液体输送装置及其制造方法.pdf

一种液体输送装置，包括：至少一个压电元件(20b)，在驱动电压施加到压电元件上时，压电元件变形；振动板(20a)，其上层叠压电元件，并且因为压电元件的变形而振动；以及至少一个液体腔室(16)，它存储液体，并且靠近振动板在其相对两侧的远离压电元件的一侧上形成，压电元件的变形给液体腔室内的液体赋予压力，从而将液体传送至装置的外面。液体腔室在层叠部件中形成，层叠部件包括彼此结合为一体的第一层(14)和第二层(20a)，从而通过蚀刻使第一层的与至少一个液体腔室相对应的至少一个部分凹陷，以至于使得第二层的与第一层的至少一个部分相对应的至少一个部分暴露出来，第二层构成振动板，并对第一层蚀刻时采用的条件具有抵抗性。

1.  一种液体输送装置，包括：
至少一个压电元件(20b)，在驱动电压施加到该压电元件上时，该压电元件变形；
振动板(20a)，其上层叠所述至少一个压电元件，并且因为所述至少一个压电元件的变形而振动；以及
至少一个液体腔室(16)，它存储液体，并且靠近所述振动板在其相对两侧的远离所述至少一个压电元件的一侧上形成，所述至少一个压电元件的变形给液体腔室内的液体赋予压力，从而将液体传送至该装置的外面，该装置的特征在于
所述至少一个液体腔室在层叠部件中形成，所述层叠部件包括彼此结合为一体的第一层(14)和第二层(20a)，从而通过蚀刻使第一层的与所述至少一个液体腔室相对应的至少一个部分凹陷，以至于使得第二层的与第一层的所述至少一个部分相对应的至少一个部分暴露出来，第二层构成振动板，并对第一层蚀刻时采用的条件具有抵抗性。

2.  如权利要求1的液体输送装置，还包括至少一个单独电极(24)，所述至少一个压电元件的插入到所述至少一个单独电极和振动板之间的至少一个部分被极化，从而得到相对于所述至少一个液体腔室发生变形的至少一个活性部分，所述振动板具有至少一个振动部分，它因为所述至少一个活性部分的变形而振动。

3.  如权利要求1或2的液体输送装置，其中第一层和第二层的各材料的结合选自以下其中的一种：不锈钢和钛合金、铝合金和钛合金、镍合金和钛合金、钛合金和不锈钢、玻璃和陶瓷、玻璃和金属、金属和陶瓷、金属和玻璃。

4.  如权利要求3的液体输送装置，其中金属是不锈钢、铝合金、镍合金和钛合金中的一种。

5.  如权利要求3的液体输送装置，其中玻璃是硼硅酸盐玻璃。

6.  如权利要求3的液体输送装置，其中陶瓷是氧化铝或者氧化锆。

7.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中第一层由不锈钢形成，第二层由钛合金形成，以氯化铁作为蚀刻剂对第一层进行蚀刻。

8.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中第一层由钛合金形成，第二层由不锈钢形成，以氢氟酸作为蚀刻剂对第一层进行蚀刻。

9.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中所述至少一个压电元件的厚度约为3μm-约20μm。

10.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中层叠部件的构成振动板的第二层的厚度约为10μm-约50μm。

11.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中层叠部件的其中形成所述至少一个液体腔室的第一层的厚度约为50μm～约150μm。

12.  如权利要求1或者2的液体输送装置，其中存储在所述至少一个液体腔室内的液体是墨水，该液体输送装置还包括与所述至少一个液体腔室相通的至少一个喷嘴(54)，从该至少一个喷嘴中向装置的外面喷射墨水，该液体输送装置构成喷墨记录头(6)。

13.  一种制造至少一个液体输送装置的方法，其中每个装置包括：至少一个压电元件，在驱动电压施加到该压电元件上时，该压电元件变形；以及至少一个液体腔室(16)，它存储液体，并且被形成为与所述至少一个压电元件相对，所述至少一个压电元件的变形给液体腔室内的液体赋予压力，从而将液体传送至所述至少一个液体输送装置的外面，该方法的特征在于包括：
层叠部件形成步骤(S1)，形成包括彼此结合成一体的第一层(14)和第二层(20a)的层叠部件，该第二层对第一层的蚀刻所采用的条件具有抵抗力；
液体腔室形成步骤(S2)，形成所述至少一个液体腔室(16)，从而在层叠部件形成步骤中形成的层叠部件在仅基本上蚀刻第一层的条件下进行蚀刻，从而第一层的与所述至少一个液体腔室相对应的至少一个部分被除去，以至于使得第二层的与第一层的所述至少一个部分相对应的至少一个部分暴露出来，由此形成所述至少一个液体腔室，第二层构成振动板(20a)，并且从中已经除去了第一层的所述至少一个部分的第二层的所述至少一个部分作为振动板的振动部分，它因为所述至少一个压电元件的变形而振动；以及
压电层形成步骤(S5)，形成至少一个压电层，作为在层叠部件的第二层的相对两个表面中远离第一层的一个表面上的所述至少一个压电元件(20b)，在液体腔室形成步骤之前或者之后进行压电层形成步骤。

14.  如权利要求13的方法，其中压电层形成步骤包括在第二层的远离第一层的所述一个表面上的至少一个区域上喷射和沉积提供压电元件的超微细颗粒，该区域至少与所述至少一个液体腔室相对应。

15.  如权利要求13的方法，其中压电层形成步骤包括向第二层的远离第一层的所述一个表面上的至少一个区域施加提供压电元件的材料的溶液，该区域至少与所述至少一个液体腔室相对应并加热所施加的溶液，加热所施加的溶液，并且重复溶液的施加以及所施加的溶液的加热。

16.  如权利要求14或者15的方法，还包括退火步骤(S6)，对所述至少一个压电层进行退火。

17.  如权利要求13的方法，其中所述至少一个液体输送装置包括多个液体输送装置，该方法还包括将给出多个液体输送装置并且是在层叠部件形成步骤、液体腔室形成步骤以及压电层形成步骤之后获得的中间产品进行分割的分割步骤，由此提供多个液体输送装置。

液体输送装置及其制造方法
本申请以2003年7月15日提交的日本专利申请2003-197350为基础，其内容在此引入作为参考。
技术领域
本发明总的来说涉及一种液体输送装置，尤其是这样一种液体输送装置，它包括一个层叠的部件，该部件中形成至少一个液体腔室并且包括振动板，其中即使在以相对较低的电压驱动压电元件的时候，也能由至少一个压电元件给液体腔室中的液体赋予足够的压力，从而该装置能将液体从液体腔室传送或者运送至该装置的外部。本发明还涉及一种制造该液体输送装置的方法。
背景技术
作为通过压电元件的促动而传送液体的装置的一个示例，已经知道用于喷墨记录装置上的各种喷墨记录头。JP-A-11-254681中披露了这种喷墨记录头的一个示例以及其制造方法。在该文献中公开的喷墨记录头包括：储存器，存储了从外部提供的墨水；压力产生腔室，从储存器通过墨水供应口向该腔室提供墨水；封闭部件(弹性板)，设置在压力产生腔室的相对侧的其中一个上；以及压电振动元件。在所披露的喷墨记录头中，通过操作压电振动元件而使得弹性板朝着压力产生腔室变形，由此对压力产生腔室内的墨水施加压力，从而通过在压力产生腔室的相对端的其中一个处形成的喷嘴连通孔流入到喷嘴开口的墨水被从该喷嘴开口以滴的形式喷射。
压力产生腔室位于形成墨水供应口的基板附近，该基板由金属包层部件形成，所述金属包层部件包括：第一金属层；第二金属层，由相对于蚀刻第一金属层的蚀刻剂具有耐腐蚀性的材料形成；以及第三金属层，它相对于墨水具有耐腐蚀性；第一至第三金属层层叠或者彼此叠加。在金属包层部件的与储存器相对的区域，形成由第二和第三层所构成的薄壁部分。更具体的说，对应于该区域的第一层被蚀刻除去，从而形成其底部由该薄壁部分所限定的凹槽。
当压力产生腔室中的墨水受压时，压力产生腔室中的墨水流回到储存器中。在这种情况下，储存器中的墨水压力可以被提高。在所披露的喷墨记录头中，上述薄壁部分因为流回到储存器中的墨水的压力而发生弹性变形，由此避免了提高储存器中的墨水压力。因此，防止墨水压力的变化通过储存器传播至相邻的压力产生腔室，由此避免了因为压力变化导致的记录头的墨滴喷射特性的恶化。
发明内容
但是，在上述喷墨记录头中，其底部作为薄壁部分的上述凹槽在金属包层部件中形成。而压力产生腔室不在金属包层部件中形成。同时，即使在以相对较低电压来驱动压电元件的时候，也需要喷墨记录头具有良好的墨水喷射特性。如果弹性板的刚性随着其厚度的降低而降低，则通过施加相对较低的驱动电压就可以使得弹性板振动。另外，当压电元件具有小的厚度时，施加给它的电压可以降低。
具有小厚度的薄压电元件一般可以按照如下方法来形成：采用刮刀方法或者丝网印刷方法，向一个作为基底的片材(封闭部件)上施加糊状的压电材料。由于采用这些方法来形成薄压电元件的条件是严格的，因此要求(例如用于要在其上形成压电元件的封闭部件的)材料要具有一定的耐热性和耐冲击性。因此，难以通过在传统结构中简单的采用传统方法来制造所需的薄压电元件。
因此本发明的第一个目的是提供一种液体输送装置，包括一个层叠部件，该部件中形成至少一个液体腔室并且包括振动板，其中即使在由相对较低的驱动电压来驱动压电元件的时候，也能够由至少一个压电元件来给液体腔室中的液体赋予足够的压力，从而该装置可以将液体从液体腔室传送至该装置地外面。
本发明的第二个目的是提供一种制造本发明的液体输送装置的方法。
上述第一个目的可以根据提供了一种液体输送装置的本发明的第一个方面来实现，该装置包括：至少一个压电元件，在驱动电压施加在该元件上时，该元件变形；振动板，其上层叠至少一个压电元件，并且因为该至少一个压电元件的变形而振动；以及至少一个液体腔室，它存储液体，并且靠近该振动板在其相对两侧的远离该至少一个压电元件的一侧上形成。液体腔室内的液体由该至少一个压电元件的变形来赋予压力，从而将液体传送至装置的外面。该至少一个液体腔室在层叠部件中形成，所述层叠部件包括彼此结合为一体的第一层和第二层，从而通过蚀刻使得第一层的与该至少一个液体腔室相对应的至少一个部分凹陷至使得第二层的与第一层的所述至少一个部分相对应的至少一个部分暴露出来的程度。第二层构成振动板，并对第一层蚀刻采用的条件具有抵抗性。
在如本发明上述第一方面构成的液体输送装置中，通过蚀刻层叠部件的第一层而形成该至少一个液体腔室，该腔室的深度由第一层的厚度所限定，从而液体腔室具有准确的深度，允许该装置以高度的准确性来传送液体。当液体腔室中的液体由压电元件的变形赋予压力时，如果液体腔室在其结构和体积方面存在误差，从液体腔室向装置外面传送的液体量可能不会准确。当至少一个液体腔室包括多个液体腔室时，允许液体腔室具有准确的深度和结构的该装置能确保稳定和准确的液体传送。
在如上构成的该装置中，由于在由第一层增强的振动板上形成至少一个压电元件，因此当在振动板上形成压电元件而给振动板施加了应力的时候，防止了振动板发生变形。根据该结构，即使当采用其作为振动板的第二层是由薄金属层构成的层叠部件时，在作为振动板的第二层上高度稳定地层叠压电元件，允许液体输送装置在以相对较低电压驱动压电元件的时候能高度稳定和可靠的传送液体。
上述第二目的由提供一种制造至少一个液体输送装置的方法的本发明的第二方面来实现，该装置包括：至少一个压电元件，在驱动电压施加在该元件上时，该元件变形；以及至少一个液体腔室，它存储液体，并且被形成为与所述至少一个压电元件相对。液体腔室内的液体由该至少一个压电元件的变形来赋予压力，从而将液体传送至该至少一个液体输送装置的外面。该方法包括：层叠部件形成步骤、液体腔室形成步骤、以及压电层形成步骤。在层叠部件形成步骤中，形成包括彼此结合成一体的第一层和第二层的层叠部件。第二层对第一层的蚀刻所采用的条件具有抵抗力。在液体腔室形成步骤中，形成至少一个液体腔室，从而在层叠部件形成步骤中形成的层叠部件在仅基本上蚀刻第一层的条件下进行蚀刻，从而第一层的与至少一个液体腔室相对应的至少一个部分被除去至使得第二层的与第一层的所述至少一个部分相对应的至少一个部分暴露出来的程度，由此形成至少一个液体腔室。第二层构成振动板，并且从中已经除去了第一层的至少一个部分的第二层的至少一个部分作为振动板的振动部分，它因为至少一个压电元件的变形而振动。在压电层形成步骤中，至少一个压电层形成为在层叠部件的第二层的相对两个表面的远离第一层的一个表面上的至少一个压电元件。在液体腔室形成步骤之前或者之后进行压电层形成步骤。
在上述本发明第二方面的方法中，在液体腔室形成步骤中，第二层作为蚀刻阻挡器，仅有第一层被蚀刻。因此，可以高度准确地形成具有准确深度和结构的液体腔室。当至少一个液体腔室包括多个液体腔室时，允许液体腔室具有准确的深度和结构的该方法能确保稳定和准确的液体传送。在压电层形成步骤中，在第二层由第一层增强或者做背衬而提高了刚度的状态下，在该第二层上形成压电元件。因此，即使当在其上形成压电元件而在第二层上作用应力的时候，第二层可以承受该应力，并不会有发生变形的困扰，从而第一层和第二层可以高度可靠的保持结合，而不会彼此分开。尤其是，当在液体腔室形成步骤之前执行压电层形成步骤的时候，换句话说，在由其中尚未形成液体腔室的第一层增强的第二层上形成压电元件，即使第一层和第二层在压电层形成步骤中承受了非常严格的处理条件之后，第一层和第二层也能够以更加提高的稳定性保持结合，其中所述非常严格的处理条件例如是在有机物质分解的较高温度下进行的热处理。
另外，在上述结构中，即使当采用其作为振动板的第二层是由薄金属层构成的层叠部件时，在由第一层增强的(作为振动板的)第二层上高度稳定地层叠压电元件，从而液体输送装置能够在以相对较低电压驱动压电元件的时候能高度稳定和可靠的传送液体。
在涉及到上述第一方面的液体输送装置的权利要求中出现的特征适用于上述方法。
附图说明
通过结合附图阅读本发明优选实施方案的以下详细描述，可以更好的理解本发明上述和其它目的、特征、优点和技术以及工业意义，其中：
图1为根据本发明构成的压电喷墨记录头的分解透视图；
图2A为图1的喷墨记录头沿着图1的1-1线剖开的剖视图，并且图2B为图1的喷墨记录头沿着图1的2-2线剖开的剖视图；
图3为图1的喷墨记录头的墨水存储部分的分解透视图；
图4显示出用于生产该压电喷墨记录头的工艺步骤；
图5为用于说明作为形成PZT膜的一个方法的气溶胶沉积(AD)方法的视图；
图6显示出作为用于形成PZT膜的另一个方法的溶胶凝胶方法的工艺步骤；并且
图7显示出用于生产压电喷墨记录头的另一个工艺步骤。
具体实施方式
下面将参照这些附图对本发明的优选实施方案进行说明。
首先参照图1的分解透视图，该图显示出根据作为本发明一个实施方案的方法构成的以压电喷墨记录头6的形式的液体输送装置。
如图1所示，该压电喷墨记录头6具有一层叠结构，它包括一压电元件20b、一振动板20a、一空腔板14、一隔板13、两个集管板(第二和第一集管板)12、11以及一喷嘴板43，它们沿着从头6的顶部到底部的方向按照这种顺序布置。
压电元件20b、振动板20a和多个单独电极24(将在下面进行说明)相互协作以提供一施压部件20。空腔板14、隔板13、两块集管板11、12以及喷嘴板43协作以提供一墨水存储部分10。
形成墨水存储部分10的每块板11、12、13、14、43的厚度为约50μm至约150μm。
作为墨水存储部分10的最下面层的喷嘴板43为由合成树脂形成的细长板部件。喷嘴板43具有多个喷墨喷嘴54，每个喷嘴具有非常小的直径。喷嘴54穿过喷嘴板43的厚度形成为沿着喷嘴板43的纵向(即第一方向)延伸的两个直排，从而每一排的喷嘴54彼此以非常小的间隔距离“w”(图3)等距离的间隔开，并且这两排中的一个排的每个喷嘴54沿着喷嘴板43的纵向插入到另一排的相邻两个喷嘴54之间。因此喷嘴54以之字形或者交错的方式形成为两排。
第一集管板11是叠在喷嘴板43的上表面上的长条形板状部件，在其自身的上表面中，具有一对向上打开的集管凹槽11a和11a。
第二集管板12是叠在第一集管板11的上表面上的长条形板状部件，并具有一对集管开口12a和12a，这两个开口分别作为墨水通道的一部分。两个集管开口12a和12a穿过第二集管板12的厚度形成，从而两个集管开口12a和12a分别在两个直排喷嘴54的相对侧上延伸。在第二集管板12上形成的集管开口12a和12a分别与第一集管板11中形成的集管凹槽11a和11a相对准，并在它们的平面视图中具有与集管凹槽11a和11a基本同样的形状。两个集管开口12a和12a中的每一个与两个集管凹槽11a和11a中对应的一个相配合，以限定集管腔室。每个集管开口12a和12a在其平面图中与在空腔板14中形成的两排液体腔室16(如下所述)中的对应一排相对准，从而每个集管开口12a在沿着空腔板14的纵向延伸的对应排的液体腔室16之上延伸。
位于第二集管板12之上并且与第二集管板12之间插入有隔板13的空腔板14是作为墨水存储部分10的最上层的长条形板部件。空腔板14具有穿过其厚度形成的两排液体腔室16，从而两排液体腔室16沿着与空腔板14的纵向(即第一方向)平行的空腔板14的中心线延伸。在板11、12、13、14都彼此叠置的状态下，每个液体腔室的远离隔板13的上部处于打开状态。
两排液体腔室16位于空腔板14的中心线的相应两侧上。这两排中的一排的每个液体腔室16沿着这些排的延伸方向插入在另一排的相邻液体腔室16之间。每个液体腔室16具有沿着与上述其中心线垂直的空腔板14的第二方向(即，横向方向)延伸的细长形状。
液体腔室16的相应内端16a通过各自的小直径通孔17与喷嘴板43的对应喷嘴54相通，所述通孔17按照之字形方式穿过隔板13、第一和第二集管板11和12中每一个的厚度形成为两排。另一方面，两排中的一排的液体腔室16的各外端16b与集管板11和12的两个集管腔室中的对应的一个通过两排通孔18中的对应一排相通，所述通孔18穿过隔板13的厚度形成，从而通孔18的排的位置分别靠近隔板13的相对长侧边缘；另一排的液体腔室16的各外端16b通过隔板13的另一排通孔18与另一个集管腔室相通。如图3中的放大视图(圆圈部分”b”)所示，两排液体腔室16的各外端16b在空腔板14的下表面中形成，从而外端16b仅朝下打开。
振动板20a在其纵向相对端部的其中一个处具有两个供应孔19和19，它们穿过其厚度形成；空腔板14在其纵向相对端部的其中一个处具有两个供应孔19a和19a，它们穿过其厚度形成；隔板13在其纵向相对端部的其中一个处具有两个供应孔19b和19b，它们穿过其厚度形成。振动板20a的供应孔19和19、空腔板14的供应孔19a和19a、隔板13的供应孔19b和19b彼此沿着板叠置的方向相对准，并且与第二集管板12的两个集管开口12a和12a相通。
从墨盒向两个集管腔室11a，12a；11a，12a通过供应孔19、19a、19b供应的墨水通过各自的通孔18分配给液体腔室16，然后通过通孔17到达与液体腔室16对应的喷嘴54。
施压部件20用于改变在液体存储部分10中形成的每个液体腔室16的体积，并作为通过向其施加电压来操作的压电促动器。施压部件20叠放在墨水存储部分10的上表面上(即作为墨水存储部分10的最上层的空腔板14的上表面上)，并具有关闭所有的液体腔室16的上开口的矩形形状。施压部件20由属于金属板部件的振动板20a、设置在振动板20a的相对表面中的远离墨水存储部分10的一个表面上并且使得振动板20a振动的压电元件20b、以及设置在压电元件20b的上表面上的多个单独电极24构成。
压电元件20b在振动板20a的上述一个表面上形成，并是一个应力产生部件，用于在振动板20a中产生应力并由此使其变形。压电元件20b以锆酸钛酸铅作为主要成分(以下简称为PZT)来形成，该锆酸钛酸铅是钛酸铅和锆酸铅的固体溶液，它是铁电体。压电元件20b厚度约为3μm-约20μm。通过沿着一个特定方向向铁电体PZT施加电压使之极化，并在停止施加电压之后保持极化。也就是，在PZT中保持极化作用(残余电介质极化)。当向极化的PZT施加电压时，PZT发生应变。在该实施方案中，PZT(压电元件20b)被极化，使得极化方向垂直于振动板20的平面。
压电元件20b的厚度相对于振动板20a的厚度(刚性)具有最佳范围。当振动板20a的厚度(刚性)提高时，使得振动板20a变形需要较大的作用力。如果压电元件20b的厚度提高，在场强度是常数的情况下，由压电元件20b所产生的作用力可以提高，但是需要更高的电压来驱动压电元件20b。
在传统的压电促动器中，已经采用了例如厚度不小于约几十微米(μm)的压电元件。具有这种厚度的压电元件是通过首先采用刮刀方法或者丝网印刷方法来提供一个PZT生片、然后烧烤该生片来制造的。在这种方法中，难以形成其厚度范围在几微米(μm)至大约10μm的压电元件。因此传统的压电促动器需要高驱动电压。同时，采用化学气相沉积方法和溅射方法来形成其厚度大约1μm的层。尽管在本发明中可以采用化学气相沉积方法和溅射方法，但是本发明适合于采用以下方法来在振动板20a中形成足够的应力。
在本发明中，适合于采用气溶胶沉积方法(以下简称为AD方法)或昔溶胶凝胶方法来形成压电元件20b。以下参考图4-6详细解释AD方法和溶胶凝胶方法。
由于采用如下所述的其中振动板20a和空腔板14彼此层压或者一体地叠置的包层或者层叠元件来提供振动板20a，振动板20a具有覆盖空腔板14的相对主表面的其中一个表面的全部的尺寸。但是在该实施方案中的压电元件20b仅在振动板20a的相对主表面的其中一个表面的一个区域上形成，该区域与在空腔板14形成的多个液体腔室16相对应。压电元件20可以对每个液体腔室16单独形成，或者在振动板20a的上述一个主表面上的全部表面上形成。
在压电元件20b的上表面(也就是其相对主表面的远离振动板20a的一个表面)上，设置单独电极24，从而单独电极24分别与空腔板14的液体腔室16相对准。更具体的说，如图1中的放大视图(圆圈部分a)中所示，按照之字形方式沿着压电元件20a的第一方向(也就是纵向)将单独电极24设置为两排，每个单独电极24是从压电元件20b的宽度中央部分朝着与第一方向垂直的第二方向延伸的细长带状。在该实施方案中，每个单独电极24的宽度在其平面图中比每个液体腔室16的宽度略小。
振动板20a由导电金属材料形成，并与单独电极24相配合，将压电元件20b夹在其间。振动板20a用作公共电极，它为所有的液体腔室16所共用。
在施压部件20的上表面上，叠置有具有多个彼此独立的并且分别与单独电极24相连接的导线(未显示)的柔性扁平电缆40。每个单独电极24通过相应的导线与电源和信号源(两者都未示出)电连接。
当通过柔性扁平电缆40在所有单独电极24和振动板20a之间施加比在进行正常或通常喷墨操作时所施加的电压更高的电压时，在介入在单独电极24和振动板20a之间的压电元件20b中的相应部分被极化，由此提供了在其上施加有用于喷墨操作的电压时承受应变的活性部分。在与在本实施方案中一样在与所有液体腔室16相对应的区域上形成有压电元件20b的情况下，或者在振动板20a的整个一个主表面上形成有压电元件20b的情况下，该压电元件20b包括多个活性部分。在该压电元件20b形成用于每个液体腔室16的情况下，压电元件20b构成该活性部分。与相应活性部分相对应并且与在空腔板14中通过如下所述的蚀刻形成的相应液体腔室16相对应的振动板20a的相应部分作为振动部分，该振动部分因为活性部分的变形而振动。振动板20a和空腔板14由板状金属部件也就是其中两个板20a和14彼此一体地结合的层叠部件或者金属包层部件来提供。作为金属包层部件的第一金属部件的振动板20a是厚度约为10μm至约50μm的轧制金属板，而作为金属包层部件的第二金属部件的空腔板14是利用蚀刻形成有多个液体腔室。
由于振动板20a和空腔板14由整体的金属包层部件来提供，因此振动板20a需要具有对在空腔板14中形成液体腔室16所采用的蚀刻的抵抗性。鉴于此，根据相对于形成液体腔室16所采用的蚀刻剂的溶解程度，确定用于振动板20a和空腔板14的各自材料的组合。例如，当振动板20a由钛合金形成时，空腔板14由不锈钢、铝合金以及镍合金中的任意一种来形成。
用于振动板20a和空腔板4的材料的组合可以根据离子化倾向或者腐蚀电位来确定。尽管考虑了电化腐蚀，但是振动板20a可以由其离子化倾向比用于空腔板14的金属的离子化倾向低的金属来形成，也就是其腐蚀电位比用于空腔板14的金属的腐蚀电位高。
通过利用蚀刻剂来蚀刻空腔板14而形成每个液体腔室16，从而每个液体腔室16的相对开口中的一个在空腔板14的下表面中打开，而另一个开口由振动板20a所关闭，由此形成其形式分别为凹槽的液体腔室16。也就是，每个液体腔室16的深度(也就是从振动板20a和空腔板14的层叠方向看的腔室16的高度)以高度的准确性与空腔板14的厚度相等。
在本实施方案中，分别用于板11-13的板状金属部件由不锈钢、镍合金等形成，并利用环氧树脂类型的粘合剂或采用扩散结合而彼此结合在一起。
在如此构成的压电墨水喷墨记录头6中，当通过柔性扁平电缆40(单独电极24连接至正电极，振动板20a接地)向任一个单独电极24施加电压时，沿着与极化方向的相同方向产生电场。因此选择性驱动刚刚位于单独电极24之下的活性部分，该活性部分被施加了电压，从而活性部分沿着与极化方向相垂直的方向收缩。在该情况中，由于振动板20a不收缩，压电元件20b的活性部分以及振动板20a的对应振动部分发生变形，在该实施方案中是朝着振动板20a变形，也就是，变形为一个朝着对应的液体腔室16突出的凸起形状。
结果，液体腔室16被选择性的加压，该液体腔室16的体积减少。因此，在液体腔室16内的墨水的压力被提高，并且墨水的压力传导给对应喷嘴54，从而墨滴从喷嘴54中喷射。当停止施加电压时，压电元件20b的活性部分和已经变形的振动板20a的振动部分返回到原始状态，液体腔室16的体积返回到原始值。在这种情况下，由于液体腔室16被减压，墨水从墨水供应部分(也就是从适当的一个墨盒61)被吸入到液体腔室16内。因此喷墨记录头6的状态返回至其原始状态，其中没有进行喷墨操作。
在压电喷墨记录头6中保持的墨水(在其喷射之前的墨水)沿着与墨水喷射所朝着的方向的相对方向上受到作用在其上的负压。因此在没有施加电压的情况下，没有墨水从朝下打开的喷嘴54喷射，并且因此，传送至喷嘴54的墨水形成弯液面。
以下参考图4-6，将描述制造如上构成的压电喷墨记录头6的方法。
图4是显示制造本发明一个实施方案的压电喷墨记录头6的步骤的视图。该步骤包括：轧制步骤(S1)、液体腔室形成步骤(S2)、压力加工步骤(S3)、遮蔽步骤(S4)、PZT层形成步骤(S5)、退火步骤(S6)、电极印刷步骤(S7)、极化步骤(S8)以及组装步骤(S9)。在该实施方案中这些步骤按序执行。
在轧制步骤(S1)中，制造用于喷墨记录头6的由振动板20a和空腔板14构成的金属包层部件。在该轧制步骤中，将用于空腔板14的不锈钢部件和用于振动板20a的钛合金部件通过轧制而层叠或者彼此结合。
轧制步骤(S1)之后是液体腔室形成步骤(S2)，其中通过对金属包层部件的空腔板14进行蚀刻形成多个液体腔室16。更详细的说，首先在金属包层部件的不锈钢部件(用于空腔板14)的表面上形成抗蚀剂30，从而仅覆盖不形成液体腔室16的部分。然后沿着图4中S2所示的箭头方向，喷加或者滴加氯化铁蚀刻剂，该蚀刻剂蚀刻用于空腔板14的不锈钢部件，但是不蚀刻用于振动板20a的钛合金部件，由此对空腔板14的非抗蚀剂区域(空腔板14的没有覆盖抗蚀剂30的区域)进行蚀刻。因此以高度的准确性形成多个液体腔室16，它们分别具有与抗蚀剂30的开口相对应的宽度以及与空腔板14的厚度对应的深度。在已经完成蚀刻之后，从空腔板14上除去抗蚀剂30。
液体腔室形成步骤(S2)之后是压力加工步骤(S3)，其中在振动板20a和空腔板14的预定位置处利用压力来冲出墨水供应孔19、19a。
随后进行遮蔽步骤(S4)以利用遮蔽部件来覆盖或者遮住振动板20a的表面的其上不在以下的PZT层形成步骤(S5)中形成压电元件20b的那一部分。由于压电元件20b通过遮蔽部件来形成，因此没有在整个振动板20a的表面上形成压电元件20b，而是仅在振动板20a的表面上的所需区域上形成。换句话说，仅在与空腔板14中形成的多个液体腔室16相对应的所需区域上形成压电元件20b。
遮蔽步骤(S4)之后是PZT层形成步骤(S5)，用于在振动板20a的上表面上形成作为压电元件20b的压电层。在本发明的PZT层形成步骤中，通过以下将参考图5所述的AD方法(S51)，或者以下参考图6所述的溶胶凝胶方法(S52)，形成厚度约为3μm至约20μm的致密压电元件20b。
图5是解释作为本发明采用的PZT层形成方法的一个示例的AD(气溶胶沉积)方法(S51)的视图。在AD方法中，包括具有亚微米级的平均直径(小于1μm)的PZT的微细颗粒的气流被喷加在其上要形成PZT薄膜的目标的表面上，从而将PZT的微细颗粒固定在该表面上。如图5所示，PZT粉末存储在贮槽120中，并通过从气瓶124通过管123提供的压缩气体所吹起。由该压缩气体所吹起的PZT粉末要被从贮槽120的开口125通过管127传送给沉积腔室130，并以压缩空气作为介质或者载气。用于作为传送介质来传送PZT粉末的气体是例如氦气或者氮气。
在沉积腔室130中，将PZT粉末喷在振动板20a上。在沉积腔室130的顶棚部分，设置喷嘴部件132用于将从贮槽120通过管127传送的PZT粉末沿着向下的方向喷射。
在沉积腔室130中设置平台(未显示)，从而该平台的位置低于喷嘴部件132，而与喷嘴部件132相对。在平台上，设置金属包层部件，也就是与其中已经在上述液体腔室形成步骤(S2)形成了液体腔室16的空腔板14一体地形成的振动板20a。平台设置成可以沿着与平台和喷嘴部件132相对的方向垂直的水平X-Y平面移动。金属包层部件设置在平台上，从而振动板20a与喷嘴部件132相对。
真空泵133连接至沉积腔室130，从而使得沉积腔室130内部除气或者脱气。当PZT粉末喷在振动板20a上时，通过真空泵133将沉积腔室130内部减压至预定压力。
从贮槽120送来的PZT粉末从喷嘴部件132高速喷在作为目标的振动板20a上。所喷的PZT粉末的动能通过与振动板20a碰撞而转换为热能。由于该热能，PZT的颗粒结合或者联结在一起，由此在振动板20a的上表面上形成压电元件20b。由于设置在平台上的金属包层部件沿着X-Y平面移动，因此PZT粉末可以均匀的喷在振动板20a的上表面上，从而可以在振动板20a的没有被遮蔽部件所覆盖的部分上形成均匀致密的压电元件20b。
在AD方法中(S51)，由于PZT粉末需要被以高速喷在所需的目标上，因此该目标不可避免地要接收大量的冲击或者振动。在制造压电喷墨记录头6的该方法中，在由金属包层部件所提供的振动板20a上形成PZT层(压电元件20b)。换句话说，不是在作为一个单独的部件的振动板20a上、而是在由空腔板14加以背衬或者增强的并且具有较高刚性的振动板20a上形成压电元件20b。因此，即使振动板20a的厚度小至约10μm至约50μm，振动板20a也能足以承受在喷PZT粉末时作用在其上的冲击。
以下参考图6，描述作为本发明采用的PZT层形成方法的另一个示例的溶胶凝胶方法(S52)。在溶胶凝胶方法(S52)中，可以用于形成压电元件20b的金属氢氧化物水合络合物、也就是溶胶进行脱水处理，以提供凝胶，将所获得的凝胶进行加热和烧烤以提供无机氧化物。
为了根据溶胶凝胶方法(S52)形成压电元件20b，将钛、锆、铅和其它金属成分的各自醇盐与水和醇混合进行水解，由此提供了溶胶组合物形式的PZT前体溶液。如图6所示，溶胶凝胶方法包括将要描述的旋涂PZT前体溶液的旋涂步骤(S521)、干燥步骤(S522)、烧烤步骤(S523)以及预退火步骤(S524)。
在旋涂步骤(S521)中，将如上制备的PZT前体溶液通过旋涂施加在振动板20a的上表面上。PZT前体溶液涂布在如上所述由金属包层部件提供的振动板20a上。PZT前体溶液的涂布方法不限于旋涂，但是可以适当地采用任何其它常用的涂布方法，例如浸涂、辊涂、棒涂和丝网印刷。
旋涂步骤(S521)之后是干燥步骤(S522)，其中在75℃至200℃的温度下将涂布在振动板20a上的PZT前体溶液干燥5分钟，由此蒸发溶剂。还可以在这样干燥(加热)的层上再涂布PZT前体溶液，以提高其厚度。
干燥步骤(S522)之后是烧烤步骤(S523)，其中在适当的温度下将干燥的层烧烤适当的时间，而使得溶胶组合物的层转变为凝胶，并使得有机物质从该层上除去。在该实施方案中，在350℃-450℃的温度下将该层烧烤5分钟。按照所需的次数，例如4次或以上，重复旋涂步骤(S521)、干燥步骤(S522)和烧烤步骤(S523)，从而形成具有所需厚度的压电前体层。通过那些干燥和去油脂处理，溶液中的金属醇盐形成金属-氧化物-金属网络。
然后在预退火步骤(S524)，将压电前体层进行预退火，其中通过热处理使得压电前体层结晶。在该步骤(S524)，压电前体层在氧气中在700℃烧烤1分钟，从而压电前体层转变为具有钙钛矿晶体结构的金属氧化物层。因此，形成压电元件20b。
在上述溶胶凝胶方法(S52)中，重复进行热处理。在该方面，在厚度约为10μm-约50μm的振动板20a上形成压电元件20b，振动板20a会因为振动板20a和压电元件20b之间的热膨胀系数之间的差异而发生卷曲。但是在制造压电喷墨记录头6的该方法中，不是在作为一个或者单独的部件的振动板20a上、而是在与空腔板14相结合或者加以背衬的振动板20a上形成压电元件20b。换句话说，在由空腔板14增强并且刚性提高的振动板20a上形成压电元件20b。因此，即使振动板20a是厚度约为10μm-约50μm的薄的类型，但是能有效避免振动板20a的卷曲。
如果进行制造的元件发生卷曲或者其它变形，不希望元件的处理变得麻烦。另外，在进行卷曲或者变形的校正或者改善的同时进行组装步骤等，势必降低了制造效率。当元件发生过度卷曲或者变形时，该元件不能被接受，作为缺陷产品来处理。但是该实施方案的方法能有效地防止发生卷曲或者变形，从而所需的喷墨记录头6的制造产率提高。
在已经进行了PZT层形成步骤(S5)之后，也就是在已经采用上述AD方法(S51)或者溶胶凝胶方法(S52)形成了压电元件20b之后，进行退火步骤(S6)，用于构成在PZT层形成步骤(S5)中形成的压电元件20b的PZT的晶体生长。在退火步骤(S6)中，进行高温热处理。根据在PZT层形成步骤(S5)中采用的层形成方法来适当的确定退火条件。当采用AD方法(S51)形成压电元件20b时，在600℃-750℃的温度下进行约1小时的热处理。当采用溶胶凝胶方法(S52)形成压电元件20b时，在600℃-1200℃的温度下采用RTA(快速热退火)炉进行约0.1-10分钟的热处理。
在该实施方案中，如上所述，在退火步骤(S6)中的元件具有更高的刚性，即使在退火步骤(S6)中如上所述的高温热处理之后，该元件的构成部件也不会发生分离或者变形。
退火步骤(S6)之后是电极印刷步骤(S7)，其中在压电元件20b的上表面上形成单独电极24。压电元件20b的上表面覆盖有遮蔽部件，该遮蔽部件具有图案，从而具有与要和各液体腔室16相对齐而形成的单独电极24相对应的通孔。然后在如上具有图案的遮蔽部件上印刷电极糊料，以形成单独电极24。在压电元件20b的上表面上的与各液体腔室16相对应的各部分上印刷的糊料首先在预定条件下干燥，然后烧烤成为各金属层。
然后进行极化步骤(S8)，以使得被单独电极14和振动板20a所夹着的压电元件20b的各部分极化，从而提供如上所述的活性部分。在该极化步骤(S8)中，在压电元件20b上安装柔性扁平电缆40，将在电极印刷步骤(S7)中形成的单独电极24电连接至与各单独电极24相对应的柔性扁平电缆40的导线。然后向压电元件20b施加比在墨水喷射操作中所施加的电压还高的电压，同时单独电极24连接至正电极，振动板20a接地。结果，压电元件20b沿着与振动板20a的平面垂直的方向极化，也就是沿着压电元件20b的厚度方向，从压电元件20b的上表面朝着振动板20a被极化。因此，形成活性部分，它在向其施加电压时在压电层20b的各部分处发生应变。
极化步骤(S8)之后是组装步骤(S9)，其中将其上叠加有极化的施压部件20的空腔板14用粘合剂粘接至部分构成墨水存储部分10的其它板。在其它板中，通过蚀刻提前形成集管腔室、连通孔等。因此制造了其中施压部件20叠加在墨水存储部分10上的压电喷墨记录头6。将如此制造的压电喷墨记录头6安装在喷墨记录装置的主体上。
在所示实施方案的喷墨记录头6和其制造方法中，振动板20a和空腔板14由金属包层部件来提供，在该金属包层部件中，对蚀刻具有相互不同的抵抗性的各金属轧制片彼此叠加或层叠。这种结构能够高度准确的形成液体腔室16，从而提高了压电喷墨记录头6的记录特性。
由于振动板20a和空腔板14由上述金属包层部件来提供，因此振动板20a和空腔板14足以承受在上述PZT层形成步骤(S5)和退火步骤(S6)中进行的处理。因此，可以根据本发明制造具有薄型压电元件20b的压电喷墨记录头6。
在通过本发明中采用的AD方法(S51)或者溶胶凝胶方法(S52)形成压电元件20b时，可以有效和稳定的形成其厚度在约3μm-约20μm范围内的压电元件20b。因此，本发明可以制造在向压电元件20b施加较低电压时可以传送液体的液体输送装置。
通过AD方法(S51)或者溶胶凝胶方法(S52)形成的压电元件20b的压电层经受退火处理(S6)，从而可以提高压电元件20b的压电特性。
尽管已经如上所述仅为进行说明而描述了本发明的优选实施方案，但是可以理解，本发明不限于所示实施方案的细节，可以在不脱离本发明如所附权利要求所限定的精神和范围的前提下在本领域技术人员可以作出的各种改变、改动和改进的情况下进行实施。
在所示的实施方案中，利用氯化铁蚀刻剂对由不锈钢形成的第一金属轧制片(空腔板14)和钛合金形成的第二金属轧制片(振动板20a)构成的金属包层部件进行蚀刻处理，从而通过蚀刻在空腔板14中形成液体腔室16。第一金属轧制片可以由铝合金形成。另外，可以利用氢氟酸蚀刻剂对由钛合金形成的第一金属轧制片和不锈钢形成的第二金属轧制片构成的金属包层部件进行蚀刻处理，从而通过蚀刻在第一金属轧制片中形成液体腔室16。
另外，可以利用加有氯化铁的氢氟酸蚀刻剂对由镍合金形成的第一金属轧制片和钛合金形成的第二金属轧制片构成的金属包层部件进行蚀刻处理，从而通过蚀刻在第一金属轧制片中形成液体腔室16。
在所示的实施方案中，采用其中两个金属轧制片彼此结合的金属包层部件作为由振动板20a和空腔板14构成的层叠部件。但是层叠部件的材料不限于金属。可以使用其中具有相互不同的蚀刻特征的两个片或者层被层叠的各种层叠部件。例如，可以使用这样一种层叠部件，其中由玻璃材料形成第一层(空腔板14)并且由陶瓷材料形成第二层(振动板20a)，所述层具有各自不同的蚀刻特性，它们彼此结合或者烧结成一体。在该层叠部件中，利用氢氟酸蚀刻剂仅蚀刻第一层(空腔板14)。另外，可以采用其中玻璃材料形成的第一层和金属材料形成的第二层彼此结合成一体的层叠部件。在该层叠部件中，利用氢氟酸蚀刻剂仅蚀刻第一层(空腔板14)。另外，可以采用其中金属材料形成的第一层和陶瓷材料形成的第二层、或者金属材料形成的第一层和玻璃材料形成的第二层通过阳极结合或者烧结而结合的层叠部件。在该层叠部件中，利用氯化铁蚀刻剂仅蚀刻第一层(空腔板14)。金属材料的示例包括不锈钢、铝合金、镍合金以及钛合金。玻璃材料的示例包括硼硅酸盐玻璃。陶瓷材料的示例包括氧化铝和氧化锆。在上述层叠部件中，当第二层(振动板20a)由陶瓷材料或者玻璃材料形成时，在形成压电元件20b之前，在振动板20a上通过适当的方法例如镀覆、汽相沉积或者溅射方法形成导电材料层，从而赋予振动板20a以导电性。
在所述实施方案的压电喷墨记录头6的制造方法中，在已经在液体腔室形成步骤(S2)中形成液体腔室16之后，在PZT层形成步骤(S5)中形成压电元件20b。如图7所示，该图显示了根据本发明另一个实施方案制造压电喷墨记录头6的方法，可以在液体腔室形成步骤(S2)之前进行遮蔽步骤(S4)和PZT层形成步骤(S5)。在这种情况下，其上形成有压电元件20b的金属包层部件经受蚀刻操作，从而通过蚀刻在空腔板14中形成液体腔室16。根据这种方法，可以在对热和冲击具有更高抵抗性的振动板20a上形成压电元件20b。
该实施方案的方法不仅适用于采用已经被处理成具有各自适当形状的一套板部件来制造单个的喷墨记录头6的情况，也适用于采用彼此以矩阵形式连接的多套板部件来制造形成为一个整体的多个喷墨记录头6。在后者情况中，所制造的整体在极化步骤(S8)之后，在组装步骤(S9)之前，通过切割而分为单独的喷墨记录头6。
在所示的实施方案中，可以在PZT层形成步骤(S5)之前进行振动板20a的清洁步骤和进行底涂处理的步骤，以提高振动板20a相对于要在其上形成的压电元件20b的结合性。
在所示的实施方案中，作为两个集管板11，12和隔板13，采用金属板部件。也可以采用其它的板部件，例如玻璃板部件、陶瓷板部件以及由树脂形成的对墨水具有腐蚀抵抗性的树脂板部件。当结合采用玻璃板部件和陶瓷板部件时，各板部件的生片层叠，并彼此烧结为一体。因此板部件在烧结时不是相互独立的部件，而是提供一个整体。
尽管已经描述了形式为喷墨记录头6的液体输送装置作为本发明的优选实施方案，但是本发明的原理同样可以用于各种类型的装置，只要该装置用于通过因压电元件变形而向液体施加压力来传送液体即可。