CN102133814A - 液体喷头以及液体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供液体喷头以及液体喷射装置，能够抑制抑制在压电体层产生的裂纹。该液体喷头具备与喷嘴开口(21)连通的压力发生室(12)和使上述压力发生室(12)发生压力变化的压电元件(300)，其中压电元件(300)具备：第1电极(60)、形成在上述第1电极(60)上含有铅、锆、钛的压电体层(70)、和形成在上述压电体层(70)的与上述第1电极(60)相反一侧的第2电极(80)，存在于上述压电体层(70)的上述第2电极(80)侧表面的晶粒(501)间的槽部(502)，满足0≤d/ρ≤0.900(d：槽部的深度，w：槽部的宽度，ρ：曲率半径(d2+w2/4)/2d)。

Description

液体喷头以及液体喷射装置
技术领域
本发明涉及从喷嘴喷射液体的液体喷头以及液体喷射装置。
背景技术
作为液体喷头所使用的压电元件是用两个电极夹持压电体层而构成的，其中压电体层由呈电-机械转换功能的压电材料，例如结晶化过的电介质材料构成。这样的压电元件，例如作为挠曲振动模式的致动器装置而搭载于液体喷头。作为液体喷头的代表例，例如具有下述的喷墨式记录头，即，用振动板构成与排出墨滴的喷嘴开口连通的压力发生室的一部分，并通过压电元件使该振动板变形而对压力发生室的油墨进行加压，从喷嘴开口排出墨滴。
搭载于这样的喷墨式记录头的压电元件，例如有利用成膜技术在振动板的表面整体形成均匀的压电材料层，并通过光刻法将该压电材料层切分成与压力发生室对应的形状，按照每个压力发生室独立的方式形成压电元件(参照专利文献1)。
专利文献1：日本特开2003-127366号公报
在这样的压电元件中，存在在施加电压时对压电体层作用应力，此时存在有可能在压电体层上产生裂纹的问题。与烧结金属氧化物的颗粒而形成的所谓的大块的压电体层不同，特别是在通过溶液法或CVD法等薄膜成膜法形成压电体层的薄膜的情况下，由于作用于压电体层的应力巨大，因此发生裂纹的问题变得显著。另外，这样的问题不限定于喷墨式记录头所代表的液体喷头，在喷射其他液体的液体喷头中也存在。
发明内容
本发明鉴于这样的实际情况，目的在于提供一种抑制在压电体层产生的裂纹的液体喷头和液体喷射装置。
解决上述课题的本发明的方式为一种液体喷头，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，其中压电元件具备：第1电极、形成在上述第1电极上含有铅、锆、钛的压电体层、形成在上述压电体层的与上述第1电极相反一侧的第2电极，存在于上述压电体层的上述第2电极侧表面的晶粒间的槽部，满足0≤d/ρ≤0.900(d：槽部的深度，w：槽部的宽度，ρ：曲率半径(d2+w2/4)/2d)。
在该方式中，能够抑制压电体层施加电压时产生裂纹，从而成为耐久性优越的液体喷头。
而且，上述压电体层的厚度可以是6μm以下。压电体层的厚度越薄作用于压电体层的应力越大，越容易产生裂纹，然而根据本构成，即使做成6μm以下较薄的压电体层，也能够抑制裂纹产生。
另外，本发明的另一方式为一种液体喷射装置，其特征在于，具备上述方式的液体喷头。在该方式中，能够实现具备具有压电元件的液体喷头的液体喷射装置，其中压电元件能够抑制压电体层产生的裂纹的发生。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1涉及的记录头的概略构成的分解立体图。
图2是本发明的实施方式1涉及的记录头的俯视图和剖视图。
图3是本发明的实施方式1涉及的记录头的要部放大剖视图。
图4是压电体层的要部放大剖视图。
图5是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。
图6是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。
图7是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。
图8是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。
图9是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。
图10是压电元件A的压电体层的AFM像。
图11是压电元件B的压电体层的AFM像。
图12是压电元件C的压电体层的AFM像。
图13是压电元件D的压电体层的AFM像。
图14是压电元件E的压电体层的AFM像。
图15是表示压电元件A的压电体层的槽部测量结果的一个例子的图。
图16是表示裂纹发生率的结果的图。
图17是表示电压施加时间与压电体层的破坏产生应力的关系的图。
图18是表示本发明的一个实施方式涉及的记录装置的概略构成的图。
图中符号说明：
I...喷墨式记录头(液体喷头)；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...油墨供给路；15...连通部；20...喷嘴板；21...喷嘴开口；30...保护基板；31...储液槽部；40...柔性基板；50...弹性膜；55...绝缘体膜；60...第1电极；70...压电体层；80...第2电极；90...引线电极；100...储液槽；120...驱动电路；300...压电元件；501...晶粒；502...槽部。
具体实施方式
以下基于实施方式对本发明进行详细说明。
(实施方式1)
图1是表示作为本发明的实施方式1涉及的液体喷头的一个例子的喷墨式记录头的概略构成的分解立体图，图2是图1的俯视图及其A-A′剖视图，图3是将喷墨式记录头的要部放大的剖视图。
如图1和图2所示，本实施方式的流路形成基板10由单晶硅基板构成，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上沿其宽度方向并排设置有多个压力发生室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经由设置于各个压力发生室12的油墨供给路14以及连通路15而连通。连通部13构成与后述的保护基板的储液槽部31连通而成为各压力发生室12共用的油墨室的储液槽的一部分。油墨供给路14以比压力发生室12窄的宽度形成，将从连通部13流入到压力发生室12的油墨的流路阻力保持为一定。另外，本实施方式中，通过将流路的宽度从单侧缩小而形成了油墨供给路14，然而也可以将流路的宽度从两侧缩小来形成油墨供给路。另外，还可以不缩小流路的宽度，而从厚度方向缩小来形成油墨供给路。另外本实施方式中，在流路形成基板10上设置有由压力发生室12、连通部13、以及油墨供给路14和连通路15构成的液体流路。
另外，利用粘接剂或热封膜等将喷嘴板20固定安装在流路形成基板10的开口面侧，其中喷嘴板20中贯穿设置有与和各压力发生室12的油墨供给路14相反一侧的端部附近连通的喷嘴开口21。另外，喷嘴板20例如由玻璃陶瓷、单晶硅基板、不锈钢等构成。
另一方面，在与这样的流路形成基板10的开口面相反的一侧，如上所述形成弹性膜50，并在该弹性膜50上形成绝缘体膜55。此外，在该绝缘体膜55上层叠形成有：由白金或铱等构成的第1电极60；厚度为6μm以下、优选为0.3～1.5μm的薄膜的压电体层70；以及由铱等构成的第2电极80，从而构成压电元件300。在此，压电元件300是指包括第1电极60、压电体层70和第2电极80的部分。通常情况下，将压电元件300中的任意一个电极作为共用电极，将另一个电极和压电体层70通过对各个压力发生室12图案成形而构成。本实施方式中，将第1电极60作为压电元件300的共用电极，将第2电极80作为压电元件300的单独电极，然而根据驱动电路和布线情况而将它们反过来也不存在问题。另外，在此，将压电元件300与通过该压电元件300的驱动而产生位移的振动板一起称为致动器装置。另外，在上述的例子中，弹性膜50、绝缘体膜55以及第1电极60作为振动板发挥作用，当然不限定于此，例如，也可以不设置弹性膜50和绝缘体膜55，而且可以只将第1电极60作为振动板发挥作用。另外，压电元件300本身实质上可以兼作振动板。
压电体层70由在第1电极60上形成的表示电-机械转换作用的压电材料构成，特别是由即使在压电材料中也具有钙钛矿构造，并含有作为金属的Pb、Zr和Ti的铁电体材料构成。作为压电体层70，例如适用锆钛酸铅(PZT)等铁电体材料，或在其中添加了氧化铌、氧化镍或氧化镁等金属氧化物而成的材料等。具体而言，可以用锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)、锆钛酸铅镧((Pb，La)(Zr，Ti)O3)、锆钛酸铅镁铌酸铅(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O3)等。
另外，在压电体层70上，如压电元件300的厚度方向的剖视图即图3所示，形成有多个沿压电体层70的厚度方向连续的柱状的晶粒501。另外，晶粒是指作为相同结晶取向的结晶的区域。
而且，压电体层70如压电体层70的放大剖视图即图4所示，在第2电极80侧的表面中存在多个晶粒501，通常晶粒501与相邻的晶粒501不是无间隙地形成到表面，因此借助相邻的晶粒501彼此而形成从压电体层70的表面凹下的槽部502。而且，在本实施方式中，该槽部502满足0≤d/ρ≤0.900。在式子中，d是槽部502的深度，w是槽部502的宽度，ρ是曲率半径，即(d2+w2/4)/2d。槽部502的深度d和宽度w的测量方法未作特殊限定，可以用原子力显微镜(AFM)，也可以用扫描型探针显微镜(SPM)，例如可以在下述条件下测量。另外，在下述测量条件中，将测量范围的厚度方向上的高度的平均值设为零，并以该零的平面为基准测量深度d和宽度w。
(测量条件)
装置名：NanoscopeIII(Digital Instruments制)
AFM针：NCH(芯片形状：PointProbe，长度125[μm]，弹簧常数42[N/m]，谐振频率320[kHz])。
测量模式：AC模式(敲击模式)。
测量范围：5μm×5μm。
测量分辨率：1064×1064。
另外，在压电体层70的第2电极80侧的表面上形成有多个槽部502的情况下，只要将各槽部502的d/ρ的平均后的值满足0≤d/ρ≤0.900即可。
这样，在本实施方式中，由于存在于压电体层70的第2电极80侧表面的晶粒501间的槽部502满足0≤d/ρ≤0.900，因此如后述实施例所示，能够显著地抑制压电体层70产生裂纹。在此，当对压电元件300施加电压进行驱动时，会对压电体层70作用应力，由此易在压电体层70上产生裂纹。而且，在压电体层70中，施加电压时作用较大应力的区域不限于形成于第2电极80侧表面的晶粒501间的槽部502，例如，在压电体层70的第1电极侧表面相邻的晶粒501间等形成的槽、或因陶瓷的不均匀性导致的低密度部分、液层工艺所特有的烧结界面上出现空隙等也多少存在。然而，形成于压电体层70的第1电极60侧表面的晶粒501间等的槽、因陶瓷的不均匀性导致的低密度部分、液层工艺所特有的烧结界面上出现空隙等，基本对压电体层70的裂纹的产生没有影响，因此可知裂纹的产生依存于形成在压电体层70的第2电极80侧表面的晶粒501间的槽部502。例如，在施加电压时，在由于异物的存在所形成的间隙，比存在于压电体层70的第2电极80侧表面的晶粒501间的槽部502被作用更大的应力，但由因该异物的存在而形成的间隙难以产生裂纹。
而且，与烧结金属氧化物的颗粒而形成的所谓的大块(厚膜)的压电体层不同，在利用溶液法或CVD法等薄膜成膜法形成压电体层的薄膜的情况下，与厚膜相比，在施加电压时对压电体层70施加巨大的应力而易产生裂纹，但在本实施方式中，由于存在于压电体层70的第2电极80侧表面的晶粒501间的槽部502满足0≤d/ρ≤0.900，因此即使是厚度为6μm这样较薄的压电体层70，也能够抑制裂纹产生，从而成为耐久性优越的液体喷头。
在这样的压电元件300的单独电极即各第2电极80上连接有引线电极90，该引线电极90从油墨供给路14侧的端部附近引出，并延伸设置到绝缘体膜55上，例如，由金(Au)等构成。
在形成了这样的压电元件300的流路形成基板10上，即，在第1电极60、绝缘体膜55和引线电极90上，借助粘接剂35接合有具有构成储液槽100的至少一部分的储液槽部31的保护基板30。该储液槽部31在本实施方式中形成为：在厚度方向上贯通保护基板30且遍布压力发生室12的宽度方向，如上所述构成与流路形成基板10的连通部13连通而成为各压力发生室12的共用的油墨室的储液槽100。另外，将流路形成基板10的连通部13按照每个压力发生室12分割成多个，也可以只将储液槽部31做成储液槽。此外，例如，也可以在流路形成基板10上只设置压力发生室12，在插设于流路形成基板10与保护基板30之间的部件(例如，弹性膜50、绝缘体膜55等)上设置将储液槽和各压力发生室12连通的油墨供给路14。
另外，在保护基板30的与压电元件300相对置的区域上设置压电元件保持部32，该压电元件保持部32具有不阻碍压电元件300运动的程度的空间。只要压电元件保持部32具有不阻碍压电元件300运动的程度的空间即可，该空间可以密封也可以不密封。
作为这样的保护基板30，优选使用与流路形成基板10的热膨胀率大致相同的材料，例如，玻璃、陶瓷材料等，在本实施方式中，是使用与流路形成基板10相同材料的单晶硅基板形成的。
另外，在保护基板30上设置沿厚度方向贯通保护基板30的贯通孔33。而且从各压电元件300引出的引线电极90的端部附近设成在贯通孔33内露出。
另外，在保护基板30上固定有用于驱动并排设置的压电元件300的驱动电路120。作为该驱动电路120，例如能够使用电路基板或半导体集成电路(IC)等。而且，驱动电路120和引线电极90经由由接合线等导电性电线构成的连接布线而电性连接。
另外，在这样的保护基板30上接合有由密封膜41和固定板42构成的柔性基板40。在此，密封膜41由刚性低且具有挠性的材料构成，由该密封膜41来密封储液槽部31的一面。另外，固定板42由比较硬质的材料形成。该固定板42的与储液槽100相对置的区域成为在厚度方向上完全被去除了的开口部43，因此储液槽100的一面只用具有挠性的密封膜41密封。
在这样的本实施方式的喷墨式记录头I中，从与未图示的外部的油墨供给单元连接的油墨导入口吸入油墨，并从储液槽100到喷嘴开口21将内部充满油墨后，按照来自驱动电路120的记录信号，向与压力发生室12对应的各个第1电极60和第2电极80之间施加电压，通过使弹性膜50、绝缘体膜55、第1电极60和压电体层70挠曲变形，从而提高各压力发生室12内的压力并从喷嘴开口21排出墨滴。而且在本实施方式中，作为喷墨式记录喷头，即使是通常使用的电压即35V也能够抑制裂纹的发生，因此在35V以下能够良好地进行驱动，从而成为可靠性高的液体喷头。
下面，参照图5～图9对本实施方式的喷墨式记录头的制造方法的一个例子进行说明。另外，图5～图9是压力发生室的长度方向的剖视图。
首先，如图5(a)所示，在作为硅晶片的流路形成基板用晶片110的表面上利用热氧化等形成构成弹性膜50的由二氧化硅(SiO2)等构成的二氧化硅膜。然后，如图5(b)所示，在弹性膜50(二氧化硅膜)上用反应性溅射法或热氧化等形成由氧化锆等构成的绝缘体膜55。接着，如图6(a)所示，用DC溅射法等遍布绝缘体膜55的整个面地形成由白金或铱等构成的第1电极60。
接下来，遍布第1电极60上整个面地层叠压电体层70。压电体层70的制造方法只要是能够形成薄膜的压电体层70的所谓的薄膜成膜法则不作特殊限定，例如将在溶剂中溶解、分散了有机金属化合物的溶液进行涂敷干燥，进而通过用高温进行烧结得到由金属氧化物构成的压电体层70，使用MOD(Metal-Organic decomposition)法能够形成压电体层70。另外，压电体层70的制造方法不限定为MOD法，例如，可以是溶胶-凝胶法、激光消融法、溅射法、脉冲激光沉积法(PLD法)、CVD法、气浮沉积法等，可以是液相法也可以是固相法。
作为压电体层70的具体的形成顺序例，首先，如图6(b)所示，用旋涂法等在第一电极60上涂敷以规定的比例包含有机金属化合物，具体而言，是含有铅、锆、钛的有机金属化合物的MOD溶液或溶胶(前驱体溶液)，形成压电体前驱体膜71(涂敷工序)。
涂敷的前驱体溶液是将分别含有铅、锆、钛的有机金属化合物混合，并用乙醇等有机溶剂将该混合物溶解或分散所得到的溶液。作为分别含有铅、锆、钛的有机金属化合物，例如能够使用金属醇盐、有机酸盐、β二酮配合物等。
然后，将该压电体前驱体膜71加热到规定温度并以一定时间干燥(干燥工序)。接下来，通过将干燥后的压电体前驱体膜71加热到规定温度并保持一定时间而进行脱脂(脱脂工序)。另外，在此所说的脱脂是指，将压电体前驱体膜71中含有的有机成分脱离为例如NO2、CO2、H2O等。干燥工序和脱脂工序的环境未作限定，可以在大气中也可以在惰性气体中。
然后，如图6(c)所示，在惰性气体环境中将压电体前驱体膜71加热到规定温度，例如600～800℃左右并保持一定时间，由此使其结晶化而形成压电体膜72(烧结工序)。
另外，作为在干燥工序、脱脂工序和烧结工序中使用的加热装置，例如，可列举出通过红外线灯的照射进行加热的RTA(Rapid Thermal Annealing：快速热退火)装置或加热板等。
接着，如图7(a)所示，在压电体膜72上以规定形状的抗蚀剂(无图示)为掩模并将第1电极60和压电体膜72的第1层同时图案成形成它们的侧面倾斜。
接着，在剥离了抗蚀剂后，根据所期望的膜厚等将上述涂敷工序、干燥工序和脱脂工序、或涂敷工序、干燥工序、脱脂工序和烧结工序反复多次，形成由多个压电体膜72构成的压电体层70，如图7(b)所示，形成由多层压电体膜72构成的规定厚度的压电体层70。例如，在涂敷溶液涂敷一次的膜厚为0.1μm左右的情况下，例如，由10层的压电体膜72构成的压电体层70整体的膜厚大约为1.1μm左右。另外，在本实施方式中，是将压电体膜72层叠设置但也可以只有1层。
本实施方式中，在该阶段，即，在使压电体前躯体膜71结晶化而形成压电体膜72的阶段，在形成第2电极80一侧的表面上存在在厚度方向上连续的多个柱状的晶粒501，借助相邻的晶粒501形成槽部。另外，通过调整烧结工序、脱脂工序和干燥工序的温度，或调整含铅量，或者通过在绝缘体膜55等上设置含有钛的层并在其上设置压电体前躯体膜71来调整晶粒501的密度，并且，进行较强的逆溅射来破坏压电体层70的最外表面，或进行研磨(磨削)或CMP(化学机械研磨)等，由此能够调整存在于压电体层70的第2电极80侧的表面的槽部502的形状和大小，即，槽部502的深度d，宽度w和曲率半径(d2+w2/4)/2d)。例如，当提高烧结温度时，虽然也依存于与其他制造条件的平衡，但可以减小d/ρ。另外，虽然也依存于与其他制造条件的平衡，但当减小含铅量，或进行较强的逆溅射来破坏或研磨压电体层70的最外表面时，则能够使槽部502的深度d变浅。
这样在形成压电体层70后，如图8(a)所示，用溅射法等在压电体层70上形成由白金等构成的第2电极80，在与各压力发生室12相对置的区域内对压电体层70和第2电极80分别进行图案成形，形成由第1电极60、压电体层70和第2电极80构成的压电元件300。另外，在压电体层70和第2电极80的图案成形中，通过形成为规定形状的抗蚀剂(无图示)进行干刻而统一进行。
然后，可以根据需要以600℃～800℃的温度域进行后期退火。由此，能够形成压电体层70和第1电极60或第2电极80的良好的界面，并且，能够改善压电体层70的结晶性。
接下来，如图8(b)所示，例如在形成由金(Au)等构成的引线电极90后，例如，通过由抗蚀剂等构成的掩模图案(无图示)对各个压电元件300进行图案成形。
接着，如图8(c)所示，在流路形成基板用晶片110的压电元件300侧借助粘接剂35接合是硅晶片且成为多个保护基板30的保护基板用晶片130后，将流路形成基板用晶片110减薄到规定的厚度。
接下来，如图9(a)所示，在流路形成基板用晶片110上重新形成掩模膜52并以规定形状图案成形。然后，如图9(b)所示，将流路形成基板110用晶片110通过掩模膜52进行使用了KOH等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿蚀刻)，由此形成与压电元件300对应的压力发生室12、连通部13、油墨供给路14和连通路15等。
然后，例如通过切割等将流路形成基板用晶片110和保护基板用晶片130的外周缘部的不需要的部分切断而去除。而且，在去除与流路形成基板用晶片110的保护基板用晶片130相反一侧的面的掩模膜52后与贯穿设置有喷嘴开口21的喷嘴板20接合，并且在保护基板用晶片130上接合柔性基板40，通过将流路形成基板用晶片110等分割成图1表示的一个晶片大小的流路形成基板10等，从而成为本实施方式的喷墨式记录头I。
(实施例)
以下表示实施例，对本发明进行更具体地说明。另外，本发明不限定于以下的实施例。
(试验例)
按照上述的实施方式，在基板上形成了改变压电体层70的烧结温度和含铅量的五种压电元件A～E。具体而言，在将硅基板(流路形成基板10)进行热氧化而设置的弹性膜50上设置由氧化锆构成的绝缘体膜55。其次，用溅射法在该绝缘体膜55上形成了由膜厚130nm的白金和5nm的铱构成的第一电极60。然后，在第1电极60上形成由钛构成的钛层(钛型)，在该钛层上用具有分别含有铅、锆和钛的有机金属化合物的前躯体溶液，进行涂敷工序、干燥工序、脱脂工序、烧结工序，从而形成了由12层的压电体膜72构成的厚度1.3200μm的压电体层70。当观察各压电元件A～E的压电体层70厚度方向的截面时，发现压电体层70由在厚度方向上连续的多个柱状的晶粒501形成，在表面上在相邻的晶粒501间存在有槽部502。
在形成该压电体层70的阶段，在各压电元件A～E的压电体层70的与第1电极60侧相反一侧的表面，即，对于在后续工序中形成第2电极一侧的表面，在下述条件下，测量由相邻的晶粒501形成的槽部502的深度d和宽度w并求出d/ρ。将结果表示于表1。另外，将各压电元件的压电体层70的形成第2电极一侧的表面的AFM像，针对压电元件A表示于图10，针对压电元件B表示于图11，针对压电元件C表示于图12，针对压电元件D表示于图13，针对压电元件E表示于图14。另外，在下述条件下，测量100个位置，对各槽部502求出d/ρ，并将该值的平均值记载于下述表1。在此，如槽部502的测量结果的一个例子即图15所示，可知在本发明中进行的槽部502的近似椭圆(在图15中，用粗线表示)是妥当的形状。
(测量条件)
装置名：NanoscopeIII(Digital Instruments制)
AFM针：NCH(芯片形状：PointProbe，长度125[μm]，弹簧常数42[N/m]，谐振频率320[kHz])。
测量模式：AC模式(敲击模式)。
测量范围：5μm×5μm。
测量分辨率：1064×1064
然后，在压电体层70上的一部分，通过溅射法形成厚度50nm的由铱构成的第2电极80，通过进行图案成形而形成了压电元件300。另外，在该阶段的压电体层的第2电极侧的表面上形成的槽部，与在上述测量的形成第2电极前的槽部的形状和大小没有变化。
接下来，按照上述的实施方式，制成喷墨式记录头并搭载于喷墨式记录装置。在相同条件下制成多个喷墨式记录装置，并分别以35V的施加电压驱动排出次数1011次，并求出在此期间产生裂纹的比例(裂纹发生率)。将结果表示于表1和图16。
如表1所示，比较压电元件A～E，压电体层70的第2电极80侧表面的晶粒间形成的槽部502的深度和宽度不同。另外，压电体层70的结晶性等，上述槽部502的深度的宽度以外的特性基本相同。而且，在槽部502满足0≤d/ρ≤0.900的压电元件A和B中，与在0≤d/ρ≤0.900的范围外的压电元件C、D和E相比，显著地降低了裂纹的发生率。
表1
Figure BSA00000416236200121
在此，根据上述结果示出，当存在于压电体层70的第2电极80侧的表面的晶粒501间的槽部502满足0≤d/ρ≤0.900时，显著地抑制裂纹的发生率，该效果推测如下。
例如，当对上述实施例1的喷墨式记录装置施加30V电压时，1.3200μm的压电体层的膜厚变为1.3238μm。另外，测量压电体层的膜厚是用双束激光干扰仪(测量装置DBLI-SE01，AIXACCT社)进行了测量。
另外，当用表面弹性波测量仪(LAwave V5.2，ALOtec社)测量该压电体层的杨氏模量时，为98[Gpa]。另外，在形成该压电体层的PZT的XRD处测量的密度为8.19[g/cm3]。
而且，根据压电体层膜厚的变化率和杨氏模量求出压电体层的应力时，为(1.3238-1.3200)/1.3200×98＝282[MPa]。
根据该值，对施加了作为液体喷头通常使用的驱动电压即35V的电压的情况下求解时，为282×35/30＝329[GPa]。换而言之，当施加35V的电压时，329[GPa]的应力平均地作用于压电体层，即，329[GPa]的应力作用于压电体层的平坦部分。
而且，对作用于压电体层的平坦部分的该应力的值，乘以根据晶粒间的槽部的深度d和宽度w计算出的英格兰斯(Inglis)的椭圆形缺口的应力集中度(1+2√(d/ρ))时，求出施加35V时作用于压电体层的最大的应力(在表2中记载为“35V驱动最大应力”)，作为作用于晶粒间的槽部的应力。求出的应力表示于表2。
表2
Figure BSA00000416236200131
在此，因产生裂纹而导致压电体层破坏的应力，如表示施加电压时间与压电体层破坏产生应力的关系的图即图17所示，施加电压时间，即，根据排出次数而变动。具体而言，施加时间的对数与破坏产生应力的对数的比例关系成立。而且，为了做成能够承受作为喷墨式记录头通常使用的排出次数的足够的次数、即1011次排出的喷墨式记录头，图17所示，必需利用953[MPa](1og标记中为2.98)以下的应力。将该值与表2的值相比，在压电元件A和B中，35V驱动最大应力调整为953以下，并且压电元件C～D调整为980和1074。
由此，由于槽部的d/ρ满足0≤d/ρ≤0.900，因此可知至少在作为液体喷射装置的排出次数是足够的1011次以下的排出次数时，能够切实地抑制裂纹的发生。
(其他实施方式)
以上，对本发明的一个实施方式进行了说明，然而本发明的基本的构成不限定于上述方式。例如，在上述实施方式1中，是作成将压电体层70以柱状结晶形成的，但也可以不是柱状结晶。另外，例如，在上述的实施方式中，作为流路形成基板10例示出单晶硅基板，但不特别限定于此，例如，也可以用SO1基板、玻璃等材料。
另外，上述喷墨式记录头I，构成具备与墨盒等连通的油墨流路的记录头单元的一部分，搭载于喷墨式记录装置。图18是表示该喷墨式记录装置的一个例子的概略图。
在图18表示的喷墨式记录装置II，具有喷墨式记录头I的记录头单元1A和1B能够拆装地设置构成油墨供给单元的墨盒2A和2B，搭载有该记录头单元1A和1B的墨架3，可沿轴向移动自如地设置在安装于装置主体4的墨架轴5上。该记录头单元1A和1B，例如，分别排出黑油墨组成物和彩色油墨组成物。
而且，驱动电机6的驱动力经由未图示的多个齿轮以及同步带7传递到墨架3，因此搭载有记录头单元1A和1B的墨架3沿着墨架轴5移动。另一方面，在装置主体4上沿着墨架轴5设置有压盘8，通过未图示的进纸辊等将进纸的纸等记录介质即记录纸S卷绕于压盘8进行输送。
另外，在上述的实施方式1中，作为液体喷头的一个例子列举喷墨式记录头进行了说明，然而本发明广泛以所有液体喷头为对象，当然也能够适用于喷射油墨以外的液体的液体喷头。作为其他液体喷头，例如，可列举出：打印机等图像记录装置所使用的各种记录头、液晶显示器等的彩色滤光片的制造所使用的色材喷头、有机EL显示器、FED(电场放出显示器)等的电极形成所使用的电极材料喷头、生物芯片制造中所使用的生体有机物喷头等。

Claims (3)

1.一种液体喷头，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，其中压电元件具备：第1电极、形成在上述第1电极上含有铅、锆、钛的压电体层、和形成在上述压电体层的与上述第1电极相反一侧的第2电极，
存在于上述压电体层的上述第2电极侧表面的晶粒间的槽部，满足0≤d/ρ≤0.900，其中，d：槽部的深度，w：槽部的宽度，ρ：曲率半径(d2+w2/4)/2d。
2.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征在于，
上述压电体层的厚度是6μm以下。
3.一种液体喷射装置，其特征在于，
具备权利要求1或2所述的液体喷头。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5803528B2 (ja) * 2011-09-30 2015-11-04 ブラザー工業株式会社 圧電アクチュエータ、液体移送装置及び圧電アクチュエータの製造方法
JP2019162734A (ja) * 2018-03-19 2019-09-26 セイコーエプソン株式会社 液体吐出ヘッド、液体吐出装置、圧電デバイス

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020175974A1 (en) * 2001-02-19 2002-11-28 Seiko Epson Corporation Ink-jet recording head and ink-jet recording apparatus
EP1544927A2 (en) * 2003-12-16 2005-06-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric element, fabrication method for the same, and inkjet head, inkjet recording apparatus and angular velocity sensor including the same
CN1691498A (zh) * 2004-04-20 2005-11-02 株式会社东芝 薄膜压电谐振器及其制造方法
US20060012279A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 Ngk Insulators, Ltd. Electron emitter
CN1784792A (zh) * 2003-06-06 2006-06-07 日本碍子株式会社 压电/电致伸缩元件及其制造方法
JP2009076819A (ja) * 2007-09-25 2009-04-09 Seiko Epson Corp アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置

Family Cites Families (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3381473B2 (ja) * 1994-08-25 2003-02-24 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド
JP3636301B2 (ja) * 2000-12-13 2005-04-06 セイコーエプソン株式会社 インクジェット式記録ヘッド
JP2003127366A (ja) 2001-10-26 2003-05-08 Seiko Epson Corp インクジェット式記録ヘッド及びその製造方法並びにインクジェット式記録装置
JP2005088441A (ja) * 2003-09-18 2005-04-07 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP5168443B2 (ja) * 2006-08-08 2013-03-21 セイコーエプソン株式会社 圧電素子、アクチュエータ装置、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置
JP4296441B2 (ja) * 2006-10-11 2009-07-15 セイコーエプソン株式会社 アクチュエータ装置の製造方法
JP2008284781A (ja) * 2007-05-17 2008-11-27 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及びその製造方法並びに液体噴射装置
JP2008311290A (ja) 2007-06-12 2008-12-25 Seiko Epson Corp 圧電体素子、圧電体素子の製造方法、流体噴射ヘッド、流体噴射装置
JP5475272B2 (ja) 2008-03-21 2014-04-16 日本碍子株式会社 圧電／電歪膜型素子
JP2010021375A (ja) 2008-07-10 2010-01-28 Seiko Epson Corp 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子
JP5320886B2 (ja) * 2008-07-28 2013-10-23 セイコーエプソン株式会社 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子
JP5024564B2 (ja) * 2009-02-20 2012-09-12 セイコーエプソン株式会社 アクチュエーター装置及び液体噴射ヘッド

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20020175974A1 (en) * 2001-02-19 2002-11-28 Seiko Epson Corporation Ink-jet recording head and ink-jet recording apparatus
CN1784792A (zh) * 2003-06-06 2006-06-07 日本碍子株式会社 压电/电致伸缩元件及其制造方法
EP1544927A2 (en) * 2003-12-16 2005-06-22 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Piezoelectric element, fabrication method for the same, and inkjet head, inkjet recording apparatus and angular velocity sensor including the same
CN1691498A (zh) * 2004-04-20 2005-11-02 株式会社东芝 薄膜压电谐振器及其制造方法
US20060012279A1 (en) * 2004-07-15 2006-01-19 Ngk Insulators, Ltd. Electron emitter
JP2009076819A (ja) * 2007-09-25 2009-04-09 Seiko Epson Corp アクチュエータ装置及び液体噴射ヘッド並びに液体噴射装置

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
袁懋昶: "《断裂力学理论及其工程应用》", 28 February 1989, article "椭圆孔应力集中问题的英格里斯解法", pages: 40-50 *

Also Published As

Publication number Publication date
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EP2343188B1 (en) 2015-02-25
JP2011140153A (ja) 2011-07-21
US8491101B2 (en) 2013-07-23

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