳齿形状墨池支流5和加压板7、以及矩阵配置的布局本身与实施例1相同。
接着，说明本实施例的制造方法。另外，在本实施例的制造方法中，由于与实施例1的不同点仅是分离加工执行元件这一点，所以仅对此点加以说明。
如实施例1所述，将两面蒸镀Au电极41的板状压电体40贴附在临时固定基板43上后，在本实施例中，进行可比喷沙处理更简便、精度更高、以及更稳定加工的冲模加工，分别加工各执行元件9。在此，本实施例的执行元件，由于在每行及每列上其边是在一直线上，所以可以以各行及各列为单位一次地同步加工。因此，不需要喷沙处理所必须的掩模，由此可去掉掩模位置对准的工序，进而，以更高精度加工执行元件9的尺寸和位置的优点。
对于本实施例的动作，与实施例1不同点可举出墨室2内的墨流动变得更平滑。即，由于墨在菱形墨室2的长的对角方向流动，墨通过的角落成为钝角，难以发生滞流点，可防止气泡的停留，提高喷墨头的可靠性。
对于实际制作的喷墨头，进行与实施例1相同的试验的结果，确认了从所有喷嘴稳定地喷出30pl的墨滴。进而，变化同时驱动的喷嘴数，进行相同的试验的结果，确认了与驱动数量无关，可稳定地喷出相同滴量的墨滴。另外，不能确认由于驱动的场所不同而引起喷出特性的差异。从此试验结果，确认大致菱形墨室具有和大致正方形墨室相同的高效率特性，通过与梳齿形状的墨池支流的组合，可确认高密度地配置喷嘴的效果，试验证实其墨喷墨稳定地喷出。另外，通过使用具有与大致的菱形墨室相同的尺寸的执行元件，可实现简化制造工序和提高加工精度。
如以上说明的，利用本发明的喷墨头，使用形状指标的A值满足1≤A≤2关系的墨室，即使墨室的占用面积小也可保持驱动时的体积变化量，得到高效率的墨室。因此，不降低喷出的墨滴量，可高密度地配置喷嘴。
另外，在形状指标的A值满足1≤A≤2关系的大致为正方形或大致为菱形的墨室中，通过将内部的墨流动方向形成其长对角线的方向，由于墨室内的墨流动能平滑地形成，所以可防止气泡的停留，提高喷墨头的可靠性。进而，特别在大致为菱形的墨室中，执行元件也形成为与墨室相同的大致菱形，可进行每一行、每一列的同步加工，可实现简化制造工序，提高加工精度。
另外，在棋盘状格子上按矩阵形式配置时的布局，通过将上述θ、n、d(mm)形成为0＜tanθ≤5d、或者n×d≥0.2、或者0.5≤n×tanθ≤2，可将作为形状指标的A值满足1≤A≤2关系的大致正方形或大致菱形的墨室按矩阵形式配置，而不浪费空间，所以可将高效率且占用面积小的墨室更高密度地布局。另外，可实现包括墨池支流的布局的高密度化。
另外，通过比墨池支流大地形成墨主流的断面积，可形成稳定的流动，由于可加大每单位时间的墨供给量，所以可增加喷出频度。进而，可减小喷嘴间的喷出特性的差异。
另外，通过使墨池支流乃至墨主流的断面积设计成越向下游越减小，从而即使在下游也可进行稳定的供给，可抑制喷嘴间的喷出特性的差异。另外，可抑制由于降低流速引起的气泡停留，提高喷墨头的可靠性。
如以上所述，在喷墨头的高密度化、提高可靠性、降低特性差异、降低制造工序、提高加工精度上有积极效果，工业价值大。