用於噴墨頭的壓電致動器及其製造方法
2023-06-23 02:18:51
專利名稱：用於噴墨頭的壓電致動器及其製造方法
技術領域：
本發明涉及壓電噴墨頭，具體而言，涉及噴墨頭的壓電致動器及其製造方法，所述壓電致動器具有改進的結構，使得柔性印刷電路可以更可靠地連接到該壓電致動器上。
背景技術：
通常，噴墨頭是通過向列印介質的希望區域上噴射墨滴而在列印介質上列印彩色圖像的裝置。
根據噴墨方法，噴墨頭可以分為兩種類型熱噴墨頭和壓電噴墨頭。熱噴墨頭利用熱在墨中產生氣泡並利用氣泡的膨脹進行噴墨；而壓電噴墨頭利用壓電材料的變形所產生的壓力來噴墨。
圖1A是傳統壓電噴墨頭的部分平面圖，圖1B是沿圖1A中的線A-A』截取的截面圖。
參照圖1A和1B，構成墨流通道的歧管11、多個限流部12和多個壓力室13形成在噴墨頭的流動通道板10中。振動板20可以在壓電致動器40作用下變形，其被連接到流動通道板10的頂面上，形成有多個噴嘴31的噴嘴板30被連接到流動通道板10的底面上。振動板20可以與流動通道板10一體形成，並且噴嘴板30也可以與流動通道板10一體形成。
歧管11是將墨從墨罐(未示出)供應到各個壓力室13的墨通路，限流部12是允許墨從歧管11流入壓力室13的墨通路。壓力室13裝有供應來的墨以便噴墨，其設置在歧管11的一側或兩側上。噴嘴31穿過噴嘴板30而形成，並且連接至各個壓力室13。振動板20連接到流動通道板10的頂面上，以覆蓋壓力室13。振動板20在壓電致動器40的操作下發生變形，從而改變各個壓力室13中的壓力，以便從墨室13中噴出墨。每個壓電致動器40包括下電極41、壓電層42和上電極43，它們順序疊置在振動板20上。下電極41形成在振動板20的整個表面上，作為公共電極。壓電層42形成在下電極41上，位於各個壓力室13上方。上電極43形成在壓電層42上，作為向壓電層42施加電壓的驅動電極。
為了向壓電致動器40施加驅動電壓，將一柔性印刷電路(FPC)50連接至上電極43。具體而言，FPC 50被設置在壓電致動器40上，其中FPC 50的信號線51與壓電致動器40的上電極43對準，並通過加熱和加壓將該信號線51連接到上電極43的頂面上。
然而，如圖1A所示，由於壓力室13又窄又長，所以壓電層42和上電極43又窄又長。因此，上電極43與信號線51之間的連接區域必須足夠長，以便能夠可靠地連接。為此，在傳統噴墨頭中，壓電層42和上電極43充分地比壓力室13長(例如，比壓力室13長兩倍)，並且FPC的信號線51被連接到上電極43的不位於壓力室13上方的部分。
儘管壓電層42並不需要比壓力室13長來改變壓力室13的壓力，但是壓電層42被形成為比壓力室13長得多，以便將上電極43與下電極41絕緣並支撐上電極43。在這種情況下，壓電致動器的電容、驅動負載和響應時間都增加了。
此外，由於如上所述壓電層42又長又窄，所以形成在壓電層42上的上電極43應該是又長又窄的。因此，即使當FPC 50與上電極43之間的對準只是略微不準確，FPC 50的信號線51也不能準確地連接到上電極43的頂面上，造成連接失效或降低連接的強度。如果FPC 50D信號線51與上電極之間的連接強度較弱，則噴墨頭就不能長時間可靠地使用。
發明內容
本發明提供了一種用於噴墨頭的壓電致動器，該致動器具有改進的結構，使得可以減小壓電層的長度和響應時間，並且FPC可以更牢固和穩定地連接至壓電致動器。
根據本發明的一個方面，提供了一種用於噴墨頭的壓電致動器，該壓電致動器形成在振動板上，用於向各個壓力室提供驅動力，所述壓電致動器包括形成在所述振動板上的下電極；形成在所述下電極上、處於對應於所述各個壓力室的位置的壓電層；形成在所述下電極上的支撐墊，該支撐墊接觸所述壓電層的一端並從壓電層的該端延伸出；和從所述壓電層的頂面延伸至所述支撐墊的頂面的上電極，其中，所述上電極在所述支撐墊上方連接至一驅動電路，用於從該驅動電路接收電壓。
在所述振動板和下電極之間可以形成一絕緣層。
所述壓電層可以具有與所述壓力室大致相同的長度。
所述支撐墊可以具有與所述壓電層大致相同的高度。所述支撐墊可以由諸如光敏聚合物之類的絕緣材料形成。
所述上電極可以包括形成在所述壓電層上的第一部分和形成在所述支撐墊上的第二部分，該第二部分比第一部分寬。
所述驅動電路可以是具有連接至所述上電極的信號線的FPC。
根據本發明的另一個方面，提供了一種製造用於噴墨頭的壓電致動器的方法，所述壓電致動器形成在振動板上，用於向各個壓力室提供驅動力，所述方法包括在所述振動板上形成下電極；在所述下電極上、在對應於所述各個壓力室的位置處形成壓電層；在所述下電極上形成支撐墊，該支撐墊接觸所述壓電層的一端並從壓電層的該端延伸出；形成從所述壓電層的頂面延伸至所述支撐墊的頂面的上電極；以及在所述支撐墊上方將一驅動電路連接至所述上電極，以便向所述上電極施加電壓。
形成下電極的步驟可以包括在所述振動板上形成絕緣層；以及在該絕緣層上形成下電極。
所述壓電層可以具有與所述壓力室大致相同的長度。形成壓電層的步驟可以包括通過絲網印刷在所述下電極的頂面上塗覆壓電材料漿料；以及將所述壓電材料漿料乾燥並燒結。
所述支撐墊可以具有與所述壓電層大致相同的高度。形成支撐墊的步驟可以包括在所述下電極和壓電層上塗覆光敏聚合物；以及對該光敏聚合物構圖。形成支撐墊的步驟還可以包括通過化學機械拋光法(CMP)將所述壓電層和支撐墊的頂面調節至相同的高度。
所述上電極可以包括形成在所述壓電層上的第一部分和形成在所述支撐墊上的第二部分，所述第二部分比第一部分寬。
所述上電極可以通過在所述壓電層和支撐墊的頂面上絲網印刷電極材料漿料而形成，或者可以通過利用濺射、汽化器或電子束在所述壓電層和支撐墊的頂面上沉積預定厚度的導電金屬而形成。
本發明的上述以及其它特徵和優點在以下結合附圖對本發明示例性實施例的詳細描述中將變得更加顯見，所述附圖中圖1A是傳統壓電噴墨頭的部分平面圖；圖1B是沿圖1A中的線A-A』截取的截面圖；圖2A是具有根據本發明實施例的壓電致動器的壓電噴墨頭的部分平面圖；圖2B是沿圖2A中的線B-B』截取的截面圖；以及圖3A至3F是截面圖，用於說明根據本發明實施例的、製造圖2A和2B所示壓電致動器的方法。
具體實施例方式
現在將參照附圖更加全面地描述本發明，所述附圖示出了本發明的示例性實施例。在附圖中，相同的標號表示相同的元件，並且為了清楚起見，區域和層的厚度都被放大了。應該理解，當提到一個層位於另一個層或襯底「之上」時，所述一個層可以直接位於所述另一層或襯底之上，或者可以出現中間層。
圖2A是具有根據本發明實施例的壓電致動器的壓電噴墨頭的部分平面圖，圖2B是沿圖2A中的線B-B』截取的截面圖。
參照圖2A和2B，壓電噴墨頭包括形成墨流通道的多個板。所述多個板可以是三個流動通道板110、振動板120和噴嘴板130。歧管111、多個限流部112和多個壓力室113形成在流動通道板110中，振動板120連接到流動通道板110的頂面上以覆蓋壓力室113。噴嘴板130連接到流動通道板110的底面。多個噴嘴131穿過噴嘴板130形成。
圖2A和2B中所示墨流通道的結構是示例性的。也就是說，可以利用不同數量的板替代所述三塊板110、120和130，將壓電噴墨頭的墨流通道形成為具有不同的結構。例如，振動板120可以與流動通道板110一體形成，並且/或者噴嘴板130可以與流動通道板110一體形成。
壓電致動器140形成在振動板120上，以通過使振動板120變形，向響應的壓力室113提供噴墨力。
每個壓電致動器140包括作為公共電極的下電極141、可響應於施加於其上的電壓發生變形的壓電層142和作為驅動電極的上電極143。下電極141、壓電層142和上電極143順序地形成在振動板120上。特別是，壓電致動器140還包括用於支撐上電極143的一部分的支撐墊144。例如FPC 150之類的驅動電路在支撐墊144上方與上電極143連接，以便向上電極143施加電壓。
具體而言，壓電致動器140的下電極141形成在振動板120上。下電極141由導電金屬形成。可以形成單個金屬層作為下電極141，或者也可以形成諸如Ti層或Pt層之類的兩個金屬層來作為下電極。同時，可以在振動板120的頂面上形成絕緣層121，然後將下電極形成在絕緣層121的頂面上，以便實現振動板120與下電極141之間的絕緣。
壓電層142在對應於各個壓力室113的區域處形成在下電極141上。壓電層142的形狀對應於壓力室113的形狀。特別是，壓電層142的長度可以基本上等於或略微大於壓力室113的長度。壓電層142由壓電材料形成。壓電層142可以由諸如鋯鈦酸鉛(PZT)之類的陶瓷材料形成。
如上所述，壓電致動器140的壓電層142比傳統壓電層短得多，使得壓電層142的電容、電負載、響應時間可以減小，並且可以改善壓電層142的耐用性。
支撐墊144形成在下電極141上。支撐墊144接觸壓電層142的端部，並從壓電層142的該端部延伸出。如圖2A所示支撐墊144沿著多個壓電層142具有長形形狀，不過支撐墊144也可以具有對應於各個壓電層的形狀。
支撐墊144可以具有與壓電層142大致相同的高度。這種情況下，上電極143可以方便地形成在壓電層142和支撐墊144上。支撐墊144由絕緣材料形成，用於在下電極141和上電極143之間實現絕緣。例如，支撐層144可以由例如光刻膠之類的光敏聚合物形成。
上電極143從壓電層142的頂面延伸至支撐墊144的頂面。上電極143具有形成在壓電層142上的第一部分143a和形成在支撐墊144上的第二部分143b。由於支撐墊144較寬，所以上電極143可以形成為使得第二部分143b比第一部分143a更寬。
驅動電路連接到上電極143上，用於向壓電致動器140施加電壓。具有信號線151的FPC 150可以用作驅動電路。特別地，FPC 150的多個信號線151分別連接至上電極143的多個第二部分143b的頂面上。這裡，由於上電極143的第二部分143b較寬，所以信號線151與第二部分143b之間的接觸表面較寬，使得信號線151與第二部分143b之間的連接強度可以得到提高。此外，即使FPC 150的信號線151沒有與上電極143的第二部分143b精確對準，由於第二部分143b較寬，所以信號線151也能連接到第二部分143b上，從而減小連接失效的可能性。
現在將根據本發明實施例描述製造噴墨頭壓電致動器的方法。
圖3A至3F是截面圖，用於說明根據本發明實施例的、製造圖2A和2B所示的壓電致動器的方法。
參照圖3A，下電極141形成在振動板120上，作為公共電極。同時，在下電極141形成在振動板120之前，可以在振動板120的整個表面上形成絕緣層121，以在振動板120和下電極141之間實現絕緣。這種情況下，下電極141可以形成在絕緣層121的整個表面上。在振動板120由矽襯底形成的情況下，絕緣層121可以由氧化矽形成。下電極141可以通過在振動板120或絕緣層121的整個表面上沉積預定厚度的導電金屬而形成。下電極141可以形成為單個金屬層或諸如Ti層和Pt層的兩個金屬層。在後一種情況下，Ti層可以通過濺射形成為厚度約為400，Pt層可以通過濺射形成為厚度約為5000。
參照圖3B，壓電層142形成在下電極141上，位於各個壓力室113上方。這裡，壓電層142形成為對應於壓力室113的形狀。壓電層142的長度可以基本上等於或者略微大於壓力室113的長度。壓電層142可以通過以下方法形成，即，在下電極141上絲網印刷預定厚度的例如PZT陶瓷漿料之類的壓電材料漿料，使所印刷的漿料乾燥，並在大約900℃到1200℃的溫度範圍下使經乾燥的漿料燒結。
參照圖3C，諸如光刻膠160之類的光敏聚合物形成在下電極141上和壓電層142上。光刻膠160可以通過旋塗形成。
參照圖3D，通過將光刻膠160構圖成預定形狀，形成支撐墊144。光刻膠160可以通過包括曝光和顯影的已知光刻方法來構圖。這裡，如上所述，支撐墊144接觸壓電層142的一端並延伸。支撐墊144可以具有與壓電層142大致相同的高度。為此，具有高粘度的光刻膠可以用於形成支撐墊144，以減小壓電層142與支撐墊144之間的高度差，或者壓電層142和支撐墊144可以通過化學機械拋光法(CMP)被拋光至具有相同高度。
參照圖3E，上電極143(驅動電極)形成在壓電層142和支撐墊144的頂面上。這裡，上電極143具有形成在壓電層142上的第一部分143a和形成在支撐墊144上的第二部分143b，並且第二部分143b可以比第一部分143a更寬。上電極143可以通過在壓電層142和支撐墊144的頂面上絲網印刷電極材料漿料並將所印刷的漿料乾燥和燒結而形成。這裡，由於由光刻膠形成的支撐墊144可能在上電極143的燒結過程中由於受熱而被損，所以上電極143可以由能夠在較低溫度下固化的電極材料漿料形成。或者，上電極143可以通過使用蔭罩利用濺射、汽化器或電子束沉積預定厚度的導電材料而形成在壓電層142和支撐墊144的頂面上。
參照圖3F，驅動電路的信號線，例如FPC 150的信號線151，連接到形成在支撐墊144上方的上電極143的第二部分143b上，以便向上電極143施加電壓。
通過這些操作，形成了壓電致動器140。在壓電致動器140中，壓電層142和支撐墊144形成在下電極141上，上電極143形成在壓電層142和支撐墊144上，並且FPC 150連接到形成在支撐墊144上的上電極143的第二部分143b上。
如上所述，根據本發明，通過從壓電層的端部延伸形成支撐墊並在支撐墊上方連接上電極和FPC，減小了壓電層的長度。因此，可以減小壓電層的電容、電負載和響應時間，並且可以改善壓電層的耐久性。
此外，由於支撐墊較寬，所以上電極在形成於支撐墊上的部分處可以較寬。因此，FPC可以更為牢固地連接到上電極上，可以防止由於對準誤差造成的連接失效，從而可以將FPC更可靠地連接到壓電致動器上。
儘管已經參照本發明的示例性實施例對其進行了具體圖示和描述，但是本領域普通技術人員可以理解，在不背離所附權利要求限定的本發明的精神和範圍的情況下，可以對所述實施例做出形式和細節上的各種改變。
權利要求
1.一種用於噴墨頭的壓電致動器，該壓電致動器形成在振動板上，用於向各個壓力室提供驅動力，所述壓電致動器包括形成在所述振動板上的下電極；形成在所述下電極上、處於對應於所述各個壓力室的位置的壓電層；形成在所述下電極上的支撐墊，該支撐墊接觸所述壓電層的一端並從壓電層的該端延伸出；和從所述壓電層的頂面延伸至所述支撐墊的頂面的上電極，其中，所述上電極在所述支撐墊上方連接至一驅動電路，用於從該驅動電路接收電壓。
2.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，在所述振動板和下電極之間形成一絕緣層。
3.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，所述壓電層具有與所述壓力室大致相同的長度。
4.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，所述支撐墊具有與所述壓電層大致相同的高度。
5.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，所述支撐墊由絕緣材料形成。
6.如權利要求5所述的壓電致動器，其中，所述支撐墊由光敏聚合物形成。
7.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，所述上電極包括形成在所述壓電層上的第一部分和形成在所述支撐墊上的第二部分，該第二部分比第一部分寬。
8.如權利要求1所述的壓電致動器，其中，所述驅動電路是具有連接至所述上電極的信號線的柔性印刷電路。
9.一種製造用於噴墨頭的壓電致動器的方法，所述壓電致動器形成在振動板上，用於向各個壓力室提供驅動力，所述方法包括在所述振動板上形成下電極；在所述下電極上、在對應於所述各個壓力室的位置處形成壓電層；在所述下電極上形成支撐墊，該支撐墊接觸所述壓電層的一端並從壓電層的該端延伸出；形成從所述壓電層的頂面延伸至所述支撐墊的頂面的上電極；以及將一驅動電路連接至所述支撐墊上方的所述上電極，以便向所述上電極施加電壓。
10.如權利要求9所述的方法，其中，形成下電極的步驟包括在所述振動板上形成絕緣層；以及在該絕緣層上形成下電極。
11.如權利要求9所述的方法，其中，所述壓電層具有與所述壓力室大致相同的長度。
12.如權利要求9所述的方法，其中，形成壓電層的步驟包括；通過絲網印刷在所述下電極的頂面上塗覆壓電材料漿料；以及將所述壓電材料漿料乾燥並燒結。
13.如權利要求9所述的方法，其中，所述支撐墊具有與所述壓電層大致相同的高度。
14.如權利要求9所述的方法，其中，形成支撐墊的步驟包括在所述下電極和壓電層上塗覆光敏聚合物；以及對該光敏聚合物構圖。
15.如權利要求14所述的方法，其中，形成支撐墊的步驟還包括通過化學機械拋光法將所述壓電層和支撐墊的頂面調節至相同的高度。
16.如權利要求9所述的方法，其中，所述上電極包括形成在所述壓電層上的第一部分和形成在所述支撐墊上的第二部分，所述第二部分比第一部分寬。
17.如權利要求9所述的方法，其中，所述上電極是通過在所述壓電層和支撐墊的頂面上絲網印刷電極材料漿料而形成的。
18.如權利要求9所述的方法，其中，所述上電極是通過利用濺射、汽化器和電子束之一在所述壓電層和支撐墊的頂面上沉積預定厚度的導電金屬而形成的。
19.如權利要求9所述的方法，其中，所述驅動電路是具有連接至所述上電極的信號線的柔性印刷電路。
全文摘要
本發明提供了用於噴墨頭的壓電致動器及其製造方法。所述壓電致動器形成在振動板上，用於向各個壓力室提供驅動力。該壓電致動器包括形成在所述振動板上的下電極；形成在下電極上、處於對應於各個壓力室的位置的壓電層；形成在下電極上的支撐墊，該支撐墊接觸壓電層的一端並從壓電層的該端延伸出；和從壓電層頂面延伸至支撐墊頂面的上電極，其中，上電極在支撐墊上方連接至一驅動電路，用於從該驅動電路接收電壓。壓電層可以具有與壓力室大致相同的長度。支撐墊可以由光敏聚合物形成，並可以具有與壓電層大致相同的高度。上電極可以包括形成在壓電層上的第一部分和形成在支撐墊上的第二部分，該第二部分比第一部分寬。
文檔編號H01L41/22GK101026220SQ20061013606
公開日2007年8月29日 申請日期2006年10月20日 優先權日2006年2月20日
發明者李泰京, 鄭在佑, 李教烈, 李華善, 林承模, 李在昌 申請人:三星電子株式會社