圧電アクチュエータの製造方法及び液体移送装置の製造方法
【課題】一部分が湾曲した圧電層を有する圧電アクチュエータ及び液体移送装置を容易に製造する。
【解決手段】インクジェットヘッドを製造するためには、圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１の上面に、ハーフエッチングにより、中央部に向かうほど深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、凹部５１を形成したキャビティプレート２１の上面に、ＡＤ法により保護層４１を成膜する。次に、保護層４１の上面に共通電極４３を形成し、さらに、共通電極４３を形成した保護層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層４２を成膜する。次に、エッチングにより、キャビティプレート２１の凹部５１が形成された部分を除去して、キャビティプレート２１を貫通する圧力室１０を形成する。次に、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成し、その後、加熱処理を行って、圧電層４２のアニールと共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを行う。
【解決手段】インクジェットヘッドを製造するためには、圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１の上面に、ハーフエッチングにより、中央部に向かうほど深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、凹部５１を形成したキャビティプレート２１の上面に、ＡＤ法により保護層４１を成膜する。次に、保護層４１の上面に共通電極４３を形成し、さらに、共通電極４３を形成した保護層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層４２を成膜する。次に、エッチングにより、キャビティプレート２１の凹部５１が形成された部分を除去して、キャビティプレート２１を貫通する圧力室１０を形成する。次に、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成し、その後、加熱処理を行って、圧電層４２のアニールと共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを行う。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層を有する圧電アクチュエータの製造方法、及び、圧電層を有する液体移送装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のインクジェットヘッドにおいては、インクチャンバー（圧力室）を覆うように圧電素子が配置されており、圧電素子は圧力室に対向する部分において、圧力室と反対側に向かって湾曲している。また、このように圧力室と対向する部分が湾曲した圧電素子を、圧電材料の薄層を研磨することによって、あるいは、上記湾曲と同様の曲面を有する成形型を用いて射出成形を行うことによって作製している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５１２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、特許文献１に記載されているような圧電材料の研磨及び射出成形によれば、特許文献１に記載されているのとは反対に、圧力室と対向する部分が圧力室に向かって湾曲した圧電素子を作製することも可能である。しかしながら、特許文献１に記載されているように、圧電素子を圧電材料の薄層を研磨することによって作製する場合には、湾曲した部分を精度よく研磨することが困難であり、射出成形によって作製する場合には、成形型から圧電素子を取り出す際に、圧電素子に反りが発生してしまう虞などがある。すなわち、いずれの場合にも、圧電素子の作製は困難なものとなる。
【０００５】
本発明の目的は、一部分が湾曲した圧電層を容易に作製することが可能な圧電アクチュエータの製造方法及び液体移送装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、前記湾曲面が形成された前記基材の前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記基材の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記基材の前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えている（請求項１）。
【０００７】
これによると、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、湾曲面が形成された基材の一表面側に湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成することにより、貫通孔側に凸又は凹となるように湾曲した圧電層を容易に形成することができる。
【０００８】
なお、本発明における、「湾曲面に倣って湾曲した」ということには、「湾曲面に沿って湾曲した」ことのほか、「基材の一表面に湾曲面に沿って形成された別の層が形成されており、この別の層の表面に沿って湾曲した」ことも含まれている。
【０００９】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記圧電層形成工程の前に、前記基材の前記一表面に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した前記圧電層を保護するための保護層を形成する保護層形成工程をさらに備え、前記圧電層形成工程において、前記保護層の前記基材と反対側の面に前記圧電層を形成することが好ましい（請求項２）。
【００１０】
圧電層が貫通孔に露出していると、例えば、貫通孔が液体流路を構成する圧力室であり、圧電層と液体とが接触してしまう場合などに圧電層が損傷してしまう虞がある。しかしながら、本発明では、貫通孔と圧電層との間に保護層が設けられているので、圧電層が貫通孔に露出することがなく、このような圧電層の損傷を防止することができる。
【００１１】
このとき、前記保護層形成工程において、前記保護層はエアロゾルデポジション法によって形成されることが好ましい（請求項３）。
【００１２】
これによると、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により、緻密な構造を有する保護層を高速に形成することができる。
【００１３】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記基材が、金属又はシリコンからなるものであり、前記圧電層を加熱処理する加熱処理工程をさらに備えており、前記加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行うことが好ましい（請求項４）。
【００１４】
基材が金属又はシリコンからなるとともに、圧電層を加熱処理する工程を有している場合、加熱処理の際に、基材の構成分子が圧電層に拡散して、圧電層の圧電特性が低下してしまう虞がある。しかしながら、本発明では、加熱処理を行う前に基材に貫通孔を形成しているため、圧電層の圧力室と対向する部分に基材の構成分子が拡散しにくくなる。これにより、圧電層の駆動に用いられる部分における圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００１５】
このとき、前記圧電層形成工程において、前記圧電層はエアロゾルデポジション法によって形成されることが好ましい（請求項５）。
【００１６】
エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって圧電層を形成する場合には、加熱処理工程として、圧電層を高温で加熱して圧電層に圧電特性を持たせるアニールを行う必要がある。しかしながら、このような場合でも、本発明では、加熱処理工程の前に貫通孔形成工程を行っているので、アニールを行う際の加熱によって、基材の構成分子が圧電層の貫通孔と対向する部分に拡散してしまうのを抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記電極形成工程よりも後に、前記加熱処理工程を行うことが好ましい（請求項６）。
【００１８】
スパッタ法等により電極を形成した場合には、形成した電極を焼成する必要がある。しかしながら、本発明では、加熱処理工程を電極形成工程よりも後に行うことにより、圧電層の加熱処理と同時に電極の焼成を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記凹部又は凸部形成工程は、前記凹部を形成するものであることが好ましい。（請求項７）。これによれば、凸部を形成する場合と比べてハーフエッチングなどによって容易に形成することができる。
【００２０】
本発明の液体移送装置の製造方法は、圧力室が形成される圧力室プレートの一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、前記湾曲面が形成された前記圧力室プレートの前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記圧力室プレートの前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記圧力室プレートの前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えている（請求項８）。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、湾曲面が形成された基材の一表面側に湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成することにより、貫通孔側に凸又は凹となるように湾曲した圧電層を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明における実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。図１に示すように、プリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、搬送ローラ４などを備えている。キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に往復移動する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２の下面に取り付けられており、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動しつつ、その下面に形成された複数のノズル１５（図２参照）からインクを吐出する。搬送ローラ４は記録用紙Ｐを紙送り方向（図１の手前方向）に搬送する。そして、プリンタ１においては、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３から搬送ローラ４によって紙送り方向に搬送される記録用紙Ｐにインクを吐出することによって記録用紙Ｐに印刷を行う。
【００２４】
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２は図１のインクジェットヘッド３の平面図である。図３は図２の部分拡大図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は図３のＶ−Ｖ線断面図である。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド３は、圧力室１０を含むインク流路が形成された流路ユニット３１と、圧力室１０内のインクに圧力を付与するための圧電アクチュエータ３２とを備えている。
【００２５】
流路ユニット３１は、キャビティプレート２１（圧力室プレート、基材）、ベースプレート２２、マニホールドプレート２３及びノズルプレート２４の４枚のプレートが互いに積層されることによって構成されている。これら４枚のプレート２１〜２４のうち、ノズルプレート２４を除く３枚のプレート２１〜２３は、ステンレスなどの金属材料からなり、ノズルプレート２４は、ポリイミドなどの合成樹脂からなる。あるいは、ノズルプレート２４も他の３枚のプレート２１〜２３と同様、金属材料により構成されていてもよい。
【００２６】
キャビティプレート２１には、複数の圧力室１０（貫通孔）が形成されている。複数の圧力室１０は、走査方向（図２の左右方向）を長手方向とする略楕円の平面形状を有しており、キャビティプレート２１をその厚み方向に貫通している。また、複数の圧力室１０は、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。ベースプレート２２には、平面視で圧力室１０の長手方向に関する両端部と重なる位置に、それぞれ、略円形の貫通孔１２、１３が形成されている。
【００２７】
マニホールドプレート２３には、圧力室１０の列に沿って紙送り方向に２列に延びているとともに、図２における下端部においてこれら紙送り方向に延びた部分同士を接続するように走査方向に延びたマニホールド流路１１が形成されている。マニホールド流路１１は、上記紙送り方向に延びた部分において、平面視で図２の右側に配列された複数の圧力室１０の略右半分、及び、図２の左側に配列された複数の圧力室１０の略左半分と重なるように配置されている。ここで、マニホールド流路１１には、その走査方向に延びた部分の略中央部と対向する位置に配置されたインク供給口９からインクが供給される。また、マニホールドプレート２３には、平面視で貫通孔１３と重なる部分に略円形の貫通孔１４が形成されている。ノズルプレート２４には、平面視で貫通孔１４と重なる部分に、ノズル１５が形成されている。
【００２８】
そして、マニホールド流路１１が貫通孔１２を介して圧力室１０と連通しており、圧力室１０が貫通孔１３、１４を介してノズル１５に連通している。このように、流路ユニット３１には、マニホールド流路１１の出口から圧力室１０を経てノズル１５に至る複数の個別インク流路が形成されている。
【００２９】
圧電アクチュエータ３２は、保護層４１、圧電層（圧電材料を含む層）４２、共通電極４３及び複数の個別電極４４を備えている。保護層４１はアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス材料からなり、複数の圧力室１０を覆うように、キャビティプレート２１の上面に配置されている。また、保護層４１は、圧力室１０と対向する部分において、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。そして、保護層４１が設けられていることにより、後述する共通電極４３及び圧電層４２が圧力室１０に露出せず、圧力室１０内のインクが共通電極４３及び圧電層４２に接触してしまうことがない。したがって、共通電極４３あるいは圧電層４２を構成する材料と反応してしまうような材料からなるインクであっても、インクジェットヘッド３において使用することができる。
【００３０】
圧電層４２は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を含む層であり、保護層４１の上面に複数の圧力室１０にまたがって連続的に配置されている。これにより、圧電層４２も、保護層４１と同様、圧力室１０と対向する部分において、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。また、圧電層４２は、予めその厚み方向に分極されている。
【００３１】
共通電極４３は、白金、パラジウム、金、銀などの導電材料からなり、保護層４１と圧電層４２との間のほぼ全域にわたって配置されている。共通電極４３は、図示しないフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を介して図示しないドライバＩＣに接続されており、ドライバＩＣにより常にグランド電位に保持されている。
【００３２】
複数の個別電極４４は、共通電極４３と同様の導電材料からなり、圧電層４２の上面に複数の圧力室１０に対応して配置されている。個別電極４４は、圧力室１０とほぼ同じ大きさの略楕円の平面形状を有しており、平面視で、圧力室１０の略中央部と対向する部分に配置されている。また、個別電極４４の長手方向に関するノズル１５と反対側の端は、走査方向に圧力室１０と対向しない部分まで延びており、その先端部が、図示しないＦＰＣに接続される接続端子４４ａとなっている。そして、複数の個別電極４４には、図示しないドライバＩＣにより、ＦＰＣを介して選択的に駆動電位（例えば、２０Ｖ）が付与される。
【００３３】
ここで、圧電アクチュエータ３２の駆動方法について説明する。図６は圧電アクチュエータ３２の駆動方法を示す図である。圧電アクチュエータ３２においては、図６（ａ）に示すように、共通電極４３がグランド電位及び複数の個別電極４４がともにグランド電位に保持されている。この状態では、圧電層４２及び振動層４１の圧力室１０と対向する部分は、前述したように、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。
【００３４】
そして、圧電アクチュエータ３２を駆動する際には、図６（ｂ）に示すように、複数の個別電極４４のいずれかに駆動電位（例えば、２０Ｖ）を付与する。すると、圧電層４２の駆動電位が付与された個別電極４４とグランド電位に保持された共通電極４３との間に電位差が生じ、圧電層４２のこれらの電極に挟まれた部分には厚み方向の電界が発生する。
【００３５】
この電界の方向は、圧電層４２の分極方向と一致しているので、圧電層４２のこの部分は、この電界の方向と直交する水平方向に収縮する。これにより、圧力室１０側に向かって凸となるように湾曲していた、圧電層４２及び保護層４１の圧力室１０と対向する部分が上方に持ち上げられて、水平方向に延びた状態、あるいは、駆動電位が付与される前よりも小さく湾曲した状態となる。これにより、圧力室１０の容積が増加して圧力室１０内のインクの圧力が低下し、マニホールド流路１１から圧力室１０にインクが流れ込む。
【００３６】
そして、所定時間経過後、駆動電位を付与していた個別電極４４の電位をグランド電位に戻す。すると、圧電層４２の個別電極４４と共通電極４３とに挟まれた部分の電界がなくなり、図６（ａ）に示すように、圧電層４２及び保護層４１の圧力室１０と対向する部分が、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲した状態に戻る。これにより、圧力室１０の容積が減少し、圧力室１０内のインクの圧力が増加して（圧力室１０内のインクに圧力が付与されて）、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが吐出される。
【００３７】
次に、インクジェットヘッド３（圧電アクチュエータ３２）の製造方法について説明する。図７はインクジェットヘッド３の製造工程を示すフローチャートである。図８は製造の各工程におけるインクジェットヘッド３の状態を示す図である。
【００３８】
インクジェットヘッド３（圧電アクチュエータ３２）を製造するためには、まず、図７、図８（ａ）に示すように、ハーフエッチングによって圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１（基材）の上面（一表面）における圧力室１０となる部分と対向する部分に、前述した振動層４１及び圧電層４２の湾曲形状に対応する、中央に向かうほどその深さが深くなるように湾曲した湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成する（ステップＳ１０１、以下単にＳ１０１などとする、凹部形成工程）。すなわち、凹部５１が形成されることによって、キャビティプレート２１の上面に湾曲面５１ａが画定される。ここで、キャビティプレート２１がステンレスなどの金属材料により構成されているため、ハーフエッチングにより、このような湾曲面５１ａを有する凹部５１を容易に形成することができる。
【００３９】
次に、図７、図８（ｂ）に示すように、微粒子を含むエアロゾルを噴き付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に保護層４１を成膜する（Ｓ１０２、保護層形成工程）。これにより、凹部５１と対向する部分が湾曲面５１ａに沿って（倣って）湾曲した保護層４１が成膜される。
【００４０】
次に、図７、図８（ｃ）に示すように、保護層４１の上面にスパッタ法などにより、共通電極４３を形成し（Ｓ１０３）、続いて、図７、図８（ｄ）に示すように、ＡＤ法により、共通電極４３が形成された保護層４１の上面（キャビティプレート２１の一表面側）に圧電層４２を成膜する（Ｓ１０４、圧電層形成工程）。これにより、圧力室１０と対向する部分が、湾曲面５１ａと同様に湾曲した保護層４１の上面に沿って（湾曲面５１ａに倣って）湾曲した圧電層４３が成膜される。
【００４１】
次に、図７、図８（ｅ）に示すように、エッチングによりキャビティプレート２１の凹部５１が形成された部分を除去して、キャビティプレート２１に、キャビティプレート２１をその厚み方向に貫通しており、キャビティプレート２１の下方から保護層４１（下面に保護層４１及び共通電極４３が形成された圧電層４２）を臨むことのできる圧力室１０（貫通孔）を形成する（Ｓ１０５、貫通孔形成工程、圧力室形成工程）。ここで、キャビティプレート２１がステンレスなどの金属材料からなるため、エッチングにより圧力室１０を容易に形成することができる。また、このとき、キャビティプレート２１と圧電層４２との間に保護層４１が配置されているので、エッチング液によって共通電極４３が損傷してしまうことがない。
【００４２】
次に、図７、図８（ｆ）に示すように、スパッタ法等により、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成する（Ｓ１０６）。なお、上述したＳ１０３の共通電極４３を形成する工程と、Ｓ１０６の個別電極４４を形成する工程とを合わせたものが、本発明に係る電極形成工程に相当する。
【００４３】
ここで、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成することも可能であるが、この場合には、その後のキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する工程において、エッチング液が個別電極４４に接触して、個別電極４４が損傷してしまう虞がある。また、これを防止するためには、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、個別電極４４にマスクをするなどの余分な工程が必要となってしまう。
【００４４】
これに対して、本実施の形態においては、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成しているため、エッチング液によって個別電極４４が損傷してしまうことがなく、個別電極４４にマスクをする必要もない。
【００４５】
次に、キャビティプレート２１、保護層４１、共通電極４３、圧電層４２及び個別電極４４の積層体を高温（例えば、８５０℃程度）で加熱処理する（Ｓ１０７、加熱処理工程）。この加熱処理により、圧電層４２に圧電特性を持たせるためのアニールが行われるとともに、共通電極４３及び個別電極４４が焼成される。
【００４６】
ここで、上記加熱処理が行われると、ステンレスなどの金属材料からなるキャビティプレート２１からその構成分子が拡散する。そして、キャビティプレート２１の構成分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分に拡散してしまうと、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下し、圧電アクチュエータ３２を駆動したときの圧電層４２の変形量が低下してしまう。その結果、ノズル１５からのインクの吐出特性が低下してしまう。
【００４７】
しかしながら、本実施の形態では、上記加熱処理が行われる前に、キャビティプレート２１に圧力室１０が形成されているため（加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行っているため）、キャビティプレート２１の構成分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分には拡散しにくい。これにより、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００４８】
また、本実施の形態とは逆に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、個別電極４４を形成する前に上記加熱処理を行い、その後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成することも可能であるが、この場合には、上記加熱処理によって、圧電層４２のアニール及び共通電極４３の焼成のみが行われるだけであるため、その後に形成した個別電極４４を焼成するために、上述したのとは別の加熱処理が必要となる。
【００４９】
これに対して、本実施の形態では、個別電極４４を形成した後、上記加熱処理を行っている（電極形成工程よりも後に加熱処理工程が行われる）ので、上述したように、圧電層４２のアニールと、共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを同時に行うことができ、インクジェットヘッド３の製造工程を簡略化することができる。
【００５０】
この後、キャビティプレート２１と、流路ユニット３１を構成する他の３枚のプレート２２〜２４とを接合して（Ｓ１０８）、インクジェットヘッド３が完成する。
【００５１】
以上に説明した実施の形態によると、圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１の上面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に凹部５１と対向する部分が湾曲面５１ａに倣って湾曲した保護層４１及び圧電層４２を形成し、その後、キャビティプレート２１の凹部が形成された部分を除去して圧力室１０を形成することにより、貫通孔１０側に凸となるように湾曲した保護層４１及び圧電層４２を容易に形成することができる。また、中央部ほど深さが深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１は、キャビティプレート２１にハーフエッチングなどによって容易に形成することができる。
【００５２】
また、圧力室１０が形成されたキャビティプレート２１と、下面に共通電極４３が形成された圧電層４２との間に保護層４１が配置されているため、圧電層４２及び共通電極４３が圧力室１０に露出することがなく、圧力室１０のインク、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成する際のエッチング液などによって圧電層４２及び共通電極４３が損傷してしまうことがない。
【００５３】
また、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２のアニール及び共通電極４３及び個別電極４４の焼成のための加熱処理を行っているため、加熱処理の際に、キャビティプレート２１の構成分子が、圧電層４２の圧力室１０と対向する部分に拡散しにくい。これにより、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００５４】
また、ＡＤ法により緻密な構造の保護層４１を高速に成膜することができる。そして、保護層４１が緻密な構造を有しているので、上述した加熱処理の際の、キャビティプレート２１の構成分子の拡散が保護層４１で止まり、圧電層４２には拡散しにくい。したがって、圧電層４２の圧力室１０と対向する部分の圧電特性が低下してしまうのをより効果的に抑制することができる。
【００５５】
また、個別電極４４を形成した後、加熱処理を行っているので、圧電層４２のアニールと、共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを同時に行うことができる。
【００５６】
次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施の形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００５７】
一変形例では、図９に示すように、振動層４１（図５参照）が設けられておらず、圧力室１０に共通電極４３（下面に共通電極４３が形成された圧電層４２）が露出している（変形例１）。
【００５８】
この場合には、インクジェットヘッド（圧電アクチュエータ）を製造するために、図１０（ａ）に示すように、キャビティプレート２１の上面に凹部５１を形成した後、図１０（ｂ）に示すように、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に直接共通電極４３を形成する。その後、図１０（ｃ）〜（ｅ）に示すように、実施の形態で説明したのと同様、圧電層４２の形成、圧力室１０の形成及び個別電極４４の形成を行い、さらに、キャビティプレート２１、共通電極４３、圧電層４２及び個別電極４４の積層体を加熱処理して、圧電層４２のアニール、並びに、共通電極４３及び個別電極４４の焼成を行う。
【００５９】
ただし、この場合には、圧力室１０に共通電極４３が露出しているため、図１０（ｄ）に示すように、エッチングによってキャビティプレート２１に圧力室１０を形成するときに、キャビティプレート２１とともに、共通電極４３の圧力室１０と対向する部分を除去してしまわないようにするため、エッチングの時間などを調整する必要がある。
【００６０】
また、別の一変形例では、図１１に示すように、圧電層４２の上面にさらに圧電層７１、７２が配置されているととともに、圧電層７１と圧電層７２との間には、そのほぼ全域に共通電極４３と同様の共通電極７３が配置されており、圧電層７２の上面には、圧力室１０と対向する部分に、個別電極４４と同様の個別電極７４が配置されている（変形例２）。
【００６１】
この場合には、インクジェットヘッドを製造する際に、本実施の形態と同様、図８（ａ）〜（ｄ）に示すようにして、キャビティプレート２１の上面に、保護層４１、共通電極４２及び圧電層４２を形成した後、その上面に、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、個別電極４４、圧電層７１、共通電極７３及び圧電層７２を順に形成する。なお、圧電層７１、７２は、圧電層４２と同様、ＡＤ法により形成し、共通電極７３は、共通電極４３と同様、スパッタ法等によって形成する。
【００６２】
次に、図１２（ｅ）に示すように、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成し、次に、図１２（ｆ）に示すように、圧電層７２の上面にスパッタ法等により個別電極７４を形成する。そして、その後、キャビティプレート２１、保護層４１、圧電層４２、７１、７２、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の積層体を高温（例えば、８５０℃程度）で加熱処理することによって、圧電層４２、７１、７２のアニールと、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の焼成とを行う。
【００６３】
この場合でも、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４を全て形成した後、加熱処理を行っている（電極形成工程よりも後に加熱処理工程が行われる）ので、圧電層４２、７１、７２のアニールと、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の焼成とを同時に行うことができる。なお、この場合には、圧電層４２、７１、７２を形成する工程が、それぞれ、本発明に係る圧電層形成工程に相当し、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４を形成する工程が、それぞれ、本発明に係る電極形成工程に相当する。
【００６４】
また、本実施の形態では、圧電層４２をＡＤ法によって成膜したが、圧電層４２を他の方法によって成膜することも可能である。具体的には、ＡＤ法のほか、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、水熱合成法によって圧電層４２を形成することも可能である。さらには、圧電材料とガラスなどの焼結助剤とからなる原料粉末、有機バインダー及び可塑剤を溶剤と混合することによって作られる液状のスラリーを共通電極４３が形成された振動層４１の上面に塗布することによって圧電層４２を形成してもよい。
【００６５】
また、本実施の形態では、振動層４１をＡＤ法によって成膜したが、保護層４１を他の方法によって成膜することも可能である。具体的には、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、水熱合成法などの方法により保護層４１を成膜することができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成していたが、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成した後に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成してもよい。この場合には、エッチング液が個別電極４４に付着して個別電極４４が損傷してしまうのを防止するため、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、個別電極４４にマスクをすればよい。
【００６７】
また、本実施の形態では、個別電極４４を形成した後、圧電層４２のアニールと個別電極４４及び共通電極４３の焼成のために加熱処理を行っていたが、これには限られない。例えば、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、個別電極４４を形成する前に、圧電層４２のアニール及び共通電極４３の焼成のための加熱処理を行い、その後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成し、形成した個別電極４４を焼成するために、上述したのとは別に加熱処理を行ってもよい。
【００６８】
また、キャビティプレートはステンレスなどの金属材料であることには限られず、キャビティプレートが、シリコンからなるものであってもよい。シリコンの分子が圧電層４２に拡散した場合にも、圧電層４２の圧電特性が低下するが、この場合でも、加熱処理の前に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成しているため、実施の形態と同様、シリコンの分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分には拡散しにくい。また、キャビティプレートとなる基材がシリコンからなる場合にも、ハーフエッチングにより中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を有する凹部を容易に形成することができるとともに、エッチングにより基材に圧力室を容易に形成することができる。
【００６９】
また、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３２において、圧電層４２の下面に共通電極４３が配置されているとともに、圧電層４２の上面に複数の個別電極４４が配置されていたが、圧電アクチュエータは、圧電層４２の上面あるいは下面にのみ電極が配置されたものであってもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成したが、レーザ加工など、他の方法によって圧力室１０を形成してもよい。
【００７１】
また、以上では、圧力室内のノズルからインクを吐出するインクジェットヘッド及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用したが、これには限られない。例えば、ノズルからインク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッド及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能であり、圧力室内の液体に圧力を付与することによって圧力室を含む液体移送流路内の液体を移送する液体移送装置及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能である。
【００７２】
さらには、所定の駆動対象を駆動させるための圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能である。この場合には、圧電層あるいは保護層の下面における、基材に形成された貫通孔に露出した部分に駆動対象を取り付ければよい。
【００７３】
なお、以上説明した本発明の実施形態及び変形例は、キャビティプレート２１の上面における圧力室１０となる部分と対向する部分に、中央に向かうほどその深さが深くなるように湾曲した湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、振動層４１と圧電層４２がこの湾曲面５１ａに倣った湾曲形状となるようにしていたが、この凹部５１の替わりに、圧力室１０となる部分と対向する部分に、中央に向かうほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、振動層４１と圧電層４２がこの湾曲面に倣った湾曲形状（圧力室１０と反対側に凸となる湾曲形状）となるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明における実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドの平面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】インクジェットヘッドの駆動方法を示す図である。
【図７】インクジェットヘッドの製造工程を示すフローチャートである。
【図８】製造の各工程におけるインクジェットヘッドの状態を示す図である。
【図９】変形例１の図５相当の図である。
【図１０】変形例１の図７相当の図である。
【図１１】変形例２の図５相当の図である。
【図１２】変形例２におけるインクジェットヘッドの製造の各工程におけるインクジェットヘッドの状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
３ インクジェットヘッド
１０ 圧力室
２１ キャビティプレート
３２ 圧電アクチュエータ
４１ 保護層
４２ 圧電層
５１ 凹部
５１ａ 湾曲面
７１ 圧電層
７２ 圧電層
７３ 共通電極
７４ 個別電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層を有する圧電アクチュエータの製造方法、及び、圧電層を有する液体移送装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１に記載のインクジェットヘッドにおいては、インクチャンバー（圧力室）を覆うように圧電素子が配置されており、圧電素子は圧力室に対向する部分において、圧力室と反対側に向かって湾曲している。また、このように圧力室と対向する部分が湾曲した圧電素子を、圧電材料の薄層を研磨することによって、あるいは、上記湾曲と同様の曲面を有する成形型を用いて射出成形を行うことによって作製している。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−５１２８４４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
また、特許文献１に記載されているような圧電材料の研磨及び射出成形によれば、特許文献１に記載されているのとは反対に、圧力室と対向する部分が圧力室に向かって湾曲した圧電素子を作製することも可能である。しかしながら、特許文献１に記載されているように、圧電素子を圧電材料の薄層を研磨することによって作製する場合には、湾曲した部分を精度よく研磨することが困難であり、射出成形によって作製する場合には、成形型から圧電素子を取り出す際に、圧電素子に反りが発生してしまう虞などがある。すなわち、いずれの場合にも、圧電素子の作製は困難なものとなる。
【０００５】
本発明の目的は、一部分が湾曲した圧電層を容易に作製することが可能な圧電アクチュエータの製造方法及び液体移送装置の製造方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、前記湾曲面が形成された前記基材の前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記基材の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記基材の前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えている（請求項１）。
【０００７】
これによると、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、湾曲面が形成された基材の一表面側に湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成することにより、貫通孔側に凸又は凹となるように湾曲した圧電層を容易に形成することができる。
【０００８】
なお、本発明における、「湾曲面に倣って湾曲した」ということには、「湾曲面に沿って湾曲した」ことのほか、「基材の一表面に湾曲面に沿って形成された別の層が形成されており、この別の層の表面に沿って湾曲した」ことも含まれている。
【０００９】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記圧電層形成工程の前に、前記基材の前記一表面に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した前記圧電層を保護するための保護層を形成する保護層形成工程をさらに備え、前記圧電層形成工程において、前記保護層の前記基材と反対側の面に前記圧電層を形成することが好ましい（請求項２）。
【００１０】
圧電層が貫通孔に露出していると、例えば、貫通孔が液体流路を構成する圧力室であり、圧電層と液体とが接触してしまう場合などに圧電層が損傷してしまう虞がある。しかしながら、本発明では、貫通孔と圧電層との間に保護層が設けられているので、圧電層が貫通孔に露出することがなく、このような圧電層の損傷を防止することができる。
【００１１】
このとき、前記保護層形成工程において、前記保護層はエアロゾルデポジション法によって形成されることが好ましい（請求項３）。
【００１２】
これによると、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により、緻密な構造を有する保護層を高速に形成することができる。
【００１３】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記基材が、金属又はシリコンからなるものであり、前記圧電層を加熱処理する加熱処理工程をさらに備えており、前記加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行うことが好ましい（請求項４）。
【００１４】
基材が金属又はシリコンからなるとともに、圧電層を加熱処理する工程を有している場合、加熱処理の際に、基材の構成分子が圧電層に拡散して、圧電層の圧電特性が低下してしまう虞がある。しかしながら、本発明では、加熱処理を行う前に基材に貫通孔を形成しているため、圧電層の圧力室と対向する部分に基材の構成分子が拡散しにくくなる。これにより、圧電層の駆動に用いられる部分における圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００１５】
このとき、前記圧電層形成工程において、前記圧電層はエアロゾルデポジション法によって形成されることが好ましい（請求項５）。
【００１６】
エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって圧電層を形成する場合には、加熱処理工程として、圧電層を高温で加熱して圧電層に圧電特性を持たせるアニールを行う必要がある。しかしながら、このような場合でも、本発明では、加熱処理工程の前に貫通孔形成工程を行っているので、アニールを行う際の加熱によって、基材の構成分子が圧電層の貫通孔と対向する部分に拡散してしまうのを抑制することができる。
【００１７】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記電極形成工程よりも後に、前記加熱処理工程を行うことが好ましい（請求項６）。
【００１８】
スパッタ法等により電極を形成した場合には、形成した電極を焼成する必要がある。しかしながら、本発明では、加熱処理工程を電極形成工程よりも後に行うことにより、圧電層の加熱処理と同時に電極の焼成を行うことができる。
【００１９】
また、本発明の圧電アクチュエータの製造方法においては、前記凹部又は凸部形成工程は、前記凹部を形成するものであることが好ましい。（請求項７）。これによれば、凸部を形成する場合と比べてハーフエッチングなどによって容易に形成することができる。
【００２０】
本発明の液体移送装置の製造方法は、圧力室が形成される圧力室プレートの一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、前記湾曲面が形成された前記圧力室プレートの前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記圧力室プレートの前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記圧力室プレートの前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えている（請求項８）。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、湾曲面が形成された基材の一表面側に湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成することにより、貫通孔側に凸又は凹となるように湾曲した圧電層を容易に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。
【００２３】
図１は、本発明における実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。図１に示すように、プリンタ１は、キャリッジ２、インクジェットヘッド３、搬送ローラ４などを備えている。キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に往復移動する。インクジェットヘッド３は、キャリッジ２の下面に取り付けられており、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動しつつ、その下面に形成された複数のノズル１５（図２参照）からインクを吐出する。搬送ローラ４は記録用紙Ｐを紙送り方向（図１の手前方向）に搬送する。そして、プリンタ１においては、キャリッジ２とともに走査方向に往復移動するインクジェットヘッド３から搬送ローラ４によって紙送り方向に搬送される記録用紙Ｐにインクを吐出することによって記録用紙Ｐに印刷を行う。
【００２４】
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２は図１のインクジェットヘッド３の平面図である。図３は図２の部分拡大図である。図４は図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図５は図３のＶ−Ｖ線断面図である。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド３は、圧力室１０を含むインク流路が形成された流路ユニット３１と、圧力室１０内のインクに圧力を付与するための圧電アクチュエータ３２とを備えている。
【００２５】
流路ユニット３１は、キャビティプレート２１（圧力室プレート、基材）、ベースプレート２２、マニホールドプレート２３及びノズルプレート２４の４枚のプレートが互いに積層されることによって構成されている。これら４枚のプレート２１〜２４のうち、ノズルプレート２４を除く３枚のプレート２１〜２３は、ステンレスなどの金属材料からなり、ノズルプレート２４は、ポリイミドなどの合成樹脂からなる。あるいは、ノズルプレート２４も他の３枚のプレート２１〜２３と同様、金属材料により構成されていてもよい。
【００２６】
キャビティプレート２１には、複数の圧力室１０（貫通孔）が形成されている。複数の圧力室１０は、走査方向（図２の左右方向）を長手方向とする略楕円の平面形状を有しており、キャビティプレート２１をその厚み方向に貫通している。また、複数の圧力室１０は、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。ベースプレート２２には、平面視で圧力室１０の長手方向に関する両端部と重なる位置に、それぞれ、略円形の貫通孔１２、１３が形成されている。
【００２７】
マニホールドプレート２３には、圧力室１０の列に沿って紙送り方向に２列に延びているとともに、図２における下端部においてこれら紙送り方向に延びた部分同士を接続するように走査方向に延びたマニホールド流路１１が形成されている。マニホールド流路１１は、上記紙送り方向に延びた部分において、平面視で図２の右側に配列された複数の圧力室１０の略右半分、及び、図２の左側に配列された複数の圧力室１０の略左半分と重なるように配置されている。ここで、マニホールド流路１１には、その走査方向に延びた部分の略中央部と対向する位置に配置されたインク供給口９からインクが供給される。また、マニホールドプレート２３には、平面視で貫通孔１３と重なる部分に略円形の貫通孔１４が形成されている。ノズルプレート２４には、平面視で貫通孔１４と重なる部分に、ノズル１５が形成されている。
【００２８】
そして、マニホールド流路１１が貫通孔１２を介して圧力室１０と連通しており、圧力室１０が貫通孔１３、１４を介してノズル１５に連通している。このように、流路ユニット３１には、マニホールド流路１１の出口から圧力室１０を経てノズル１５に至る複数の個別インク流路が形成されている。
【００２９】
圧電アクチュエータ３２は、保護層４１、圧電層（圧電材料を含む層）４２、共通電極４３及び複数の個別電極４４を備えている。保護層４１はアルミナ、ジルコニアなどのセラミックス材料からなり、複数の圧力室１０を覆うように、キャビティプレート２１の上面に配置されている。また、保護層４１は、圧力室１０と対向する部分において、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。そして、保護層４１が設けられていることにより、後述する共通電極４３及び圧電層４２が圧力室１０に露出せず、圧力室１０内のインクが共通電極４３及び圧電層４２に接触してしまうことがない。したがって、共通電極４３あるいは圧電層４２を構成する材料と反応してしまうような材料からなるインクであっても、インクジェットヘッド３において使用することができる。
【００３０】
圧電層４２は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との混晶であるチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とする圧電材料を含む層であり、保護層４１の上面に複数の圧力室１０にまたがって連続的に配置されている。これにより、圧電層４２も、保護層４１と同様、圧力室１０と対向する部分において、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。また、圧電層４２は、予めその厚み方向に分極されている。
【００３１】
共通電極４３は、白金、パラジウム、金、銀などの導電材料からなり、保護層４１と圧電層４２との間のほぼ全域にわたって配置されている。共通電極４３は、図示しないフレキシブル配線基板（ＦＰＣ）を介して図示しないドライバＩＣに接続されており、ドライバＩＣにより常にグランド電位に保持されている。
【００３２】
複数の個別電極４４は、共通電極４３と同様の導電材料からなり、圧電層４２の上面に複数の圧力室１０に対応して配置されている。個別電極４４は、圧力室１０とほぼ同じ大きさの略楕円の平面形状を有しており、平面視で、圧力室１０の略中央部と対向する部分に配置されている。また、個別電極４４の長手方向に関するノズル１５と反対側の端は、走査方向に圧力室１０と対向しない部分まで延びており、その先端部が、図示しないＦＰＣに接続される接続端子４４ａとなっている。そして、複数の個別電極４４には、図示しないドライバＩＣにより、ＦＰＣを介して選択的に駆動電位（例えば、２０Ｖ）が付与される。
【００３３】
ここで、圧電アクチュエータ３２の駆動方法について説明する。図６は圧電アクチュエータ３２の駆動方法を示す図である。圧電アクチュエータ３２においては、図６（ａ）に示すように、共通電極４３がグランド電位及び複数の個別電極４４がともにグランド電位に保持されている。この状態では、圧電層４２及び振動層４１の圧力室１０と対向する部分は、前述したように、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲している。
【００３４】
そして、圧電アクチュエータ３２を駆動する際には、図６（ｂ）に示すように、複数の個別電極４４のいずれかに駆動電位（例えば、２０Ｖ）を付与する。すると、圧電層４２の駆動電位が付与された個別電極４４とグランド電位に保持された共通電極４３との間に電位差が生じ、圧電層４２のこれらの電極に挟まれた部分には厚み方向の電界が発生する。
【００３５】
この電界の方向は、圧電層４２の分極方向と一致しているので、圧電層４２のこの部分は、この電界の方向と直交する水平方向に収縮する。これにより、圧力室１０側に向かって凸となるように湾曲していた、圧電層４２及び保護層４１の圧力室１０と対向する部分が上方に持ち上げられて、水平方向に延びた状態、あるいは、駆動電位が付与される前よりも小さく湾曲した状態となる。これにより、圧力室１０の容積が増加して圧力室１０内のインクの圧力が低下し、マニホールド流路１１から圧力室１０にインクが流れ込む。
【００３６】
そして、所定時間経過後、駆動電位を付与していた個別電極４４の電位をグランド電位に戻す。すると、圧電層４２の個別電極４４と共通電極４３とに挟まれた部分の電界がなくなり、図６（ａ）に示すように、圧電層４２及び保護層４１の圧力室１０と対向する部分が、圧力室１０に向かって凸となるように湾曲した状態に戻る。これにより、圧力室１０の容積が減少し、圧力室１０内のインクの圧力が増加して（圧力室１０内のインクに圧力が付与されて）、圧力室１０に連通するノズル１５からインクが吐出される。
【００３７】
次に、インクジェットヘッド３（圧電アクチュエータ３２）の製造方法について説明する。図７はインクジェットヘッド３の製造工程を示すフローチャートである。図８は製造の各工程におけるインクジェットヘッド３の状態を示す図である。
【００３８】
インクジェットヘッド３（圧電アクチュエータ３２）を製造するためには、まず、図７、図８（ａ）に示すように、ハーフエッチングによって圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１（基材）の上面（一表面）における圧力室１０となる部分と対向する部分に、前述した振動層４１及び圧電層４２の湾曲形状に対応する、中央に向かうほどその深さが深くなるように湾曲した湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成する（ステップＳ１０１、以下単にＳ１０１などとする、凹部形成工程）。すなわち、凹部５１が形成されることによって、キャビティプレート２１の上面に湾曲面５１ａが画定される。ここで、キャビティプレート２１がステンレスなどの金属材料により構成されているため、ハーフエッチングにより、このような湾曲面５１ａを有する凹部５１を容易に形成することができる。
【００３９】
次に、図７、図８（ｂ）に示すように、微粒子を含むエアロゾルを噴き付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に保護層４１を成膜する（Ｓ１０２、保護層形成工程）。これにより、凹部５１と対向する部分が湾曲面５１ａに沿って（倣って）湾曲した保護層４１が成膜される。
【００４０】
次に、図７、図８（ｃ）に示すように、保護層４１の上面にスパッタ法などにより、共通電極４３を形成し（Ｓ１０３）、続いて、図７、図８（ｄ）に示すように、ＡＤ法により、共通電極４３が形成された保護層４１の上面（キャビティプレート２１の一表面側）に圧電層４２を成膜する（Ｓ１０４、圧電層形成工程）。これにより、圧力室１０と対向する部分が、湾曲面５１ａと同様に湾曲した保護層４１の上面に沿って（湾曲面５１ａに倣って）湾曲した圧電層４３が成膜される。
【００４１】
次に、図７、図８（ｅ）に示すように、エッチングによりキャビティプレート２１の凹部５１が形成された部分を除去して、キャビティプレート２１に、キャビティプレート２１をその厚み方向に貫通しており、キャビティプレート２１の下方から保護層４１（下面に保護層４１及び共通電極４３が形成された圧電層４２）を臨むことのできる圧力室１０（貫通孔）を形成する（Ｓ１０５、貫通孔形成工程、圧力室形成工程）。ここで、キャビティプレート２１がステンレスなどの金属材料からなるため、エッチングにより圧力室１０を容易に形成することができる。また、このとき、キャビティプレート２１と圧電層４２との間に保護層４１が配置されているので、エッチング液によって共通電極４３が損傷してしまうことがない。
【００４２】
次に、図７、図８（ｆ）に示すように、スパッタ法等により、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成する（Ｓ１０６）。なお、上述したＳ１０３の共通電極４３を形成する工程と、Ｓ１０６の個別電極４４を形成する工程とを合わせたものが、本発明に係る電極形成工程に相当する。
【００４３】
ここで、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成することも可能であるが、この場合には、その後のキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する工程において、エッチング液が個別電極４４に接触して、個別電極４４が損傷してしまう虞がある。また、これを防止するためには、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、個別電極４４にマスクをするなどの余分な工程が必要となってしまう。
【００４４】
これに対して、本実施の形態においては、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成しているため、エッチング液によって個別電極４４が損傷してしまうことがなく、個別電極４４にマスクをする必要もない。
【００４５】
次に、キャビティプレート２１、保護層４１、共通電極４３、圧電層４２及び個別電極４４の積層体を高温（例えば、８５０℃程度）で加熱処理する（Ｓ１０７、加熱処理工程）。この加熱処理により、圧電層４２に圧電特性を持たせるためのアニールが行われるとともに、共通電極４３及び個別電極４４が焼成される。
【００４６】
ここで、上記加熱処理が行われると、ステンレスなどの金属材料からなるキャビティプレート２１からその構成分子が拡散する。そして、キャビティプレート２１の構成分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分に拡散してしまうと、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下し、圧電アクチュエータ３２を駆動したときの圧電層４２の変形量が低下してしまう。その結果、ノズル１５からのインクの吐出特性が低下してしまう。
【００４７】
しかしながら、本実施の形態では、上記加熱処理が行われる前に、キャビティプレート２１に圧力室１０が形成されているため（加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行っているため）、キャビティプレート２１の構成分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分には拡散しにくい。これにより、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００４８】
また、本実施の形態とは逆に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、個別電極４４を形成する前に上記加熱処理を行い、その後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成することも可能であるが、この場合には、上記加熱処理によって、圧電層４２のアニール及び共通電極４３の焼成のみが行われるだけであるため、その後に形成した個別電極４４を焼成するために、上述したのとは別の加熱処理が必要となる。
【００４９】
これに対して、本実施の形態では、個別電極４４を形成した後、上記加熱処理を行っている（電極形成工程よりも後に加熱処理工程が行われる）ので、上述したように、圧電層４２のアニールと、共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを同時に行うことができ、インクジェットヘッド３の製造工程を簡略化することができる。
【００５０】
この後、キャビティプレート２１と、流路ユニット３１を構成する他の３枚のプレート２２〜２４とを接合して（Ｓ１０８）、インクジェットヘッド３が完成する。
【００５１】
以上に説明した実施の形態によると、圧力室１０が形成される前のキャビティプレート２１の上面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に凹部５１と対向する部分が湾曲面５１ａに倣って湾曲した保護層４１及び圧電層４２を形成し、その後、キャビティプレート２１の凹部が形成された部分を除去して圧力室１０を形成することにより、貫通孔１０側に凸となるように湾曲した保護層４１及び圧電層４２を容易に形成することができる。また、中央部ほど深さが深くなる湾曲面５１ａを有する凹部５１は、キャビティプレート２１にハーフエッチングなどによって容易に形成することができる。
【００５２】
また、圧力室１０が形成されたキャビティプレート２１と、下面に共通電極４３が形成された圧電層４２との間に保護層４１が配置されているため、圧電層４２及び共通電極４３が圧力室１０に露出することがなく、圧力室１０のインク、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成する際のエッチング液などによって圧電層４２及び共通電極４３が損傷してしまうことがない。
【００５３】
また、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２のアニール及び共通電極４３及び個別電極４４の焼成のための加熱処理を行っているため、加熱処理の際に、キャビティプレート２１の構成分子が、圧電層４２の圧力室１０と対向する部分に拡散しにくい。これにより、圧電層４２のこの部分の圧電特性が低下してしまうのを抑制することができる。
【００５４】
また、ＡＤ法により緻密な構造の保護層４１を高速に成膜することができる。そして、保護層４１が緻密な構造を有しているので、上述した加熱処理の際の、キャビティプレート２１の構成分子の拡散が保護層４１で止まり、圧電層４２には拡散しにくい。したがって、圧電層４２の圧力室１０と対向する部分の圧電特性が低下してしまうのをより効果的に抑制することができる。
【００５５】
また、個別電極４４を形成した後、加熱処理を行っているので、圧電層４２のアニールと、共通電極４３及び個別電極４４の焼成とを同時に行うことができる。
【００５６】
次に、本実施の形態に種々の変更を加えた変形例について説明する。ただし、本実施の形態と同様の構成を有するものについては同じ符号を付し、適宜その説明を省略する。
【００５７】
一変形例では、図９に示すように、振動層４１（図５参照）が設けられておらず、圧力室１０に共通電極４３（下面に共通電極４３が形成された圧電層４２）が露出している（変形例１）。
【００５８】
この場合には、インクジェットヘッド（圧電アクチュエータ）を製造するために、図１０（ａ）に示すように、キャビティプレート２１の上面に凹部５１を形成した後、図１０（ｂ）に示すように、凹部５１が形成されたキャビティプレート２１の上面に直接共通電極４３を形成する。その後、図１０（ｃ）〜（ｅ）に示すように、実施の形態で説明したのと同様、圧電層４２の形成、圧力室１０の形成及び個別電極４４の形成を行い、さらに、キャビティプレート２１、共通電極４３、圧電層４２及び個別電極４４の積層体を加熱処理して、圧電層４２のアニール、並びに、共通電極４３及び個別電極４４の焼成を行う。
【００５９】
ただし、この場合には、圧力室１０に共通電極４３が露出しているため、図１０（ｄ）に示すように、エッチングによってキャビティプレート２１に圧力室１０を形成するときに、キャビティプレート２１とともに、共通電極４３の圧力室１０と対向する部分を除去してしまわないようにするため、エッチングの時間などを調整する必要がある。
【００６０】
また、別の一変形例では、図１１に示すように、圧電層４２の上面にさらに圧電層７１、７２が配置されているととともに、圧電層７１と圧電層７２との間には、そのほぼ全域に共通電極４３と同様の共通電極７３が配置されており、圧電層７２の上面には、圧力室１０と対向する部分に、個別電極４４と同様の個別電極７４が配置されている（変形例２）。
【００６１】
この場合には、インクジェットヘッドを製造する際に、本実施の形態と同様、図８（ａ）〜（ｄ）に示すようにして、キャビティプレート２１の上面に、保護層４１、共通電極４２及び圧電層４２を形成した後、その上面に、図１２（ａ）〜（ｄ）に示すように、個別電極４４、圧電層７１、共通電極７３及び圧電層７２を順に形成する。なお、圧電層７１、７２は、圧電層４２と同様、ＡＤ法により形成し、共通電極７３は、共通電極４３と同様、スパッタ法等によって形成する。
【００６２】
次に、図１２（ｅ）に示すように、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成し、次に、図１２（ｆ）に示すように、圧電層７２の上面にスパッタ法等により個別電極７４を形成する。そして、その後、キャビティプレート２１、保護層４１、圧電層４２、７１、７２、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の積層体を高温（例えば、８５０℃程度）で加熱処理することによって、圧電層４２、７１、７２のアニールと、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の焼成とを行う。
【００６３】
この場合でも、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４を全て形成した後、加熱処理を行っている（電極形成工程よりも後に加熱処理工程が行われる）ので、圧電層４２、７１、７２のアニールと、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４の焼成とを同時に行うことができる。なお、この場合には、圧電層４２、７１、７２を形成する工程が、それぞれ、本発明に係る圧電層形成工程に相当し、共通電極４３、７３及び個別電極４４、７４を形成する工程が、それぞれ、本発明に係る電極形成工程に相当する。
【００６４】
また、本実施の形態では、圧電層４２をＡＤ法によって成膜したが、圧電層４２を他の方法によって成膜することも可能である。具体的には、ＡＤ法のほか、例えば、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、水熱合成法によって圧電層４２を形成することも可能である。さらには、圧電材料とガラスなどの焼結助剤とからなる原料粉末、有機バインダー及び可塑剤を溶剤と混合することによって作られる液状のスラリーを共通電極４３が形成された振動層４１の上面に塗布することによって圧電層４２を形成してもよい。
【００６５】
また、本実施の形態では、振動層４１をＡＤ法によって成膜したが、保護層４１を他の方法によって成膜することも可能である。具体的には、ゾルゲル法、スパッタ法、ＣＶＤ法（化学気相成長法）、水熱合成法などの方法により保護層４１を成膜することができる。
【００６６】
また、本実施の形態では、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成していたが、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成した後に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成してもよい。この場合には、エッチング液が個別電極４４に付着して個別電極４４が損傷してしまうのを防止するため、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成する前に、個別電極４４にマスクをすればよい。
【００６７】
また、本実施の形態では、個別電極４４を形成した後、圧電層４２のアニールと個別電極４４及び共通電極４３の焼成のために加熱処理を行っていたが、これには限られない。例えば、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成した後、個別電極４４を形成する前に、圧電層４２のアニール及び共通電極４３の焼成のための加熱処理を行い、その後、圧電層４２の上面に個別電極４４を形成し、形成した個別電極４４を焼成するために、上述したのとは別に加熱処理を行ってもよい。
【００６８】
また、キャビティプレートはステンレスなどの金属材料であることには限られず、キャビティプレートが、シリコンからなるものであってもよい。シリコンの分子が圧電層４２に拡散した場合にも、圧電層４２の圧電特性が低下するが、この場合でも、加熱処理の前に、キャビティプレート２１に圧力室１０を形成しているため、実施の形態と同様、シリコンの分子が圧電層４２の圧力室１０と対向する部分には拡散しにくい。また、キャビティプレートとなる基材がシリコンからなる場合にも、ハーフエッチングにより中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を有する凹部を容易に形成することができるとともに、エッチングにより基材に圧力室を容易に形成することができる。
【００６９】
また、本実施の形態では、圧電アクチュエータ３２において、圧電層４２の下面に共通電極４３が配置されているとともに、圧電層４２の上面に複数の個別電極４４が配置されていたが、圧電アクチュエータは、圧電層４２の上面あるいは下面にのみ電極が配置されたものであってもよい。
【００７０】
また、本実施の形態では、エッチングによりキャビティプレート２１に圧力室１０を形成したが、レーザ加工など、他の方法によって圧力室１０を形成してもよい。
【００７１】
また、以上では、圧力室内のノズルからインクを吐出するインクジェットヘッド及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用したが、これには限られない。例えば、ノズルからインク以外の液体を吐出する液体吐出ヘッド及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能であり、圧力室内の液体に圧力を付与することによって圧力室を含む液体移送流路内の液体を移送する液体移送装置及びこれに用いられる圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能である。
【００７２】
さらには、所定の駆動対象を駆動させるための圧電アクチュエータの製造に本発明を適用することも可能である。この場合には、圧電層あるいは保護層の下面における、基材に形成された貫通孔に露出した部分に駆動対象を取り付ければよい。
【００７３】
なお、以上説明した本発明の実施形態及び変形例は、キャビティプレート２１の上面における圧力室１０となる部分と対向する部分に、中央に向かうほどその深さが深くなるように湾曲した湾曲面５１ａを有する凹部５１を形成し、振動層４１と圧電層４２がこの湾曲面５１ａに倣った湾曲形状となるようにしていたが、この凹部５１の替わりに、圧力室１０となる部分と対向する部分に、中央に向かうほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成し、振動層４１と圧電層４２がこの湾曲面に倣った湾曲形状（圧力室１０と反対側に凸となる湾曲形状）となるようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００７４】
【図１】本発明における実施の形態に係るプリンタの概略構成図である。
【図２】図１のインクジェットヘッドの平面図である。
【図３】図２の部分拡大図である。
【図４】図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図４のＶ−Ｖ線断面図である。
【図６】インクジェットヘッドの駆動方法を示す図である。
【図７】インクジェットヘッドの製造工程を示すフローチャートである。
【図８】製造の各工程におけるインクジェットヘッドの状態を示す図である。
【図９】変形例１の図５相当の図である。
【図１０】変形例１の図７相当の図である。
【図１１】変形例２の図５相当の図である。
【図１２】変形例２におけるインクジェットヘッドの製造の各工程におけるインクジェットヘッドの状態を示す図である。
【符号の説明】
【００７５】
３ インクジェットヘッド
１０ 圧力室
２１ キャビティプレート
３２ 圧電アクチュエータ
４１ 保護層
４２ 圧電層
５１ 凹部
５１ａ 湾曲面
７１ 圧電層
７２ 圧電層
７３ 共通電極
７４ 個別電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、
前記湾曲面が形成された前記基材の前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記基材の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記基材の前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程と
を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記圧電層形成工程の前に、前記基材の前記一表面に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した前記圧電層を保護するための保護層を形成する保護層形成工程をさらに備え、
前記圧電層形成工程において、前記保護層の前記基材と反対側の面に前記圧電層を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記保護層形成工程において、前記保護層はエアロゾルデポジション法によって形成されることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記基材が、金属又はシリコンからなるものであり、
前記圧電層を加熱処理する加熱処理工程をさらに備えており、
前記加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記圧電層形成工程において、前記圧電層はエアロゾルデポジション法によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記電極形成工程よりも後に、前記加熱処理工程を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記凹部又は凸部形成工程は、前記凹部を形成するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
圧力室が形成される圧力室プレートの一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、
前記湾曲面が形成された前記圧力室プレートの前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記圧力室プレートの前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記圧力室プレートの前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えていることを特徴とする液体移送装置の製造方法。
【請求項１】
基材の一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、
前記湾曲面が形成された前記基材の前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記基材の前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記基材の前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程と
を備えていることを特徴とする圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項２】
前記圧電層形成工程の前に、前記基材の前記一表面に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した前記圧電層を保護するための保護層を形成する保護層形成工程をさらに備え、
前記圧電層形成工程において、前記保護層の前記基材と反対側の面に前記圧電層を形成することを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項３】
前記保護層形成工程において、前記保護層はエアロゾルデポジション法によって形成されることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記基材が、金属又はシリコンからなるものであり、
前記圧電層を加熱処理する加熱処理工程をさらに備えており、
前記加熱処理工程を貫通孔形成工程よりも後に行うことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記圧電層形成工程において、前記圧電層はエアロゾルデポジション法によって形成されることを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記電極形成工程よりも後に、前記加熱処理工程を行うことを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記凹部又は凸部形成工程は、前記凹部を形成するものであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
圧力室が形成される圧力室プレートの一表面に、中央に向かうほど深さが深くなる湾曲面を画定する凹部、又は中央に向うほど高さが高くなる湾曲面を画定する凸部を形成する凹部又は凸部形成工程と、
前記湾曲面が形成された前記圧力室プレートの前記一表面側に、前記湾曲面と対向する部分がその湾曲面に倣って湾曲した圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層形成工程の後に行われる工程であって、前記圧力室プレートの前記凹部又は前記凸部が形成された部分を除去することで、前記圧力室プレートの前記圧電層と反対側から前記圧電層を臨むことのできる圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記圧電層の表面に電極を形成する電極形成工程とを備えていることを特徴とする液体移送装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００９−１７８９８２（Ｐ２００９−１７８９８２Ａ）
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２１２８３（Ｐ２００８−２１２８３）
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月１３日（２００９．８．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１月３１日（２００８．１．３１）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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