專利名稱：液體噴頭、液體噴射裝置、壓電元件及液體噴頭制造方法
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，具備壓電元件的液體噴頭、液體噴射裝置、壓電元件及液體噴頭的制造方法，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，由于上述鈦酸鋯酸鉛中含有鉛，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AB03表示的鈣鈦礦構(gòu)造的 BiFe03等，然而Bii^e03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，在通常所使用的鈦酸鋯酸鉛中，雖然進行了用于改善其特性的各種改良，然而對于Bi!^03系的壓電材料中會顯示什么樣的舉動，目前尚未確認。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的壓電元件的液體噴頭、液體噴射裝置和壓電元件以及液體噴頭的制造方法。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，具備與噴嘴開口連通的壓力發(fā)生室；和壓電元件，其具備第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、及形成在上述壓電體層上的第2電極，上述壓電體層的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面。 由此成為由不含鉛的鐵錳酸鉍鑭構(gòu)成的壓電體層，并且成為位移特性優(yōu)越的液體噴頭。而且，優(yōu)選地，上述第1電極包括含有白金的白金層、和形成在上述白金層上含有鈦酸鍶(STO)的STO層，且在上述STO層上形成上述壓電體層。由此，能夠容易地得到結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。上述STO層可以摻雜Nb。由此，將含有Nb摻雜鈦酸鍶(Nb-STO)的STO層作成取向控制層，從而能夠容易地得到結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。
另外，優(yōu)選地，上述第1電極包括含有白金的白金層、和形成在上述白金層上含有釕酸鍶的SRO層，上述壓電體層形成在上述SRO層上。由此，能夠容易地得到結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。另外，上述第1電極包括含有氧化銥的氧化銥層、和形成在上述氧化銥層上含有白金的白金層，上述壓電體層可以形成在上述白金層上。由此，能夠容易地得到結(jié)晶更牢固地優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。而且，優(yōu)選地，上述第1電極包括含有的白金層，該白金層是(111)面的半值寬度為10度以下的層，上述壓電體層形成在上述白金層上。由此，能夠容易地得到結(jié)晶更牢固地優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。另外，優(yōu)選地，上述鐵錳酸鉍鑭是以用下述一般式表示的復合氧化物。由此，用下述一般式(1)表示的復合氧化物能夠得到作為鐵電體的特性，因此能夠成為具有不含鉛并且容易控制變形量的壓電元件的液體噴頭。因此能夠成為具有容易控制排出的液滴大小的壓電元件的液體噴頭。(Bil-x, Lax) (Fel-y, Mny)03(0· 10 ^ χ ^ 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09)。而且，在上述一般式(1)中，優(yōu)選0.17彡χ彡0.20，更優(yōu)選0.19彡χ彡0.20，另外優(yōu)選0. 01 < y < 0. 05。由此能夠做成變形量更大的壓電元件。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位移特性優(yōu)越，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、和在上述壓電體層上形成的電極，上述壓電體層的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面。由此能夠提供不含鉛并且壓電特性優(yōu)越的壓電元件。本發(fā)明的另一方式是上述方式的液體噴頭的制造方法，其特征在于，包括以下工序在上述白金層上形成成為上述STO層的前驅(qū)體的STO前驅(qū)體膜的工序；在上述STO前驅(qū)體膜上形成成為上述壓電體層的前驅(qū)體的壓電體前驅(qū)體膜的工序；將上述STO前驅(qū)體膜和上述壓電體前驅(qū)體膜同時燒結(jié)，做成上述STO層和上述壓電體層的工序。由此，能夠比較容易地制造STO層與壓電體層的層積體。另外，本發(fā)明的再一方式是上述方式的液體噴頭的制造方法，其特征在于，包括以下工序在上述氧化銥層上形成上述白金層的工序；在上述白金層上形成成為上述壓電體層的前驅(qū)體的壓電體前驅(qū)體膜的工序；將上述壓電體前驅(qū)體膜在惰性氣體環(huán)境中燒結(jié)而做成上述壓電體層的工序。由此，能夠比較容易地制造牢固地優(yōu)先取向于(111)面的壓電體層。


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、2和比較例1、2的X射線衍射譜的圖。圖25是實施例1的倒易晶格圖譜。圖沈是表示實施例1、3和比較例1、3的X射線衍射譜的圖。圖27是實施例3的倒易晶格圖譜。圖觀是表示實施例1白金層的(111)面的X掃描結(jié)果的圖。圖四是表示實施例3白金層的(111)面的X掃描結(jié)果的圖。圖30是觀察實施例1的截面和表面的SEM照片。圖31是觀察實施例3的截面和表面的SEM照片。圖32是表示實施例1、3和比較例1、3的P-V曲線的圖。圖33是將實施例3和比較例1的ftVRii相對于外加電場的曲線圖。圖34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...氧化鈦層；62...白金層；63. . . STO 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是表示利用本發(fā)明的實施方式1涉及的制造方法制造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的開口面的相反側(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2 μ m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)開始依次層疊有含有氧化鈦的氧化鈦層61、形成于氧化鈦層61上含有白金的白金層62、形成于白金層62上含有Nb摻雜鈦酸鍶(Nb-STO)的STO層63而成的。在第1電極60中，白金層62 主要是負責導電性的層，其余的氧化鈦層61和STO層63可以導電性較低。在此，STO層63作為控制取向的取向控制層發(fā)揮作用，作用成壓電體層70的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)。STO層63的厚度例如優(yōu)選為5 lOnm。當比5nm薄時控制取向的作用不顯著，當比IOnm厚時有可能成為低介電常數(shù)層而降低壓電特性。另外，在本實施方式中是用Nb摻雜鈦酸鍶(Nb-STO)作為STO層63，然而也可以用摻雜了其他元素，例如La等的鈦酸鍶。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AB03型的復合氧化物，是含有鈦(Ti)的材料。另外，AB03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，!^e和Mn位于B位點。在此，本實施方式的壓電體層70成為結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面的膜。由含有鐵錳酸鉍鑭的壓電材料構(gòu)成的壓電體層70本身是新的層，在本實施方式中，首次確認了成為結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面的膜，另外，由于結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面，因此與取向隨機的膜相比較，壓電特性更優(yōu)越，在用壓電元件作為壓電致動器的情況下也能夠獲得較大的變形量。在本發(fā)明中“結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面”是指包括全部結(jié)晶取向于(111)面的情況，和幾乎全部結(jié)晶(例如，90%以上)取向于(111)面的情況。詳見后述，但本實施方式的壓電元件是以如下方式形成的將作為白金層62 的前驅(qū)體的由白金構(gòu)成的白金膜的基底做成鈦膜，在白金膜上形成含有Nb摻雜鈦酸鍶 (Nb-STO)的STO層63作為控制取向的取向控制層，在STO層63上將含有鉍、鑭、鐵和錳的壓電體前驅(qū)體膜在惰性氣體環(huán)境中燒結(jié)，并同時燒結(jié)Nb-STO層63和壓電體層70使其結(jié)晶化而形成的。通過采用這樣的方法進行制造，就能夠?qū)弘婓w層70做成結(jié)晶優(yōu)先取向于 (111)面的膜。在此，壓電體層的結(jié)晶是否優(yōu)先取向于(111)，是由取向控制層和燒結(jié)條件等來決定，在白金層62的基底上不設(shè)置氧化銥層且在白金膜上不設(shè)置取向制御層的情況下，當將含有鉍、鑭、鐵和錳的壓電體前驅(qū)體膜燒結(jié)進行結(jié)晶化來形成時，結(jié)晶不優(yōu)先取向于(111) 面，取向狀態(tài)成為隨機的狀態(tài)的傾向較強。另一方面，在用STO層63作為取向控制層的情況下，燒結(jié)條件可以不是惰性環(huán)境，可以在大氣環(huán)境或氧環(huán)境下燒結(jié)。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AB03型的復合氧化物根據(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 圖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彡y彡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回線形狀。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χ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回線形狀的雙磁滯，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。
(Bi 1 -χ，Lax) (Fe 1 -y，Mny) 03(1)(0. 10 ^ χ ^ 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09)表 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，其與噴嘴開口連通；和壓電元件，其具備第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及形成在上述壓電體層上的第2電極，上述壓電體層的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于，上述第1電極包括含有白金的白金層、和形成在上述白金層上含有鈦酸鍶的STO層， 且在上述STO層上形成上述壓電體層。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的液體噴頭，其特征在于， 上述STO層摻雜有Nb。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于，上述第1電極包括含有白金的白金層、和形成在上述白金層上含有釕酸鍶的SRO層， 上述壓電體層形成在上述SRO層上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴頭，其特征在于，上述第1電極包括含有氧化銥的氧化銥層、和形成在上述氧化銥層上含有白金的白金層，上述壓電體層形成在上述白金層上。
6.根據(jù)權(quán)利要求1至5中任意一項所述的液體噴頭，其特征在于，上述第1電極包括含有白金的白金層，該白金層是(111)面的半值寬度為10度以下的層，上述壓電體層形成在上述白金層上。
7.根據(jù)權(quán)利要求1至6中任意一項所述的液體噴頭，其特征在于， 上述鐵錳酸鉍鑭是用下述一般式表示的復合氧化物，(Bih，Lax) (Fei_y，Mny) 03其中，0. 10 ≤ χ ≤ 0. 20,0. 01 ≤ y≤0. 09。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的液體噴頭，其特征在于， 0. 17 ≤ χ ≤ 0. 20。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的液體噴頭，其特征在于， 0. 19 ≤ χ ≤ 0. 20。
10.根據(jù)權(quán)利要求7至9中任意一項所述的液體噴頭，其特征在于， 0. 01 ≤ y ≤ 0. 05。
11.一種液體噴射裝置，其特征在于，具備權(quán)利要求1 10中任意一項所述的液體噴頭。
12.—種壓電元件，其特征在于，具備 含有鐵錳酸鉍鑭的壓電體層，和在上述壓電體層上形成的電極，上述壓電體層的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面。
13.一種液體噴頭的制造方法，其特征在于，是權(quán)利要求2或3所述的液體噴頭的制造方法，包括以下工序在上述白金層上形成成為上述STO層的前驅(qū)體的STO前驅(qū)體膜的工序； 在上述STO前驅(qū)體膜上形成成為上述壓電體層的前驅(qū)體的壓電體前驅(qū)體膜的工序；將上述STO前驅(qū)體膜和上述壓電體前驅(qū)體膜同時燒結(jié)，做成上述STO層和上述壓電體層的工序。
14. 一種液體噴頭的制造方法，其特征在于，是權(quán)利要求5所述的液體噴頭的制造方法，包括以下工序在上述氧化銥層上形成上述白金層的工序；在上述白金層上形成成為上述壓電體層的前驅(qū)體的壓電體前驅(qū)體膜的工序； 將上述壓電體前驅(qū)體膜在惰性氣體環(huán)境中燒結(jié)而做成上述壓電體層的工序。
全文摘要
本發(fā)明提供液體噴頭、液體噴射裝置、壓電元件及液體噴頭的制造方法，其中液體噴頭具有不含鉛且壓電特性優(yōu)越的壓電元件。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，上述壓電體層的結(jié)晶優(yōu)先取向于(111)面。
文檔編號H01L41/18GK102152629SQ201110003810
公開日2011年8月17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)明者古林智一, 繩野真久 申請人:精工愛普生株式會社