CN1226145C - 压电致动器、包含它的液体喷头、压电元件及其制造方法 - Google Patents

压电致动器、包含它的液体喷头、压电元件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

一种压电致动器、包含它的液体喷头、压电元件及其制造方法。基片上具有带开口的腔,开口由沿第一方向延伸的第一边缘和沿垂直于第一方向的第二方向延伸的第二边缘确定,第二边缘的第二尺寸小于第一边缘的第一尺寸。在基片上配置振动板来密封开口。在振动板上形成保持在预定电位的第一公共电极。在第一公共电极上层叠第一压电层,与腔相对。第一压电层沿第一方向延伸,使其两个端部超过开口的第二边缘。在第一压电层上层叠驱动电极,从外部向其提供驱动信号。在驱动电极上层叠第二压电层,与腔相对。第二压电层沿第一方向延伸,使其两个端部在第一方向上超过开口的第二边缘。在第二压电层上层叠保持在预定电位的第二公共电极。

Description

压电致动器、包含它的液体喷头、 压电元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种使用提供的驱动信号进行变形的压电元件作为驱动源的电致伸缩致动器、含有这种压电致动器的液体喷头以及该压电元件的制造方法。
背景技术
压电致动器是用于使用压电元件作为驱动源和使振动板发生弯曲,通过压电元件的变形来改变压力腔容积的构件,例如:它适于被用作液体喷头或微型泵的一个构件。这里,压电元件由表现出压电效应的压电材料构成,诸如通过压缩和烘烤金属氧化物粉末制成的压电陶瓷(例如,BaTiO3、PbZrOP3、PbTiO3)、使用聚合物复合物的压电聚合物薄膜。液体喷头起到从喷嘴喷射出液滴的作用,并包括用于诸如打印机的图像记录设备的记录头、用于制造液晶显示器的液晶喷头以及用于制造滤色器的染色材料喷头。此外,微型泵是一种能够处理非常少量液体的微型化泵。
振动板是一个非常薄的构件,厚度约为5μm~6μm,而压电元件具有一种已实际使用的单层结构,厚度约为15μm。因此,振动板和压电元件的总厚度约为20μm。由于这个原因,压力腔变形部分的柔性,即振动板和压电元件的柔性变大。因此,压力腔容积有可能会随着压力腔内液体压力的微小变化而改变。此外,如果变形部分的柔性大,还会恶化压电元件对所提供的驱动信号的响应能力(变形响应),从而难以进行高频驱动。
可以假设:为了降低变形部分的柔性,给压电元件设定较大的厚度。如果简单地增大压电元件的厚度,则需要相应地升高驱动电压,不适于高频驱动。此外,变形部分难以弯曲。因此,液体压力的波动量变得不足。
因此,假设压电元件采用日本特许公开No.2-289352A和日本特许公开No.10-34924A所揭示的多层结构。在压电元件中,压电层为具有一个上压电层和一个下压电层的双层结构,而且驱动电极是形成在上压电层与下压电层之间的边界上,此外,一个上公共电极形成在上压电层的外表面,而一个下公共电极形成在下压电层的外表面。
该压电元件具有位于上压电层与下压电层之间的边界上的驱动电极。由于这个原因,一个电场施加于每一层的压电元件上,电场的强度取决于驱动电极到每个公共电极之间的距离(每个压电层的厚度)和驱动电极与每个公共电极之间的电位差。因此,与在公共电极与驱动电极之间有单个压电层的单层结构的传统压电元件相比,即与已实际使用的压电元件相比,该压电元件,即使为了提高刚性而整个压电元件厚度有稍许增大,在与传统元件相同的驱动电压下,也能够发生大的变形。
但是,简单地使用每个公开中所描述的具有多层结构的压电元件,很难获得理想的特性。例如,液体的喷射特性或馈送特性被改变,或在压电元件的高频驱动与液体的喷射量(馈送量)之间不能取得平衡。此外,还有一个问题就是在电极上易于导致断路。由于这个原因,在公共电极与驱动电极之间插入一个具有包含单个压电层的单层结构的压电元件不可避免地被用作了实际产品。
发明内容
因此,本发明的一个目的是提供一种压电致动器,其中,能够稳定液体喷射(馈送)特性。本发明的另一个目的是提供一种压电致动器,其中,在进行高频驱动时,能够获得必要的喷射量(馈送量)。此外,本发明还有一个目的是提供一种压电致动器,其中,能够提高在制造中的成品率和可靠性。
为了实现上述目的,根据本发明,提供了一种压电致动器,包括:
一个基片,形成有具有一个开口的腔,开口由在第一方向上延伸的第一边缘和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二边缘确定,第一边缘具有第一尺寸,第二边缘具有小于第一尺寸的第二尺寸;
一个振动板,配备在基片上面,用来密封开口;
第一公共电极,形成在振动板上并要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上面,与腔相对,第一压电层在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上超过开口的第二边缘;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上面,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上面,与腔相对,第二压电层在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上超过开口的第二边缘;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
在这种结构中,有可能减小由振动板和压电元件所构成的腔的变形部分的柔性,借此可靠地抑制在稳态下腔容积的波动。因此,能够稳定液体喷射特性和馈送特性。此外,由于能够减小变形部分的柔性,因此,本发明还适用于高频驱动。
此外,由于压电元件具有多层结构,还有可能提高变形效率。因此,能够补偿变形部分因为柔性降低所造成的变形量的减小。因此,有可能在进行高频驱动时,喷射或输送必需量的液体。
最好是:第一公共电极和第二公共电极在第一区域电气上连接,第一区域在第一方向上延伸超过第二边缘中的一条;而且朝着第一区域延伸超过第二边缘中的一条的第一压电层的长度大于朝着第一区域方向延伸超过第二边缘中的一条的第二压电层的长度。
在这种结构中,能够防止第二公共电极的断路,而且能够提高成品率。
此外,第一区域还能够在非变形区域形成,从而,能够长期保持连接的可靠性。
此外,最好是:第一压电层的一个端面延伸超过第二边缘中的一条,第二压电层的一个端面也延伸超过第二边缘中的一条,第一压电层的端面和第二压电层的端面构成连续斜坡。
根据本发明,还提供了一种压电致动器,包括:
一个基片,形成有具有一个开口的腔,开口由在第一方向上延伸的第一边缘和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二边缘确定,第一边缘具有第一尺寸,第二边缘具有小于第一尺寸的第二尺寸;
一个振动板,配备在基片上面以密封开口;
第一公共电极,形成在振动板上并要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上面,与腔相对;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上面,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上面,与腔相对,第二压电层在第一方向上延伸,使其端部中的每一个都在第一方向上覆盖住第一压电层在第一方向上的相应端部;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
在这样的结构中,在形成第二公共电极的第二压电层的表面上,很难产生一个阶梯,因此,能够保证形成同一个平滑表面。从而,能够均匀配备第二公共电极,而且能够防止产生缺陷区域,从而能够提高制造的可靠性。
最好是,第一压电层在第一方向上的每个端部的厚度都朝着其每一端逐渐减小。
最好是,第一压电层和第二压电层在第一方向上延伸,使第一压电层和第二压电层在第一方向上的两个端部都超过开口的第二边缘。
在上述结构中,最好是驱动电极在第一方向上延伸超过第二边缘中的一条。
在此,最好是压电致动器还包括一个连接电极,它形成在振动板上,而且在一条第二边缘以外的区域内电气连接到驱动电极上。驱动信号通过连接电极提供给驱动电极。
在这种结构中,由于连接电极和驱动电极在在非变形区域电气连接,因此,能够防止断路,从而,能够长期保持连接的可靠性。
还最好是,连接电极的一部分被第一压电层所覆盖。
还最好是,第一公共电极和连接电极由相同导电材料构成。
在上述结构中,最好是:驱动电极、以及第一公共电极和第二公共电极中的至少一个电极在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上至少到达开口的第二边缘。
在这种结构中,面对开口的整个振动板能够发生变形,而且能够确保足够的喷射量(液体馈送量)。
在上述结构中,最好是:第一压电层在第二方向上的长度大于第一公共电极在第二方向上的长度;第二压电层在第二方向上的长度大于驱动电极在第二方向上的长度;而且第一压电层和第二压电层中的至少一个在第二方向上的每个端部的厚度小于其在第二方向上的中央部分的厚度。
在这种结构中,能够提高变形部分的变形效率,而且能够确保足够的喷射量(液体馈送量)。
在上述结构中,最好是:多个压电元件,每个都含有第一公共电极、第一压电层、驱动电极、第二压电层和第二公共电极,被排列在第二方向上。
此外,还最好是:压电致动器还含有一个在第二方向上延伸的邻近公共电极,每个压电元件中的第一公共电极和第二公共电极都电气连接到邻近公共电极。
根据本发明,还提供了一种液体喷头,它含有上述压电致动器,从而,振动板变形引起容纳在腔内的液体的压力波动,以便从与腔连通的喷嘴喷射出液滴。
根据本发明,还提供了一种压电元件,包括:
第一公共电极,要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上,并在第一方向上延伸;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上并在第一方向上延伸,使其每一个端部都在第一方向上覆盖住第一压电层在第一方向上的相应端部;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
最好是,第一压电层在第一方向上的每个端部的厚度都朝着其每一端逐渐减小。
根据本发明,还提供了一种制造压电元件的方法,包括下列步骤:
制备第一电极;
将第一掩模放置在第一电极上,第一掩模有一个在第一方向上延伸的缝隙,缝隙具有第一尺寸;
通过第一掩模,将一种压电材料涂敷到第一电极上;
烘焙所涂敷的压电材料,以形成第一压电层;
将第二掩模放置在第一压电层上;
通过第二掩模,将一种电极材料涂敷到第一压电层上;
烘焙所涂敷的电极材料,以形成第二电极;
将第三掩模放置在第二电极上,第三掩模有一个在第一方向上延伸的缝隙,缝隙具有大于第一尺寸的第二尺寸;
通过第三掩模,将一种压电材料涂敷到第二电极上;和
烘焙所涂敷的压电材料,以形成第二压电层。
附图说明
通过参照附图来对最佳实施例进行详细说明,本发明的上述目的和优点将会变得更为显著,其中:
图1为分解透视图,用于说明一种记录头的结构;
图2为剖视图,用于说明一种致动单元和一种流道单元;
图3为局部放大视图,用于说明一种喷嘴板;
图4为透视图,示出了从压电元件一侧所看到的致动单元;
图5A为俯视图,示出了本发明第一实施例的一种压电元件;
图5B为剖视图,示出了压电元件的纵向剖面;
图6A为局部放大视图,示出了在供电端子那一侧的压电元件的端部结构;
图6B为局部放大视图,示出了在邻近公共电极那一侧的压电元件的端部结构;
图7A为压电元件沿着其横向的剖视图;
图7B为图7A的放大视图;
图8A为局部放大剖视图,示出了本发明第二实施例的压电元件在供电端子那一侧的端部结构;
图8B为局部放大视图,示出了本发明第二实施例的压电元件在邻近公共电极那一侧的端部结构;
图9A和图9B为掩模的视图,说明用于制造第二实施例的压电元件的掩模;
图10A为局部放大剖视图,示出了本发明第三实施例的压电元件在供电端子那一侧的端部结构;
图10B为局部放大剖视图,示出了本发明第四实施例的压电元件在邻近公共电极那一侧的端部结构。
具体实施方式
下面将参照附图对本发明的优选实施例进行详细说明。在此,将以一种使用压电元件的记录头(一种液体喷头)为例来进行说明。如图1所示,记录头1示意性地由一个流道单元2、多个致动单元3及一个薄膜形接线板4所组成。致动单元3横向粘结到流道单元2的表面上,而接线板4在流道单元2相反的一侧安装到致动单元3的表面上。
流道单元2的组成如下:一个配备有若干通孔的供应端口形成基片7,通孔作为供墨端口5和喷嘴贯通端口6的组成部分;一个储存器形成基片9,配备有一个作为公共储存器8的通孔和一个作为喷嘴贯通端口6的组成部分的通孔;以及一个喷嘴板11,配备有多个喷嘴10。例如,供应端口形成基片7、储存器形成基片9以及喷嘴板11是不锈钢板经过冲压而成。在本实施例中,三个致动单元3被粘结到一个流道单元2上。因此,针对各个致动单元3,一共形成三套供墨端口5、喷嘴贯通端口6、供应端口形成基片7和公用储存器8。
流道单元2中具有喷嘴板11和供应端口形成基片7,在储存器形成基片9的一个表面上(图中下侧)配备喷嘴板11,在储存器形成基片9的另一个表面上(上侧)配备供应端口形成基片7,流道单元2是通过粘结供应端口形成基片7、储存器形成基片9和喷嘴板11来制成。例如,使用一种片形粘结剂,将每个构件粘结起来,制成流道单元2。
如图3所示,排列喷嘴10以便以预订间距形成多个喷嘴排12。例如,一个喷嘴排12是由92个喷嘴10所组成。此外,针对每一个致动单元3,喷嘴排12分成两排形成。由于根据本实施例的记录头1含有三个致动单元3,因此,在横向方向上一共设置有六个喷嘴排12。
致动单元3是也被称之为头芯片的构件。如图2所示,致动单元3的组成如下:一个压力腔形成基片22,配备一个作为压力腔21的通孔;一个振动板23,用于确定压力腔21的一部分;一个覆盖构件25,配备一个作为供应侧贯通端口24的通孔和一个作为喷嘴贯通端口6的一部分的通孔;以及一个压电元件26,它在振动板23的表面上形成,用作驱动源。在本实施例中,就这些构件22、23及25的厚度而言,压力腔形成基片22和覆盖构件25的厚度以50um或更大为好,大于等于100um更佳;而振动板23的厚度最好是约为3到12um,本实施例中为4到6um。
在致动单元3中,压力腔形成基片22、振动板23及压电元件26,起到根据本发明的压电致动器的作用。而且,振动板23和压电元件26组成了压电致动器,并且振动板23是一种配备了压电元件26的支撑基片。
为了制造致动单元3,首先,要在压力腔形成基片22的一个表面上配备覆盖构件25,在另一个表面上配备振动板23,并且将上述元件22、23及25整合起来。压力腔形成基片22、振动板23及覆盖元件25是用陶瓷材料制成,例如氧化铝或氧化锆。例如,一个未经过处理的板件(一个没有烘焙的板构件)要经受诸如切削或冲孔之类的处理,以获得所需要的通孔。这样,形成了压力腔形成基片22、振动板23及覆盖构件25的片形前体(precursors)。通过层叠并烘焙每个片形前体,片形前体被整合形成一个片形构件。给这个烘焙的片形元件制作压电元件26,这样,就制成一个陶瓷片。
在这种情况下,每个片形前体和压电元件26,都通过烘焙被整合在一起。因此,不需要特殊的粘结处理。此外,还可能在构件的粘结表面内获得高的密封性能。
一个陶瓷片上配备有供多个单元使用的压力腔21及喷嘴贯通端口6。也就是说,这个陶瓷片成为一个还没有被分割成致动单元3的致动器坯构件。例如,在一个陶瓷片上,要作为致动单元3的多个芯片区域被排列成矩阵,并在每个芯片区域内形成一个例如压电元件26的必要元件。然后,针对每个芯片区域,分割陶瓷片。从而制成多个致动单元3。
压力腔21是一个在垂直于喷嘴排12的方向上的拉长的中空部分。对应于这些喷嘴10,形成多个压力腔21。更具体地说,如图3所示,压力腔21是排列在平行于喷嘴排的方向上。每个压力腔21的一端,都通过供应侧贯通端口24和供墨端口5,与公共墨水储存器8相连通。此外,压力腔21在与供应侧贯通端口24相反一侧的另一端,通过喷嘴贯通端口6与对应的喷嘴10相连通。而且,压力腔21的一部分(上表面)是由振动板23来确定的。
压电元件26是一个处于所谓的柔性振动模式下的元件,而且对于每个压力腔21,它形成在与压力腔21相反一侧的振动板23的表面上。压电元件26在压力腔21的纵向方向上,呈细长块形状。在压力腔21的横向方向上,排列多个压电元件26。构成公共电极的一部分的临近公共电极27沿着喷嘴排的方向延伸,接近压电元件26在纵向上的一个端部。此外,供电端子28被配备在靠近压电元件26纵向方向上的另一端。供电端子28是这样的一个构件:通过供电端子28,接线板4的接触端子(未示出)被电气连接,而且为每个压电元件26都配备有供电端子28。
如图5A和图5B所示,根据本发明第一实施例的压电元件26,具有由一个压电层31、一个分路公共电极32以及一个驱动电极33构成的多层结构。压电层31插入驱动电极33与分路公共电极32之间。下面将详细描述压电元件26的结构。
例如,驱动信号的供应源(未示出)通过供电端子28电气连接到驱动电极33上,而且分路公共电极32通过例如邻近公共电极27被调整到大地电位。当一个驱动信号被提供给驱动电极33时,在驱动电极33与分路公共电极32之间,产生一个电场,电场具有对应于电位差的强度。当电场施加于压电层31时,压电层31对应于电场强度产生变形。更具体地说,当驱动电极33的电位升高时,压电层31在垂直于电场的方向上紧缩,使振动板23产生变形,以减小压力腔21的容积。另一方面,当驱动电极33的电位降低时,压电层31在垂直于电场的方向上膨胀,使振动板23产生变形,以增大压力腔21的容积。
致动单元3和流道单元2被彼此粘结在一起。例如,为了实现粘结,在供应端口形成基片7和覆盖元件25之间,提供一种片形粘结剂,然后,朝着流道单元2一侧挤压致动单元3。
在具有上述结构的记录头1中,针对每个喷嘴10,形成一个从公共墨水储存器8经过供墨端口5、供应侧贯通端口24、压力腔21和喷嘴贯通端口6,抵达喷嘴10的串行墨水流道。在使用中,墨水通道中充满墨水(液态墨水,即一种液体),并且对应的压力腔21通过使压电单元26弯曲而产生紧缩或膨胀,从而使压力腔21内的墨水压力发生波动。通过控制墨水压力,能够从喷嘴10中喷出墨滴。例如,当使得具有稳态容积的压力腔21一旦先扩展然后迅速地紧缩时,墨水随着压力腔21的膨胀被注入,并且压力腔21内的墨水通过随后的快速紧缩受到挤压,从而喷出墨滴。
为了稳定墨滴的喷射量、喷射速度及喷射方向,即为了稳定墨滴的喷射特性,需要保持压力腔21的容积在稳定状态下(稳态容积)是恒定不变的。稳态容积确定了压力腔21的膨胀宽度。因此,如果稳态容积出现波动,则墨滴的喷射量和喷射速度也会改变。为了使喷射特性稳定,最好应当减小压力腔21变形部分的柔性(即整个振动板23和压电元件26的柔性),以便在稳态下不易受到墨水压力波动的影响。
此外,为了以高频率喷射墨滴,也最好应当减小变形部分的柔性。原因是如果柔性小的话,压电元件26的变形响应能力得到提高。为了经受更高频率的驱动,也必需提高压电元件26的刚性。
从这些观点出发,在本实施例中采用了具有多层结构的压电元件26。下面将描述这个方案。
首先,将对压电元件26的结构进行详细描述。如图5A和图5B所示,块状压电元件26具有几乎等于压力腔21的宽度的宽度W(见图7B)和稍微大于压力腔21的长度的长度。压电层31由一个上压电层(外压电层)34和一个下压电层(内压电层)35组成。此外,分路公共电极32由一个上公共电极(外公共电极)36和一个下公共电极(内公共电极)37组成。分路公共电极32和驱动电极33构成电极层。
术语“上(外)”或“下(内)”代表基于振动板23的位置关系。更具体地说,“上(外)”表示远离振动板23的那一侧,而“下(内)”表示靠近振动板23的那一侧。
驱动电极33用做一个分立的电极,而且是在上压电层34与下压电层35之间的边界上形成。此外,上公共电极36和下公共电极37和邻近公共电极27一起构成公共电极。更具体地说,公共电极梳状插入从邻近公共电极27伸出的多个分路公共电极32(上公共电极36和下公共电极37)。在驱动电极33的相反一侧,下公共电极37形成在下压电层35与振动板23之间的下压电层35的下部;而上公共电极36在驱动电极33的相反一侧,形成在上压电层34的上部。更具体地说,压电元件26具有一个多层结构,其中,按照下公共电极37、下压电层35、驱动电极33、上压电层34和上公共电极36的顺序从振动板23一侧层叠。
根据本实施例,压电层31的厚度,是将上压电层34和下压电层35在其横向方向上的中央部分的厚度加起来,大约为17μm。压电元件26的整个厚度,包括分路公共电极32,大约为20μm。更具体地说,下公共电极37的厚度大约为3μm,上公共电极36的厚度大约为0.3μm。上公共电极36被做得非常薄,以防止阻碍压电元件26变形。驱动电极33的厚度大约为2μm,并被埋在上压电层34与下压电层35之间。
在具有单层结构的传统压电元件中,整个元件的厚度大约为15μm。因此,在本实施例中,对应于压电元件26的厚度的提高,减小了变形部分的柔性。因此,能够抑制因为墨水压力变化而引起的压力腔21的容积的波动,从而,即使压电元件26是在高频下被驱动,变形部分也能够跟得上。
上公共电极36和下公共电极37被调整到一个恒定电位,例如:与驱动信号无关的大地电位。驱动电极33响应所供给的驱动信号改变电位。因此,通过提供驱动信号,在驱动电极33与上公共电极36之间和在驱动电极33与下公共电极37之间产生了彼此反向的电场。
就构成每个电极的材料而言,可以选择各种导体,例如:金属单质、合金、绝缘陶瓷和金属的混合物。要求在烘焙温度下不引起例如退化的缺陷。在本实施例中,金用于上公共电极36,铂用于下公共电极37和驱动电极33。
上压电层34和下压电层35都是用压电材料所制成,例如:一种含有锆钛酸铅(PZT)作为主要成分的压电材料。上压电层34和下压电层35的极化方向彼此相反。由于这个原因,在施加驱动信号期间,上压电层34和下压电层35的膨胀和紧缩方向是一致的,从而,能够无阻碍的进行变形。更具体地说,上压电层34和下压电层35使振动板23发生弯曲,以减小压力腔21的容积,从而升高驱动电极33的电位,并使振动板23发生弯曲以增大压力腔21的容积,从而降低驱动电极33的电位。
在这种情况下,压电元件26具有多层结构。因此,施加于压电层34和35中的每一个的电场是由从驱动电极33到上公共电极36之间的距离或从驱动电极33到下公共电极37之间的距离确定。由于这个原因,即使驱动电压相同,也能够给压电层34和35中的每一个施加于一个大于具有单层结构的压电元件所具有的电场。因此,压电元件26能够有效地变形,以便能够提高对应于所施加电压的变形量。
此外,在本实施例中,压电元件26在纵向方向上的两端都向外延伸超出了压力腔21在纵向方向上的两端,以便使稳态下的压力腔的容积恒定。更具体地说,如图5A和图5B所示,下压电层35在纵向方向上的两端,向外延伸超出了压力腔21在纵向方向上的两端,并且上压电层34在纵向方向上的两端,也向外延伸超出了压力腔21在纵向方向上的两端。置于从压力腔21的纵向方向上外侧的压电元件26的两端(此后,压电层31的两端将被称之为延伸部分),是由压力腔形成基片2和覆盖元件25所支撑的振动板23的非变形部分,而且被粘结到振动板23上。具体来说,它们通过例如下公共电极37的电极层,被整合在一起。
这样,延伸部分被粘结在振动板23的非变形部分上。因此,压力腔21的整个变形部分具有双层结构,包括振动板23和压电元件26。由于这个原因,进一步减小了变形部分的柔性,在稳态下,更加不易受到墨水压力波动的影响。因此,压力腔21的容积是由压电元件26的弯曲量来确定,并且能够对容积实现更精确的控制。
借助于这种结构,变形部分有一个包括振动板23和压电元件26的双层结构,因此不易发生变形。但是,压电元件26具有一个多层结构,因此能够获得必要的和足够的变形量。
此外,在本实施例中,压电元件26的形状,特别是在纵向方向上的端部的形状经过精心设计,以使得电极不易断路。下面进行详细说明这个方面。
首先,将对上公共电极36进行描述。如图5A到图6B所示,上公共电极36和下公共电极37在元件的纵向方向上向外延伸,并在位于超出压电元件26端部的位置彼此电气连接在一起。更具体地说,下公共电极37在振动板23的表面上一直延伸到邻近公共电极27的形成位置,而上公共电极36通过上压电层34的元件纵向方向上的一个端面和下压电层35的元件纵向方向上的一个端面配备在下公共电极37上。在本实施例中,上公共电极36也一直延伸到邻近公共电极27的形成位置。
因此,上公共电极36和下公共电极37在位于超出下压电层35端部的位置被彼此电气连接,即振动板23的非变形部分。由于这个原因,机械应力很难作用于上公共电极36和下公共电极37的电气连接部分,从而,能够长期保证导电的可靠性。此外,在电气连接区域,压力腔形成基片22位于振动板23的背面(即压电元件形成表面的相反一侧),借此支撑振动板23。因此,振动板23的平整度能够设定得高于对应于压力腔21的部分,从而,电极36和37都能够均匀形成,也就是说,不会产生缺陷部分。最终电极36和37的可靠性都能够提高,并且能够提高成品率。
就上公共电极36和下公共电极37而言,下压电层35外侧的一个部分用做公共导电区域38。公共导电区域38和邻近公共电极27彼此电气连接。更具体地说,一个公共电位通过公共导电区域38施加于分路公共电极32(36、37)。公共导电区域38在振动板23的非变形部分形成。因此,能够长期保证与邻近公共电极27的导电可靠性。此外,多个压电元件26按照前面所描述的那样以元件的横向方向排列,而且公共导电区域38的形状彼此相同。由于这个原因,邻近公共电极27能够以易于制作的条形导体图形形成。此外,由于在邻近公共电极27内不需要被弯曲部分,因此不易引起断路。
在本实施例中,就配备在公共导电区域38那一侧的压电层31的形状而言,下压电层35的纵向端向外延伸超出了上压电层34的纵向端部。原因为了防止上公共电极36的断路。更具体地说,上公共电极36在上压电层34上形成,因此,上公共电极36也要在元件纵向方向的端面上均匀形成,以便电气连接到下公共电极37。
由于压电元件26具有多层结构,因此,整个元件的厚度大于具有单层结构的传统压电元件。此外,上公共电极36非常的薄,以便使压电元件26有效地变形。因此,当上压电层34的端面和下压电层35的端面对齐时,如果涂敷电极材料的方法不被精心设计,则难以在端面上均匀地形成上公共电极36。
根据上面的阶梯状结构,每个垂直端面都具有和单压电层相等的尺寸。在这种结构中,即使是采用所谓的印刷方法(厚膜印刷方法),上公共电极36也能够均匀地形成在压电层的任何表面上,在这种印刷方法中,掩模图形被从振动板23之上放置,用来涂敷电极材料。因此,制造能够通过简单的方法进行,以便在增强导电可靠性的同时,提高生产效率。
接着,将对驱动电极33进行描述。驱动电极33也在元件的纵向方向上向外延伸(朝着公共导电区域38相反一侧延伸),而且配备在下压电层35外侧的一个部分被设定为驱动导电部分39。驱动导电部分39一直延伸到形成供电端子28的位置,并被电气连接到供电端子28。
在本实施例中,电气连接到供电端子28的连接电极40在振动板23的表面上形成,而驱动导电部分39是形成在连接电极40的表面上。原因是要提高驱动导电部分39和供电端子28的导电可靠性。更具体地说,下压电层35的外侧端面和振动板23的表面形成了不易充分填充电极材料的拐角区域,因此存在导致断路的可能性。
如本实施例中那样,当连接电极40先形成在振动板23的表面上,而驱动电极33形成在连接电极40的表面上时,驱动电极33和供电端子28通过驱动电极33和连接电极40的接触(contact)彼此电气连接。因此,能够进一步提高导电的可靠性。
为了获得上述各种优点,连接电极40可以至少一直延伸到下压电层35的纵向端部部分。在这个实施例中,连接电极40的尖端延伸超出了下压电层35的纵向端部,同时,相对于下公共电极37,提供了一个绝缘区域X,从而,使它们彼此电气绝缘。
这样,考虑到要形成每个压电元件26的位置的公差,连接电极40的一部分在下压电层35与振动板23之间形成。更具体地说,压电元件26是通过使用掩模的印刷方法来制作。例如,要作为下公共电极37的电极材料按照预定图形被印刷在振动板23的表面上,然后被烘焙。接着,要作为下压电层35的压电材料印刷被印刷和烘焙,以被配备在下公共电极37上。接着,按照同样的程序,顺序印刷和烘焙驱动电极33、上压电层34及上公共电极36。
这样,用印刷方法形成了压电元件26。由于这个原因,在下压电层35纵向端面要形成的位置,产生一个微小偏移(公差)。在本实施例中,由于使用了这样一种结构:连接电极40的一部分是形成在下压电层35与振动板23之间,因此,即使下压电层35要形成的位置发生微小偏移,驱动电极33和连接电极40也被可靠地彼此电气连接。
虽然连接电极40能够使用各种电极材料形成,但最好应当使用与下公共电极37相同的电极材料。原因是能够提高生产效率。如前所述,压电元件26是通过反复印刷、烘焙电极材料和压电材料来制成。当连接电极40用与下公共电极37相同的电极材料形成时,能够同时形成下公共电极37和连接电极40。更具体地说,下公共电极37和连接电极40的图形能够在一个图形中形成。因此,有可能在同一步骤内来共同制作下公共电极37和连接电极40。因此,能够提高生产效率。
此外,在本实施例中,为了提高变形效率,采用了这样一种结构,其中,分路公共电极32和驱动电极33的形成范围及压电元件26在横向方向上的形状,是经过精心设计的。下面,将详细描述这个方面。
首先,将对分路公共电极32和驱动电极33的形成范围进行描述。在本实施例中,驱动电极33、上公共电极36和下公共电极37中的每一个都在纵向方向上延伸以覆盖住压力腔21。也就是说,如图5A到图6B所示,驱动电极33具有设定为大于压力腔21的长度,而且在远离供电端子28的一侧(驱动导电部分39)一直延伸到超出压力腔21的端面的位置。此外,上公共电极36和下公共电极37具有被设定为大于压力腔21的长度,而且在离开邻近公共电极27的一侧(公共导电部分39)一直延伸到超出压力腔21的端面的位置。因此,压力腔21位于这些电极的叠加区域之内,即压电层31能够发生变形的有源区域LA之内。也就是说,压力腔21从电极叠加方向上看,在有源区域LA范围之内处于叠加状态。
这样当压力腔21被置于有源区域LA范围之内时,变形部分是整体弯曲(即在确定压力腔21的部分内)。也就是说,变形部分在振动板23的非变形部分的内侧,在压力腔21内弯曲。因此,能够尽可能地提高压力腔21的容积的变化量,借此有助于提高墨滴的喷射量和高粘度墨水的可喷射性。
虽然在本实施例中,上公共电极36和下公共电极37都是在纵向方向上形成以覆盖住压力腔21,但可以将至少一个电极在纵向方向上形成以覆盖住压力腔21。此外,虽然每个电极都延伸超过了压力腔21的端面,但是,如果每个电极从电极叠加的方向上看都形成在一直到达压力腔21的端面水平的位置,也能够产生同样的优点。
接着,将对压电元件26在横向方向上的形状进行描述。本实施例具有的一个特点是:位于驱动电极33横向方向外侧的横向端部区域的厚度,被设定为小于位于驱动电极33宽度上的横向中央区域的厚度。
图7A为一个剖视图,示出压电元件26沿着电极横向方向(较短方向)上的剖面。在压电元件26中,下公共电极37在其整个宽度上被下压电层35所超出覆盖,而且驱动电极33在其整个宽度上被上压电层34所超出覆盖。因此,驱动电极33几乎被埋在压电层34和压电层35的里面。此外,具有绝缘性质的下压电层35位于驱动电极33与下公共电极37之间。因此,还有可能可靠地避免驱动电极33和下公共电极37短路。
如图7B所示,在压电元件26中,在横向方向上位于驱动电极33外侧的横向端部区域WL和WR的厚度,被设定为小于位于驱动电极33宽度内的横向中央区域WC的厚度。横向中央区域WC表示一对第一虚线L1范围之内的部分,第一虚线L1分别在从驱动电极33的两个横向端部的垂直方向上设定。此外,横向端部区域WL和WR表示横向方向上在第一虚线L1之外配备的部分。在图7B中,横向中央区域WC的左侧部分是左侧横向端部区域WL,横向中央区域WC的右侧部分是右侧横向端部区域WR。
如果左上部端部区域34L的厚度和右上部端部区域34R的厚度被设定为小于上部横向中央区域34C的厚度,而左下部端部区域35L的厚度和右下部端部区域35R的厚度被设定为小于下部横向中央区域35C的厚度,则压电层34和压电层35在横向端部区域WL和WR内的应力小于压电层34和压电层35在横向中央区域WC的应力。因此,横向端部区域WL和WR比横向中央区域WC更易于弯曲,从而压电元件26能够有效地变形。
本发明不局限于本实施例,基于从属权利要求的描述,可进行各种改进。
例如,根据图8A和图8B所示的第二实施例,上压电层34’的整个长度可以被设定为大于下压电层35’的整个长度,从而下压电层35’被上压电层34’覆盖,覆盖范围超出下压电层35’的纵向两端。
在这种结构中,在公共导电部分38那一侧,上压电层34’的端部表面构成一个相对平缓和的斜坡(一个曲面)。更具体地讲,由于在形成上公共电极36的表面上难于产生阶梯形部分,因此,能够配备平滑的上公共电极36。因此,上公共电极36能够被均匀地形配备在上压电层34’的端部表面,从而能够防止产生缺陷部分而且能够提高制造的可靠性。为了使上压电层34’的端部表面平滑,最好是向着下压电层35’的纵向端减小下压电层35’的厚度。
另一方面,上压电层34’在连接电极40和驱动电极33叠加的位置上(更具体地说,是位于刚刚超过下压电层35’的位置上),覆盖着驱动电极33。因此,上压电层34’的端部表面也起到驱动电极33的保护层的作用,防止驱动电极33劣化或剥落。这样,能够使驱动电极33和连接电极40的导电状态更可靠。相似的是,最好将下压电层35’的厚度向着其纵向端减小。原因是驱动电极33和连接电极40要可靠地电气连接。更具体地说,下压电层35’的端部渐渐变薄以使下压电层35’的端部表面变为一个光滑的斜坡,并且易于在其上面均匀地配备驱动电极33。因此,能够提高制造的可靠性。
为了制造根据变体(variant)的压电元件26,便利的是使用两种具有不同形状的印刷图形(即开口)的掩模。例如,如图9A和图9B所示,使用了带有对应于下压电层35’的多个拉长印刷图形P1的第一掩模M1和带有对应于上压电层34’的多个拉长印刷图形P2的第二掩模M2。
印刷图形P1是一个长方形(拉长的条形)开口,具有被设定为下压电层35’元件纵向长度的长度PL1,和被设定为压电元件26的宽度的宽度PW。多个印刷图形P1被排列在其横向方向上。此外,印刷图形P2也是一个长方形开口,具有被设定为上压电层34’元件纵向长度的长度LP2和被设定为压电元件26的宽度的宽度PW。也就是说,印刷图形P2是这样一个长方形开口:其长度LP2被设定为大于印刷图形P1的长度LP1,而宽度PW被设定为与印刷图形P1的宽度相等。多个印刷图形P2也是以和印刷图形P1同样的方式被排列在其横向方向上。
接着,对根据第二实施例,通过使用掩模M1和掩模M2制造压电元件26的程序进行说明。
首先,在下公共电极形成步骤,将下公共电极37制成一个经过烘焙的片形构件。例如,将配备有下公共电极37和连接电极40的印刷图形的掩模安装在经过烘焙的片形构件上的振动板的表面上,并通过同一掩模将糊状电极材料涂敷到振动板的表面上。在涂敷电极材料之后,将其烘焙,形成下公共电极37和连接电极40。
在下公共电极37和连接电极40形成之后,执行下压电层形成步骤,以形成下压电层35。在下压电层形成步骤,以将印刷图形P1叠加在电极37和电极40上的方式安装第一掩模M1,并通过掩模M涂敷糊状压电材料。在压电材料涂敷到电极37和电极40上之后,将其烘焙,形成下压电层35’。
在下压电层35’形成之后,执行驱动电极形成步骤以形成驱动电极33。在驱动电极形成步骤,以将驱动电极印刷图形叠加在下压电层35’上的方式安装掩模,并通过同一掩模涂敷糊状电极材料。在将电极材料涂敷到下压电层35’上之后,将其烘焙,形成驱动电极33。
在驱动电极33形成之后,执行上压电层形成步骤以形成上压电层34’。在上压电层形成步骤,以将下压电层35’在纵向方向上的两端置于印刷图形P2在纵向方向上的内部的方式,安装第二掩模M2,并通过掩模M2涂敷糊状压电材料。更具体地说,下压电层35’在纵向方向上的两端都被覆盖,以便用涂敷的压电材料掩埋。当涂敷压电材料之后,将其烘焙,形成上压电层34’。
随后,按照同样的程序,形成上公共电极36、邻近公共电极27和供电端子28。在这种情况下,下压电层35’在纵向方向上的两端均被上压电层34’所覆盖。因此,如上所述,上压电层34’的两端的表面是相对光滑的,并且能够均匀地配备上公共电极36(在必要部分没有缺陷)。此外,由于驱动电极33被从上覆盖所以能够提高驱动电极33和连接电极40的导电可靠性。
根据本发明的第三实施例,如图10A所示,供电端子28和连接电极40’  更靠近供电端子28那一侧的一部分可以在端子基片41上形成。在这种情况下,端子基片41最好通过烘焙例如银膏的具有导电性的材料来制作。
此外,在供电端子28那一侧,上压电层34的端面可以被制成与下压电层35的端面相齐平。
根据本发明的第四实施例,如图10B所示,下压电层35和上压电层34在邻近公共电极27(公共导电区域38)那一侧的纵向端面可以形成一个连续的斜坡Y。利用这种结构,不容易产生成为易于产生断路的因素的不平整部分(或阶梯)。因此,在斜坡Y上容易均匀地形成上公共电极36。因此,能够防止驱动导电区域38(上公共电极36)的断路。
已经将记录头1以一种液体喷头为例进行了说明。本发明也适用于其他液体喷头,例如:液晶喷头和染色材料喷头或用于这些液体喷头的压电致动器和压电元件。此外,本发明还适用于在例如微型泵的各种设备中所使用的压电致动器和压电元件。

Claims (18)

1.一种压电致动器,其中包括:
一个基片,形成有具有一个开口的腔,开口由在第一方向上延伸的第一边缘和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二边缘确定,第一边缘具有第一尺寸,第二边缘具有小于第一尺寸的第二尺寸;
一个振动板,配备在基片上面以密封开口;
第一公共电极,形成在振动板上并要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上面,与腔相对,第一压电层在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上超过开口的第二边缘;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上面,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上面,与腔相对,第二压电层在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上超过开口的第二边缘;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
2.根据权利要求1所述的压电致动器,其中:
第一公共电极和第二公共电极在第一区域电气上连接,第一区域在第一方向上延伸超过第二边缘中的一条;以及
朝着第一区域延伸超过第二边缘中的一条的第一压电层的长度大于朝着第一区域方向延伸超过第二边缘中的一条的第二压电层的长度。
3.根据权利要求2所述的压电致动器,其中,第一压电层的一个端面延伸超过第二边缘中的一条,第二压电层的一个端面也延伸超过第二边缘中的一条,第一压电层的端面和第二压电层的端面构成连续斜坡。
4.一种压电致动器,包括:
一个基片,形成有具有一个开口的腔,开口由在第一方向上延伸的第一边缘和在垂直于第一方向的第二方向上延伸的第二边缘确定,第一边缘具有第一尺寸,第二边缘具有小于第一尺寸的第二尺寸;
一个振动板,配备在基片上面以密封开口;
第一公共电极,形成在振动板上并要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上面,与腔相对;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上面,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上面,与腔相对,第二压电层在第一方向上延伸,使其端部中的每一个都在第一方向上覆盖住第一压电层在第一方向上的相应端部;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
5.根据权利要求4所述的压电致动器,其中,第一压电层在第一方向上的每个端部的厚度都朝着其每一端逐渐减小。
6.根据权利要求4所述的压电致动器,其中,第一压电层和第二压电层是在第一方向上延伸,使第一压电层和第二压电层在第一方向上的两个端部都是超过开口的第二边缘。
7.根据权利要求1或4所述的压电致动器,其中,驱动电极在第一方向上延伸超过第二边缘中的一条。
8.根据权利要求7所述的压电致动器,还包括一个连接电极,它形成在振动板上而且在一条第二边缘以外的区域内电气连接到驱动电极上,
其中,驱动信号通过连接电极提供给驱动电极。
9.根据权利要求8所述的压电致动器,其中,连接电极的一部分被第一压电层所覆盖。
10.根据权利要求8所述的压电致动器,其中,第一公共电极和连接电极由相同导电材料构成。
11.根据权利要求1或4所述的压电致动器,其中,驱动电极、以及第一公共电极和第二公共电极中的至少一个电极在第一方向上延伸,使其两个端部在第一方向上至少到达开口的第二边缘。
12.根据权利要求1或4所述的压电致动器,其中:
第一压电层在第二方向上的长度大于第一公共电极在第二方向上的长度;
第二压电层在第二方向上的长度大于驱动电极在第二方向上的长度;以及
第一压电层和第二压电层中的至少一个在第二方向上的每个端部的厚度小于其在第二方向上的中央部分的厚度。
13.根据权利要求1或4所述的压电致动器,其中,多个压电元件,每个都含有第一公共电极、第一压电层、驱动电极、第二压电层和第二公共电极,被排列在第二方向上。
14.根据权利要求13所述的压电致动器,其中,还包括一个在第二方向上延伸的邻近公共电极,每个压电元件中的第一公共电极和第二公共电极都电气连接到邻近公共电极。
15.一种液体喷头,包含根据权利要求1或4所述的压电致动器,从而,振动板变形引起容纳在腔内的液体的压力波动,以便从与腔连通的喷嘴喷射出液滴。
16.一种压电元件,包括:
第一公共电极,要被保持在预定的电位上;
第一压电层,层叠在第一公共电极上,并在第一方向上延伸;
一个驱动电极,层叠在第一压电层上,从外部给它提供驱动信号;
第二压电层,层叠在驱动电极上并在第一方向上延伸,使其每一个端部都在第一方向上覆盖住第一压电层在第一方向上的相应端部;以及
第二公共电极,层叠在第二压电层上并要被保持在预定的电位上。
17.根据权利要求16所述的压电元件,其中,第一压电层在第一方向上的每个端部的厚度都朝着其每一端逐渐减小。
18.一种制造压电元件的方法,包括下列步骤:
制备第一电极;
将第一掩模放置在第一电极上,第一掩模有一个在第一方向上延伸的缝隙,缝隙具有第一尺寸;
通过第一掩模,将一种压电材料涂敷到第一电极上;
烘焙所涂敷的压电材料,以形成第一压电层;
将第二掩模放置在第一压电层上;
通过第二掩模,将一种电极材料涂敷到第一压电层上;
烘焙所涂敷的电极材料,以形成第二电极;
将第三掩模放置在第二电极上,第三掩模有一个在第一方向上延伸的缝隙,缝隙具有大于第一尺寸的第二尺寸;
通过第三掩模,将一种压电材料涂敷到第二电极上;以及
烘焙所涂敷的压电材料,以形成第二压电层。
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