CN1606503A - 液体喷出头 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种使用能够通过外加驱动电压而得到充分的位移的压电元件的液体喷出头。在具有形成有压力室(21)的基板(20)、在基板上形成的振动板(30)、在振动板上形成的压电薄膜元件(40)的液体喷出头中，所述振动板向所述压力室一侧凸出地挠曲，所述振动板的挠曲量为所述压力室的宽度(W)的0.4％以下。
Description
技术领域
本发明涉及液体喷出头，特别是涉及形成有压电元件以及由该压电元件增减容积的压力室的液体喷出头。
背景技术
液体喷出头是通过压电元件等驱动元件，使压力室内的墨水或其它液体喷出的一种装置。该压电元件具有压电薄膜以及夹持该压电薄膜的上下电极。能够通过在这些电极上外加驱动电压，使压电薄膜产生变形，使压力室容积发生变化，从而喷出腔室内的液体。随着液体喷出头的小型化，对以压电薄膜为首的各组成部分的薄膜化、小型化提出更高的要求。
但是，将压电薄膜薄膜化后的液体喷出头，即使施加于压电薄膜上的电压为零，振动板及压电薄膜仍然存在挠曲现象。可以推测，在振动板及压电薄膜上所产生的内部应力的影响随着薄膜化而相对变大是这种挠曲的原因之一。一旦振动板及压电薄膜发生这种挠曲，即使外加驱动电压，也不能得到充分的位移量。这个问题有可能随着液体喷出头的薄膜化、小型化的进展，而变得越来越突出，为了今后的液体喷出头的发展，希望解决此问题。
发明内容
本发明目的在于，解决上述问题，提供一种使用能够通过外加驱动电压而得到充分的位移的压电元件的液体喷出头。
为解决上述课题，本发明的液体喷出头，具有形成有压力室的基板、在基板上形成的振动板、在振动板上形成的压电薄膜元件，其特征是，所述振动板在所述压力室一侧凸出地挠曲，所述振动板的挠曲量为所述压力室的宽度的0.4％以下。
在上述液体喷出头中，希望所述压电薄膜元件具有由100面配向度为70％以上的PZT形成的压电薄膜。
在上述液体喷出头中，希望所述压电薄膜元件具有由至少含有Pb(Zn1/3Nb2/3)O3的多成分系PZT形成的压电薄膜。
在上述液体喷出头中，希望所述振动板中的所述压力室形成部分比其它部分薄地形成。
在上述液体喷出头中，希望所述压电薄膜元件具有膜厚为0.5μm以上、2.0μm以下的压电薄膜。
本发明的液体喷出装置，其特征是，可以利用上述的液体喷出头喷出墨水。
附图说明
图1是说明使用本发明的一实施方式的液体喷出头的打印机的结构的立体图。
图2是表示本发明的一实施方式的液体喷出头、即喷墨式记录头的主要部分的结构的分解立体图。
图3(a)是将上述喷墨式记录头的压电元件部分放大的俯视图；(b)为其i～i线剖视图；(c)为ii～ii线剖视图。
图4为图3(c)中框线iii部分的放大图。
图5是表示本发明的液体喷出头、即喷墨式记录头的制造方法的剖面示意图。
图6是表示本发明的液体喷出头、即喷墨式记录头的制造方法的剖面示意图。
另外，图中符号20为压力室基板；30为振动板；31为第1氧化膜；32为第2氧化膜；40为压电薄膜元件；42为下部电极；43为压电薄膜；44为上部电极；S为挠曲；W为腔室宽度。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的适合的实施方式进行说明。
《1.喷墨打印机的整体结构》
图1为说明作为使用本实施方式的液体喷出头的液体喷出装置的一例的打印机的结构的立体图。在该打印机中，在主体2上设置着托架3、出纸口4和操作钮9。并且在主体2的内部具有喷墨式记录头1、送纸机构6以及控制电路8。
液体喷出头、即喷墨式记录头1具有形成于基板上的多个压电元件，能够根据控制电路8提供的喷出信号，将墨水从喷嘴喷出。
主体2是打印机的箱体，在可从托架3供给用纸5的位置配置着送纸机构6，以可向用纸5打印的方式配置有喷墨式记录头1。托架3可向送纸机构6供给打印前的用纸5，出纸口4是将完成打印的用纸5排出的出口。
送纸机构6具有电机600、滚子601、602以及其它未图示的机械构造。电机600可与控制电路8提供的驱动信号相对应而旋转。机械构造能够将电机600的旋转力传送到滚子601、602。滚子601及602受到电机600的旋转力而旋转，可通过旋转引入放置在托架3的用纸5，由头1进行打印。
控制电路8具有未图示的CPU、ROM、RAM、接口电路等，能够对应于经未图示的连接器而从计算机接收的打印信息，向送纸机构6供给驱动信号，或向喷墨式记录头1提供喷出信号。另外，控制电路8可与来自控制板9的操作信号相对应而进行动作模式的设定、复位处理等操作。
本实施方式的打印机具有后述的能够得到充分的位移的液体喷出头，所以是一台高性能的打印机。
《2.喷墨式记录头的结构》
图2是表示本发明的一实施方式的液体喷出头、即喷墨式记录头的主要部分的结构的分解立体图。
如图2所示，喷墨式记录头具有喷嘴板10、压力室基板20、及振动板30。
压力室基板20具有压力室(腔室)21、侧壁22、储液室23及供给口24。压力室21是通过蚀刻硅等的基板，为了喷出墨水等而作为贮存空间形成的。侧壁22以分隔压力室21的形态形成。储液室23构成将墨水共用并向各压力室21供给的流路。供给口24可将墨水从储液室23向各压力室21导入。
喷嘴板10与压力室基板20的一面贴合在一起，在与设置在压力室基板20上的各压力室21对应的位置配置着喷嘴11。
振动板30是如后所述将第1氧化膜31和第2氧化膜32叠层形成的，在压力室基板20的另外一面上形成。在振动板30上开设有未图示的墨水箱连接口，可将贮存在墨水箱中的墨水提供给压力室基板20的储液室23。
由喷嘴板10、振动板30及压力室基板20构成的喷头单元被容纳、固定在框体25中，构成喷墨式记录头1。
《3.压电元件的结构》
图3(a)是将上述喷墨式记录头的压电元件部分放大的俯视图；(b)为其i～i线剖视图；(c)为ii～ii线剖视图。
如图3所示，压电元件40在第1氧化膜31上依次叠层第2氧化膜32、下部电极42、压电薄膜43及上部电极44而构成。
第1氧化膜31在例如由厚度为100μm的单晶硅构成的压力室基板20上作为绝缘膜而形成。较为适宜的是，以1.0μm的厚度形成由二氧化硅(SiO2)形成的氧化膜。
第2氧化膜32是具有弹性的层，与第1氧化膜31结合成一体，构成振动板30。由于该第2氧化膜32具有赋予振动板弹性的功能，所以优选以200nm以上、800nm以下的厚度形成由二氧化锆(ZrO2)构成的膜。例如为500nm的厚度。
也可以在第2氧化膜32与下部电极42之间设置由使双方的层密接的金属、优选钛或铬、构成的密接层(未图示)。密接层是为了改善向压电元件的设置面的密接性而形成的，在能够确保该密接性的情况下，也可以不形成该密接层。而且，在设置密接层的情况下，优选其厚度为10nm以上。
下部电极42在此至少是含有铱(Ir)的层，例如是从下层开始依次为含铱(Ir)层/含铂(Pt)层/含铱(Ir)层的层构造。下部电极42的整体厚度例如为200nm。
下部电极42的层构造不局限于此，也可以为含铱(Ir)层/含铂(Pt)层、或含铂(Pt)层/含铱(Ir)层的2层构造。而且也可以仅由含铱(Ir)层构成。
压电薄膜43是由压电陶瓷的晶体所构成的强电介质，优选由锆钛酸铅(PZT)等强介电性压电材料，或在其中添加了氧化铌、氧化镍或氧化镁等金属氧化物的材料构成。压电薄膜43的组成考虑到压电元件的特性、用途等而适当选择。具体地说，可以适宜地采用钛酸铅(PbTiO3)、锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O3)、锆酸铅(PbZrO3)、钛酸铅镧((Pb，La)TiO3)、锆钛酸铅镧((Pb，La)(Zr，Ti)O3)或者镁铌酸锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)(Mg，Nb)O3)等。另外，通过在钛酸铅或锆酸铅中适当地添加铌(Nb)，能够得到压电特性优良的膜。
压电薄膜43是通过X光射线衍射广角法测定的100面配向度为70％以上的膜，特别优选为80％以上。而且，110面配向度在10％以下，111面配向度是剩余部分。但是，100面配向度、110面配向度和111面配向度之和为100％。
压电薄膜43的厚度控制为在制造过程中不产生龟裂的程度，另一方面，需要使其加厚至呈现充分的变形特性的程度，优选其厚度为0.5μm以上，2.0μm以下。例如为1μm。
上部电极44是与下部电极42成对的电极，最好是由铂或铱来制成。上部电极44的厚度最好为50nm左右。
下部电极42是各压电元件共用的电极。相对于下部电极42而言，配线用的下电极42a虽然是位于与下部电极42同一高度的层，但下部电极42和其它配线用的下电极42a是相分离的，可通过细带电极45与上部电极44导通。
图4为图3(c)中框线iii部分的放大图。图4比图3(c)更接近于本实施方式的的膜厚比，特别图示强调了振动板的挠曲S。如图所示，腔室宽度W是靠近压力室21的振动板的面的短边长度。挠曲S是在压电元件40的电极上所施加的电压为0时的振动板30的位移量。在刚制造出来后和在使用一定次数后，如果施加电压为0时的位移量不同时，希望即使在使用后挠曲S也很小。
《4.喷墨式记录头的动作》
下面就上述喷墨式记录头的结构来说明打印动作。从控制电路8输出驱动信号后，送纸机构6进行动作，将用纸5输送到可由喷墨式记录头1打印的位置。在未从控制电路8供给喷出信号、压电元件下部电极42和上部电极44之间未被施加驱动电压的情况下，在压电薄膜43上不发生变形。在设置有未接收到喷出信号的压电元件的压力室21中，不产生压力变化，不从其喷嘴11喷出墨滴。
另外，在从控制电路8发出喷出信号、在压电元件的下部电极42和上部电极44间施加有一定的驱动电压的情况下，压电薄膜43发生变形。在设置有接收到了喷出信号的压电体元件的压力室21中，其振动板30就会向压力室的室内侧大幅度弯曲。因此压力室21内的压力会瞬间提高，从喷嘴11喷出墨滴。通过向记录头中与打印数据相对应的位置的压电元件分别提供喷墨信号，就能够打印任意的文字、图形。
《5.制造方法》
下面说明本发明的压电元件的制造方法。图5和图6是表示本发明的压电元件及喷墨式记录头的制造方法的剖面图。
第1氧化膜形成工序(S1)
此工序是在含有氧气或水蒸汽的氧化环境下，对作为压力室基板20的硅基板进行高温处理，形成由氧化硅(SiO2)构成的第1氧化膜31的工序。该工序除了通常使用的热氧化法外，还可以使用CVD法。在使用热氧化法时，第1氧化膜内容易产生压应力，因而推测这也是振动板发生挠曲S的原因之一。
第2氧化膜形成工序(S2)
是在形成有第1氧化膜31的压力室基板20的一方的面上，形成第2氧化膜32的工序。该第2氧化膜32是将利用阴极溅镀法、真空蒸镀法等形成了锆层的材料在氧化环境中进行高温处理而得到的。
形成下部电极的工序(S3)
在第2氧化膜32上形成下部电极42。例如，首先形成含铱层，然后再形成含铂层，进而形成含铱层。
构成下部电极42的各层分别通过阴极溅镀法等将铱或铂附着在第2氧化膜32上而形成。并且，也可以在形成下部电极42之前，使用阴极溅镀法或真空蒸镀法等形成由钛或铬构成的密接层(未图示)。
在下部电极形成工序中容易在下部电极42内产生拉伸应力，所以推测这也是振动板30及压电元件40产生挠曲S的原因之一。
下部电极形成后的图案化工序(S4)
下部电极形成后，为了使其与配线用的下电极42a分离，首先将下部电极层42按所需的形状进行遮罩，对其周围进行蚀刻，从而进行图案化。具体地说，首先通过自旋法、喷涂法等将均匀厚度的保护膜材料涂敷在下部电极上(未图示)，其次，按压电元件的形状形成掩模后，进行曝光、显像，在下部电极上形成保护膜图案(未图示)。通过一般使用的离子铣削法或干式蚀刻法等蚀刻除去下部电极，露出第2氧化膜32。
并且，在上述图案化工程中，为除去附着在下部电极表面的污染物或氧化部分等，使用逆阴极溅镀法进行清洗(未图示)。
形成钛核(层)的工序
此工序是用阴极溅镀法等，在下部电极42上形成钛核(层)(未图示)的工序。钛核(层)的形成是通过以钛晶体为核使PZT生长，从下部电极侧产生晶体生长，得到致密的柱状结晶体。通过调整钛核(层)厚度，可以控制作为压电薄膜的PZT的100面配向度。钛核(层)的平均厚度例如是3～7nm。
形成压电薄膜的工序(S5)
压电薄膜43通过例如以下所说明的溶胶·凝胶法制成。
首先，通过旋涂法等将由有机金属醇盐溶液所形成的溶胶涂敷在钛核上。其次，在一定温度下，将其干燥一定时间，使溶媒蒸发。干燥后，进一步在大气环境中，以设定的高温，按一定的时间对其进行脱脂处理，使配位在金属中的有机配位基热分解，形成金属氧化物。将该涂敷、干燥、脱脂各工序重复规定的次数、例如2次，叠层形成由2层构成的压电前体膜。通过该干燥和脱脂处理，使溶液中的金属醇盐和醋酸盐经过配位基的热分解而形成金属、氧、金属的网络。
压电前体膜形成后，通过烧结并使之结晶化，从而形成压电薄膜。通过该烧结，压电前体膜由非结晶状态变成菱面体结晶构造，变成表示机电变换作用的压电薄膜，使用X光衍射广角法测定的100面配向度为80％。
通过多次重复上述的前体膜的形成及其烧结，就可使压电薄膜成为所需厚度。例如一次烧结所涂敷的前体膜的膜厚为200nm，将其重复5次。由第2次以后的烧结形成的层，依次受到下层的压电薄膜的影响而使晶体生长，整个压电薄膜的100面配向度为80％。
在压电薄膜形成工序中，容易在压电薄膜43内产生拉伸应力，因而推测这也是在振动板30及压电元件40中产生挠曲S的原因之一。另外，通过使100面配向度为70％以上，可如下所述减轻挠曲S。而且，通过使压电薄膜为多成分系PZT，可如下所述减轻挠曲S。
上部电极形成工序(S6)
在压电薄膜43上，使用电子束蒸镀法或阴极溅镀法形成上部电极44。
压电薄膜和上部电极清除工序(S7)
是将压电薄膜43及上部电极44按压电元件的规定形状图案化的工序。具体来说，在上部电极44上旋涂抗蚀剂后，与应形成压力室的位置相吻合曝光、显像，并图案化。将残留的抗蚀剂作为掩模，利用离子铣削法等蚀刻上部电极44、压电薄膜43。通过上述工序，形成压电体元件40。
细带电极形成工序(S8)
然后，形成导通上部电极44和配线用下电极42a的细带电极45。细带电极45的材质最好为刚性低、电阻低的金。此外，用铝、铜等也可以。细带电极45以大约0.2μm的膜厚成膜，之后以残留各上部电极与配线用的下电极的导通部的方式图案化。
压力室形成工序(S9)
然后，在压力室基板20的另外一个面上，实施各向异性蚀刻或平行平板型反应性离子蚀刻等利用活性气体的各向异性蚀刻，在与压电元件40的形成部位相对应的部分形成压力室21。未被蚀刻而残留的部分形成侧壁22。
虽然压力室基板20在压力室21形成之前，克服在第1氧化膜31及压电薄膜43的制膜工序中产生的内部应力而保持平整，但通过对压力室基板20进行蚀刻除去，会在除去的部分的振动板30及压电体元件40上产生挠曲S(初始挠曲)。形成挠曲S的原因之一可以考虑到第1氧化膜31内的内部应力，因此也可以考虑在压力室形成后，通过蚀刻第1氧化膜31、局部减薄膜厚，来使得内部应力得到减轻，从而减轻挠曲S。
喷嘴板贴合工序(S10)
最后，使用粘合剂将喷嘴板10贴合在蚀刻后的压力室基板20上。贴合时，以使各喷嘴11配置在压力室21的各自的空间中的形态对准位置。贴合有喷嘴板10的压力室基板20安装在未图示的框体上，从而完成喷墨式记录头1。
《6.实施例1》
将作为压电薄膜的PZT的100面配向度进行各种改变，制造了上述实施方式的喷墨式记录头。通过调整下部电极上形成的钛核的厚度，分别得到了PZT的100面配向度为8％、33％和79％的喷墨式记录头。腔室宽度W均为65μm。
对于这些喷墨式记录头，测定了刚制造后的振动板的挠曲S(初始挠曲)，和在施加1亿脉冲20V的梯形波后、使外加电压为0后的振动板的挠曲S(驱动后挠曲)。
100面配向度为8％时，初始挠曲S为230nm，驱动后挠曲S变为280nm。100面配向度为33％时，初始挠曲S为130nm，驱动后挠曲S变为280nm。100面配向度为79％时，初始挠曲S为100nm，驱动后挠曲S变为220nm。
由以上可知，100面配向度为79％时，即使在施加电压后，挠曲S也控制在腔室宽度W的0.4％以下，呈现出较好的结果。
《7.实施例2》
在上述实施方式的喷墨式记录头中，使压电薄膜为多成分系PZT，进行了挠曲S的测定。具体来说，采用了以由0.47PbZrO3-0.43PbTiO3-0.05Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-0.05Pb(Zr1/3Nb2/3)O3表示的锆铌酸镍铌酸锆钛酸铅作为压电薄膜43的喷墨式记录头。腔室宽度W与实施例1同样为65μm。初始挠曲S为176nm，驱动挠曲S为187nm，均在腔室宽度W的0.4％以内。
《8.其它应用例》
本发明的液体喷出头除用于喷墨记录装置的喷出墨水的头之外，还可用于喷出含有在液晶显示器等的滤色器的制造过程中使用的有色材料的液体的头、用于喷出含有在有机EL显示器或FED(面发光显示器)等的电极形成过程中所使用的电极材料的液体的头、用于喷出含有在制造生物芯片时所使用的生物有机体的液体的头等，喷射各种液体的头。
(工业实用性)
根据本发明，可以提供一种使用能够通过外加驱动电压而得到充分的位移的压电元件的液体喷出头。
Claims (6)
1.一种液体喷出头，具有形成有压力室的基板、在基板上形成的振动板、在振动板上形成的压电薄膜元件，其特征是，
所述振动板向所述压力室一侧凸出地挠曲，所述振动板的挠曲量为所述压力室的宽度的0.4％以下。
2.根据权利要求1所述的液体喷出头，其特征是，所述压电薄膜元件具有由100面配向度为70％以上的PZT形成的压电薄膜。
3.根据权利要求1所述的液体喷出头，其特征是，所述压电薄膜元件具有由至少含有Pb(Zn1/3Nb2/3)O3的多成分系PZT形成的压电薄膜。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的液体喷出头，其特征是，所述振动板中的所述压力室形成部分比其它部分薄地形成。
5.根据权利要求1所述的液体喷出头，其特征是，所述压电薄膜元件具有膜厚为0.5μm以上、2.0μm以下的压电薄膜。
6.一种液体喷出装置，其特征是，可以利用权利要求1～5中任一项所述的液体喷出头喷出墨水。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CX01 | Expiry of patent term | ||
| CX01 | Expiry of patent term |
Granted publication date: 20080423 |