CN101638004B - 液体喷射头和液体喷射装置及压电元件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供能够防止裂纹、膜剥离等破坏，并提高压电特性的液体喷射头、液体喷射装置和压电元件。该液体喷射头具备：与喷嘴开口(21)连通的压力发生室(12)；和使所述压力发生室(12)发生压力变化的压电元件(300)，该压电元件(300)具备第一电极(60)、在该第一电极(60)上形成的压电体层(70)、和在该压电体层(70)的与所述第一电极(60)相反一侧形成的第二电极(80)，所述第一电极(60)含有铂及氧化钛，该氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上。
Description
技术领域
本发明涉及从喷嘴开口喷射液体的液体喷射头和液体喷射装置以及具备第一电极、压电体层和第二电极的压电元件。
背景技术
作为在液体喷射头中使用的压电元件，有一种通过两个电极夹持由呈现电机械转换功能的压电材料、例如结晶化的电介质材料形成的压电体层而构成的元件。这样的压电元件，作为挠曲振动模式的执行元件装置被搭载于液体喷射头。其中，作为液体喷射头的代表例子，例如有喷墨式记录头，该喷墨式记录头通过振动板构成与喷出墨滴的喷嘴开口连通的压力发生室的一部分，利用压电元件使该振动板变形，对压力发生室的墨水进行加压，从喷嘴开口将墨水以墨滴的方式喷出。
而且，喷墨式记录头上搭载的压电元件，例如通过在振动板的整个表面上利用成膜技术形成均匀的电压材料层，并利用光刻技术将该压电材料层切分成与压力发生室对应的形状，按照与每个压力发生室独立的方式形成了压电元件(例如，参照专利文献1)。
专利文献1：特开2003-127366号公报(第4～7页、第1～4图)
但是，压电元件存在着因其驱动而有可能发生膜剥离、裂纹的问题。而且，出于对电能消耗的抑制要求，需要能够以小的驱动电压喷出重量大的墨滴的液体喷射头。
其中，这样的问题不仅在喷墨式记录头中存在，在喷射墨水以外的液体的液体喷射头中也同样存在。并且，不限于在液体喷射头中使用的压电元件，对于在其他器件中使用的压电元件也同样存在。
发明内容
本发明是鉴于这样的情况而完成的发明，其目的在于，提供一种能够在防止裂纹、膜剥离等破坏的同时提高压电特性的液体喷射头、液体喷射装置和压电元件。
解决上述课题的本发明的技术方案是一种液体喷射头，其特征在于，具备：与喷嘴开口连通的压力发生室；和使上述压力发生室发生压力变化的压电元件，该压电元件具备第一电极、在该第一电极上形成的压电体层、和在该压电体层的与上述第一电极相反一侧形成的第二电极；上述第一电极含有铂及氧化钛，该氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上。
在该技术方案中，不仅可以降低第一电极的因氧化钛的热膨胀引起的内部应力，而且可以使晶格常数与铂、压电体层一致，防止裂纹、膜剥离的发生。而且，由于能使氧化钛的相对介电常数比较高，所以可以对压电体层施加大的电压。由此，能够以小的驱动电压得到大的压电变位。
这里，优选上述第一电极含有氧化铱。由此，可以防止因形成压电体层时的高温热处理而使构成压电体层的成分向第一电极及其基底侧扩散。
另外，上述压电体层优选含有铅、锆及钛。由此，可以容易且高精度地形成具有所希望的压电特性的压电体层。
而且，上述氧化钛优选金红石结构为90mol％以上。由此，可以进一步降低因氧化钛的热膨胀引起的应力集中，并使晶格常数一致，且降低相对介电常数。
并且，本发明的其他技术方案是一种液体喷射装置，其特征在于，具备上述技术方案的液体喷射头。
根据该技术方案，可以实现耐久性及喷出特性出色的液体喷射装置。
另外，本发明的其它技术方案是一种压电元件，其特征在于，具备第一电极、在该第一电极上形成的压电体层、和形成在该压电体层的与上述第一电极相反一侧的第二电极，上述第一电极含有铂及氧化钛，该氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上。
在该技术方案中，不仅可以降低第一电极的因氧化钛的热膨胀引起的内部应力，而且可使晶格常数与铂、压电体层一致，防止裂纹、膜剥离的发生。另外，由于能使氧化钛的相对介电常数比较高，所以可对压电体层施加较大的电压。由此，能够以小的驱动电压得到大的压电变位。
附图说明
图1是表示实施方式1涉及的记录头的简要构成的分解立体图。
图2是表示实施方式1涉及的记录头的俯视图及剖面图。
图3是表示实施方式1涉及的记录头的计算结果的曲线图。
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，20-喷嘴板，21-喷嘴开口，30-保护基板，31-贮存部，32-压电元件保持部，40-柔性(compliance)基板，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，121-连接布线，300-压电元件。
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。
如图所示，流路形成基板10在本实施方式中由面方位为(110)的硅单晶基板形成，预先通过热氧化在其一个面上形成了由二氧化硅构成的厚度为0.5～2μm的弹性膜50。
在流路形成基板10上，通过从另一面侧实施各向异性蚀刻，沿着其宽度方向(短边方向)并列设置有被多个隔壁11划分的压力发生室12。而且，在流路形成基板10的压力发生室12的长度方向一端部侧，墨水供给路径14和连通路径15被隔壁11划分。并且，在连通路径15的一端形成有连通部13，该连通部13构成了成为各压力发生室12的共用墨水室(液体室)的贮存器100的一部分。即，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。
墨水供给路径14与压力发生室12的长度方向一端部侧连通，且具有比压力发生室12小的截面积。例如，在本实施方式中，墨水供给路径14通过在宽度方向上缩窄贮存器100与各压力发生室12之间的压力发生室12侧的流路，而以比压力发生室12的宽度小的宽度形成。另外，虽然在本实施方式中，通过如此从一侧缩窄流路的宽度来形成墨水供给路径14，但也可以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。并且，各连通路径15和墨水供给路径14的与压力发生室12相反一侧连通，具有比墨水供给路径14的宽度方向(短边方向)大的截面积。在本实施方式中，以与压力发生室12相同的截面积形成了连通路径15。
即，在流路形成基板10中，压力发生室12、具有比压力发生室12的短边方向的截面积小的截面积的墨水供给路径14、和与该墨水供给路径14连通且具有比墨水供给路径14的短边方向的截面积大的截面积的连通路径15设置成被多个隔壁11划分。
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，在该喷嘴板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由厚度例如为0.01～1mm、线膨胀系数在300℃以下例如为2.5～4.5[×10-6/℃]的玻璃陶瓷、硅单晶基板或不锈钢等形成。
另一方面，在这样的流路形成基板10的与开口面相反一侧，如上所示形成有厚度例如约为1.0μm的弹性膜50，在该弹性膜50上形成有厚度例如约为0.4μm的绝缘体膜55。进而，在该绝缘体膜55上，通过后述的工艺层叠形成有厚度例如约为0.2μm的第一电极60、厚度例如约为1.1μm的压电体层70、和厚度例如约为0.05μm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及第二电极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的每个将另一电极及压电体层70形成图形而构成。而且，这里将由图形形成的任意一个电极及压电体层70构成、且通过向两个电极施加电压而发生压电失真的部分称为压电体能动部320。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的独立电极，但鉴于驱动电路与布线的情况，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。此外，在上述的例子中，虽然弹性膜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，还可以使压电元件300自身实质上兼有振动板的功能。
第一电极60含有氧化钛(TiOx)及铂(Pt)。在本实施方式中，第一电极60还含有氧化铱(IrOx)。其中，氧化钛将在后面详述，例如作为用于使第一电极60和作为基底的绝缘体膜55的密合力提高的密合层而设置。而铂作为在利用热处理形成压电体层70时，即便同时进行高温的热处理也不会丧失导电性的材料被选定。另外，氧化铱用于防止因形成压电体层70时的高温热处理而使得构成压电体层70的成分向第一电极60及其基底侧扩散。
这样的第一电极60通过氧化钛、铂及氧化铱等材料被合金化或混合化而得到。合金化是指金属元素和其他金属元素发生了金属键合的状态，混合化是指金属元素和其他金属元素没有进行金属键合的状态。
这里，本发明的第一电极60的氧化钛(TiOx)，其金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上。顺便说一下，氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上是指，相对于氧化钛的晶型的整体，金红石结构的部分为76.5mol％以上。因此，第一电极60中含有的金红石结构以外的其他结构如锐钛矿结构、板钛矿结构的晶型部分为23.5mol％以下。当然，氧化钛除了晶型以外还可以含有非晶质的部分。
其中，将基于氧化钛的晶型的差异的热膨胀系数、相对介电常数以及晶格常数表示到下述表1。而且，对于铂以及压电体层70(PZT)的晶格常数，也在下述表1中表示。
表1
如表1所示，氧化钛在晶型为锐钛矿结构的情况下，由于晶格常数在c轴方向大，所以在该晶格常数(9.514
)下，与铂的晶格常数(3.9231
)、压电体层70的晶格常数(4.05
)的匹配性差。
与此相对，对于金红石结构的氧化钛而言，c轴方向的晶格常数为2.959
接近铂和压电体层70的晶格常数，匹配性好。
另外，对于锐钛矿结构的氧化钛的热膨胀系数而言，因结晶轴(a轴、c轴)方向的不同而有2倍以上的差异，导致对锐钛矿结构周边赋予大的应力不均匀性，会出现裂纹，发生膜剥离。
与此相对，金红石结构的氧化钛的热膨胀系数在结晶轴(a轴、c轴)方向没有大的差异，金红石结构周边的应力变得均匀。因此，可以降低裂纹的发生、膜剥离等。
并且，锐钛矿结构的氧化钛与金红石结构的氧化钛相比，相对介电常数为一半以下。因此，在压电体层70和第一电极60的界面存在的氧化钛，伴随着驱动压电体层70时被施加电压，氧化钛自身也被施加电压。此时，如果氧化钛的相对介电常数低，则被施加的电压的大多集中于氧化钛，从而无法向压电体层70施加所希望的电压。与此相对，如果氧化钛的相对介电常数高，则施加给氧化钛的电压降低，施加给压电体层70的电压增大，可以实现能够以较少的驱动电压得到较大的压电变位量的良好设备。因此，即便根据相对介电常数进行比较，氧化钛也优选采用金红石结构。
而且，第一电极60中含有的氧化钛，其金红石结构的晶型的部分为76.5mol％以上。对于这一点，由于使氧化钛被破坏的应力为0.07～0.1GPa(根据文献：CRC Materials Science and Engineering Handbook，P.55)，所以如果计算出氧化钛的金红石结构和锐钛矿结构的混合比(mol％)的变化、与由热膨胀引起的应力的关系，则成为图3所示的结果。
即，如图3所示，当氧化钛的锐钛矿结构的晶型部分比23.5mol％多时，拉伸应力会大于0.07GPa。因此，为了防止氧化钛的破坏，使锐钛矿结构的晶型的部分为23.5mol％以下，以使拉伸应力为0.07GPa以下。因此，通过使氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上，可以降低由热膨胀引起的应力，防止裂纹与膜剥离等破坏。当然，对于氧化钛而言，通过使其全部为金红石结构的晶型，即金红石结构的晶型部分为100mol％，则更加合适。其中，氧化钛的金红石结构的晶型为100mol％是指，使用高分辨率透射型电子显微镜(HRTEM)测定的结果为100％。这里，即便使用高分辨率透射型电子显微镜测定氧化钛的晶型，10％以下的晶型的测定也是不可能的。因此，这里所说的氧化钛的金红石结构的晶型部分仅由金红石结构构成是指，实质上金红石结构的晶型部分为90mol％～100mol％。
具有这样的晶型的氧化钛的第一电极60，例如可以通过在形成压电体层70之前，在绝缘体膜55上依次层叠形成了由钛(Ti)构成的密合层、由铂(Pt)构成的铂层、和由铱(Ir)构成的铱层之后，在利用热处理形成压电体层70时，对密合层、铂层及铱层同时实施加热处理而形成。即，密合层的钛残留于第一电极60和绝缘体膜55的边界部分而成为氧化钛，并且向压电体层70侧(通过铱发生氧化而形成的氧化铱的扩散防止层侧)移动被热氧化而成为氧化钛。
另外，如果由钛构成的密合层的厚度过厚，则由于在利用热处理形成压电体层70时，有可能形成钛未被氧化的区域，所以在通过压电体层70的热处理形成氧化钛的情况下，优选为50nm以下。
这里，通常情况下板钛矿结构的氧化钛在650℃以上时向金红石结构转移。而锐钛矿结构的氧化钛在900℃以上时向金红石结构转移。因此，在压电体层70的热处理例如为600～800℃的情况下，混合存在金红石结构、锐钛矿结构、板钛矿结构这三种结晶结构。而且，为了通过压电体层70的热处理，同时进行加热，形成金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上的氧化钛，例如通过利用高速率的溅射法稀疏地形成在热处理前形成的由钛构成的密合层，能够容易地在比较低的温度下发生氧化，且以金红石结构形成。
当然，第一电极60中含有的氧化钛，并不限于通过压电体层70的热处理对钛进行加热而形成的方法，例如还可以在形成第一电极60时，直接层叠形成氧化钛。这样的氧化钛例如可以利用RF溅射法直接形成。
另外，由钛构成的密合层的热处理可以与压电体层70的热处理独立进行。即，可以在层叠形成了密合层、铂层及铱层等之后、形成压电体层70之前，对这些各层进行加热，由此形成含有氧化钛及铂的第一电极60。
而且，压电体层70是在第一电极60上形成的由具有极化结构的氧化物的压电材料形成的钙钛矿结构的结晶膜。作为压电体层70，例如优选采用锆钛酸铅(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。
并且，在作为压电元件300的独立电极的各第二电极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，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，例如优选使用玻璃、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。
并且，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。
另外，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借助由接合线等导电性线构成的连接布线121而电连接。
并且，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(例如厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)形成，贮存部31的一个面被该密封膜41密封。而固定板42由金属等硬质的材料(例如厚度为30μm的不锈钢(SUS)等)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，例示了第一电极60由铂、氧化钛以及氧化铱被合金化或混合化而成，但也可以形成以各材料为主成分的层被层叠的结构。作为这样的第一电极60，例如可以举出从绝缘体膜55侧开始层叠了以氧化钛为主成分的密合层、以铂为主成分的铂层、以氧化铱为主成分的扩散防止层、以氧化钛为主成分的晶种层而形成的结构等。在这样构成的情况下，例如对于上述氧化钛的相对介电常数，设置在压电体层70侧的晶种层具有较大影响。
而且，在上述的实施方式1中，作为流路形成基板10，例示了结晶面方位为(110)面的硅单晶基板，但并不特别限于此，例如也可以使用结晶面方位为(100)面的硅单晶基板，另外，还可以使用SOI基板、玻璃等材料。
并且，在上述的实施方式1中，例示了在基板(流路形成基板10)上顺次层叠了第一电极60、压电体层70以及第二电极80而得到的压电元件300，但并不限于此，例如，对于使压电材料和电极形成材料交替层叠且沿轴向伸缩的纵向振动型压电元件，也可以使用本发明。
另外，这些实施方式的喷墨式记录头，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成物及彩色墨水组成物。
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，还可以在其它装置所搭载的压电元件中应用。
Claims (6)
1.一种液体喷射头，其特征在于，具备：
与喷嘴开口连通的压力发生室；和
具备第一电极、在该第一电极上形成的压电体层、和在该压电体层上形成的第二电极的压电元件；
所述第一电极含有铂及氧化钛，
相对于氧化钛的晶型的整体，该氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上100mol％以下。
2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，
所述第一电极含有氧化铱。
3.根据权利要求1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。
4.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，
相对于氧化钛的晶型的整体，所述氧化钛的金红石结构的晶型部分为90mol％以上100mol％以下。
5.一种液体喷射装置，其特征在于，具备权利要求1所述的液体喷射头。
6.一种压电元件，其特征在于，具备：
第一电极、在该第一电极上形成的压电体层、和在该压电体层上形成的第二电极，
所述第一电极含有铂及氧化钛，
相对于氧化钛的晶型的整体，该氧化钛的金红石结构的晶型部分为76.5mol％以上100mol％以下。
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