专利名称：液体喷头和液体喷射装置以及压电元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及使与喷嘴开口连通的压力发生室产生压力变化，并具备压电元件的液体喷头和液体喷射装置，其中压电元件具有压电体层和对压电体层外加电压的电极。
背景技术：
作为液体喷头所使用的压电元件是用两个电极夹持压电体层而构成的，其中压电体层由呈电-机械转换功能的压电材料，例如结晶化过的电介质材料构成。这样的压电元件，例如作为挠曲振动模式的致动器装置而搭载于液体喷头。作为液体喷头的代表例，例如具有下述的喷墨式记录头，即，用振动板构成与排出墨滴的喷嘴开口连通的压力发生室的一部分，并通过压电元件使该振动板变形而对压力发生室的油墨进行加压，从喷嘴开口排出墨滴。搭载于这样的喷墨式记录头的压电元件，例如有利用成膜技术在振动板的表面整体形成均勻的压电材料层，并通过光刻法将该压电材料层切分成与压力发生室对应的形状，按照每个压力发生室独立的方式形成压电元件。作为这样的压电元件所使用的压电材料，可列举出钛酸锆酸铅(PZT)(参照专利文献1)。专利文献1 日本特开2001-223404号公报然而，从环境问题的观点出发而寻求由不含铅的铁电体构成的压电材料。作为不含铅的压电材料，例如有具有用ABO3表示的钙钛矿构造的Bii^eO3等，然而Bii^eO3系的压电材料存在绝缘性低有时会发生泄漏电流的问题。另外，这样的问题不限定于喷墨式记录头所代表的液体喷头，在搭载于其他装置的致动器装置等的压电元件中也同样存在。
发明内容
本发明鉴于这样的实际情况，目的在于提供一种具有不含铅且绝缘性高能够抑制泄漏电流发生的压电元件的液体喷头和液体喷射装置。本发明解决上述课题的方式为，一种液体喷头，其特征在于，具备压力发生室和压电元件，其中上述压力发生室与喷嘴开口连通，上述压电元件具备第1电极、形成在上述第1电极上含有铁锰酸铋镧的压电体层、形成在上述压电体层上的第2电极，上述压电体层还含有钛。在该方式中，通过将含有铁锰酸铋镧的压电体层作成还含有钛，由此能够提高绝缘性抑制泄漏电流的发生。优选地，上述压电体层的钛含有量是5质量％以下。由此，不会对其他特性造成恶劣影响，能够提高绝缘性抑制泄漏电流的发生。另外，上述压电体层的钛含有量可以是0.5质量％以上且1质量％以下。由此，即使是少量的钛含有量，也能够提高绝缘性抑制泄漏电流的发生，从而成为具有不含铅的压电元件的液体喷头。而且，优选地，上述铁锰酸铋镧是以用下述一般式表示的ABO3型构造为基本组成的复合氧化物。由此，能够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)。本发明的另一方式为，一种液体喷射装置，其特征在于，具备上述液体喷头。在该方式中，由于具备具有压电元件的液体喷头，其中压电元件不含铅并且绝缘性高能够抑制泄漏电流的发生，因此成为不会对环境造成恶劣影响并且防止绝缘破坏且可靠性优越的液体喷射装置。另外，本发明的压电元件具备含有铁锰酸铋镧的压电体层、和对上述压电体层外加电压的电极，上述压电体层还包括钛。由此，通过将含有铁锰酸铋镧的压电体层作成还含有钛，由此能够提高绝缘性抑制泄漏电流的发生。
图1是表示实施方式1涉及的记录头的概略构成的分解立体图。图2是实施方式1涉及的记录头的俯视图。图3是实施方式1涉及的记录头的剖视图和要部放大剖视图。图4是表示样品1的P-V曲线的图。图5是表示样品2的P-V曲线的图。图6是表示样品3的P-V曲线的图。图7是表示样品4的P-V曲线的图。图8是表示样品5的P-V曲线的图。图9是表示样品6的P-V曲线的图。图10是表示样品7的P-V曲线的图。图11是表示样品8的P-V曲线的图。图12是表示样品9的P-V曲线的图。图13是表示样品10的P-V曲线的图。图14是表示样品11的P-V曲线的图。图15是表示样品12的P-V曲线的图。图16是表示样品13的P-V曲线的图。图17是表示样品14的P-V曲线的图。图18是表示样品15的P-V曲线的图。图19是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。图20是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。图21是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。图22是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。图23是表示实施方式1涉及的记录头的制造工序的剖视图。图M是表示实施例1和比较例1的P-V曲线的图。图25是表示实施例1和比较例2的P-V曲线的图。
图沈是表示实施例1和比较例3的P-V曲线的图。
图27是表示实施例1和比较例1的S-V曲线的图。
图28是表示实施例1和比较例3的S-V曲线的图。图29是表示实施例1和比较例1的SIMS测量结果的图。图30是表示实施例1的SIMS测量结果的图。图31是表示比较例2的SIMS测量结果的图。图32是表示实施例和比较例的X射线衍射谱的图。图33是表示实施例和比较例的X射线衍射谱的图。图34是表示实施例1和比较例1的隧道放出机构结果的图。图35是表示实施例1 4和比较例1的I-V曲线的图。图36是表示本发明的一个实施方式涉及的记录装置的概略构成的图。图中符号说明I...喷墨式记录头(液体喷头)；II...喷墨式记录装置(液体喷射装置)； 10...流路形成基板；12...压力发生室；13...连通部；14...油墨供给路；20...喷嘴板；21...喷嘴开口 ；30...保护基板；31...储液槽部；32...压电元件保持部；40...柔性基板；56...钛膜；57...白金膜；60...第1电极；61...第1氧化钛层；62...白金层； 63...第2氧化钛层；70...压电体层；80...第2电极；90...引线电极；100...储液槽； 120...驱动电路；300...压电元件。
具体实施例方式(实施方式1)图1是表示作为本发明的实施方式1涉及的液体喷头的一个例子的喷墨式记录头的概略构成的分解立体图，图2是图1的俯视图，图3是图2的A-A'剖视图(图3(a))和要部放大图(图3(b))。如图1 图3所示，本实施方式的流路形成基板10由单晶硅基板构成，在其一个面上形成有由二氧化硅构成的弹性膜50。在流路形成基板10上沿其宽度方向并排设置有多个压力发生室12。另外，在流路形成基板10的压力发生室12长度方向外侧的区域形成连通部13，连通部13和各压力发生室12经由设置于各个压力发生室12的油墨供给路14以及连通路15而连通。连通部 13构成与后述的保护基板的储液槽部31连通而成为各压力发生室12共用的油墨室的储液槽的一部分。油墨供给路14以比压力发生室12窄的宽度形成，将从连通部13流入到压力发生室12的油墨的流路阻力保持为一定。另外，本实施方式中，通过将流路的宽度从单侧缩小而形成了油墨供给路14，然而也可以将流路的宽度从两侧缩小来形成油墨供给路。另外，还可以不缩小流路的宽度，而从厚度方向缩小来形成油墨供给路。本实施方式中，在流路形成基板10上设置有由压力发生室12、连通部13、油墨供给路14和连通路15构成的液体流路。另外，利用粘接剂或热封膜等将喷嘴板20固定安装在流路形成基板10的开口面侧，其中喷嘴板20中贯穿设置有与和各压力发生室12的油墨供给路14相反一侧的端部附近连通的喷嘴开口 21。另外，喷嘴板20例如由玻璃陶瓷、单晶硅基板、不锈钢等构成。另一方面，在与这样的流路形成基板10的开口面相反的一侧，如上所述形成弹性膜50，并在该弹性膜50上形成由氧化锆等构成的绝缘体膜55。
此外，在该绝缘体膜55上层叠形成有第1电极60 ；厚度为2μπι以下、优选为 0. 3 1.5μπι的薄膜的压电体层70 ；以及第2电极80，从而构成压电元件300。在此，压电元件300是指包括第1电极60、压电体层70和第2电极80的部分。通常情况下，将压电元件300中的任意一个电极作为共用电极，将另一个电极和压电体层70通过对各个压力发生室12图案成形而构成。本实施方式中，将第1电极60作为压电元件300的共用电极，将第 2电极80作为压电元件300的单独电极，然而根据驱动电路和布线情况而将它们反过来也不存在问题。另外，在此，将压电元件300与通过该压电元件300的驱动而产生位移的振动板一起称为致动器装置。另外，在上述的例子中，弹性膜50、绝缘体膜55以及第1电极60 作为振动板发挥作用，当然不限定于此，例如，也可以不设置弹性膜50和绝缘体膜55，另外可以只将第1电极60作为振动板发挥作用。另外，压电元件300本身实质上可以兼作振动板。而且，在本实施方式中，如图3(b)所示，第1电极60是从绝缘体膜55侧开始依次层叠含有氧化钛的第1氧化钛层61、形成于第1氧化钛层61上含有白金的白金层62、形成于白金层62上含有氧化钛的第2氧化钛层63而成的。在第1电极60中，白金层62是主要负责导电性的层，其余的第1氧化钛层61、第2氧化钛层63可以导电性较低，可以不是完全的层状例如可以是岛状。另外，第2氧化钛层63的厚度优选为3nm以下。当比3nm厚时有可能成为低介电常数层而降低压电特性。因此，通过将第2氧化钛层63的厚度设为3nm 以下，由此能够提高压电特性。另外，压电体层70是含有铁锰酸铋镧的压电材料，S卩，是含有铋(Bi)，镧(La)，铁 (Fe)和锰(Mn)的ABO3型的复合氧化物，并且含有钛(Ti)。另外，ABO3型构造，S卩，钙钛矿构造的A位点配位12个氧，另外，B位点配位6个氧而组成8面体(octahedoron)。Bi和La 位于该A位点，Fe和Mn位于B位点。而且，压电体层70中含有的Ti的形态未特殊限定， 例如成为置换了 B位点的!^e或Mn的一部分的状态。这样，是含有铁锰酸铋镧的压电材料，进一步成为还含有钛的压电体层70，由此绝缘性高能够抑制泄漏电流的发生，并且能够成为不含铅的压电体层70。压电体层70的钛含有量虽未特殊限定，然而优选为5质量％以下。这是由于当钛的含有量过多时，有时会对绝缘性以外的压电特性等造成恶劣影响。另外，压电体层70的钛含有量即使是少量到0. 5质量％以上且1质量％以下，也能够抑制因添加钛而产生的压电特性的降低，并且能够充分地提高绝缘性。另外，含有铋(Bi)、镧(La)、铁(Fe)和锰(Mn)的压电体层70优选为用下述一般式(1)表示的组成比。由于成为用下述一般式(1)表示的组成比，因此能够使压电体层70 成为铁电体。这样，当将作为铁电体的材料作成压电体层70时，能够容易地控制变形量，因此例如在将压电元件用于液体喷头等的情况下，能够容易地控制排出的墨滴大小等。另外， 含有Bi、La、Fe和Mn的ABO3型的复合氧化物根据其组成比的不同，表现出铁电体、反铁磁体、顺电体之类的不同的特性。制作改变了下述一般式(1)的组成比的压电元件(样品1 18)，并外加25V或30V的三角波，将求出了 P (极化量)-V (电压)的关系的结果分别表示于图4 18，并将组成表示于表1。另外，样品16 18由于泄漏过大而无法测量，因此无法作为压电材料使用。如图4 14所示，在处于0. 10彡χ彡0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09的范围内的样品1 11中，在铁电体中观测到特殊的磁滞曲线形状。因此，样品1 11的变形量相对于施加电压是以直线变化，因而容易控制变形量。另一方面，在一般式(1)中处于 0. 10彡X彡0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09的范围以外的样品12 14，如图15 17所示，由于在反铁磁体中观察到在特殊的正电场方向和负电场方向具有两个磁滞曲线形状的双磁滞， 因此是反铁磁体，样品15如图18所示那样是顺电体，另外，样品16 18如上所述由于泄漏过大而无法作为压电材料使用，样品12 18的任意一个均不是铁电体。(Bih，Lax) (Fe1^y, Mny) O3 (1)(0. 10 ^ χ ^ 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09)表 1
Xy样品10. 100. 03样品20. 100. 05样品30. 100. 09样品40. 140. 05样品50. 170. 03样品60. 180. 03样品70. 200. 01样品80. 200. 02样品90. 190. 03样品100. 190. 04样品110. 190. 05样品120. 210. 03样品130. 240. 05样品140. 290. 05样品150. 480. 05样品160. 200. 00样品170. 100. 00
权利要求
1.一种液体喷头，其特征在于，具备压力发生室和压电元件，其中，上述压力发生室与喷嘴开口连通，上述压电元件具备第1电极、形成在上述第1电极上含有铁锰酸铋镧的压电体层、形成在上述压电体层上的第2电极，上述压电体层还含有钛。
2.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征在于， 上述压电体层的钛含有量是5质量％以下。
3.根据权利要求1所述的液体喷头，其特征在于，上述压电体层的钛含有量是0. 5质量％以上且1质量％以下。
4.根据权利要求1 3任意一项所述的液体喷头，其特征在于，上述铁锰酸铋镧是以用下述一般式表示的ABO3型构造为基本组成的复合氧化物，(Bih，Lax) (Fe1^yjMny) O3其中，0. 10 彡 χ 彡 0. 20,0. 01 ^ y ^ 0. 09。
5.一种液体喷射装置，其特征在于，具备权利要求1 4中任意一项所述的液体喷头。
6.一种压电元件，其特征在于，具备含有铁锰酸铋镧的压电体层、和对上述压电体层外加电压的电极，上述压电体层还包括钛。
全文摘要
本发明提供液体喷头和液体喷射装置以及压电元件，其中液体喷头具有不含铅且绝缘性高能够抑制泄漏电流发生的压电元件。该液体喷头具备压力发生室和压电元件，其中上述压力发生室与喷嘴开口连通，上述压电元件具备第1电极、形成在上述第1电极上含有铁锰酸铋镧的压电体层、形成在上述压电体层上的第2电极，上述压电体层还含有钛。
文档编号H01L41/18GK102180011SQ20111000385
公开日2011年9月14日 申请日期2011年1月4日 优先权日2010年1月5日
发明者北田和也, 绳野真久 申请人:精工爱普生株式会社