压电元件、压电致动器装置、液体喷射头、液体喷射装置和超声波测定装置的制造方法_2

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在第1方向X具有与压力产生 室12大致相同的宽度的连通路14被多个隔壁11划分。在连通路14的外侧(与第2方向 Y的压力产生室12相反的一侧),形成了构成作为各压力产生室12的共用的油墨室的歧管 100的一部分的连通部15。目P,在流路形成基板10形成了由压力产生室12、油墨供给路13、 连通路14和连通部15构成的液体流路。
[0044] 在流路形成基板10的一个面侧,即压力产生室12等液体流路开口的面,利用粘接 剂、热烙膜等接合有喷嘴板20,该喷嘴板20上贯穿设置有与各压力产生室12连通的喷嘴开 口 21。在喷嘴板20沿第1方向X并列设置有喷嘴开口 21。
[0045] 在与流路形成基板10的一个面侧对置的另一面侧形成有振动板50。振动板50例 如可W由设置在流路形成基板10上的弹性膜51和设置在弹性膜51上的绝缘体膜52构成。 但是,并不限定于上述例子,也可W将流路形成基板10的一部分加工得较薄而作为弹性膜 使用。
[0046] 在绝缘体膜52上介由例如由铁构成的密合层,形成了由第1电极60、压电体层70 和第2电极80构成的压电元件300。但是,也可W省略密合层。
[0047] 在本实施方式中,将压电元件300和通过该压电元件300的驱动而产生位移的振 动板50合起来称为致动器装置。另外,振动板50和第1电极60作为振动板而发挥作用, 但不限定于此。也可W不设置弹性膜51和绝缘体膜52的任一者或两者,仅将第1电极60 作为振动板发挥作用。另外,压电元件300本身实质上可W兼作振动板。在流路形成基板 10上直接设置第1电极60的情况下,为了第1电极60和油墨不导通,优选用绝缘性的保护 膜保护第1电极60。
[0048] 在运样的压电元件300中,通常将任一电极作为共用电极,将另一电极通过每个 压力产生室12的图案化而形成为独立电极。在本实施方式中,将第1电极60作为独立电 极,将第2电极80作为共用电极,但根据驱动电路120、连接配线121的情况也可W将它们 反过来设置。在本实施方式中,第2电极80横跨多个压力产生室12连续形成而作为共用 电极。
[0049] 第2电极80被设置在与压电体层70的第1电极60相反的面侦U。上述的第1电极 60、该第2电极80的材料只要是具有导电性的材料就没有特别限定,优选使用白金(Pt)、银 (Ir)等贵金属。
[0050] 在设有压电元件300的流路形成基板10上,即在振动板50、第1电极60和引线 电极90上,介由粘接剂35接合有保护基板30,该保护基板30具有构成歧管100的至少一 部分的歧管部32。在本实施方式中,该歧管部32在厚度方向贯通保护基板30且沿压力产 生室12的宽度方向形成,如上所述与流路形成基板10的连通部15连通而构成作为各压力 产生室12的共用的油墨室的歧管100。另外,也可W将流路形成基板10的连通部15对应 各压力产生室12分割成多个,仅将歧管部32作为歧管。此外,例如也可W在流路形成基板 10上仅设置压力产生室12,在介于流路形成基板10和保护基板30之间的弹性膜51和绝 缘体膜52上设置连通歧管和各压力产生室12的油墨供给路13。
[0051] 在保护基板30的与压电元件300对置的区域设有具有不阻碍压电元件300的运 动的程度的空间的压电元件保持部31。应予说明,压电元件保持部31只要具有不阻碍压电 元件300的运动的程度的空间即可,该空间可W被密封也可W不被密封。在保护基板30上 固定有作为信号处理部发挥功能的驱动电路120。驱动电路120例如可W使用电路基板、半 导体集成电路(1C)等,与打印机控制器(图1所示的200)连接。驱动电路120和引线电 极90介由插通贯通孔33的连接配线121电连接,该连接配线121由焊线等导电性线构成。
[0052] 另外,在保护基板30上接合有由密封膜41和固定板42构成的柔性基板40。密封 膜41由刚性低的材料构成,歧管部32的一面被该密封膜41密封。另外,固定板42可由金 属等硬质的材料构成。该固定板42的与歧管100对置的区域是在厚度方向完全被除去的 开口部43,因此歧管100的一面仅被具有晓性的密封膜41密封。
[0053] 在此,使用图4~图5对本实施方式设及的压电元件进行说明。其中图4是对所 谓90°电畴翻转等进行说明的图,图5是对进一步具备规定的基底层的本实施方式的方式 进行说明的图。
[0054] 本实施方式的压电元件300是依次层叠第1电极60、压电体层70和第2电极80 而形成的,压电体层70具有作为正方晶的晶体结构,并且该晶体在流路形成基板10上进行 {100}取向,且具有相对于层叠方向垂直的(100)面和(001)面的各区域混存于晶格内。应 予说明,层叠方向可W换称为压电元件300的厚度方向,相当于与上述的第1方向X和第2 方向Y均垂直的方向。
[0055] 压电体层70构成如下:由下述通式(1)表示的复合氧化物构成,该复合氧化物含 有作为伪立方晶的化(M' 1/3,佩2/3)〇3与作为正方晶的化M"0 3固溶而成的正方晶陶瓷。运 样的巧铁矿型结构,即AB03型结构中,在A位配位了 12个氧,另外,在B位配位了 6个氧而 形成8面体(oct址e化on)。通式(1)中,Pb位于A位,佩、M'和M"位于B位,作为M',使 用Mg、Μη、Fe、Ni、Co、化等可取巧价的金属种类,作为M",使用Ti、Zr等可取+4价的金属 种类。本发明中,作为M',使用Ni,作为M",使用Zr和Ti。
[0056] 也就是说在本实施方式中,压电体层70的构成如下:由下述通式似表示的复合 氧化物构成,该复合氧化物含有妮儀酸铅任b(Ni,Nb) 03;PNN)与错酸铅和铁酸铅(PbZrO3和 化Ti化;PZT)固溶而成的正方晶陶瓷,并且铅与ABO3结构的化学计量相比过量存在。由此, 能够实现压电常数的进一步提高。
[0057]xPb(M,i/3,Nb2/3)〇3-yPbZr〇3_zPbTi〇3...(1)
[0058] xPbi(Nii/3,Nb2/3)〇3-yPbZr〇3_zPbiTi〇3 …似
[0059](通式(1)和似中,10《X《40,0 <y《40, 50《z《90)
[0060] 式中的记述是基于化学计量的组成表述,只要能够得到巧铁矿结构,允许晶格失 配、元素的一部分缺失等引起的不可避免的组成偏差,也允许元素的一部分被置换等。例 如,将化学计量比设为1时,允许0. 85~1. 20范围内的组成。r、M"的金属种类并不限于 一种,在不变更本发明主旨的范围内,只要作为M'使用Ni,作为M"使用Zr和Ti,则也可W 使用多种。
[0061] 如图4所示,在压电体层70中,具有相对于层叠方向(压电元件300的厚度方向) 垂直的(100)面和(001)面的电畴71混存于晶格内,通过外加电场E使正方晶的a轴成分 和b轴成分向C轴成分翻转90°,由此发挥压电特性。特别是在本实施方式中,压电材料的 晶体的晶粒直径Dw。《为20nmW下,特别是为15nmW下,在介由般烧界面配置的构成薄膜 的各柱状粒内形成了铁电性的电畴71 (所谓的纳米畴)。由此,能够高效地引起90°电畴 翻转,因此能够进一步提高压电体层的压电常数。
[0062] 顺便说一下,与运样的利用90°电畴翻转产生位移的压电体层70不同地,也已知 有不伴有90°电畴翻转的压电体层。但是该压电体层利用90°电畴翻转运样的角度关系 不产生位移,因此两者是根本不同的压电体层。
[0063] 另外,与本实施方式的压电体层70不同的、通过铁电性的电畴内的电偶极矩的感 应而发挥压电特性的压电体层(例如PZT)多是利用压电常数在晶体结构变化的准同型相 界附近变得极大的性质而实现规定的组成比的。另一方面,在后述实施例中已经证实了本 实施方式运样的利用90°电畴翻转的压电体层70,特别是在从上述组成比脱离的范围内 也可W得到超过上述PZT的位移。
[0064] 而且,如图5所示,本实施方式的压电体层70W如下方式构成,即,在第1电极60 侧具备基底层70a,该基底层70a与该压电体层70的复合氧化物的C轴的晶格失配率小于 1 %,并且基底层70a与复合氧化物的a轴和b轴的晶格失配率为1 %W上。由此,容易控制 压电材料的取向,另外能够使作为正方晶的压电材料的C轴成分稳定化,因此能够进一步 提高压电体层的压电常数。
[0065] 基底层70a可W具备与作为正方晶的压电体层70的复合氧化物组成不同的AB03 型晶体结构,在此采用了PZT。采用P
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