CN100594130C - 液体喷射头以及液体喷射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种良好地接合流路形成基板和接合基板，防止在两基板间发生剥离的液体喷头及液体喷射装置。液体喷头包括：喷嘴板(20)，穿透设置有喷嘴开口；流路形成基板(10)，设有包括与喷嘴开口连通的压力产生室(12)的凹部；压电元件(300)，通过振动板设置在流路形成基板的一个面上，并包括下电极(60)、压电体层(70)和上电极(80)；接合基板(30)，通过由粘接剂形成的粘接层(35)接合在流路形成基板的压电元件一侧的表面上；其中，在流路形成基板和接合基板的接合区域中设有多个接触部(120)及接合部(130)，所述接触部以规定高度突出设置在振动板上且实质与接合基板接触，所述接合部包括厚度大于等于所述接触部高度的粘接层(35a)。
Description
技术领域
本发明涉及液体喷射头以及液体喷射装置，特别涉及由振动板构成与喷出墨滴的喷嘴开口连通的压力产生室的一部分，并在该振动板的表面形成有压电元件，从而通过压电元件的位移来喷出墨滴的喷墨式记录头以及喷墨式记录装置。
背景技术
对于由振动板构成与喷出墨滴的喷嘴开口连通的压力产生室的一部分，并通过压电元件使该振动板变形而对压力产生室中的墨水加压，从而从喷嘴开口喷出墨滴的喷墨式记录头，已得到实际应用如下两种类型：一种使用在压电元件的轴向上伸缩的纵振动模式的压电致动器；另一种使用弯曲振动模式的压电致动器。
作为使用了弯曲振动模式的压电致动器的喷墨式记录头，例如有下述类型：在形成压力产生室的流路形成基板的一个面上接合有穿透设置了喷嘴开口的喷嘴板，而在流路形成基板的另一面上接合有设置了贮液部的贮液室形成基板，所述贮液部构成存储供应给各个压力产生室的墨水的贮液室(例如，参照专利文献1)。
这里，在这种喷墨式记录头中，各个部件一般由不同的材料形成。因此各个部件的线膨胀系数不同，从而存在由于环境温度的变化而造成各个部件之间相互剥离的问题。例如在专利文献1的结构中，流路形成基板和贮液室形成基板由硅基板构成，其线膨胀系数大约是2.0[×10-6/℃]，喷嘴板由不锈钢(SUS)构成，其线膨胀系数是16[×10-6/℃]，二者的线膨胀系数差异很大。因此，例如在将喷射头置于比流路形成基板和喷嘴板粘合时的温度低的温度中时，会由于喷嘴板相对收缩而在各个基板之间产生剪应力，从而会在流路形成基板和贮液室形成基板之间产生剥离。
另外，由于弹性膜上的下电极、上电极等金属层是在溅镀或蒸镀等高温下形成的，因此即使在常温下也会有初始应力。即，在弹性膜和各个金属层之间产生有剪应力。另外，例如在专利文献1中记载的设有导线电极(lead electrode)的结构中，弹性膜上的粘接面(其最高部分)是由金(Au)构成的布线金属层。另外，当温度发生变化时，基于芯片的整体弯曲而产生膜厚方向的拉伸应力和剪应力，因此芯片长度方向的端部剥离的危险性最高。
该问题不仅存在于喷出墨水的喷墨式记录头中，显然也同样存在于喷出墨水以外的液滴的其他液体喷射头中。
专利文献1：日本专利文献特开2000-296616号公报(权利要求、附图2等)。
发明内容
鉴于上述情况，本发明将提供一种能够良好地接合流路形成基板和接合基板，从而防止两基板剥离的液体喷射头以及液体喷射装置作为课题。
解决上述课题的本发明的第一方式为一种液体喷射头，其特征在于，包括：喷嘴板，穿透设置有喷嘴开口；流路形成基板，设有包括与所述喷嘴开口连通的压力产生室的凹部；压电元件，通过振动板而设置在该流路形成基板的一个面上，并包括下电极、压电体层和上电极；以及接合基板，通过由粘接剂形成的粘接层而接合在所述流路形成基板的所述压电元件一侧的表面上；其中，在所述流路形成基板和所述接合基板的接合区域中设有多个接触部，并设有接合部，所述多个接触部以规定的高度突出设置在所述振动板上且实质上与所述接合基板相接触，所述接合部包括厚度大于等于该接触部的高度的所述粘接层。
在所述第一方式中，流路形成基板和接合基板通过接触部被高精度地定位并固定。另外，由于在接合部中增加了粘接层的厚度，因此降低了剪应力，从而防止了流路形成基板和接合基板之间发生剥离。
本发明的第二方式是如第一方式所述的液体喷射头，其特征在于，所述接合部至少设置在所述流路形成基板的短边侧的外周部。
在所述第二方式中，通过在规定区域设置接合部，可有效抑制流路形成基板和接合基板的剥离。
本发明的第三方式是如第一或第二方式所述的液体喷射头，其特征在于，在所述流路形成基板的周边部遍及其全周连续形成所述接合部。
在该第三方式中，能够有效抑制流路形成基板和接合基板的剥离。
本发明的第四方式是如第一至第三方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，构成所述压电元件的层没有形成在所述接合部。
在该第四方式中，构成压电元件的电极的金属层等比较容易发生剥离的膜没有设置在接合部，由此，进一步增加了流路形成基板和接合基板的接合强度。
本发明的第五方式是如第一至第四方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合部的至少一部分中露出了所述流路形成基板的表面。
在第五方式中，通过将接合基板直接接合在流路形成基板的表面上来进一步增加两基板的接合强度。
本发明的第六方式是如第一至第五方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合基板与所述流路形成基板的接合面中与所述接合部相对的区域内，露出了该接合基板的表面。
在该第六方式中，通过将流路形成基板直接接合在接合基板的表面上来进一步增加两基板的接合强度。
本发明的第七方式是如第一至第六方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，所述接合部设置在所述流路形成基板的没有形成所述凹部的区域。
在该第七方式中，能够防止在与接合部相对的区域的振动板上发生破裂等。
本发明的第八方式是如第一至第七方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接触部由构成所述压电元件的层形成。
在该第八方式中，通过利用构成压电元件的膜，可以在不提高成本的情况下比较容易地形成接触部。
本发明的第九方式是如第一至第八方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，在所述流路形成基板的至少端部附近沿该端部遍及全周地连续设置所述接触部，所述接合部设置在所述接触部的内侧。
在该第九方式中，当接合流路形成基板和接合基板时，由接触部可靠地支撑两基板，从而不会在两基板倾斜的状态下固定该两基板。
本发明的第十方式是如第一至第九方式中任一所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合区域的至少一部分区域中，多个所述接触部被分别独立地呈岛形设置，并且所述接合部被连续设置在这些多个所述接触部的周围。
在该第十方式中，即使将接合部设置成较大的区域，通过岛形接触部支撑接合基板可防止接合基板自身的弯曲。另外，由于粘接剂比较通畅地流入接合部，因此，能够比较良好地接合流路形成基板和接合基板。
本发明的第十一方式是一种液体喷射装置，其特征在于，具有第一至第九方式中任一方式所述的液体喷射头。
在该第十一方式中，能够实现大幅度提高喷射头的耐用性，并提高了可靠性的液体喷射装置。
附图说明
图1是第一实施方式的记录头的平面图；
图2是第一实施方式的记录头的截面图；
图3示出的是流路形成基板上的接触部和接合部的配置的平面图；
图4示出的是第一实施方式的记录头的主要部分的截面图；
图5示出的是第一实施方式的记录头的变形例的平面图；
图6是本发明一个实施方式的记录装置的简图。
具体实施方式
下面根据实施方式来详细说明本发明。
(第一实施方式)
图1是本发明第一实施方式的喷墨式记录头的平面图，图2是图1的A-A’截面图。流路形成基板10由面取向(110)的单晶硅基板构成，如图所示，在其一个面上形成有由二氧化硅形成、厚度为0.5～2μm的弹性膜50。在该流路形成基板10中设有沿其横向并列设置成两列的多个压力产生室12。另外，在流路形成基板10的各个压力产生室12的列的外侧分别形成有连通部13。连通部13和各个压力产生室12通过宽度比压力产生室12窄的墨水供应通路14而相连通。连通部13与后述的贮液室形成基板的贮液部连通，构成贮液室的一部分，所述贮液室作为各个压力产生室12的共用墨水室。墨水供应通路14将从连通部13流入压力产生室12的墨水的流路阻力保持为固定。
在流路形成基板10的与弹性膜50相反侧的表面上，通过粘接剂或热熔膜等固定有贯穿设置了喷嘴开口21的喷嘴板20，其中，喷嘴开口21与各个压力产生室12的与墨水供应通路14相反侧的端部附近连通。喷嘴板20由厚度例如为0.01～1mm，线膨胀系数在300℃以下例如为2.5～20[×10-6/℃]的玻璃陶瓷、单晶硅基板或不锈钢等构成。例如在本实施方式中，喷嘴板20由不锈钢(SUS)形成，其线膨胀系数为16[×10-6/℃]左右。
另一方面，在该流路形成基板10的开口面的相反侧上，如上所述形成有厚度例如约为1.0μm的弹性膜50，在该弹性膜50上形成有由氧化锆形成的、厚度例如约为0.4μm的绝缘膜55。另外，在该绝缘膜55上通过后述工艺层积形成由铂(Pt)和铱(Ir)形成的厚度例如约为0.2μm的下电极膜60、由锆钛酸铅(PZT)形成的厚度例如约为1.0μm的压电体层70、以及由铱(Ir)形成的厚度例如约为0.05μm的上电极膜80，由此构成压电元件300。
作为压电体层70的材料，例如可以使用在锆钛酸铅(PZT)等铁电性压电材料中添加了铌、镍、镁、铋或者钇等金属的弛豫铁电体。可以考虑压电元件的特性、用途等来适当选择其组成，例如可例举出PbTiO3(PT)、PbZrO3(PZ)、Pb(ZrxTi1-x)O3(PZT)、Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMN-PT)、Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PZN-PT)、Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PNN-PT)、Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3(PIN-PT)、Pb(Sc1/3Ta2/3)O3-PbTiO3(PST-PT)、Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PSN-PT)、BiScO3-PbTiO3(BS-PT)、BiYbO3-PbTiO3(BY-PT)等。
在这里，压电元件300是指包括下电极膜60、压电体层70以及上电极膜80的部分。通常，将压电元件300的某一电极作为共用电极，按每一压力产生室12对另一电极和压电体层70进行图案化。在本实施方式中，将下电极膜60作为压电元件300的共用电极，将上电极膜80作为压电元件300的专用电极，但也可以按照驱动电路或布线的情况而将其互换。另外，在作为压电元件300的专用电极的各个上电极膜80上连接有上电极用导线电极90，通过该上电极用导线电极90向各个压电元件300施加电压。
在这里，作为压电元件300的共用电极的下电极膜60在本实施方式中形成于在压力产生室12的长度方向上与压力产生室12相对的区域内，并在并列设置压力产生室12的方向上横穿与多个压力产生室12相对应的区域而连续设置。另外，下电极膜60在压力产生室12的并列设置方向上一直延伸至压力产生室12的列的外侧，在本实施方式中，连续设置在并列设置的多个压电元件300以及上电极用导线电极90的周围。另外，所述下电极膜60分别形成在压力产生室12的每一列上。另一方面，构成压电元件300的压电体层70和上电极膜80基本上被设置在与压力产生室12相对的区域内，但在压力产生室12的长度方向上延伸得比下电极膜60的端部更靠外侧。
另外，在与并列设置的压力产生室12对应的区域外侧设有积层电极100，该积层电极100与下电极膜60电连接，由不同于下电极膜60和上电极膜80的层构成，而在本实施方式中，是由与上电极用导线电极90相同的层构成。另外，在并列设置的压电元件300彼此之间的区域中，例如以10个压电元件300对应1根的比例设置从积层电极100连续的下电极用导线电极95。该下电极用导线电极95由与上电极用导线电极90相同的层构成。
流路形成基板10的压电元件300一侧的表面与贮液室形成基板30相接合，该贮液室形成基板30在与流路形成基板10的连通部13对应的区域中具有贮液部31。在本实施方式中，该贮液部31在厚度方向上贯通贮液室形成基板30，并沿着压力产生室12的并列设置方向而进行设置。如上所述，该贮液部31与流路形成基板10的连通部13相连通，从而构成作为各个压力产生室12的共用墨水室的贮液室110。另外，在贮液室形成基板30中的与压电元件300相对的区域中设有压电元件保持部32，该压电元件保持部32能够确保不妨碍压电元件300运动的空间。由于压电元件300形成在该压电元件保持部32内，因此能够以几乎不受外部环境的影响的状态受到保护。压电元件保持部32既可以被密封，也可以不被密封。
另外，在贮液室形成基板30的中央区域、即压电元件保持部32的与贮液部31的相反侧的区域中形成有露出孔33，该露出孔33贯通贮液室形成基板30的厚度方向，从而露出上电极用导线电极90等。虽然图中未示出，但通过在该露出孔33内延伸设置的连接布线，安装在贮液室形成基板30上的驱动IC、上电极用导线电极90以及下电极膜60相互电连接。
作为这种贮液室形成基板30的材料，可例举出玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等，但优选热膨胀率与流路形成基板10大致相同的材料，在本实施方式中，使用了材料与流路形成基板10相同的单晶硅基板。
如上所述，这种贮液室形成基板30例如通过由环氧系粘接剂形成的粘接层35而与流路形成基板10相接合。如图3及其后的图所示，在本发明中，在流路形成基板10与贮液室形成基板30的接合区域中设有多个接触部120，同时设置有以高于接触部120高度的厚度形成粘接层35的接合部130，所述接触部120以大致固定的高度突出设置在流路形成基板10上，并在实质上与贮液室形成基板30相接触。贮液室形成基板30以与该接触部120实质接触而被定位的状态，通过接合部130的预定厚度的粘接层35而固定在流路形成基板10上。虽然在接触部120和贮液室形成基板30之间存在有粘接层35，但由于该膜厚薄至例如0.1μm～1μm左右，在本实施方式中为0.5μm左右，因此，其结果是贮液室形成基板30处于与接触部120实质接触的状态。
通过上述结构，流路形成基板10和贮液室形成基板30能够良好地接合，从而可以起到防止两基板间发生剥离的效果。这将在后面加以详细叙述。
这里，在本实施方式中，在流路形成基板10的端部附近遍及其全周连续设置带状接触部120A，并且，除了与墨水供应通路14相对的区域，在贮液室110的周围也连续设置带状接触部120A。另外，在本实施方式中，在这些带状接触部120A之间的区域中，以规定间隔设有多个彼此独立的岛形接触部120B。如图4的B-B’截面图所示，该接触部120由构成压电元件300的层、即层积在绝缘膜55上的下电极膜60、压电体层70、上电极膜80以及上电极用导线电极90各层来构成。这样，由于将接触部120和形成在与压力产生室12相对的区域中的压电元件300同时制造进构成压电元件300的层中，因此，能够在不增加成本的情况下容易地形成接触部120。构成接触部120的各个层与压电元件300不连续。
另一方面，如图3所示，在本实施方式中，接合部130被设置在比带状接触部120A更靠内侧的区域。具体来说，设在流路形成基板10的端部附近的接触部120A和设在贮液室110周围的带状接触部120A之间的区域为接合部130，其遍及流路形成基板10的全周连续设置。在本实施方式中，岛形接触部120B散布在该接合部130中。如上所述，在该接合部130中，需要以大于等于接触部120高度的厚度来形成粘接层35a，但对接合部130的其他膜结构没有特别限定。但是，由于下电极膜60、压电体层70、上电极膜80以及上电极用导线电极90的各层比较容易发生剥离，因此最好不要形成在接合部130上。另外，在接合部130中最好露出流路形成基板10的表面，在本实施方式中，除去对应于接合部130的区域的绝缘膜55而使得流路形成基板10(弹性膜50)的表面露出(参照图4)。在本实施方式中，由于通过对作为流路形成基板10的单晶硅基板进行热氧化来一体形成弹性膜50，因此，弹性膜50的表面实质上就是流路形成基板10的表面。
通过粘接层35而接合在设有该接触部120和接合部130的流路形成基板10上的贮液室形成基板30与流路形成基板10有着良好的粘合，并防止了因环境温度的变化而引起的剥离的发生。具体来说，由于通过使贮液室形成基板30接触流路形成基板10上的接触部120来对流路形成基板10和贮液室形成基板30进行定位，因此能够总是在固定的条件下对二者进行粘接。另外在本实施方式中，由于设置了多个岛形接触部120B，因此，当粘接流路形成基板10和贮液室形成基板30时，与接触部120B对应部分的粘接剂流入接合部130以进行良好地填充，所以能够形成混入汽泡少的良好的粘接层35。从而能够良好地粘合流路形成基板10和贮液室形成基板30。在本实施方式中，由于在贮液室形成基板30的与接合部130对应的区域中设有作为剩余粘接剂流入空间的泄流槽34，因此，当将流路形成基板10与贮液室形成基板30接合时，即使涂敷的粘接剂的量过多，两个基板也能够良好地接合。
另外，由于确保了接合部130的粘接层35a的厚度比较厚，因此，减少了因喷嘴板20和流路形成基板10的线膨胀系数不同等而产生的剪应力。从而能够防止在流路形成基板10和贮液室形成基板30之间发生剥离。具体来说，接合部130的粘接层35a的厚度优选1.5～5μm左右，例如在本实施方式的结构中约为3μm左右。
另外在本实施方式中，由于除去了对应于接合部130的区域的绝缘膜55而使得流路形成基板10的表面露出，因此，能够更加可靠地防止上述剥离的发生。即，由于贮液室形成基板30不是与形成在流路形成基板10上的膜相粘接的，而是直接粘接在流路形成基板10本身上的，因此二者被粘接得更为牢固。在本实施方式中，虽然是除去对应于接合部130的区域的绝缘膜55而露出弹性膜50的表面，但显然也可以将弹性膜50与绝缘膜55一同除去。另外，和流路形成基板10相同，优选在对应于接合部130的区域也露出贮液室形成基板30的表面。
另外，在本实施方式中，在流路形成基板10的端部附近遍及其全周设有带状接触部120A，并散布有岛形接触部120B，因此，流路形成基板10和贮液室形成基板30的间隔整体基本一致。即，接合部130的粘接层35a的厚度整体基本一致。因此，在整体比较均匀的条件下接合流路形成基板10和贮液室形成基板30，能够进一步增加两基板的粘接强度。
在本实施方式中，在流路形成基板10的外周部遍及全周地设置了接触部120和接合部130，但对接触部120和接合部130的配置方式并没有特别的限定，例如图5所示，将接合部130分别设置在流路形成基板10的长度方向的两端部，而不是连续设置等。接触部120和接合部130只要至少被设置在流路形成基板10的短边侧的外周部等特别容易发生剥离的部分即可。但接合部130最好不要设置在形成有压力产生室12、连通部13等贯通流路形成基板10的凹部区域。这是由于在产生上述的剪应力时，在对应凹部部分的弹性膜50等处可能会发生破裂。
在贮液室形成基板30上接合有由密封膜41和固定板42构成的柔性基板40(参照图2)。密封膜41由刚性低、并具有可挠性的材料(例如厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)形成，该密封膜41密封贮液部31的一个面。另外，固定板42由金属等硬质材料(例如厚度为30μm的不锈钢(SUS)等)形成。该固定板42的与贮液室110相对的区域是在厚度方向上被全部去除的开口部43，因此，贮液室110的一个面仅由具有可挠性的密封膜41密封。
在本实施方式的喷墨式记录头中，从图中未示出的外部墨水供应单元引入墨水，在从贮液室110到喷嘴开口21的内部充满墨水后，根据来自安装于贮液室形成基板30上的图中未示出的驱动IC的记录信号，向与压力产生室12对应的各个下电极膜60和上电极膜80之间施加电压，通过使弹性膜50、绝缘膜55、下电极膜60以及压电体层70弯曲变形来使各个压力产生室12内的压力升高，从而从喷嘴开口21喷出墨滴。
(其他实施方式)
以上对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明不限于上述实施方式。例如在上述实施方式中，说明了同时设置带状接触部120A和多个岛形接触部120B的示例，但可以仅设置带状接触部120A，也可以仅设置岛形接触部120B。另外，例如在上述实施方式中，例示出了将具有贮液部31的贮液室形成基板30作为接合基板的情况，但接合基板不限于贮液室形成基板，只要是接合在流路形成基板上的基板，任何基板都可以。
上述实施方式的喷墨式记录头构成具有与墨盒等连通的墨水流路的记录头单元的一部分，并被安装在喷墨式记录装置中。图6示出的是该喷墨式记录装置的一个示例的简图。如图6所示，在具有喷墨式记录头的记录头单元1A和1B中，构成墨水供应单元的墨盒2A和2B被设置成可装卸，安装了该记录头单元1A和1B的托架3被设置成可在安装于装置本体4上的托架轴5上进行轴向的自由移动。该记录头单元1A和1B例如分别喷出黑色墨水成分和彩色墨水成分。驱动电机6的驱动力通过图中未示出的齿轮和同步带7被传递给托架3，由此，安装了记录头单元1A和1B的托架3沿托架轴5移动。另一方面，在装置本体4中沿托架轴5设置压盘8，作为由图中未示出的送纸辊等传送的纸等记录介质的记录片材S被搬送到压盘8。
另外，在上述实施方式中，将喷墨式记录头作为本发明的液体喷射头的一个示例进行了说明，但液体喷射头的基本结构不限于上述结构。本发明将可广泛地将所有液体喷射头作为对象，当然也可适用于喷射墨水以外的液体的装置。作为其他的液体喷射头，例如可例举出：用于打印机等图像记录装置的各种记录头、在制造液晶显示器等的滤色器时所使用的颜料喷射头、形成有机EL显示器及FED(面发光显示器)等的电极时所使用的电极材料喷射头、以及用于生物芯片制造的生物材料喷射头等。
Claims (11)
1.一种液体喷射头，包括：
喷嘴板，穿透设置有喷嘴开口；
流路形成基板，设有包括与所述喷嘴开口连通的压力产生室的凹部；
压电元件，通过振动板而设置在该流路形成基板的一个面上，并包括下电极、压电体层和上电极；以及
接合基板，通过由粘接剂形成的粘接层而接合在所述流路形成基板的所述压电元件一侧的表面上，
所述液体喷射头的特征在于，
在所述流路形成基板和所述接合基板的接合区域，在所述振动板上设有多个具有实质上与所述结合基板相接触的高度的接触部，并且设置有接合部，所述接合部包括厚度大于等于所述接触部的高度的所述粘接层。
2.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，所述接合部至少设置在所述流路形成基板的短边侧的外周部。
3.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，在所述流路形成基板的周边部遍及其全周连续形成所述接合部。
4.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，构成所述压电元件的层没有形成在所述接合部上。
5.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合部的至少一部分中露出了所述流路形成基板的表面。
6.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合基板与所述流路形成基板的接合面中与所述接合部相对的区域内，露出了所述接合基板的表面。
7.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，所述接合部设置在所述流路形成基板的没有形成所述凹部的区域。
8.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，所述接触部由构成所述压电元件的层形成。
9.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，在所述流路形成基板的至少端部附近沿该端部遍及全周地连续设置所述接触部，所述接合部设置在所述接触部的内侧。
10.如权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，在所述接合区域的至少一部分区域中，多个所述接触部被分别独立地呈岛形设置，并且所述接合部被连续设置在这些多个所述接触部的周围。
11.一种液体喷射装置，其特征在于，所述液体喷射装置具有权利要求1所述的液体喷射头。
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