噴液頭、噴液裝置及致動裝置的製作方法

2023-05-10 21:58:51

專利名稱：噴液頭、噴液裝置及致動裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及噴液頭、噴液裝置和致動裝置。
背景技術：
就噴墨式記錄頭而言，存在使用作為壓電元件的彎曲振動模式的致動裝置的噴墨 式記錄頭，該噴墨式記錄頭中，與排出墨的噴嘴開口連通的壓力發生室的一部分由振動板 構成，通過壓電元件使該振動板變形而對壓力發生室的墨加壓，使墨從噴嘴開口排出。而且，作為彎曲振動模式的致動裝置，有例如遍及振動板的整個表面通過成膜技 術形成均勻的壓電材料層、通過光刻法將該壓電材料層劃分成與壓力發生室相對應的形狀 而按每個壓力發生室獨立地形成壓電元件的致動裝置。這樣的壓電元件，存 在例如由於溼 氣等外部環境而易於被損壞這樣的問題。因此，作為使得能防止這樣的壓電元件的損壞並且不會阻礙壓電元件的變形的噴 頭結構，已知下述結構僅僅從構成壓電元件的第二電極的表面的周緣部到壓電體層的側 面被包含氧化矽、氮化矽、有機材料、優選感光性聚醯亞胺的薄的絕緣體膜覆蓋(例如參照 專利文獻1)。專利文獻1 日本專利第3552013號(第4頁、圖4等)但是，在專利文獻1的構成中，在壓電元件彎曲變形時，應力集中於被露出的區域 的端部附近，存在有時會損壞壓電元件這樣的問題。另外，這樣的問題，不僅在排出墨的噴墨式記錄頭中存在，即使在噴射墨以外的其 它液體的噴液頭中也同樣存在。

發明內容
本發明，鑑於這樣的情況，其目的在於提供一種抑制應力集中、抑制壓電元件的損 壞的噴液頭、噴液裝置以及致動裝置。本發明的噴液頭，其特徵在於，具備壓電元件，其包括設置於設置有與噴射液體 的噴嘴開口相連通的壓力發生室的流路形成基板的一面側的第一電極、壓電體層和第二電 極；和保護膜，其覆蓋該壓電元件並且設有使所述第二電極的上表面露出的開口部，由無機 絕緣材料形成，所述壓電元件在所述壓電元件的驅動時以向所述壓力發生室側變凸的方式 變形，所述保護膜的所述開口部的、在所述壓力發生室的長度方向的端部，與該變形時的所 述壓電元件的在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的 區域相比，位於中央側。在本發明的噴液頭中，所述保護膜的在所述壓力發生室的長度方向 的端部，與所述壓電元件的在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力 發生室側的區域、即拉伸方向的應力作用於保護膜側的壓電體層的區域相比，位於中央側， 從而使拉伸方向的應力不會作用於保護膜的開口部的端部，所以能夠避免應力集中，由此 能夠抑制壓電元件的損壞。這裡，優選，所述第一電極，夾著振動板設置於流路形成基板的一面側，所述第一電極的在所述壓力發生室的長度方向的端部，與所述振動板以及所述壓電元件的在所述壓 力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域相比，位於中央側； 所述保護膜的所述開口部的在所述壓力發生室的長度方向的所述端部，位於該第一電極之 上。通過使保護膜的開口部的在所述壓力發生室的長度方向的端部，與所述振動板以及所 述壓電元件的在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的 區域、即拉伸方向的應力作用於所述保護膜側的壓電體層的區域相比，位於中央側的第一 電極之上，使得保護膜的開口部的在所述壓力發生室的長度方向的端部不位於拉伸方向的 應力所作用的區域，並且使其位於第一電極上的、應力難以作用的區域，所以能夠進一步避 免應力集中，由此能夠抑制壓電元件的損壞。在這樣的情況下，鑑於構圖精度，優選，所述保護膜的所述開口部的在所述壓力發 生室的長度方向的所述端部與所述第一電極的在所述壓力發生室的長度方向的端部的距 離至少在10 μ m以上。
本發明的噴液裝置，其特徵在於，具備前述的任意一種噴液頭。通過具備前述的任 意一種噴液頭，能夠抑制壓電元件的損壞。本發明的致動裝置，其特徵在於，具備壓電元件，其包括設置於設有凹部的基板 的與凹部相對向的區域的第一電極、壓電體層以及第二電極；和保護膜，其覆蓋該壓電元件 並且設有使所述第二電極的表面露出的開口部，包括無機絕緣材料，所述壓電元件在所述 壓電元件的驅動時以向所述壓力發生室側變凸的方式變形，所述保護膜的所述開口部的在 所述壓力發生室的長度方向的端部，與該變形時的所述壓電元件的在所述壓力發生室的周 壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域相比，位於中央側。在本發明的致 動裝置中，通過使所述保護膜的所述開口部的在所述壓力發生室的長度方向的端部，與拉 伸方向的應力作用於所述壓電體層的保護膜側的區域相比，位於中央側，使得拉伸方向的 應力不作用於開口部的端部，所以能夠避免應力集中，由此能夠抑制壓電元件的損壞。


圖1是表示本實施方式中的記錄頭的概略構成的分解立體圖。圖2(a)是本實施方式中的記錄頭的要部俯視圖，圖2(b)是其剖視圖。圖3(a)是本實施方式中的記錄頭的剖視圖，圖3(b)是其要部俯視圖。圖4是表示本實施方式中的記錄裝置的概略構成的立體圖。符號說明I 噴墨式記錄頭 II 噴墨式記錄裝置10流路形成基板 12壓力發生室13連通部14墨供給通路20噴嘴板 21噴嘴開口 30保護基板31壓電元件保持部32貯存室部40柔性基板60第一電極70壓電體層 80第二電極 90引線電極100保護膜101開口部 110貯存室 200驅動電路 210連接布線300壓電元件 320壓電體有源部
具體實施例方式以下，基於實施方式，詳細說明本發明。(實施方式1)圖1是表示本發明的實施方式1中的噴墨式記錄頭的概略構成的分解立體圖，圖 2(a)是噴墨式記錄頭的要部俯視圖，圖2(b)是圖2(a)的A-A'剖視圖。如圖所示，噴墨式 記錄頭I的流路形成基板10，由單晶矽基板構成，在其一面預先形成有由通過熱氧化而形 成的二氧化矽形成的厚度為0. 5 2 μ m的彈性膜50。在流路形成基板10，在其寬度方向 上並排設置有由分隔壁11劃分出的多個壓力發生室12。另外，在流路形成基板10的壓力 發生室12的長度方向外側的區域形成有連通部13，連通部13和各壓力發生室12，經由按 各壓力發生室12設置的墨供給通 路14相連通。另外，連通部13，構成與後述的保護基板的 貯存室部連通而構成成為各壓力發生室12的共同的墨室的貯存室的一部分。墨供給通路 14，以窄於壓力發生室12的寬度形成，將從連通部13流入壓力發生室12的墨的流路阻力 保持為一定。另外，在流路形成基板10的開口面側，夾著後述的掩蔽(mask)膜通過粘接劑和/ 或熱熔敷膜等附著固定有穿通設置有噴嘴開口 21的噴嘴板20，該噴嘴開口 21與各壓力發 生室12的、與墨供給通路14相反一側的端部附近相連通。另一方面，在流路形成基板10的與開口面相反一側，如上所述，形成有包含二氧 化矽的厚度為例如約ι. ο μ m的彈性膜50，在該彈性膜50上層疊形成有例如包含氧化鋯 (ZrO2)等的絕緣體膜55。另外，絕緣體膜55上形成有包括第一電極60、壓電體層70和第 二電極80的壓電元件300。這裡，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 般來說，將壓電元件300的任意一個電極作為共用電極，按各壓力發生室12的每個對另一 個電極以及壓電體層70進行圖形化而構成。而且，這裡將由被圖形化了的任意一個電極以 及壓電體層70構成的、由於向兩電極的電壓的施加而發生壓電變形的部分稱為壓電體有 源部320。在本實施方式中，將第一電極60作為壓電元件300的共用電極，將第二電極80 作為壓電元件300的分體電極，但根據驅動電路和/或布線的情況也可以將其相反地設定。 在任一種情況下，都按各壓力發生室12形成了壓電體有源部320。另外，在本實施方式中，通過將第一電極60的在壓力發生室12的長度方向的端部 設置在與壓力發生室12相對向的區域內，從而規定了壓電元件300的成為實質的驅動部的 壓電體有源部320的較長方向的端部(長度)。另外，通過將壓電體層70以及第二電極80 的在壓力發生室12的寬度方向的端部設置在與壓力發生室12相對向的區域內，從而規定 了壓電體有源部320的較短方向的端部(寬度)。即，壓電體有源部320，通過被圖形化了 的第一電極60以及第二電極80，僅被設置在與壓力發生室12相對向的區域。另外，這裡將由於驅動而發生移位的壓電元件300稱為致動裝置。另外，在本實施 方式中，遍及多個壓電元件300的並列設置方向來設置第一電極60，以使得第一電極60的 在壓力發生室12的長度方向的端部位於與壓力發生室12相對向的位置的方式設置。另 夕卜，在上述的例子中，彈性膜50、絕緣體膜55以及第一電極60作為與壓電元件300 —起變 形的振動板起作用，但當然不限定於此，也可以例如不設置彈性膜50和絕緣體膜55，僅使 得第一電極60作為振動板起作用。
而且，構成壓電元件300的第一電極60、壓電體層70以及第二電極80 (壓電體有 源部320)，由包含具有耐溼性的絕緣材料的保護膜100覆蓋。具體而言，保護膜100，以覆 蓋壓電體層70的側面和第二電極80的上表面的周緣的方式設置。即，在第二電極80的上 表面的主要部分，沒有設置保護膜100，而設有用於露出第二電極80的上表面的主要部分 的開口部101。開口部101，是在厚度方向上貫通保護膜100而沿著壓電元件300的長度方 向(壓力發生室12的長度方向)開口為矩形的開口部，例如在遍及流路形成基板10上的 整個面形成了保護膜100之後，能夠通過有選擇地圖形化而形成。通過這樣用保護膜100覆蓋壓電元件300，從而能夠抑制由於大氣中的水分等所 導致的壓電元件300的損壞。這裡，作為這樣的保護膜100的材料，只要是具有耐溼性的材 料即可，優選，使用例如氧化矽(SiOx)、氧化鉭(TaOx)、氧化鋁(AlOx)等的無機絕緣材料，尤 其優選，使用作為無機非晶材料的氧化鋁(A10x)，例如三氧化二鋁(Al2O3)。在作為保護膜 100的材料使用了氧化鋁的情況下，即使保護膜100的膜厚為IOOnm左右形成得比較薄，也 能夠在高溼度環境下充分防止水分透過。另外，通過在保護膜100設有開口部101，不會阻 礙壓電元件300的移位，能夠保持墨排出特性良好。在本實施方式中，通過如下說明那樣構成了壓電元件300以及保護膜100，從而抑 制了保 護膜100的開口部的端部的應力集中。其結果，在本實施方式的致動裝置中，能夠抑 制壓電元件的損壞。以下，也使用圖3對壓電元件300以及保護膜100的構成進行說明。圖3 (a)是驅 動時的噴墨式記錄頭的壓力發生室的長度方向的要部剖面放大圖。在驅動時，通過對第一 電極60和第二電極80之間施加電壓，從而如圖3(a)所示，壓電體層70收縮，使得壓電元 件300以及振動板以向壓力發生室12側變凸的方式變形。此時，在壓力發生室12的長度 方向的端部附近，尤其是在壓力發生室12的長度方向的壁部16(周壁)部分附近，壓電元 件300以及振動板大幅彎曲。在該壓力發生室12的周壁部分附近的壓電元件300以及振 動板的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域Si，對保護膜100側的壓電體層70作 用拉伸方向的應力。在壓電元件300以及振動板的彎曲形狀的曲率中心處於壓電元件保持 部31側的區域S2，對保護膜100側的壓電體層70作用收縮方向的應力。設置於保護膜100的開口部101的長度方向的端部E1，與該彎曲形狀的曲率中心 位於壓力發生室12側、對保護膜100側的壓電體層70作用拉伸方向的應力的區域Sl相比， 以位於中央部側的方式設置。這是因為，如上所述在驅動時壓電體層70沿收縮方向作用， 所以如果在對保護膜100側的壓電體層70作用拉伸方向的應力的區域設置有開口部101 的端部E1，則相反方向的應力作用於端部E1，所以在該端部El發生應力集中，成為壓電元 件的損壞的原因。在本實施方式中，該開口部101的端部E1，以與該拉伸方向的應力所作用 的區域Sl以及收縮方向的應力所作用的區域S2相比更靠中央側的方式，設置於第一電極 60上(在俯視時重疊)、即以位於壓電體有源部320上的方式設置，從而進一步抑制應力集 中於端部，抑制壓電元件300的損壞。如果為了使移位效率提高而將開口部101的端部El設置在對應於第一電極60與 流路形成基板10的壁部16 (流路形成基板10的在壓電體層70的長度方向的側壁部)之 間的區域之上，則由於端部El位於區域Sl內，因而應力集中於端部E1，壓電元件300可能 會損壞。另外，如果將端部El形成在流路形成基板10的壁部16上，能夠使移位效率提高，但為了保持剛性必須使壓電元件300更為大型化，會導致噴墨式記錄頭I的大型化，因此不 優選。接下來，根據圖3(b)所示的俯視圖進行說明。如果為了使移位效率提高而將開口 部101的端部El設置在對應於第一電極60與流路形成基板10的壁部16之間的區域上，則 開口部101的端部El位於區域Sl內(參照圖中虛線A)，因此應力集中於開口部101的端 部，壓電元件損壞。另外，如果以處於流路形成基板10的壁部16上的方式形成端部El (參 照圖中虛線B)，能夠使移位效率提高，但由於開口部101的端部處於流路形成基板10的壁 部16上，跨壁部16上以及壓力發生室12上的剛性不同的區域部分形成了開口部101。這 樣一來，在壁部16和壓力發生室12的邊界部分C處容易發生應力集中，壓電元件會損壞。S卩，在本實施方式中，通過構成為使得端部El位於離開由於驅動時的變形而使拉 伸側的應力作用於壓電體層70的保護膜100側的區域Sl的位置，從而抑制在端部El的臺 階處發生的應力集中，能夠抑制壓電元件的損壞。另外，鑑於構圖精度，優選，開口部101的 端部El與第一電極60的在壓力發生室12的長度方向的端部E2的距離至少在10 μ m以上。

另外，壓電體有源部320的長度方向的端部、即第一電極60的端部E2，為了不對 其作用拉伸應力而形成為與區域Sl相比、位置靠近中央。另外，如果形成為壓電體有源部 320的長度方向的端部E2不位於區域Si，則能夠抑制拉伸方向的應力集中。因此，該端部 E2也可以設置在例如壁部16上。另外，在本實施方式中，如圖2(b)所示，遍及多個壓電元件300 (壓電體有源部 320)連續地設置保護膜100，但也不特別限定於此，也可以例如按各壓電元件300設置保護 膜 100。在該保護膜100上設有例如包含金(Au)等的引線電極90。引線電極90，通過設 置於保護膜100的其他的開口部100a，一端部連接於第二電極80。另外，在形成有壓電元件300的流路形成基板10上，在與壓電元件300相對向的 區域通過粘接劑35接合有具有壓電元件保持部31的保護基板30，該壓電元件保持部31具 有不會阻礙壓電元件300的運動那種程度的空間。另外，壓電元件保持部31，只要具有不會 阻礙壓電元件300的運動那種程度的空間即可，該空間可以是被密封的，也可以是不被密 封的。另外，在保護基板30，在與連通部13相對向的區域設置有貯存器部32，該貯存器 部32，如上所述，與流路形成基板10的連通部13相連通而構成成為各壓力發生室12的共 同的墨室的貯存器110。另外，在保護基板30的壓電元件保持部31與貯存器部32之間的 區域，設置有在厚度方向貫通保護基板30的貫通孔33，在該貫通孔33內露出了第一電極 60的一部分和引線電極90的前端部。該前端部，通過連接布線與後述的驅動壓電元件300 的驅動電路相連接。另外，在保護基板30上固定有用於驅動壓電元件300的驅動電路200。作為該驅 動電路200，能夠使用例如電路基板和/或半導體集成電路(IC)等。而且，驅動電路200和 引線電極90，通過包括鍵合線等的導電線的連接布線210電連接。作為保護基板30，優選，使用與流路形成基板10的熱膨脹率大致一樣的材料，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同一材料的單晶矽基板而 形成。
在保護基板30上，接合有包括密封膜41和固定板42的柔性基板40。這裡，密封 膜41，包含剛性低並具有柔性的材料(例如厚度為6 μ m的聚苯硫醚(PPS)膜)，通過該密 封膜41密封了貯存器部32的一個面。另外，固定板42，由金屬等的硬質材料(例如厚度為 30μπι的不鏽鋼(SUS)等)形成。該固定板42的與貯存器相對向的區域，成為在厚度方向 上被完全去除了的開口部43，因此僅靠具有柔性的密封膜41密封了貯存器的一個面。在這樣的本實施方式的噴墨式記錄頭中，從沒有圖示的外部墨供給單元獲取膜， 在從貯存器110到噴嘴開口 21為止在內部充滿墨之後，按照來自驅動電路200的記錄信 號，對與壓力發生室12相對應的各個第一電極60與第二電極80之間施加電壓，使彈性膜 51、第一電極60和壓電體層70彎曲變形，從而提高各壓力發生室12內的壓力而從噴嘴開 口 21排出墨滴。(其他的實施方式)以上，對本發明的實施方式進行了說明，但本發明並不限定於上述的實施方式。例 如在上述實施方式1中，設置具有壓電元件保持部31的保護基板30，但壓電元件300被保 護膜100覆蓋而防止了由於外部環境所導致的損壞，因此也可以形成為在厚度方向上貫通 保護基板30的壓電元件保持部，此外也可以不設置保護基板。 另外，本實施方式的噴墨式記錄頭I，構成具有與墨盒等相連通的墨流路的記錄頭 單元的一部分，被搭載於噴墨式記錄裝置II。圖4是表示該噴墨式記錄裝置的一個例子的 概略圖。如圖4所示，具有噴墨式記錄頭I的記錄頭單元IA以及1Β，可裝卸地安裝有構成 墨供給單元的墨盒2Α以及2Β，搭載有該記錄頭單元IA以及IB的滑架3，在軸方向上移動 自如地設置於安裝於裝置主體4的滑架軸5。該記錄頭單元IA以及1Β，作為分別排出例如 黑墨組成物和彩色墨組成物的單元。而且，將驅動電動機6的驅動力通過沒有圖示的多個齒輪以及定時帶7傳遞至滑 架3，從而使搭載有記錄頭單元IA以及IB的滑架3沿著滑架軸5移動。另一方面，在裝置 主體4沿著滑架軸5設置有壓印板(platerOS，使得由沒有圖示的供紙輥等所供給的紙等的 記錄介質即記錄片S卷掛於壓印板8而被運送。另外，在上述的實施方式1中，作為噴液頭的一個例子舉出噴墨式記錄頭進行了 說明，但本發明廣泛地以所有噴液頭為對象，當然也能夠適用於噴射墨以外的液體的噴液 頭。作為其他的噴液頭，例如可以舉出用於印表機等的圖像記錄裝置的各種記錄頭、用於 液晶顯示器等的濾色器的製造的色材噴射頭、用於有機EL顯示器、FED (面發光顯示器)等 的電極形成的電極材料噴射頭、用於生物晶片製造的生物體有機物噴射頭等。而且，本發 明，不僅適用於作為壓力發生單元而搭載於這樣的噴液頭的致動裝置，還適用於搭載於任 何裝置的致動裝置。例如致動裝置，除了上述排出頭之外，也能夠適用於傳感器等。
權利要求
一種噴液頭，其特徵在於，具備壓電元件，所述壓電元件包括第一電極、壓電體層和第二電極，所述第一電極、壓電體層和第二電極設置於流路形成基板的一面側，所述流路形成基板設置有與噴射液體的噴嘴開口相連通的壓力發生室；和保護膜，所述保護膜由無機絕緣材料形成，覆蓋所述壓電元件並且設置有使所述第二電極的上表面露出的開口部，所述壓電元件在所述壓電元件的驅動時，以向所述壓力發生室側凸出的方式變形，所述保護膜的所述開口部在所述壓力發生室的長度方向上的端部，與該變形時的所述壓電元件在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域相比，位於中央側。
2.根據權利要求1所述的噴液頭，其特徵在於，所述第一電極，夾著振動板設置於流路形成基板的一面側，所述第一電極在所述壓力發生室的長度方向上的端部，與所述振動板以及所述壓電元 件在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域相比，位 於中央側；所述保護膜的所述開口部在所述壓力發生室的長度方向上的所述端部，位於該第一電 極之上。
3.根據權利要求2所述的噴液頭，其特徵在於，所述保護膜的所述開口部在所述壓力發生室的長度方向上的所述端部與所述第一電 極在所述壓力發生室的長度方向上的端部的距離，至少為10 μ m以上。
4.一種噴液裝置，其特徵在於，具備權利要求1至3中任一項所述的噴液頭。
5.一種致動裝置，其特徵在於，具備壓電元件，該壓電元件包括第一電極、壓電體層以及第二電極，所述第一電極、壓 電體層以及第二電極設置於設置有凹部的基板的與凹部相對向的區域；和保護膜，所述保 護膜由無機絕緣材料形成，覆蓋所述壓電元件並且設置有使所述第二電極的表面露出的開 口部，所述壓電元件在所述壓電元件的驅動時，以向所述壓力發生室側凸出的方式變形，所 述保護膜的所述開口部在所述壓力發生室的長度方向上的端部，與該變形時的所述壓電元 件在所述壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域相比，位 於中央側。
全文摘要
本發明提供抑制應力集中、抑制壓電元件損壞的噴液頭、噴液裝置和致動裝置。本發明的噴液頭具備壓電元件(300)，包括設置於設置有與噴射液體的噴嘴開口(21)連通的壓力發生室(12)的流路形成基板(10)的一面側的第一電極(60)、壓電體層(70)和第二電極(80)；和保護膜(100)，覆蓋壓電元件並設有使第二電極的上表面露出的開口部(101)，包含無機絕緣材料，壓電元件在壓電元件的驅動時以向壓力發生室側變凸的方式變形，保護膜的開口部在壓力發生室的長度方向的端部(E1)與該變形時的壓電元件在壓力發生室的周壁附近的彎曲形狀的曲率中心處於壓力發生室側的區域(S1)相比位於中央側。噴液裝置具備該噴液頭。
文檔編號B41J2/14GK101844443SQ2010101432
公開日2010年9月29日 申請日期2010年3月26日 優先權日2009年3月26日
發明者平井榮樹, 矢崎士郎 申請人:精工愛普生株式會社