CN101837680B - 喷液头、喷液装置以及致动器 - Google Patents

喷液头、喷液装置以及致动器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及喷液头、喷液装置以及致动器，能够对起因于中空部的端部处的应力集中的压电元件的损坏进行抑制，构成为：在对向于压电元件(300)的区域，设置有去除了被覆膜(100)及第2电极(80)的一部分的中空部(101)，形成中空部(101)的被覆膜(100)的端面相对于流路形成基板(10)的倾斜角度θ1与形成中空部(101)的第2电极(80)的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系。

Description

喷液头、喷液装置以及致动器
技术领域
本发明涉及通过压电元件的移位而从喷嘴喷射液滴的喷液头、喷液装置以及致动器。
背景技术
作为喷液头的代表例，可举出搭载于喷墨式记录装置的喷墨式记录头。喷墨式记录头例如通过压电元件使构成压力产生室的一部分的振动板发生变形而对压力产生室的墨进行加压，使墨从连通于压力产生室的喷嘴喷出。并且，在如此的喷墨式记录头中，实际应用有：使用有沿压电元件的轴方向伸长、收缩的纵向振动模式的致动器的记录头和使用有弯曲振动模式的致动器的记录头这2种类型。
作为使用有弯曲振动模式的致动器的记录头，例如存在以下记录头：在振动板的表面整体通过成膜技术形成均匀的压电材料层，并通过光刻法将该压电材料层分割为对应于压力产生室的形状而按每个压力产生室独立地形成压电元件。
包括如此的薄膜的压电元件虽然具有能够高密度地进行配设并可以进行高速驱动的优点，但是存在例如起因于湿气等的外部环境而容易被损坏的问题。为了解决如此的问题，具有覆盖压电元件而设置被覆膜的装置。可以，存在由于被覆膜限制压电元件而使得压电元件的移位量下降的问题。
针对如此的问题，具有以下构成：在对应于构成压电元件的上电极的主要部分的区域设置不存在被覆膜(保护膜)的中空部(例如，参照专利文献1)。通过设置如此的中空部，能够通过被覆膜防止压电元件的起因于外部环境的损坏并对压电元件的移位量的下降也能进行抑制。
【专利文献1】特开2007-216429号公报(例如，参照图3)
可是，如记载于专利文献1中地，中空部一般通过对被覆膜(保护膜)进行蚀刻所形成。若如此地通过对被覆膜进行蚀刻而形成中空部，则有可能产生例如被覆膜很薄地残留于中空部的周缘部等而使得被覆膜从该部分剥离的问题。
针对如此的问题，可以考虑当形成中空部时，与被覆膜一起还去除上电极的一部分。由此能够完全地去除中空部的被覆膜。可是，在压电元件的宽度方向(较短方向)上的中空部的端部(被覆膜及上电极的端面部分)有可能产生应力集中、导致以该部分为起点而在压电元件产生裂纹。
还有，如此的问题不仅在喷射墨滴的喷墨式记录头中而且在喷射墨以外的液滴的喷液头中也同样存在。并且不仅在喷液头中而且在具备压电元件的致动器中，也同样存在如此的问题。
发明内容
本发明鉴于如此的情况所作出，目的在于提供：能够对起因于中空部的端部处的应力集中的压电元件的损坏进行抑制的喷液头、喷液装置以及致动器。
解决上述问题的本发明是一种喷液头，特征为，具备：形成有连通于喷嘴的压力产生室的流路形成基板、压电元件和覆盖前述压电元件所设置的被覆膜，前述压电元件包括形成于该流路形成基板的上部的第1电极、形成于该第1电极的上部的压电体层和形成于该压电体层的上部的第2电极，并且该喷液头在对向于前述压电元件的区域，设置有去除了前述被覆膜及前述第2电极的一部分所得的中空部；形成前述中空部的前述被覆膜的端面相对于前述流路形成基板的倾斜角度θ1与形成前述中空部的前述第2电极的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系。
在如此的本发明中，因为向中空部的端部的应力集中受到抑制，所以能够抑制以该部分为起点而在压电元件产生裂纹这一情况。尤其是，在压电元件的宽度方向(较短方向)的中空部的端部处，能显著地抑制裂纹的产生。
在此，在构成前述中空部的前述被覆膜或前述第2电极的端面的倾斜角度在前述中空部的深度方向上发生变化的情况下，前述倾斜角度θ1为连结前述被覆膜的端面的上端与下端的直线相对于前述流路形成基板的倾斜角度，前述倾斜角度θ2为连结前述第2电极的端面的上端与下端的直线相对于前述流路形成基板的倾斜角度。
而且，所谓构成前述中空部的前述被覆膜或前述第2电极的端面的倾斜角度在前述中空部的深度方向上发生变化的情况例如为：构成前述中空部的前述被覆膜的端面及前述第2电极的端面的至少一方以曲面所构成的情况、构成前述中空部的前述被覆膜的端面及前述第2电极的端面的至少一方以倾斜角度不同的多个倾斜面所构成的情况。
并且本发明是一种喷液装置，特征为：具备上述的喷液头。在如此的本发明中，能够实现提高了耐久性和可靠性的喷液装置。
进而本发明是一种致动器，特征为，具备：压电元件和覆盖前述压电元件所设置的被覆膜，前述压电元件包括形成于基板的上部的第1电极、形成于该第1电极的上部的压电体层和形成于该压电体层的上部的第2电极，并且该致动器在对向于前述压电元件的区域，设置有去除了前述被覆膜及前述第2电极的一部分的中空部；形成前述中空部的前述被覆膜的端面相对于前述流路形成基板的倾斜角度θ1与形成前述中空部的前述第2电极的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系。
在如此的本发明中，因为向中空部的端部的应力集中被抑制，所以能够抑制以该部分为起点而在压电元件产生裂纹的情况。尤其是，在压电元件的宽度方向(较短方向)的中空部的端部处，裂纹的产生显著地受到抑制。
附图说明
图1是表示一个实施方式中的记录头的概要构成的分解立体图。
图2是一个实施方式中的记录头的剖面图。
图3是表示一个实施方式中的压电元件的构成的俯视图。
图4是表示一个实施方式中的压电元件的构成的剖面图。
图5是表示一个实施方式中的中空部的端部结构的放大剖面图。
图6是表示一个实施方式中的中空部的端部结构的变形例的放大剖面图。
图7是表示一个实施方式中的中空部的端部结构的变形例的放大剖面图。
图8是表示一个实施方式中的中空部的端部结构的变形例的放大剖面图。
图9是表示一个实施方式中的中空部的端部结构的变形例的放大剖面图。
图10是一个实施方式中的记录装置的概要立体图。
符号说明
10流路形成基板，12压力产生室，20喷嘴板，21喷嘴，30保护基板，40柔性基板，50弹性膜，55绝缘体膜，100被覆膜，101中空部，102接触孔，300压电元件
具体实施方式
以下基于实施方式详细地对本发明进行说明。
图1是表示作为本发明的一个实施方式中的喷液头的喷墨式记录头的概要构成的分解立体图，图2是其剖面图。并且图3是表示压电元件的构成的俯视图，图4是图3的A-A’剖面图。
构成喷墨式记录头的流路形成基板10在本实施方式中由晶面方位为(110)的单晶硅基板形成，如图示地，在其一方的面上形成由氧化膜构成的弹性膜50。在流路形成基板10，多个压力产生室12并排设置于其宽度方向(较短方向)，该压力产生室12通过分隔壁11所分隔并以弹性膜50构成其一侧的面。
在流路形成基板10，在压力产生室12的长度方向的一端部侧，设置通过分隔壁11所划分而连通于各压力产生室12的墨供给路13与连通路14。在连通路14的外侧，设置与各连通路14相连通的连通部15。墨供给路13例如以比压力产生室12及连通路14窄的宽度所形成，发挥将流进压力产生室12的墨的流路阻力保持为一定的作用。连通部15与后述的保护基板30的储液部32相连通，构成储液室110的一部分，该储液室110成为各压力产生室12共用的墨室。
在流路形成基板10的开口面侧，接合有穿通设置有喷嘴21的喷嘴板20，前述喷嘴21连通于各压力产生室12的、墨供给路13的相反侧的端部附近。
另一方面，在形成于流路形成基板10的表面的弹性膜50之上，形成由与弹性膜50不相同的材料的氧化膜构成的绝缘体膜55。然后，在绝缘体膜55的上部形成压电元件300。压电元件300以作为第1电极的下电极膜60、形成于下电极膜60之上的压电体层70和作为第2电极的上电极膜80所构成。一般而言，以压电元件300的任一方电极作为共用电极，并将另一方电极与压电体层70一并按照每个压力产生室12地图形化而作为独立电极。在本实施方式中，以下电极膜60作为共用电极，并以上电极膜80作为独立电极。并且只要在作为压电元件300而起作用的范围，也可以在下电极膜60与压电体层70之间和/或压电体层70与上电极膜80之间设置其他层。
而且，在此，将压电元件300与通过压电元件300的驱动而产生移位的振动板合称为致动器。还有，在上述的例中，弹性膜50、绝缘体膜55作为振动板而起作用。当然，振动板的构成并不特别限定，既可以包括弹性膜50及绝缘体膜55以外的膜，例如，也可以使得构成压电元件300的下电极膜60作为振动板而起作用。而且，压电元件300本身也可以兼作振动板。
在如此的压电元件300之上，设置由具有耐湿性的材料形成的被覆膜100，压电元件300的大部分通过该被覆膜100所覆盖。具体地，在上电极膜80之上设置不存在被覆膜100的中空部101，压电元件300的除了该中空部101以外的部分通过被覆膜100所覆盖。该中空部101，以使上电极膜80露出的方式，设置于对向于压力产生室12的区域内的与上电极膜80对向的区域，也就是说设置在当对压电元件300施加了电压时实际发生移位的部分。
通过由被覆膜100覆盖压电元件300的大部分，能够对起因于大气中的水分等的压电元件300的损坏进行抑制。并且通过在上电极膜80之上设置不存在被覆膜100的中空部101，可抑制由被覆膜100引起的压电元件300的移位量的下降，能够良好地维持墨滴的喷射特性。
还有，作为被覆膜100的材料，只要是具有耐湿性的材料即可，例如，可举出氧化硅(SiOX)、氧化钽(TaOX)、氧化铝(AlOX)等的无机绝缘材料，尤其优选采用作为无机非晶材料的氧化铝(AlOX)，例如Al2O3。在作为被覆膜100的材料采用了氧化铝的情况下，即便使被覆膜100的膜厚度为比较薄的100nm的程度，也能够充分地抑制高湿度环境下的水分透过。此外，无机绝缘材料与聚酰亚胺等的有机绝缘材料相比，杨氏模量(拉伸弹性模量)高。从而，当使压电元件300变形时，由无机绝缘材料形成的被覆膜100与由有机绝缘材料形成的相比，难以变形。因此，在压电元件300的通过被覆膜100所覆盖的区域和不被覆盖的区域所承受的应力之差，比通过由有机绝缘材料形成的被覆膜所覆盖的情况下的应力之差显著增大。
在此，中空部101虽然通过对被覆膜100例如进行蚀刻(例如，离子铣削)所形成，但是此时，通过不仅去除被覆膜100还去除上电极膜80的深度方向的一部分所形成。即，中空部101以贯通被覆膜100并到达上电极膜80的厚度方向的一部分的深度所形成。
而且，构成该中空部101的被覆膜100及上电极膜80的端面如示于图5地，成为相对于流路形成基板10的表面发生倾斜的倾斜面，被覆膜100的端面相对于流路形成基板10的倾斜角度θ1、与上电极膜80的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系。还有虽然在图5中倾斜角度θ1以上电极膜80与被覆膜100的边界面为基准，倾斜角度θ2以上电极膜80的表面(中空部101的底面)为基准，但是这些面都是与流路形成基板10平行的面。
通过使得倾斜角度θ1、θ2满足如此的关系地形成中空部101，能够抑制应力集中于中空部101的端部而在被覆膜100和/或压电元件300产生裂纹的情况。被覆膜100和/或压电元件300的裂纹尤其容易以压电元件300的宽度方向(较短方向)上的中空部101的端部为起点而产生。因此，只要至少在压电元件300的宽度方向上的中空部101的端部，满足倾斜角度θ1、θ2的关系即可，在压电元件300的长度方向上的中空部101的端部，倾斜角度θ1、θ2不一定要满足上述的关系。还有，虽然示出压电元件300的宽度方向与长度方向的关系，但是压电元件300的平面形状并不限定于矩形形状。压电元件300的形状只要能够概念化宽度方向与长度方向即可，其具体的形状并不特别限定，例如，也可以是椭圆形状。
并且，例如，若通过蚀刻形成中空部101，则构成中空部101的被覆膜100的端面和/或上电极膜80的端面的倾斜角度有时在中空部101的深度方向上发生变化。具体地，例如，如示于图6地，构成中空部101的被覆膜的端面和/或上电极膜80的端面有时以曲面构成。
在如此的情况下，使倾斜角度θ1为连结被覆膜100的端面的上端100a与下端100b的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度，并使倾斜角度θ2为连结上电极膜80的端面的上端80a(100b)与下端80b的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度。而且，使得这些倾斜角度θ1、θ2满足θ2＜θ1的关系。由此，能够抑制如上述地在被覆膜100和压电元件300产生裂纹。在设置有由无机绝缘材料形成的被覆膜100的构成中尤其有效。若以无机绝缘材料形成被覆膜100，则虽然因为如上述地在压电元件300的通过被覆膜100所覆盖的区域和未被覆盖的区域承受的应力之差变得比较大而容易在压电元件300等产生裂纹，但是通过使得倾斜角度θ1、θ2满足θ2＜θ1的关系，能够对如此的裂纹的产生有效地进行抑制。
并且，例如，在通过蚀刻形成了中空部101的情况下，如示于图7地，有时蚀刻的终点附近的上电极膜80的端面的曲率与上电极膜80的端面的其他部分相比变得很大。在如此的情况下，若使倾斜角度θ2为连结上电极膜80的端面的上端与下端的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度，则倾斜角度θ2有可能小得超出需要。在如此的情况下，也可以使倾斜角度θ2为连结上电极膜80的端面的上端80a与作为上电极膜80的蚀刻量为大致70％处的位置80c的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度。
并且，在除了如上所述地构成中空部101的被覆膜100的端面和/或上电极膜80的端面以曲面所构成的情况以外，也存在下述情况：构成中空部101的被覆膜100的端面和/或上电极膜80的端面的倾斜角度在中空部101的深度方向上发生变化。例如，如示于图8地，存在构成中空部101的被覆膜100的端面以倾斜角度不同的多个倾斜面所构成的情况。即使在如此的构成的情况下，也使倾斜角度θ1为连结以多个倾斜面所构成的被覆膜100的端面的上端100a与下端100b的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度。
即使在被覆膜100的端面如此地以多个倾斜面所构成的情况下，通过使得倾斜角度θ1、θ2满足θ2＜θ1的关系，也能够抑制如上述地在被覆膜100和压电元件300产生裂纹。而且通过以多个倾斜面构成被覆膜100的端面，还能够对中空部101的端部处的被覆膜100的剥离进行抑制。
并且，在如此地以倾斜角度不同的多个倾斜面构成被覆膜100的端面的情况下，优选：倾斜角度不同的倾斜面彼此的边界不设置于被覆膜100与上电极膜80的边界附近，而设置于被覆膜100的膜厚度(方向)的中部。而且优选：倾斜面与中空部101的底面的边界也不设置于被覆膜100与上电极膜80的边界附近，而设置于上电极膜80的膜厚度的中部。例如，若将倾斜面彼此的边界设置于被覆膜100与上电极膜80的边界附近，则在被覆膜100与上电极膜80的边界施加应力，有可能招致被覆膜100以此处为基点发生剥离。可是，通过为上述构成，能够对如此的被覆膜100的剥离的产生更有效地进行抑制。
并且，例如，如示于图9地，有时构成中空部101的上电极膜80的端面以倾斜角度不同的多个倾斜面所构成。即使在如此的构成的情况下，也使倾斜角度θ2为连结以多个倾斜面所构成的上电极膜80的端面的上端80a与下端80b的直线相对于流路形成基板10的倾斜角度。而且，这些倾斜角度θ2与倾斜角度θ1满足θ2＜θ1的关系。
即使在如此地以多个倾斜面构成上电极膜80的端面的情况下，通过使得倾斜角度θ1、θ2满足θ2＜θ1的关系，也能够抑制如上述地在被覆膜100和压电元件300产生裂纹。进而通过以多个倾斜面构成上电极膜80的端面，还能够对中空部101的端部处的被覆膜100的剥离进行抑制。
从而，在本发明中能够实现提高压电元件300的耐久性而提高了用户的信赖程度的喷墨式记录头。
还有，在如此的被覆膜100之上，例如，形成由金(Au)等形成的引线电极90，该引线电极90通过形成于被覆膜100的接触孔102与上电极膜80相连接。该接触孔102因为例如在通过蚀刻形成中空部101时所形成，所以与中空部101同样地，以到达上电极膜80的深度所形成。
在流路形成基板10之上，接合具有压电元件保持部31的保护基板30。压电元件保持部31虽然构成为能够对大气向内部的进入进行抑制，但是不一定需要密封。而且压电元件300因为形成于如此的压电元件保持部31内，所以在几乎不受外部环境的影响的状态下被保护。
并且，在保护基板30，在对向于连通部15的区域设置储液部32，该储液部32如上述地，与流路形成基板10的连通部15相连通而构成作为各压力产生室12共用的墨室的储液室110。并且，在保护基板30的压电元件保持部31与储液部32之间的区域，设置按厚度方向贯通保护基板30的贯通孔33，下电极膜60的一部分及引线电极90的前端部露出于该贯通孔33内。
并且在保护基板30之上，接合由密封膜41及固定板42构成的柔性基板40。在此，密封膜41由刚性低而具有柔性的材料形成，通过该密封膜41密封储液部32的一方的面。并且，固定板42以金属等的硬质材料所形成。因为该固定板42的对向于储液室110的区域为在厚度方向上完全被去除的开口部43，所以仅以具有柔性的密封膜41密封储液室110的一方的面。
在如此的本实施方式的喷墨式记录头中，从未图示的外部墨供给单元取进墨，在从储液室110到喷嘴21为止以墨填满内部之后，按照来自未图示的驱动电路的记录信号，通过对于对应于压力产生室12的各个压电元件300施加电压使之弯曲变形，使得各压力产生室12内的压力升高而从喷嘴21喷射墨滴。
并且上述实施方式的喷墨式记录头，构成具备与墨盒等相连通的墨流路的记录头单元的一部分，搭载于喷墨式记录装置。
如示于图10地，具有喷墨式记录头的记录头单元1A及1B可以装卸地设置有构成墨供给单元的墨盒2A及2B，搭载有该记录头单元1A及1B的滑架3沿轴方向移动自如地设置于安装于装置主体4的滑架轴5。该记录头单元1A及1B例如分别喷出黑色墨组成物及彩色墨组成物。而且，驱动电动机6的驱动力由未图示的多个齿轮及同步带7传递到滑架3，由此搭载有记录头单元1A及1B的滑架3沿滑架轴5移动。另一方面，在装置主体4沿滑架轴5设置压印板(platen)8，作为通过未图示的输纸滚筒等所输送的纸等的记录媒介物的记录片S在压印板8上被输送。
以上，虽然关于本发明的一个实施方式进行了说明，但是本发明并非限定于如此的实施方式。例如，虽然在上述实施方式中，作为喷液头及喷液装置之一例举出喷墨式记录头及喷墨式记录装置而对本发明进行了说明，但是本发明广泛地以喷液头及喷液装置全体为对象，当然也能够应用于喷射墨以外的液体的喷液头及具备其的喷液装置。作为其他的喷液头，例如，可举出用于打印机等的图像记录装置的各种记录头、用于液晶显示器等的滤色器的制造的色材喷头、用于有机EL显示器、FED(场致发射显示器)等的电极形成的电极材料喷头、用于生物芯片制造的生物体有机物喷头等。
并且，本发明不仅能够应用于搭载于如此的喷液头(喷墨式记录头)的致动器，而且能够应用于搭载于所有的装置的致动器。本发明的致动器，除了上述的喷头之外，例如，也能够应用于传感器等。

Claims (6)

1.一种喷液头，其特征在于：
具备形成有连通于喷嘴的压力产生室的流路形成基板、压电元件和覆盖前述压电元件所设置的被覆膜，其中，前述压电元件包括：形成于该流路形成基板的上部的第1电极、形成于该第1电极的上部的压电体层和形成于该压电体层的上部的第2电极，
并且该喷液头在与前述压电元件对向的区域，设置有去除了前述被覆膜及前述第2电极的一部分的中空部，
形成前述中空部的前述被覆膜的端面相对于前述流路形成基板的倾斜角度θ1与形成前述中空部的前述第2电极的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系，其中，前述倾斜角度θ1与前述倾斜角度θ2分别为90°以下。
2.根据权利要求1前述的喷液头，其特征在于：
在构成前述中空部的前述被覆膜或前述第2电极的端面的倾斜角度在前述中空部的深度方向上发生变化时，前述倾斜角度θ1为连结前述被覆膜的端面的上端与下端的直线相对于前述流路形成基板的倾斜角度，前述倾斜角度θ2为连结前述第2电极的端面的上端与下端的直线相对于前述流路形成基板的倾斜角度。
3.根据权利要求2前述的喷液头，其特征在于：
构成前述中空部的前述被覆膜的端面及前述第2电极的端面的至少一方由曲面构成。
4.根据权利要求2前述的喷液头，其特征在于：
构成前述中空部的前述被覆膜的端面及前述第2电极的端面的至少一方由倾斜角度不同的多个倾斜面构成。
5.一种喷液装置，其特征在于：
具备权利要求1～4中的任何一项前述的喷液头。
6.一种致动器，其特征在于：
具备压电元件和覆盖前述压电元件所设置的被覆膜，其中，前述压电元件包括：形成于基板的上部的第1电极、形成于该第1电极的上部的压电体层和形成于该压电体层的上部的第2电极；
并且该致动器在与前述压电元件对向的区域，设置有去除了前述被覆膜及前述第2电极的一部分的中空部，
形成前述中空部的前述被覆膜的端面相对于前述流路形成基板的倾斜角度θ1与形成前述中空部的前述第2电极的端面的倾斜角度θ2满足θ2＜θ1的关系，其中，前述倾斜角度θ1与前述倾斜角度θ2分别为90°以下。
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