CN108349249B - 喷墨头及其制造方法、以及喷墨记录装置 - Google Patents

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Abstract

一种喷出喷墨油墨的喷墨头,喷墨头具有由薄膜构成的压电体层和振动板,压电体层的压电常数d31和压电体层的杨氏模量之积的绝对值为10[C/m2]以上15[C/m2]以下。即使在喷出高粘度油墨的情况下,喷墨头也能够抑制喷出时的驱动电压产生偏差。

Description

喷墨头及其制造方法、以及喷墨记录装置
技术领域
本发明涉及一种喷墨头及其制造方法、以及喷墨记录装置。
背景技术
如(日本)特开2007-049025号公报(专利文献1)所公开,已知有一种具备喷墨头并能输出二维图像的喷墨记录装置。喷墨头具备喷出喷墨油墨(下面,也简称为“油墨”)的多个通道。多个通道在相对于纸或布等记录介质移动的同时喷出油墨。作为喷出油墨的方式,已知由压电致动器、静电致动器或利用热变形的致动器等各种致动器实现的压力式、或通过热产生气泡的热式等。
在这些方式中,压电致动器方式具有可大幅调制输出,响应性高,不限油墨等优点。作为压电致动器,知道以往使用锆钛酸铅系化合物(PZT)等压电体的致动器。近年,使用硅(Si)基板的MEMS(微机电系统,Micro Electro Mechanical Systems)元件的采用增加。即,在压电致动器的制作中应用MEMS技术,通过使压电体薄膜化,能够由薄膜压电元件构成压电致动器。
在由薄膜压电元件构成压电致动器的情况下,可以实施利用成膜或光刻等半导体工艺技术的高精度加工,能够实现小型化及高密度化。也能够对大面积的晶片进行统一加工,因此,生产效率高,可以预期成本降低。而且,还具有机械能和电能之间的转换效率提高,可获得高性能的优点。因此,可以说薄膜压电元件适合实现高分辨率、小型、低成本的喷墨头。
在此,由薄膜压电元件构成压电致动器时,一般而言,在硅(Si)等的基板上形成电极,在该电极上成膜由薄膜构成的压电体层。此时,由于压电体层具有与电极的结晶不同的晶格常数,因此,形成由多个结晶的集合体构成的多晶。根据制法,该多晶(多晶膜)有具有粒状结晶形状的情况和具有柱状结晶形状的情况。
在粒状结晶的情况下,多晶膜形成具有数百[nm]粒径的粒状结晶。另一方面,在柱状结晶的情况下,多晶膜形成具有数百[nm]的宽度并在膜厚方向上聚集成一个细长柱形状的结晶粒。在柱状结晶的情况下,已知在位于膜厚方向上的相同位置的结晶面生长的结晶越多(即,取向性越高),多晶膜的压电特性越高。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:(日本)特开2007-049025号公报
发明内容
发明要解决的课题
近年来,作为喷墨记录装置(喷墨打印机),要求能够以更高的速度形成高清晰度的图像。为了实现该装置,作为喷墨头,正在寻求例如能够稳定地喷出具有10[cp]以上的高粘度的油墨。为了能喷出高粘度油墨,需要具有高输出特性的压电致动器。
如在开头说明,已知有将薄膜压电元件作为压电致动器的喷墨头。然而,现有的喷墨头即使在具备具有高输出特性的压电致动器的情况下,在喷出10[cp]以上高粘度的油墨时,驱动电压会产生偏差,导致油墨的喷出速度产生偏差,进而不能实现高清晰度的图像形成。
具体而言,弯曲式压电致动器的输出特性与压电体层(压电材料)的压电常数d31和压电体层的杨氏模量之积成比例。为了提高压电致动器的输出特性,理想的是,将压电体层的压电常数和压电体层的杨氏模量都增大。为了增大压电体层的压电常数,例如在压电材料(PZT等)中添加La或Nb等的施主离子。
在(日本)特开2007-049025号公报(专利文献1)中,通过在压电材料中添加施主元素,使压电体层的压电常数增大。具体而言,使压电体层的压电常数和压电体层的弹性柔度(杨氏模量的倒数)的比大于5[C/m2],而且,使振动板的弹性柔度大于2×10-8[m2/N](即,杨氏模量比50[MPa]小)。专利文献1记载了根据上述特征能够提高驱动效率。
然而,一般而言,如果施主的添加量变大,由多晶膜构成的薄膜压电体层的杨氏模量将会减小。例如,在使用MEMS技术的弯曲式压电致动器中,作为振动板的材料,多使用杨氏模量为100[GPa]以上200[GPa]以下的硅(Si)。在要使用具有如此大的杨氏模量的振动板的情况下,如果施主的添加量变大,薄膜压电体层的杨氏模量会减小,作为压电致动器的整体输出特性将会降低,因此,难以喷出高粘度的油墨。
在采用由陶瓷构成的压电元件的情况下,作为增加压电常数而不减小杨氏模量的方法,已知除施主离子外还添加Fe或Mn等受主离子的方法。然而,在由薄膜压电体层构成的压电元件中,添加施主离子或受主离子会使膜中包含的离子种类变多,其导致在由薄膜构成的压电体层的成膜工艺中薄膜性质容易产生偏差,压电常数的值及杨氏模量的值产生偏差。其结果,在实际的喷墨头中作为输出特性标准的油墨喷出时的驱动电压有时会产生偏差,油墨的喷出速度产生偏差,进而不能实现高清晰度的图像形成。
本发明的目的在于,提供一种即使在喷出10[cp]以上的高粘度油墨的情况下,也能够抑制油墨喷出时的驱动电压产生偏差,从而得到稳定的高输出特性的喷墨头及其制造方法、以及喷墨记录装置。
用于解决课题的技术方案
基于本发明的喷墨头喷出喷墨油墨,所述喷墨头具有由薄膜构成的压电体层和振动板,所述压电体层的压电常数d31和所述压电体层的杨氏模量之积的绝对值为10[C/m2]以上15[C/m2]以下。
在所述喷墨头中,优选的是,所述喷墨头内的所述喷墨油墨的粘度为15[cp]以下。
在所述喷墨头中,优选的是,所述振动板的杨氏模量为100[GPa]以上500[GPa]以下。
在所述喷墨头中,优选的是,所述压电体层包含钙钛矿型化合物。
在所述喷墨头中,优选的是,所述钙钛矿型化合物包含锆钛酸铅系化合物,且包含施主离子和受主离子。
在所述喷墨头中,优选的是,所述振动板由包含Si的材料形成。
在所述喷墨头中,优选的是,所述施主离子包含选自La、Nb、Ta、W的组中的1种以上的离子,所述受主离子包含选自Fe、Co、Mn的组中的1种以上的离子,所述施主离子和所述受主离子的摩尔%比之差为1摩尔%以下。
在所述喷墨头中,优选的是,所述钙钛矿型化合物包含铌酸钾钠系化合物。
在所述喷墨头中,优选的是,所述钙钛矿型化合物包含钛酸钠铋系化合物。
在所述喷墨头中,优选的是,在所述压电体层和所述振动板之间设置有籽晶层。
在所述喷墨头中,优选的是,所述喷墨头内的所述喷墨油墨的粘度为10[cp]以上。
基于本发明的喷墨记录装置具备所述喷墨头。
基于本发明的喷墨头的制造方法为,所述喷墨头具有由薄膜构成的压电体层和振动板,喷出喷墨油墨,其中,所述压电体层的压电常数d31和所述压电体层的杨氏模量之积的绝对值为10[C/m2]以上15[C/m2]以下,所述喷墨头的制造方法包括通过溅射法将所述压电体层成膜的工序。
发明效果
根据前述各结构,即使在喷墨头喷出10[cp]以上的高粘度油墨的情况下,也能够抑制油墨喷出时的驱动电压产生偏差,从而获得稳定的高输出特性。即使在包含2种以上的元素离子的情况下,溅射法也容易稳定地成膜,从这一点看优选溅射法。
附图说明
图1是示意地表示实施方式的喷墨记录装置的图。
图2是实施方式的喷墨记录装置所具备的喷墨头的俯视图。
图3是沿着图2中的III-III线的剖视图。
图4是表示形成于实施方式的喷墨记录装置所具备的喷墨头中的1个通道的平面图。
图5是沿着图4中的V-V线的剖视图。
图6是示意地表示钙钛矿型化合物的结晶结构的图。
图7是表示实施方式的实验例结果的图。
图8是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第一工序的剖视图。
图9是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第二工序的剖视图。
图10是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第三工序的剖视图。
图11是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第四工序的剖视图。
图12是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第五工序的剖视图。
图13是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第六工序的剖视图。
图14是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第七工序的剖视图。
图15是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第八工序的剖视图。
图16是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第九工序的剖视图。
图17是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第十工序的剖视图。
图18是表示实施例1(及实施方式)的喷墨头的制造方法的第十一工序的剖视图。
具体实施方式
下面,参照附图,对本发明的实施方式进行说明。在如下说明中,对同一零件及同一构成要素标注相同符号。这些名称及功能相同,有时不重复进行对于这些的详细说明。另外,也可以适当地选择组合如下说明的实施方式或变形例。
(喷墨记录装置1)
图1是示意地表示喷墨记录装置1的图。如图1所示,喷墨记录装置1具备喷墨头部2、送出辊3、卷取辊4、支撑辊(バックロール)5a、5b、中间罐6、送液泵7、储存罐8、定影装置9、喷墨头10及配管管线6T、7T。
送出辊3将记录介质P沿着箭头AR所示的方向送出。记录介质P是例如印刷纸或布。卷取辊4将从送出辊3送出而在喷墨头部2形成图像的记录介质P卷取。支撑辊5a、5b设置于送出辊3和卷取辊4之间。
将储存于储存罐8的油墨通过送液泵7及配管管线7T供给到中间罐6。将储存于中间罐6的油墨从中间罐6通过配管管线6T供给到喷墨头10。喷墨头10在喷墨头部2朝向记录介质P喷出油墨(喷墨油墨)。定影装置9将供给到记录介质P上的油墨定影于记录介质P。如上所述,喷墨记录装置1能够在记录介质P上形成图像。
(喷墨头10)
图2是喷墨头10的俯视图。图3是沿着图2中的III-III线的剖视图。图4是表示形成于喷墨头10的1个通道10C的平面图。图5是沿着图4中的V-V线的剖视图。图6是示意地表示钙钛矿型化合物的结晶结构的图。
如图2及图3所示,喷墨头10具备基板20、喷嘴板(图3)30及多个薄膜压电元件40。基板20在内部形成压力室28a(图3~图5),是用于层叠薄膜压电元件40或结合喷嘴板30的基体部件,具有主体部21(图3)及振动板25。
参照图4及图5(特别是参照图5),基板20的主体部21具有主体基板22及绝缘膜23、24。主体基板22例如由硅(Si)形成。绝缘膜23、24例如由氧化硅(SiO2)形成。绝缘膜23设置于主体基板22的一面上,绝缘膜24设置于主体基板22的另一面上。
基板20的振动板25因与压力室28a对应设置的薄膜压电元件40的伸缩而发生局部振动。在振动板25上设置有油墨供给口17a(图4)。本实施方式的振动板25具有从动板26及绝缘膜27。例如,从动板26由硅(Si)形成,绝缘膜27由氧化硅(SiO2)形成。即,本实施方式的振动板25包含硅(Si)。振动板25的杨氏模量优选为100[GPa]以上500[GPa]以下。另外,作为振动板的材料,除包含Si的Si3N4(杨氏模量在250以上350以下[GPa])、SiC(杨氏模量350以上500以下[GPa])外,也可以使用包含Al的Al2O3(杨氏模量约360[GPa])或AlN(杨氏模量约300[GPa])等。如果是块材,振动板的杨氏模量可通过弯曲试验法、拉伸试验法、共振振动法等求出,如果是薄膜材料,则可通过纳米压痕或超声波法等求出。
薄膜压电元件40具有由薄膜构成的压电体层42(图5)和一对电极41、43,设置于基板20上。电极41、43均通过由例如钛或铂层等构成的金属层形成。如图5所示,优选的是,在基板20和压电体层42之间(更具体而言,电极43和压电体层42之间)设置有籽晶层48。振动板25位于压力室28a和薄膜压电元件40之间。换言之,薄膜压电元件40设置于振动板25的与压力室28a相反的一侧。
参照图6,用于薄膜压电元件40的压电体层42优选包含钛酸钡(BaTiO3)或锆钛酸铅(Pb(Ti/Zr)O3)等图6所示的钙钛矿型化合物(金属氧化物)。此外,不限于锆钛酸铅,用于薄膜压电元件40的压电体层42也可以包含其它的锆钛酸铅系化合物。另外,用于薄膜压电元件40的压电体层42还可以包含施主离子和受主离子。
作为施主离子,优选包含选自La、Nb、Ta、W的组中的1种以上的离子。作为受主离子,优选包含选自Fe、Co、Mn的组中的1种以上的离子。而且,施主离子和受主离子的摩尔%之差优选为1摩尔%以下,更优选为0.5摩尔%以下,进一步优选为0.2摩尔%以下。可采用能量色散X射线分析(EDX)等测定施主离子和受主离子的摩尔%。施主离子和受主离子的摩尔%之差越小,越能够实现电荷平衡,进而能够以不减小杨氏模量的方式提高压电常数,因而优选。
用于薄膜压电元件40的压电体层42可以包含铌酸钾钠系化合物((K,Na)NbO3(下面,也称为KNN))。另外,用于薄膜压电元件40的压电体层42也可以包含钛酸钠铋系化合物(Bi0.5Na0.5)TiO3(下面,也称为BNT))。
作为将PZT等薄膜压电体层在Si等基板上成膜的方法,例如可以是CVD法等化学方法、溅射法或离子镀法等物理方法、以及溶胶凝胶法等液相中的生长方法。通过这些制法得到的薄膜的膜厚上限为10μm左右,如果厚度再大,则容易产生裂纹或膜剥落,所以薄膜的膜厚上限优选低于10μm。另外,成膜后的PZT等薄膜压电薄层在结晶为钙钛矿型化合物的结晶(图6)时可发挥良好的压电效果。
喷嘴板30相对于基板20贴于设置有薄膜压电元件40(图2)的一侧的相反侧。喷嘴板30具有喷嘴孔34。由薄膜压电元件40、振动板25、压力室28a及喷嘴孔34形成通道10C。
薄膜压电元件40形成于由薄膜压电元件40和压力室28a从上下将振动板25置于中间的位置。将油墨从未图示的罐通过油墨供给口17a供给到压力室28a。压力室28a内的油墨例如可以使用粘度为15[cp]以下的油墨。也可以使用粘度为10[cp]以上的油墨。此外,油墨的粘度通常是指常温(25℃)下的粘度。然而,油墨的粘度具有温度依赖性是已知的,根据情况有时在油墨的供给装置或喷出头设置加热装置,提高油墨的温度降低粘度而进行使用,因此,在该情况下,油墨的粘度为在加热供喷出的油墨的该设定温度下测定的粘度。
如果从驱动控制部115p(图5)向薄膜压电元件40施加电压,薄膜压电元件40将沿着与薄膜压电元件40的厚度方向垂直的方向伸缩。薄膜压电元件40伸缩而使振动板25局部地振动,从而在振动板25发生弯曲变形,振动板25在厚度方向上发生位移。因振动板25的上下运动,压力室28a内的体积发生变化。通过向压力室28a内的油墨施加压力,将油墨从喷嘴孔34喷出。
(压电体层42的压电常数d31和压电体层42的杨氏模量之积的绝对值)
在此,将压电体层42的压电常数d31和压电体层42的杨氏模量之积的绝对值设定为10[C/m2]以上15[C/m2]以下。只要该积的绝对值处于10[C/m2]以上15[C/m2]以下的范围,即使在喷出具有10[cp]以上高粘度的油墨的情况下,也能够抑制驱动电压产生偏差,使油墨的喷出速度稳定,进行高清晰度的图像形成。
该机制如下。例如,振动板25具有100[GPa]-500[GPa]左右的杨氏模量,振动板25由硅(Si)等材料构成,而且,将振动板25的厚度设定为与由薄膜构成的压电体层42的厚度大致相同或是其2倍左右的值。在该情况下,通过将压电体层42的杨氏模量设定为50[GPa]以上120[GPa]以下左右的范围,压电致动器的机械柔度Cm成为10[pL/MPa]以上20[pL/MPa]以下左右的范围。此外,压电致动器(薄膜压电元件40)的机械柔度Cm是表示向压电致动器施加压力的情况的变形难易度的指标。
只要压电致动器的机械柔度Cm在10~20[pL/MPa]左右的范围内,压电体层42的压电常数为一定值以上,施加于电压施加时的压电致动器(薄膜压电元件40)的压力就会成为油墨喷出所需的足够值。即,只要机械柔度Cm落入上述范围,即使向压电致动器(薄膜压电元件40)施加了规定值以上的电压,压力室28a也不会发生油墨喷出所需足够的值以上的体积变化,可抑制驱动电压产生偏差。
此外,如果压电体层42的杨氏模量变得更大,压电致动器的柔度就会变得比上述值小,即使施加高压力,也不能在压力室28a产生充分的压力变化。因此,理想的是,压电体层42的压电常数d31和压电体层42的杨氏模量之积的绝对值处于10[C/m2]以上15[C/m2]以下的范围。
[实验例]
下面,参照图7及图8~图18,对涉及将压电体层42的压电常数d31和压电体层42的杨氏模量之积的绝对值设定为10[C/m2]以上15[C/m2]以下的技术意义的实验例进行说明。该实验例包括实施例1~6及比较例1~6,图7表示该实验例的结果。下面,参照图8~图18,对实施例1~6及比较例1~6的实验条件及实验结果进行详细说明。
(实施例1)
参照图8,首先,准备成为基板20(图5)的材料的晶片。该晶片具有隔着热氧化膜23g接合有2片硅的SOI(Silicon on insulator)结构,包含经过后续工序而构成主体部21(图5)的部位22g(支承层)和经过后续工序而构成从动板26的部位。支承层的厚度为620μm左右,活性层的厚度为5um左右。
参照图9,接着,具有100nm左右厚度的绝缘膜27形成于晶片(从动板26)的表面。此外,设定晶片的厚度为300μm~725μm,直径为3英寸~8英寸等标准值。绝缘膜27可通过使用湿式氧化用热炉,将晶片在氧气氛中置于1200℃左右的高温而形成。
参照图10,通过溅射法将由钛(Ti)或铂(Pt)等构成的金属层(通过经过后续工序而构成电极43的部位)成膜。这些Ti、Pt的成膜使用在腔室内具有Ti、Pt两个靶材的二元溅射装置而形成。可连续形成Pt/Ti/Si基板的层叠结构而无需从真空中取出。
在该实施例1中,在形成有氧化膜(绝缘膜27)的硅基板上,首先,形成具有10nm左右厚度的钛(Ti)作为密接层,进而通过形成具有150nm左右厚度的铂(Pt)而构成电极43。就溅射条件而言,在Ti的情况下,将Ar流量设定为20sccm,将压力设定为0.5Pa,将施加于靶材的RF功率设定为100W,将基板的温度设定为400℃。在Pt的情况下,将Ar流量设定为20sccm,将压力设定为0.5Pa,将施加于靶材的RF功率设定为150W,将基板的温度设定为400℃。
在该实施例1中,接着,在电极43上形成籽晶层48(也参照图5)。为了形成籽晶层48,通过溅射装置在Pt上形成20nm左右的PLT。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.3sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为600℃,将施加于靶材的RF功率设定为500W。溅射的靶材使用La/Ti比为10/100的靶材。由此,在电极43的表面形成籽晶层48(也参照图5)。
参照图11,接着,通过溅射装置将添加了La和Mn的压电薄膜42g(PZT膜)形成于PLT上。压电薄膜42g是经过后续工序而构成压电体层42(参照图5)的部件。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.6sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为600℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜42g的膜厚为5um左右。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为54/46的靶材中添加了5摩尔%的La、且添加了5摩尔%的Mn的靶材。
对于PLT及PZT靶材的Pb成分,Pb在高温成膜时容易再蒸发,形成的薄膜容易缺少Pb。因此,对于Pb,比钙钛矿型化合物的结晶的化学计量比添加得更多。添加量视成膜温度而定,理想的是,靶材的Pb量比化学计量比增加10~30摩尔%。
在该实施例1中,对于所得的压电薄膜42g(PZT膜)使用能量色散X射线分析(EDX)分析膜组成的结果为,Zr/Ti比为54.1/45.9,La对(Zr+Ti)的添加量为5.1摩尔%,Mn的添加量为4.9摩尔%,可以得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量5摩尔%的1.05。
参照图12,接着,通过旋涂法将具有感光性的树脂材料61a、61b涂布于压电薄膜42g上。参照图13,通过利用掩模进行曝光处理及蚀刻处理(例如,反应性离子蚀刻法),去除压电薄膜42g(图12)中不需要的部分,将压电体层42显影。
参照图14,以覆盖压电体层42的方式,通过溅射法将由钛或铂层等构成的金属层41g成膜。金属层41g是经过后续工序而构成电极41(参照图5)的部件。参照图15,通过旋涂法将具有感光性的树脂材料63涂布于金属层41g上。
参照图16,通过利用掩模进行曝光处理及蚀刻处理,去除金属层41g(图15)中不需要的部分。由此,形成由电极41、压电体层42及电极43构成的薄膜压电元件40。接着,通过旋涂法在绝缘膜24g的表面涂布具有感光性的树脂材料65。
参照图17,通过利用掩模进行曝光处理及蚀刻处理,去除主体部21g(图16)中不需要的部分,形成主体部21。参照图18,在去除不需要的绝缘膜24g等之后,将喷嘴板30贴在基板20。由此,形成压力室28a,可得到喷墨头10。
对于所制作的该实施例1的喷墨头的薄膜压电元件40,求出压电体层42的杨氏模量及压电体层42的压电常数。使用阻抗分析仪(安捷伦公司制4294A)测定所制作的喷墨头的共振频率,根据所得的共振频率和致动器尺寸及振动板25(即,Si)的杨氏模量169[GPa(109*N/m2)]算出压电体层42的杨氏模量。其结果,该实施例1中的压电体层42的杨氏模量为55[GPa(109*N/m2)]。
根据致动器的位移量和设计形状,采用有限元法模拟软件(ANSYS)通过计算求出压电体层42的压电特性。其结果,压电体层42的压电常数d31为-240[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为13.2[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的射出速度成为7[m/s]的驱动电压为21.7[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为32.1[V](在图7中通过点线E1包围,参照纵向排列的2个结果)。
此外,作为实施例1说明的各工序可作为上述实施方式的喷墨头的制造方法来实施。
(实施例2)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成向PZT中添加了Nb和Mn的压电薄膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了10摩尔%的Nb、且添加了10摩尔%的Mn的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.8sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为550℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为5um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(PZT膜)的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为51.9/48.1,Nb对(Zr+Ti)的含量为9.5摩尔%,Mn的含量为10.2摩尔%,其差为0.7摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量9摩尔%的1.09。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电薄膜的压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为58[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-248[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为14.4[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的射出速度成为7[m/s]的驱动电压为19.8[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为27.9[V](在图7中通过箭头E2表示,参照纵向排列的2个结果)。
(实施例3)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成向PZT中添加了La和Fe的压电薄膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了3摩尔%的La、且添加了3摩尔%的Fe的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为1.0sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为550℃,将施加于靶材的RF功率设定为300W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为4um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(PZT膜)的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为52.2/47.8,La对(Zr+Ti)的含量为2.8摩尔%,Fe的含量为3.0摩尔%,其差为0.2摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量8摩尔%的1.08。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电薄膜的压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为64[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-193[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为12.4[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为20.7[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为29.9[V](在图7中通过箭头E3表示,参照纵向排列的2个结果)。
(实施例4)
到形成由Pt构成的电极43的工序为止,与实施例1同样地进行制作。接着,在Pt/Ti/SOI基板上不设置籽晶层,通过溅射法形成向PZT中添加了Ta和Co的压电薄膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了1摩尔%的Ta、且添加了1摩尔%的Co的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为1.0sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为520℃,将施加于靶材的RF功率设定为300W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为3um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(PZT膜)的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为51.5/42.5,Ta对(Zr+Ti)的含量为1.1摩尔%,Co的含量为0.9摩尔%,其差为0.2摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量5摩尔%的1.05。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电薄膜的压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为70[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-160[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为11.2[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为22.3[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为32.2[V](在图7中通过箭头E4表示,参照纵向排列的2个结果)。
(实施例5)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在PLT/Pt/Ti/Si基板上通过溅射法形成由材料组成(K、Na)NbO3构成的压电薄膜(KNN膜)。溅射的靶材使用K/Na比为50/50的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为1.0sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为500℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为3um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(KNN膜)的膜组成,其结果为,K/Na比为50.3/49.7,可得到接近靶材组成的组成的膜。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为98[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-123[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为12.1[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为22.0[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为35.1[V](在图7中通过箭头E5表示,参照纵向排列的2个结果)。
(实施例6)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成由材料组成(Bi、Na)TiO3构成的压电薄膜(BNT膜)。溅射的靶材使用Bi/Na比为50/50的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为1.0sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为500℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为3um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(KNN膜)的膜组成,其结果为,Bi/Na比为48.5/51.5,可得到接近靶材组成的组成的膜。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电薄膜的压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为115[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-90[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为10.3[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为23.3[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为33.7[V](在图7中通过箭头E6表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例1)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成仅添加了La的PZT膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为54/46的靶材中添加了5摩尔%的La的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.6sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为600℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为5um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(PZT膜)的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为54.2/41.8,La对(Zr+Ti)的含量为5.3摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量5摩尔%的1.05。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电薄膜的压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为40[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-232[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为9.3[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为27.6[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为39.6[V](在图7中通过箭头C1表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例2)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成仅添加了La的PZT膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了3摩尔%的La的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为1.0sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为550℃,将施加于靶材的RF功率设定为300W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为4um左右。
与实施例1同样地分析所得的PZT膜的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为52.0/48.0,La对(Zr+Ti)的含量为2.7摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量8摩尔%的1.08。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为46[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-189[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为8.7[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为27.7[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为40.5[V](在图7中通过箭头C2表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例3)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上形成仅添加了Nb的压电薄膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了1摩尔%的Nb的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.8sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为550℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为5um左右。
与实施例1同样地分析所得的PZT膜的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为51.9/48.1,Nb对(Zr+Ti)的含量为0.8摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量3摩尔%的1.03。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为50[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-150[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为7.5[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为32.7[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为47.6[V](在图7中通过箭头C3表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例4)
到形成由Pt构成的电极43的工序为止,与实施例1同样地进行制作。接着,在Pt/Ti/SOI基板上不设置籽晶层,通过溅射法形成由材料组成(K、Na)NbO3构成的压电薄膜(KNN膜)。溅射的靶材使用K/Na比为50/50的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.5sccm,将压力设定为0.5Pa,将基板的温度设定为500℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为3um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(KNN膜)的膜组成,其结果为,K/Na比为47.5/52.5,可得到接近靶材组成的组成的膜。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为51[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-101[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为5.3[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨喷出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的喷出速度成为7[m/s]的驱动电压为42.9[V]。同样,使用粘度15[Cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为63.5[V](在图7中通过箭头C4表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例5)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成仅添加了Mn的PZT膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为50/50的靶材中添加了3摩尔%的Mn的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.5sccm,将压力设定为0.7Pa,将基板的温度设定为600℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为5um左右。
与实施例1同样地分析所得的压电薄膜(PZT膜)的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为50.1/49.9,Mn对(Zr+Ti)的含量为3.1摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量2摩尔%的1.02。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为125[GPa(GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-128[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为16.0[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨射出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的射出速度成为7[m/s]的驱动电压为24.1[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为37.2[V](在图7中通过箭头C5表示,参照纵向排列的2个结果)。
(比较例6)
到形成由PLT构成的籽晶层48的工序(参照图10)为止,与实施例1同样地进行制作(参照图5)。接着,在与实施例1的图11对应的工序中,在由PLT/Pt/Ti/Si构成的基板上通过溅射法形成仅添加了Fe的PZT膜。溅射的靶材使用向Zr/Ti比为52/48的靶材中添加了5摩尔%的Fe的靶材。就溅射条件而言,将Ar流量设定为20sccm,将O2流量设定为0.5sccm,将压力设定为0.7Pa,将基板的温度设定为600℃,将施加于靶材的RF功率设定为400W。将成膜时间调整为压电薄膜的膜厚成为5um左右。
与实施例1同样地分析所得的PZT膜的膜组成,其结果为,Zr/Ti比为52.2/47.8,Fe对(Zr+Ti)的含量为4.8摩尔%,可得到接近靶材组成的组成的膜。另外,膜的Pb过量比为过量1摩尔%的1.01。
接着,与实施例1同样地制作使用该膜的喷墨头,求出压电薄膜的杨氏模量和压电常数,结果,压电薄膜的杨氏模量为137[GPa(109*N/m2)],压电常数d31为-121[pm/V(10-12*C/N)]。根据这些结果算出压电薄膜的压电常数和杨氏模量之积的绝对值的结果为16.6[C/m2]。
接着,将粘度10[cp]的油墨导入所制作的喷墨头,对油墨射出特性进行了评价。其结果,使油墨液滴的射出速度成为7[m/s]的驱动电压为27.3[V]。同样,使用粘度15[cp]的油墨进行了评价,成为7[m/s]的驱动电压为40.1[V](在图7中通过箭头C6表示,参照纵向排列的2个结果)。
(总结)
总结以上结果,可得到图7所示的曲线图。从该曲线图可知,在压电常数和杨氏模量之积为10[C/m2]以上15[C/m2]以下的区域中,与其它区域相比曲线的倾斜度(变化率)小。因此,在使用具有10[cp]或15[cp]的粘度的油墨的情况下,即使产生膜性质的偏差,驱动电压也不易产生偏差。可知,可得到具有驱动电压变动小的喷出特性的喷墨头。
另外,从将振动板的能量有效传输到高粘度油墨的方面考虑,振动板25的杨氏模量优选为100[GPa]以上,从使振动板变形的方面考虑,优选为500[GPa]以下。即,振动板的油墨喷出时的驱动电压容易产生偏差,但能够得到高输出特性。在本发明的实施例中,振动板的杨氏模量的测定通过共振振动法进行测定。如果压电体层中包含施主离子和受主离子,则容易产生膜性质的偏差,进而驱动电压容易产生偏差,在上述实施方式中,通过将压电体层的压电常数d31和压电体层的杨氏模量之积的绝对值设定为10[C/m2]以上15[C/m2]以下,可抑制驱动电压产生偏差。
(其它实施例)
在上述实施例中,压电薄膜的形成使用溅射法,但成膜法不限于此,只要能够形成具有本发明特征的膜,也可以是脉冲激光沉积(PLD)法或离子镀法等其它的物理成膜法、溶胶凝胶法、MOCVD法等化学成膜法。
另外,压电薄膜不限于一层,也可以是中间夹持着电极的二层以上的层叠体。在该情况下,多层的压电薄膜可以是同种材料,也可以是异种材料(例如PTO和PZO的交替层叠等),在异种材料的情况下,只要压电层整体的合成杨氏模量和压电常数之积处于10[C/m2]以上15[C/m2]以下的范围即可。
另外,电极不限于Pt,也可以考虑Au、Ir、IrO2、RuO2、LaNiO3、SrRuO3等金属或金属氧化物及它们的组合。另外,下部电极和压电体层之间的籽晶层不限于PLT,例如也可以使用STO、SRO、LNO、PT等钙钛矿型化合物。
应当认为,在此公开的实施方式在所有方面仅为例示,并非用于限定。本发明的范围通过要求保护的范围表示而非上述的说明,本发明包含与要求保护的范围等同的方案及范围内的全部变更。
附图标记说明
1 喷墨记录装置
2 喷墨头部
3 送出辊
4 卷取辊
5a、5b 支撑辊
6 中间罐
6T、7T 配管管线
7 送液泵
8 储存罐
9 定影装置
10 喷墨头
10C 通道
17a 油墨供给口
20 基板
21、21g 主体部
22 主体基板
22g 部位
23、24、24g、27 绝缘膜
23g 热氧化膜
25 振动板
26 从动板
28a 压力室
30 喷嘴板
34 喷嘴孔
40 薄膜压电元件
41 电极(上部电极)
41g 金属层
42 压电体层
42g 压电薄膜
43 电极(下部电极)
48 籽晶层
61a、61b、63、65 树脂材料
115p 驱动控制部
P 记录介质

Claims (11)

1.一种喷墨头,其喷出喷墨油墨,其中,
所述喷墨头具有由薄膜构成的压电体层和振动板,
所述压电体层的压电常数d31和所述压电体层的杨氏模量之积的绝对值为10C/m2以上15C/m2以下,
所述压电体层包含钙钛矿型化合物,
所述钙钛矿型化合物包含锆钛酸铅系化合物,且包含施主离子和受主离子,
所述施主离子和所述受主离子的摩尔%比之差为1摩尔%以下。
2.如权利要求1所述的喷墨头,其中,
所述喷墨头内的所述喷墨油墨的粘度为15cp以下。
3.如权利要求1或2所述的喷墨头,其中,
所述振动板的杨氏模量为100GPa以上500GPa以下。
4.如权利要求1或2所述的喷墨头,其中,
所述振动板由包含Si的材料形成。
5.如权利要求1所述的喷墨头,其中,
所述施主离子包括选自La、Nb、Ta、W的组中的1种以上的离子,
所述受主离子包括选自Fe、Co、Mn的组中的1种以上的离子。
6.如权利要求1所述的喷墨头,其中,
所述钙钛矿型化合物包含铌酸钾钠系化合物。
7.如权利要求1所述的喷墨头,其中,
所述钙钛矿型化合物包含钛酸钠铋系化合物。
8.如权利要求1所述的喷墨头,其中,
在所述压电体层和所述振动板之间设置有籽晶层。
9.如权利要求1或2所述的喷墨头,其中,
所述喷墨头内的所述喷墨油墨的粘度为10cp以上。
10.一种喷墨记录装置,其具备权利要求1~9中任一项所述的喷墨头。
11.一种喷墨头的制造方法,所述喷墨头具有由薄膜构成的压电体层和振动板,喷出喷墨油墨,其中,
所述压电体层的压电常数d31和所述压电体层的杨氏模量之积的绝对值为10C/m2以上15C/m2以下,
所述压电体层包含钙钛矿型化合物,
所述钙钛矿型化合物包含锆钛酸铅系化合物,且包含施主离子和受主离子,
所述施主离子和所述受主离子的摩尔%比之差为1摩尔%以下,
所述喷墨头的制造方法包括通过溅射法将所述压电体层成膜的工序。
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