CN102189799B - 液体喷射头以及液体喷射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供液体喷射头以及液体喷射装置，抑制了压电体能动部与压电体非能动部的边界处的振动板的裂纹。压电元件(300)由单独电极亦即第一电极(60)、压电体层(70)和共通电极亦即第二电极(80)构成，并且与压力产生室(12)对置地具备压电体能动部(320)和压电体非能动部(330)，压电体非能动部(330)延伸设置至压力产生室(12)的外侧，在压电体非能动部(330)的压电体层(70)上设置有应力控制层(100)，该应力控制层(100)具有与第二电极(80)的内部应力相同方向的内部应力，且与第二电极(80)电绝缘。

Description

液体喷射头以及液体喷射装置
技术领域
本发明涉及通过压电元件的移动而从喷嘴喷射液滴的液体喷射头以及液体喷射装置。
背景技术
作为喷射液滴的液体喷射头的代表性例子的喷墨式记录头，例如具有如下结构的喷墨式记录头：具备形成有压力产生室的流路形成基板和压电元件，该压电元件由设置于流路形成基板的一面侧的下电极、设置于下电极上的压电体层和设置于压电体层上的上电极构成，并且该记录头通过利用压电元件的移动来使振动板移动而对压力产生室施加压力，从而从喷嘴喷射墨水滴。在上述喷墨式记录头的结构中，在通过压电元件的驱动来使振动板移动时，容易在振动板的与压力产生室的长边方向的端部对置的部分产生裂缝。
为了解决这样的问题，具有如下结构的记录头：压电元件具有成为实质性驱动部的压电体能动部、和虽然具有与压电体能动部连续的压电体层但实质上不被驱动的压电体非能动部(例如参照专利文献1)。
通过如上述那样压电元件具备压电体非能动部，在驱动压电元件时，能够降低与压力产生室的长边方向端部对置的振动板的变形量，从而抑制振动板产生裂纹。
【专利文献1】日本特许第3114808号公报
但也具有如下结构的记录头：压电元件由设置于流路形成基板上的单独电极亦即第一电极(下电极)、压电体层和共通电极亦即第二电极(上电极)构成。如果是这种构成的压电元件，则也能够如上述那样通过压电元件具备压电体能动部和压电体非能动部来抑制振动板产生裂纹。
此外，在像这样第二电极为共通电极的压电元件中，压电体非能动部例如能够通过除去第二电极来形成。即：以第二电极的端部来规定压电体能动部和压电体非能动部的边界。这样的压电元件也能通过具备压电体非能动部而如上述那样抑制振动板产生裂纹。
但是，若在压电体非能动部上不存在第二电极，则应力集中于上述压电体能动部与压电体非能动部的边界部分，可能会在该部分的振动板上产生裂纹。更详细地说，由于构成压电元件的第二电极例如由铱等构成且具有压缩方向的内部应力，因此在初始状态(未施加电压的状态)下，压电体能动部实质上被第二电极朝与压力产生室相反的方向吸引，在压力产生室的宽度方向(短边方向)的截面中以第二电极侧凸出的方式挠曲变形。另一方面，不具备第二电极的压电体非能动部与压电体能动部相反，以第一电极侧凸出的方式挠曲变形。因此，应力集中于上述压电体能动部与压电体非能动部的边界部分，可能会在该部分的振动板上产生裂纹。
这样的问题在将第二电极作为压电元件的共通电极的情况下尤其容易产生。这是因为将第二电极作为压电元件的共通电极时，与作为单独电极的情况相比，由于构成压电元件(压电体能动部)的第二电极的面积比较大，所以初始状态时的压电体能动部的挠曲量比较大。
发明内容
本发明是鉴于上述情况而完成的，其目的在于提供一种液体喷射头以及液体喷射装置，抑制了在压电体能动部与压电体非能动部的边界处的振动板的裂纹。
解决上述课题的本发明涉及液体喷射头，该液体喷射头具备：流路形成基板，该流路形成基板并列设置有多个与喷出液滴的喷嘴分别连通的压力产生室；和压电元件，该压电元件在该流路形成基板的一面侧隔着振动板与各压力产生室对应地设置，该压电元件由第一电极、压电体层以及第二电极构成，其中，该第一电极设置于上述流路形成基板上，且针对上述压电元件的每个独立，该压电体层设置于该第一电极上，该第二电极遍及多个压电元件连续地设置在该压电体层上，并且与上述多个压电元件共通，该压电元件与上述压力产生室对置地具备压电体能动部和压电体非能动部，上述压电体能动部层叠有上述第一电极、上述压电体层和上述第二电极，上述压电体非能动部具有从该压电体能动部连续的上述第一电极和上述压电体层，但不会被电压驱动，并且上述压电体非能动部延伸设置至上述压力产生室的外侧，在上述压电体非能动部的上述压电体层上设置有应力控制层，该应力控制层具有与上述第二电极的内部应力相同方向的内部应力，且与上述第二电极电绝缘。
在上述的本发明中，在未对压电元件施加电压的初始状态，压电体能动部和压电体非能动部由于其内部应力而相同程度地挠曲变形。因此，能够抑制在压电体能动部和压电体非能动部边界发生应力集中，能够抑制应力集中所导致的振动板的裂纹。
这里，优选上述应力控制层形成得比上述压力产生室的长边方向端部更靠内侧。由此，应力控制层的挠曲变形不会受到限制，因此能够使压电体能动部的挠曲变形和压电体非能动部的挠曲变形更加接近。
此外，优选上述应力控制层由上述第二电极相同的层构成。由此，能够使压电体非能动部的挠曲变形量成为与压电体能动部的挠曲变形量同等的变形量。
进而，优选上述应力控制层延伸设置至上述压力产生室的短边方向外侧。由此，能够使压电体能动部的挠曲变形和压电体非能动部的挠曲变形进一步接近。
而且，本发明涉及液体喷射装置，该液体喷射装置的特征在于具备上述的液体喷射头。在上述的本发明中，能够实现抑制压电元件的破坏并且提高了可靠性、耐久性的液体喷射装置。
附图说明
图1是本发明的一实施方式涉及的记录头的分解立体图。
图2是表示本发明的一实施方式涉及的压电元件的构成的俯视图及剖视图。
图3是表示本发明的一实施方式涉及的压电元件的构成的剖视图。
图4是表示本发明的一实施方式涉及的压电元件的构成的变形例的俯视图。
图5是表示本发明的一实施方式涉及的压电元件的构成的变形例的剖视图。
图6是本发明的一实施方式涉及的记录装置的示意图。
符号说明：
10...流路形成基板；11...间隔壁；12...压力产生室；20...喷嘴板；30...保护基板；40...柔性基板；50...振动板；51...弹性膜；52...绝缘体膜；60...下电极；70...压电体层；75...凹部；80...上电极；81...延伸设置部；90...引线电极；100...应力控制层；300...压电元件；320...压电体能动部；330...压电体非能动部。
具体实施方式
以下，基于实施方式对本发明进行详细说明。
图1是表示本发明的一实施方式涉及的液体喷射头亦即喷墨式记录头的示意构成的分解立体图，图2是表示压电元件的结构的俯视图及其A-A’剖视图。此外，图3(a)是图2的B-B’剖视图，图3(b)是图2的C-C’剖视图。
如图1所示，在构成喷墨式记录头的流路形成基板10上，沿着其宽度方向(短边方向)并列设置有由间隔壁11划分的多个压力产生室12。此外，在流路形成基板10上，在压力产生室12的长边方向一端部侧设置有供给路13和连通路14，该供给路13和连通路14由间隔壁11划分且与各压力产生室12连通。在连通路14的外侧设置有与各连通路14连通的连通部15。
连通部15与后述的保护基板30的贮存部32连通而构成墨水贮存部的一部分，该墨水贮存部为各压力产生室12的共通的墨水室(液体室)。墨水供给路13形成为截面积比压力产生室12窄，并且将从连通路15流入压力产生室12的墨水的流路阻力保持为一定。通过朝连通部15侧延伸设置压力产生室12的宽度方向的间隔壁11来划分墨水供给路13与连通部15之间的空间而形成连通路14。
作为流路形成基板10的材料，例如优选使用单晶硅基板，但是除此之外也可以使用例如玻璃陶瓷、不锈钢等。
在流路形成基板10的一侧的面上，通过粘结剂、热熔敷膜等粘接喷嘴板20，该喷嘴板20穿设有喷嘴21。喷嘴板20例如由玻璃陶瓷、单晶硅基板、不锈钢等形成。
在流路形成基板10的另一侧的面上形成有包含弹性膜51的振动板50，该弹性膜51例如通过将流路形成基板10热氧化而形成。上述的压力产生室12等流路的一面侧由该振动板(弹性膜51)构成。
在本实施方式中，在弹性膜51上形成有绝缘体膜52，该绝缘体膜52由与弹性膜51不同材料的氧化膜形成，由上述弹性膜51和绝缘体膜52构成振动板50。在该振动板50上，形成有由第一电极亦即下电极60、压电体层70和第二电极亦即上电极80构成的压电元件300。
压电元件300一般以任意一个电极为共通电极，以另一个电极为彼此独立的单独电极。就本发明涉及的压电元件300而言，下电极60构成单独电极，上电极80构成共通电极。
另外，将如上所述的压电元件300和通过压电元件300的驱动而产生变位的振动板50统称为致动装置。在上述的例子中，弹性膜51、绝缘体膜52构成了振动板50，但是振动板50的构成并不特别局限于此。例如，压电元件300的下电极60可以兼作振动板50，压电元件300本身作为振动板50而发挥作用。
这里，对本实施方式涉及的压电元件300的结构进行详细说明。如图2所示，压电元件300具备：压电体能动部320，该压电体能动部320层叠有下电极60、压电体层70和上电极80，并且通过向两电极施加电压而产生压电变形；和压电体非能动部330，该压电体非能动部330具有从压电体能动部320连续的下电极60和压电体层70，但不会被电压驱动。上述压电体能动部320与压电体非能动部330的边界由上电极80的端部规定。在本实施方式中，压电体能动部320与压力产生室12对置设置，压电体非能动部330设置于压电体能动部320的长边方向两外侧，且延伸设置至压力产生室12的长边方向外侧。
对于压电元件300的单独电极亦即下电极60，与各压力产生室12对置的部分由比压力产生室12的宽度窄的宽度形成，并且延伸设置至压力产生室12的长边方向两端部的外侧(周壁上)。在各下电极60，在比压力产生室12的长边方向一端部更靠外侧，分别连接有例如由金(Au)等形成的引线电极90，借助该引线电极90对各压电元件300选择性地施加电压(参照图1)。
在压电体层70上，虽然在局部存在有凹部75，但是在与多个压力产生室12对置的区域连续的设置。凹部75与划分各压力产生室12的间隔壁11对置地设置。由此，如图3(a)所示，构成压电体能动部320的压电体层70的大半形成于在压力产生室12的宽度方向与各压力产生室12对置的区域内。此外，如图3(b)所示，构成压电体非能动部330的压电体层70，在压力产生室12的宽度方向连续地形成至压力产生室12的外侧。另外，凹部75在本实施方式中通过将压电体层70完全除去而形成，但是可以残留压电体层70的厚度方向的一部分，也可以在除去压电体层70的同时除去绝缘体膜52的上部的一部分来形成。
上电极80在包含凹部75的压电体层70上遍及与多个压力产生室12对置的区域连续地形成。在与压力产生室12对置的部分，压力产生室12的长边方向的上电极80位于压力产生室12上。由该上电极80的端部规定压电体能动部320与压电体非能动部330的边界。另外，上电极80在本实施方式中具有由相同材料构成的双层构造，其中第一层可以作为用于对压电体层70形成图案的掩膜使用。
在压电体非能动部330的压电体层70上设置有应力控制层100，该应力控制层100具有与上电极80的内部应力相同方向的内部应力，且与上电极80电绝缘。在本实施方式中，该应力控制层100设置于比压力产生室12的长边方向端部更靠内侧、即与压力产生室12对置的区域内。此外，应力控制层100在压力产生室12的宽度方向延伸设置至压力产生室12的外侧。
上述那样的应力控制层100的材料或形成方法不受特别限定，只要考虑上电极80的内部应力而适当决定即可，但是本实施方式中将应力控制层100由与上电极80相同的层形成。即、在压电体层70上的整个面上形成金属膜之后，对金属膜形成图案来形成上电极80时，在压电体非能动部330上与上电极80电绝缘地残留该金属膜。
由此，通过像这样在压电体非能动部330上设置应力控制层100，能够将压电体能动部320和压电体非能动部330的初始状态下的挠曲量(由内部应力产生的变形量)控制(调整)成相同程度。由此，能够抑制应力向压电体能动部320与压电体非能动部330的边界部分集中，能够抑制由该应力集中所引起的振动板50的裂纹。
例如，在本实施方式中，上电极80由铱等具有压缩应力的材料形成，因此压电体能动部320通过其内部应力而挠曲变形成在压力产生室12的宽度方向的截面中上电极80侧凸出。对此，如果压电体非能动部330由下电极60和压电体层70构成，则压电体非能动部330通过其内部应力而挠曲变形成下电极60侧凸出。但是，通过在压电体非能动部330上设置应力控制层100，压电体非能动部330与压电体能动部320相同程度地挠曲变形成上电极80侧凸出。不会在压电体能动部320与压电体非能动部330的边界部分产生应力集中，能够抑制应力集中引起的振动板50的裂纹。
尤其是在本实施方式中，仅在与压力产生室12对置的区域内形成应力控制层100，因此应力控制层100的挠曲变形不会受流路形成基板10限制。因而能够使包含应力控制层100的压电体非能动部330的挠曲量与压电体能动部320的挠曲量实质上一致。因此能够更加可靠地抑制应力向压电体能动部320与压电体非能动部330的边界部分集中。
另外，应力控制层100如上所述在压力产生室12的宽度方向延伸设置至压力产生室12的外侧。压力产生室12的长边方向的端部截面中的压电元件300的变形量，小于压力产生室12的宽度方向端部的压电元件300的变形量。因此，在压力产生室12的宽度方向延伸设置至压力产生室12的外侧，也几乎不会妨碍应力控制层100的变形。此外，通过延伸设置至压力产生室12的外侧，当驱动压电元件300时应力向与压力产生室12的端部对应的振动板50的集中受到抑制，能够抑制由应力集中所导致的振动板50的裂纹。
此外在本实施方式中，上电极80从间隔壁11上延伸设置至压力产生室12的长边方向另一端部外侧，并且也在压力产生室12的长边方向另一端部的外侧的区域沿着压力产生室12的宽度方向连续地形成。就这样的构成而言，能够确保压电元件300的共通电极亦即电极80的面积比较大，因而能够抑制发生电压下降等而良好地驱动压电元件300。
回到图1，在形成有上述压电元件300的流路形成基板10上，通过粘结剂等接合有保护基板30，该保护基板30具有用于保护压电元件300的空间亦即压电元件保持部31。压电元件300形成于该压电元件保持部31内，因此被保护在几乎不受外部环境影响的状态。此外，在保护基板30上，在与流路形成基板10的连通部15对应的区域设置有贮存部32。贮存部32如上所述与流路形成基板10的连通部15连通而构成墨水贮存部，该墨水贮存部为各压力产生室12的共通的墨水室。
而且，在保护基板30的压电元件保持部31与贮存部32之间的区域设置有沿着厚度方向贯通保护基板30的贯通孔33，上电极80和引线电极90的端部向该贯通孔33内露出。然后，虽然未予图示，但上述上电极80和引线电极90通过在贯通孔33内延伸设置的连接布线与用于驱动压电元件300的驱动IC等连接。
在保护基板30上还接合有由密封膜41和固定板42构成的柔性基板40。密封膜41由刚性低且具有可挠性的材料形成，利用该密封膜41将贮存部32的一个面密封。固定板42由金属等硬质材料形成。该固定板42的与贮存部32对置的区域成为厚度方向上被完全除去的开口部43，因此贮存部32的一个面仅被具有可挠性的密封膜41密封。
就上述的本实施方式的喷墨式记录头而言，从未图示的外部墨水供给构件吸入墨水，在墨水将到喷嘴21为止的流路内部充满之后，按照未图示的驱动IC发出的记录信号，对与压力产生室12对应的各个压电元件300施加电压使压电元件300弯曲变形而提高各压力产生室12内的压力，由此从各喷嘴21喷射墨水滴。
以上对本发明的一实施方式进行了说明，但是本发明并不局限于该实施方式。
例如，在上述的实施方式中，在压力产生室12的长边方向上，将应力控制层100设置于与压力产生室12对置的区域内，但是应力控制层100的构成不局限于此。
例如，在上述的实施方式中，沿着压力产生室12的宽度方向连续地形成压力产生室12的长边方向一端侧的应力控制层100，但是例如如图4所示，也可以设置针对压力产生室12的每个独立的应力控制层100A。在该构成中，上电极80还具备在各应力控制层100A之间延伸设置至压力产生室12的外侧的延伸设置部81，虽然省略了图示，但可以将该延伸设置部81彼此在比应力控制层100更靠外侧的区域中电连接。由此，能够实质性地降低压电元件300的共通电极亦即电极80的电阻值，因而能够抑制电压下降的发生而更加良好地驱动压电元件300。
此外例如如图5所示，应力控制层100可以在压力产生室12的长边方向延伸设置至压力产生室12的外侧。在这种情况下，虽然初始状态下的应力控制层100的变形量(压电体非能动部330的变形量)可能会稍微减小，但能够充分抑制应力向压电体能动部320与压电体非能动部330的边界集中。此外在该构成中，当驱动压电元件300时应力向与压力产生室12的长边方向端部对应的振动板50的集中受到抑制，能够抑制应力集中所导致的振动板50的裂纹。
另外，喷墨式记录头构成具备与墨盒等连通的墨水流路的记录头单元的一部分，并且搭载于喷墨式记录装置。图6是表示该喷墨式记录装置的一例的示意图。如图6所示，具有喷墨式记录头的记录头单元1A和1B可装卸地设置于构成墨水供给构件的墨盒2A和2B，搭载有该记录头单元1A和1B的滑架3以能够在轴向移动自如的方式安装于装置主体4的滑架轴5。该记录头单元1A和1B例如分别喷出黑色墨水组成物和彩色墨水组成物。而且，驱动电机6的驱动力借助未图示的多个齿轮和同步带7传递到滑架3，从而搭载有记录头单元1A和1B的滑架3沿着滑架轴5移动。另一方面，在装置主体4上沿着滑架轴5设置有压板8，由未图示的供纸辊等供给的纸张等记录介质亦即记录薄片S在压板8上被输送。
此外，在上述的实施方式中，作为本发明的液体喷射头的一例对喷墨式记录头进行了说明，但液体喷射头的基本构成不局限于上述方式。本发明大体上以全部液体喷射头作为对象，当然也能够应用于喷射墨水以外的液体的液体喷射头。作为其他液体喷射头，例如能够举出打印机等的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器的制造所使用的颜色材料喷射头，有机EL显示器、FED(场致发射显示器)等的电极形成所使用的电极材料喷射头，生物芯片制造所使用的生物体有机物喷射头等。

Claims (9)

1.一种液体喷射头，其特征在于，
所述液体喷射头具备：
流路形成基板，该流路形成基板并列设置有多个与喷出液滴的喷嘴分别连通的压力产生室；和
压电元件，该压电元件在该流路形成基板的一面侧隔着振动板与各压力产生室对应地设置，
该压电元件由第一电极、压电体层以及第二电极构成，其中，该第一电极设置于所述流路形成基板上，且针对所述压电元件的每个独立，该压电体层设置于该第一电极上，该第二电极遍及多个压电元件连续地设置在该压电体层上，并且与所述多个压电元件共通，
该压电元件与所述压力产生室对置地具备压电体能动部和压电体非能动部，所述压电体能动部层叠有所述第一电极、所述压电体层和所述第二电极，所述压电体非能动部具有从该压电体能动部连续的所述第一电极和所述压电体层，但不会被电压驱动，并且所述压电体非能动部延伸设置至所述压力产生室的外侧，在所述压电体非能动部的所述压电体层上设置有应力控制层，该应力控制层具有与所述第二电极的内部应力相同方向的内部应力，且与所述第二电极电绝缘。
2.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层形成得比所述压力产生室的长边方向端部更靠内侧。
3.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层由与所述第二电极相同的层构成。
4.根据权利要求2所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层由与所述第二电极相同的层构成。
5.根据权利要求1所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层延伸设置至所述压力产生室的短边方向外侧。
6.根据权利要求2所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层延伸设置至所述压力产生室的短边方向外侧。
7.根据权利要求3所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层延伸设置至所述压力产生室的短边方向外侧。
8.根据权利要求4所述的液体喷射头，其特征在于，
所述应力控制层延伸设置至所述压力产生室的短边方向外侧。
9.一种液体喷射装置，其特征在于，具备权利要求1～8中任一项所述的液体喷射头。
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