專利名稱：致動(dòng)器裝置、液體噴射頭以及液體噴射裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用了壓電元件的致動(dòng)器裝置、具有作為驅(qū)動(dòng)源的致動(dòng)器裝置的液體噴射頭、以及液體噴射裝置，其中所述壓電元件具有抑制了極化方向的變動(dòng)的壓電體層，所述驅(qū)動(dòng)源用于噴射液滴。
背景技術(shù)：
具有因施加電壓而導(dǎo)致位移的壓電元件的致動(dòng)器裝置例如被安裝在噴射液滴的液體噴射頭等上。作為具有該液體噴射頭的液體噴射裝置，例如有如下的噴墨式記錄裝置，該噴墨式記錄裝置具有噴墨式記錄頭，該噴墨式記錄頭具有多個(gè)壓力產(chǎn)生室，通過壓電元件或發(fā)熱元件等壓力產(chǎn)生單元來產(chǎn)生用于噴出墨滴的壓力；共用貯液器，向各個(gè)壓力產(chǎn)生室供應(yīng)墨水；以及噴嘴開口，與各個(gè)壓力產(chǎn)生室連通。在該噴墨式記錄裝置中，與打印信號相對應(yīng)，向與噴嘴連通的壓力產(chǎn)生室內(nèi)的墨水施加噴出能量從而自噴嘴開口噴出墨滴。
該噴墨式記錄裝置大致分為兩類，一種是如前所述在壓力產(chǎn)生室內(nèi)設(shè)置作為壓力產(chǎn)生裝置的電阻絲等發(fā)熱元件，該發(fā)熱元件根據(jù)驅(qū)動(dòng)信號產(chǎn)生焦耳熱，通過由該發(fā)熱元件產(chǎn)生的氣泡而從噴嘴開口噴出墨滴；另一種是壓電振動(dòng)式由振動(dòng)板構(gòu)成壓力產(chǎn)生室的一部分，通過壓電元件使該振動(dòng)板變形，從而自噴嘴開口噴出墨滴。
另外，在壓電振動(dòng)式的噴墨式記錄頭中，已經(jīng)得到實(shí)際應(yīng)用的有兩種，一種使用使壓電元件在軸向上伸長、收縮的縱振動(dòng)模式的壓電致動(dòng)器，另一種使用彎曲振動(dòng)模式的壓電致動(dòng)器。
在這里，例如通過在單晶硅基板的一面?zhèn)软槾螌盈B下電極、壓電體層、以及上電極來形成壓電元件。此時(shí)，下電極的結(jié)晶性受到作為其基底的單晶硅基板的面取向的影響，成為與單晶硅基板的面取向相同的取向。而且，層疊在該下電極上的壓電體層的結(jié)晶性也同樣受到其基底的影響而成為與下電極的面取向相同的取向。
另外，實(shí)際情況下，在單晶硅基板的一面?zhèn)壤珙A(yù)先設(shè)置有作為下電極的基底的氧化硅層等無定形(非晶質(zhì))層。因此，下電極的結(jié)晶性不會(huì)在實(shí)質(zhì)上受到單晶硅基板的晶向的影響，表現(xiàn)出結(jié)晶的生長能量最小的取向。具體來說，如果例如由鉑(Pt)等來形成無定形層上的下電極的話，則面取向(111)向單晶硅基板的法線方向取向。而且，如果在該下電極上形成壓電體層的話，壓電體層的面取向?yàn)?111)取向。
另外，通過對單晶硅基板的、與壓電元件一側(cè)相反的另一面?zhèn)冗M(jìn)行各向異性蝕刻來形成壓力產(chǎn)生室。這樣，由于利用各向異性蝕刻來形成壓力產(chǎn)生室，所以通常需要使用面取向?yàn)?110)的單晶硅基板。
但是，為了在實(shí)質(zhì)上提高壓電體層的壓電特性，當(dāng)該晶系為菱形晶系時(shí)，優(yōu)選壓電體層的面取向?yàn)?100)取向。并且進(jìn)行了以下嘗試使用面取向(110)的基板來作為單晶硅基板，在該單晶硅基板的一面?zhèn)刃纬裳趸鑼右院螅谘趸鑼由闲纬?100)取向的下電極，使壓電體層為(100)取向，但是，發(fā)現(xiàn)使下電極呈(100)取向非常困難。
因此，通常在形成了例如由鉑、銥等構(gòu)成的(111)取向的下電極之后，在下電極上形成具有控制壓電體層的取向的功能的鈦(晶種)，并在該鈦上形成壓電體層。根據(jù)該方法，由于有作為基底的鈦，壓電體層不會(huì)受到下電極的影響而自由地生長，其面取向大多為(100)取向。由此，能夠容易地利用各向異性蝕刻來形成壓力產(chǎn)生室，并且可以使壓電體層的大部分取向?yàn)槊嫒∠?100)(參照專利文獻(xiàn)1)。
但是，即使設(shè)置了具有控制壓電體層取向的功能的鈦，由于通過自由生長來形成壓電體層，所以存在著取向發(fā)生變動(dòng)從而無法使面取向完全沿(100)取向的問題。另外，為了在下電極上形成鈦，要求嚴(yán)格的工序管理，因此存在著制造工序繁雜、制造效率低的問題。
另外，這樣的問題不僅存在于噴墨式記錄頭，毫無疑問其他液體噴射頭同樣會(huì)產(chǎn)生該問題。
專利文獻(xiàn)1日本專利文獻(xiàn)特開2001-274472號公報(bào)(權(quán)利要求書等)發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是鑒于以上問題而完成的，其目的在于提供一種具有壓電體層的致動(dòng)器裝置、具有作為驅(qū)動(dòng)源的致動(dòng)器裝置的液體噴射頭、以及液體噴射裝置，該壓電體層由抑制了極化方向的變動(dòng)的、無變形狀態(tài)的結(jié)晶構(gòu)成，該驅(qū)動(dòng)源用于噴射液滴。
為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明第一方式的致動(dòng)器裝置的特征在于，具有由設(shè)置在單結(jié)晶硅(Si)基板上的二氧化(SiO2)構(gòu)成的層、設(shè)置在由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的層上的至少一層緩沖層、以及設(shè)置在該緩沖層上并由面取向(100)的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層，并且還具有壓電元件，所述壓電元件包括下電極，設(shè)置在該基底層上并由面取向(100)的鉑(Pt)構(gòu)成；壓電體層，由面取向?yàn)?100)取向的鐵電體層構(gòu)成，所述壓電體層通過外延生長而形成在該下電極上，具有選自由正方晶系、單斜晶系、以及菱形晶系構(gòu)成的組中的至少一種晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系；以及設(shè)置在該壓電體層上的上電極。
在該第一方式中，通過使由鉑(Pt)構(gòu)成的下電極在由面取向(100)的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層上生長，將由鉑(Pt)構(gòu)成的下電極的面取向控制為(100)，并且通過使壓電體層在該由面取向?yàn)?100)的鉑(Pt)構(gòu)成的下電極上外延生長，可以使壓電體層沿沒有結(jié)晶變形的面取向(100)生長，從而成為抑制了極化方向的變動(dòng)的、無變形狀態(tài)的致動(dòng)器裝置。
本發(fā)明的第二方式為具有以下特征的第一方式的致動(dòng)器裝置所述緩沖層是至少由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層。
在該第二方式中，由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的緩沖層可以保持作為振動(dòng)板的剛性，并且即使鉛(Pb)從壓電體層洗提出來，也能夠防止鉛(Pb)擴(kuò)散至二氧化硅(SiO2)，從而更可靠地提高致動(dòng)器裝置的耐久性。
本發(fā)明的第三方式是具有以下特征的第一方式的致動(dòng)器裝置所述緩沖層具有由所述氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層、以及提高與所述基底層的粘合力的層。
在該第三方式中，通過設(shè)置由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層，可以保持作為振動(dòng)板的剛性，并且即使鉛(Pb)從壓電體層洗提出來，也能夠防止鉛(Pb)擴(kuò)散至二氧化(SiO2)，并且通過設(shè)置提高粘合力的層，可以提高由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層與由結(jié)晶性高的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層的粘合力。
本發(fā)明的第四方式是具有以下特征的第一方式的致動(dòng)器裝置所述緩沖層是防止所述壓電體層內(nèi)的鉛(Pb)擴(kuò)散至所述二氧化硅(SiO2)的層。
通過該第四方式，即使鉛(Pb)從壓電體層洗提出來，也可以防止鉛(Pb)擴(kuò)散至二氧化硅(SiO2)，從而更可靠地提高了致動(dòng)器裝置的耐久性。
本發(fā)明的第五方式是具有以下特征的第一方式的致動(dòng)器裝置所述壓電體層是單晶鐵電體薄膜、或者面內(nèi)無取向且在基板法線方向上取向的多晶鐵電體薄膜，其中所述單晶鐵電體薄膜由選自鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇((Ba，Sr)TiO3)、鈮鎂酸鉛(PMN)和鈦酸鉛(PT)的固溶體、以及弛豫鐵電體中的某一種構(gòu)成。
通過該第五方式，可以獲得足以實(shí)用的電致變形。
本發(fā)明第六方式是具有以下特征的第五方式的致動(dòng)器裝置所述單晶鐵電體薄膜或所述多晶鐵電體薄膜具有點(diǎn)缺陷。
通過該第六方式，能夠以低電壓來獲得大的變形。
本發(fā)明第七方式是具有以下特征的第一方式的致動(dòng)器裝置所述單晶硅(Si)基板是面取向?yàn)?110)的單晶硅基板。
在該第七方式中，即使基板的面取向?yàn)?110)，由于具有由面取向(100)的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層，因此下電極的面取向?yàn)?100)取向。
本發(fā)明第八方式的液體噴射頭的特征在于，具有作為壓力產(chǎn)生單元的第一方式的致動(dòng)器裝置，所述壓力產(chǎn)生單元使在所述基板上形成的壓力產(chǎn)生室產(chǎn)生壓力，該壓力用于從噴嘴開口噴出該壓力產(chǎn)生室內(nèi)的液體。
本發(fā)明第九方式的液體噴射裝置的特征在于，具有第八方式的液體噴射頭。
該第九方式的液體噴射裝置所具有的液體噴射頭具有作為壓力產(chǎn)生單元的、壓電特性優(yōu)良的致動(dòng)器裝置。


圖1是一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的分解立體圖；圖2是一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的平面圖和截面圖；圖3是表示一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的制造工序的截面圖；圖4是表示一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的制造工序的截面圖；圖5是表示一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的制造工序的截面圖；圖6是表示一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的制造工序的截面圖；圖7是一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射裝置的簡要立體圖。
具體實(shí)施例方式
下面，根據(jù)實(shí)施方式來詳細(xì)地說明本發(fā)明。
圖1是示出作為本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方式的液體噴射頭的一個(gè)例子的噴墨式記錄頭的概況的分解立體圖，圖2是圖1的俯視圖和沿A-A’線所取的截面圖。
在本實(shí)施方式中，流路形成基板10由面取向(110)的單晶硅構(gòu)成，在其一個(gè)表面上形成有由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的、厚度為0.5～2μm的彈性膜50。并且，在本實(shí)施方式中，該彈性膜50是由通過對作為單晶硅基板的流路形成基板10進(jìn)行熱氧化而形成氧化硅構(gòu)成的無定形(非晶質(zhì))膜，具有將流路形成基板10的表面狀態(tài)維持不變的平滑的表面狀態(tài)。
通過從單晶硅基板的一面?zhèn)葘ζ溥M(jìn)行各向異性蝕刻，在該流路形成基板10上沿寬度方向并列設(shè)置有多個(gè)被隔壁11區(qū)劃出的壓力產(chǎn)生室12。另外，在壓力產(chǎn)生室12的長度方向的外側(cè)形成有與后述的保護(hù)基板30的貯存部32連通的連通部13。另外，該連通部13在各個(gè)壓力產(chǎn)生室12的長度方向的一個(gè)端部處分別通過墨水供應(yīng)通路14與其連通。另外，連通部13與后述的保護(hù)基板的貯存部連通，并構(gòu)成各個(gè)壓力產(chǎn)生室12共用的墨水室、即貯存部的一部分。墨水供應(yīng)通路14比壓力產(chǎn)生室12的寬度窄，使得墨水從連通部13流入壓力產(chǎn)生室12時(shí)的流路阻力保持恒定。另外，在流路形成基板10的開口面一側(cè)間隔掩膜52固定有噴嘴板20，所述噴嘴板20在各個(gè)壓力產(chǎn)生室12的與墨水供應(yīng)通路14相反的一側(cè)貫穿設(shè)置有連通的噴嘴開口21。
在與流路形成基板10的開口面相反一側(cè)的彈性膜50上依次形成有緩沖層56、由鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層57、由鉑(Pt)構(gòu)成的下電極60、壓電體層70、以及上電極80。
在這里，壓電元件300由包括下電極60、壓電體層70、以及上電極80的部分構(gòu)成。壓電元件300由厚度例如大約為0.2μm的下電極60、厚度例如大約為1μm的壓電體層70、以及厚度例如大約為0.05μm的上電極80構(gòu)成。通常，將兩個(gè)電極中的任一個(gè)電極作為共用電極，并按每一個(gè)壓力產(chǎn)生室12對另一個(gè)電極及壓電體層70進(jìn)行圖案化，從而形成壓電元件300。而且，在這里，將由圖案化的某一個(gè)電極和壓電體層70構(gòu)成的、通過向兩個(gè)電極施加電壓而產(chǎn)生壓電變形的部分稱為壓電體能動(dòng)部。在本實(shí)施方式中，將下電極60作為壓電元件300的共用電極，將上電極80作為壓電元件300的專用電極，也可以按照驅(qū)動(dòng)電路或布線的情況而將其互換。在任一情況下，都可在每個(gè)壓力產(chǎn)生室中形成壓電體能動(dòng)部。另外，在這里，將壓電元件300和由于該壓電元件300的驅(qū)動(dòng)而產(chǎn)生位移的振動(dòng)板合稱為壓電致動(dòng)器。
在本發(fā)明中，緩沖層56可使用能夠有效防止從壓電元件300洗提出的金屬擴(kuò)散至彈性膜50、并具有適于用作振動(dòng)板的強(qiáng)度的層，另外，優(yōu)選使用與基底層57的粘合性良好的層。并且，最好對在緩沖層56上形成的基底層57的結(jié)晶取向沒有影響，只要滿足以上條件，既可以是無定形(非晶質(zhì))，也可以是結(jié)晶。在本實(shí)施方式中，使用氧化鋯(ZrO2)來作為緩沖層56。另外，緩沖層56不限于氧化鋯(ZrO2)，只要是具有上述功能的層即可。另外，不限于單層，例如也可以是由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層以及提高與基底層57的粘合力的層所構(gòu)成的雙層結(jié)構(gòu)。
在本實(shí)施方式中，作為緩沖層56的氧化鋯(ZrO2)能夠有效地防止從壓電體層70洗提出的金屬、尤其是鉛擴(kuò)散至由二氧化(SiO2)構(gòu)成的彈性膜50。
在本發(fā)明中，由鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層57的厚度例如為60nm，基底層57的厚度只要保證基底層57成為在極化方向上沒有變動(dòng)的結(jié)晶即可。鎳酸鑭(LNO)具有即使在(111)取向的結(jié)晶上也可自由生長并以(100)取向生長的性質(zhì)。通過利用該性質(zhì)，由鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層57即使在緩沖層56為(111)取向時(shí)也可自由生長，并在取向的變動(dòng)少的狀態(tài)下成為(100)取向的結(jié)晶。另外，如果彈性膜50的表面平滑，緩沖層56的表面也會(huì)變得平滑，在緩沖層56上自由生長的基底層57會(huì)成為取向的變動(dòng)非常少的結(jié)晶。
并且，鎳酸鑭(LNO)的晶格常數(shù)非常接近鉑(Pt)的晶格常數(shù)3.861，為3.923。因此，基底層57使在其上形成的由鉑(Pt)構(gòu)成的下電極60在沒有結(jié)晶變形的狀態(tài)下生長。如上所述，設(shè)置基底層57的目的在于控制下電極60為(100)取向，并形成變動(dòng)少、無變形的結(jié)晶。另外，鎳酸鑭(LNO)具有導(dǎo)電性，也可以作為下電極的一部分而起作用。
在本實(shí)施方式中，下電極60由鉑(Pt)構(gòu)成，使其在由取向的變動(dòng)非常小、并且晶格常數(shù)接近的(100)取向的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層57上外延生長。由此，下電極60幾乎完全被控制為(100)取向，并成為變動(dòng)非常小、無變形的結(jié)晶。
在該下電極60上形成的壓電體層70在本實(shí)施方式中為鋯鈦酸鉛(PZT)，受到下電極60的面取向的影響而外延生長，成為選自由正方晶系、單斜晶系、或菱形晶系構(gòu)成的組中的至少一種晶系相對其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系，面取向?yàn)?100)取向。即，與現(xiàn)有技術(shù)中間隔鈦而設(shè)置在下電極上的壓電體層不同，不是通過自由生長而形成的，而是受到下電極60的面取向的影響而被控制了取向的層，因此在取向的變動(dòng)非常少的狀態(tài)下優(yōu)先取向?yàn)?100)。
作為該壓電體層70，除了鋯鈦酸鉛(PZT)之外，例如還可以列舉出由選自鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇((Ba，Sr)TiO3)、鈮鎂酸鉛(PMN)和鈦酸鉛(PT)的固溶體、以及弛豫鐵電體中的某一種構(gòu)成的單晶鐵電體薄膜、或面內(nèi)無取向且在基板法線方向(柱形基準(zhǔn)方向)取向的多晶鐵電體薄膜。在這里所說的單晶鐵電體薄膜是指沒有結(jié)晶與結(jié)晶之間的晶界的狀態(tài)，面內(nèi)無取向且在基板法線方向(柱形基準(zhǔn)方向)取向的多晶鐵電體薄膜是指結(jié)晶相對于基板形成為柱形并緊密地集合在一起，各結(jié)晶在面內(nèi)無取向且在沿基板法線方向(柱形基準(zhǔn)方向)取向的狀態(tài)。
在這里，作為鈮鎂酸鉛和鈦酸鉛的固溶體，可以列舉出Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PMN-PT]等。另外，作為鋅鈮酸鉛和鈦酸鉛的固溶體，可以列舉出Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3[PZN-PT]等。
另外，弛豫鐵電體是指具有室溫附近的居里溫度、介電常數(shù)比PZT等壓電體大(例如相對介電常數(shù)為5000以上等)、電致變形比PZT等壓電體大的物質(zhì)。例如，PZT等壓電體的電致變形為0.3％左右，而弛豫鐵電體的電致變形為1.2％左右。作為這樣的弛豫鐵電體，例如有含有鈦酸鉛的弛豫鐵電體，例如可以列舉出PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、PNN-PT(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、PIN-PT(Pb(In1/2Nb1/2)O3-PbTiO3)、PST-PT(Pb(Sc1/3Ta2/3)O3-PbTiO3)、PSN-PT(Pb(Sc1/3Nb2/3)O3-PbTiO3)、BS-PT(BiScO3-PT)、BiYbO3-PT等。
另外，作為上述的壓電陶瓷材料，例如，當(dāng)使用PZT時(shí)，優(yōu)選使其構(gòu)成元素中的Zr的摩爾量A與Ti的摩爾量B的關(guān)系滿足規(guī)定條件，例如，A/(A+B)≥0.55。同樣，當(dāng)使用PMN-PT時(shí)，優(yōu)選使PMN的摩爾量C與PT的摩爾量D的關(guān)系滿足規(guī)定條件，例如，0.65≤C/(C+D)≤0.75。另外，當(dāng)使用PZN-PT時(shí)，優(yōu)選使PZN的摩爾量E與PT的摩爾量F的關(guān)系滿足規(guī)定條件，例如，0.90≤E/(E+F)≤0.965。另外，通過用滿足該條件的壓電陶瓷材料來形成壓電體層70，壓電體層70的結(jié)晶結(jié)構(gòu)中，菱形晶系相對其他晶系占主導(dǎo)地位，從而在實(shí)質(zhì)上提高了壓電體層70的壓電特性。
例如使用溶膠-凝膠法來形成這樣的壓電體層70，該溶膠-凝膠方法如下對將金屬有機(jī)物溶解、分散到觸媒中所得的溶膠進(jìn)行涂布并干燥，使其凝膠化，再用高溫?zé)獭＞唧w地說，形成結(jié)晶以與下電極60的面取向相同的取向生長的壓電體層70。勿庸置疑，該壓電體層70的成膜方法沒有特別的限定，例如也可以通過濺射法和MOD法等來形成。
另外，為了使壓電體層70與基底的下電極60同樣都在(100)取向上外延生長，例如，優(yōu)選在規(guī)定條件下形成該層，使得該層與基底的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和晶面間距類似。另外，優(yōu)選形成為以下結(jié)晶結(jié)構(gòu)在與基底的表面之間沒有由于靜電作用而產(chǎn)生的斥力。
另外，在本實(shí)施方式中，使用滿足A/(A+B)≥0.55的條件的鋯鈦酸鉛(PZT)來形成壓電體層70。鋯鈦酸鉛(PZT)是菱形晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系，并且成長為柱形。其原因在于，下電極60的立方晶系和晶界的晶格形狀為正方形并一致，在結(jié)晶生長的初期階段以正方晶系生長，隨著生長而改變?yōu)榱庑尉怠Ａ硗?，還因?yàn)榭梢匀菀椎厥箟弘婓w層70在下電極60上外延生長。如上所述使結(jié)晶外延生長的壓電體層70受到作為基底的、面取向(100)的下電極60的約束而結(jié)晶化，因此與下電極60一樣變?yōu)?100)取向。在這里，形成壓電體層的鋯鈦酸鉛(PZT)和鉑(Pt)的A軸的晶格常數(shù)分別非常接近4.03、3.923。因此，壓電體層70也可以在無結(jié)晶變形的狀態(tài)下生長。
另外，鋯鈦酸鉛(PZT)在0.55＞A/(A+B)≥0.50的條件下成為單斜晶系和菱形晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系，另外，在A/(A+B)＜0.50的條件下成為正方晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系，在本發(fā)明中也可以選擇這些條件。
如上所述而成膜的壓電體層70的優(yōu)先取向是受到下電極60的(100)取向約束的(100)取向，優(yōu)選結(jié)晶成為柱形。另外，優(yōu)先取向是指結(jié)晶的取向方向并不是無序的、而是特定的晶面大致朝向固定方向的狀態(tài)。另外，結(jié)晶為柱形的薄膜是指近似圓柱形的結(jié)晶在使中心軸在厚度方向上大約一致的狀態(tài)下在面方向上集合在一起并形成薄膜的狀態(tài)。勿庸置疑，也可以是取向?yàn)閮?yōu)先取向的粒狀的結(jié)晶所形成的薄膜。另外，這樣通過薄膜工序制造的壓電體層的厚度通常為0.2～5μm。
另外，特別地，由單晶鐵電體薄膜構(gòu)成的、或者由面內(nèi)無取向且在基板法線方向上取向的多晶鐵電體薄膜構(gòu)成的壓電體層70也可以具有點(diǎn)缺陷，其中所述單晶鐵電體薄膜由鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇((Ba，Sr)TiO3)、鋯鈦酸鉛(Pb(Zr，Ti)O3)等鐵電體構(gòu)成，例如可以通過離子注入法來形成該點(diǎn)缺陷。即，具有通過離子注入選自Fe離子、Co離子、Ni離子、以及Cr離子等VIIIB族中的至少一種離子、或Ar離子而形成的點(diǎn)缺陷。
由于具有通過離子注入而形成的點(diǎn)缺陷，因此該壓電體層70顯示出巨大電致變形效應(yīng)，可以通過低驅(qū)動(dòng)電壓而獲得大的變形。尤其是如果使壓電體層70成為面取向?yàn)?100)取向的單晶鐵電體薄膜的話，可以通過離子注入這種比較簡便的方法而比較容易地形成點(diǎn)缺陷，從而可以使其成為具有巨大電致變形的壓電體層70。
通過離子注入而形成點(diǎn)缺陷的方法沒有特別的限定，例如，將Fe、Co、Ni、以及Cr等VIIIB族的元素作為離子源并進(jìn)行電離來形成離子，使用帶電粒子加速器向其施加能量，對壓電體層70的表面進(jìn)行濺射。由此，離子由于注入效應(yīng)而侵入到壓電體層70內(nèi)，與內(nèi)部的原子沖撞并失去能量而靜止，從而被摻雜進(jìn)去而形成點(diǎn)缺陷。另外，在Ar離子的離子注入中，通過離子注入來形成空穴，由此變?yōu)辄c(diǎn)缺陷，Ar離子被包含在其他部分中。另外，也可以將選自Fe離子、Co離子、Ni離子、以及Cr離子等VIIIB族中的至少一種離子與Ar離子一起進(jìn)行離子注入。另外，進(jìn)行離子注入的離子量只要是可以形成點(diǎn)缺陷并獲得巨大電致變形的量即可，對其并沒有特別的限定，由于過多的話晶系會(huì)改變，因此最好例如注入0.1％以下的微小的量。另外，優(yōu)選通過控制帶電粒子加速器的驅(qū)動(dòng)而在壓電體層70的整體、即面方向和厚度方向上均勻地進(jìn)行離子注入。
另外，為了使點(diǎn)缺陷擴(kuò)散至穩(wěn)定的位置，優(yōu)選對壓電體層70進(jìn)行時(shí)效處理。在這里，時(shí)效是指使壓電體層70保持為固定的溫度。
另一方面，例如使用銥等在上電極80上分別連接例如由金(Au)等構(gòu)成的引導(dǎo)電極85。該引導(dǎo)電極85被從各壓電元件300的長度方向的端部附近引出到外部，分別在與墨水供應(yīng)通路14相對應(yīng)區(qū)域的彈性膜50上延伸設(shè)置，并與后述的驅(qū)動(dòng)IC連接。
另外，在設(shè)置有該壓電元件300的一側(cè)的流路形成基板10上接合有具有壓電元件保持部31的保護(hù)基板30，該壓電元件保持部31用于確保使壓電元件300的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受到阻礙的那種程度的空間，壓電元件300形成在該壓電元件保持部31內(nèi)。另外，在保護(hù)基板30上設(shè)置有貯存部32，該貯存部32構(gòu)成各個(gè)壓力產(chǎn)生室12共用的貯存器90的至少一部分，該貯存部32如上所述與流路形成基板10的連通部13連通并構(gòu)成貯存90。
并且，在保護(hù)基板30的壓電元件保持部31與貯存部32之間設(shè)置有連接孔33，該連接孔33在厚度方向上貫穿該保護(hù)基板30，從各個(gè)壓電元件300引出的引導(dǎo)電極85的頂端部露出到該連接孔33內(nèi)。另外，在保護(hù)基板30的、與壓電元件保持部31側(cè)相反的那側(cè)的表面上安裝有用于驅(qū)動(dòng)各個(gè)壓電元件300的驅(qū)動(dòng)IC 34。而且，從各個(gè)壓電元件300引出的引導(dǎo)電極85延伸設(shè)置至連接孔33，雖然圖中未示出，但是例如通過由線焊等形成的連接線路與驅(qū)動(dòng)IC 34連接。
在保護(hù)基板30上接合有由密封膜41和固定板42形成的柔性基板40。在這里，密封膜41由剛性低并具有柔性的材料(例如，厚度為6μm的聚苯硫醚(PPS)膜)構(gòu)成。另外，固定板42由金屬等硬質(zhì)材料(例如，厚度為30μm的不銹鋼(SUS)等)形成。在該固定板42的與貯存器90相對的區(qū)域上形成有在厚度方向上被完全除去的開口部43，僅以具有柔性的密封膜41來密封貯存器90的一個(gè)表面。
另外，該噴墨式記錄頭從未圖示的外部墨水供應(yīng)單元獲取墨水，在從貯存器90至噴嘴開口21的內(nèi)部被墨水充滿后，根據(jù)來自圖中未示出的驅(qū)動(dòng)電路的記錄信號，在與壓力產(chǎn)生室12對應(yīng)的各個(gè)下電極60和上電極80之間施加電壓，使彈性膜50、緩沖層56、基底層57、下電極60、以及壓電體層70彎曲變形，由此各個(gè)壓力產(chǎn)生室12內(nèi)的壓力升高，從而從噴嘴開口21噴出液滴。
在這里，參照圖3～圖6來說明該噴墨式記錄頭的制造方法。另外，圖3～圖6是壓力產(chǎn)生室12的長度方向的截面圖。首先，如圖3的(a)所示，用大約1100℃的擴(kuò)散爐對作為硅晶片的流路形成基板用晶片110進(jìn)行熱氧化，在其表面上形成構(gòu)成彈性膜50的二氧化硅膜51。另外，如上所述，該二氧化硅膜51是無定形膜。另外，在本實(shí)施方式中，使用膜厚大約為625μm的比較厚的、剛性高的硅晶片來作為流路形成基板用晶片110。
接著，如圖3的(b)所示，在彈性膜50上形成緩沖層56。在本實(shí)施方式中，在流路形成基板用晶片110的整個(gè)表面上通過濺射法形成鋯(Zr)層后，例如用500～1200℃左右的擴(kuò)散爐對該鋯層進(jìn)行熱氧化，由此形成由二氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的緩沖層56。另外，該緩沖層56的厚度沒有特別的限定，在本實(shí)施方式中，根據(jù)振動(dòng)板的剛性而調(diào)整為20～500nm左右。
如圖3的(c)所示，在形成的緩沖層56上通過濺射法形成由鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的60nm左右厚的基底層57。如果緩沖層56的表面平滑，則該由鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層57在取向的變動(dòng)非常小的狀態(tài)下以(100)取向自由生長，并成為(100)取向。
接著，如圖3的(d)所示，在基底層57上形成下電極60。在本實(shí)施方式中，在流路形成基板用晶片110的整個(gè)表面上通過濺射法形成鉑(Pt)層61，然后通過將該鉑(Pt)層61圖案化為規(guī)定形狀來形成下電極60。這樣形成的下電極60如上所述在基底層57上外延生長，由此其取向受到控制并成為(100)取向，并且在極化方向上變動(dòng)非常小的狀態(tài)下形成結(jié)晶。
接著，如圖4的(a)所示，在該下電極60上形成由鋯鈦酸鉛(PZT)構(gòu)成的壓電體層70。在本實(shí)施方式中，涂布并干燥將金屬有機(jī)物溶解、分散在觸媒中而得的溶膠，使之凝膠化，再用高溫?zé)?，由此得到由金屬氧化物?gòu)成的壓電體層70，即使用溶膠-凝膠法來形成壓電體層70。在這里，壓電體層70受到下電極60的約束而結(jié)晶化。形成的壓電體層70的結(jié)晶與下電極60一樣沿面取向(100)取向，并且在極化方向上變動(dòng)非常小的狀態(tài)下形成。
另外，在本實(shí)施方式中，是通過溶膠-凝膠法來成膜壓電體層70的，但是壓電體層70的成膜方法沒有特別的限定，例如也可以使用濺射法、MOCVD法(金屬有機(jī)化合物化學(xué)氣相沉積法)、或MOD法等。
另外，這樣形成了壓電體層70之后，如圖4的(b)所示，例如在流路形成基板用晶片110的整個(gè)表面上形成由銥構(gòu)成的上電極80。接著，如圖4的(c)所示，對壓電體層70和上電極80的與各個(gè)壓力產(chǎn)生室相對的區(qū)域進(jìn)行圖案化，從而形成壓電元件300。
接著，如圖5的(a)所示，在流路形成基板用晶片110的整個(gè)表面上例如形成由金(Au)等構(gòu)成的金屬層86，然后通過按每個(gè)壓電元件300對該金屬層86進(jìn)行圖案化來形成引導(dǎo)電極85。
接著，如圖5的(b)所示，在流路形成基板用晶片110的壓電元件300的一側(cè)接合例如由厚度為400μm左右的硅晶片構(gòu)成的、成為多個(gè)保護(hù)基板30的保護(hù)基板用晶片130。
接著，如圖5的(c)所示，將流路形成基板用晶片110研磨至某一程度的厚度之后，再用氫氟酸-硝酸混合溶液進(jìn)行晶片蝕刻，從而使流路形成基板用晶片110成為規(guī)定厚度。
接著，如圖6的(a)所示，在流路形成基板用晶片110上新形成例如由氮化硅(SiN)構(gòu)成的掩膜52，并將其圖案化為規(guī)定形狀。然后，通過該掩膜52對流路形成基板用晶片110進(jìn)行各向異性蝕刻，由此如圖6的(b)所示，在流路形成基板用晶片110上形成壓力產(chǎn)生室12、連通部13、以及墨水供應(yīng)通路14等。
然后，例如用切割機(jī)等切斷并除去流路形成基板用晶片110和保護(hù)基板用晶片130的外周邊緣部上的不需要的部分。然后，在流路形成基板用晶片110的、與保護(hù)基板用晶片130相反一側(cè)的表面上接合貫穿設(shè)置了噴嘴開口21的噴嘴板20，并且在保護(hù)基板用晶片130上接合柔性基板40，將流路形成基板用晶片110等分割為如圖1所示的一個(gè)芯片大小的流路形成基板10等，由此做成噴墨式記錄頭。
另外，這樣的噴墨式記錄頭構(gòu)成記錄頭單元的一部分，該記錄頭單元具有與墨盒等連通的墨水流動(dòng)通路，將該噴墨式記錄頭裝載在噴墨式記錄裝置上。圖7是該噴墨式記錄裝置的簡要立體圖。
如圖7所示，構(gòu)成墨水供應(yīng)裝置的墨盒2A和2B可裝卸地設(shè)置在具有噴墨式記錄頭的記錄頭單元1A和1B上，裝載該記錄頭單元1A和1B的托架3可沿軸向自由移動(dòng)地設(shè)置在安裝于裝置主體4上的托架軸5上。該記錄頭單元1A和1B例如分別噴出黑色墨水組合物和彩色墨水組合物。
而且，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)6的驅(qū)動(dòng)力通過圖中未示出的多個(gè)齒輪和同步帶7而被傳遞至托架3，從而將裝載有記錄頭單元1A和1B的托架3沿著托架軸5移動(dòng)。另一方面，在裝置主體4上沿托架軸5設(shè)置有臺(tái)板8，由圖中未示出的送紙輥等輸送的紙等作為記錄介質(zhì)的記錄薄片S被搬送到臺(tái)板8上。
以上說明了本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方式，但本發(fā)明的基本結(jié)構(gòu)不限于上述內(nèi)容。本發(fā)明廣泛地以所有的液體噴射頭為對象，也可適用于噴出墨滴以外的液滴的液體噴射頭，例如用于打印機(jī)等圖像記錄裝置的噴墨式記錄頭等各種記錄頭、用于制造液晶顯示器等的濾色器的顏料噴射頭、用于形成有機(jī)EL顯示器及FED(面發(fā)光顯示器)等的電極的電極材料噴射頭、用于制造生物芯片的生物有機(jī)物噴射頭等。勿庸置疑，裝載有該液體噴射頭的液體噴射裝置也沒有特別的限定。并且，本發(fā)明不局限于用于液體噴射頭的致動(dòng)器裝置，也可適用于裝載在其他所有裝置上的致動(dòng)器裝置。例如，除了上述噴射頭外，致動(dòng)器裝置也可適用于傳感器等。
權(quán)利要求
1.一種致動(dòng)器裝置，其特征在于，具有設(shè)置在單結(jié)晶硅(Si)基板上，由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的層；設(shè)置在由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成的層上的至少一層緩沖層；和設(shè)置在該緩沖層上并由面取向(100)的鎳酸鑭(LNO)構(gòu)成的基底層；并且還具有壓電元件，所述壓電元件包括設(shè)置在該基底層上，由面取向(100)的鉑(Pt)構(gòu)成的下電極；由面取向?yàn)?100)取向的鐵電體層構(gòu)成的壓電體層，所述壓電體層通過外延生長而形成在該下電極上，具有選自由正方晶系、單斜晶系、以及菱形晶系構(gòu)成的組中的至少一種晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系；和由設(shè)置在該壓電體層上的上電極。
2.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述緩沖層是至少由氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層。
3.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述緩沖層具有由所述氧化鋯(ZrO2)構(gòu)成的層、以及提高與所述基底層的粘合力的層。
4.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述緩沖層是防止所述壓電體層內(nèi)的鉛(Pb)擴(kuò)散至所述二氧化硅(SiO2)的層。
5.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述壓電體層是單晶鐵電體薄膜、或者面內(nèi)無取向且在基板法線方向上取向的多晶鐵電體薄膜，其中所述單晶鐵電體薄膜由選自鋯鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鍶鋇((Ba，Sr)TiO3)、鈮鎂酸鉛(PMN)和鈦酸鉛(PT)的固溶體、以及弛豫鐵電體中的某一種構(gòu)成。
6.如權(quán)利要求5所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述單晶鐵電體薄膜或所述多晶鐵電體薄膜具有點(diǎn)缺陷。
7.如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，其特征在于，所述單晶硅基板是面取向?yàn)?110)的單晶硅基板。
8.一種液體噴射頭，其特征在于，具有作為壓力產(chǎn)生裝置的、如權(quán)利要求1所述的致動(dòng)器裝置，所述壓力產(chǎn)生裝置使得形成于所述基板上的壓力產(chǎn)生室產(chǎn)生用于使所述壓力產(chǎn)生室內(nèi)的液體從噴嘴開口噴出的壓力。
9.一種液體噴射裝置，其特征在于，具有權(quán)利要求8所述的液體噴射頭。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種具有壓電體層的致動(dòng)器裝置、液體噴射頭以及液體噴射裝置，其中該壓電體層由抑制了極化方向的變動(dòng)的、無變形狀態(tài)的結(jié)晶構(gòu)成。本發(fā)明的致動(dòng)器裝置具有設(shè)置在單晶硅基板上的二氧化硅；設(shè)置在二氧化硅上的至少一層緩沖層；以及設(shè)置在該緩沖層上，由面取向(100)的鎳酸鑭構(gòu)成的基底層；并且還具有壓電元件，其包括設(shè)置在該基底層上，由面取向(100)的鉑構(gòu)成的下電極；由面取向?yàn)?100)取向的鐵電體構(gòu)成的壓電體層，其通過外延生長而形成在該下電極上，具有從由正方晶系、單斜晶系、以及菱形晶系構(gòu)成的組中選出的至少一種晶系相對于其他晶系占主導(dǎo)地位的晶系；以及設(shè)置在該壓電體層上的上電極。
文檔編號B41J2/045GK1893138SQ2006100984
公開日2007年1月10日 申請日期2006年7月7日 優(yōu)先權(quán)日2005年7月8日
發(fā)明者高部本規(guī), 角浩二, 橫山直人 申請人:精工愛普生株式會(huì)社