专利名称：压电致动器和喷墨头以及其制造方法
技术领域：
本发明涉及压电致动器和利用该压电致动器的喷墨头。本发明还涉及压电致动器和喷墨头的制造方法。
背景技术：
压电致动器应用于各种用途中。在本说明书中所述的压电致动器是指在由若施加电压则变形的材料所形成的层(压电层)的表里两面上形成有电极，通过控制施加在形成于表里两面上的电极之间的电位，而能够控制压电层形状的压电致动器。如果将至少一方的电极分割成多个独立电极，则可以控制施加在压电层的每个部位上的电位差。
作为压电致动器的用途之一，已知有驱动在喷墨式打印机中所使用的喷墨头的用途。
在(日本专利)特开平11-314365号公报、(日本专利)特开平11-334087号公报以及(日本专利)特开2000-94681号公报中揭示了组装有压电致动器的喷墨头的一个例子。
喷墨头包括在内部形成有墨水流路的块体以及压电致动器。在块体的内部形成有墨水收容室，在块体的一方的表面上形成有多个凹坑，在另一方的表面上形成有多个喷嘴。在块体的内部形成有多条墨水流路。各墨水流路连通墨水收容室和一个凹坑，还连通一个凹坑和一个喷嘴。
压电致动器重叠在形成有多个凹坑的块体的一个表面上，从而盖在多个凹坑上。压电致动器包括当施加电压时变形的压电层、在压电层的表面上形成的外侧电极、以及在压电层的里面形成的内侧电极。压电致动器以在压电层和块体之间隔有内侧电极的状态而重叠。外侧电极和内侧电极的至少一方被分割成多个独立电极。施加在多个独立电极上的电压可以从施加在其他独立电极上的电压独立来调整。各个独立电极在向着在块体的上述一方表面上形成的各个凹坑的位置上而形成。
在块体一方的表面上形成的各个凹坑通过压电致动器而关闭，从而形成压力室。该压力室的体积通过压电致动器的变形而变化。如果压电致动器以侵入凹坑内的方式而变形，则压力室的容积减小，收容在压力室内的墨水向着喷嘴而被送出，从而从喷嘴吐出墨水。如果侵入凹坑内的压电致动器恢复成平坦的形状，则压力室容积增大，收容在墨水收容室内的墨水向着压力室而被吸入。
存在这样的方法即，分别形成块体和压电致动器，然后通过将两者固定来制造喷墨头的方法。在(日本专利)特开2000-94681号公报中揭示有这种类型的制造方法。
开发有在各张板上分别形成贯通孔，通过分别将形成有贯通孔的多块板层叠接合来制造块体的方法。通过预先调整在各块板上形成的贯通孔的形状和位置，并通过层叠接合多块板，而能够制造出在内部具有墨水收容室和多条墨水流路、并且在一方的表面上形成有多个凹坑而在另一方的表面上形成有多个喷嘴的块体。各个墨水流路连通墨水收容室和一个凹坑，还连通一个凹坑和一个喷嘴。
开发有通过继续层叠板的过程，来继续进行块体的制造工序，以此来制造压电致动器的方法。利用该方法，在形成有多个凹坑的块体表面上，层叠可弯曲的板，使其盖在多个凹坑上。在可弯曲的板的表面上形成电极。接着，在该表面上层叠压电层，最后，在压电层的表面上形成电极。在可弯曲的板的表面上形成的电极成为内侧电极，在压电层的表面上形成的电极成为外侧电极。外侧电极和内侧电极的至少一方被分割成多个独立电极。各个独立电极在向着在块体表面上形成的各个凹坑的位置上而形成。当采用这种方法时，通过继续层叠的过程而能够制造出喷墨头。在(日本专利)特开平11-314365号公报以及(日本专利)特开平11-334087号公报中揭示有通过继续层叠的过程来继续在块体上制造压电致动器的方法。
若利用通过继续层叠的过程来继续在块体上制造压电致动器的方法，则使得制造工序变得简单。但另一方面，在可弯曲的板的表面上层叠压电层后，有必要对压电层进行热处理。
在(日本专利)特开平11-314365号公报的技术中，利用SiO2制成可弯曲的板，利用溶胶凝胶法或者飞溅法在其表面上层叠压电层，然后再进行热处理。
在(日本专利)特开平11-334087号公报中，利用溶胶凝胶法、MOD法(有机金属化合物的热分解法)、飞溅法或者蒸镀法来层叠压电层，然后再对其进行热处理。
发明内容
本发明者反复研究的结果表明，若利用溶胶凝胶法、MOD法、飞溅法或者蒸镀法在可弯曲的板的表面上层叠压电层，然后再进行热处理，则在热处理时压电层会产生收缩，有可能降低压电致动器的性能。在收缩的压电层和可弯曲的板之间会产生较大的应力，这会使得压电致动器的性能降低。
为了形成压电层，开发了下述方法即，利用载体气体使含有压电材料的微粒群空气溶胶化(使微粒在气体中浮游并与其他微粒分离的状态称为空气溶胶化)，将被空气溶胶化的微粒群吹到基板的表面上，在基板上堆积微粒群，通过对堆积的层进行退火而形成压电层，关于这点在(日本专利)特开2001-152360号公报中有所揭示。
本发明者们的研究表明，当利用这种方法时，有可能制造出退火时的压电层收缩小、性能高的压电致动器。在通过继续层叠的过程而在块体上继续制造压电致动器的情况下，通过采用空气溶胶化来堆积包含有压电材料的微粒群并对堆积层进行退火的方法，而能够制造出性能良好的喷墨头。
然而，在进行了实验之后发现并不能得到期待的性能。当采用在基板的表面上堆积空气溶胶化的微粒群、对堆积层进行退火的方法时，虽然期待着能够制造出性能良好的压电致动器，但实际上并不能。
本发明者的研究结果还表明，在对堆积在基板上的层进行退火而制成压电层的过程中，形成基板的元素在压电层中会发生扩散，结果产生压电致动器的性能下降的现象。即，在对堆积在基板上的层进行退火来制成压电层的过程中，如果形成基板的元素在压电层中不扩散，则可以制造出性能良好的压电致动器。如果在退火过程中能够使形成基板的元素在压电层中不扩散，则可以灵活运用将空气溶胶化的微粒群吹到基板的表面上来堆积的方法的优点，从而能够制造出性能良好的压电致动器。
在本发明中，为了在退火过程中能够使形成基板的元素在压电层中不扩散，可以预先在基板的表面上形成扩散防止层。即，将空气溶胶化的微粒群堆积于在表面上形成有扩散防止层的基板上，然后再对其进行退火。
当压电层的基板与表面上形成有多个凹坑的块体紧密接触、并由与形成块体的金属同种的金属所形成时，容易维持块体和基板的粘接。如果由金属形成基板，则该基板兼作内侧电极，从而不需要在基板上形成内侧电极。然而，在基板表面上形成有使与压电层的接触电阻减小的电极有利。
在本发明中，用于扩散防止的层并不只用作扩散防止，也可以作为减小与压电层的接触电阻的电极来利用。即，在本发明中，在与块体粘接的金属板(为了增减压力室的体积而必需能够弯曲)的表面上具有能够防止构成该金属板的元素向压电层扩散的功能，同时，选择具有导电性的材料形成内侧电极。在该内侧电极的表面上堆积含有压电材料的微粒群，对堆积层进行退火。
若采用这种制造方法，则当使堆积层退火而作成压电层时，防止了元素从金属板向压电层扩散，来维持压电层的高性能。此外，因为是在金属板上堆积空气溶胶化的微粒群后，再进行退火，所以压电层的收缩小，从而能够维持压电层的性能高。另外，扩散防止层为电极，因此可以降低与压电层的接触电阻。这也可以维持这种压电极的高性能。若采用本发明，则可以累加地得到这些效果，能够制造出性能良好的压电致动器。
若采用本发明，则可以制造出通过与喷墨头组合使用来发挥有用性的压电致动器。然而，利用本发明制造的压电致动器的用途并不局限于喷墨头。当制造用于其他用途的压电致动器时，也可以利用本发明。
可以分别设置扩散防止层和电极层。在这种情况下，能够在可弯曲的金属板和内侧电极层之间设置扩散防止层。即，能够在可弯曲的金属板和压电层之间设置内侧电极层和扩散防止层这二个层。当在可弯曲的金属板和压电层之间设置这二个层时，由于二个层的物理特性复合而对金属板的弯曲特性存在影响，因此难以使压电致动器的性能得到稳定。在本发明中，内侧电极层和扩散防止层公用，不产生这个问题。
若采用本发明，则由于由合并具有导电性和扩散防止能力的材料而制成内侧电极，所以，内侧电极层可兼作扩散防止层。不需要分别形成内侧电极层和扩散防止层，使得制造工序简单化，并能够降低制造成本。此外，当分别形成内侧电极层和扩散防止层时，金属板的弯曲特性很容易变得不稳定，而若采用本发明，则能够使金属板的弯曲特性稳定化。采用本发明，将空气溶胶化的微粒群堆积在金属板上，可发挥使堆积的层退火的方法的优点，能够制造出高性能的压电致动器。
而且，若采用本发明，则可以接着内部具有墨水流路的块体的制造过程来继续进行压电致动器的制造过程，能够使两者的制造过程流水线化。能够高精度地维持具有墨水流路的块体和压电致动器的位置关系。
其中，压电致动器的用途并不仅仅局限于喷墨头。即，通过改变组装在块体中的结构而能够制造出喷墨头以外的装置。在这种情况下，也能够得到正确定位块体和压电致动器的位置关系的优点。
图1表示的是第一实施例的喷墨头的侧截面图。
图2表示的是压电致动器的制造工序的侧截面图，图2(A)表示的是可弯曲的金属板与压电室接合的样子，图2(B)表示的是在金属板上形成有内侧电极的样子，图2(C)表示的是在内侧电极的表面上层叠有压电层的样子，图2(D)表示的是在压电层的表面上形成有外侧电极的样子。
图3表示的是成膜装置的简图。
图4表示的是第二实施例的喷墨头的侧截面图。
具体实施例方式
以下，参照图1～图3来对具体化本发明的第一实施例进行详细说明。
图1表示的是第一实施例的喷墨头10的截面。喷墨头10具有层叠块体11和压电致动器1的结构。实际的块体11和压电致动器1向图1的左右方向伸长。在图1中只示出了其一部分。
块体11的整体形成为平板状，其通过依次层叠喷嘴板12、分流板(manifold)13、流路板14以及压力室板15，并利用环氧树脂等热硬化性粘接剂而使各板12、13、14、15相互接合来制造。
喷嘴板12由聚酰亚胺系的合成树脂材料制成，其形成有成为喷射墨水20的喷嘴19的贯通孔。在喷嘴板12上以矩阵状的配置图案而形成有多个贯通孔19。在图1中，标注字母a、b…以区别喷嘴。就省略了字母a、b…来说明的对象而言，是表示对全部喷嘴共通的。
分流板13由不锈钢(SUS430)制成，形成有成为与喷嘴19连通的喷嘴流路18的贯通孔、以及成为墨水收容室22的贯通孔。
流路板14由相同的不锈钢(SUS430)制成，形成有成为与喷嘴19连通的压力流路17的贯通孔、以及成为与墨水收容室22连通的墨水吸入路21的贯通孔。
压力室板15由相同的不锈钢(SUS430)制成，形成有成为压力室16的贯通孔。压力室16通过墨水吸入路21与墨水收容室22连通，通过压力流路17和喷嘴流路18而与喷嘴19连通。
通过分别将形成有贯通孔的多块板12、13、14、15层叠并接合而制成块体11。在块体11的表面上存在着由多个贯通孔16而形成的多个凹坑16。在块体11的内部具有多条墨水流路F。各墨水流路F连通墨水收容室22和一个凹坑16，还连通一个凹坑16和一个喷嘴19。从墨水收容室22经过墨水吸入路21、压力室16、压力流路17以及喷嘴流路18而与喷嘴19连通的墨水流路F，存在于每个喷嘴19中。在图1中，标注字母a、b、c…表示与喷嘴的对应关系。就省略字母a、b、c…说明的对象而言，是表示对全部喷嘴共通的，没有必要标注字母。墨水收容室22通过图中省略的墨水流路而与存在于块体11之外的墨盒连通。
墨水流路F比较微细，各贯通孔22、21、16、17、18、19是通过蚀刻法而形成的。各板12～15利用易蚀刻金属而制成。
对于层叠在块体11上的压电致动器1来说，其包括与块体11的上面粘接并盖在多个凹坑16上的可弯曲的金属板2、在金属板2的表面上形成的内侧电极3、在内侧电极3的表面上层叠的压电层4、以及在压电层4的表面上形式的外侧电极5。外侧电极5被分割成多个独立外侧电极5a、5b…。
可弯曲金属板2由不锈钢(SUS430)形成并呈矩形，通过热压粘接而结合在块体11的上面，并覆盖块体11的整个上面。一块金属板2覆盖多个凹坑16的全部。金属板2通过与构成块体11的分流板13、流路板14以及压力室盖板15相同的金属材料而制成，从而能够防止将金属板2热压粘接在块体11上时产生的弯曲。金属板2适当地薄，随着压电层4的变形而弯曲。如果金属板2变形为浸入凹坑16内，则压力室16的容积减小。收容在压力室16中的墨水向着喷嘴9而被送出，墨水滴20从喷嘴9被吐出。若浸入凹坑16中的金属板2恢复成平坦形状，则压力室16的容积增大。收容在墨水收容室22内的墨水向着压力室26而被吸入。
在金属板2的表面上，横跨其整个表面而形成有内侧电极3。内侧电极3直接与金属板2接触，并通过金属板2而与驱动电路IC(图未示出)的接地极连接。内侧电极3被固定在接地电压。内侧电极3是通过在金属板2的表面上蒸镀Au而形成的。对于Au来说，在后述退火处理阶段中，具有防止金属板2中含有的元素在压电层4中扩散的性质，兼作扩散防止层。由Au制成的内侧电极3能够减小与压电层4的接触电阻。
压电层4由锆钛酸铅(PZT)等强介电质的压电陶瓷材料制成。在内侧电极3的整个表面上以均匀的厚度层叠。压电层4通过空气溶胶沉积法而制成，然后再通过退火处理以及分极处理而完成。
在压电层4的表面上具有多个独立外侧电极5。各个独立外侧电极5a、5b…被设置在与各个压力室16a、16b…对应的位置上。图4表示的是独立外侧电极5a形成于向着压力室16a的结合位置上，独立外侧电极5b形成于向着压力室16b的结合位置上。各独立外侧电极5a、5b…分别独立地与驱动电路IC连接。驱电路IC独立地进行控制，将驱动电压施加或者不施加在每个独立外侧电极5a、5b…上。
对制造喷墨头10的方法进行说明。首先，蚀刻喷嘴板12，形成了成为喷嘴19的贯通孔。此外，蚀刻分流板13，形成了成为墨水收容室22和喷嘴路18的贯通孔。然后，蚀刻流路板14，形成了成为墨水吸入路21和压力流路17的贯通孔。再蚀刻压力室板15，形成了成为压力室16的贯通孔。接着，通过在层叠它们的状态下接合而形成块体11。
然后，如图2(A)所示，将由不锈钢制成的可弯曲金属板2紧靠在块体11的上面并通过热压粘接进行接合，通过金属板2来封闭各压力室16。
其次，如图2(B)所示，在可弯曲金属板2的表面上形成兼作扩散防止层的内侧电极3。内侧电极3通过蒸镀法例如将Au作成薄膜而制成。
其次，如图2(C)所示，利用空气溶胶沉积法(AD法)形成压电层4。
图3表示的是用于形成压电层4的成膜装置30的简图。成膜装置30包括使材料粒子M在载体气体中分散而形成空气溶胶Z的空气溶胶发生器31，以及从喷嘴37喷出空气溶胶Z并使其附着(堆积)在金属板2上的成膜箱35。
空气溶胶发生器31具有在内部可以收容材料粒子M的空气溶胶室32、以及安装在空气溶胶室32中用于使空气溶胶室32弯曲的加振装置33。空气溶胶室32通过导入管34与用于导入载体气体的储气瓶B连接。导入管34的前端位于空气溶胶室32内部的底面附近，被埋入到材料粒子M中。作为载体气体例如可以使用氦、氩、氮等惰性气体或者空气、氧等。
成膜箱35包括用于安装块体11和与其固定的金属板2的平台36，以及设置在平台36的下方的喷射喷嘴37。喷射喷嘴37通过空气溶胶供给管38与空气溶胶室32连接，空气溶胶室32内的空气溶胶Z通过空气溶胶供给管38而被供给到喷射喷嘴37。此外，真空泵P通过粉体回收装置39与成膜箱35连接，能够使其内部减压。
当利用成膜装置30形成压电层4时，将固定着金属板2的块体11设置成金属板2朝向下方的姿势。接着，将材料粒子M投入到空气溶胶室32的内部。作为材料粒子M，例如可以使用锆钛酸铅(PZT)等发挥压电效果的材料。
另外，从储气瓶B导入载体气体，在该气体压力下使材料粒子M飞舞。同时，利用加振装置33使空气溶胶室32弯曲，使材料粒子M和载体气体混合，产生空气溶胶Z。通过利用真空泵P使成膜箱35内减压，使得在空气溶胶室32和成膜箱35之间产生差压。利用差压使空气溶胶室32内的空气溶胶Z以高速从喷射喷嘴37喷出。喷出的空气溶胶Z中包含的材料粒子M与金属板2冲突而堆积，从而形成压电层4。
接着，为了得到必要的压电特性，对形成的压电层4进行退火处理。这时，因为在压电层4和金属板2之间，横跨整个表面设置有兼作扩散防止层的内侧电极3，所以可以防止可弯曲的金属板2中所含有的Fe等金属元素向压电层4扩散。
其次，如图2(D)所示，在各压电层4的上面形成有多个独立外侧电极5a、5b…。在形成多个独立外侧电极5a、5b…时，例如在压电层4的整个区域上形成导体膜后，可以利用光刻、蚀刻法而形成给定图形，或者也可以直接通过丝网印刷在压电层4的上面形成。
然后，将比通常的墨水喷射动作时还要强的电场施加在独立外侧电极5a、5b…和内侧电极3之间，在厚度方向对两电极间的压电层4进行分极。通过上述动作制成压电致动器1和喷墨头10。
接着，对以上结构的喷墨头10的作用和效果进行说明。
在进行印刷时，配合印刷图形来选择施加电压的独立外侧电极。将给定的驱动信号从驱动电路IC施加在所选择的独立外侧电极上，将高电压施加在所选择的独立外侧电极上，将电场施加在压电层4的分极方向(厚度方向)上。这样，压电层4在与选择的独立外侧电极对应的位置上，在厚度方向膨胀，同时，在面方向收缩。因此，在与选择的独立外侧电极对应的位置上，压电层4和金属板2变形，在压力室16一侧形成凸起(单表面波度(unimorph)变形)。因此，压力室16的容积减小，墨水20的压力升高，从喷嘴19喷出墨水20。然后，当外侧电极5返回到与内侧电极3相同的电位时，压电层4和金属板2恢复到原来的形状，从而压力室16的容积也恢复到原来的容积，因此从墨水收容室22吸入墨水20。
当在金属板2和压电层4之间存在扩散防止层和内侧电极两个层时，由于这二个层的物理特性分别对金属板2的弯曲特性存在影响，所以难以使弯曲动作稳定。但是，在第一实施例的喷墨头10中，在金属板2和压电层4之间只存在兼作扩散防止层的内侧电极3的单一层。因此，可以将内侧电极3(兼作扩散防止层)的物理特性对金属板2的弯曲特性的影响抑制在最小限度，从而能够使压电致动器1的动作稳定。
如上所述，采用第一实施例，将兼作扩散防止层的内侧电极3设置在金属板2和压电层4之间。采用这种结构，因为可以在一个工序过程中作成电极兼扩散防止层的层，因此制造工序简单，能够降低制造成本。
以下，列举实验例来进一步对本发明进行说明。
<实验例1>
(1)成膜工序使用不锈钢(SUS430)金属板2和平均粒子直径为0.3～1.0μm的PZT微粒。在成膜装置中使用图3所示的装置。
利用飞溅法在金属板2的表面上形成由Pt构成的内侧电极3。利用表面粗糙度计来测定段差的结果为内侧电极的厚度大约为1.5μm，在设置有内侧电极3的金属板2上，设定喷嘴开口为0.4mm×10mm，成膜箱内压力为200Pa，空气溶胶室内压力为30000Pa，载体气体种类为He，气体流量为4.0L/min，喷嘴37和金属板2之间的距离为10～20mm的条件，来进行空气溶胶的吹附，形成压电膜4。利用表面粗糙度计来测定段差的结果为压电膜4的厚度大约为8μm。
(2)退火处理接着，对形成的压电膜4进行退火处理。将形成压电膜4的金属板2放入马费炉(ヤマト工业株式会社制的FP100)内，以300℃/h的速率升温至850℃。在850℃下保持30分钟后，通过自然冷却使炉内的温度冷却至室温，取出金属板2。
2.试验在压电膜上使用粘接性树脂带来进行掩蔽，在有效面积3.6mm2以上的范围内，蒸镀Au来形成外侧电极。接着，在所施加电场为318kV/cm下进行分极处理。这样制造出压电致动器。
利用强介电质测定器(TFANALYZER2000，AiXACT公司制)，将电压施加在压电致动器上并测定静电电容，测定残留分极(Pr)和抗电场(Ec)。
<比较例1>
除了不形成由Pt构成的内侧电极外，其它均与第一实施例相同而形成压电膜，并进行试验，所加电场为400kV/cm。
<比较例2>
使用氧化铝板代替金属板。在氧化铝板上使用Pt膏(田中贵金属工业制)，形成厚度为8μm的膏层，通过在1300℃下煅烧而形成内侧电极。
在形成内侧电极的氧化铝板上，利用与第一实施例相同的方法而形成压电膜，并进行试验。所加电场为329kV/cm。
<比较例3>
使用氧化铝板代替金属板。在氧化铝板上使用Au膏(田中贵金属工业制，TR1533)，形成厚度为8μm的膏层，通过在850℃下煅烧而形成内侧电极。
在形成内侧电极的氧化铝板上，利用与第一实施例相同的方法而形成压电膜，并进行试验。所加电场为286kV/cm。
(结果和考察)实施例和比较例的实验结果表示在下表中。
当在不锈钢(SUS430)板2上设置有Pt的内侧电极3的情况下(实施例1)，和当使用在压电层4中不含扩散元素的氧化铝板的情况下(比较例2、3)，显示出相同的压电特性。与其相对，在不锈钢板2上不设置内侧电极3的情况下(比较例1)，不锈钢板2中所包含的Fe元素或者Cr元素在压电层4中扩散，压电层4的抗电场上升，Pr/Ec值大幅度降低。由于这样，通过在不锈钢板2上设置内侧电极3，可以防止不锈钢板2中所含有的Fe元素或者Cr元素向压电膜4扩散。
其次，参照图4详细说明第二实施例。以下，只说明与第一实施例不同的方面。
从图4中可看出，在二实施例中，将内侧电极3分割成多个独立内侧电极3a、3b…来取代共通化内侧电极3。各独立内侧电极3被设置在与各压力室16对应的位置上。图4表示的是在向着压力室16a的位置上形成独立内侧电极3a，在向着压力室16b的位置上形成独立电极3b。各独立内侧电极3a、3b…分别独立地与驱动电路IC连接。驱动电路IC独立地进行控制将驱动电压施加或者不施加在每个独立内侧电极3a、3b…上。
在第二实施例中，压电层4也被分割成多个独立压电层4a、4b…。各独立压电层4被设置在与各压力室16对应的位置上。图4表示独立压电层4a形成于向着压力室16a的位置上，独立压电层4b形成于向着压力室16b的位置上。各独立压电层4a、4b…层叠在各独立内侧电极3a、3b…的表面上。当从与金属板2正交的方向看时，各独立压电层4a、4b…分别包含在各独立内侧电极3a、3b…中。更准确地说，各独立压电层4a、4b…包含在从各个独立内侧电极3a、3b…向内侧偏离20μm(等于第二实施例的独立压电层4a、4b的厚度)的形状中。当各独立压电4a、4b…包含在从各个独立内侧电极3a、3b…向内侧偏离至少等于独立压电层4a、4b…的厚度的形状中时，不论是否在图4的水平方向扩散，都可以防止金属板2的元素向独立压电层4a、4b…中扩散。通过实验可以看出，优选独立压电层4a、4b…的轮廓比独立内侧电极3a、3b…的轮廓更向内侧偏离20～500μm。如果偏离等于独立压电层4a、4b…的厚度20μm以上，则可以防止金属板2的元素向独立压电层4a、4b…中扩散；如果小于500μm，则可以在独立压电层4a、4b…上确保必要的面积。
在第二实验例中，外侧电极5也被分割成多个独立外侧电极5a、5b…。
在第二实施例中，驱动IC独立地进行控制而将驱动电压施加或者不施加在每个独立内侧电极3a、3b…上。另外，驱IC也独立地进行控制而将驱动电压施加或者不施加在每个独立外侧电极5a、5b…上。与此不同，也可以取代其而将多个独立外侧电极5a、5b…维持在共同电位。在这种情况下，也可以作为一个共同的外侧电极5来取代被分割成多个的独立外侧电极5a、5b…。
在第二实施例中，将压电层4分割成多个独立压电层4a、4b…，独立压电层4a、4b的间隔形成空间。也可以使用一个共同的压电层4来取代它。在这种情况下，元素从不锈钢板2向位于独立内侧电极3a、3b…的间隔的上方的压电层4中扩散，压电性能降低。但因为在位于独立内侧电极3a、3b…的间隔上方的压电层中，不需要压电效果，因此没有特别的问题。
对于本发明的内侧电极来说，只要具有导电性并能够防止金属板中所含有的元素扩散即可，例如在金属板含有的元素为铁、铝、铬、钴、锰、钼或者钨的情况下，优选使用包含选自Au、Pt、Ti、Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、Rh、In、La、Nd、Nb、Sb、Th、W、Ca、Sr、Mg和它们的氧化物中的一或者二种以上。例如，可以是上述元素中的任何一种所形成的金属薄膜，或者也可以是上述元素的氧化物薄膜。作为氧化物薄膜优选使用La1-xSrxMnO3(LSMO)、(La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ(LSGM)、铟-锡氧化物(ITO)、SrRuO3(SRO)、La2-xSrxCoO4(LSCO)等。
内侧电极的厚度优选为0.1μm～5μm，通过使厚度在0.1μm以上而可以很好地遮断元素从金属板向压电层的扩散，另外，通过使厚度在5μm以下而能够阻止对金属板弯曲的影响，达到不影响压电致动器的动作的程度。
对于本发明的压电致动器来说，由于实现微细的墨水流路，所以当层叠在通过层叠多块金属板而制造的块体上时特别有用。通过将压电层设置在由与块体热膨胀系数接近的同种金属构成的金属板上，而能够使压电致动器和块体牢固接合。
内侧电极优选相对于多个压力室16共同使用，但如图4所示，也可以被分割为多个独立内侧电极。各独立内侧电极可防止构成金属板的元素向层叠在其上方的独立压电层扩散。当考虑横方向的扩散时，优选独立内侧电极从独立压电层向外侧伸出压电层的厚度以上。若独立内侧电极从独立压电层向外侧伸出压电层的厚度以上，则即使元素在横方向扩散，也能够防止构成金属板的元素向独立压电层扩散。
在使用共同的压电层和共同的内侧电极的情况下，为了防止位于共同压电层的轮廓附近的压电层的压电性能降低，最好共同内侧电极从共同压电层向外侧伸出压电层的厚度以上。即使元素在横方向扩散，也可防止构成金属板的元素向压电层中扩散。
本发明的技术范围不受上述实施例所限制，例如，可包含在下述的本发明的技术范围中。另外，本发明的技术范围可普及至均等的范围。
(1)在上述实施方式中，虽然是利用蒸镀法形成内侧电极3，但是内侧电极的形成方法并不局限于上述实施方式。例如，可以使用飞溅、电镀、涂装或者印刷导电性膏后再煅烧的方法等形成。
(2)在上述实施方式中，使用不锈钢(SUS430)形成构成块体11的各板13、14、15以及金属板2，但块体和金属板的材料不局限于上述实施方式，也可以使用SUS304、42A合金等来形成。
权利要求
1.一种压电致动器，其特征在于，包括可弯曲的金属板；在所述金属板的表面上形成的内侧电极；层叠在所述内侧电极的表面上当施加电压时产生变形的压电层；以及在所述压电层的表面上形成的外侧电极，其中，所述压电层是由对含有压电材料的微粒群的堆积层进行退火处理后的层所形成，所述内侧电极是由防止构成所述金属板的元素向所述压电层扩散的材料所形成。
2.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述金属板含有选自铁、铝、铬、钴、锰、钼和钨中的一种或者二种以上的元素；所述内侧电极含有选自Au、Pt、Ti、Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、Rh、In、La、Nd、Nb、Sb、Th、W、Ca、Sr、Mg以及它们的氧化物中的一种或者二种以上。
3.如权利要求2所述的压电致动器，其特征为在于所述内侧电极含有选自La1-xSrxMnO3(LSMO)、(La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ(LSGM)、铟-锡氧化物(ITO)、SrRuO3(SRO)和La2-xSrxCoO4(LSCO)中的一种或者二种以上的氧化物。
4.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述内侧电极的厚度为大于等于0.1μm且小于等于5μm。
5.如权利要求1所述的压电致动器，其特征在于在所述金属板表面上形成多个独立内侧电极，所述压电层具有多个独立压电层，各个独立压电层层叠在各个独立内侧电极的表面上，当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在各个独立内侧电极之中。
6.如权利要求5所述的压电致动器，其特征在于当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在从各个独立内侧电极向内侧偏离等于独立压电层厚度之距离的形状之中。
7.一种喷墨头，其特征在于，包括块体，其内部具有墨水流路，由分别形成有贯通孔的多块板经层叠并接合而形成，并通过在最表面的板上形成多个孔而在表面上形成有多个凹坑；可弯曲的金属板，其与所述块体上面接合并盖在所述凹坑上，由与形成所述块体的金属相同的金属形成；形成在所述金属板的表面上的内侧电极；层叠在所述内侧电极的表面上当施加电压时产生变形的压电层；以及形成在所述压电层的表面上的外侧电极，其中，所述压电层是由对含有压电材料的微粒群的堆积层进行退火处理后的层所形成，所述内侧电极是由防止所述金属板所含有的元素向所述压电层扩散的材料所形成。
8.如权利要求7所述的喷墨头，其特征在于所述内侧电极具有覆盖在所述块体表面上形成的多个凹坑的大小，所述外侧电极具有多个独立外侧电极，各个独立外侧电极形成在向着在所述块体表面上形成的各个凹坑的位置上。
9.如权利要求7所述的喷墨头，其特征在于所述内侧电极具有多个独立内侧电极，各个独立内侧电极形成在向着在所述块体表面上形成的各个凹坑的位置上，所述压电层具有多个独立压电层，各个独立压电层层叠在各个独立内侧电极的表面上，当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在各个独立内侧电极之中。
10.如权利要求9所述的喷墨头，其特征在于当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在从各个独立内侧电极向内侧偏离等于独立压电层厚度之距离的形状之中。
11.一种层叠有可弯曲金属板、内侧电极、压电层以及外侧电极的压电致动器的制造方法，其特征在于，包括在所述金属板的表面上形成所述内侧电极的工序；在所述内侧电极的表面上形成当施加电压时产生变形的所述压电层的工序；以及在所述压电层的表面上形成所述外侧电极的工序，其中，所述压电层形成工序具有将含有压电材料的微粒群堆积在所述内侧电极的表面上的工序、以及对该堆积层进行退火处理的工序，在所述内侧电极形成工序中，选择防止构成所述金属板的元素向所述压电层扩散的材料来形成所述内侧电极。
12.如权利要求11所述的压电致动器的制造方法，其特征在于所述金属板含有选自铁、铝、铬、钴、锰、钼和钨中的一种或者二种以上的元素；所述内侧电极含有选自Au、Pt、Ti、Ag-Pd合金、Ag-Pt合金、Rh、In、La、Nd、Nb、Sb、Th、W、Ca、Sr、Mg以及它们的氧化物中的一种或者二种以上。
13.如权利要求12所述的压电致动器的制造方法，其特征在于所述内侧电极含有选自La1-xSrxMnO3(LSMO)、(La1-xSrx)(Ga1-yMgy)O3-δ(LSGM)、铟-锡氧化物(ITO)、SrRuO3(SRO)和La2-xSrxCoO4(LSCO)中的一种或者二种以上的氧化物。
14.如权利要求11所述的压电致动器的制造方法，其特征在于所述内侧电极的厚度为大于等于0.1μm且小于等于5μm。
15.如权利要求11所述的压电致动器的制造方法，其特征在于在所述内侧电极形成工序中，在所述金属板的表面上形成有多个独立内侧电极，在所述压电层形成工序中，形成多个独立压电层，各个独立压电层层叠在各个独立内侧电极的表面上，当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在各个独立内侧电极之中。
16.如权利要求15所述的压电致动器的制造方法，其特征在于当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在从各个独立内侧电极向内侧偏离等于独立压电层厚度之距离的形状之中。
17.一种层叠有在内部形成有墨水流路的块体和压电致动器的喷墨头的制造方法，其中，所述压电致动器层叠有可弯曲的金属板、内侧电极、压电层以及外侧电极，所述制造方法的特征在于，包括在多块板的各个上形成贯通孔的工序；层叠并接合多块板而形成所述块体的工序；在所述块体的上面层叠并接合由与形成所述块体的金属相同的金属所形成的可弯曲的所述金属板的工序；在所述金属板的表面上形成所述内侧电极的工序；在所述内侧电极的表面上形成当施加电压时产生变形的所述压电层的工序；以及在所述压电层的表面上形成所述外侧电极的工序，其中，所述压电层的形成工序具有将含有压电材料的微粒群堆积在所述内侧电极的表面上的工序、以及对该堆积层进行退火处理的工序，在所述内侧电极形成工序中，选择防止构成所述金属板的元素向所述压电层扩散的材料。
18.如权利要求得17所述的喷墨头的制造方法，其特征在于所述内侧电极具有覆盖在所述块体的表面上形成的多个凹坑的大小，所述外侧电极具有多个独立外侧电极，所述独立外侧电极形成在向着在所述块体表面上形成的各个凹坑的位置上。
19.如权利要求17所述的喷墨头的制造方法，其特征在于所述内侧电极具有多个独立内侧电极，各个独立内侧电极形成在向着在所述块体表面上形成的各个凹坑的位置上，所述压电层具有多个独立压电层，各个独立压电层层叠在各个独立内侧电极的表面上，当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在各个独立内侧电极之中。
20.如权利要求19所述的喷墨头的制造方法，其特征在于当从与所述金属板正交的方向看时，各个独立压电层包含在从各个独立内侧电极向内侧偏离等于独立压电层厚度之距离的形状之中。
全文摘要
本发明提供一种制造工序简单，并可降低成本，同时实现动作的稳定化的压电致动器和喷墨头以及其制造方法。在金属板(2)和压电层(4)之间设置有兼扩散防止层的内侧电极(3)。采用这种结构，因为可以在一个工序中形成电极兼扩散防止层的层，因此制造工序简单，可以降低制造成本。此外，若形成电极和扩散防止层为二个层的结构，则这些层的物理特性对金属板的弯曲特性存在较大影响。由于只使用电极兼扩散防止层的一个层，所以能够使压电致动器的动作稳定。
文档编号H01L41/08GK1721184SQ20051008316
公开日2006年1月18日 申请日期2005年7月13日 优先权日2004年7月13日
发明者安井基博 申请人:兄弟工业株式会社