压电元件和液体排放记录头的结构、及其制造方法技术

一种压电元件结构，包括一个支承衬底。和一个支承在所述支承衬底上压电腊，其中压电膜包含第一层、和具有锆的第二层，每一层具有钙钛矿结构，并且彼此接触形成或通过中间层层压，薄膜形成时的温度为５００℃或更高以提供所述压电膜，为了形成薄膜，以３０℃／ｍｉｎ或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少４５０℃快速冷却。与现有压电膜相比，如此形成的压电膜厚度小，而且表现出很大的压电常数，从而能够可靠地执行其有效微处理。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于喷墨记录装置的液体排放记录头，及其制造方法。本专利技术还涉及用于该液体排放记录头的压电元件或类似元件的结构。近年来，由于良好的打印能力及其易于操作和低成本、以及其他的优越性，采用喷墨记录装置作为打印设备的打印机已经被广泛应用于个人计算机等。喷墨记录装置具有各种类型，如通过应用热能在油墨或其他一些记录液内产生泡沫，以及通过这种泡沫发出的压力波使液滴排放；通过静电能量吸入液滴并使之排放；或利用振荡器如压电元件使液滴排放。通常，使用压电元件的这种喷墨记录装置设有与记录液箱连接的压力箱，和与压力箱连接的液体排放元件。然后，该结构提供具有振动板的压力箱，振动板具有与其粘结固定的压电元件。通过这种结构排列，指定的电压被应用到每一个压电元件以允许其伸展或压缩来产生弯曲振动，从而压迫压力箱内的记录液，然后使液滴从每一个液体排放口排放。近年来，彩色喷墨打印机已经被广泛应用，随之而来，要求提高其打印性能，如更高的清晰度、更高的打印速度，尤其是记录头的延长。至此，试图通过提供由精确排列的记录头形成的多喷嘴结构实现高清晰度和高速打印。为了精确排列记录头，应当小型化压电元件以使记录液排放。从这一点来说，通过一种连续半导体膜形成工艺来完成整个工序，能够高精密低成本制造延长的记录头。然而，这里采用的方法是如通过烧灼已模压成片状的粉末化的PbO、ZrO2、和TiO2。因此难以形成厚度小于例如10μm的压电膜。因此，不能容易地处理压电膜，并使其难以小型化压电元件。并且，通过烧灼这种粉末形成的压电膜受到当膜厚度较小时不能忽视的结晶化的颗粒界面的影响，使得无法获得突出的压电性能。结果，遇到一个问题，当使压电膜厚度小于10μm时，通过烧灼粉末形成的压电膜不能提供足够的压电特性来使记录液排放。由于这种无能，不可能实现具有使记录液较好地排放所必须的性能的小记录头。此外，为了获得高密度陶瓷，当同时在振动板和陶瓷结构构件上以1000℃高温烧灼粉末板时，对粉末板来说收缩造成的尺寸变化不能忽视。这里自动地有一个涉及到尺寸的限制。这里，目前的限制是20μm。因此难以排列多个液体排放口(喷嘴)。并且在日本专利申请公开11-348285中提出喷墨记录头的结构，该喷墨记录头是利用喷镀方法通过半导体工艺微处理的记录头。所提出的喷墨记录头的特征在于用铂金在单晶MgO上定位镀膜，然后，不包含Zr层和PZT层的钙钛矿形成于其上，提供一个层压部件。现在，作为专利技术者之一，已经在Kiyotaka Wasa和Shigetomo Hayakawa的合著者的“喷镀技术”(Kyoritsu出版有限公司1992年9月20日出版)中144到146页以及其他地方准确描述，其他的在与，已经被作为镀膜PbTiO3或PLT之后镀膜PZT或PLZT的有效方法公开，其预先不包含Zr，但其晶格常数并非大大不同，例如，或通过在处理期间引入逐步增加的步骤，从而依此顺序改变PZT膜到PLT膜。这里，当形成包含Zr以及PZT的压电元件时，Zr被最终引出到衬底棱晶。此外，在前述日本申请公开的说明书中提出的方法具有如下重要的问题。(1)通过该申请公开的制造方法，不可能获得任何单一取向的晶体或有很好的再生能力的稳定单晶PZT。(2)通过该申请公开的制造方法，不可能获得取向的PZT，除非在及其昂贵的单晶衬底上，如单晶MgO，这就最终导致及其昂贵的加工过程。那么，此外，MgO单晶衬底在尺寸上受到限制，使其难以获得具有大区域的衬底。(3)根据该说明书公开的方法，通过粘合剂在压力箱(液体箱)部件和压电元件的结合处进行连接，或在压电元件附近，相对于重复应力等很难在伴随着微处理的显微机械加工区域获得可靠性。本专利技术的目的是提供一种具有高精密形成的液体排放口的延长的液体排放记录头，并且，提供制造这种记录头的高度可靠和稳定的方法，以及用于这种记录头的压电元件结构，因此通过研制膜厚度小、压电性能高的薄膜材料能够执行通常用于半导体工艺的微处理，从而构成压电部件的压电元件、振动板等以薄膜的形式形成。本专利技术的压电元件结构包括支承衬底，和支承在支承衬底上压电膜，其中压电膜包含第一层、和具有锆的第二层，每一层具有钙钛矿结构，并且彼此接触形成或通过中间层层压，薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供压电膜，为了形成薄膜，以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃快速冷却。对于本专利技术的压电元件结构，最好是第一层不包含结或者中间层与第一层和第二层接触位于这些层之间，并且锆浓度呈斜线上升。此外，最好是第一层的锆含量小于第二层的锆含量。依此方式，所构成的压电膜包含第一层和第二层，每一层具有钙钛矿结构，它们彼此接触。从而，它们被高温镀膜，并快速冷却从而能够获得单晶PZT薄膜，该单晶PZT薄膜具有大压电常数和小厚度以及很好的压电特性，从而完成微处理。并且，本专利技术的第一液体排放记录头包括设有液体排放口和与液体排放口连接的压力箱的一个主体部分；具有导线、钛和锆的压电膜；以及局部提供给压力箱的压电振动部分，压力箱包含排列在压电膜两侧的电极，振动部分用于执行弯曲振动，用来从液体排放口使记录液排放。对于这种记录头，压电膜包含没有锆的第一层、和具有锆的第二层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供压电膜，对于其形成，有一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。本专利技术的第二液体排放记录头包括一个设有液体排放口和与液体排放口连接的压力箱的主体部分；具有导线、钛和锆的压电膜；以及局部提供给压力箱的压电振动部分，压力箱包含排列在压电膜两侧的电极，振动部分用于执行弯曲振动，用来从液体排放口使记录液排放。对于这种记录头，压电膜包含第一层和第二层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，第一层的锆含量小于第二层的锆含量，以及薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供压电膜，对于其形成，有一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。本专利技术的第三液体排放记录头包括一个设有液体排放口和与液体排放口连接的压力箱的主体部分；具有导线、钛和锆的压电膜；以及局部提供给压力箱的压电振动部分，压力箱包含排列在压电膜两侧的电极，振动部分用于执行弯曲振动，用来从液体排放口使记录液排放。对于这种记录头，压电膜包含没有锆的第一层和具有锆的第二层，以及其锆浓度呈斜线上升的中间层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，以及薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供压电膜，对于其形成，有一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。对于这样构成的液体排放记录头，所构成的压电膜包含第一层和第二层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触。然后，它们在高温被镀膜并快速冷却以形成质量好厚度小并包含Zr的第二层，而且具有大的压电常数，因此能够执行压电膜的微处理。结果，以极高的精密度形成液体排放记录头，其体积小质量轻，并且是延长的形式。对于本专利技术的液体排放头，最好把第二层中锆/钛的比率设定在大于或等于30/70以及小于或等于70/30，从而提高压电膜的压电常数。对于本专利技术的液体排放记录头，压电膜应当最好为单一取向的晶体或单晶，从而能够有效利用形成压电膜的材料固有的压电常数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压电元件结构，包括：一个支承衬底。和一个支承在所述支承衬底上压电膜，其中所述压电膜包含第一层、和具有锆的第二层，每一层具有钙钛矿结构，并且彼此接触形成或通过中间层层压，薄膜形成时的温度为５００℃或更高以提供所述压电膜，为了形 成薄膜，以３０℃／ｍｉｎ或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少４５０℃快速冷却。

【技术特征摘要】
JP 2000-6-21 185795/20001.一种压电元件结构，包括一个支承衬底。和一个支承在所述支承衬底上压电膜，其中所述压电膜包含第一层、和具有锆的第二层，每一层具有钙钛矿结构，并且彼此接触形成或通过中间层层压，薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供所述压电膜，为了形成薄膜，以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃快速冷却。2.根据权利要求1的压电元件，其中所述第一层不包含锆。3.根据权利要求2的压电元件，其中所述中间层与所述第一层和所述第二层接触位于这些层之间，并且锆浓度呈斜线上升。4.根据权利要求1的压电元件，其中所述第一层的锆含量小于所述第二层的锆含量。5.一种液体排放记录头，包括一个主体部分，设有液体排放口，和与液体排放口连接的压力箱的；一个具有导线、钛和锆的压电膜；和一个压电振动部分，其局部提供给所述压力箱，所述压力箱包含排列在所述压电膜两侧的电极，所述振动部分用于执行弯曲振动，用来从所述液体排放口使记录液排放，其中，所述压电膜包含没有锆的第一层、和具有锆的第二层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供所述压电膜，对于其形成，提供一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。6.一种液体排放记录头，包括一个主体部分，设有液体排放口，和与液体排放口连接的压力箱的；一个具有导线、钛和锆的压电膜；和一个压电振动部分，其局部提供给所述压力箱，所述压力箱包含排列在所述压电膜两侧的电极，所述振动部分用于执行弯曲振动，用来从所述液体排放口使记录液排放，其中，所述压电膜包含第一层和第二层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，所述第一层的锆含量小于所述第二层的锆含量，以及薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供所述压电膜，对于其形成，有一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。7.一种液体排放记录头，包括一个主体部分设有液体排放口，和与液体排放口连接的压力箱的；一个具有导线、钛和锆的压电膜；和一个压电振动部分，其局部提供给所述压力箱，所述压力箱包含排列在所述压电膜两侧的电极，所述压电振动部分用于执行弯曲振动，用来从所述液体排放口使记录液排放，其中，所述压电膜包含没有锆的第一层和具有锆的第二层，以及其锆浓度呈斜线上升的中间层，每一层设有钙钛矿结构，并彼此接触，以及薄膜形成时的温度为500℃或更高以提供所述压电膜，对于其形成。有一个以30℃/min或更快的冷却速度从薄膜形成温度到至少450℃的快速冷却。8.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述第二层中锆/钛的比率被设定在大于或等于30/70以及小于或等于70/30，从而提高压电膜的压电常数。9.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜为单一取向的晶体或单晶。10.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜形成的取向方向为(100)。11.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜在方向(111)上取向，并且所述电极为梳状，或形成在整个表面上。12.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜以小于或等于10μm的厚度形成。13.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜以大于或等于1μm、小于或等于4μm的厚度形成。14.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜的第一层以大于或等于30nm和小于或等于100nm的厚度形成。15.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电振动部分还包括一个振动板。16.根据权利要求15的液体排放记录头，其中所述振动板，由从镍、铬、铝、钛锆中、和从它们的氧化物或氮化物组硅、硅氧化物、聚合物有机材料和YSZ中选择的至少一种材料或该材料的层压部件形成。17.根据权利要求15的液体排放记录头，其中通过在形成压力箱的主体衬底上部的离子注入来形成具有振动板特征的所述振动板。18.根据权利要求15的液体排放记录头，其中通过外延取向生长在硅单晶衬底上形成所述振动板。19.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电膜的第二层包含铌、锡和锰并具有反铁电现象。20.根据权利要求5的液体排放记录头，其中排列在所述压电膜两侧的电极层由铂、铱、导电氧化物、或导电氮化物形成。21.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述主体部分最好设有多个液体排放口和分别对应于每一个液体排放口的多个压力箱，并且从排列在所述压电膜两侧的电极，为了构成对应于每一个压力箱的压电振动部分，至少在一侧的那些电相对应于所述压力箱分离安装。22.根据权利要求21的液体排放记录头，其中所述压电膜被分离从而使其对应于所述压力箱排列，并且同一侧上的电极形成在每一个所述分离的压电膜上。23.根据权利要求5的液体排放记录头，其中所述压电振动部分的周边直接与压力箱的周边连接，无须使用粘结剂等。24.用于制造液体排放记录头的方法，该液体排放记录头设有主体部分，主体部分具有液体排放口和其部分上具有开口部分的压力箱，压力箱与所述液体排放口连接，以及安装用于关闭所述开口部分的压电振动部分，所述方法包括下面的步骤在衬底上形成振动板和电极；在所述电极上形成具有含导线和钛的钙钛矿结构的第一层，并当在所述第一层上形成具有包含锆、导线和钛的钙钛矿结构的第二层时把温度设定在500℃或更高，然后，以30℃/min或更快的冷却速度从所述温度到至少450℃快速冷却，以形成包含第一层和第二层的压电膜；对应于压力箱的所述压电膜形成以后分离所述压电膜；形成上电极，和对应于所述分离的压电膜的压力箱；和粘结具有形成在那里的液体排放口的喷嘴板。其中，在形成所述压电膜的步骤中，形成所述第一层使其不含锆或锆含量小于所述第二层。25...

【专利技术属性】
技术研发人员：和佐清孝，海野章，福井哲朗，松田坚义，
申请(专利权)人：和佐清孝，佳能株式会社，
类型：发明
国别省市：JP[日本]