专利名称：墨水喷射头及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种用在喷墨打印机上的墨水喷射头及其制连方法，特别是涉及利用压电执行元件喷出墨水时，对该压电执行元件内之振动板进行改良的技术。
近年来，喷墨打印机被广泛地应用在办公室及家庭里。人们不断地在要求该喷墨打印机上所用的墨水喷射头低噪音化、印字高质量化，因而设计出了各种方式的墨水喷射头，一般来说，大致分为以下2种。
第一种方式是流路和墨水室的一部分跟具有压电元件的压电执行元件一起形成压力室并把脉冲状态的电压印加在该压电元件上让压电执行元件变形，而让上述压力室变形使其容积减少，从而在压力室内产生压力脉冲，利用该压力脉冲从与压力室相通的喷嘴部喷出墨水。
第二种方式是通过把发热抵抗体配设在流路内，把脉冲状态的电压印加在该发热抵抗体让该发热抵抗体发热，而让流路内的墨水沸腾生成蒸气泡，利用该蒸气泡的压力从喷嘴部喷出墨水。
因为本发明与上述第一种方式有关，故以下对第一种方式进行更详细的说明。图9及
图10示出了该第一种方式墨水喷射头的一例。该墨水喷射头上有一印头主体101，印头主体101上形成有有用来供给墨水的供给口102a和用来喷出墨水的喷出口102b的多个压力室用凹部。该印头主体101的各凹部102沿同一个方向排列着且相互保持一定的间隔。
上述印头主体101是由形成上述凹部102侧壁部的压力室105形成该各凹部102底壁部且由多张薄板贴在一起构成的墨水流路106和喷嘴板113构成的。在上述墨水流路106内形成分别跟每个凹部102的供给口102a连接的墨水供给用流路107和分别跟每个凹部102的喷出口102b连接的墨水喷出用流路108。上述各墨水供给用流路107和沿上述各凹部102的排列方向延长的墨水供给室110连接，该墨水供给室110和由墨水压力室105及墨水流路106形成且跟未图示的墨水筒连接的墨水供给孔111连接。在上述喷嘴板113上形成分别和上述每个墨水喷出用流路108连接的喷嘴孔114。
在上述印头主体101的压力室105的上面，分别对应着上述每个凹部102设置压电执行元件121。该压电执行元件121上有覆盖印头主体101的凹部102且与该凹部102一起构成压力室103的振动板122。该振动板122是一张所有的压电执行元件121都共用的振动板，也起着后述的所有的压电元件123共用的下侧电极的作用。还有，各压电执行元件121上备有设在上述振动板122的对应于压力室103的那一部分上的压电元件123，和设在该压电元件123上面且用以将电压施加给压电元件123的上侧电极124。
在上述各压电执行元件121中，当作为上述下侧电极的振动板122和上侧电极124给压电元件123印加脉冲状态的电压时，压电元件123沿垂直于其厚度方向的方向收缩，而振动板122及上侧电极124不收缩，由所谓的双层金属平板效果使振动板122的对应于压电元件123的那一部分往压力室103那一侧弯曲变形而呈凸状。由于弯曲变形而在压力室103内产生压力，压力室103内的墨水便在该压力下经过喷出口102b及墨水喷出用流路108，从喷嘴部114喷向外部。
近年来，小型轻量化、低驱动电压化、低噪音化、降低成本化、改善喷出墨水的控制性等严格的要求下，对如上所述的利用压电执行元件喷出墨水的墨水喷射头进行了各种各样的改良。现在已经到了朝着使其更加小型化、高性能化的目标，将振动板和压电元件等形成为容易进行微细加工(小型精密)的薄膜的时候了。
可是，只在以往的压电执行元件的材质、形状、结构下进行薄膜化，生产时在振动板、压电元件、上侧电极等上会发生龟裂(断裂)，也会发生膜剥离、膜膨胀，结果墨水喷射头的生产性会下降。
还有，光进行薄膜化，各部分很厚，所以在使用墨水喷射头时无论如何机械强度会下降，结果在经常变形的振动板等上有可能发生龟裂，最终导致墨水喷射头的使用寿命变短。因此，不仅要求实现小型化且提高控制墨水喷出量的能力，也要求实现让各部分的强度等很高，使用寿命很长，而且容易生产的墨水喷射头。
本发明是签于上述问题而研究出来的。其目的在于设法改造利用压电执行元件喷出压力室内的墨水的墨水喷射头中，该压电执行元件中的振动板的构成，以实现墨水喷射头的小型化，并尽可能地提高其生产性及可靠性。
为了达到上述目的，本发明采用以下手段至少用杨氏模量不同的2层，或至少由1层存在着压缩残余应力的压缩残余应力层和1层存在着拉伸残余应力的拉伸残余应力层来形成振动板。
具体来说，本发明所涉及的墨水喷射头，备有形成有有供给墨水的供给口和喷出墨水的喷出口的压力室用凹部的印头主体和压电执行元件，该压电执行元件中包括覆盖上述印头主体的凹部且和该凹部共同构成压力室的振动板、设在该振动板与上述印头主体相反的那一侧且对应于上述压力室的那一部分振动板上的压电元件、设在该压电元件与上述振动板相反的那一侧且给压电元件印加电压的电极；通过该电极给上述压电元件印加电压并让上述振动板的对应着上述压力室的那一部分变形，从而利用该变形把该压力室内的墨水从上述喷出口喷出。
上述压电执行元件的振动板至少由杨氏模量互相不同的2层杨氏摸量层叠层在振动板的厚度方向上而形成。
按上述构成，振动板至少用2种材料构成，所以振动板的每一层由薄膜形成时，可以让各层内发生的剩余应力(应变)相互不同，从而可以抵消整个振动板的剩余应力(应变)。结果可以控制振动板和压电元件等上的应力过度集中。因此，即使把振动板和压电元件薄膜化，淀积形成膜时或使用时也能控制其发生龟裂等，从而能提高墨水喷射头的生产性及可靠性。
上述振动板的各层的杨氏模量最好被设定在50～350GPa。这样的话，能得到足够让墨水喷出的弯曲量，同时可以使影响墨水的喷出速度的压力十分大。因此，可以获得墨水喷出性能良好的墨水喷射头。
还有，上述振动板的最靠近印头主体侧的那一层，最好用耐墨水腐蚀性材料构成。这样的话，即使为振动板直接接触墨水的结构，它也不会因墨水的存在而膨胀、收缩及劣化，而且长时间使用也不容易产生龟裂等。
最好是至少选择以下材料中的一种来作上述耐墨水腐蚀性材料铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢及钨单体，该各单体的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各单体的合金。这样做的话，容易得到薄而强度高的振动板，同时也能确防由墨水引起的振动板的溶解和腐蚀等。而且，可大大地提高压力室内的压力。
上述整个振动板的厚度最好设定在1～7μm。这是因为整个振动板的厚度小于1μm的话，很难确保振动板的强度，同时压力室内生成的压力不够。相反，整个振动板的厚度比7μm大的话，形成膜时会发生膜剥离或龟裂，同时得不到足够使墨水喷出的弯曲量。因此，将其设定1～7μm能进一步提高墨水喷射头的生产性及可靠性。
本发明所涉及的其他墨水喷射头，其备有形成有有供给墨水的供给口和喷出墨水的喷出口的压力室用凹部的印头主体和压电执行元件，该压电执行元件中包括覆盖上述印头主体凹部且和该凹部共同构成压力室的振动板、设在该振动板与上述印头主体相反的那一侧且对应于上述压力室的那一部分振动板上的压电元件、设在该压电元件的与上述振动板相反的那一侧并且给压电元件印加电压的电极；通过该电极给上述压电元件印加电压并让上述振动板对应着上述压力室的那部分变形，从而利用该变形把该压力室内的墨水从上述喷出口喷出，上述压电执行元件的振动板由至少1层存在着压缩残余应力的压缩残余应力层和至少1层存在着拉伸残余应力的拉伸残余应力层叠层在该振动板的厚度方向上而构成。
这样做，在由薄膜形成振动板的两层残余应力层时，结晶生长不会向单一方向进行而能缓和由于结晶内缺陷及空隙等引起的应变，结果膜剥离得到了抑制。结果，能提高墨水喷射头的成品合格率，同时也能延长使用寿命。因此，能进一步提高墨水喷射头的生产性及可靠性。
上述振动板的压缩残余应力层的残余应力最好设定在300GPa以下，而拉仲残余应力层的残余应力最好设定在200GPa以下。这是因为压缩残余应力层的残余应力比300GPa大的话，压缩应力过大，振动板上会发生龟裂或发生膜剥离。拉伸残余应力层的残余应力比200GPa大的话，因为膜的颜色会发白或发黑，不能形成正常的镜面膜而难以起振动板的作用。因此，压缩残余应力层的残余应力在300GPa以下、拉伸残余应力层的残余应力在200GPa以下的话，可以良好的维持墨水喷射头的性能，同时也可以提高其生产性及可靠性。
上述振动板的两层残余应力层最好用同一种耐墨水腐蚀性材料构成。这样的话，即使为振动板直接接触墨水的结构，振动板也不会因墨水的存在而膨胀、收缩及劣化，而且长时间使用也不容易产生破裂。并且能把两层残余应力层间的附着性提高到最大限度。
最好是至少选择以下材料中的一种来作上述耐墨水腐蚀性材料铜、镍、铬、钼、不锈钢及钨单体，该各单体的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各单体的合金。这样做的话，容易得到薄而强度高的振动板，同时也能确防由墨水引起的振动板的溶解和腐蚀等。而且可大大地提高压力室内的压力。
上述整个振动板的厚度最好设定在1～7μm。这样的话，能确保振动板的强度且充分提高压力室内的压力，同时在淀积形成膜时不会发生膜剥离或龟裂，而且能得到喷出墨水所需要的充分的弯曲量。因此，能进一步提高墨水喷射头的生产性、可靠性以及墨水喷出性能。
本发明所涉及的利用压电效果让振动板变形而喷出压力室内的墨水的墨水喷射头的制造方法，包括以下几道工序；电极和压电元件层叠着形成在基板上并让该电极在基板那一侧的工序；利用溅射法在上述压电元件上至少将1层存在着压缩残余应力的压缩残余应力层和1层存在着拉伸残余应力的拉伸残余应力层层叠在该振动板的厚度方向上而形成振动板的工序；将上述振动板和构成压力室的压力室构成部件固定下来的工序；上述固定工序完成后，除去上述基板的工序。
这样，振动板是用高频溅射法、DC溅射法等溅射法来形成的，所以能通过时间管理来正确地控制各层膜的厚度，同时通过改变溅射条件中的基板温度、溅射气体气压、溅射功率、TS间隔(靶·基板间的距离)等参数来适当地控制两种残余应力层29、30的膜应力。此时，如上所述，在振动板或压电元件上不会发生膜膨胀或膜剥离等。而且，溅射法非常有利于批量生产，所以不仅能通过溅射法形成振动板，还能通过它形成电极、压电元件等。因此，很容易大量地制造合格率高、廉价的墨水喷射头。
在上述制造方法中，振动板的压缩残余应力层的残余应力最好设定在300GPa以下，而拉伸残余应力层的残余应力最好设定在200GPa以下。这样的话，可以良好地维持把墨水喷射头的性能，同时可以提高其生产性及可靠性。
在上述制造方法中，最好通过控制溅射气压来形成振动板上的压缩残余应力层和拉伸残余应力层。这样的话，更容易控制膜内的应力状态，从而容易形成压缩残余应力层和拉伸残余应力层。对气体压力的控制取决于气体投入量(如氩气)和真空泵流口的开口率，本操作能正确地控制上述的气体量和真空泵流口开口率，也有再现性，故能进一步提高墨水喷射头的生产性。
图3为第1实施例所涉及的墨水喷射头的俯视图。
图4是表示振动板的杨氏模量和最大弯曲量及压力室内的压力间之关系的关系曲线。
图5概略地示出了第1实施例所涉及的墨水喷射头的制造方法。
图6是墨水喷水头的部分放大俯视图，示出了印头主体上的各凹部开口大小。
图7也是墨水喷水头的部分放大俯视图，示出了在使印头主体的各凹部开口及压电执行元件形成为长圆形时的情形。
图8为表示本发明的第2实施例所涉及的墨水喷射头的相当于图1的图。
图9示出了将以往的墨水喷射头沿着压电元件的长度方向剖开后的剖面图(沿图10中的Ⅸ-Ⅸ线剖开后的剖面图)。
图10是以往的墨水喷射头的俯视图。
(第1实施例)图1～图3显示本发明的第1实施例所涉及的墨水喷射头，该墨水喷射头具备有印头主体1，备有供给墨水的供给口2a和喷出墨水的喷出口2b的多个压力室用凹部形成在印头主体1内。该印头主体1的各凹部2在该印头主体1的一外侧面开一个近似矩形的口，并沿开口的宽度方向排列着且相互保持一定的间隔。补充一下，为简单起见，图3中仅示出了三个凹部2(后述的喷嘴孔14、压电元件23、上侧电极24等)，实际上有很多个这样的凹部2。
上述印头主体1的各凹部2的侧壁部由厚度200～500μm的不锈钢或感光性玻璃制作的压力室构成部件5构成，各凹部2底壁部被固定在该压力室构成部件5上且由多张不锈钢薄板贴合在一起形成的墨水流路构成部件6构成。在该墨水流路构成部件6内形成分别跟上述每个凹部2的供给口2a连接的墨水供给用流路7，和分别跟上述喷出口2b连接的墨水喷出用流路8。上述各墨水供给用流路7接在沿着上述各凹部2的排列方向延长的墨水供给室10上，该墨水供给室10和由形成在压力室构成部件5及墨水流路构成部件6内且跟未示出的墨水筒连接的墨水供给孔11相连接。在上述墨水流路构成部件6与压力室构成部件5相反的那一个面(下面)上形成有不锈钢或镍电铸板，或者聚酰亚胺等高分子树脂形成的厚度20～50μm的喷嘴板13，该喷嘴板13上形成有分别和上述每个墨水喷出用流路8连接的喷嘴孔14。该各喷嘴孔14配置在沿上述各凹部2的排列方向延长的直线上。
在上述印头主体1中的压力室构成部件5和墨水流路构成部件6相反的那一个面(上面)，分别对应着上述每个凹部2设置了压电执行元件21。该压电执行元件21中具有覆盖印头主体1的凹部2且与该凹部2一起构成压力室3的振动板22。该振动板22是一张所有的压电执行元件21都共用的振动板，也起着后述的所有的压电元件23都共用的下侧电极的作用。上述各压电执行元件21中还备有设在上述振动板22与印头主体1相反的那一个面(上面)的对应于上述压力室3的那一部分(与凹部2的开口相对向的那一部分)上且由锆钛酸铅(PZT)形成的压电元件23，和设在该压电元件23与振动板22相反的那一个面(上面)且将电压施加给压电元件23的厚度0.1～0.3μm的Pt制上侧电极24。该上侧电极24的厚度方向上的各个面的面积被设定稍微小于上述压电元件23的(也可以设定为和压电元件23相同)。另外，上述相邻的压电元件23之间及上侧电极24之间形成有由抗蚀剂或光敏聚酰亚胺树脂形成的绝缘体25。
通过作上述下侧电极用的振动板22和上侧电极24给压电元件23印加电压，利用该压电元件23的压电效果使对应于压力室3的那一部分振动板22变形，上述各压电执行元件21就是这样将该压力室3内的墨水从喷出口2b喷出的。也就是说，若在振动板22和上侧电极24之间印加脉冲状态的电压，则夹在它们之间的压电元件23便沿与厚度方向垂直的宽度方向收缩。相反，振动板22及上侧电极24不收缩，结果振动板22的对应于压电元件23的那一部分便靠所谓的双层金属平板效果往压力室3那一侧弯曲变形而呈凸状。由于这一弯曲变形，而在压力室3内产生压力，压力室3内所定量的墨水便在该压力的作用下经过上述喷出口2b及墨水喷出用流路8，从喷嘴孔14喷向外部(打印纸上面)，附着在纸面上，呈点状。
另外，不但1种颜色的墨水可以从喷嘴孔14喷出，黑、氰、品红、及黄等各种颜色墨水均可分别从不同的喷嘴孔14喷出，而实现彩色印刷。
上述各电压执行元件21中的振动板22是杨氏模量互相不同的小杨氏模量层27和大杨氏模量层28这两层在振动板22的厚度方向上层叠而形成的，在第1实施例中，上述大杨氏模量层28设在比小杨氏模量层27更靠近印头主体1的那一侧(下侧)。该小杨氏模量层27及大杨氏模量层28的杨氏模量最好设在50～350GPa。这是因为如果该杨氏模量比50Gpa小的话，如图4所示，虽然可以得到充分的墨水喷出的弯曲量，但压力室3内的发生压力还比较小，墨水喷出速度不够，如果这时想得到充分的发生压力，则需要将整个振动板22的厚度设定得大于7μm，这样做，会发生下述问题。另一方面，如果该杨氏模量比350GPa大的话，虽然发生压力充分大，但振动板22很难弯曲，而不能得到充分的弯曲量。
上述整个振动板22的厚度最好设定在1～7μm。这是因为如果整个振动板22的厚度比1μm小的话，很难确保振动板22的强度，而且压力室3内的发生压力也不够，另一方面，如果大于7μm，在后述的制造墨水喷射头时会发生膜剥离或龟裂，也不能得到充分的墨水喷出的弯曲量。因此，在将整个振动板22的厚度设在1～7μm时，最好将压电元件23的厚度设定在1～3μm左右，从而使压电元件23易弯曲。另外，上述振动板22的小杨氏模量层27及大杨氏模量层28的厚度最好分别设定在1～3μm。
再说，最好至少上述振动板22的大杨氏模量层28(靠近最印头主体1侧的那一层)用耐墨水腐蚀性材料构成。具体来说，至少选择以下材料之中的一种来作该耐墨水腐蚀性材料铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢及钨、该各单体的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各单体的合金。还有，小杨氏模量层27，最好选跟大杨氏模量不同的耐墨水腐蚀性材料。特别是，小杨氏模量层27选钛(杨氏模量117GPa)或铜(杨氏模量124GPa)、大杨氏模量层28选铬(杨氏模量248GPa)构成的话，能够得到喷墨性能、强度及生产性等各方面都最佳的振动板22。
下面，参照图5，概略地说明上述墨水喷射头的制造方法的顺序。补充一下，图5中的墨水喷射头和图1、图2中的墨水喷射头的上下位置倒过来了。
首先，用溅射法在整个膜形成用MgO基板41上形成Pt膜42(参看图5(a))，其次用溅射法在该整个Pt膜42上形成PZT膜43(参看图5(b))。再用RIE(reactive ion etching反应性离子蚀刻)把上述Pt膜42及PZT膜43图案化(分离开)形成上侧电极24及压电元件23(参看图5(c))。补充一下，上述溅射法是指利用将高能量照射到固体(靶)上时，从靶表面上放射出靶构成原子的现象(叫喷溅)形成薄膜的技术，该溅射法由电极构成、喷溅柱子的发生方法之不同可分为多种方式，如高频溅射法、DC溅射法等，本发明不限定其方式。
接着，用高速回转涂料装置在上述相邻的上侧电极24和压电元件23之间填充抗蚀剂或光敏聚酰亚胺树脂来形成绝缘体25(参看图5(d))。此时，利用光刻蚀法让绝缘体25的上面形成得跟压电元件23的上面差不多一样高。
然后，用溅射法在上述压电元件23及绝缘体25上形成振动板22的小杨氏模量层27后，再用溅射法在该小杨氏模量层27上面形成大杨氏模量层28，以形成振动板22(参看图5(e))。
然后，把上述振动板22中的大杨氏模量层28和印头主体1中构成压力室3的压力室构成部件5(事先开好压力室3用孔)固定下来(参看图5(f))。然后，用热磷酸或氢氧化钾等把上述膜形成用的基板41溶解·除去，同时在上述压力室构成部件5上依次固定墨水流路构成部件6及喷嘴板13(参看图5(g))。补充一下，也可以在固定振动板22的大杨氏模量层28和压力室构成部件5之前，就把墨水流路构成部件6及喷嘴板13固定到压力室构成部件5上。
然后，给各上侧电极24及振动板22配线及其他必须进行处理后，即可完成墨水喷射头之制造，未图示。
补充一下，把上述膜形成用基板41溶解·除去时，如果没有上述绝缘体25，该热磷酸或氢氧化钾等可能会到达压电元件23而损害压电元件23，可是，有了上述绝缘体25和上侧电极24后，就可防止压电元件23被热磷酸或氢氧化钾等损坏。
上述绝缘体25可以在把膜形成用基板41溶解·除去后再除去，可是最好不除去留下来。理由有二(1)抗蚀剂或光敏聚酰亚胺树脂的弹性系数是PZT的约1/20以下(测定结果是1/33)，故照样留下也不会阻碍压电执行元件21正常工作。
(2)绝缘体25能保护压电执行元件21便它不受因某些故障或误操作引起的机械外力的影响，还能顺利地传递弹性系数高的振动板22和压电元件23周围侧壁部之间的应力，以延长压电元件23的使用寿命。
因此，在上述第1实施例中，振动板22是由杨氏模量(材料)互相不同的小杨氏模量层27和大杨氏模量层28这两层构成的，这样，可在形成27、28时，使27、28内所产生的内部应力(应变)不同，从而让整个振动板22的内部应力(应变)相互抵消。结果，可以抑制在振动板22或压电元件23等中发生过度的应力集中。
例如，如图6所示(图6中，每个压电执行元件21内都设有振动板22，且没有设置绝缘体25)，在设在印头主体1上的各凹部2的开口大小为120μm×1500μm，并只用铬构成稍微大于该各凹部2的开口部的振动板22时，该振动板22向和压力室3相反的那一侧(上侧)弯曲而凸出，其最大歪曲量(最大翘曲量)为0.5～1.5μm。相反，用由钛形成的小杨氏模量层27和用铬形成的大杨氏模量层28构成振动板22的话，上述最大歪曲量(最大翘曲量)变成0.1～0.5μm，而使整个振动板22的歪曲量减少了。
还有，如图7所示，假设印头主体1的各凹部2的开口形成为短径250μm×长径500μm左右的长圆形状(椭圆形状)，而且对应于该凹部2让振动板22、压电元件23及上侧电极24也分别形成为长圆形状，那么，在只用铬形成振动板时，振动板22弯向与压力室3相反的那一侧的最大变形量很大，为5～15μm；但在用由钛形成的小杨氏模量层27和用由铬形成的大杨氏模量层28这两层构成振动板22时，上述最大歪曲量十分小，为0.5～4μm。
因此，制造墨水喷射头时，振动板22或压电元件23等中不会发生龟裂、膜剥离、膜膨胀等不良现象，可以提高生产性。而且，即使长时间地使用墨水喷射头，振动板22和压电元件23等中也难以发生龟裂，可以提高延长使用寿命。如上所述，印头主体1的各凹部2开口及各压电执行元件21是长圆形状时，这些效果会发挥得更好。
补充一下，上述第1实施例中，振动板22是以杨氏模量互相不同的小杨氏模量层27和大杨氏模量层28构成的，也可以由杨氏模量互相不同的3层以上的杨氏模量层构成。
还有，在上述第1实施例中，把大杨氏模量28配置在比小杨氏模量27更靠近印头主体1的那一侧，相反，也可以把小杨氏模量27配置在比大杨氏模量28更靠近印头主体1的那一侧。(第2实施例)图8示出了本发明的第2实施例(和图1相同的部分用和图1相同的符号表示，省略了其详细的说明)，第2实施例是让压电执行元件21的振动板22和上述第1实施例中的不一样构成的。
在该第2实施例中，振动板22由1层具有压缩残余应力的压缩残余应力层29和1层具有拉伸残余应力的拉伸残余应力层30层叠在该振动板22厚度方向而形成，上述拉伸残余应力层30被配置在比压缩残余应力29更靠近印头主体1的那一侧。最好是该压缩残余应力层29的残余应力设在300GPa以下(假设把应力的压缩侧表现负、拉伸侧正的话，即为-300GPa以上)，拉伸残余应力层30的残余应力设在200GPa以下(相同，+200GPa以下)。这是因为如果压缩残余应力层29的残余应力大于300GPa(小于-300GPa)的话，压缩应力高得太过分，膜形成用基板41会裂开或振动板22也会发生龟裂、剥离；如果拉伸残余应力层30的残余应力大于200Gpa的话，膜的颜色会发白或发黑，不能形成正常的镜面膜，以致难以起振动板22之作用。
上述压缩残余应力层29和拉伸残余应力层30最好都由同一种耐墨水腐蚀性材料(具体说，跟上述第1实施例一样，至少选择以下材料中的一种铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢及钨单体、该各单体的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各单体的合金)构成，最合适的材料是铬。而且，跟上述第1实施例一样，最好将整个振动板22的厚度设在1～7μm，将压电元件29的厚度设在1～3μm。
下面，对上述墨水喷射头的制造方法进行说明。补充一下，振动板22的形成工序以外，其他工序都跟上述第1实施例一样，所以省略了说明，只说明振动板22的形成工序。
在相邻的上侧电极24间及压电元件23间形成绝缘体25后，再用溅射法在该压电元件23及绝缘体25上形成振动板22内的压缩残余应力层29，用溅射法在该压缩残余应力层29上面形成拉伸残余留应力层30。用溅射法形成该两层残余应力层29、30时，通过改变溅射条件中的膜形成用基板41的温度、溅射气体气压、溅射功率、TS间隔(靶·基板间距离)等参数，来适当地控制两种残余应力层29、30的膜应力。特别是，控制溅射气体气压的话，能够很容易地控制膜应力。
具体来说，两层残余应力层29、30都用铬构成时，利用高频溅射装置(频率13.56MHz)，将靶径设定为8英寸、喷溅功率设定为500W、膜形成用基板41温度设定为常温、喷溅氩气体气压1～5mTorr(0.13～0.67Pa)可以形成压缩残余应力层29，将喷溅氩气体压设定为8～12mTorr(1.07～1.60Pa)可以形成拉伸残余应力层30。
两残余应力层29、30用铬以外的材料来构成时，虽然同一个喷溅气体气压下的膜应力值稍微不同于上述用铬构成的场合，但喷溅气体气压和膜应力之关系基本上跟上述用铬构成时一样，所以只要控制喷溅气体气压，就能很容易地控制两残余应力层29、30的膜应力。
补充一下，关于上述两残余应力层29、30的膜应力值可由以下方法得知杨氏模量、泊松比已知的薄板基板(18mm×4mm、0.1mm厚)上形成薄膜，再测定该基板的翘曲量，用梁弯法公式算出形成在基板上薄膜的膜应力。而且，可由上述基板上形成的薄膜是凹下去还是凸起来，判断出是压缩应力还是拉伸应力。
上述压缩残余应力层29和拉伸残余应力层30间的最佳膜厚比跟印头主体1的凹部2的开口形状(纵·横尺寸比)有关，所以按照该凹部2开口形状压缩残余应力层29相对拉伸残余应力层30的膜厚比设在1/5～1/2的范围内就可以了。如果设在该范围外，压缩残余应力层29的膜厚过于厚的话，形成振动板22时或除去膜形成的基板41时，振动板22、压电元件23、上侧电极24等中会发生龟裂、膜剥离或膜膨胀等不良现象，引起墨水喷头的生产性下降，同时使用时机械强度下降，甚至会缩短使用寿命。
因此，在上述第2实施例中，振动板22，由压缩残余应力层29和拉伸残余应力层30构成，所以在形成振动板22时，结晶不会在单一的方向上成长，由结晶内缺陷及空隙等而引起的变形被缓和，而能控制膜剥离。结果，能提高制造墨水喷射头时，墨水喷射头的成品合格率、使用寿命，也可以得到跟上述第1实施例一样的作用效果。因为是利用溅射法并通过控制喷溅气体气压而形成两残余应力层29、30，所以可以容易且正确地控制两残余应力层29、30的膜内应力状态，可以很容易地形成合格率高的振动板22。
补充一下，在上述第2实施例中，形成了1层压缩残余层29和1层拉伸残余应力层30，不仅如此，既可以其中有一方形成为很多层，又可以双方同时形成为很多层。此时，多层压缩残余应力层29之间或多层拉伸残余应力层30之间的残余应力值相同不相同都可以，层叠顺序也没有特别的规定。而且两残余应力层29、30也可以由不同的材料构成。可把压缩残余应力层29配设在比拉伸残余应力层30更靠近印头主体1的那一侧。
再说，在上述第1、第2实施例中，构成了整个压电执行元件21共用的振动板22，可是，也可以象压电元件23和上侧电极24那样，分别对每个压电执行元件21设置上一个振动板22。
还有，上述第1、第2实施例中，振动板22兼作下侧电极用，也可以把下侧电极设在振动板22和压电元件23之间。
在上述第1、第2实施例中，把印头主体1中的各凹部2开口形状及压电执行元件21中的压电元件23等作成了矩形，如在上述第1实施例中所说明的那样，可以为长圆或椭圆，也可以为其他形状。
再说，也可以有各种各样的变形，如电压执行元件21中的压电元件23和上侧电极24等都可以使用和上述第1、第2实施例不同的材料、不同的厚度，也可以采用别的制造方法来形成。印头主体1内的压力室构成部件5、墨水流路构成部件6及喷嘴板13都可以使用和上述第1、第2实施例不同的材料和厚度。
本发明所涉及的墨水喷射头及其制造方法可被应用到电脑、传真、复印机等上所使用的墨水喷射头上，因为本发明能够把墨水喷射头小型化，并尽可能地提高了其生产性及可靠性，所以在产业上利用可能性很高。
权利要求
1．一种墨水喷射头，包括形成有其上有供给墨水的供给口和喷出墨水的喷出口的压力室用凹部的印头主体和压电执行元件，该压电执行元件中又包括覆盖上述印头主体凹部且和该凹部共同构成压力室的振动板、设在该振动板与上述印头主体相反的那一侧且对应于上述压力室的那一部分振动板上的压电元件以及设在该压电元件与上述振动板相反的那一侧且给压电元件印加电压的电极；通过该电极给上述压电元件印加电压，并让上述振动板的对应着上述压力室的那一部分变形，从而利用该变形把该压力室内的墨水从上述喷出口喷出，其特征在于上述压电执行元件的振动板至少由杨氏模量互相不同的2层杨氏模量层重叠在该振动板的厚度方向上而形成。
2．根据权利要求1所述的墨水喷射头，其特征在于上述振动板各层的杨氏模量分别设在50～350GPa。
3．根据权利要求1所述的墨水喷射头，其特征在于振动板的最靠近印头主体侧的那一层由耐墨水腐蚀性材料构成。
4．根据权利要求3所述的墨水喷射头，其特征在于至少选择以下材料中的一种来作所述的耐墨水腐蚀性材料铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢及钨、该各单体的氧化物、氮化物、碳化物以及包括上述各单体的合金。
5．根据权利要求1所述的墨水喷射头，其特征在于整个振动板的厚度设在1-7μm。
6．一种墨水喷射头，包括备有形成有有供给墨水的供给口和喷出墨水的喷出口的压力室用凹部的印头主体和压电执行元件，该压电执行元件中包括覆盖上述印头主体凹部且和该凹部共同构成压力室的振动板、设在该振动板的上述印头主体相反的那一侧且对应于上述压力室的那一部分振动板上的压电元件、设在该压电元件与上述振动板相反的那一侧且给压电元件印加电压的电极；通过该电极给上述压电元件印加电压并让上述振动板的对应着上述压力室的那一部分变形，从而利用该变形把该压力室内的墨水从上述喷出口喷出的压电执行机构，其特征在于上述压电执行元件的振动板至少由1层存在着压缩残余应力的压残余应力层和1层存在着拉伸残余应力的拉伸残余应力层重叠在该振动板的厚度方向而形成。
7．根据权利要求6所述的墨水喷射头，其特征在于振动板的压缩残余应力层的残余应力设定在300GPa以下，拉伸残余应力层的残余应力设定在200GPa以下。
8．根据权利要求6所述的墨水喷射头，其特征在于振动板的两层残余应力层用同一的耐墨水腐蚀性材料构成。
9．根据权利要求8所述的墨水喷射头，其特征在于所述的耐墨水腐蚀性材料至少选择以下材料中的一种铜、镍、铬、钛、钼、不锈钢及钨单体，该各单体的氧化物、氮化物及碳化物以及包括上述各单体的合金。
10．据权利要求6所述的墨水喷射头，其特征在于整个振动板的厚度设定在1-7μm。
11．一种利用压电元件的压电效果让振动板变形而喷出压力室内的墨水的墨水喷射头的制造方法，其特征在于包括电极和压电元件层叠着形成在基板上并让该电极在基板那一侧的工序；利用溅射法在上述压电元件上至少将1层存在着压缩残余应力的压缩残余应力层和1层存在着拉伸残余应力的拉伸残余应力层层叠在该振动板的厚度方向上而形成振动板的工序；上述振动板和构成压力室的压力室部件固定下来的工序；上述固定工序后除去上述基板的工序。
12．根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于把振动板压缩残余应力层的残余应力设定在300GPa以下，拉伸残余应力层的残余应力设定在200GPa以下。
13．根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于以控制溅射气压形成振动板上的压缩残余应力层和拉伸残余应力层。
全文摘要
一种墨水喷射头及其制造方法,为使利用压电执行机构21将压力室3内的墨水喷出的喷墨印头小型化,并提高其生产性及可靠性,让振动板22以杨氏模量互相不同的小扬氏模量层27和大扬氏模量层28这两层构成。并将各层27、28的杨氏模量分别设在50～350GPa,同时将整个振动板22的厚度设在1～7μm。
文档编号B41J2/14GK1302258SQ00800681
公开日2001年7月4日 申请日期2000年5月24日 优先权日1999年5月24日
发明者渡边修, 松尾幸治, 富田健二, 神野伊策 申请人:松下电器产业株式会社