CN101844443A

CN101844443A - 喷液头、喷液装置及致动装置

Info

Publication number: CN101844443A
Application number: CN201010143231A
Authority: CN
Inventors: 矢崎士郎; 平井荣树
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: US8292410B2; JP5305018B2; CN101844443B; JP2010228269A; US20100245491A1

Abstract

本发明提供抑制应力集中、抑制压电元件损坏的喷液头、喷液装置和致动装置。本发明的喷液头具备：压电元件(300)，包括设置于设置有与喷射液体的喷嘴开口(21)连通的压力发生室(12)的流路形成基板(10)的一面侧的第一电极(60)、压电体层(70)和第二电极(80)；和保护膜(100)，覆盖压电元件并设有使第二电极的上表面露出的开口部(101)，包含无机绝缘材料，压电元件在压电元件的驱动时以向压力发生室侧变凸的方式变形，保护膜的开口部在压力发生室的长度方向的端部(E1)与该变形时的压电元件在压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域(S1)相比位于中央侧。喷液装置具备该喷液头。

Description

喷液头、喷液装置及致动装置

技术领域

本发明涉及喷液头、喷液装置和致动装置。

背景技术

就喷墨式记录头而言，存在使用作为压电元件的弯曲振动模式的致动装置的喷墨式记录头，该喷墨式记录头中，与排出墨的喷嘴开口连通的压力发生室的一部分由振动板构成，通过压电元件使该振动板变形而对压力发生室的墨加压，使墨从喷嘴开口排出。

而且，作为弯曲振动模式的致动装置，有例如遍及振动板的整个表面通过成膜技术形成均匀的压电材料层、通过光刻法将该压电材料层划分成与压力发生室相对应的形状而按每个压力发生室独立地形成压电元件的致动装置。这样的压电元件，存在例如由于湿气等外部环境而易于被损坏这样的问题。

因此，作为使得能防止这样的压电元件的损坏并且不会阻碍压电元件的变形的喷头结构，已知下述结构：仅仅从构成压电元件的第二电极的表面的周缘部到压电体层的侧面被包含氧化硅、氮化硅、有机材料、优选感光性聚酰亚胺的薄的绝缘体膜覆盖(例如参照专利文献1)。

专利文献1：日本专利第3552013号(第4页、图4等)

但是，在专利文献1的构成中，在压电元件弯曲变形时，应力集中于被露出的区域的端部附近，存在有时会损坏压电元件这样的问题。

另外，这样的问题，不仅在排出墨的喷墨式记录头中存在，即使在喷射墨以外的其它液体的喷液头中也同样存在。

发明内容

本发明，鉴于这样的情况，其目的在于提供一种抑制应力集中、抑制压电元件的损坏的喷液头、喷液装置以及致动装置。

本发明的喷液头，其特征在于，具备：压电元件，其包括设置于设置有与喷射液体的喷嘴开口相连通的压力发生室的流路形成基板的一面侧的第一电极、压电体层和第二电极；和保护膜，其覆盖该压电元件并且设有使所述第二电极的上表面露出的开口部，由无机绝缘材料形成，所述压电元件在所述压电元件的驱动时以向所述压力发生室侧变凸的方式变形，所述保护膜的所述开口部的、在所述压力发生室的长度方向的端部，与该变形时的所述压电元件的在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域相比，位于中央侧。在本发明的喷液头中，所述保护膜的在所述压力发生室的长度方向的端部，与所述压电元件的在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域、即拉伸方向的应力作用于保护膜侧的压电体层的区域相比，位于中央侧，从而使拉伸方向的应力不会作用于保护膜的开口部的端部，所以能够避免应力集中，由此能够抑制压电元件的损坏。

这里，优选，所述第一电极，夹着振动板设置于流路形成基板的一面侧，所述第一电极的在所述压力发生室的长度方向的端部，与所述振动板以及所述压电元件的在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域相比，位于中央侧；所述保护膜的所述开口部的在所述压力发生室的长度方向的所述端部，位于该第一电极之上。通过使保护膜的开口部的在所述压力发生室的长度方向的端部，与所述振动板以及所述压电元件的在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域、即拉伸方向的应力作用于所述保护膜侧的压电体层的区域相比，位于中央侧的第一电极之上，使得保护膜的开口部的在所述压力发生室的长度方向的端部不位于拉伸方向的应力所作用的区域，并且使其位于第一电极上的、应力难以作用的区域，所以能够进一步避免应力集中，由此能够抑制压电元件的损坏。

在这样的情况下，鉴于构图精度，优选，所述保护膜的所述开口部的在所述压力发生室的长度方向的所述端部与所述第一电极的在所述压力发生室的长度方向的端部的距离至少在10μm以上。

本发明的喷液装置，其特征在于，具备前述的任意一种喷液头。通过具备前述的任意一种喷液头，能够抑制压电元件的损坏。

本发明的致动装置，其特征在于，具备：压电元件，其包括设置于设有凹部的基板的与凹部相对向的区域的第一电极、压电体层以及第二电极；和保护膜，其覆盖该压电元件并且设有使所述第二电极的表面露出的开口部，包括无机绝缘材料，所述压电元件在所述压电元件的驱动时以向所述压力发生室侧变凸的方式变形，所述保护膜的所述开口部的在所述压力发生室的长度方向的端部，与该变形时的所述压电元件的在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域相比，位于中央侧。在本发明的致动装置中，通过使所述保护膜的所述开口部的在所述压力发生室的长度方向的端部，与拉伸方向的应力作用于所述压电体层的保护膜侧的区域相比，位于中央侧，使得拉伸方向的应力不作用于开口部的端部，所以能够避免应力集中，由此能够抑制压电元件的损坏。

附图说明

图1是表示本实施方式中的记录头的概略构成的分解立体图。

图2(a)是本实施方式中的记录头的要部俯视图，图2(b)是其剖视图。

图3(a)是本实施方式中的记录头的剖视图，图3(b)是其要部俯视图。

图4是表示本实施方式中的记录装置的概略构成的立体图。

符号说明

I 喷墨式记录头 II 喷墨式记录装置

10 流路形成基板 12 压力发生室

13 连通部 14 墨供给通路

20 喷嘴板 21 喷嘴开口 30 保护基板

31 压电元件保持部 32 贮存室部 40 柔性基板 60 第一电极

70 压电体层 80 第二电极 90 引线电极 100 保护膜

101 开口部 110 贮存室 200 驱动电路 210 连接布线

300 压电元件 320 压电体有源部

具体实施方式

以下，基于实施方式，详细说明本发明。

(实施方式1)

图1是表示本发明的实施方式1中的喷墨式记录头的概略构成的分解立体图，图2(a)是喷墨式记录头的要部俯视图，图2(b)是图2(a)的A-A′剖视图。如图所示，喷墨式记录头I的流路形成基板10，由单晶硅基板构成，在其一面预先形成有由通过热氧化而形成的二氧化硅形成的厚度为0.5～2μm的弹性膜50。在流路形成基板10，在其宽度方向上并排设置有由分隔壁11划分出的多个压力发生室12。另外，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有连通部13，连通部13和各压力发生室12，经由按各压力发生室12设置的墨供给通路14相连通。另外，连通部13，构成与后述的保护基板的贮存室部连通而构成成为各压力发生室12的共同的墨室的贮存室的一部分。墨供给通路14，以窄于压力发生室12的宽度形成，将从连通部13流入压力发生室12的墨的流路阻力保持为一定。

另外，在流路形成基板10的开口面侧，夹着后述的掩蔽(mask)膜通过粘接剂和/或热熔敷膜等附着固定有穿通设置有喷嘴开口21的喷嘴板20，该喷嘴开口21与各压力发生室12的、与墨供给通路14相反一侧的端部附近相连通。

另一方面，在流路形成基板10的与开口面相反一侧，如上所述，形成有包含二氧化硅的厚度为例如约1.0μm的弹性膜50，在该弹性膜50上层叠形成有例如包含氧化锆(ZrO₂)等的绝缘体膜55。另外，绝缘体膜55上形成有包括第一电极60、压电体层70和第二电极80的压电元件300。

这里，压电元件300是指包括第一电极60、压电体层70和第二电极80的部分。一般来说，将压电元件300的任意一个电极作为共用电极，按各压力发生室12的每个对另一个电极以及压电体层70进行图形化而构成。而且，这里将由被图形化了的任意一个电极以及压电体层70构成的、由于向两电极的电压的施加而发生压电变形的部分称为压电体有源部320。在本实施方式中，将第一电极60作为压电元件300的共用电极，将第二电极80作为压电元件300的分体电极，但根据驱动电路和/或布线的情况也可以将其相反地设定。在任一种情况下，都按各压力发生室12形成了压电体有源部320。

另外，在本实施方式中，通过将第一电极60的在压力发生室12的长度方向的端部设置在与压力发生室12相对向的区域内，从而规定了压电元件300的成为实质的驱动部的压电体有源部320的较长方向的端部(长度)。另外，通过将压电体层70以及第二电极80的在压力发生室12的宽度方向的端部设置在与压力发生室12相对向的区域内，从而规定了压电体有源部320的较短方向的端部(宽度)。即，压电体有源部320，通过被图形化了的第一电极60以及第二电极80，仅被设置在与压力发生室12相对向的区域。

另外，这里将由于驱动而发生移位的压电元件300称为致动装置。另外，在本实施方式中，遍及多个压电元件300的并列设置方向来设置第一电极60，以使得第一电极60的在压力发生室12的长度方向的端部位于与压力发生室12相对向的位置的方式设置。另外，在上述的例子中，弹性膜50、绝缘体膜55以及第一电极60作为与压电元件300一起变形的振动板起作用，但当然不限定于此，也可以例如不设置弹性膜50和绝缘体膜55，仅使得第一电极60作为振动板起作用。

而且，构成压电元件300的第一电极60、压电体层70以及第二电极80(压电体有源部320)，由包含具有耐湿性的绝缘材料的保护膜100覆盖。具体而言，保护膜100，以覆盖压电体层70的侧面和第二电极80的上表面的周缘的方式设置。即，在第二电极80的上表面的主要部分，没有设置保护膜100，而设有用于露出第二电极80的上表面的主要部分的开口部101。开口部101，是在厚度方向上贯通保护膜100而沿着压电元件300的长度方向(压力发生室12的长度方向)开口为矩形的开口部，例如在遍及流路形成基板10上的整个面形成了保护膜100之后，能够通过有选择地图形化而形成。

通过这样用保护膜100覆盖压电元件300，从而能够抑制由于大气中的水分等所导致的压电元件300的损坏。这里，作为这样的保护膜100的材料，只要是具有耐湿性的材料即可，优选，使用例如氧化硅(SiO_X)、氧化钽(TaO_x)、氧化铝(AlO_x)等的无机绝缘材料，尤其优选，使用作为无机非晶材料的氧化铝(AlO_x)，例如三氧化二铝(Al₂O₃)。在作为保护膜100的材料使用了氧化铝的情况下，即使保护膜100的膜厚为100nm左右形成得比较薄，也能够在高湿度环境下充分防止水分透过。另外，通过在保护膜100设有开口部101，不会阻碍压电元件300的移位，能够保持墨排出特性良好。

在本实施方式中，通过如下说明那样构成了压电元件300以及保护膜100，从而抑制了保护膜100的开口部的端部的应力集中。其结果，在本实施方式的致动装置中，能够抑制压电元件的损坏。

以下，也使用图3对压电元件300以及保护膜100的构成进行说明。图3(a)是驱动时的喷墨式记录头的压力发生室的长度方向的要部剖面放大图。在驱动时，通过对第一电极60和第二电极80之间施加电压，从而如图3(a)所示，压电体层70收缩，使得压电元件300以及振动板以向压力发生室12侧变凸的方式变形。此时，在压力发生室12的长度方向的端部附近，尤其是在压力发生室12的长度方向的壁部16(周壁)部分附近，压电元件300以及振动板大幅弯曲。在该压力发生室12的周壁部分附近的压电元件300以及振动板的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域S1，对保护膜100侧的压电体层70作用拉伸方向的应力。在压电元件300以及振动板的弯曲形状的曲率中心处于压电元件保持部31侧的区域S2，对保护膜100侧的压电体层70作用收缩方向的应力。

设置于保护膜100的开口部101的长度方向的端部E1，与该弯曲形状的曲率中心位于压力发生室12侧、对保护膜100侧的压电体层70作用拉伸方向的应力的区域S1相比，以位于中央部侧的方式设置。这是因为，如上所述在驱动时压电体层70沿收缩方向作用，所以如果在对保护膜100侧的压电体层70作用拉伸方向的应力的区域设置有开口部101的端部E1，则相反方向的应力作用于端部E1，所以在该端部E1发生应力集中，成为压电元件的损坏的原因。在本实施方式中，该开口部101的端部E1，以与该拉伸方向的应力所作用的区域S1以及收缩方向的应力所作用的区域S2相比更靠中央侧的方式，设置于第一电极60上(在俯视时重叠)、即以位于压电体有源部320上的方式设置，从而进一步抑制应力集中于端部，抑制压电元件300的损坏。

如果为了使移位效率提高而将开口部101的端部E1设置在对应于第一电极60与流路形成基板10的壁部16(流路形成基板10的在压电体层70的长度方向的侧壁部)之间的区域之上，则由于端部E1位于区域S1内，因而应力集中于端部E1，压电元件300可能会损坏。另外，如果将端部E1形成在流路形成基板10的壁部16上，能够使移位效率提高，但为了保持刚性必须使压电元件300更为大型化，会导致喷墨式记录头I的大型化，因此不优选。

接下来，根据图3(b)所示的俯视图进行说明。如果为了使移位效率提高而将开口部101的端部E1设置在对应于第一电极60与流路形成基板10的壁部16之间的区域上，则开口部101的端部E1位于区域S1内(参照图中虚线A)，因此应力集中于开口部101的端部，压电元件损坏。另外，如果以处于流路形成基板10的壁部16上的方式形成端部E1(参照图中虚线B)，能够使移位效率提高，但由于开口部101的端部处于流路形成基板10的壁部16上，跨壁部16上以及压力发生室12上的刚性不同的区域部分形成了开口部101。这样一来，在壁部16和压力发生室12的边界部分C处容易发生应力集中，压电元件会损坏。

即，在本实施方式中，通过构成为使得端部E1位于离开由于驱动时的变形而使拉伸侧的应力作用于压电体层70的保护膜100侧的区域S1的位置，从而抑制在端部E1的台阶处发生的应力集中，能够抑制压电元件的损坏。另外，鉴于构图精度，优选，开口部101的端部E1与第一电极60的在压力发生室12的长度方向的端部E2的距离至少在10μm以上。

另外，压电体有源部320的长度方向的端部、即第一电极60的端部E2，为了不对其作用拉伸应力而形成为与区域S1相比、位置靠近中央。另外，如果形成为压电体有源部320的长度方向的端部E2不位于区域S1，则能够抑制拉伸方向的应力集中。因此，该端部E2也可以设置在例如壁部16上。

另外，在本实施方式中，如图2(b)所示，遍及多个压电元件300(压电体有源部320)连续地设置保护膜100，但也不特别限定于此，也可以例如按各压电元件300设置保护膜100。

在该保护膜100上设有例如包含金(Au)等的引线电极90。引线电极90，通过设置于保护膜100的其他的开口部100a，一端部连接于第二电极80。

另外，在形成有压电元件300的流路形成基板10上，在与压电元件300相对向的区域通过粘接剂35接合有具有压电元件保持部31的保护基板30，该压电元件保持部31具有不会阻碍压电元件300的运动那种程度的空间。另外，压电元件保持部31，只要具有不会阻碍压电元件300的运动那种程度的空间即可，该空间可以是被密封的，也可以是不被密封的。

另外，在保护基板30，在与连通部13相对向的区域设置有贮存器部32，该贮存器部32，如上所述，与流路形成基板10的连通部13相连通而构成成为各压力发生室12的共同的墨室的贮存器110。另外，在保护基板30的压电元件保持部31与贮存器部32之间的区域，设置有在厚度方向贯通保护基板30的贯通孔33，在该贯通孔33内露出了第一电极60的一部分和引线电极90的前端部。该前端部，通过连接布线与后述的驱动压电元件300的驱动电路相连接。

另外，在保护基板30上固定有用于驱动压电元件300的驱动电路200。作为该驱动电路200，能够使用例如电路基板和/或半导体集成电路(IC)等。而且，驱动电路200和引线电极90，通过包括键合线等的导电线的连接布线210电连接。

作为保护基板30，优选，使用与流路形成基板10的热膨胀率大致一样的材料，例如玻璃、陶瓷材料等，在本实施方式中，使用与流路形成基板10同一材料的单晶硅基板而形成。

在保护基板30上，接合有包括密封膜41和固定板42的柔性基板40。这里，密封膜41，包含刚性低并具有柔性的材料(例如厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)，通过该密封膜41密封了贮存器部32的一个面。另外，固定板42，由金属等的硬质材料(例如厚度为30μm的不锈钢(SUS)等)形成。该固定板42的与贮存器相对向的区域，成为在厚度方向上被完全去除了的开口部43，因此仅靠具有柔性的密封膜41密封了贮存器的一个面。

在这样的本实施方式的喷墨式记录头中，从没有图示的外部墨供给单元获取膜，在从贮存器110到喷嘴开口21为止在内部充满墨之后，按照来自驱动电路200的记录信号，对与压力发生室12相对应的各个第一电极60与第二电极80之间施加电压，使弹性膜51、第一电极60和压电体层70弯曲变形，从而提高各压力发生室12内的压力而从喷嘴开口21排出墨滴。

(其他的实施方式)

以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式。例如在上述实施方式1中，设置具有压电元件保持部31的保护基板30，但压电元件300被保护膜100覆盖而防止了由于外部环境所导致的损坏，因此也可以形成为在厚度方向上贯通保护基板30的压电元件保持部，此外也可以不设置保护基板。

另外，本实施方式的喷墨式记录头I，构成具有与墨盒等相连通的墨流路的记录头单元的一部分，被搭载于喷墨式记录装置II。图4是表示该喷墨式记录装置的一个例子的概略图。

如图4所示，具有喷墨式记录头I的记录头单元1A以及1B，可装卸地安装有构成墨供给单元的墨盒2A以及2B，搭载有该记录头单元1A以及1B的滑架3，在轴方向上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以及1B，作为分别排出例如黑墨组成物和彩色墨组成物的单元。

而且，将驱动电动机6的驱动力通过没有图示的多个齿轮以及定时带7传递至滑架3，从而使搭载有记录头单元1A以及1B的滑架3沿着滑架轴5移动。另一方面，在装置主体4沿着滑架轴5设置有压印板(platen)8，使得由没有图示的供纸辊等所供给的纸等的记录介质即记录片S卷挂于压印板8而被运送。

另外，在上述的实施方式1中，作为喷液头的一个例子举出喷墨式记录头进行了说明，但本发明广泛地以所有喷液头为对象，当然也能够适用于喷射墨以外的液体的喷液头。作为其他的喷液头，例如可以举出：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。而且，本发明，不仅适用于作为压力发生单元而搭载于这样的喷液头的致动装置，还适用于搭载于任何装置的致动装置。例如致动装置，除了上述排出头之外，也能够适用于传感器等。

Claims

1.一种喷液头，其特征在于，

具备：压电元件，所述压电元件包括第一电极、压电体层和第二电极，所述第一电极、压电体层和第二电极设置于流路形成基板的一面侧，所述流路形成基板设置有与喷射液体的喷嘴开口相连通的压力发生室；和保护膜，所述保护膜由无机绝缘材料形成，覆盖所述压电元件并且设置有使所述第二电极的上表面露出的开口部，

所述压电元件在所述压电元件的驱动时，以向所述压力发生室侧凸出的方式变形，所述保护膜的所述开口部在所述压力发生室的长度方向上的端部，与该变形时的所述压电元件在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域相比，位于中央侧。

2.根据权利要求1所述的喷液头，其特征在于，

所述第一电极，夹着振动板设置于流路形成基板的一面侧，

所述第一电极在所述压力发生室的长度方向上的端部，与所述振动板以及所述压电元件在所述压力发生室的周壁附近的弯曲形状的曲率中心处于压力发生室侧的区域相比，位于中央侧；

所述保护膜的所述开口部在所述压力发生室的长度方向上的所述端部，位于该第一电极之上。

3.根据权利要求2所述的喷液头，其特征在于，

所述保护膜的所述开口部在所述压力发生室的长度方向上的所述端部与所述第一电极在所述压力发生室的长度方向上的端部的距离，至少为10μm以上。

4.一种喷液装置，其特征在于，具备权利要求1至3中任一项所述的喷液头。

5.一种致动装置，其特征在于，

具备：压电元件，该压电元件包括第一电极、压电体层以及第二电极，所述第一电极、压电体层以及第二电极设置于设置有凹部的基板的与凹部相对向的区域；和保护膜，所述保护膜由无机绝缘材料形成，覆盖所述压电元件并且设置有使所述第二电极的表面露出的开口部，