專利名稱：墨水噴射頭及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用在噴墨打印機(jī)上的墨水噴射頭及其制連方法，特別是涉及利用壓電執(zhí)行元件噴出墨水時(shí)，對該壓電執(zhí)行元件內(nèi)之振動板進(jìn)行改良的技術(shù)。
近年來，噴墨打印機(jī)被廣泛地應(yīng)用在辦公室及家庭里。人們不斷地在要求該噴墨打印機(jī)上所用的墨水噴射頭低噪音化、印字高質(zhì)量化，因而設(shè)計(jì)出了各種方式的墨水噴射頭，一般來說，大致分為以下2種。
第一種方式是流路和墨水室的一部分跟具有壓電元件的壓電執(zhí)行元件一起形成壓力室并把脈沖狀態(tài)的電壓印加在該壓電元件上讓壓電執(zhí)行元件變形，而讓上述壓力室變形使其容積減少，從而在壓力室內(nèi)產(chǎn)生壓力脈沖，利用該壓力脈沖從與壓力室相通的噴嘴部噴出墨水。
第二種方式是通過把發(fā)熱抵抗體配設(shè)在流路內(nèi)，把脈沖狀態(tài)的電壓印加在該發(fā)熱抵抗體讓該發(fā)熱抵抗體發(fā)熱，而讓流路內(nèi)的墨水沸騰生成蒸氣泡，利用該蒸氣泡的壓力從噴嘴部噴出墨水。
因?yàn)楸景l(fā)明與上述第一種方式有關(guān)，故以下對第一種方式進(jìn)行更詳細(xì)的說明。圖9及

圖10示出了該第一種方式墨水噴射頭的一例。該墨水噴射頭上有一印頭主體101，印頭主體101上形成有有用來供給墨水的供給口102a和用來噴出墨水的噴出口102b的多個(gè)壓力室用凹部。該印頭主體101的各凹部102沿同一個(gè)方向排列著且相互保持一定的間隔。
上述印頭主體101是由形成上述凹部102側(cè)壁部的壓力室105形成該各凹部102底壁部且由多張薄板貼在一起構(gòu)成的墨水流路106和噴嘴板113構(gòu)成的。在上述墨水流路106內(nèi)形成分別跟每個(gè)凹部102的供給口102a連接的墨水供給用流路107和分別跟每個(gè)凹部102的噴出口102b連接的墨水噴出用流路108。上述各墨水供給用流路107和沿上述各凹部102的排列方向延長的墨水供給室110連接，該墨水供給室110和由墨水壓力室105及墨水流路106形成且跟未圖示的墨水筒連接的墨水供給孔111連接。在上述噴嘴板113上形成分別和上述每個(gè)墨水噴出用流路108連接的噴嘴孔114。
在上述印頭主體101的壓力室105的上面，分別對應(yīng)著上述每個(gè)凹部102設(shè)置壓電執(zhí)行元件121。該壓電執(zhí)行元件121上有覆蓋印頭主體101的凹部102且與該凹部102一起構(gòu)成壓力室103的振動板122。該振動板122是一張所有的壓電執(zhí)行元件121都共用的振動板，也起著后述的所有的壓電元件123共用的下側(cè)電極的作用。還有，各壓電執(zhí)行元件121上備有設(shè)在上述振動板122的對應(yīng)于壓力室103的那一部分上的壓電元件123，和設(shè)在該壓電元件123上面且用以將電壓施加給壓電元件123的上側(cè)電極124。
在上述各壓電執(zhí)行元件121中，當(dāng)作為上述下側(cè)電極的振動板122和上側(cè)電極124給壓電元件123印加脈沖狀態(tài)的電壓時(shí)，壓電元件123沿垂直于其厚度方向的方向收縮，而振動板122及上側(cè)電極124不收縮，由所謂的雙層金屬平板效果使振動板122的對應(yīng)于壓電元件123的那一部分往壓力室103那一側(cè)彎曲變形而呈凸?fàn)?。由于彎曲變形而在壓力?03內(nèi)產(chǎn)生壓力，壓力室103內(nèi)的墨水便在該壓力下經(jīng)過噴出口102b及墨水噴出用流路108，從噴嘴部114噴向外部。
近年來，小型輕量化、低驅(qū)動電壓化、低噪音化、降低成本化、改善噴出墨水的控制性等嚴(yán)格的要求下，對如上所述的利用壓電執(zhí)行元件噴出墨水的墨水噴射頭進(jìn)行了各種各樣的改良?，F(xiàn)在已經(jīng)到了朝著使其更加小型化、高性能化的目標(biāo)，將振動板和壓電元件等形成為容易進(jìn)行微細(xì)加工(小型精密)的薄膜的時(shí)候了。
可是，只在以往的壓電執(zhí)行元件的材質(zhì)、形狀、結(jié)構(gòu)下進(jìn)行薄膜化，生產(chǎn)時(shí)在振動板、壓電元件、上側(cè)電極等上會發(fā)生龜裂(斷裂)，也會發(fā)生膜剝離、膜膨脹，結(jié)果墨水噴射頭的生產(chǎn)性會下降。
還有，光進(jìn)行薄膜化，各部分很厚，所以在使用墨水噴射頭時(shí)無論如何機(jī)械強(qiáng)度會下降，結(jié)果在經(jīng)常變形的振動板等上有可能發(fā)生龜裂，最終導(dǎo)致墨水噴射頭的使用壽命變短。因此，不僅要求實(shí)現(xiàn)小型化且提高控制墨水噴出量的能力，也要求實(shí)現(xiàn)讓各部分的強(qiáng)度等很高，使用壽命很長，而且容易生產(chǎn)的墨水噴射頭。
本發(fā)明是簽于上述問題而研究出來的。其目的在于設(shè)法改造利用壓電執(zhí)行元件噴出壓力室內(nèi)的墨水的墨水噴射頭中，該壓電執(zhí)行元件中的振動板的構(gòu)成，以實(shí)現(xiàn)墨水噴射頭的小型化，并盡可能地提高其生產(chǎn)性及可靠性。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用以下手段至少用楊氏模量不同的2層，或至少由1層存在著壓縮殘余應(yīng)力的壓縮殘余應(yīng)力層和1層存在著拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層來形成振動板。
具體來說，本發(fā)明所涉及的墨水噴射頭，備有形成有有供給墨水的供給口和噴出墨水的噴出口的壓力室用凹部的印頭主體和壓電執(zhí)行元件，該壓電執(zhí)行元件中包括覆蓋上述印頭主體的凹部且和該凹部共同構(gòu)成壓力室的振動板、設(shè)在該振動板與上述印頭主體相反的那一側(cè)且對應(yīng)于上述壓力室的那一部分振動板上的壓電元件、設(shè)在該壓電元件與上述振動板相反的那一側(cè)且給壓電元件印加電壓的電極；通過該電極給上述壓電元件印加電壓并讓上述振動板的對應(yīng)著上述壓力室的那一部分變形，從而利用該變形把該壓力室內(nèi)的墨水從上述噴出口噴出。
上述壓電執(zhí)行元件的振動板至少由楊氏模量互相不同的2層楊氏摸量層疊層在振動板的厚度方向上而形成。
按上述構(gòu)成，振動板至少用2種材料構(gòu)成，所以振動板的每一層由薄膜形成時(shí)，可以讓各層內(nèi)發(fā)生的剩余應(yīng)力(應(yīng)變)相互不同，從而可以抵消整個(gè)振動板的剩余應(yīng)力(應(yīng)變)。結(jié)果可以控制振動板和壓電元件等上的應(yīng)力過度集中。因此，即使把振動板和壓電元件薄膜化，淀積形成膜時(shí)或使用時(shí)也能控制其發(fā)生龜裂等，從而能提高墨水噴射頭的生產(chǎn)性及可靠性。
上述振動板的各層的楊氏模量最好被設(shè)定在50～350GPa。這樣的話，能得到足夠讓墨水噴出的彎曲量，同時(shí)可以使影響墨水的噴出速度的壓力十分大。因此，可以獲得墨水噴出性能良好的墨水噴射頭。
還有，上述振動板的最靠近印頭主體側(cè)的那一層，最好用耐墨水腐蝕性材料構(gòu)成。這樣的話，即使為振動板直接接觸墨水的結(jié)構(gòu)，它也不會因墨水的存在而膨脹、收縮及劣化，而且長時(shí)間使用也不容易產(chǎn)生龜裂等。
最好是至少選擇以下材料中的一種來作上述耐墨水腐蝕性材料銅、鎳、鉻、鈦、鉬、不銹鋼及鎢單體，該各單體的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各單體的合金。這樣做的話，容易得到薄而強(qiáng)度高的振動板，同時(shí)也能確防由墨水引起的振動板的溶解和腐蝕等。而且，可大大地提高壓力室內(nèi)的壓力。
上述整個(gè)振動板的厚度最好設(shè)定在1～7μm。這是因?yàn)檎麄€(gè)振動板的厚度小于1μm的話，很難確保振動板的強(qiáng)度，同時(shí)壓力室內(nèi)生成的壓力不夠。相反，整個(gè)振動板的厚度比7μm大的話，形成膜時(shí)會發(fā)生膜剝離或龜裂，同時(shí)得不到足夠使墨水噴出的彎曲量。因此，將其設(shè)定1～7μm能進(jìn)一步提高墨水噴射頭的生產(chǎn)性及可靠性。
本發(fā)明所涉及的其他墨水噴射頭，其備有形成有有供給墨水的供給口和噴出墨水的噴出口的壓力室用凹部的印頭主體和壓電執(zhí)行元件，該壓電執(zhí)行元件中包括覆蓋上述印頭主體凹部且和該凹部共同構(gòu)成壓力室的振動板、設(shè)在該振動板與上述印頭主體相反的那一側(cè)且對應(yīng)于上述壓力室的那一部分振動板上的壓電元件、設(shè)在該壓電元件的與上述振動板相反的那一側(cè)并且給壓電元件印加電壓的電極；通過該電極給上述壓電元件印加電壓并讓上述振動板對應(yīng)著上述壓力室的那部分變形，從而利用該變形把該壓力室內(nèi)的墨水從上述噴出口噴出，上述壓電執(zhí)行元件的振動板由至少1層存在著壓縮殘余應(yīng)力的壓縮殘余應(yīng)力層和至少1層存在著拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層疊層在該振動板的厚度方向上而構(gòu)成。
這樣做，在由薄膜形成振動板的兩層殘余應(yīng)力層時(shí)，結(jié)晶生長不會向單一方向進(jìn)行而能緩和由于結(jié)晶內(nèi)缺陷及空隙等引起的應(yīng)變，結(jié)果膜剝離得到了抑制。結(jié)果，能提高墨水噴射頭的成品合格率，同時(shí)也能延長使用壽命。因此，能進(jìn)一步提高墨水噴射頭的生產(chǎn)性及可靠性。
上述振動板的壓縮殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力最好設(shè)定在300GPa以下，而拉仲殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力最好設(shè)定在200GPa以下。這是因?yàn)閴嚎s殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力比300GPa大的話，壓縮應(yīng)力過大，振動板上會發(fā)生龜裂或發(fā)生膜剝離。拉伸殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力比200GPa大的話，因?yàn)槟さ念伾珪l(fā)白或發(fā)黑，不能形成正常的鏡面膜而難以起振動板的作用。因此，壓縮殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力在300GPa以下、拉伸殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力在200GPa以下的話，可以良好的維持墨水噴射頭的性能，同時(shí)也可以提高其生產(chǎn)性及可靠性。
上述振動板的兩層殘余應(yīng)力層最好用同一種耐墨水腐蝕性材料構(gòu)成。這樣的話，即使為振動板直接接觸墨水的結(jié)構(gòu)，振動板也不會因墨水的存在而膨脹、收縮及劣化，而且長時(shí)間使用也不容易產(chǎn)生破裂。并且能把兩層殘余應(yīng)力層間的附著性提高到最大限度。
最好是至少選擇以下材料中的一種來作上述耐墨水腐蝕性材料銅、鎳、鉻、鉬、不銹鋼及鎢單體，該各單體的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各單體的合金。這樣做的話，容易得到薄而強(qiáng)度高的振動板，同時(shí)也能確防由墨水引起的振動板的溶解和腐蝕等。而且可大大地提高壓力室內(nèi)的壓力。
上述整個(gè)振動板的厚度最好設(shè)定在1～7μm。這樣的話，能確保振動板的強(qiáng)度且充分提高壓力室內(nèi)的壓力，同時(shí)在淀積形成膜時(shí)不會發(fā)生膜剝離或龜裂，而且能得到噴出墨水所需要的充分的彎曲量。因此，能進(jìn)一步提高墨水噴射頭的生產(chǎn)性、可靠性以及墨水噴出性能。
本發(fā)明所涉及的利用壓電效果讓振動板變形而噴出壓力室內(nèi)的墨水的墨水噴射頭的制造方法，包括以下幾道工序；電極和壓電元件層疊著形成在基板上并讓該電極在基板那一側(cè)的工序；利用濺射法在上述壓電元件上至少將1層存在著壓縮殘余應(yīng)力的壓縮殘余應(yīng)力層和1層存在著拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層層疊在該振動板的厚度方向上而形成振動板的工序；將上述振動板和構(gòu)成壓力室的壓力室構(gòu)成部件固定下來的工序；上述固定工序完成后，除去上述基板的工序。
這樣，振動板是用高頻濺射法、DC濺射法等濺射法來形成的，所以能通過時(shí)間管理來正確地控制各層膜的厚度，同時(shí)通過改變?yōu)R射條件中的基板溫度、濺射氣體氣壓、濺射功率、TS間隔(靶·基板間的距離)等參數(shù)來適當(dāng)?shù)乜刂苾煞N殘余應(yīng)力層29、30的膜應(yīng)力。此時(shí)，如上所述，在振動板或壓電元件上不會發(fā)生膜膨脹或膜剝離等。而且，濺射法非常有利于批量生產(chǎn)，所以不僅能通過濺射法形成振動板，還能通過它形成電極、壓電元件等。因此，很容易大量地制造合格率高、廉價(jià)的墨水噴射頭。
在上述制造方法中，振動板的壓縮殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力最好設(shè)定在300GPa以下，而拉伸殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力最好設(shè)定在200GPa以下。這樣的話，可以良好地維持把墨水噴射頭的性能，同時(shí)可以提高其生產(chǎn)性及可靠性。
在上述制造方法中，最好通過控制濺射氣壓來形成振動板上的壓縮殘余應(yīng)力層和拉伸殘余應(yīng)力層。這樣的話，更容易控制膜內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)，從而容易形成壓縮殘余應(yīng)力層和拉伸殘余應(yīng)力層。對氣體壓力的控制取決于氣體投入量(如氬氣)和真空泵流口的開口率，本操作能正確地控制上述的氣體量和真空泵流口開口率，也有再現(xiàn)性，故能進(jìn)一步提高墨水噴射頭的生產(chǎn)性。
圖3為第1實(shí)施例所涉及的墨水噴射頭的俯視圖。
圖4是表示振動板的楊氏模量和最大彎曲量及壓力室內(nèi)的壓力間之關(guān)系的關(guān)系曲線。
圖5概略地示出了第1實(shí)施例所涉及的墨水噴射頭的制造方法。
圖6是墨水噴水頭的部分放大俯視圖，示出了印頭主體上的各凹部開口大小。
圖7也是墨水噴水頭的部分放大俯視圖，示出了在使印頭主體的各凹部開口及壓電執(zhí)行元件形成為長圓形時(shí)的情形。
圖8為表示本發(fā)明的第2實(shí)施例所涉及的墨水噴射頭的相當(dāng)于圖1的圖。
圖9示出了將以往的墨水噴射頭沿著壓電元件的長度方向剖開后的剖面圖(沿圖10中的Ⅸ-Ⅸ線剖開后的剖面圖)。
圖10是以往的墨水噴射頭的俯視圖。
(第1實(shí)施例)圖1～圖3顯示本發(fā)明的第1實(shí)施例所涉及的墨水噴射頭，該墨水噴射頭具備有印頭主體1，備有供給墨水的供給口2a和噴出墨水的噴出口2b的多個(gè)壓力室用凹部形成在印頭主體1內(nèi)。該印頭主體1的各凹部2在該印頭主體1的一外側(cè)面開一個(gè)近似矩形的口，并沿開口的寬度方向排列著且相互保持一定的間隔。補(bǔ)充一下，為簡單起見，圖3中僅示出了三個(gè)凹部2(后述的噴嘴孔14、壓電元件23、上側(cè)電極24等)，實(shí)際上有很多個(gè)這樣的凹部2。
上述印頭主體1的各凹部2的側(cè)壁部由厚度200～500μm的不銹鋼或感光性玻璃制作的壓力室構(gòu)成部件5構(gòu)成，各凹部2底壁部被固定在該壓力室構(gòu)成部件5上且由多張不銹鋼薄板貼合在一起形成的墨水流路構(gòu)成部件6構(gòu)成。在該墨水流路構(gòu)成部件6內(nèi)形成分別跟上述每個(gè)凹部2的供給口2a連接的墨水供給用流路7，和分別跟上述噴出口2b連接的墨水噴出用流路8。上述各墨水供給用流路7接在沿著上述各凹部2的排列方向延長的墨水供給室10上，該墨水供給室10和由形成在壓力室構(gòu)成部件5及墨水流路構(gòu)成部件6內(nèi)且跟未示出的墨水筒連接的墨水供給孔11相連接。在上述墨水流路構(gòu)成部件6與壓力室構(gòu)成部件5相反的那一個(gè)面(下面)上形成有不銹鋼或鎳電鑄板，或者聚酰亞胺等高分子樹脂形成的厚度20～50μm的噴嘴板13，該噴嘴板13上形成有分別和上述每個(gè)墨水噴出用流路8連接的噴嘴孔14。該各噴嘴孔14配置在沿上述各凹部2的排列方向延長的直線上。
在上述印頭主體1中的壓力室構(gòu)成部件5和墨水流路構(gòu)成部件6相反的那一個(gè)面(上面)，分別對應(yīng)著上述每個(gè)凹部2設(shè)置了壓電執(zhí)行元件21。該壓電執(zhí)行元件21中具有覆蓋印頭主體1的凹部2且與該凹部2一起構(gòu)成壓力室3的振動板22。該振動板22是一張所有的壓電執(zhí)行元件21都共用的振動板，也起著后述的所有的壓電元件23都共用的下側(cè)電極的作用。上述各壓電執(zhí)行元件21中還備有設(shè)在上述振動板22與印頭主體1相反的那一個(gè)面(上面)的對應(yīng)于上述壓力室3的那一部分(與凹部2的開口相對向的那一部分)上且由鋯鈦酸鉛(PZT)形成的壓電元件23，和設(shè)在該壓電元件23與振動板22相反的那一個(gè)面(上面)且將電壓施加給壓電元件23的厚度0.1～0.3μm的Pt制上側(cè)電極24。該上側(cè)電極24的厚度方向上的各個(gè)面的面積被設(shè)定稍微小于上述壓電元件23的(也可以設(shè)定為和壓電元件23相同)。另外，上述相鄰的壓電元件23之間及上側(cè)電極24之間形成有由抗蝕劑或光敏聚酰亞胺樹脂形成的絕緣體25。
通過作上述下側(cè)電極用的振動板22和上側(cè)電極24給壓電元件23印加電壓，利用該壓電元件23的壓電效果使對應(yīng)于壓力室3的那一部分振動板22變形，上述各壓電執(zhí)行元件21就是這樣將該壓力室3內(nèi)的墨水從噴出口2b噴出的。也就是說，若在振動板22和上側(cè)電極24之間印加脈沖狀態(tài)的電壓，則夾在它們之間的壓電元件23便沿與厚度方向垂直的寬度方向收縮。相反，振動板22及上側(cè)電極24不收縮，結(jié)果振動板22的對應(yīng)于壓電元件23的那一部分便靠所謂的雙層金屬平板效果往壓力室3那一側(cè)彎曲變形而呈凸?fàn)睢Ｓ捎谶@一彎曲變形，而在壓力室3內(nèi)產(chǎn)生壓力，壓力室3內(nèi)所定量的墨水便在該壓力的作用下經(jīng)過上述噴出口2b及墨水噴出用流路8，從噴嘴孔14噴向外部(打印紙上面)，附著在紙面上，呈點(diǎn)狀。
另外，不但1種顏色的墨水可以從噴嘴孔14噴出，黑、氰、品紅、及黃等各種顏色墨水均可分別從不同的噴嘴孔14噴出，而實(shí)現(xiàn)彩色印刷。
上述各電壓執(zhí)行元件21中的振動板22是楊氏模量互相不同的小楊氏模量層27和大楊氏模量層28這兩層在振動板22的厚度方向上層疊而形成的，在第1實(shí)施例中，上述大楊氏模量層28設(shè)在比小楊氏模量層27更靠近印頭主體1的那一側(cè)(下側(cè))。該小楊氏模量層27及大楊氏模量層28的楊氏模量最好設(shè)在50～350GPa。這是因?yàn)槿绻摋钍夏Ａ勘?0Gpa小的話，如圖4所示，雖然可以得到充分的墨水噴出的彎曲量，但壓力室3內(nèi)的發(fā)生壓力還比較小，墨水噴出速度不夠，如果這時(shí)想得到充分的發(fā)生壓力，則需要將整個(gè)振動板22的厚度設(shè)定得大于7μm，這樣做，會發(fā)生下述問題。另一方面，如果該楊氏模量比350GPa大的話，雖然發(fā)生壓力充分大，但振動板22很難彎曲，而不能得到充分的彎曲量。
上述整個(gè)振動板22的厚度最好設(shè)定在1～7μm。這是因?yàn)槿绻麄€(gè)振動板22的厚度比1μm小的話，很難確保振動板22的強(qiáng)度，而且壓力室3內(nèi)的發(fā)生壓力也不夠，另一方面，如果大于7μm，在后述的制造墨水噴射頭時(shí)會發(fā)生膜剝離或龜裂，也不能得到充分的墨水噴出的彎曲量。因此，在將整個(gè)振動板22的厚度設(shè)在1～7μm時(shí)，最好將壓電元件23的厚度設(shè)定在1～3μm左右，從而使壓電元件23易彎曲。另外，上述振動板22的小楊氏模量層27及大楊氏模量層28的厚度最好分別設(shè)定在1～3μm。
再說，最好至少上述振動板22的大楊氏模量層28(靠近最印頭主體1側(cè)的那一層)用耐墨水腐蝕性材料構(gòu)成。具體來說，至少選擇以下材料之中的一種來作該耐墨水腐蝕性材料銅、鎳、鉻、鈦、鉬、不銹鋼及鎢、該各單體的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各單體的合金。還有，小楊氏模量層27，最好選跟大楊氏模量不同的耐墨水腐蝕性材料。特別是，小楊氏模量層27選鈦(楊氏模量117GPa)或銅(楊氏模量124GPa)、大楊氏模量層28選鉻(楊氏模量248GPa)構(gòu)成的話，能夠得到噴墨性能、強(qiáng)度及生產(chǎn)性等各方面都最佳的振動板22。
下面，參照圖5，概略地說明上述墨水噴射頭的制造方法的順序。補(bǔ)充一下，圖5中的墨水噴射頭和圖1、圖2中的墨水噴射頭的上下位置倒過來了。
首先，用濺射法在整個(gè)膜形成用MgO基板41上形成Pt膜42(參看圖5(a))，其次用濺射法在該整個(gè)Pt膜42上形成PZT膜43(參看圖5(b))。再用RIE(reactive ion etching反應(yīng)性離子蝕刻)把上述Pt膜42及PZT膜43圖案化(分離開)形成上側(cè)電極24及壓電元件23(參看圖5(c))。補(bǔ)充一下，上述濺射法是指利用將高能量照射到固體(靶)上時(shí)，從靶表面上放射出靶構(gòu)成原子的現(xiàn)象(叫噴濺)形成薄膜的技術(shù)，該濺射法由電極構(gòu)成、噴濺柱子的發(fā)生方法之不同可分為多種方式，如高頻濺射法、DC濺射法等，本發(fā)明不限定其方式。
接著，用高速回轉(zhuǎn)涂料裝置在上述相鄰的上側(cè)電極24和壓電元件23之間填充抗蝕劑或光敏聚酰亞胺樹脂來形成絕緣體25(參看圖5(d))。此時(shí)，利用光刻蝕法讓絕緣體25的上面形成得跟壓電元件23的上面差不多一樣高。
然后，用濺射法在上述壓電元件23及絕緣體25上形成振動板22的小楊氏模量層27后，再用濺射法在該小楊氏模量層27上面形成大楊氏模量層28，以形成振動板22(參看圖5(e))。
然后，把上述振動板22中的大楊氏模量層28和印頭主體1中構(gòu)成壓力室3的壓力室構(gòu)成部件5(事先開好壓力室3用孔)固定下來(參看圖5(f))。然后，用熱磷酸或氫氧化鉀等把上述膜形成用的基板41溶解·除去，同時(shí)在上述壓力室構(gòu)成部件5上依次固定墨水流路構(gòu)成部件6及噴嘴板13(參看圖5(g))。補(bǔ)充一下，也可以在固定振動板22的大楊氏模量層28和壓力室構(gòu)成部件5之前，就把墨水流路構(gòu)成部件6及噴嘴板13固定到壓力室構(gòu)成部件5上。
然后，給各上側(cè)電極24及振動板22配線及其他必須進(jìn)行處理后，即可完成墨水噴射頭之制造，未圖示。
補(bǔ)充一下，把上述膜形成用基板41溶解·除去時(shí)，如果沒有上述絕緣體25，該熱磷酸或氫氧化鉀等可能會到達(dá)壓電元件23而損害壓電元件23，可是，有了上述絕緣體25和上側(cè)電極24后，就可防止壓電元件23被熱磷酸或氫氧化鉀等損壞。
上述絕緣體25可以在把膜形成用基板41溶解·除去后再除去，可是最好不除去留下來。理由有二(1)抗蝕劑或光敏聚酰亞胺樹脂的彈性系數(shù)是PZT的約1/20以下(測定結(jié)果是1/33)，故照樣留下也不會阻礙壓電執(zhí)行元件21正常工作。
(2)絕緣體25能保護(hù)壓電執(zhí)行元件21便它不受因某些故障或誤操作引起的機(jī)械外力的影響，還能順利地傳遞彈性系數(shù)高的振動板22和壓電元件23周圍側(cè)壁部之間的應(yīng)力，以延長壓電元件23的使用壽命。
因此，在上述第1實(shí)施例中，振動板22是由楊氏模量(材料)互相不同的小楊氏模量層27和大楊氏模量層28這兩層構(gòu)成的，這樣，可在形成27、28時(shí)，使27、28內(nèi)所產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力(應(yīng)變)不同，從而讓整個(gè)振動板22的內(nèi)部應(yīng)力(應(yīng)變)相互抵消。結(jié)果，可以抑制在振動板22或壓電元件23等中發(fā)生過度的應(yīng)力集中。
例如，如圖6所示(圖6中，每個(gè)壓電執(zhí)行元件21內(nèi)都設(shè)有振動板22，且沒有設(shè)置絕緣體25)，在設(shè)在印頭主體1上的各凹部2的開口大小為120μm×1500μm，并只用鉻構(gòu)成稍微大于該各凹部2的開口部的振動板22時(shí)，該振動板22向和壓力室3相反的那一側(cè)(上側(cè))彎曲而凸出，其最大歪曲量(最大翹曲量)為0.5～1.5μm。相反，用由鈦形成的小楊氏模量層27和用鉻形成的大楊氏模量層28構(gòu)成振動板22的話，上述最大歪曲量(最大翹曲量)變成0.1～0.5μm，而使整個(gè)振動板22的歪曲量減少了。
還有，如圖7所示，假設(shè)印頭主體1的各凹部2的開口形成為短徑250μm×長徑500μm左右的長圓形狀(橢圓形狀)，而且對應(yīng)于該凹部2讓振動板22、壓電元件23及上側(cè)電極24也分別形成為長圓形狀，那么，在只用鉻形成振動板時(shí)，振動板22彎向與壓力室3相反的那一側(cè)的最大變形量很大，為5～15μm；但在用由鈦形成的小楊氏模量層27和用由鉻形成的大楊氏模量層28這兩層構(gòu)成振動板22時(shí)，上述最大歪曲量十分小，為0.5～4μm。
因此，制造墨水噴射頭時(shí)，振動板22或壓電元件23等中不會發(fā)生龜裂、膜剝離、膜膨脹等不良現(xiàn)象，可以提高生產(chǎn)性。而且，即使長時(shí)間地使用墨水噴射頭，振動板22和壓電元件23等中也難以發(fā)生龜裂，可以提高延長使用壽命。如上所述，印頭主體1的各凹部2開口及各壓電執(zhí)行元件21是長圓形狀時(shí)，這些效果會發(fā)揮得更好。
補(bǔ)充一下，上述第1實(shí)施例中，振動板22是以楊氏模量互相不同的小楊氏模量層27和大楊氏模量層28構(gòu)成的，也可以由楊氏模量互相不同的3層以上的楊氏模量層構(gòu)成。
還有，在上述第1實(shí)施例中，把大楊氏模量28配置在比小楊氏模量27更靠近印頭主體1的那一側(cè)，相反，也可以把小楊氏模量27配置在比大楊氏模量28更靠近印頭主體1的那一側(cè)。(第2實(shí)施例)圖8示出了本發(fā)明的第2實(shí)施例(和圖1相同的部分用和圖1相同的符號表示，省略了其詳細(xì)的說明)，第2實(shí)施例是讓壓電執(zhí)行元件21的振動板22和上述第1實(shí)施例中的不一樣構(gòu)成的。
在該第2實(shí)施例中，振動板22由1層具有壓縮殘余應(yīng)力的壓縮殘余應(yīng)力層29和1層具有拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層30層疊在該振動板22厚度方向而形成，上述拉伸殘余應(yīng)力層30被配置在比壓縮殘余應(yīng)力29更靠近印頭主體1的那一側(cè)。最好是該壓縮殘余應(yīng)力層29的殘余應(yīng)力設(shè)在300GPa以下(假設(shè)把應(yīng)力的壓縮側(cè)表現(xiàn)負(fù)、拉伸側(cè)正的話，即為-300GPa以上)，拉伸殘余應(yīng)力層30的殘余應(yīng)力設(shè)在200GPa以下(相同，+200GPa以下)。這是因?yàn)槿绻麎嚎s殘余應(yīng)力層29的殘余應(yīng)力大于300GPa(小于-300GPa)的話，壓縮應(yīng)力高得太過分，膜形成用基板41會裂開或振動板22也會發(fā)生龜裂、剝離；如果拉伸殘余應(yīng)力層30的殘余應(yīng)力大于200Gpa的話，膜的顏色會發(fā)白或發(fā)黑，不能形成正常的鏡面膜，以致難以起振動板22之作用。
上述壓縮殘余應(yīng)力層29和拉伸殘余應(yīng)力層30最好都由同一種耐墨水腐蝕性材料(具體說，跟上述第1實(shí)施例一樣，至少選擇以下材料中的一種銅、鎳、鉻、鈦、鉬、不銹鋼及鎢單體、該各單體的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各單體的合金)構(gòu)成，最合適的材料是鉻。而且，跟上述第1實(shí)施例一樣，最好將整個(gè)振動板22的厚度設(shè)在1～7μm，將壓電元件29的厚度設(shè)在1～3μm。
下面，對上述墨水噴射頭的制造方法進(jìn)行說明。補(bǔ)充一下，振動板22的形成工序以外，其他工序都跟上述第1實(shí)施例一樣，所以省略了說明，只說明振動板22的形成工序。
在相鄰的上側(cè)電極24間及壓電元件23間形成絕緣體25后，再用濺射法在該壓電元件23及絕緣體25上形成振動板22內(nèi)的壓縮殘余應(yīng)力層29，用濺射法在該壓縮殘余應(yīng)力層29上面形成拉伸殘余留應(yīng)力層30。用濺射法形成該兩層殘余應(yīng)力層29、30時(shí)，通過改變?yōu)R射條件中的膜形成用基板41的溫度、濺射氣體氣壓、濺射功率、TS間隔(靶·基板間距離)等參數(shù)，來適當(dāng)?shù)乜刂苾煞N殘余應(yīng)力層29、30的膜應(yīng)力。特別是，控制濺射氣體氣壓的話，能夠很容易地控制膜應(yīng)力。
具體來說，兩層殘余應(yīng)力層29、30都用鉻構(gòu)成時(shí)，利用高頻濺射裝置(頻率13.56MHz)，將靶徑設(shè)定為8英寸、噴濺功率設(shè)定為500W、膜形成用基板41溫度設(shè)定為常溫、噴濺氬氣體氣壓1～5mTorr(0.13～0.67Pa)可以形成壓縮殘余應(yīng)力層29，將噴濺氬氣體壓設(shè)定為8～12mTorr(1.07～1.60Pa)可以形成拉伸殘余應(yīng)力層30。
兩殘余應(yīng)力層29、30用鉻以外的材料來構(gòu)成時(shí)，雖然同一個(gè)噴濺氣體氣壓下的膜應(yīng)力值稍微不同于上述用鉻構(gòu)成的場合，但噴濺氣體氣壓和膜應(yīng)力之關(guān)系基本上跟上述用鉻構(gòu)成時(shí)一樣，所以只要控制噴濺氣體氣壓，就能很容易地控制兩殘余應(yīng)力層29、30的膜應(yīng)力。
補(bǔ)充一下，關(guān)于上述兩殘余應(yīng)力層29、30的膜應(yīng)力值可由以下方法得知楊氏模量、泊松比已知的薄板基板(18mm×4mm、0.1mm厚)上形成薄膜，再測定該基板的翹曲量，用梁彎法公式算出形成在基板上薄膜的膜應(yīng)力。而且，可由上述基板上形成的薄膜是凹下去還是凸起來，判斷出是壓縮應(yīng)力還是拉伸應(yīng)力。
上述壓縮殘余應(yīng)力層29和拉伸殘余應(yīng)力層30間的最佳膜厚比跟印頭主體1的凹部2的開口形狀(縱·橫尺寸比)有關(guān)，所以按照該凹部2開口形狀壓縮殘余應(yīng)力層29相對拉伸殘余應(yīng)力層30的膜厚比設(shè)在1/5～1/2的范圍內(nèi)就可以了。如果設(shè)在該范圍外，壓縮殘余應(yīng)力層29的膜厚過于厚的話，形成振動板22時(shí)或除去膜形成的基板41時(shí)，振動板22、壓電元件23、上側(cè)電極24等中會發(fā)生龜裂、膜剝離或膜膨脹等不良現(xiàn)象，引起墨水噴頭的生產(chǎn)性下降，同時(shí)使用時(shí)機(jī)械強(qiáng)度下降，甚至?xí)s短使用壽命。
因此，在上述第2實(shí)施例中，振動板22，由壓縮殘余應(yīng)力層29和拉伸殘余應(yīng)力層30構(gòu)成，所以在形成振動板22時(shí)，結(jié)晶不會在單一的方向上成長，由結(jié)晶內(nèi)缺陷及空隙等而引起的變形被緩和，而能控制膜剝離。結(jié)果，能提高制造墨水噴射頭時(shí)，墨水噴射頭的成品合格率、使用壽命，也可以得到跟上述第1實(shí)施例一樣的作用效果。因?yàn)槭抢脼R射法并通過控制噴濺氣體氣壓而形成兩殘余應(yīng)力層29、30，所以可以容易且正確地控制兩殘余應(yīng)力層29、30的膜內(nèi)應(yīng)力狀態(tài)，可以很容易地形成合格率高的振動板22。
補(bǔ)充一下，在上述第2實(shí)施例中，形成了1層壓縮殘余層29和1層拉伸殘余應(yīng)力層30，不僅如此，既可以其中有一方形成為很多層，又可以雙方同時(shí)形成為很多層。此時(shí)，多層壓縮殘余應(yīng)力層29之間或多層拉伸殘余應(yīng)力層30之間的殘余應(yīng)力值相同不相同都可以，層疊順序也沒有特別的規(guī)定。而且兩殘余應(yīng)力層29、30也可以由不同的材料構(gòu)成?？砂褖嚎s殘余應(yīng)力層29配設(shè)在比拉伸殘余應(yīng)力層30更靠近印頭主體1的那一側(cè)。
再說，在上述第1、第2實(shí)施例中，構(gòu)成了整個(gè)壓電執(zhí)行元件21共用的振動板22，可是，也可以象壓電元件23和上側(cè)電極24那樣，分別對每個(gè)壓電執(zhí)行元件21設(shè)置上一個(gè)振動板22。
還有，上述第1、第2實(shí)施例中，振動板22兼作下側(cè)電極用，也可以把下側(cè)電極設(shè)在振動板22和壓電元件23之間。
在上述第1、第2實(shí)施例中，把印頭主體1中的各凹部2開口形狀及壓電執(zhí)行元件21中的壓電元件23等作成了矩形，如在上述第1實(shí)施例中所說明的那樣，可以為長圓或橢圓，也可以為其他形狀。
再說，也可以有各種各樣的變形，如電壓執(zhí)行元件21中的壓電元件23和上側(cè)電極24等都可以使用和上述第1、第2實(shí)施例不同的材料、不同的厚度，也可以采用別的制造方法來形成。印頭主體1內(nèi)的壓力室構(gòu)成部件5、墨水流路構(gòu)成部件6及噴嘴板13都可以使用和上述第1、第2實(shí)施例不同的材料和厚度。
本發(fā)明所涉及的墨水噴射頭及其制造方法可被應(yīng)用到電腦、傳真、復(fù)印機(jī)等上所使用的墨水噴射頭上，因?yàn)楸景l(fā)明能夠把墨水噴射頭小型化，并盡可能地提高了其生產(chǎn)性及可靠性，所以在產(chǎn)業(yè)上利用可能性很高。
權(quán)利要求
1．一種墨水噴射頭，包括形成有其上有供給墨水的供給口和噴出墨水的噴出口的壓力室用凹部的印頭主體和壓電執(zhí)行元件，該壓電執(zhí)行元件中又包括覆蓋上述印頭主體凹部且和該凹部共同構(gòu)成壓力室的振動板、設(shè)在該振動板與上述印頭主體相反的那一側(cè)且對應(yīng)于上述壓力室的那一部分振動板上的壓電元件以及設(shè)在該壓電元件與上述振動板相反的那一側(cè)且給壓電元件印加電壓的電極；通過該電極給上述壓電元件印加電壓，并讓上述振動板的對應(yīng)著上述壓力室的那一部分變形，從而利用該變形把該壓力室內(nèi)的墨水從上述噴出口噴出，其特征在于上述壓電執(zhí)行元件的振動板至少由楊氏模量互相不同的2層楊氏模量層重疊在該振動板的厚度方向上而形成。
2．根據(jù)權(quán)利要求1所述的墨水噴射頭，其特征在于上述振動板各層的楊氏模量分別設(shè)在50～350GPa。
3．根據(jù)權(quán)利要求1所述的墨水噴射頭，其特征在于振動板的最靠近印頭主體側(cè)的那一層由耐墨水腐蝕性材料構(gòu)成。
4．根據(jù)權(quán)利要求3所述的墨水噴射頭，其特征在于至少選擇以下材料中的一種來作所述的耐墨水腐蝕性材料銅、鎳、鉻、鈦、鉬、不銹鋼及鎢、該各單體的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各單體的合金。
5．根據(jù)權(quán)利要求1所述的墨水噴射頭，其特征在于整個(gè)振動板的厚度設(shè)在1-7μm。
6．一種墨水噴射頭，包括備有形成有有供給墨水的供給口和噴出墨水的噴出口的壓力室用凹部的印頭主體和壓電執(zhí)行元件，該壓電執(zhí)行元件中包括覆蓋上述印頭主體凹部且和該凹部共同構(gòu)成壓力室的振動板、設(shè)在該振動板的上述印頭主體相反的那一側(cè)且對應(yīng)于上述壓力室的那一部分振動板上的壓電元件、設(shè)在該壓電元件與上述振動板相反的那一側(cè)且給壓電元件印加電壓的電極；通過該電極給上述壓電元件印加電壓并讓上述振動板的對應(yīng)著上述壓力室的那一部分變形，從而利用該變形把該壓力室內(nèi)的墨水從上述噴出口噴出的壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)，其特征在于上述壓電執(zhí)行元件的振動板至少由1層存在著壓縮殘余應(yīng)力的壓殘余應(yīng)力層和1層存在著拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層重疊在該振動板的厚度方向而形成。
7．根據(jù)權(quán)利要求6所述的墨水噴射頭，其特征在于振動板的壓縮殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力設(shè)定在300GPa以下，拉伸殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力設(shè)定在200GPa以下。
8．根據(jù)權(quán)利要求6所述的墨水噴射頭，其特征在于振動板的兩層殘余應(yīng)力層用同一的耐墨水腐蝕性材料構(gòu)成。
9．根據(jù)權(quán)利要求8所述的墨水噴射頭，其特征在于所述的耐墨水腐蝕性材料至少選擇以下材料中的一種銅、鎳、鉻、鈦、鉬、不銹鋼及鎢單體，該各單體的氧化物、氮化物及碳化物以及包括上述各單體的合金。
10．據(jù)權(quán)利要求6所述的墨水噴射頭，其特征在于整個(gè)振動板的厚度設(shè)定在1-7μm。
11．一種利用壓電元件的壓電效果讓振動板變形而噴出壓力室內(nèi)的墨水的墨水噴射頭的制造方法，其特征在于包括電極和壓電元件層疊著形成在基板上并讓該電極在基板那一側(cè)的工序；利用濺射法在上述壓電元件上至少將1層存在著壓縮殘余應(yīng)力的壓縮殘余應(yīng)力層和1層存在著拉伸殘余應(yīng)力的拉伸殘余應(yīng)力層層疊在該振動板的厚度方向上而形成振動板的工序；上述振動板和構(gòu)成壓力室的壓力室部件固定下來的工序；上述固定工序后除去上述基板的工序。
12．根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造方法，其特征在于把振動板壓縮殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力設(shè)定在300GPa以下，拉伸殘余應(yīng)力層的殘余應(yīng)力設(shè)定在200GPa以下。
13．根據(jù)權(quán)利要求11所述的制造方法，其特征在于以控制濺射氣壓形成振動板上的壓縮殘余應(yīng)力層和拉伸殘余應(yīng)力層。
全文摘要
一種墨水噴射頭及其制造方法,為使利用壓電執(zhí)行機(jī)構(gòu)21將壓力室3內(nèi)的墨水噴出的噴墨印頭小型化,并提高其生產(chǎn)性及可靠性,讓振動板22以楊氏模量互相不同的小揚(yáng)氏模量層27和大揚(yáng)氏模量層28這兩層構(gòu)成。并將各層27、28的楊氏模量分別設(shè)在50～350GPa,同時(shí)將整個(gè)振動板22的厚度設(shè)在1～7μm。
文檔編號B41J2/14GK1302258SQ00800681
公開日2001年7月4日 申請日期2000年5月24日 優(yōu)先權(quán)日1999年5月24日
發(fā)明者渡邊修, 松尾幸治, 富田健二, 神野伊策 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社