專利名稱：液體噴射頭、液體噴射裝置以及壓電元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具備壓電元件的液體噴射頭、液體噴射裝置以及壓電元件，該壓電元件使與噴嘴開口連通的壓力發(fā)生室產(chǎn)生壓力變化并且具有壓電體層和對壓電體層施加電壓的電極。
背景技術(shù)：
作為壓電元件，存在使用2個電極夾著呈現(xiàn)電機械轉(zhuǎn)換功能的壓電材料、例如由結(jié)晶化了的介電材料構(gòu)成的壓電體層而構(gòu)成的壓電元件。這樣的壓電元件例如作為撓曲振動模式的致動裝置搭載于液體噴射頭。作為液體噴射頭的代表例，例如存在如下的噴墨式記錄頭，該噴墨式記錄頭由振動板構(gòu)成與噴出墨水滴的噴嘴開口連通壓力發(fā)生室的一部分，利用壓電元件使該振動板變形而對壓力發(fā)生室的墨水進行加壓，來從噴嘴開口噴出墨滴。要求作為構(gòu)成這樣的壓電元件的壓電體層(壓電陶瓷)所使用的壓電材料具有較高的壓電特性，作為代表例，能夠舉出鋯鈦酸鉛(PZT)(參照專利文獻1)。專利文獻1 日本特開2001-223404號公報。

發(fā)明內(nèi)容
然而，從環(huán)境問題的觀點出發(fā)，正尋求抑制了鉛含有量的壓電材料。作為不含鉛的壓電材料，例如存在具有以ABO3表示的鈣鈦礦構(gòu)造的Bii^eO3等，這種含有Bi以及!^e的 BWeO3系的壓電材料存在由于相對介電常數(shù)、低而壓電特性(應(yīng)變量)低的問題。此外， 這樣的問題不僅在噴出墨水的噴墨式記錄頭，當然也同樣存在于噴出墨水以外的其他液滴的液體噴射頭。本發(fā)明鑒于這樣的問題，目的在于提供一種具有相對介電常數(shù)高、且對環(huán)境負擔小的壓電材料的液體噴射頭、液體噴射裝置以及壓電元件。本發(fā)明解決所述課題的的方式是一種液體噴射頭，具備壓力發(fā)生室，其與噴嘴開口連通；和壓電元件，其具有壓電體層和設(shè)置于所述壓電體層的電極，所述壓電體層是具有含有鐵錳酸鉍鑭與鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，所述鈦酸鋇相對于所述鐵錳酸鉍鑭和所述鈦酸鋇的總量的摩爾比為0. 09 0.四。在該實施方式中，通過將由具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物構(gòu)成的壓電材料作為壓電體層，能夠使相對介電常數(shù)變高。另外，因為抑制了鉛的含量，所以能夠減少對環(huán)境的負擔。另外，優(yōu)選在所述鐵錳酸鉍鑭中，鑭與鉍的摩爾比La/Bi為0. 11 0.67。從而，可以更切實地提高壓電體層的相對介電常數(shù)。本發(fā)明的其他方式是一種液體噴射裝置，其特征在于，具備所述方式的液體噴射頭。在該方式中，因為具有相對介電常數(shù)高的壓電體層，所以成為噴出特性(位移特性)優(yōu)良的液體噴射裝置。另外，能夠提供一種通過抑制含鉛量而降低對環(huán)境的負擔的液體噴射直ο另外，本發(fā)明的其他方式是一種壓電元件，其特征在于，具備壓電體層和設(shè)置于所述壓電體層的電極，所述壓電體層是具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，所述鈦酸鋇相對于所述鐵錳酸鉍鑭和所述鈦酸鋇的總量的摩爾比為0. 09 0. 29。在該方式中，通過將由具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物構(gòu)成的壓電材料作為壓電體層，能夠提高相對介電常數(shù)。另外，由于抑制了含鉛量而減輕對環(huán)境的負擔。


圖1是表示實施方式1的記錄頭的概略構(gòu)成的分解立體圖。圖2是實施方式1的記錄頭的俯視圖。圖3是實施方式1的記錄頭的截面圖。圖4是表示樣本2的P-V曲線的圖。圖5是表示樣本11的P-V曲線的圖。圖6是表示樣本14的P-V曲線的圖。圖7是表示樣本15的P-V曲線的圖。圖8是表示X線衍射圖案的圖。圖9是作為表示X線衍射圖案的圖的主要部分放大圖。圖10是表示實施方式1的記錄頭的制造工序的截面圖。圖11是表示實施方式1的記錄頭的制造工序的截面圖。圖12是表示實施方式1的記錄頭的制造工序的截面圖。圖13是表示實施方式1的記錄頭的制造工序的截面圖。圖14是表示實施方式1的記錄頭的制造工序的截面圖。圖15是表示實施例1的X線衍射圖案的圖。圖16是表示實施例1 5以及比較例1的P-E曲線的圖。圖17是表示實施例1以及6 9的P-E曲線的圖。圖18是實施例1 4以及比較例1的相對介電常數(shù)-組成曲線。圖19是實施例1以及6 8的相對介電常數(shù)-組成曲線。圖20是表示本發(fā)明的一個實施方式的記錄裝置的概略結(jié)構(gòu)的圖。附圖標記說明I...噴墨式記錄頭(液體噴射頭)，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...墨水供給路，20...噴嘴板， 21...噴嘴開口，30...保護基板，31...貯存部，32...壓電元件保持部，40...塑性基板， 50...彈性膜，60...第1電極，70...壓電體層，80...第2電極，90...引腳電極，100...貯存器，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是表示作為本發(fā)明的實施方式1的液體噴射頭的一個例子的噴墨式記錄頭的概略結(jié)構(gòu)的分解立體圖，圖2是圖1的俯視圖，圖3是圖2的A-A'截面圖。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中，在其寬度方向并列設(shè)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的長度方向外側(cè)的區(qū)域形成有連通部13，連通部13與各壓力發(fā)生室12通過設(shè)置于各壓力發(fā)生室12的墨水供給路14和連通路15連通。連通部13與后述的保護基板的貯存部31連通，構(gòu)成作為各壓力發(fā)生室12的共用的墨水室貯存器的一部分。墨水供給路14以比壓力發(fā)生室12狹窄的寬度形成，使從連通部13流入到壓力發(fā)生室12的墨水的流路阻力保持一定。此外，在本實施方式中通過從單側(cè)壓縮流路寬度來形成墨水供給路14，但也可以通過從兩側(cè)壓縮流路寬度來形成墨水供給通路。此外，還可以不壓縮流路的寬度，而通過從厚度方向壓縮來形成墨水供給通路。在本實施方式中，在流路形成基板10中設(shè)置有由壓力發(fā)生室12、連通部13、墨水供給路14以及連通部15構(gòu)成的液體流路。并且，在流路形成基板10的開口面?zhèn)?，通過粘接劑或熱溶膜等來固定噴嘴板20， 在該噴嘴板20中穿設(shè)有連通于各壓力發(fā)生室12的與墨水供給路14相反一側(cè)的端部附近的噴嘴開口 21。其中，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的開口面相反一側(cè)，如上述那樣形成有彈性膜50，在該彈性膜50上設(shè)有緊貼層56，該緊貼層56例如由厚度為30 50nm左右的氧化鈦等構(gòu)成，用于提高彈性膜50等與第1電極60的基底的緊貼性。此外，在彈性膜50上， 還可以根據(jù)需要，設(shè)置由氧化鋯等構(gòu)成的絕緣體膜。并且，在該緊貼層56上層疊形成第1電極60、壓電體層70和第2電極80來構(gòu)成壓電元件300，其中壓電體層70是厚度為2 μ m以下并且優(yōu)選1 0. 3 μ m的薄膜。這里，壓電元件300是指包含第1電極60、壓電體層70以及第2電極80的部分。一般而言，將壓電元件300的任意一方的電極作為共用電極，按每個壓力發(fā)生室12來對另一方的電極和壓電體層70進行圖案化而構(gòu)成。在本實施方式中，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，但是根據(jù)驅(qū)動電路和布線等狀況也可以使其相反。另外，在此，將壓電元件300和受該壓電元件300的驅(qū)動而產(chǎn)生位移的振動板總稱為致動裝置。并且，在上述例子中，彈性膜50、緊貼層56、第1電極60以及根據(jù)需要而設(shè)置的絕緣體膜作為振動板發(fā)揮作用，當然也不限于此，例如，還可以不設(shè)置彈性膜50、緊貼層56。此外，還可以使壓電元件300本身實質(zhì)上兼作振動板。并且，在本發(fā)明中，構(gòu)成壓電體層70的壓電材料是具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物。此外，鈣鈦礦構(gòu)造即ABO3S構(gòu)造的A位置配位12氧，而且，B 位置配位6氧，來構(gòu)成8面體(octahedron)。Bi、La以及Ba位于該A位置，F(xiàn)e、Mn以及Ti 位于B位置。即，可以說具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物是鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇均勻固溶而成的固溶體。并且，在本發(fā)明中，優(yōu)選在具有含有該鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物中，鈦酸鋇相對于鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的總量的摩爾比為0. 09 0.四。此外，La與 Bi的摩爾比La/Bi為0. 11 0. 67。優(yōu)選這種具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物例如使用由下面的通式(1)表示的組分比。其中，通式(1)的記述是基于化學計量學的組分記載，晶格不匹配、氧缺陷等導(dǎo)致不可避免的組分偏差這也是允許的。[ (l-x) {(Biw, Laa) (Fe1^b, Mnb) O3I -χ (BaTiO3I ] (1)(0. 09 ^ χ ^ 0. 29,0. 10 ^ a ^ 0. 39,0. 01 ^ b ^ 0. 09)這樣，當使構(gòu)成壓電體層70的壓電材料作為具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，并且鈦酸鋇相對于鐵錳酸鉍鑭與鈦酸鋇的總量的摩爾比為 0. 09 0. 29時，如下面說明的實施例那樣，與沒添加鈦酸鋇系的壓電材料，即含有Bi以及 Fe的Bii^eO3系的壓電材料相比，能夠提高相對介電常數(shù)。這里，對作為壓電體層70的主成分的具有鈣鈦礦構(gòu)造的鐵錳酸鉍鑭進行詳細說明。具有鈣鈦礦構(gòu)造的鐵錳酸鉍鑭是具有含有Bi、La Je以及Mn的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，Bi以及La位于所述A位置，F(xiàn)e以及Mn位于B位置。并且，優(yōu)選鐵錳酸鉍鑭是下述通式(2)表示的組分比。此外，具有含有Bi、LaJe以及Mn的鈣鈦礦型構(gòu)造的復(fù)合氧化物根據(jù)其組分比的不同，呈現(xiàn)鐵電體、反鐵電體、順電體(paraelectric material)等不同特性。 作成改變了下述通式O)的組分比的壓電元件(樣本1 18)，施加25V或者30V的三角波，來求出P(極化量)-V(電壓)的關(guān)系。作為結(jié)果的一個例子，將樣本2表示在圖4中， 將樣本11表示在圖5中，將樣本14表示在圖6中，將樣本15表示在圖7中。另外，將組成表示在表1中。此外，由于樣本16 18漏電過大而無法測量，其不能作為壓電材料使用。(Bin，Lam) (Fe^Mnn)O3⑵(0. 10 ^ m ^ 0. 38,0. 01 ^ η ^ 0. 09)如圖4以及5所示那樣，在樣本2以及樣本11中觀測到了鐵電體特征性的磁滯回線形狀。對于樣本1、3 10也觀測到了同樣的滯后。另一方面，在樣本14中，如圖6所示，觀測到了反鐵電體特征性的在正電場方向和負電場方向帶有2個的磁滯回線形狀的雙滯后。關(guān)于樣本12 13也觀測到了同樣的雙滯后。在樣本15中，如圖7所示，為順電體。接下來，如作為表示衍射強度-衍射角2 θ的相關(guān)關(guān)系的圖的X線衍射圖案(圖 8以及圖9)所示那樣，在測量粉末X線衍射時，在樣本4中，觀測到了屬于表示鐵電性的相 (鐵電相)的衍射峰，在樣本14中，觀測到了屬于表示反鐵電性的相(反鐵電相)的衍射峰。并且，在樣本11中，觀測到了上述兩方的峰。由此，可知樣本11是鐵電相與反鐵電相的相界(Μ. P. B.)。另外，圖9是圖8的放大圖。[表1]
mη相樣本10. 100. 03鐵電體樣本20. 100. 05鐵電體樣本30. 100. 09鐵電體樣本40. 140. 05鐵電體
權(quán)利要求
1.一種液體噴射頭，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，其具備壓電體層和設(shè)置于所述壓電體層的電極，所述壓電體層是具有含有鐵錳酸鉍鑭與鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，所述鈦酸鋇相對于所述鐵錳酸鉍鑭和所述鈦酸鋇的總量的摩爾比為0. 09 0.四。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的液體噴射頭，其特征在于，在所述鐵錳酸鉍鑭中，鑭與鉍的摩爾比La/Bi為0. 11 0. 67。
3.一種液體噴射裝置，其特征在于， 具備權(quán)利要求1或2所述的液體噴射頭。
4.一種壓電元件，其特征在于，具備壓電體層和設(shè)置于所述壓電體層的電極，所述壓電體層是具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，所述鈦酸鋇相對于所述鐵錳酸鉍鑭和所述鈦酸鋇的總量的摩爾比為0. 09 0.四。
全文摘要
本發(fā)明提供具有相對介電常數(shù)高且對環(huán)境負擔小的壓電材料的液體噴射頭、液體噴射裝置以及壓電元件。液體噴射頭具備壓力發(fā)生室，其與噴嘴開口連通；和壓電元件，其具備壓電體層和設(shè)置于所述壓電體層的電極，所述壓電體層是具有含有鐵錳酸鉍鑭和鈦酸鋇的鈣鈦礦構(gòu)造的復(fù)合氧化物，所述鈦酸鋇相對于所述鐵錳酸鉍鑭和所述鈦酸鋇的總量的摩爾比為0.09～0.29。
文檔編號B41J2/135GK102205721SQ201110061759
公開日2011年10月5日 申請日期2011年3月11日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者北田和也, 米村貴幸 申請人:精工愛普生株式會社