CN101049758B - 促动器装置及液体喷射头和液体喷射装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种促动器装置，该装置具备：振动板，其包含由设置在衬底上的氧化硅(SiO2)形成的弹性膜；和压电元件，其包括设置在所述振动板上的下电极、压电体层及上电极；其中，在所述压电元件发生位移的状态下，所述振动板具有给予该压电元件300[MPa]以上500[MPa]以下拉伸应力的应力。
Description
技术领域
本发明涉及一种具备设置在衬底上的振动板和设置在该振动板上的压电元件的促动器装置及使用该促动器装置的液体喷射头和液体喷射装置。
背景技术
通过压电元件的驱动使振动板发生位移的促动器装置例如被搭载在喷射液体的液体喷射头等上。作为液体喷射头，例如公知有在形成有与喷嘴开口连通的压力发生室的流路形成衬底上设置促动器装置，通过驱动此促动器装置而喷出墨滴的喷墨式记录头。即，在喷墨式记录头中，振动板构成压力发生室的一部分，通过压电元件使振动板发生变形，对压力发生室内的墨水施加压力，从而由喷嘴开口喷出墨滴。此外，作为搭载在此种喷墨式记录头上的促动器装置，通过成膜技术遍及振动板的表面整体均匀地形成例如薄膜PZT等压电体层，再通过光刻法将此压电体层切分成对应压力发生室的形状，从而形成每个压力发生室独立的压电元件(例如，参照日本专利文献特开2000-094681号公报)。
具备此种由薄膜形成的压电元件的促动器装置具有能够比较高密度地排列压电元件的优点，例如通过搭载在喷墨式记录头上，能够提高印刷品质。但是存在随着压电元件的驱动次数的增加，喷射墨水的特性逐渐降低的缺点。即，存在压电体层的残留极化使压电元件的位移量(振动板的位移量)降低的问题。特别是在初始阶段，此压电元件的位移量变化大。
发明内容
鉴于上述的问题，本发明的目的在于提供一种防止压电元件位移量降低的促动器装置及液体喷射头和液体喷射装置。
为达到上述目的的第一方式是一种促动器装置，该促动器装置具备：振动板，其包含由设置在衬底上的氧化硅(SiO2)形成的弹性膜；和压电元件，其包括设置在所述振动板上的下电极、压电体层及上电极；其中，在所述压电元件发生位移的状态下，所述振动板具有给与该压电元件300[MPa]以上500[MPa]以下拉伸应力的应力。
在所述第一方式中，压电元件由通过施加电压产生挠曲变形的状态，通过振动板给予的拉伸应力而返回到原始状态，即没有发生实质挠曲变形的状态。因此，即使反复驱动压电元件，也能够防止与之伴生的压电元件的位移量(振动板的位移量)的降低。
本发明的第二方式如第一方式的促动器装置，其特征在于，所述振动板还包含由氧化锆(ZrO2)形成的绝缘体膜，该振动板的厚度在1600[nm]以下，并且所述弹性膜的厚度为所述绝缘体膜厚度的三倍以上。
在所述的第二实施方式中，振动板确实地具有上述范围内的应力，并且，振动板的厚度较薄，由此，压电元件可以高速驱动。
本发明的第三方式如第二方式的促动器装置，其特征在于，所述振动板的厚度在1300[nm]～1400[nm]。
在所述的第三方式中，能够更加可靠地高速驱动压电元件，并且振动板的应力值还在上述的范围内。
本发明的第四方式如第一～第三方式中任一方式所述的促动器装置，在所述压电元件上还具备覆盖该压电元件并由无机绝缘材料形成的保护膜。
在所述第四方式中，保护膜能够防止由于压电元件的水分而造成的破坏。此外，在形成此保护膜的状态下，也能够防止压电元件的位移量的降低。
本发明的第五方式为一种液体喷射头，其特征在于，具有如第一方式所述的促动器装置来作为压力产生机构，所述压力产生机构在形成于所述衬底上的压力发生室上产生用于使该压力发生室内的液体由喷嘴开口喷射的压力。
在所述第五方式中，能够实现具有良好液滴喷出特性的液体喷射头。
本发明的第六方式为一种液体喷射装置，其特征在于，具备第五方式所述的液体喷射头。
在所述第六方式中，能够实现可靠性与耐久性优良的液体喷射装置。
附图说明
图1是一实施方式的记录头的分解立体图；
图2是一实施方式的记录头的平面图及剖面图；
图3是一实施方式的记录头的促动器装置的局部剖面图；
图4是示出一实施方式的记录装置的一个示例的示意立体图。
具体实施方式
以下，基于实施方式对本发明进行详细地说明。
图1是示出本发明的一实施方式的喷墨式记录头的分解立体图，图2是其平面图及A-A′剖面图，图3是在B-B′剖面的促动器装置的局部放大剖面图。如图所示，在本实施方式中，流路形成衬底10由面方位(110)的硅单晶衬底制成，并在其宽度方向上并列设置多个压力发生室12。在此流路形成衬底10的一面侧，形成含有弹性膜51的振动板50(后面详细叙述)，此振动板50(弹性膜51)构成压力发生室12的一面。此外，在流路形成衬底10的压力发生室12的长度方向外侧的区域内形成连通部13，并经由墨水供给路14，连通部13与各压力发生室12连通。并且，连通部13与后述的保护衬底的储藏器部连通，构成成为各压力发生室12的共有墨水室的储藏器部的一部分。在比压力发生室12窄的宽度内形成墨水供给路14，保持一定的从连通部13流入到压力发生室12的墨水流路阻力。
此外，在流路形成衬底10的一面上，经由粘合剂或热熔敷薄膜固定有喷嘴板20，该喷嘴板20穿设有与各压力发生室12的墨水供给路14相反侧的端部附近连通的喷嘴开口21。此喷嘴板20例如由玻璃陶瓷、硅单晶衬底、不锈钢等制成。
另一方面，在该流路形成衬底10的与喷嘴板20的相反一侧的面上，形成弹性膜51。并且，在此弹性膜51上形成绝缘体膜52，通过此弹性膜51及绝缘体膜52构成振动板50。此外，在此振动板50上形成由下电极膜60、压电体层70及上电极膜80构成的压电元件300。此处，压电元件300称为含有下电极膜60、压电体层70及上电极膜80的部分。通常，将压电元件300中的任意一方的电极作为共用电极，将另一电极及压电体层70按照每个压力发生室12图案化构成。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，但是根据驱动电路或布线的情况也可以将其颠倒。将此种压电元件300和通过压电300的驱动而生成位移的振动板合称为促动器装置。
此处，如上所述，构成促动器装置的振动板50由弹性膜51和绝缘体膜52构成。例如，本实施方式中，构成振动板50的弹性膜51由氧化硅(SiO2)制成，形成约1000[nm]的厚度。并且，通过热氧化流路形成衬底10来形成该弹性膜51。另一方面，构成振动板50的绝缘体膜52，例如在本实施方式中，由氧化锆制成，形成约400[nm]的厚度。
并且，在对压电元件300施加电压使其产生位移的情况下，本发明的振动板50在压电元件300上施加300[MPa]以上500[MPa]以下的拉伸应力。即，在施加电压产生位移的情况下，通过振动板50向压电元件300作用使其返回原状态的力。由此，压电元件300返回没有实质性位移的状态，因此，即使反复驱动压电元件，也能够防止与之相伴的压电元件的位移量(振动板的位移量)的降低。如果振动板50施加在压电元件300上的应力小于300[MPa]，则不能够可靠地防止压电元件300的位移量的降低，如果大于500[MPa]，则流路形成衬底10有发生反折或破坏之虞。
此外，为使振动板50具有上述范围内的应力，优选设置振动板50的厚度在1600[nm]以下且设置弹性膜51的厚度为绝缘体膜52厚度的三倍以上。特别优选设置振动板50的厚度在1300[nm]～1400[nm]。由此，振动板50确实地具有在上述范围内的应力，此外，如果振动板在1600[nm]以下比较薄地设置，则可以高速驱动压电元件300。
对应各压力发生室12，分别设置在此振动板50上形成的各压电元件300，如图3所示，在比压力发生室12窄的宽度内形成各压电元件300，各压电元件300至少在压力发生室12的宽度方向上，设置于与各压力发生室12对应的区域内。在本实施方式中，以宽度W1为55[μm]左右形成各压力发生室12。
此外，构成压电元件300的下电极膜60，例如由白金(Pt)、铱(Ir)等金属材料制成，在本实施方式中，通过白金和铱的叠层形成约150[nm]厚的下电极膜60。压电体层70由例如钛锆酸铅(PZT)等强介电性压电材料或在其中添加铌、镍、镁、铋或镱等金属的强介电体等形成。例如，本实施方式中，使用1100[nm]厚的钛酸锆酸铅(PZT)叠层，形成压电体层70。此外，上电极膜80与下电极膜60同样由白金(Pt)、铱(Ir)等金属材料制成，形成约50[nm]的厚度。此外，在本实施方式中，上电极膜80的材料使用铱(Ir)。
此外，在被图案化成规定形状的下电极膜60上，通过例如阴极真空喷镀法等方法依次叠加构成压电元件300的压电体层70及上电极膜80，然后，同时图案化压电体层70及上电极膜80。并且，本实施方式中，由上电极膜80开始朝向下电极膜60一侧宽度逐渐增加地大致呈台型地形成此压电体层70及上电极膜80。具体地，如图3所示，形成压电体层70及上电极膜80，使相对于宽度方向两侧的倾斜面的底面的倾斜度θ1约为30[°]，且压电体层70的上电极膜80一侧的宽度W2约为40[μm]。
在此压电元件300的上电极膜80上连接有引线电极90，从上电极膜引出此引线电极90至与墨水供给路14相对的区域(参照图2)。
在本实施方式中，除去与下电极膜60的连接部60a及引线电极90的连接部90a相对的区域，由无机绝缘材料形成的保护膜100覆盖此压电元件300及引线电极90。例如氧化铝(Al2O3)适于作为此保护膜100的材料。因为氧化铝的水分透过率极低，因此，此保护膜100用于防止由于大气中的水分导致的压电元件的破坏。此外，保护膜100的厚度优选100[nm]左右的厚度。因为在此厚度下，能够在高湿度环境下充分地防止水分透过，且能够防止振动板50的位移量的降低。
此外，在流路形成衬底10的压电元件300侧的表面上，利用粘合剂等接合具有压电元件保持部31的保护衬底30，该压电元件保持部31作为用于保护压电元件300的空间。由于压电元件300形成在该压电元件保持部31内，因此，以几乎不受外部环境影响的状态受到保护。此外，在保护衬底30上，在与流路形成衬底10的连通部13对应的区域内设有储藏器部32。如上所述，此储藏器部32与流路形成衬底10的连通部13连通，构成成为各压力发生室12的共有墨水室的储藏器110。此外，在保护衬底30的压电元件保持部31与储藏器部32之间的区域设有在厚度方向上贯通保护衬底30的连接孔33，在此连接孔33内露出上述的下电极膜60的连接部60a及引线电极90的连接部90a。并且，此下电极膜60的连接部60a及引线电极90的连接部90a电连接连接布线130的一端，该连接布线130的另外一端连接在保护衬底30上安装的驱动IC120。
此外，在保护衬底30上结合由密封膜41和固定板42构成的柔性衬底40，所述密封膜41由刚性低且具有可挠性的材料制成，所述固定板42由金属等硬质材料制成。由于在厚度方向上固定板42完全除去与储藏器110相对的区域而形成开口部43，因此，储藏器110的一面仅由具有可挠性的密封膜41密封。
在此实施方式的喷墨式记录头中，从未图示的外部墨水供给机构取入墨水，在将储藏器110至喷嘴开口21的内部注满墨水后，按照来自驱动IC120的信号，在与压力发生室12对应的各个下电极膜60及上电极膜80之间施加电压，使压电体层70发生挠曲变形，从而使振动板50(弹性膜51及绝缘体膜52)发生挠曲变形。由此，各压力发生室12内的压力升高，从而从喷嘴开口21喷出墨水。
如以上的说明，本发明中，在向压电元件300施加电压使之发生位移的状态下，由于振动板50具有给予该压电元件300[MPa]以上500[MPa]以下的拉伸应力的应力，因此，能够防止由于压电元件300的反复驱动导致的位移量的降低。从而，能够总是稳定地喷出墨水，并长期良好地维持印刷品质。
以上，对本发明的一实施方式进行了说明，但是本发明并不限定于本实施方式。此外，此种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，并搭载在喷墨式记录装置上。图4是示出此种喷墨式记录装置一例的示意立体图。如图4所示，具有喷墨式记录头的记录头单元1A及1B可装卸地设有构成墨水供给机构的墨盒2A及2B，并且，在安装在装置主体4上的滑动架轴5上，移动自如地设有搭载记录头单元1A及1B的滑动架3。此记录头单元1A及1B例如分别喷出黑色墨水组成物及彩色墨水组成物。并且，电动机6的驱动力经由未图示的多个齿轮及定时带7传递到滑动架3，由此，搭载有记录头单元1A及1B的滑动架3沿滑动架轴5移动。另一方面，在装置主体4上设有沿滑动架轴5方向的压纸板8，通过未图示的供纸辊等向压纸板8上输送纸等作为记录介质的纪录薄片S。
此外，在上述的实施方式中，作为本发明的液体喷射头的一例，对喷墨式记录头进行了说明，但是液体喷射头的基本结构不限定于上述的喷墨式记录头。本发明以广义的液体喷射头的全体为对象，当然也能够适用于喷射墨水以外其他液体的喷射头。作为其他液体喷射头，例如有：用于打印机等图像记录装置的各种记录头、用于液晶显示器等的彩色过滤器制造的颜色材料喷射头、用于有机EL显示器、FED(面发光显示器)等的电极形成的电极材料喷射头、用于生物芯片制造的生物体有机物喷射头等。
此外，本发明不仅适用于搭载在喷墨式记录头等液体喷射头中的促动器装置，还能够适用于在所有装置中搭载了促动器装置的装置。
Claims (6)
1.一种促动器装置，其具备：
振动板，其包含由设置在衬底上的氧化硅(SiO2)形成的弹性膜；和
压电元件，其包括设置在所述振动板上的下电极、压电体层、以及上电极，
其特征在于，在所述压电元件发生位移的状态下，所述振动板具有给予该压电元件300MPa以上500MPa以下的拉伸应力的应力。
2.如权利要求1所述的促动器装置，其特征在于，所述振动板还包括由氧化锆(ZrO2)形成的绝缘体膜，该振动板的厚度在1600nm以下，且所述弹性膜的厚度为所述绝缘体膜厚度的三倍以上。
3.如权利要求2所述的促动器装置，其特征在于，所述振动板的厚度为1300nm～1400nm。
4.如权利要求1所述的促动器装置，其特征在于，在所述压电元件上还具备覆盖该压电元件并由无机绝缘材料形成的保护膜。
5.一种液体喷射头，其特征在于，具有如权利要求1所述的促动器装置来作为压力产生机构，所述压力产生机构在形成于所述衬底上的压力发生室上产生用于使该压力发生室内的液体由喷嘴开口喷射的压力。
6.一种液体喷射装置，其特征在于，具备权利要求5所述的液体喷射头。
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