CN101623953A

CN101623953A - 液体喷射头及液体喷射装置和压电元件

Info

Publication number: CN101623953A
Application number: CN200910158840A
Authority: CN
Inventors: 两角浩一; 加藤治郎; 傅田聪; 朝冈一郎
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2008-07-10
Filing date: 2009-07-08
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2029-07-08
Also published as: JP2010021375A; CN101623953B; CN102225664A; CN102225664B; US20100007705A1; US8262202B2

Abstract

本发明提供具有可抑制压电体层发生裂纹、且绝缘性出色的压电元件的液体喷射头及液体喷射装置和压电元件。该液体喷射头具备：与喷射液体的喷嘴开口连通的压力发生室、和使该压力发生室发生压力变化的压电元件，该压电元件由第一电极(60)、形成在该第一电极上的压电体层(70)、和形成在所述压电体层的与所述第一电极相反一侧的第二电极(80)构成，在所述压电体层中形成有粒状的域(511)。

Description

液体喷射头及液体喷射装置和压电元件

技术领域

本发明涉及从喷嘴开口喷射液体的液体喷射头、及液体喷射装置和具有第一电极、压电体层及第二电极的压电元件。

背景技术

作为从喷墨式记录头的喷嘴开口使液体喷射的压力发生机构而使用的压电元件，是通过两个电极夹持由呈现电气机械转换功能的压电材料构成的电介质膜的元件，电介质膜例如由已结晶化的压电性陶瓷构成。而且，这样的压电元件通过在利用溅射法等在基板(流路形成基板)的一个面侧形成了下电极膜之后，利用溶胶-凝胶法或MOD法等在下电极膜上形成压电体层(电介质膜)，并且利用溅射法等在压电体层上形成上电极膜，随后使压电体层及上电极膜形成图案，由此形成压电元件(例如参照专利文献1)。

专利文献1：特开2001-274472号公报

在这样的压电元件中，当施加电压时压电体层被施加应力，此时存在压电体层会产生裂纹的问题。特别是在压电体层为薄膜的情况下，由于施加给压电体层的应力强大，所以该产生裂纹的问题变得显著。另外，如果在压电体层上形成有两个电极间的泄漏电流的通路(泄漏通道)，则还存在绝缘性降低、压电元件发热及破坏而导致劣化的问题。

此外，这样的问题并不限于在喷墨式记录头中使用的压电元件，在喷射其他液体的液体喷射头所使用压电元件中也存在这样的问题，且在液体喷射头以外的器件所使用的压电元件中也存在这样的问题。

发明内容

本发明鉴于这样的情况而提出，其目的在于，提供一种具有可抑制压电体层发生裂纹且绝缘性出色的压电元件的液体喷射头、及液体喷射装置和压电元件。

为了解决上述课题，本发明的技术方案涉及一种液体喷射头，其特征在于，具备：与喷射液体的喷嘴开口连通的压力发生室、和使该压力发生室发生压力变化的压电元件，该压电元件由第一电极、形成在该第一电极上的压电体层、和形成在上述压电体层的与上述第一电极相反一侧的第二电极构成，在上述压电体层中形成有粒状的域(domain)。

在该技术方案中，由于在压电体层中形成有粒状的域，通过该粒状的域使得域和域的边界(域边界)为非直线状，所以与域边界是一条直线状的情况相比，由应力引起的变形难以传播，可以抑制压电体层发生裂纹。而且，由于粒状的域使域边界成为非直线状，所以与域边界为一条直线状的情况相比，难以成为泄漏通道，因此，可以使压电体层的绝缘性良好。

这里，上述粒状的域可以形成在上述压电体层的厚度方向的至少中央部。由此，通过形成在压电体层的厚度方向的中央部的粒状的域，可以阻碍由应力引起的变形的传播，且能够截断泄漏通路而使压电体层的绝缘性良好。

而且，优选在上述压电体层中形成有上述粒状的域及条纹状的域。由此，由于在压电体层中形成有粒状的域和条纹状的域，所以通过粒状的域可抑制裂纹的发生，而且绝缘性变得良好，同时通过条纹状的域使得压电元件的变位良好，成为压电特性出色液体喷射头。

并且，优选上述压电元件在上述压力发生室侧设置上述第一电极，上述条纹状的域至少形成在上述第二电极侧。由此，由于通过粒状的域可抑制裂纹的发生，而且绝缘性变得良好，同时在远离振动中心的区域、即第二电极侧形成有条纹状的域，所以与未在第二电极侧形成条纹状的域的情况相比，压电元件的变位良好，成为压电特性出色的液体喷射头。

另外，优选上述压电体层含有铅、锆及钛。由此，可以实现具有压电特性出色的压电元件的液体喷射头。

进而，本发明的其他技术方案涉及一种液体喷射装置，其特征在于，具备上述技术方案的液体喷射头。在该技术方案中，可以实现的液体喷射装置所具备的液体喷射头具有：可抑制压电体层发生裂纹、且绝缘性出色的压电元件。

另外，本发明的另一技术方案涉及一种压电元件，其特征在于，具备第一电极、形成在该第一电极上的压电体层、和形成在上述压电体层的与上述第一电极相反一侧的第二电极，在上述压电体层中形成有粒状的域。在该技术方案中，由于在压电体层中形成有粒状的域，通过该粒状的域使得域和域的边界(域边界)成为非直线状，所以与域边界为一条直线状的情况相比，由应力引起的变形难以传播，可以抑制压电体层产生裂纹。并且，由于粒状的域使域边界成为非直线状，所以与域边界是一条直线状的情况相比，难以成为泄漏通路，因此，可以使压电体层的绝缘性良好。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式1涉及的记录头的简要构成的分解立体图。

图2是表示本发明的实施方式1涉及的记录头的俯视图及剖面图。

图3是表示本发明的实施方式1涉及的记录头的主要部分放大剖面图。

图4是表示本发明的一个实施方式涉及的记录装置的简要构成的图。

图中：I-喷墨式记录头(液体喷射头)，II-喷墨式记录装置(液体喷射装置)，10-流路形成基板，12-压力发生室，13-连通部，14-墨水供给路径，15-连通路径，20-喷嘴板，21-喷嘴开口，30-保护基板，31-贮存部，40-柔性(compliance)基板，50-弹性膜，55-绝缘体膜，60-第一电极，70-压电体层，80-第二电极，90-导线电极，100-贮存器，120-驱动电路，300-压电元件，501-晶粒，511-粒状的域，512-条纹状的域，521、522-域边界。

具体实施方式

下面，根据实施方式详细说明本发明。

(实施方式1)

图1是表示作为本发明的实施方式1涉及的液体喷射头的一例的喷墨式记录头的简要构成的分解立体图，图2是图1的俯视图及其A-A’剖面图，图3是将喷墨式记录头的主要部分放大了的剖面图。

如图1及图2所示，本实施方式的流路形成基板10由硅单晶基板形成，在其一个面上形成有由二氧化硅构成的弹性膜50。

在流路形成基板10上，沿着其宽度方向并列设置有多个压力发生室12。而且，在流路形成基板10的压力发生室12的长度方向外侧的区域形成连通部13，连通部13和各压力发生室12借助按各压力发生室12的每个设置的墨水供给路径14及连通路径15被连通。连通部13与后述的保护基板的贮存部31连通，构成各压力发生室12的成为共用墨水室的贮存器的一部分。墨水供给路径14以小于压力发生室12的宽度形成，将从连通部13流入到压力发生室12的墨水的流路阻力保持恒定。另外，在本实施方式中，通过从单侧缩窄流路的宽度，形成了墨水供给路径14，但也可以通过从两侧缩窄流路的宽度来形成墨水供给路径。而且，也可以不缩窄流路的宽度，而通过从厚度方向缩窄来形成墨水供给路径。

其中，本实施方式中，在流路形成基板10中设置有由压力发生室12、连通部13、墨水供给路径14及连通路径15构成的液体流路。

而且，在流路形成基板10的开口面侧，通过粘接剂或热熔敷膜等胶着有喷嘴板20，该喷嘴板20上穿设有和各压力发生室12的与墨水供给路径14相反侧的端部附近连通的喷嘴开口21。其中，喷嘴板20例如由玻璃陶瓷、硅单晶基板、不锈钢等形成。

另一方面，在这样的流路形成基板10的开口面相反侧，如上所示形成有弹性膜50，在该弹性膜50上形成有绝缘体膜55。并且，在该绝缘体膜55上层叠形成有由铂等构成的第一电极60、压电体层70、由铱等构成的第二电极80，构成了压电元件300。这里，压电元件300是指含有第一电极60、压电体层70和第二电极80的部分。通常情况下，将压电元件300的任意一个电极作为公共电极，按各压力发生室12的每个，使另一电极及压电体层70形成图形而构成。在本实施方式中，将第一电极60作为压电元件300的公共电极，将第二电极80作为压电元件300的单独电极，但基于驱动电路、布线的情况，即便反过来使用也不会有影响。另外，这里将压电元件300和通过该压电元件300的驱动而发生变位的振动板合起来称为执行元件装置。其中，在上述的例子中，弹性膜50、绝缘体膜55及第一电极60作为振动板发挥作用，但当然不限于此，例如也可以不设置弹性膜50及绝缘体膜55，而仅将第一电极60作为振动板发挥作用。另外，也可以使压电元件300自身实质上兼有振动板的功能。

压电体层70由在第一电极60上形成的显现电气机械转换作用的压电材料形成，特别是由压电材料中具有钙钛矿结构且含有Pb、Zr及Ti作为金属的强电介质材料形成。作为压电体层70，例如优选使用锆钛酸铅(PZT)等强电介质材料、向其中添加了氧化铌、氧化镍或氧化镁等金属氧化物而得到的材料等。具体而言，可以使用钛酸铅(PbTiO₃)、锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)、锆酸铅(PbZrO₃)、钛酸铅镧((Pb，La)，TiO₃)、锆钛酸铅镧((Pb，La)(Zr，Ti)O₃)、或者铌镁锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O₃)等。

关于压电体层70的厚度，以在制造工序中不发生裂纹的程度控制厚度，且以呈现足够的变位特性的程度较厚地形成。例如，在本实施方式中，以1～2μm左右的厚度形成了压电体层70。

而且，在本实施方式中，如作为压电元件300的厚度方向的剖面图的图3(a)所示，在压电体层70中形成有多个连续的柱状晶粒(grain)501。该晶粒501如将图3(a)的一个晶粒501进一步放大的作为剖面图的图3(b)所示，由多个域构成。其中，晶粒是指相同结晶取向的晶体的区域，而域是指晶粒内内部电场方向相同的区域。例如，对于单斜晶系中在(001)面取向的PZT而言，由于作为B位点(site)原子的Ti和Zr可以向四种方向移动，所以在晶粒内形成四种域。

构成该晶粒501的域由粒状的域511及条纹状的域512构成。而且，粒状的域511形成在压电体层70的厚度方向的中央部。其中，粒状的域511是指球状或多边形状的域，在本实施方式中，多个粒状的域511在压电体层70的厚度方向中央部凝聚而形成层。另一方面，条纹状的域512形成在压电体层70的第一电极60侧及第二电极80侧。此外，条纹状的域512是指截面细长且为条形的域，在本实施方式中，多个条纹状的域512平行层叠而形成层。

而且，由于粒状的域511如上所示为球状或多边形状，所以如剖面的图3(b)所示，粒状的域511和粒状的域511的域边界521，不像条纹状的域512和条纹状的域512的域边界522那样为直线状，而是非直线状。

这样，在本实施方式中，由于在压电体层70中形成有粒状的域511，所以可以抑制在施加电压时因施加的压力引起压电体层70产生裂纹。这里，以往的压电体层由条纹状的域形成，不形成粒状的域。而且，由于条纹状的域细长且为条形，所以条纹状的域的域边界成为直线状。如果向压电元件施加电压，则压电体层会因应力而出现裂纹，推测这是因为由应力引起的变形在该直线状的域边界传播，所以使压电体层产生裂纹。

然而，本实施方式在压电体层70中形成有粒状的域511。而且，由于粒状的域511的域边界521为非直线状，所以该域边界521与域边界为直线状的情况、即条纹状的域512的域边界522相比，由应力引起的变形难以传播。因此，可抑制因应力引起压电体层70产生裂纹。在像本实施方式这样压电体层70为薄膜的情况下，与厚膜相比，施加电压时会有数10～数100MPa左右的强大应力赋予给压电体层70，但在本实施方式中，由于在压电体层70中形成有粒状的域511，所以可以抑制裂纹的发生，成为耐久性出色的喷墨式记录头。

并且，由于粒状的域511其域边界为非直线状，所以与域边界是直线状的情况相比，难以形成泄露通道，因此，在形成有粒状的域的本实施方式中，可以使压电体层70的绝缘性良好。这里，在硬质PZT中，因晶体缺陷而使域边界被锁定，域边界容易成为泄露通道。而且，由于以往的压电体层由条纹状的域形成，且条纹状的域的域边界是直线状，所以该直线状的域边界容易成为压电体层的泄露通道。然而，在本实施方式中，由于形成了粒状的域511，粒状的域511的域边界521为非直线状，所以粒状的域511的域边界521与域边界为直线状的情况、即条纹状的域512的域边界522相比，难以成为泄露通道。因此，可以使压电体层70的绝缘性良好，能够防止因泄露引起的压电元件300的发热、由破坏引起的压电元件300的劣化。

另外，在本实施方式中，由于多个粒状的域511形成在压电体层70的厚度方向中央部，在压电体层70的厚度方向中央部具有由多个粒状的域511凝聚形成的层，所以可阻碍由应力引起的变形的传播，并且，可以截断由条纹状的域512的域边界522形成的直线状的泄露通道，使压电体层70的绝缘性良好。

而且，条纹状的域512与粒状的域511相比，变位量更大、压电特性更出色，但在本实施方式中，由于在形成有粒状的域511的同时，也混合存在条纹状的域512，所以能够通过粒状的域511实现裂纹产生的抑制及良好的绝缘性，同时能够通过条纹状的域实现良好的压电特性。

并且，本实施方式中，在压电体层70的作为远离振动板的区域的第二电极80侧，形成有变位量大的条纹状的域512。由于压电体层70的远离振动板的区域从振动板的振动中心远离，所以即便是相同的变位量，也能够通过杠杆原理得到使振动板大幅振动的效果。因此，与仅在邻近振动板的区域形成条纹状的域512的情况相比，压电元件300的变位量增大，成为压电特性出色的喷墨式记录头。

这里，域的形状可以通过例如SEM等电子显微镜进行观察。如果在施加电压的轮询(polling)处理后进行，则可以明确观察到域的形状。其中，图3是对轮询处理后的状态进行说明的图，但在本实施方式中，即便是在轮询处理之前，也存在粒状的域和条纹状的域。

这样的压电体层70的制造方法没有特别限定，例如可以使用所谓的溶胶-凝胶法形成压电体层70，所述溶胶-凝胶法是涂敷在溶剂中溶解、分散了有机金属化合物的所谓溶胶，并进行干燥使其凝胶化，进而在高温下烧成，由此得到由金属氧化物构成的压电体层70。另外，压电体层70的制造方法并不限于溶胶-凝胶法，例如还可以使用MOD(Metal-Organic Decomposition)法或溅射法等。

具体而言，在第一电极60上涂敷含有有机金属化合物的溶胶(溶液)，形成压电体前体膜(涂敷工序)，加热压电体前体膜而使其干燥(干燥工序)，对已干燥的压电体前体膜进行加热，使压电体前体膜中含有的有机成分作为NO₂、CO₂、H₂O等而将其消去(脱脂工序)，然后加热压电体前体膜，而使其结晶化(烧成工序)，由此可以制造压电体层70。通过多次重复该涂敷工序、干燥工序、脱脂工序及烧成工序，可以形成由多层压电体膜构成的压电体层。在本实施方式中，形成了由12层压电体膜构成的压电体层。其中，作为在涂敷工序中涂敷的溶胶，可以使用各成分的组成比相同的材料，也可以使用不同的材料。

这里，在上述压电体层70的制造中，例如在干燥工序中，使加热条件为150～170℃，时间为8～30分钟，在脱脂工序中，使加热条件为300～400℃左右，时间约为10～30分钟，在烧成工序中，使加热条件为650～800℃，时间为5～30分钟，使升温速度为15℃/sec，由此可以形成条纹状的域512。

而且，在上述压电体层70的制造中，通过调整所涂敷的溶胶等中含有的各成分的组成比、涂敷次数、烧成温度、升温速度等烧成工序的条件等、压电体层70的各制造条件以及制造条件的平衡，可以形成粒状的域511。例如，虽然也依赖于其它的制造条件，但当降低烧成温度时，有容易形成粒状的域511的趋势。另外，如果增加溶胶中的含铅量，则虽然也依赖于其它制造条件，但有容易形成粒状的域511的趋势。例如，在形成由多层压电体膜构成的压电体层70的情况下，可以通过使用各成分的组成比不同的材料，作为在涂敷工序中涂敷的溶胶，使在想要形成粒状的域511的区域涂敷的溶胶中的铅量，比在想要形成条纹状的域512的区域涂敷的溶胶中的铅量多，来形成粒状的域511。

这样，通过调整压电体层70的各制造条件、制造条件的平衡，可以形成粒状的域511，在本实施方式中，粒状的域511形成在第5～7层的压电体膜上，在作为剩余的区域的第1～4层及第8～12层上形成条纹状的域512，由此形成了压电体层70。

而且，在作为压电元件300的单独电极的第二电极80上连接有导线电极90，该导线电极90从墨水供给路径14侧的端部附近引出，延伸设置到绝缘体膜55上，例如由金(Au)等形成。

在形成有这样的压电元件300的流路形成基板10上，即在第一电极60、绝缘体膜55及导线电极90上，借助粘接剂35接合有具有贮存部31的保护基板30，所述贮存部31构成贮存器100的至少一部分。在本实施方式中，该贮存部31在厚度方向上贯通保护基板30并遍布压力发生室12的宽度方向形成，如上所述，与流路形成基板10的连通部13连通，构成了作为各压力发生室12的公共墨水室的贮存器100。另外，可以按压力发生室12的每个将流路形成基板10的连通部13分割成多个，仅将贮存部31作为贮存器。并且，例如还可以在流路形成基板10上仅设置压力发生室12，在介于流路形成基板10和保护基板30之间的部件(例如弹性膜50、绝缘体膜55等)上设置将贮存器和各压力发生室12连通的墨水供给路径14。

另外，在保护基板30的与压电元件300对置的区域，设置了具有不妨碍压电元件300运动的程度的空间的压电元件保持部32。压电元件保持部32只要具有不妨碍压电元件300运动的程度的空间即可，该空间可以被密封，也可以未被密封。

作为这样的保护基板30，优选使用热膨胀率与流路形成基板10大致相同的材料，例如使用玻璃、陶瓷材料等，在本实施方式中，使用材料与流路形成基板10相同的硅单晶基板而形成。

另外，保护基板30上设置有在厚度方向上贯通保护基板30的贯通孔33。而且，从各压电元件300引出的导线电极90的端部附近，被设置成在贯通孔33内露出。

并且，在保护基板30上固定有用于对并列设置的压电元件300进行驱动的驱动电路120。作为该驱动电路120，例如可以使用电路基板、半导体集成电路(IC)等。而且，驱动电路120和导线电极90借助由正极导线等导电性线形成的连接布线121而电连接。

另外，在这样的保护基板30上接合有由密封膜41及固定板42构成的柔性基板40。这里，密封膜41由刚性低且具有挠性的材料形成，贮存部31的一个面被该密封膜41密封。而固定板42由比较硬质的材料形成。由于该固定板42的与贮存器100对置的区域成为在厚度方向上被完全除去的开口部43，所以贮存器100的一个面仅被具有挠性的密封膜41密封。

在这样的本实施方式的喷墨式记录头中，从与未图示的外部的墨水供给机构连接的墨水导入口摄入墨水，在从贮存器100直至喷嘴开口21为止被墨水充满了内部之后，按照来自驱动电路120的记录信号，向与压力发生室12对应的各第一电极60和第二电极80之间施加电压，使弹性膜50、绝缘体膜55、第一电极60及压电体层70挠曲变形，由此各压力发生室12内的压力升高，从喷嘴开口21喷出墨水滴。

(其他的实施方式)

以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，但本发明的基本构成并不限于上述内容。例如，在上述的实施方式1中，表示了在压电体层70的厚度方向的中央部形成有粒状的域511、且在作为剩余区域的第一电极侧及第二电极侧形成有条纹状的域512的情况，但并不限于此，例如，也可以在压电体层70的厚度方向中央部及自中央部到第一电极侧形成粒状的域511、且在剩余的第二电极侧形成条纹状的域512，另外，还可以仅在第一电极附近形成粒状的域511，而在剩余的区域形成条纹状的域512。并且，虽然压电元件300的变位具有降低的趋势，但也可以构成不形成条纹状的域512而仅形成粒状的域511的压电体层70。

而且，压电体层70的晶体结构可以为菱面体晶、正方晶或单斜晶中的任意，且可以在(100)面、(110)面、(001)面、(111)面的任意面上优先取向。其中，晶体结构、取向的控制只要以通常的方法、例如通过设置对Ti等的取向进行控制的层等方法进行即可。

并且，这些喷墨式记录头I构成了具备与墨盒等连通的墨水流路的记录头单元的一部分，被搭载于喷墨式记录装置。图4是表示该喷墨式记录装置的一例的概略图。

在图4所示的喷墨式记录装置II中，具有喷墨式记录头I的记录头单元1A及1B，被设置成构成墨水供给机构的盒2A及2B可以装卸，搭载有该记录头单元1A及1B的托架3被设置成在安装于装置主体4的托架轴5上能沿轴方向自由移动。该记录头单元1A及1B例如分别喷出黑色墨水组合物及彩色墨水组合物。

而且，驱动马达6的驱动力借助未图示的多个齿轮及同步带7被传递至托架3，由此搭载有记录头单元1A及1B的托架3沿着托架轴5移动。另一方面，在装置主体4上沿着托架轴5设置有压板8，通过未图示的给纸辊等被供给的纸等作为记录介质的记录片材S，被卷绕于压板8而输送。

另外，在上述的实施方式1中，作为液体喷射头的一例，举例说明了喷墨式记录头，但本发明是以所有的液体喷射头为对象，当然也可以用于进行墨水以外的液体的喷射的液体喷射头。作为其它的液体喷射头，例如可以举出在打印机等图像记录装置中使用的各种记录头、在液晶显示器等的滤色器的制造中使用的色材喷射头、在有机EL显示器、FED(场致发射显示器)等的电极形成中使用的电极材料喷射头、在生物芯片的制造中使用的生物体有机物喷射头等。

此外，本发明并不限于以喷墨式记录头为代表的液体喷射头中所搭载的压电元件，还可以在其它装置上搭载的压电元件中应用。

Claims

1.一种液体喷射头，其特征在于，

具备：与喷射液体的喷嘴开口连通的压力发生室、和使该压力发生室发生压力变化的压电元件，

该压电元件由第一电极、形成在该第一电极上的压电体层、和形成在所述压电体层的与所述第一电极相反一侧的第二电极构成，

在所述压电体层中形成有粒状的域。

2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，

所述粒状的域形成在所述压电体层的厚度方向的至少中央部。

3.根据权利要求1或2所述的液体喷射头，其特征在于，

在所述压电体层中形成有所述粒状的域及条纹状的域。

4.根据权利要求3所述的液体喷射头，其特征在于，

所述压电元件在所述压力发生室侧设置所述第一电极，所述条纹状的域至少形成在所述第二电极侧。

5.根据权利要求1～4中任意一项所述的液体喷射头，其特征在于，

所述压电体层含有铅、锆及钛。

6.一种液体喷射装置，其特征在于，

具备权利要求1～5中任意一项所述的液体喷射头。

7.一种压电元件，其特征在于，

具备：第一电极、形成在该第一电极上的压电体层、和形成在所述压电体层的与所述第一电极相反一侧的第二电极，

在所述压电体层中形成有粒状的域。