CN100475536C - 致动器装置、液体喷射头以及液体喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可以通过低驱动电压来获得大应变的致动器装置、液体喷射头、以及液体喷射装置。所述致动器装置具有压电元件，该压电元件通过设置于基板一面侧的振动板来进行设置，并由下电极、压电体层、以及上电极构成，所述压电体层的压电常数d₃₁与所述压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²，所述振动板的弹性柔量S₁₁ ^E大于2×10^-8m²/N。

Description

致动器装置、液体喷射头以及液体喷射装置

技术领域

本发明涉及具有压电元件的致动器装置、具有致动器装置的液体喷射头、以及液体喷射装置，其中所述致动器装置用作喷射液滴的驱动源。

背景技术

具有因施加电压而发生变位的压电元件的致动器装置例如被安装在喷射液滴的液体喷射头等上。作为具有该液体喷射头的液体喷射装置，例如有喷墨式记录装置，所述喷墨式记录装置具有喷墨式记录头，该喷墨式记录头具有：多个压力产生室，通过压电元件或发热元件来产生用于喷出墨滴的压力；公用的贮存器，向各个压力产生室供应墨水；以及喷嘴开口，与各个压力产生室连通。在该喷墨式记录装置中，向与对应于打印信号的喷嘴连通的压力产生室内的墨水施加喷出能量，从而使墨滴从喷嘴开口喷出。

该喷墨式记录头大致分为两类，一种是：如前所述在压力产生室内设置有根据驱动信号而产生焦耳热的电阻丝等发热元件，通过由该发热元件产生的气泡而从喷嘴开口喷出墨滴；另一种为压电振动式：由振动板构成压力产生室的一部分，通过压电元件使该振动板变形，从而从喷嘴开口喷出墨滴。

另外，在压电振动式的喷墨式记录头中，已得到实际应用的有两种，一种使用使压电元件在轴向上伸长、收缩的纵振动模式的压电致动器，另一种使用弯曲振动模式的压电致动器。

前者可以通过使压电元件的端面与振动板抵接而使压力产生室的容积改变，可以制作适于高密度印刷的记录头，但由于需要将压电元件切分为梳齿状以便与喷嘴开口的排列间距相一致这种难度大的工序、以及将被切分的压电元件定位固定于压力产生室上的操作，因此存在着制造工序复杂的问题。

对此，后者可以通过依照压力产生室的形状贴附由压电材料制成的印刷电路基板并将其烧固这样简单的工序而将压电元件固定在振动板上。但是由于利用了弯曲振动，因而需要一定程度的面积，因此存在着难以高密度排列的问题。

为了消除后者记录头的缺陷，提出了以下方案(参照专利文献1)：通过成膜技术在振动板的整个表面上形成均匀的压电材料层，通过平板印刷术将该压电材料层切分成与压力产生室对应的形状，从而按每一个压力产生室独立地形成压电元件。

由此，不需要将压电元件贴附在振动板上，通过平板印刷术这种精密、简单的方法，不仅可以高密度地固定压电元件，而且还可以使压电元件的厚度较薄，从而可以高速驱动。

该压电元件的最优应变条件为压电体的极化轴(双极子)与电场所形成的各个θ在压电体的任何区域中均相同的结构，即为工程化畴(engineered domain)结构。在菱形晶系中，在电场E被施加在面取向(001)方向的状态下可以获得最大的应变。对压电体结晶的组成进行了改良，以尽可能地增大作为应变容易程度的系数的压电常数d₃₁或d₃₃。弛豫铁电体单晶(PMN-PT)(参照专利文献2)或PZT-PT等是公知的。

但是，虽然该铁电体的d₃₃为2500pC/N以上，但在施加负荷的状态下产生的最大应力为20Mpa左右。相反，我们发现PZT的应力为35Mpa，相比之下更大。

专利文献1：日本专利文献特开平5-286131号公报；

专利文献2：日本专利文献特表2001-509312号公报。

发明内容

本发明是鉴于以上问题而完成的，其目的在于提供一种能够以低驱动电压来获得大应变的致动器装置、液体喷射头以及液体喷射装置。

解决所述问题的本发明第一方式的致动器装置的特征在于，具有压电元件，该压电元件通过设置于基板一面侧的振动板来进行设置，并由下电极、压电体层、以及上电极构成，所述压电体层的压电常数d₃₁与所述压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²，所述振动板的弹性柔量S₁₁ ^E大于2×10^-8m²/N。

在所述第一方式中，由于压电体层的压电常数d₃₁与压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于预定值并且振动板的弹性柔量S₁₁ ^E大于预定值，所以可以获得足够的应变变形。

本发明第二方式是如第一方式所述的致动器装置，其特征在于，所述d₃₁/S₁₁ ^E大于7.5C/m²。

本发明第三方式是如第一或第二方式所述致动器装置，其特征在于，所述压电体层以锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)为主体，并作为添加剂掺入了从由Y、Ce、和Nd组成的组中选出的至少一种元素。

在所述第三方式中，通过将作为添加剂的预定的元素掺入到PZT中，可以进一步增大压电体层的压电常数d₃₁与压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E。

本发明第四方式是如第三方式所述的致动器装置，其特征在于，含有作为添加剂的、选自Nb、Ta、Sb、和W的组中的至少一种元素。

在所述第四方式中，通过进一步将作为添加剂的预定元素掺入到PZT中，可以进一步提高期望的特性。

本发明第五方式是如第三或第四方式所述的致动器装置，其特征在于，含有总摩尔比率不足10at％的所述添加剂。

在所述第五方式中，通过使添加剂的量小于预定值，容易使压电体层的压电常数d₃₁与压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于预定值。

本发明第六方式的液体喷射头的特征在于，具有作为压力产生单元的、第一至第五方式中任一种方式的致动器装置，该压力产生单元使在所述基板上形成的压力产生室产生用于将该压力产生室内的液体从喷嘴开口喷出的压力。

在第六方式中，由于压电体层的压电常数d₃₁和压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E的比d₃₁/S₁₁ ^E大于预定值并且振动板的弹性柔量S₁₁ ^E大于预定值，所以可以获得足够的应变变形，从而可以提供一种能够以低电压来获得大应变的液体喷射头。

本发明第七方式的液体喷射装置的特征在于，具有第六方式的液体喷射头。

在该第七方式中，可以提供一种具有液滴的喷出特性显著提高的液体喷射头的液体喷射装置。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的液体喷射头的分解立体图；

图2是本发明第一实施方式的液体喷射头的平面图和截面图；

图3是本发明实施例中的应变和产生的应力之间关系的示意图；

图4是本发明实施方式的喷墨式记录装置的简要立体图。

具体实施方式

下面，根据实施方式来详细地说明本发明。

(第一实施方式)

图1是示出本发明第一实施方式的液体喷射头的大体结构的分解立体图，图2是图1的平面图和沿A-A’取的截面图。

如图所示，在本实施方式中，流路形成基板10由单晶硅基板形成，在其两个表面上形成有厚度为0.5～2μm的弹性膜50，该弹性膜50由通过预热氧化形成的二氧化硅构成。

在流路形成基板10上，通过从另一个表面一侧进行各向异性蚀刻，并列设置由隔壁11区划出的多个压力产生室12，在其长度方向的外侧形成有连通部13，该连通部13构成作为各个压力产生室12公用的墨水室的贮存器100的一部分，该连通部13分别通过墨水供应通路14与各个压力产生室12的长度方向的一个端部连通。墨水供应通路14的宽度比压力产生室12窄，从而使从连通部13流入压力产生室12的墨水的流路阻力保持恒定。

另外，在流路形成基板10的开口面一侧通过粘接剂或热熔敷膜等粘接层51固定有喷嘴板20，与各个压力产生室12的与墨水供应通路14相反的一侧连通的喷嘴开口121穿透设置在该喷嘴板20上。另外，喷嘴板20由厚度例如为0.01～1mm并且线膨胀系数为300℃以下、例如为2.5～4.5[×10^-6/℃]的玻璃陶瓷、或不锈钢等形成。喷嘴板20在一个面上覆盖流路形成基板10的一个表面的整个区域，起到加强板的作用，以保护单晶硅基板免于受到冲击或外力作用。另外，喷嘴板20也可以由热膨胀系数与流路形成基板10大致相同的材料形成。此时，由于流路形成基板10和喷嘴板20的热变形大致相同，所以可以使用热固化性的粘接剂等很容易地将它们接合在一起。

另一方面，在流路形成基板10的与开口面相反的一侧上形成有如上所述的由二氧化硅形成的、厚度例如大约为1.0μm的弹性膜50，在该弹性膜50上层积形成有由二氧化锆(ZrO₂)等形成的、厚度例如大约为0.4μm的绝缘体膜55。另外，在绝缘体膜55上通过后述的处理层积形成有：由铱(Ir)构成的、厚度大约为0.1～0.5μm的下电极膜60，由锆钛酸铅(PZT)等构成的、厚度例如大约为1.0μm的压电体层70，以及由金、铂、或铱等构成的、厚度例如大约为0.05μm的上电极膜80，由此构成压电元件300。在这里，压电元件300是指包括下电极膜60、压电体层70、以及上电极膜80的部分。通常将压电元件300的某一个电极作为公用电极，并按每一个压力产生室12对另一个电极和压电体层70进行图案化。在这里，将由被图案化的某一个电极以及压电体层70构成的、通过向两个电极施加电压而产生压电应变的部分称为压电体能动部320。在本实施方式中，将下电极60作为压电元件300的公用电极，将上电极80作为压电元件300的专用电极，也可以按照驱动电路或布线的情况而将其互换。在任一情况下，都在每个压力产生室12中形成压电体能动部320。另外，在这里，将压电元件300和由于该压电元件300的驱动而产生变位的振动板合称为致动器装置。另外，通过对薄膜进行图案化，有时弹性膜50和绝缘体膜55作为振动板而起作用，或者有时构成压电元件300的下电极膜60也作为振动板而起作用。

在这里，压电体层70优选使用压电常数d₃₁与弹性柔量((elasticcompliance))S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²的材料，更加优选大于7.5C/m²的材料。另外，振动板的弹性柔量S₁₁ ^E优选大于2×10^-8m²/N。

如上所述使压电体层的压电常数d₃₁与弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于预定值的目的在于，使薄膜式致动器装置中的应变变形足够大，从而当做成液体喷射头时可以获得足够的液体喷出量。

更详细地说，在薄膜式致动器装置中，如果像以往那样仅仅提高压电常数的话无法获得足够的应变变形，压电体层的压电常数与弹性柔量之比非常重要。即，本发明是基于以下认知而完成的：作为用于驱动振动板的压电体层70，勿庸置疑需要具有一定程度的压电常数，但是如果不具有一定程度的硬度的话，就无法获得足够的应变变形。

提高薄膜的压电特性的要点在于，需要在不使弹性柔量大于所需量的情况下提高d₃₁。例如，如果像块材材料那样添加高浓度的添加剂的话，柔量就会变大，从而不能发挥对负荷的作用。对于薄膜来说应变是驱动源，而对于块材材料来说低电压区域中的应变的电压灵敏度是驱动源，因此如后所述的添加剂的添加量完全不同。

在上述压电元件300中，设对压电体层70施加的电压为V、设压电体层70的厚度为t_pzt，通过以下计算来估算驱动时产生的应力。

产生的应力＝(d₃₁/S₁₁ ^E)·(V/t_pzt)

另外，使压电体层70的杨氏模量为E_pzt，由于E_pzt＝(1/S₁₁ ^E)，因此通过下式来表示该产生的应力。

产生的应力＝E_pzt·d₃₁·(V/t_pzt)

如果该产生的应力不大于应变变形的振动板的回复力的话，则无法喷出液体。另外，设振动板的杨氏模量为E_sub、振动板的厚度为t_sub、宽度为W、变位为δ，通过下式来表示振动板的回复力、即振动板的应力。

振动板的应力＝[E_sub·(t_sub)²/W²t_pzt]·δ

在这里，压电体层的压电常数d₃₁与弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²这一条件是得到300nm左右的弯曲变位的条件，是可以通过360dpi的液体喷射头来获得实用的液体喷出量的条件，如果大于7.5C/m²，则可以获得500nm左右的弯曲变位。

另一方面，为了将该致动器装置使用在液体喷射头中以喷出液体，振动板的弹性柔量S₁₁ ^E优选大于2×10^-8m²/N。

在本发明中，压电体层70的压电常数d₃₁与弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²、并优选大于7.5C/m²，所述压电体层70优选锆钛酸铅(PZT)。其原因在于，如果使用PZT，可以实现硬度和压电常数都足够大的压电体层70。另外，作为压电常数非常大的材料而开发的PMN-PT和PZN-PT过于柔软，几乎无法满足上述条件。

在这里，也可以在PZT中掺入不会使硬度显著减小并且使压电常数提高的添加剂。作为该添加剂，可以是选自由Y、Ce、和Nd组成的组中的至少一种元素。Y或Ce可以提高结晶率并可以提高热稳定性，另外，Nd可以实现组成分布的均匀化，由此使压电常数提高。

另外，除了这些元素以外，还可以含有选自由Nb、Ta、Sb、和W组成的组中的至少一种元素来作为添加剂。Nb防止氧缺乏；Ta使柔量提高，从而使之易于产生应变；Sb使柔量减小；另外，W使介电常数增大，从而使变位-电压特性的线性提高。其中任何一种与上述的Y、Ce、和Nd共同使用均有效。

优选含有总摩尔比率不足10at％的上述添加剂。其原因在于，如果添加量多于该添加量的话，压电体层70会变得柔软，即杨氏模量变小，从而无法获得上述条件。另外，该添加剂会以氧化物的状态存在于PZT中。

在本发明中，使用上述材料来成膜压电体层70，使其具有预定的厚度，并使压电常数和杨氏模量为预定值，例如，可以使压电体层70的厚度为0.5～2μm左右。

另外，压电体层70的面取向优选为(100)。为了做成该压电体层70，既可以在下电极膜60上形成钛层并使压电体层70自由生长，也可以以面取向(100)来形成下电极膜60并使压电体层70外延生长，还可以通过基底层而将压电体层70设置在下电极膜60上，对这些结构没有特殊的限定。

另一方面，在作为压电元件300的专用电极的各个上电极80上连接有例如由金(Au)等构成的导线电极90，该导线电极90被从墨水供应通路14一侧的端部附近引出，并一直延伸设置到绝缘膜55上。

在形成有该压电元件300的流路形成基板10上，即在下电极膜60、绝缘体膜55、以及导线电极90上通过粘接剂34接合有具有贮存部31的保护基板30，该贮存部31构成贮存100的至少一部分。在本实施方式中，该贮存部31在厚度方向上贯穿保护基板30并横贯压力产生室12的宽度方向，如上所述与流路形成基板10的连通部13连通，从而构成作为各个压力产生室12公用的墨水室的贮存器100。

另外，在保护基板30的与压电元件300相对的区域中设有压电元件保持部32，该压电元件保持部32具有不会阻碍压电元件300的运动的程度的空间。保护基板30只要具有不会阻碍压电元件300的运动的程度的空间即可，既可以密封该空间，也可以不进行密封。

作为该保护基板30，优选使用热膨胀率与流路形成基板10大致相同的材料，例如玻璃、陶瓷材料等。在本实施方式中，使用材料与流路形成基板10相同的单晶硅基板。

另外，在保护基板30上设有在厚度方向上贯穿保护基板30的贯穿孔33。从各个压电元件300引出的导线电极90的端部附近露出到该贯通孔33内。

另外，在保护基板30上固定有用于对并列设置的压电元件300进行驱动的驱动电路110。该驱动电路110例如可以使用电路基板或半导体集成电路(IC)等。驱动电路110和导电电极90通过连接布线120电连接，该连接布线120由焊线(bonding wire)等导线构成。

另外，在该保护基板30上接合有由密封膜41和固定板42构成的柔性基板40。这里，密封膜41由刚性低并具有可挠性的材料(例如，厚度为6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)形成，通过该密封膜41来密封贮存部31的一个表面。另外，固定板42由金属等硬质材料(例如，厚度为30μm的不锈钢(SUS)等)形成。该固定板42的与贮存器100相对的区域形成为在厚度方向上被完全除去的开口部43，因此仅以具有可挠性的密封膜41来密封贮存器100的一个表面。

另外，在该贮存器100的长度方向的大致中央部的外侧的柔性基板40上形成有用于向贮存器100供应墨水的墨水导入口44。并且，在保护基板30上设有连通墨水导入口44和贮存器100的侧壁的墨水导入通路35。

在上述本实施方式的喷墨式记录头中，从与未图示的外部墨水供应单元连接的墨水导入口44获取墨水，在从贮存器100至喷嘴开口21的内部被墨水充满后，根据来自驱动电路的记录信号，在与压力产生室12对应的各个下电极膜60和上电极膜80之间施加电压，使弹性膜50、绝缘体膜55、下电极膜60、以及压电体层70弯曲变形，由此各个压力产生室12内的压力升高，从而从喷嘴开口21喷出墨滴。

(实施例)

在压电体层70的压电常数d₃₁与弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²这一条件下，如果使电场强度E＝(V/t_pzt)为25V/μm，则产生的应力E_pzt·d₃₁·E必然比12.5MPa大。另一方面，如果使变位δ为360nm以上，则应变需要超过0.35％。对于PZT、添加Y的PZT(Y：3at％添加)、以及PZN-PT这三种压电体层来说，应变与产生的应力的关系如图3所示。

根据结果可知，在PZT或Y-PZT中，满足本发明的条件从而可以使用的范围很宽，但在PZN-PT中，几乎无法获得满足本发明的条件的压电体层。

(第一实施例)

组成为(Pb_1.05Y_0.03)(Zr_0.53Ti_0.44X_0.03)，求出使X分别变为Nb、Ta、Sb、W时的d₃₁/S₁₁ ^E(C/m²)。该结果如表1所示。

(第二实施例)

组成为(Pb_1.05Ce_0.03)(Zr_0.53Ti_0.44X_0.03)，求出使X分别变为Nb、Ta、Sb、W时的d₃₁/S₁₁ ^E(C/m²)。该结果如表1所示。

(第三实施例)

使组成为(Pb_1.05Ce_0.03Y_0.02)(Zr_0.53Ti_0.44X_0.03)，求出使X分别变为(Nb+Ta)、(Nb+Sb)、(Nb+W)、(Ta+Sb)、(Ta+W)时的d₃₁/S₁₁ ^E(C/m²)。该结果如表1所示。

【表1】

根据结果可知，在掺入了添加剂的PZT中，能够广泛地制造可用于本发明的压电体层。

(其他实施方式)

以上说明了本发明的实施方式，但本发明的结构不限于上述结构。

另外，上述本发明的液体喷射头构成具有墨水流路的记录头单元的一部分并装载在液体喷射装置上，该墨水流路与墨盒等连通。图4是示出该液体喷射装置的一个示例的简图。

如图4所示，具有液体喷射头的记录头单元1A和1B可装卸地设置在构成墨水供应单元的墨盒2A和2B上，装载有该记录头单元1A和1B的托架3可沿轴向自由移动地设置在托架轴5上，该托架轴5安装在装置主体4上。该记录头单元1A和1B例如分别喷出黑墨水组成物和彩色墨水组成物。

并且，驱动马达6的驱动力通过图中未示出的多个齿轮和同步带7传至托架3，由此装载有记录头单元1A和1B的托架3沿托架轴5移动。另一方面，在装置主体4上沿托架轴5设有台板8，在台板8上传送由图中未示出的馈纸辊等输送的纸等记录介质、即记录薄片S。

在这里，在上述实施方式中，说明了作为本发明的液体喷射头的一个示例的喷墨式记录头，但液体喷射头的基本结构不限于上述结构。本发明广泛地以所有的液体喷射头为对象，例如也可适用于：用于打印机等图像记录装置的各种记录头、用于制造液晶显示器等的滤色器的颜料喷射头、用于形成有机EL显示器及FED(面发光显示器)等的电极的电极材料喷射头、用于制造生物芯片的生物有机物喷射头等。

当然，对装载该液体喷射头的液体喷射装置也没有特别的限定。

并且，本发明不仅适用于作为压力产生单元而装载在上述液体喷射头中的致动器装置，也可适用于装载在其他所有装置中的致动器装置。例如，除了上述喷射头外，致动器装置也适用于传感器等。

Claims (7)

1.一种致动器装置，其特征在于，

具有压电元件，该压电元件通过设置于基板一面侧的振动板来进行设置，并由下电极、压电体层、以及上电极构成，

所述压电体层的压电常数d₃₁与所述压电体层的弹性柔量S₁₁ ^E之比d₃₁/S₁₁ ^E大于5C/m²，所述振动板的弹性柔量S₁₁ ^E大于2×10^-8m²/N。

2.如权利要求1所述的致动器装置，其特征在于，所述d₃₁/S₁₁ ^E大于7.5C/m²。

3.如权利要求1所述的致动器装置，其特征在于，所述压电体层以锆钛酸铅(Pb(Zr，Ti)O₃)为主体，并作为添加剂掺入了从由Y、Ce、及Nd组成的组中选出的至少一种元素。

4.如权利要求3所述的致动器装置，其特征在于，含有作为添加剂的、选自Nb、Ta、Sb、及W的组中的至少一种元素。

5.如权利要求3所述的致动器装置，其特征在于，含有总摩尔比率不足10at％的所述添加剂。

6.一种液体喷射头，其特征在于，具有作为压力产生单元的、权利要求1至5中任一项所述的致动器装置，该压力产生单元使形成于所述基板上的压力产生室产生用于将该压力产生室内的液体从喷嘴开口喷出的压力。

7.一种液体喷射装置，其特征在于，所述液体喷射装置具有权利要求6所述的液体喷射头。

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