專利名稱：液體噴頭及液體噴射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及在與噴嘴開口連通的壓力產(chǎn)生室產(chǎn)生壓力變化、并具備具有壓電體層和對壓電體層施加電壓的電極的壓電元件的液體噴頭及液體噴射裝置。
背景技術(shù)：
作為壓電元件，有將體現(xiàn)電機械轉(zhuǎn)換功能的壓電材料，例如，由結(jié)晶化的電介質(zhì)材料構(gòu)成的壓電體層用2個電極夾持而構(gòu)成的壓電元件。這樣的壓電元件有例如作為彎曲振動模式的驅(qū)動器裝置搭載于液體噴頭。作為液體噴頭的代表例有例如噴墨式記錄頭，該噴墨式記錄頭用振動板構(gòu)成與噴出墨滴的噴嘴開口連通的壓力產(chǎn)生室的一部分，通過壓電元件使該振動板變形，從而對壓力產(chǎn)生室的油墨加壓，從噴嘴開口噴出墨滴。作為構(gòu)成這樣的壓電元件的壓電體層(壓電陶瓷)來使用的壓電材料要求高的壓電特性，作為代表例可以舉出鋯鈦酸鉛(PZT)(參照專利文獻1)。并且，作為這樣的壓電體層的形成方法已知例如在被對象物上涂布將有機金屬化合物溶解于溶劑中的膠體溶液后， 將其加熱結(jié)晶化而形成薄膜的壓電體層的溶膠-凝膠法、MOD (Metal Organic Deposition) 法等化學(xué)溶液法。專利文獻專利文獻1 日本特開2001-223404號公報

發(fā)明內(nèi)容
鋯鈦酸鉛等強磁性體(強誘電體)在未極化的狀態(tài)下，以磁疇單位(K J 4 >単位)向各自隨機方向上具有極化軸，所以在未極化的狀態(tài)下作為壓電體層整體不發(fā)生膨脹 /收縮。因此，為了作為壓電體來使用，需要進行向一個方向施加電場使極化軸的方向統(tǒng)一的極化處理。因此，上述的薄膜的壓電體層的情況下，通過時常施加被稱為中點電位的成為矯頑電場E。的電壓V。以上的電壓，使極化以一定方向統(tǒng)一，將中點電位作為基點施加脈沖使振動板變形，由此引起壓力室的體積變化，噴出油墨。因此，具有由鋯鈦酸鉛構(gòu)成的薄膜的壓電體層的壓電元件存在驅(qū)動時需要施加矯頑電場E。以上的中點電位，而以低電壓難以驅(qū)動的問題。另外，從環(huán)境問題的觀點考慮，需要抑制了鉛含量的壓電材料。本發(fā)明鑒于這樣的情況，以提供不需要中點電位并能夠以低電壓驅(qū)動且具有環(huán)境負荷少的壓電元件的液體噴頭及液體噴射裝置為目的。解決上述課題的本發(fā)明的方式是一種液體噴頭，其特征在于，具備與噴嘴開口連通的壓力產(chǎn)生室、和具有壓電體層與設(shè)在所述壓電體層的電極的壓電元件；所述壓電體層含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀、飽和極化Pm和剩余極化&在25°c下滿足0 (py Pm ( 0. 25。在該方式中，通過使壓電體層含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀且飽和極KPm 和剩余極化Pr在25°c下滿足0 ( P,/Pm ( 0. 25，從而成為不需要極化處理的壓電材料，在驅(qū)動時不需要中點電位，所以能夠以更低的電壓進行驅(qū)動。另外，由于抑制鉛的含量，所以可以降低對環(huán)境的負荷。另外，上述壓電體層優(yōu)選進一步含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇。由此，成為具備具有高壓電特性(畸變量)的壓電元件的液體噴頭。另外，上述壓電體層優(yōu)選為在基板上形成壓電體前體膜后，煅燒所述壓電體前體膜進行結(jié)晶化而得到的壓電體層。由此，在具備壓電元件的液體噴頭中，可以不需要驅(qū)動時的中點電位，所述壓電元件具有內(nèi)部存在通過加熱壓電體前體膜而發(fā)生的拉伸應(yīng)力的壓電體層。進而，上述壓電體層可以是厚度為2μπι以下的薄膜。由此，在具備具有薄膜的壓電體層的壓電元件的液體噴頭中，可以不需要驅(qū)動時的中點電位。本發(fā)明的其它的方式是以具備上述方式的液體噴頭為特征的液體噴射裝置。該方式是不需要中點電位并能夠以低電壓驅(qū)動且抑制了鉛的含量的、降低了對環(huán)境的負荷的液體噴射裝置。


圖1為表示實施方式1涉及的記錄頭的示意結(jié)構(gòu)的分解立體圖。圖2為實施方式1涉及的記錄頭的平面圖和剖面圖。圖3為表示實施方式1的壓電體層的P-V磁滯的圖。圖4為表示實施方式1的壓電體層的5V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖5為表示實施方式1的壓電體層的IOV時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖6為表示實施方式1的壓電體層的15V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖7為表示實施方式1的壓電體層的20V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖8為表示實施方式1的壓電體層的25V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖9為表示實施方式1的壓電體層的30V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖10為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的P-V磁滯的圖。圖11為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的5V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖12為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的IOV時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖13為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的15V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖14為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的20V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖15為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的25V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖16為表示由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的30V時的P-V曲線及S-V曲線的圖。圖17為表示實施方式1以及由以往的強磁性體構(gòu)成的壓電體層的變形量與電場的關(guān)系的圖。圖18為表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖面圖。
圖19為表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖面圖。
圖20為表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖面圖。
圖21為表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖面圖。
圖22為表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖面圖。
圖23為表示實施例1的P-V曲線的圖。
圖24為表示實施例2的P-V曲線的圖。
圖25為表示實施例3的P-V曲線的圖。
圖26為表示實施例4的P-V曲線的圖。
圖27為表示實施例5的P-V曲線的圖。
圖28為表示實施例6的P-V曲線的圖。
圖29為表示實施例7的P-V曲線的圖。
圖30為表示實施例8的P-V曲線的圖。
圖31為表示實施例9的P-V曲線的圖。
圖32為表示實施例10的P-V曲線的圖。
圖33為表示實施例11的P-V曲線的圖。
圖34為表示實施例12的P-V曲線的圖。
圖35為表示實施例13的P-V曲線的圖。
圖36為表示實施例14的P-V曲線的圖。
圖37為表示實施例15的P-V曲線的圖。
圖38為表示實施例16的P-V曲線的圖。
圖39為表示實施例17的P-V曲線的圖。
圖40為表示實施例18的P-V曲線的圖。
圖41為表示實施例19的P-V曲線的圖。
圖42為表示實施例20的P-V曲線的圖。
圖43為表示實施例21的P-V曲線的圖。
圖44為表示實施例22的P-V曲線的圖。
圖45為表示比較例1的P-V曲線的圖。
圖46為表示比較例2的P-V曲線的圖。
圖47為表示比較例3的P-V曲線的圖。
圖48為將pypm對于組成比χ進行標繪的圖。
圖49為表示實施例1的S-V曲線的圖。
圖50為表示實施例2的S-V曲線的圖。
圖51為表示實施例3的S-V曲線的圖。
圖52為表示實施例4的S-V曲線的圖。
圖53為表示實施例5的S-V曲線的圖。
圖54為表示實施例6的S-V曲線的圖。
圖55為表示實施例7的S-V曲線的圖。
圖56為表示實施例8的S-V曲線的圖。
圖57為表示實施例9的S-V曲線的圖。
圖58為表示實施例10的S-V曲線的圖。圖59為表示實施例11的S-V曲線的圖。圖60為表示實施例12的S-V曲線的圖。圖61為表示實施例13的S-V曲線的圖。圖62為表示實施例14的S-V曲線的圖。圖63為表示實施例15的S-V曲線的圖。圖64為表示實施例16的S-V曲線的圖。圖65為表示實施例19的S-V曲線的圖。圖66為表示實施例20的S-V曲線的圖。圖67為表示實施例21的S-V曲線的圖。圖68為表示比較例1的S-V曲線的圖。圖69為表示比較例2的S-V曲線的圖。圖70為表示本發(fā)明一實施方式涉及的記錄裝置的示意結(jié)構(gòu)的圖。符號說明I噴墨式記錄頭(液體噴頭)、11噴墨式記錄裝置(液體噴射裝置)、10流路形成基板、12壓力產(chǎn)生室、13連通部、14油墨供給路、20噴嘴板、21噴嘴開口、30保護基板、31貯存器部、32壓電元件保持部、40柔性基板、60第一電極、70壓電體層、80第二電極、90鉛電極(U —卜“電極)、100貯存器、120驅(qū)動電路、300壓電元件
具體實施例方式(實施方式1)圖1是表示本發(fā)明的實施方式1的液體噴頭的一個例子噴墨式記錄頭的示意結(jié)構(gòu)的分解立體圖，圖2是圖1的平面圖和其A-A’剖面圖。如圖1和圖2所示，本實施方式的流路形成基板10由硅單晶基板構(gòu)成，其一側(cè)的面形成有由二氧化硅構(gòu)成的彈性膜50。流路形成基板10在其寬度方向上并列設(shè)置有多個壓力產(chǎn)生室12。另外，在流路形成基板10的壓力產(chǎn)生室12的縱向外側(cè)的區(qū)域形成有連通部13，連通部13與各壓力產(chǎn)生室12通過設(shè)在每個壓力產(chǎn)生室12的油墨供給路14和連通路15而連通。連通部13與后述的保護基板的貯存器部31連通而構(gòu)成成為各壓力產(chǎn)生室12的共同的油墨室的貯存器的一部分。油墨供給路14以比壓力產(chǎn)生室12窄的寬度形成，將從連通部13流入壓力產(chǎn)生室12的油墨的流路阻力保持在一定水平。需要說明的是，在本實施方式中，通過將流路的寬度從單側(cè)進行收縮而形成了油墨供給路14，也可以將流路的寬度從兩側(cè)進行收縮而形成油墨供給路。另外，也可以不收縮流路的寬度，從厚度方向進行收縮來形成油墨供給路。在本實施方式中，流路形成基板10設(shè)有由壓力產(chǎn)生室12、連通部13、油墨供給路14和連通路 15構(gòu)成的液體流路。另外，在流路形成基板10的開口面?zhèn)?，穿設(shè)有連通的噴嘴開口 21的噴嘴板20通過粘接劑、熱焊接膜等粘合在各壓力產(chǎn)生室12的油墨供給路14相反側(cè)的端部附近。需要說明的是，噴嘴板20由例如玻璃陶瓷、硅單晶基板、不銹鋼等構(gòu)成。另一方面，在這樣的流路形成基板10的開口面相反側(cè)如上所述形成有彈性膜50， 該彈性膜50上設(shè)有由氧化鈦等構(gòu)成、用于提高彈性膜50等的與第一電極60的基底的密合性的密合層56。需要說明的是，在彈性膜50與密合層56之間可以根據(jù)需要形成有由氧化鋯等構(gòu)成的絕緣體膜。進而，該密合層56上層疊形成有第一電極60和厚度為2 μ m以下、優(yōu)選為1 0.3μπι的薄膜且后面將詳細敘述的由化學(xué)溶液法制成的壓電體層70及第二電極80，構(gòu)成壓電元件300。在這里，壓電元件300是指包括第一電極60、壓電體層70和第二電極80的部分。一般，將壓電元件300的任意一方的電極作為共同電極，在每個壓力產(chǎn)生室12將另一電極和壓電體層70進行圖案形成而構(gòu)成。在本實施方式中，將第一電極60作為壓電元件300的共同電極，將第二電極80作為壓電元件300的個別電極，根據(jù)驅(qū)動電路、配線的情況將其反過來也可以。另外，在這里，將壓電元件300和根據(jù)該壓電元件300的驅(qū)動發(fā)生位移的振動板合在一起稱為驅(qū)動器裝置。需要說明的是，在上述的例子中，彈性膜50、密合層 56、第一電極60和根據(jù)需要設(shè)置的絕緣體膜作為振動板而發(fā)揮作用，但當然不限于此，例如也可以不設(shè)置彈性膜50、密合層56。另外，還可以壓電元件300自身實質(zhì)上兼作振動板。然后，在本發(fā)明中，壓電體層70是含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀，進一步根據(jù)需要含有鈦酸鋇的壓電材料，也就是說，是含有鈦(Ti)、鉍(Bi)、鈉(Na)和鉀(K)，或者含有Ti、Bi、Na、K、Ba和Ti的具有鈣鈦礦結(jié)構(gòu)的復(fù)合氧化物。需要說明的是，鈣鈦礦結(jié)構(gòu)， 即，ABO3S結(jié)構(gòu)的A位配位有12個氧，另外，B位配位有6個氧而形成8面體(八面體)。 Bi、Na、K和Ba位于該A位，Ti位于B位。另外，壓電體層70為具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀的情況下，優(yōu)選為由下述通式(1)表示的組成比，進一步優(yōu)選地，在通式(1)中，0. 6 < X < 0. 8。{x [(Bia, Na1J Ti03]-(l-x) [ (Bib，K1-J TiO3]} (1) (0· 4 < a < 0· 6，0· 4 < b 彡 0· 6， 0· 5 彡 χ 彡 0· 85)另外，壓電體層70為含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇的鈦酸鉍鈉鉀的情況下， 優(yōu)選為由下述通式( 表示的組成比，進一步優(yōu)選地，在通式O)中，0.6<1<0.8、0 <y 彡 0.1。需要說明的是，[(Bia，Na1JTiO3] [(Bib, K1JTiO3] = χ 1_χ(摩爾比)， [(Bia, Na1JTiO3]與[(BibUTiO3]的總量[BaTiO3] = 1 y(摩爾比)。{x [ (Bia, Na1J TiO3] _ (l_x) [ (Bib, K1J TiO3]} -y [BaTiO3] (2) (0. 4 < a < 0. 6,0. 4 < b ^ 0. 6,0. 5 ^ χ ^ 0. 9,0 < y ^ 0. 2)進而，本實施方式的壓電體層70是飽和極化Pm和剩余極化P,在25°C下滿足 0彡P(guān)r/Pm彡0. 25、優(yōu)選為0彡P(guān)r/Pm彡0. 20、進一步優(yōu)選為0彡P(guān)r/Pm彡0. 15的壓電體層。這樣，通過以含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀的壓電材料形成飽和極化Pm和剩余極化P,在25°c下滿足0 ( P,/Pm ( 0. 25的壓電體層70，從而成為不需要極化處理的壓電材料，并成為可以不需要中點電位而以低電壓進行驅(qū)動、且鉛的含量低的壓電體層70。 需要說明的是，將200 lOOOkV/cm左右的足夠高的電壓Vm下的極化量稱為飽和極化Pm，將施加電壓降到OV時的極化稱為剩余極化P,。在本申請中，將滿足上述電場范圍的電壓30V 下的極化量設(shè)為Pm。若進行詳細的敘述如下，在具備本實施方式的噴墨式記錄頭的壓電體層70施加電壓，則可得到如圖3所示的P-V曲線。如圖3所示，在本實施方式中，壓電體層70的已是相對于Pm為小的值，例如為6 μ C/cm2以下。另外，成為矯頑電場艮的電壓V。也小。這樣， 在本實施方式中，壓電體層70含有鈦酸鉍鈉鉀、Pr為非常小且細的P-V曲線、在25°C下滿足0 ≤ pypm ≤ 0. 25，因此，成為不需要極化處理的壓電材料，可以不需要中點電位而以低電壓進行驅(qū)動。從上述圖3的P-V曲線的成為矯頑電場E。的電壓V。低的情況也可以得知可以不需要中點電位而以低電壓進行驅(qū)動，將由含有鈦酸鉍鈉鉀和鈦酸鋇的壓電材料組成的壓電體層70作為例子，以下進行進一步的詳細說明。對將本實施方式的含有鈦酸鉍鈉鉀和鈦酸鋇的壓電材料作為壓電體層70的噴墨式記錄頭，分別施加5V(圖4)、10V(圖5)、15V(圖 6)、20V (圖7)、25V (圖8)、30V (圖9)的電壓，求出極化量和電壓的關(guān)系及位移量與電壓的關(guān)系，則可得到圖4 圖9所示的P-V曲線和S-V曲線。圖中的粗線表示極化量，另外，細線表示位移量。需要說明的是，測定可以在與下述實施例相同的條件下測定。如圖4 圖 9所示，在本實施方式中，5V也發(fā)生位移，以低電壓也可以驅(qū)動。即，不需要用于驅(qū)動以往的具有薄膜狀的由強磁性體構(gòu)成的壓電體層的液體噴頭所必須的中點電位。當然，在本實施方式中，也可以施加中點電位并進行驅(qū)動，但是由于基本上不需要中點電位，所以對中點電位的值沒有限制，可以設(shè)定為任意的驅(qū)動波形。需要說明的是，也不需要后述的塊狀情況所必需的制造時的極化處理。另一方面，作為壓電體層，如果使用由以往使用的鋯鈦酸鉛(PZT)等、BWeO3等的強磁性體構(gòu)成的薄膜的壓電材料，則與圖3同樣地施加電壓，就可以得到圖10所示的P-V 曲線。如圖10的磁滯所示，使用了以往的強磁性體的壓電體層的已比本實施方式中的已更大。另外，使用了以往的強磁性體的壓電體層的pypm也比本實施方式中的pypm大。而且，就使用了以往的強磁性體的壓電體層而言，成為矯頑電場E。的電壓V。大。對于具有這樣的使用了以往的強磁性體的壓電體層的噴墨式記錄頭而言，在驅(qū)動時，需要施加矯頑電場E。以上的電壓，即，需要中點電位。這是因為，在以往的強磁性體中存在需要極化處理的問題。鋯鈦酸鉛等強磁性體在未極化的狀態(tài)下，以磁疇單位向各自隨機方向上具有極化軸，所以在未極化的狀態(tài)下作為壓電體層整體不發(fā)生膨脹/收縮，因此，需要進行施加電場使極化軸的方向統(tǒng)一為一個方向的極化處理(poling處理)。因此，在本實施方式這樣的薄膜的壓電體層的情況下，通過時常施加被稱為中點電位的成為矯頑電場E。的電壓V。以上的電壓，使極化統(tǒng)一為一定方向，將中點電位作為基點來施加脈沖使振動板變形，由此引起壓力室的體積變化，從而噴出油墨。即，具有由鋯鈦酸鉛等強磁性體構(gòu)成的薄膜的壓電體層的壓電元件，在驅(qū)動時需要施加矯頑電場E。以上的中點電位。因此，招致消耗電力的增加和驅(qū)動波形的制約。需要說明的是，作為壓電體層使用由固相法等制作的所謂的塊狀的強磁性體的情況下，可以通過在制造時進行極化處理來使極化軸統(tǒng)一為一個方向，但是薄膜的情況下，與塊狀時的特性不同，制造時的極化處理不充分，如上所述，在驅(qū)動時需要中點電位。從上述圖10的P-V曲線的成為矯頑電場E。的電壓V。高的情況可以得知以往的強磁性體需要中點電位且不能以低電壓驅(qū)動，下面進一步以鐵酸鉍(BFO)為主要成分的典型的壓電材料作為壓電體層的情形為例進行詳細說明。將以BFO為主要成分的壓電材料作為壓電體層70的噴墨式記錄頭中，分別施加5V (圖11)、10V (圖12)、15V(圖13)、20V(圖 14)、25V(圖15)、30V(圖16)的電壓，求出極化量和電壓的關(guān)系及位移量與電壓的關(guān)系，則可得到圖11 圖16所示的P-V曲線和S-V曲線。圖中的粗線表示極化量，另外，細線表示位移量。需要說明的是，測定可以在與下述實施例相同的條件下測定。如圖11 圖16所示，在以鐵酸鉍為主要成分的壓電材料中可知，即使施加IOV也未極化且沒有位移。由圖4 圖9(樣品1)和圖11 圖16(樣品2)求出畸變系數(shù)(Strain)與電場的關(guān)系。將結(jié)果示于圖17。需要說明的是，這里所說的畸變系數(shù)是用膜厚度除以從最大到達位移拉至逆到達位移的最大位移而得到的值的百分率標記。如圖17所示可知，使用了本實施方式的壓電體層70的試樣(樣品1)沒有發(fā)生位移的補償電場(才7力7卜電界)小， 施加電場時表現(xiàn)出了變形量直線上升的態(tài)勢，但是在以往的強磁性體(樣品幻中，在極化之前不發(fā)生變形。在這里，含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀、或含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀以及進一步含有鈦酸鋇的壓電材料為所謂的塊狀的情況下，在25°C下不滿足 0 ^ Pr/Pffl ^ 0. 25，是與本實施方式的壓電體層70完全不同的壓電材料。另外，塊狀的壓電材料是指一般的膜厚度厚(例如10 1000 μ m)的壓電材料，例如是通過將金屬氧化物或金屬碳酸鹽的粉末進行物理性的混合、粉碎、制形后，在1000 1300°C左右下進行煅燒而制作的壓電材料。因此，由制作時發(fā)生的基板、陶瓷本身的體積膨脹·收縮引起的應(yīng)力不存在，或與由化學(xué)溶液法制作的情況相比非常小。具體的，如上所述的塊狀的壓電材料如作為后述的比較例3的P-V曲線的圖47的磁滯所示，Pr和ftVftii與本實施方式相比均大。另外，是明確表示強磁性體的磁滯。需要說明的是，本實施方式的壓電體層70可以使壓電常數(shù)d33為40pm/V以上。作為這樣的壓電元件300的個別電極的各第二電極80連接有從油墨供給路14側(cè)的端部附近引出、延伸設(shè)置至密合層56上的、例如由金(Au)等構(gòu)成的鉛電極90。在形成有這樣的壓電元件300的流路形成基板10上，即，在第一電極60、密合層 56和鉛電極90上，具有構(gòu)成貯存器100的至少一部分的貯存器部31的保護基板30通過粘接劑35而接合。該貯存器部31在本實施方式中是在厚度方向上貫通保護基板30且在壓力產(chǎn)生室12的整個寬度方向上形成，如上所述，與流路形成基板10的連通部13連通而構(gòu)成成為各壓力產(chǎn)生室12的共同的油墨室的貯存器100。另外，也可以將流路形成基板10 的連通部13在每個壓力產(chǎn)生室12分割成多個，僅將貯存部31作為貯存部。進而，例如，還可以在流路形成基板10僅設(shè)置壓力產(chǎn)生室12，在介于流路形成基板10和保護基板30之間的部件(例如彈性膜50、密合層56等)設(shè)置連通貯存器和各壓力產(chǎn)生室12的油墨供給路 14。另外，在保護基板30的與壓電元件300相對的區(qū)域中設(shè)有具有不阻礙壓電元件 300的運動的程度的空間的壓電元件保持部32。壓電元件保持部32只要是具有不阻礙壓電元件300的運動的程度的空間即可，該空間可以密封，也可以不密封。作為這樣的保護基板30，優(yōu)選使用與流路形成基板10的熱膨脹率大致相同的材料，例如玻璃、陶瓷材料等，在本實施方式中，使用與流路形成基板10相同材料的硅單晶基板來形成。另外，保護基板30設(shè)有在厚度方向貫通保護基板30的貫通孔33。并且，從各壓電元件300引出的鉛電極90的端部附近設(shè)置成在貫通孔33內(nèi)露出。另外，在保護基板30上固定有用于驅(qū)動并列設(shè)置的壓電元件300的驅(qū)動電路120。 作為該驅(qū)動電路120，例如可以使用電路基板、半導(dǎo)體集成電路(IC)等。并且，驅(qū)動電路120 與鉛電極90通過由焊絲等導(dǎo)電性金屬線構(gòu)成的連接配線121而電連接。
另外，這樣的保護基板30上接合有由密封膜41和固定板42構(gòu)成的柔性基板40。 在這里，密封膜41由剛性低且具有可撓性的材料構(gòu)成，通過該密封膜41密封了貯存部31 的一面。另外，固定板42由比較硬的材料形成。該固定板42的與貯存器100相對的區(qū)域由于成為了在厚度方向上完全除去了的開口部43，因此，貯存器100的一面僅用具有可撓性的密封膜41密封。在這樣的本實施方式的噴墨式記錄頭I中，從未圖示的與外部的油墨供給裝置連接的油墨導(dǎo)入口引入油墨，將貯存器100至噴嘴開口 21的內(nèi)部用油墨填滿后，根據(jù)驅(qū)動電路120的記錄信號，在與壓力產(chǎn)生室12對應(yīng)的各個第一電極60和第二電極80之間施加電壓，使彈性膜50、密合層56、第一電極60和壓電體層70發(fā)生彎曲變形，從而各壓力產(chǎn)生室 12內(nèi)的壓力變高，從噴嘴開口 21噴出墨滴。在這里，參照圖18 圖22，對噴墨式記錄頭的制造方法的一個例子進行說明。需要說明的是，圖18 圖22是壓力產(chǎn)生室的縱向剖面圖。首先，如圖18(a)所示，在由硅晶片構(gòu)成的用于流路形成基板的晶片110的表面通過熱氧化等形成構(gòu)成彈性膜50的由二氧化硅(SiO2)等構(gòu)成的二氧化硅膜。接著，如圖 18(b)所示，在彈性膜50 ( 二氧化硅膜)上通過反應(yīng)性濺射法、熱氧化等形成由氧化鈦等構(gòu)成的密合層56。接著，如圖19(a)所示，在密合層56上通過濺射法等整面形成由鉬、銥、氧化銥或它們的層疊結(jié)構(gòu)等構(gòu)成的第一電極60后進行圖案形成。接著，在第一電極60上層疊壓電體層70。壓電體層70的制造方法沒有特別的限定，例如可以通過將在溶劑中溶解、分散有機金屬化合物的溶液進行涂布干燥，進一步在高溫下加熱并結(jié)晶化，而得到由金屬氧化物構(gòu)成的壓電體層70的MOD (Metal-Organic Decomposition)法或溶膠-凝膠法等化學(xué)溶液法來形成壓電體層70。作為壓電體層70的具體的形成順序，首先，如圖19(b)所示，在第一電極60上用旋涂法等將以成為目標組成比的比例含有有機金屬化合物、具體而言含有Ti、Bi、Na、K以及根據(jù)需要添加的Ba的有機金屬化合物的溶膠、MOD溶液(前體溶液)進行涂布，來形成壓電體前體膜71 (涂布工序)。涂布的前體溶液是將分別含有Ti、Bi、Na、K以及根據(jù)需要添加的Ba的有機金屬化合物進行混合，使各金屬達到所需要的摩爾比，并將該混合物用醇等有機溶劑溶解或分散的溶液。作為分別含有Ti、Bi、Na、K以及根據(jù)需要添加的Ba的有機金屬化合物，例如可以使用金屬醇鹽、有機酸鹽、β 二酮配位化合物等。作為含Ti有機金屬化合物，可以舉出例如異丙醇鈦、2-乙基己酸鈦、(二異丙醇基)雙(乙酰丙酮)合鈦等。作為含有Bi的有機金屬化合物，可以舉出例如2-乙基己酸鉍、醋酸鉍等。作為含Na的有機金屬化合物，可以舉出例如2-乙基己酸鈉、醋酸鈉、乙酰丙酮合鈉等。作為含K的有機金屬化合物，可以舉出例如2-乙基己酸鉀、2-乙基己酸鋇、醋酸鉀、乙酰丙酮合鉀等。作為含Ba的有機金屬化合物，可以舉出例如異丙醇鋇、2-乙基己酸鋇、乙酰丙酮合鋇等。然后，將該壓電體前體膜71加熱到規(guī)定溫度而干燥一定時間(干燥工序)。接著， 通過將干燥的壓電體前體膜71加熱到規(guī)定溫度并保持一定時間來進行脫脂(脫脂工序)。 需要說明的是，這里所說的脫脂是指使壓電體前體膜71中含有的有機成分成為例如Ν02、 C02、H20等而脫離。干燥工序或脫脂工序的氛圍沒有限定，在大氣中或惰性氣體中均可。
接著，如圖19(c)所示，通過將壓電體前體膜71加熱到規(guī)定溫度，例如600 800°C左右并保持一定時間來進行結(jié)晶化，從而形成壓電體膜72 (煅燒工序)。需要說明的是，在煅燒工序中也對氛圍沒有限定，在大氣中或惰性氣體中均可。需要說明的是，作為干燥工序、脫脂工序和煅燒工序中使用的加熱裝置，可以舉出例如通過紅外線燈的照射進行加熱的RTA(Rapid Thermal Annealing)裝置、加熱板等。接著，如圖20(a)所示，在壓電體膜72上將規(guī)定形狀的保護膜(未圖示)作為掩膜，將第一電極60和壓電體膜72的第一層同時進行圖案形成，使它們的側(cè)面傾斜。接著，剝離保護膜后，根據(jù)所需要的膜厚度等重復(fù)數(shù)次上述的涂布工序、干燥工序和脫脂工序，或涂布工序、干燥工序、脫脂工序和煅燒工序來形成由多個壓電體膜72構(gòu)成的壓電體層70，從而如圖20 (b)所示形成了由多層壓電體膜72構(gòu)成的規(guī)定厚度的壓電體層 70。例如，涂布1次涂布溶液而得到的膜厚度為O.lym左右的情況下，例如，由10層的壓電體膜72構(gòu)成的壓電體層70整體的膜厚度成為約1. 1 μ m左右。需要說明的是，在本實施方式中層疊設(shè)置了壓電體膜72，但是僅1層也可以。用這樣的方法制造壓電體層70時，可以制造由含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀、飽和極化Pm和剩余極化P,在25°C下滿足0 ( P,/Pm ( 0. 25的壓電材料構(gòu)成的壓電體層70。需要說明的是，在形成該壓電體層70的工序中，如上所述，若以干燥工序、脫脂工序、煅燒工序進行加熱，則前體溶液中所含的溶劑等揮發(fā)，因此發(fā)生壓電體層的體積收縮， 與此相伴，受到基板、電極等的來自基底的應(yīng)力，從而制造的壓電體層70具有拉伸應(yīng)力。這樣形成壓電體層70后，如圖21 (a)所示，在壓電體層70上通過濺射法等形成由鉬等構(gòu)成的第二電極80，在與各壓力產(chǎn)生室12相對的區(qū)域?qū)弘婓w層70和第二電極80同時進行圖案形成，形成由第一電極60、壓電體層70和第二電極80構(gòu)成的壓電元件300。需要說明的是，在壓電體層70和第二電極80的圖案形成中，可以通過形成為規(guī)定形狀的保護膜(未圖示)進行干蝕刻而一并進行。此后，根據(jù)需要，還可以在600°C 800°C的溫度域中進行后退火(f 7卜7 二一>)。由此，可以形成壓電體層70與第一電極60、第二電極 80的良好的界面，并且，可以改善壓電體層70的結(jié)晶性。接著，如圖21(b)所示，在流路形成基板用晶片110的整面，形成例如由金(Au)等構(gòu)成的鉛電極90后，通過例如由保護膜等構(gòu)成的掩模圖形(未圖示)在每個壓電元件300 進行圖案形成。接著，如圖21(C)所示，在流路形成基板用晶片110的壓電元件300側(cè)，通過粘接劑35粘接由硅晶片構(gòu)成的成為多個保護基板30的保護基板用晶片130后，使流路形成基板用晶片110薄至規(guī)定的厚度。接著，如圖22(a)所示，在流路形成基板用晶片110上新形成掩膜52，按規(guī)定形狀進行圖案形成。然后，如圖22(b)所示，通過掩膜52對流路形成基板用晶片110進行使用了 KOH等堿溶液的各向異性蝕刻(濕蝕刻)，從而形成與壓電元件300對應(yīng)的壓力產(chǎn)生室 12、連通部13、油墨供給路14和連通路15等。此后，將流路形成基板用晶片110和保護基板用晶片130的外周邊緣部的不需要部分通過例如劃片等切斷而除去。然后，將與流路形成基板用晶片110的保護基板用晶片 130相反側(cè)的面的掩膜52除去后，接合穿設(shè)有噴嘴開口 21的噴嘴板20，并將柔性基板40接合在保護基板用晶片130，通過將流路形成基板用晶片110等分割成圖1所示的一個芯片大小的流路形成基板10等，得到本實施方式的噴墨式記錄頭I。實施例下面，示出實施例進一步具體說明本發(fā)明。需要說明的是，本發(fā)明不限于以下的實施例。(實施例1)首先，通過熱氧化在硅基板的表面形成二氧化硅膜。接著，在二氧化硅膜上層疊 40nm的二氧化鈦，在其上部將定向為(111)的鉬層疊150nm，作為第一電極。接著，在第一電極上通過旋涂法形成壓電體層。該方法如下。首先，將溶解有鉍、 鉀、鈉、鈦各元素的丁醇溶液按規(guī)定的比例混合，調(diào)制前體溶液。然后，將該前體溶液滴到形成有氧化鈦膜和第一電極的上述基板上，以2500rpm旋轉(zhuǎn)基板而形成壓電體前體膜(涂布工序)。接著在400°C下進行3分鐘的干燥、脫脂(干燥及脫脂工序)。重復(fù)進行4次該涂布工序、干燥及脫脂工序后，快速熱退火(Rapid Thermal Annealing(RTA))在750°C下進行 3分鐘的煅燒(煅燒工序)。將重復(fù)進行4次該涂布工序、干燥及脫脂工序后進行統(tǒng)一煅燒的煅燒工序重復(fù)進行2次，通過共8次的涂布形成了整體厚度為512nm的壓電體層70。此后，在壓電體層70上，通過DC濺射法形成膜厚度為IOOnm的鉬膜作為第二電極 80，然后用RTA在750°C下進行5分鐘煅燒，形成了將復(fù)合氧化物作為壓電體層70的壓電元件300，所述復(fù)合氧化物具有x = 0. 81、a = 0. 5、b = 0. 5的由上述通式(1)表示的鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。(實施例2 3)除了變更溶解有鉍、鉀、鈉、鈦各元素的丁醇溶液的混合比例，并將由表1所示的 X、a和b的上述通式(1)表示的復(fù)合氧化物作為壓電體層70以外，與實施例1同樣進行， 形成了壓電元件300。表1
X1-xyab實施例10. 810. 1900. 50. 5實施例20. 710. 2900. 50. 5實施例30. 610. 3900. 50. 5實施例40. 900. 100. 040. 50. 5實施例50. 810. 190. 040. 50. 5實施例60. 710. 290. 040. 50. 5實施例70. 610. 390. 040. 50.權(quán)利要求
1.一種液體噴頭，其特征在于，具備 與噴嘴開口連通的壓力產(chǎn)生室，和具有壓電體層及設(shè)在所述壓電體層的電極的壓電元件； 所述壓電體層含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀， 飽和極化Pm和剩余極化Pr在25°c下滿足0 < pypm < 0. 25。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于，所述壓電體層進一步含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鋇。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的液體噴頭，其特征在于，所述壓電體層是在基板上形成壓電體前體膜后，煅燒所述壓電體前體膜使之結(jié)晶化而得到的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3中任一項所述的液體噴頭，其特征在于，所述壓電體層是厚度為 2ym以下的薄膜。
5.一種液體噴射裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1 4中任一項所述的液體噴頭。
全文摘要
本發(fā)明提供不需要中點電位并能夠以低電壓驅(qū)動且具有環(huán)境負荷少的壓電元件的液體噴頭及液體噴射裝置。所述液體噴頭具備與噴嘴開口連通的壓力產(chǎn)生室、和具有壓電體層與設(shè)在所述壓電體層的電極的壓電元件，所述壓電體層含有具有鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)的鈦酸鉍鈉鉀、飽和極化Pm和剩余極化Pr在25℃下滿足0≤Pr/Pm≤0.25。
文檔編號B41J2/135GK102205715SQ20111005780
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月8日
發(fā)明者米村貴幸 申請人:精工愛普生株式會社