CN114312006A - 致动器、液体喷射头及液体喷射装置 - Google Patents

致动器、液体喷射头及液体喷射装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有良好的介电强度且具有高可靠性的致动器、液体喷射头及液体喷射装置。该致动器包括：基板；形成在所述基板上的振动板(13)；形成在所述振动板上的下部电极(10)；形成在所述下部电极上的PbTiO3层(21)；形成在所述PbTiO3层上的压电体(20)，以及形成在所述压电体上的上部电极(11)，所述压电体由PZT(锆钛酸铅)构成，通过下述测量方法求出的PZT粒子的平均粒径为40nm以上，所述测量方法是，对所述压电体在20μm×20μm的范围内取得EBSD图像，并对图像范围内的所有粒子进行圆拟合，将圆的直径的平均值作为PZT粒子的平均粒径。

Description

致动器、液体喷射头及液体喷射装置
技术领域
本发明涉及致动器、液体喷射头及液体喷射装置。
背景技术
作为液体喷射装置，已知有例如具备喷出墨水等液体的液体喷射头的喷墨记录装置。在液体喷射头中，已知有使用压电体作为致动器的驱动源的技术，为了得到高品质的图像等，提出了提高压电特性的技术。
在专利文献1中，以提高PZT的可靠性为目的，公开了在PZT晶界存在氧化锆，并且该晶体晶界中的锆元素的组成比大于上述晶界中的铅元素。
但是，在专利文献1中并没有公开通过控制PZT的粒径来得到具有高耐压性的压电膜。根据PZT的粒径，PZT中的晶界的比例变多，有可能产生漏电流而发生故障。因此，希望有提高介电强度的技术。
于是，本发明的目的在于提供一种具有良好的介电强度且具有高可靠性的致动器。
【专利文献1】(日本)专利第4463766号公报
发明内容
为了解决上述课题，本发明涉及的致动器的特征在于包括：基板；形成在所述基板上的振动板；形成在所述振动板上的下部电极；形成在所述下部电极上的PbTiO3层；形成在所述PbTiO3层上的压电体，以及形成在所述压电体上的上部电极，所述压电体由PZT(锆钛酸铅)构成，通过下述测量方法求出的PZT粒子的平均粒径为40nm以上，所述测量方法是，对所述压电体在20μm×20μm的范围内取得电子背散射衍射(EBSD)图像，并对图像范围内的所有粒子进行圆拟合，将圆的直径的平均值作为PZT粒子的平均粒径。
根据本发明，能够提供一种具有良好的介电强度且具有高可靠性的致动器。
附图说明
图1所示是本发明所涉及的液体喷射头的一例的液体腔短边方向的剖面示意图。
图2所示是本发明所涉及的液体喷射头的一例的液体腔长边方向的剖面示意图。
图3所示是对压电体进行EBSD测量的结果的一个例示图。
图4所示是通过X射线衍射法的θ-2θ测量得到的压电体(PZT膜)的2θ值的测量结果的一例的曲线图。
图5所示是本发明所涉及的液体喷射装置的一例的立体概要图。
图6所示是本发明所涉及的液体喷射装置的一例的侧面概要图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的致动器、液体喷射头及液体喷射装置进行说明。还有，本发明不局限于以下所示的实施方式，对于其他的实施方式、追加、修正、删除等，在本领域技术人员所能想到的范围内可以进行变更，无论是怎样的方式，只要起到本发明的作用和效果，都在本发明的范围内。
本实施方式的的致动器包括：基板；形成在所述基板上的振动板；形成在所述振动板上的下部电极；形成在所述下部电极上的PbTiO3层；形成在所述PbTiO3层上的压电体，以及形成在所述压电体上的上部电极。
图1所示是具有本实施方式的致动器(也称为压电型致动器、压电体元件)的液体喷射头的液体腔短边方向的剖面图，图2所示是液体腔长边方向的剖面图。如图1和图2所示，液体喷射头是在致动器基板100上设有产生液体喷射能量的致动器12、振动板13，并形成有加压液体腔隔离壁14、加压液体腔15。各加压液体腔15由加压液体腔隔离壁14隔开。
压电体20由PZT(锆钛酸铅)形成，并形成在PbTiO3层21上。另外，压电体20被共用电极10、单独电极11夹住，并通过层叠在各电极层里的布线层42(也称为布线、引出布线等)等来施加电压。在此，虽然将下部电极设为共用电极10，将上部电极设为单独电极11，但不限于此，也可以将下部电极设为单独电极，将上部电极设为共用电极。
通过致动器基板100和喷嘴基板300来形成加压液体腔15。通过接合这些致动器基板100、支撑基板200以及喷嘴基板300来形成液体喷射头。
在这样形成的液体喷射头中，在各加压液体腔15内充满例如记录液(墨水)的液体的状态下，从控制部来施加脉冲电压。控制部根据图像数据，例如通过振荡电路，经由形成在布线层、层间绝缘膜上的连接孔，将例如20V的脉冲电压施加到与想要喷射记录液的喷嘴孔16对应的单独电极11上。
施加了上述电压脉冲时，由于电致伸缩效应，压电体20本身会在平行于振动板3的方向上收缩，振动板3就在加压液体腔5方向上挠曲。由此，加压液体腔15内的压力急剧上升，从与加压液体腔15连通的喷嘴孔16喷射记录液。
接着，在施加脉冲电压后，由于收缩了的压电体20返回原状，弯曲了的振动板13就返回到原来的位置。由此，加压液体腔15内与共用液体腔内相比成为负压，从外部经由液体供给口66供给来的墨水就从共用液体供给路径19、共用液体腔18经由流体阻力部17向加压液体腔15供给。通过反复进行该操作，能够连续地喷射液滴，在与液体喷射头相向而对地配置的被记录介质(纸张)上形成图像。
接着，对本实施方式的致动器进行详细说明。
本实施方式中的压电体由PZT构成，通过下述测量方法求出的PZT粒子的平均粒径为40nm以上。<测量方法>
对上述压电体在20μm×20μm的范围内取得电子背散射衍射(EBSD：ElectronBackscatterDiffraction)图像，并对图像范围内的所有粒子进行圆拟合，以圆的直径的平均值作为PZT粒子的平均粒径。
另外，在本实施方式中，有时将″PZT粒子″称为晶粒(结晶颗粒)，将″PZT粒子的粒径″称为晶粒的结晶粒径。另外，有时将″PZT粒子的平均粒径″称为压电体的平均粒径或简称为平均粒径。
压电体的平均粒径可以通过电子背散射衍射(EBSD)法对压电体表面进行映射，从各结晶颗粒的粒径分布来计算。在EBSD测量中，可以取得压电体中的各晶粒的晶体方向及面积。
图3所示是通过EBSD法取得本实施方式中的压电体表面的测量图像的一个例示图。在EBSD中，能够测量各晶粒的取向，同时由于各晶粒的晶界是明确的，所以对掌握晶粒直径(晶粒的结晶粒径)是有效的。在本实施方式中，在20μm×20μm的范围内取得EBSD图像，对位于图像范围内的所有粒子(晶粒)进行圆拟合，并将圆的直径的平均值作为PZT粒子的平均粒径。
接着，对压电体的平均粒径与PbTiO3层的层厚(也称为膜厚等)的关系进行说明。在本实施方式中，优选在下部电极上形成PbTiO3层，并在PbTiO3层上形成压电体。通过形成PbTiO3层，能够控制PZT的结晶取向性。PbTiO3层也可以是PbTiO3膜。
下表1所示是PbTiO3层的厚度与压电体的平均粒径的关系的一例(实施例1～5及比较例1)。
表1
Figure BDA0003265402900000041
如表1所示，压电体的平均粒径与PbTiO3层的厚度存在相关关系，可以看到PbTiO3层的厚度越大平均粒径越小的倾向。这可以设想为，通过增加PbTiO3层的厚度，PZT结晶时的结晶核发生率上升，晶粒(结晶粒)因此而变小。PbTiO3的作用是作为促进PZT核的形成的种子层，可以认为是核形成密度会根据膜厚而变化的原因。
另外，压电体的平均粒径与绝缘破坏电压的关系同样地示于表1。可知的是，随着平均粒径变小，绝缘破坏电压减少。一般认为，在晶界部，与晶粒的主体(bulk)部相比，电流泄漏会增大。因此，可以认为的是由于晶粒变小，PZT膜中所占的晶界的比例增加，膜厚方向的泄漏就增加，因此绝缘破坏电压就会降低。
绝缘破坏电压低于约70V时，对压电体施加电压时发生漏电流且故障的可能性会变高。因此，还考虑到表1时，为了确保介电强度，就需要使压电体的平均粒径为40nm以上。
PbTiO3层的厚度优选为3nm以上。通过设定为3nm以上，可以获得作为种子层的功能。另外，考虑到表1时，PbTiO3层的厚度优选为35nm以下。在35nm以下时，将压电体的平均粒径控制在40nm以上就会变得容易。
为了使压电体的平均粒径在40nm以上，例如，可以列举有如上所述设置PbTiO3层来进行PZT的结晶控制。这时，可以通过调整PbTiO3层的厚度来控制压电体的平均粒径。
为了使压电体的平均粒径在40nm以上，除了上述方法以外，可以例举有控制溶胶凝胶法中的PZT前驱体的Zr/Ti比的方法。例如，通过使Zr/Ti比为富Zr能够进一步降低核生成密度，并且能够增大晶粒尺寸。例如，以溶胶凝胶法中的PZT前驱体的Zr/Ti比为63/37来进行PZT成膜时，可以知道的是平均粒径会增大到600nm(0.6μm)左右。
本发明工作者进行进一步探讨研究后发现，当压电体的平均粒径过大时，会确认到PZT(110)的产生。图4所示是通过X射线衍射法的θ-2θ测量得到的压电体(PZT膜)的2θ值的测量结果的一例的曲线图。这里所示的是实施例1和比较例1的测量结果。
相对于压电体的平均粒径不到40nm的比较例1中没有产生PZT(110)来说，在压电体的平均粒径为128nm的实施例1中产生了PZT(110)。为了使用PZT作为致动器，优选的是PZT(100)取向。由此，本发明工作者进行了深入研究，探讨研究了逐渐增大压电体的平均粒径，达到何种程度是压电特性能够容许的水平。其结果可知，作为压电体的平均粒径，优选为600nm以下。在600nm以下时，则能够在维持良好的介电强度的同时形成PZT(100)取向。
另外，在上述X射线衍射法的θ-2θ测量中，注意到测量系统的滤波器的强度。在图4中，作为PZT(111)的以虚线箭头所示看起来是台阶的部位是由测量系统的滤波器引起的。因此，PZT(111)虽然出现在图的位置里，但在图4中，PZT(111)的峰值实际上并没有出现。
本发明工作者对压电体的平均粒径为40nm以上时的介电强度和PZT(100)取向的关系进行了探讨研究，结果发现优选的是如下所述。本实施方式中的压电体在通过X射线衍射强度法测量的取向强度中，优选的是满足
(100)衍射强度/{(100)衍射强度+(111)衍射强度+(110)衍射强度}＞0.8。
通过满足该关系，能够在维持良好的介电强度的同时形成PZT(100)取向。
另外，通过探讨研究压电体的平均粒径的更为优选的范围，进一步优选为40nm以上180nm以下，特别优选为90nm以上140nm以下。在这些范围内时，可以进一步提高介电强度。
接着，对于本实施方式的液体喷射头，说明本实施方式中的液体喷射头的制造方法的一例。在此，对制造图1、图2所示的液体喷射头的情况的例子进行说明。
本实施方式的液体喷射头具备喷射液体的喷嘴、与所述喷嘴连通的液体腔、对所述液体腔内的所述液体进行加压的致动器，所述致动器是本实施方式的致动器。
(a)作为致动器基板100，在晶面指数(110)的单晶硅基片(例如厚度400μm)上对振动板13进行成膜。该振动板13例如可以是采用LP-CVD法来对氧化硅膜、氮化硅膜进而非晶层等三层进行层叠后的结构。
氧化硅膜优选具有压缩应力，氮化硅膜优选具有拉伸应力。作为各膜厚，可以适当变更，例如以使应力成为所希望的值的方式来确定。
作为非晶层，优选使用例如氧化硅膜、氧化铝，但并不限定于此。另外，作为非晶层，优选的是以能够捕获成膜在上部的PZT中含有的Pb的方式来适当选择材料。另外，为了可靠地防止来自PZT的Pb扩散，作为非晶层的膜厚优选为40nm以上。
之后，例如，通过溅射法将包含TiO2和Pt的共用电极10分别成膜为20nm和160nm。在本例中，共用电极10相当于下部电极。
(b)接着，在共用电极10上，例如通过旋涂来分多次赋予前驱体材料，作为压电体20以最终成为2μm的厚度的方式对PZT进行成膜。
作为压电体20的成膜方法，并不限于使用旋涂的溶胶凝胶法，除此之外还可以使用例如溅射法、离子渗镀法、气溶胶法、喷墨法等。在此，作为一例，示出的是通过溶胶凝胶法来成膜时的方法。首先，作为用于控制PZT的取向的种子层，通过旋涂对PbTiO3进行7nm左右的成膜。接着，例如通过旋涂来赋予前驱体材料并形成PZT前驱体。
作为前驱体材料，可以如上所述那样适当变更。例如通过调整Zr/Ti比，能够控制PZT的晶粒尺寸(PZT粒子的粒径)。例如优选使Zr/Ti比为47/53～63/37的范围。在该范围的情况下，容易将压电体的平均粒径控制在40～600nm。
接着，对PZT前驱体进行加热。可以适当变更，例如将干燥温度设为120℃、将预烧制的温度设为380℃、将正式烧制的温度设为700℃，分3次来实施。
接着，通过光刻蚀刻，在与之后形成的加压液体腔15对应的位置里形成压电体20和单独电极11。另外，考虑到接合部48的位置来形成压电体20和单独电极11。作为单独电极11，例如可以使用SRO和Pt，例如通过溅射法来分别进行40nm和100nm的成膜。在本例中，单独电极11相当于上部电极。
(c)接着，为了使共用电极10、压电体20和之后形成的布线层42绝缘，对层间绝缘膜45进行成膜。层间绝缘膜45例如通过等离子体CVD法来对SiO2膜进行1000nm的成膜。层间绝缘膜45只要是不影响压电体20或电极材料并具有绝缘性的膜，也可以是等离子体CVD法的SiO2以外的膜。
接着，以光刻蚀刻法来形成连接单独电极11和布线层42的连接孔。另外，共用电极10也与布线层42连接时，同样地形成连接孔。
(d)接着，作为布线层42，例如通过溅射法对TiN和Al分别进行膜厚为30nm、3μm的成膜。TiN可以在连接孔的底部作为阻挡层使用，该阻挡层用于防止作为单独电极11或共用电极10的材料使用时的Pt的合金化。在使用Pt作为单独电极11或共用电极10的材料的情况下，若与作为布线层42的材料的Al直接相接时，则有时会因后面的工序的热历史而合金化。这种情况下，有时因体积变化引起的应力而产生膜剥离等，通过使用TiN就可以防止。
接着，在成为与之后的支撑基板200的接合部48的部位也形成布线层42。
(e)接着，作为钝化膜50，例如通过等离子体CVD法来对钝化膜进行1000nm的成膜。
(f)接着，利用光刻蚀刻法来进行与配线层42的引出配线垫片部41和压电体20对应的部分、以及共用液体供给路径19的开口。
(g)接着，通过光刻蚀刻法来除去成为共用液体供给路径19、之后的共用液体腔18的部位的振动板13。
(h)接着，在与压电体20对应的位置通过光刻蚀刻法设置锪孔67，制作形成有接合部48的支撑基板200。此时，通过干蚀刻法等进行Si加工。
接着，通过接合部48用粘接剂49来接合支撑基板200和致动器基板100。粘接剂49通过一般的薄膜转印装置，在支撑基板200一侧涂敷厚度1μm左右。
接着，为了形成加压液体腔15、共用液体腔18、流体阻力部17，用公知的技术来研磨使得致动器基板100成为所希望的厚度t(例如厚度80μm)。除了研磨法以外，也可以是蚀刻等。
(i)接着，通过光刻法，用抗蚀剂覆盖加压液体腔15、共用液体腔18、流体阻力部17以外的隔离壁部。接着，用碱溶液(例如KOH溶液或TMHA溶液)进行各向异性湿蚀刻，来形成加压液体腔15、共用液体腔18、流体阻力部17。除了利用碱性溶液的各向异性蚀刻以外，也可以通过使用了ICP蚀刻机的干式蚀刻来形成加压液体腔15、共用液体腔18、流体阻力部17。
(j)接着，在与另外形成的各加压液体腔15对应的位置，通过接合开口有喷嘴孔16的喷嘴基板300，来完成液体喷射头。
接着，说明本实施方式的液体喷射装置。本实施方式的液体喷射装置具备收容液体的液体收容容器、喷射所述液体的本实施方式的液体喷射头、搭载所述液体喷射头的滑架、使所述滑架沿主扫描方向移动的主扫描移动机构。
图5、图6所示是本实施方式的液体喷射装置的一例。在此所示的例子中，作为液体喷射装置，以喷墨记录装置为例进行说明。
该喷墨记录装置90收纳有打印机构部91等，该打印机构部91由在装置主体的内部能够沿扫描方向移动的滑架98、搭载在滑架98上的液体喷射头以及向液体喷射头供给墨水的墨盒99等构成。另外，在装置主体的下方部，从前方侧插拔自如地安装有可装载多张纸张92的供纸卡盒(或者也可以是供纸盘)93。
另外，设有为了手动供给纸张92而打开的手动送纸盘94，并取入从供纸卡盒93或手动送纸盘94供给来的纸张92，通过打印机构部91记录所需的图像后，向安装在后面一侧的排纸盘95排纸。
打印机构部91将横向架设在左右侧板上作为导向部件的主导向杆96、从导向杆97和滑架98保持为在主扫描方向上滑动自如。在滑架98中，将喷射黄色(Y)、青色(C)、品红色(M)和黑色(Bk)等各色墨滴的液体喷射头安装为使得多个墨水喷射口(喷嘴)排列在与主扫描方向交叉的方向上，并且墨滴喷射方向朝下。另外，在滑架98中可更换地安装有用于向液体喷射头供给各色墨水的各墨盒99。
在墨盒99中，上方设置有与大气连通的大气口，下方设有向液体喷射头供给墨水的供给口。另外，在墨盒99的内部具有填充有墨水的多孔质体，通过多孔质体的毛细管力来将向液体喷射头供给的墨水维持为微小的负压。
作为液体喷射头虽然使用各色的液体喷射头，但也可以是具有喷出各色的墨滴的喷嘴的一个液体喷射头。
这里，滑架98将后方一侧(纸张输送下游侧)滑动自如地嵌装在主导杆96上，将前方一侧(纸张输送上游侧)滑动自如地载置在从导杆97上。然后，为了使该滑架98沿主扫描方向移动扫描，在由主扫描主扫描电动机101旋转驱动的驱动带轮102和从动带轮103之间张紧安装有同步带104。同步带104固定在滑架98上，通过主扫描电机101的正反旋转来往复驱动滑架98。
为了将放置在供纸卡盒93中的纸张92输送到液体喷射头的下方一侧，设有从供纸卡盒93分离供给纸张92的供纸辊105及摩擦垫106。更进一步地具有引导纸张92的导向部件107、使供给来的纸张92反转并输送的输送辊108、被按压到该输送辊108的周面上的输送滚轮109，以及规定来自输送辊108的纸张92的送出角度的前端滚轮110。输送辊108由副扫描电机经由齿轮列来旋转驱动。
为了与滑架98的主扫描方向的移动范围对应地将输送辊108送出的纸张92引导到液体喷射头的下方侧，设置了作为纸张导向部件的打印承受部件111。
在打印承受部件111的纸张输送方向下游侧，设置有用于将纸张92向排纸方向送出的被旋转驱动的输送滚轮112和马刺轮113。更进一步地，配设有将纸张92向排纸盘95送出的排纸辊114、马刺轮115和形成排纸路径的导向部件116、117。
在利用喷墨记录装置90进行记录时，一边使滑架98移动一边根据图像信号来驱动液体喷射头。由此，就在停止的纸张92上喷射墨水来进行1行的记录。接着，将纸张92输送规定量后，进行下一行的记录。
通过接收记录结束信号或纸张92的后端到达记录区域的信号，使记录动作结束并将纸张92排纸。
在脱离滑架98的移动方向右端侧的记录区域的位置里，配置有用于恢复液体喷射头的喷射不良的恢复装置118。恢复装置118具有罩盖机构、吸引机构和清洁机构。滑架98在打印待机中被移动至该恢复装置118一侧，并通过罩盖机构罩盖液体喷射头来将喷射口部保持为湿润状态，以防止墨水干燥引起的喷射不良。另外，通过在记录中途等喷射与记录无关的墨水，来使所有的喷射口的墨水粘度为一定，并维持稳定的喷射状态。
在发生了喷射不良等的情况下，通过罩盖机构来密封液体喷射头的喷射出口(喷嘴)，并通过管用吸引机构从喷射口将气泡等与墨水一起吸出。由此，附着在喷射口面上的墨水或灰尘等被清洁机构除去，喷射不良就得以恢复。另外，被吸引的墨水被排出到设置在主体下部的废墨水贮存器，并被废墨水贮存器内部的墨水吸收体吸收保持。
如此，由于喷墨记录装置90搭载有本实施方式的液体喷射头，因此能够得到稳定的墨水喷射特性，并提高图像品质。另外，在上述说明中虽然是对在喷墨记录装置90中使用液体喷射头的情况进行了说明，但也可以在墨水以外的液滴、例如喷射图样印刷用的液体抗蚀剂的装置中应用液体喷射头。

Claims (10)

1.一种致动器，其特征在于包括：
基板；
形成在所述基板上的振动板；
形成在所述振动板上的下部电极；
形成在所述下部电极上的PbTiO3层；
形成在所述PbTiO3层上的压电体，以及
形成在所述压电体上的上部电极，
所述压电体由PZT即锆钛酸铅构成，通过下述测量方法求出的PZT粒子的平均粒径为40nm以上，
所述测量方法是，对所述压电体在20μm×20μm的范围内取得电子背散射衍射图像，并对图像范围内的所有粒子进行圆拟合，将圆的直径的平均值作为PZT粒子的平均粒径。
2.根据权利要求1所述的致动器，其特征在于：
所述下部电极由Pt构成。
3.根据权利要求2所述的致动器，其特征在于：
所述PbTiO3层的厚度为3nm以上。
4.根据权利要求2或3所述的致动器，其特征在于：
所述PbTiO3层的厚度为35nm以下。
5.根据权利要求1～4任一项所述的致动器，其特征在于：
所述压电体在通过X射线衍射强度法测量的取向强度中，满足(100)衍射强度/{(100)衍射强度+(111)衍射强度+(110)衍射强度}＞0.8。
6.根据权利要求1～5中任一项所述的致动器，其特征在于：
所述PZT粒子的平均粒径为600nm以下。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的致动器，其特征在于：
所述PZT粒子的平均粒径为40nm以上180nm以下。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的致动器，其特征在于：
所述PZT粒子的平均粒径为90nm以上140nm以下。
9.一种液体喷射头，其特征在于包括：
喷射液体的喷嘴；
与所述喷嘴连通的液体腔，以及
对所述液体腔内的所述液体进行加压的致动器，
所述致动器是权利要求1～8中任一项所述的致动器。
10.一种液体喷射装置，其特征在于包括：
收容液体的液体收容容器；
喷射所述液体的权利要求9所述的液体喷射头；
搭载所述液体喷射头的滑架，以及
使所述滑架沿主扫描方向移动的主扫描移动机构。
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