專利名稱：液體噴頭和液體噴射裝置以及壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使與噴嘴開口連通的壓力發(fā)生室產(chǎn)生壓力變化，并具備壓電元件的液體噴頭和液體噴射裝置，其中壓電元件具有壓電體層和對壓電體層外加電壓的電極。
背景技術(shù)：
作為液體噴頭所使用的壓電元件是用兩個電極夾持壓電體層而構(gòu)成的，其中壓電體層由呈電-機械轉(zhuǎn)換功能的壓電材料，例如結(jié)晶化過的電介質(zhì)材料構(gòu)成。這樣的壓電元件，例如作為撓曲振動模式的致動器裝置而搭載于液體噴頭。作為液體噴頭的代表例，例如具有下述的噴墨式記錄頭，即，用振動板構(gòu)成與排出墨滴的噴嘴開口連通的壓力發(fā)生室的一部分，并通過壓電元件使該振動板變形而對壓力發(fā)生室的油墨進行加壓，從噴嘴開口排出墨滴。搭載于這樣的噴墨式記錄頭的壓電元件，例如有利用成膜技術(shù)在振動板的表面整體形成均勻的壓電材料層，并通過光刻法將該壓電材料層切分成與壓力發(fā)生室對應(yīng)的形狀，按照每個壓力發(fā)生室獨立的方式形成壓電元件。作為這樣的壓電元件所使用的壓電材料，可列舉出鈦酸鋯酸鉛(PZT)(參照專利文獻1)。專利文獻1 日本特開2001-223404號公報然而，從環(huán)境問題的觀點出發(fā)而尋求由不含鉛的鐵電體構(gòu)成的壓電材料。作為不含鉛的壓電材料，例如有具有用ABO3表示的鈣鈦礦構(gòu)造的Bii^eO3等，然而Bii^eO3系的壓電材料存在絕緣性低有時會發(fā)生泄漏電流的問題。另外，這樣的問題不限定于噴墨式記錄頭所代表的液體噴頭，在搭載于其他裝置的致動器裝置等的壓電元件中也同樣存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于這樣的實際情況，目的在于提供一種具有不含鉛且絕緣性高能夠抑制泄漏電流發(fā)生的壓電元件的液體噴頭和液體噴射裝置。本發(fā)明解決上述課題的方式為，一種液體噴頭，其特征在于，具備壓力發(fā)生室和壓電元件，其中上述壓力發(fā)生室與噴嘴開口連通，上述壓電元件具備第1電極、形成在上述第1電極上含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層、形成在上述壓電體層上的第2電極，上述壓電體層還含有鈦。在該方式中，通過將含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層作成還含有鈦，由此能夠提高絕緣性抑制泄漏電流的發(fā)生。優(yōu)選地，上述壓電體層的鈦含有量是5質(zhì)量％以下。由此，不會對其他特性造成惡劣影響，能夠提高絕緣性抑制泄漏電流的發(fā)生。另外，上述壓電體層的鈦含有量可以是0.5質(zhì)量％以上且1質(zhì)量％以下。由此，即使是少量的鈦含有量，也能夠提高絕緣性抑制泄漏電流的發(fā)生，從而成為具有不含鉛的壓電元件的液體噴頭。而且，優(yōu)選地，上述鐵錳酸鉍鑭是以用下述一般式表示的ABO3型構(gòu)造為基本組成的復(fù)合氧化物。由此，能夠容易地控制排出的液滴大小，(Bi1^5Lax) (Fe1^yjMny)O3 (1)(0. 10 ^ χ ^ 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09)。本發(fā)明的另一方式為，一種液體噴射裝置，其特征在于，具備上述液體噴頭。在該方式中，由于具備具有壓電元件的液體噴頭，其中壓電元件不含鉛并且絕緣性高能夠抑制泄漏電流的發(fā)生，因此成為不會對環(huán)境造成惡劣影響并且防止絕緣破壞且可靠性優(yōu)越的液體噴射裝置。另外，本發(fā)明的壓電元件具備含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層、和對上述壓電體層外加電壓的電極，上述壓電體層還包括鈦。由此，通過將含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層作成還含有鈦，由此能夠提高絕緣性抑制泄漏電流的發(fā)生。


圖1是表示實施方式1涉及的記錄頭的概略構(gòu)成的分解立體圖。圖2是實施方式1涉及的記錄頭的俯視圖。圖3是實施方式1涉及的記錄頭的剖視圖和要部放大剖視圖。圖4是表示樣品1的P-V曲線的圖。圖5是表示樣品2的P-V曲線的圖。圖6是表示樣品3的P-V曲線的圖。圖7是表示樣品4的P-V曲線的圖。圖8是表示樣品5的P-V曲線的圖。圖9是表示樣品6的P-V曲線的圖。圖10是表示樣品7的P-V曲線的圖。圖11是表示樣品8的P-V曲線的圖。圖12是表示樣品9的P-V曲線的圖。圖13是表示樣品10的P-V曲線的圖。圖14是表示樣品11的P-V曲線的圖。圖15是表示樣品12的P-V曲線的圖。圖16是表示樣品13的P-V曲線的圖。圖17是表示樣品14的P-V曲線的圖。圖18是表示樣品15的P-V曲線的圖。圖19是表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖視圖。圖20是表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖視圖。圖21是表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖視圖。圖22是表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖視圖。圖23是表示實施方式1涉及的記錄頭的制造工序的剖視圖。圖M是表示實施例1和比較例1的P-V曲線的圖。圖25是表示實施例1和比較例2的P-V曲線的圖。
圖沈是表示實施例1和比較例3的P-V曲線的圖。
圖27是表示實施例1和比較例1的S-V曲線的圖。
圖28是表示實施例1和比較例3的S-V曲線的圖。圖29是表示實施例1和比較例1的SIMS測量結(jié)果的圖。圖30是表示實施例1的SIMS測量結(jié)果的圖。圖31是表示比較例2的SIMS測量結(jié)果的圖。圖32是表示實施例和比較例的X射線衍射譜的圖。圖33是表示實施例和比較例的X射線衍射譜的圖。圖34是表示實施例1和比較例1的隧道放出機構(gòu)結(jié)果的圖。圖35是表示實施例1 4和比較例1的I-V曲線的圖。圖36是表示本發(fā)明的一個實施方式涉及的記錄裝置的概略構(gòu)成的圖。圖中符號說明I...噴墨式記錄頭(液體噴頭)；II...噴墨式記錄裝置(液體噴射裝置)； 10...流路形成基板；12...壓力發(fā)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...儲液槽部；32...壓電元件保持部；40...柔性基板；56...鈦膜；57...白金膜；60...第1電極；61...第1氧化鈦層；62...白金層； 63...第2氧化鈦層；70...壓電體層；80...第2電極；90...引線電極；100...儲液槽； 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是表示作為本發(fā)明的實施方式1涉及的液體噴頭的一個例子的噴墨式記錄頭的概略構(gòu)成的分解立體圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖2的A-A'剖視圖(圖3(a))和要部放大圖(圖3(b))。如圖1 圖3所示，本實施方式的流路形成基板10由單晶硅基板構(gòu)成，在其一個面上形成有由二氧化硅構(gòu)成的彈性膜50。在流路形成基板10上沿其寬度方向并排設(shè)置有多個壓力發(fā)生室12。另外，在流路形成基板10的壓力發(fā)生室12長度方向外側(cè)的區(qū)域形成連通部13，連通部13和各壓力發(fā)生室12經(jīng)由設(shè)置于各個壓力發(fā)生室12的油墨供給路14以及連通路15而連通。連通部 13構(gòu)成與后述的保護基板的儲液槽部31連通而成為各壓力發(fā)生室12共用的油墨室的儲液槽的一部分。油墨供給路14以比壓力發(fā)生室12窄的寬度形成，將從連通部13流入到壓力發(fā)生室12的油墨的流路阻力保持為一定。另外，本實施方式中，通過將流路的寬度從單側(cè)縮小而形成了油墨供給路14，然而也可以將流路的寬度從兩側(cè)縮小來形成油墨供給路。另外，還可以不縮小流路的寬度，而從厚度方向縮小來形成油墨供給路。本實施方式中，在流路形成基板10上設(shè)置有由壓力發(fā)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，利用粘接劑或熱封膜等將噴嘴板20固定安裝在流路形成基板10的開口面?zhèn)?，其中噴嘴?0中貫穿設(shè)置有與和各壓力發(fā)生室12的油墨供給路14相反一側(cè)的端部附近連通的噴嘴開口 21。另外，噴嘴板20例如由玻璃陶瓷、單晶硅基板、不銹鋼等構(gòu)成。另一方面，在與這樣的流路形成基板10的開口面相反的一側(cè)，如上所述形成彈性膜50，并在該彈性膜50上形成由氧化鋯等構(gòu)成的絕緣體膜55。
此外，在該絕緣體膜55上層疊形成有第1電極60 ；厚度為2μπι以下、優(yōu)選為 0. 3 1.5μπι的薄膜的壓電體層70 ；以及第2電極80，從而構(gòu)成壓電元件300。在此，壓電元件300是指包括第1電極60、壓電體層70和第2電極80的部分。通常情況下，將壓電元件300中的任意一個電極作為共用電極，將另一個電極和壓電體層70通過對各個壓力發(fā)生室12圖案成形而構(gòu)成。本實施方式中，將第1電極60作為壓電元件300的共用電極，將第 2電極80作為壓電元件300的單獨電極，然而根據(jù)驅(qū)動電路和布線情況而將它們反過來也不存在問題。另外，在此，將壓電元件300與通過該壓電元件300的驅(qū)動而產(chǎn)生位移的振動板一起稱為致動器裝置。另外，在上述的例子中，彈性膜50、絕緣體膜55以及第1電極60 作為振動板發(fā)揮作用，當然不限定于此，例如，也可以不設(shè)置彈性膜50和絕緣體膜55，另外可以只將第1電極60作為振動板發(fā)揮作用。另外，壓電元件300本身實質(zhì)上可以兼作振動板。而且，在本實施方式中，如圖3(b)所示，第1電極60是從絕緣體膜55側(cè)開始依次層疊含有氧化鈦的第1氧化鈦層61、形成于第1氧化鈦層61上含有白金的白金層62、形成于白金層62上含有氧化鈦的第2氧化鈦層63而成的。在第1電極60中，白金層62是主要負責(zé)導(dǎo)電性的層，其余的第1氧化鈦層61、第2氧化鈦層63可以導(dǎo)電性較低，可以不是完全的層狀例如可以是島狀。另外，第2氧化鈦層63的厚度優(yōu)選為3nm以下。當比3nm厚時有可能成為低介電常數(shù)層而降低壓電特性。因此，通過將第2氧化鈦層63的厚度設(shè)為3nm 以下，由此能夠提高壓電特性。另外，壓電體層70是含有鐵錳酸鉍鑭的壓電材料，S卩，是含有鉍(Bi)，鑭(La)，鐵 (Fe)和錳(Mn)的ABO3型的復(fù)合氧化物，并且含有鈦(Ti)。另外，ABO3型構(gòu)造，S卩，鈣鈦礦構(gòu)造的A位點配位12個氧，另外，B位點配位6個氧而組成8面體(octahedoron)。Bi和La 位于該A位點，F(xiàn)e和Mn位于B位點。而且，壓電體層70中含有的Ti的形態(tài)未特殊限定， 例如成為置換了 B位點的!^e或Mn的一部分的狀態(tài)。這樣，是含有鐵錳酸鉍鑭的壓電材料，進一步成為還含有鈦的壓電體層70，由此絕緣性高能夠抑制泄漏電流的發(fā)生，并且能夠成為不含鉛的壓電體層70。壓電體層70的鈦含有量雖未特殊限定，然而優(yōu)選為5質(zhì)量％以下。這是由于當鈦的含有量過多時，有時會對絕緣性以外的壓電特性等造成惡劣影響。另外，壓電體層70的鈦含有量即使是少量到0. 5質(zhì)量％以上且1質(zhì)量％以下，也能夠抑制因添加鈦而產(chǎn)生的壓電特性的降低，并且能夠充分地提高絕緣性。另外，含有鉍(Bi)、鑭(La)、鐵(Fe)和錳(Mn)的壓電體層70優(yōu)選為用下述一般式(1)表示的組成比。由于成為用下述一般式(1)表示的組成比，因此能夠使壓電體層70 成為鐵電體。這樣，當將作為鐵電體的材料作成壓電體層70時，能夠容易地控制變形量，因此例如在將壓電元件用于液體噴頭等的情況下，能夠容易地控制排出的墨滴大小等。另外， 含有Bi、La、Fe和Mn的ABO3型的復(fù)合氧化物根據(jù)其組成比的不同，表現(xiàn)出鐵電體、反鐵磁體、順電體之類的不同的特性。制作改變了下述一般式(1)的組成比的壓電元件(樣品1 18)，并外加25V或30V的三角波，將求出了 P (極化量)-V (電壓)的關(guān)系的結(jié)果分別表示于圖4 18，并將組成表示于表1。另外，樣品16 18由于泄漏過大而無法測量，因此無法作為壓電材料使用。如圖4 14所示，在處于0. 10彡χ彡0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09的范圍內(nèi)的樣品1 11中，在鐵電體中觀測到特殊的磁滯曲線形狀。因此，樣品1 11的變形量相對于施加電壓是以直線變化，因而容易控制變形量。另一方面，在一般式(1)中處于 0. 10彡X彡0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09的范圍以外的樣品12 14，如圖15 17所示，由于在反鐵磁體中觀察到在特殊的正電場方向和負電場方向具有兩個磁滯曲線形狀的雙磁滯， 因此是反鐵磁體，樣品15如圖18所示那樣是順電體，另外，樣品16 18如上所述由于泄漏過大而無法作為壓電材料使用，樣品12 18的任意一個均不是鐵電體。(Bih，Lax) (Fe1^y, Mny) O3 (1)(0. 10 ^ χ ^ 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09)表 1
Xy樣品10. 100. 03樣品20. 100. 05樣品30. 100. 09樣品40. 140. 05樣品50. 170. 03樣品60. 180. 03樣品70. 200. 01樣品80. 200. 02樣品90. 190. 03樣品100. 190. 04樣品110. 190. 05樣品120. 210. 03樣品130. 240. 05樣品140. 290. 05樣品150. 480. 05樣品160. 200. 00樣品170. 100. 00
權(quán)利要求
1.一種液體噴頭，其特征在于，具備壓力發(fā)生室和壓電元件，其中，上述壓力發(fā)生室與噴嘴開口連通，上述壓電元件具備第1電極、形成在上述第1電極上含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層、形成在上述壓電體層上的第2電極，上述壓電體層還含有鈦。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于， 上述壓電體層的鈦含有量是5質(zhì)量％以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于，上述壓電體層的鈦含有量是0. 5質(zhì)量％以上且1質(zhì)量％以下。
4.根據(jù)權(quán)利要求1 3任意一項所述的液體噴頭，其特征在于，上述鐵錳酸鉍鑭是以用下述一般式表示的ABO3型構(gòu)造為基本組成的復(fù)合氧化物，(Bih，Lax) (Fe1^yjMny) O3其中，0. 10 彡 χ 彡 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09。
5.一種液體噴射裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1 4中任意一項所述的液體噴頭。
6.一種壓電元件，其特征在于，具備含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層、和對上述壓電體層外加電壓的電極，上述壓電體層還包括鈦。
全文摘要
本發(fā)明提供液體噴頭和液體噴射裝置以及壓電元件，其中液體噴頭具有不含鉛且絕緣性高能夠抑制泄漏電流發(fā)生的壓電元件。該液體噴頭具備壓力發(fā)生室和壓電元件，其中上述壓力發(fā)生室與噴嘴開口連通，上述壓電元件具備第1電極、形成在上述第1電極上含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層、形成在上述壓電體層上的第2電極，上述壓電體層還含有鈦。
文檔編號H01L41/18GK102180011SQ20111000385
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月4日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月5日
發(fā)明者北田和也, 繩野真久 申請人:精工愛普生株式會社