圧電アクチュエータの製造方法
【課題】圧電層に作用する圧縮応力を緩和し、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制する。
【解決手段】まず、振動板４０の一表面に、エアロゾルデポジション法により圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。そして、圧電層４１が形成された振動板４０を所定の温度（例えば、９００℃）で加熱する（加熱工程）。その後、加熱された圧電層４１が形成された振動板４０を環境温度まで冷却し（冷却工程）、圧電層４１の表面に複数の個別電極４２をそれぞれ形成する（電極形成工程）。続いて、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層形成工程で用いた粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同様のエアロゾルを噴きつけて絶縁層６０を形成する（噴きつけ工程）。
【解決手段】まず、振動板４０の一表面に、エアロゾルデポジション法により圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。そして、圧電層４１が形成された振動板４０を所定の温度（例えば、９００℃）で加熱する（加熱工程）。その後、加熱された圧電層４１が形成された振動板４０を環境温度まで冷却し（冷却工程）、圧電層４１の表面に複数の個別電極４２をそれぞれ形成する（電極形成工程）。続いて、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層形成工程で用いた粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同様のエアロゾルを噴きつけて絶縁層６０を形成する（噴きつけ工程）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層を変形させることにより対象を駆動する圧電アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動板と振動板に形成された圧電層とを有し、電界が作用したときの圧電層の変形（圧電歪）を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが知られている。この圧電アクチュエータの振動板に圧電層を形成する方法としては、振動板に直接圧電層を形成する方法や、あらかじめグリーンシートを焼成して作製された圧電層を振動板に接合する方法などが挙げられるが、それらの方法の中には、圧電層形成中もしくは形成後において振動板と圧電層を加熱する必要がある方法がある。例えば、振動板に直接圧電層を形成する場合で振動板と圧電層の加熱が必要な方法としては、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法が挙げられる。エアロゾルデポジション法により振動板に圧電層を形成した場合には、圧電層の圧電特性を向上させるために、圧電層を所定温度に加熱する（例えば、特許文献１参照）。また、ゾルゲル法により振動板に圧電層を形成した場合には、ゲル中の溶媒を揮発させて除去するために、圧電層を加熱する。なお、圧電層が加熱されると、接合された振動板も当然のごとく加熱される。また、振動板に、グリーンシートの焼成によって得られた圧電層を接合する場合には、振動板と圧電層を熱硬化性樹脂で接着して、振動板と圧電層を加熱しながら熱硬化性樹脂を硬化させて接合する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７３２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧電層はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料からなる一方で、振動板は一般的に金属材料などの圧電材料よりも線膨張係数の大きな材料からなる。すると、上述したように振動板と圧電層を加熱した状態から環境温度まで冷却（強制的に冷却する場合や自然冷却を含む）するときの温度変化によって、圧電層よりも振動板が大きく収縮しようとして、圧電層に面方向に平行な方向の圧縮応力が生じる。圧電層に電界が作用したときの変形（圧電歪）により対象を駆動するため、圧縮応力が残留すると圧電層の変形が拘束されることとなり、変形量が小さくなる。すなわち、圧電層の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電層に作用する圧縮応力を緩和し、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制した圧電アクチュエータ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、振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、前記振動板の前記一表面に、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法により、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記振動板に形成された前記圧電層を前記振動板とともに加熱する加熱工程と、加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、を備えている。
【０００７】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、圧電層の線膨張係数が振動板よりも小さいため、冷却工程後に、圧電層には圧縮応力が生じる。圧電層に圧縮応力が作用すると、圧電層の変形が拘束されることとなり、その結果、圧電層の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。ここで、特許文献１にも記載されているように、エアロゾルデポジション法により基材に粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけると、基材にはエアロゾルが噴きつけられた側が凸となる変形が生じる。この変形により、基材の凸となる側の面には、引っ張り応力が生じ、凹となる側の面には、圧縮応力が生じる。本発明においては、冷却工程後に、圧縮応力が作用する圧電層上に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけるため、振動板の凸となる側に配置されている圧電層には、引っ張り応力が生じる。したがって、冷却工程後に圧電層に作用している圧縮応力を、エアロゾルを噴きつけることによる圧電層と振動板の変形によって圧電層に生じる引っ張り応力で緩和させることができ、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【０００８】
また、別の観点では、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記振動板と前記圧電層を加熱しながら前記振動板の前記一表面に前記圧電層を接合する接合工程と、加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、を備えている。
【０００９】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、同様に、冷却工程後に圧電層に作用している圧縮応力を、エアロゾルを噴きつけることによる圧電層と振動板の変形で圧電層に生じる引っ張り応力で緩和させることができ、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、絶縁材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させて、絶縁層を形成することが好ましい。これによると、圧電層に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において堆積した絶縁層により圧電層を保護して、クラックなどを防止することができる。
【００１１】
このとき、前記圧電層の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記電極を形成する電極形成工程をさらに備えており、前記電極形成の後に、前記噴きつけ工程を行うことが好ましい。これによると、圧電層を保護することに加えて、電極も保護することができる。
【００１２】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させてもよい。これによると、圧電層に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において圧電層に電界を付与するための電極を形成することができる。
【００１３】
このとき、前記圧電層は、前記活性部となる領域を面方向に離散して複数有しており、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の複数の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで複数の前記電極をそれぞれ形成することが好ましい。圧電層の複数の活性部は、複数の活性部の一方の表面に跨って形成された共通電極と、各活性部の他方の表面にそれぞれ形成された個別電極とに挟まれており、これらの電極に電圧が印加されることで、電界を発生させて駆動する。これによると、圧電層の活性部となる領域の表面に個別電極をそれぞれ形成することができる。
【００１４】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記電極を形成してもよい。圧電層の複数の活性部は、複数の活性部の一方の表面に跨って形成された共通電極と、各活性部の他方の表面にそれぞれ形成された個別電極とに挟まれており、これらの電極に電圧が印加されることで、電界が付与されて変形する。これによると、圧電層の振動板と反対側の面全域に共通電極を形成することができる。
【００１５】
また、前記圧電層形成工程において、前記エアロゾルデポジション法により、前記振動板の前記一表面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記圧電層を形成しており、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記圧電層形成工程で用いた圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同じ前記エアロゾルを噴きつけてもよい。これによると、圧電層形成工程と噴きつけ工程を同じ成膜装置を用いることができ、製造工程を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
冷却工程で圧電層に生じた圧縮応力を、その後の噴きつけ工程で生じる引っ張り応力により緩和することで、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。
【図２】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】インクジェットヘッドの製造工程を示す工程図であり、（ａ）は流路ユニット製造工程、及び、圧電アクチュエータ製造工程、（ｂ）は接合工程である。
【図６】圧電層形成工程時のチャンバー内の概略構成図である。
【図７】変形例に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、記録用紙に対してインクを噴射することで記録用紙に画像や文字を記録するためのインクジェットヘッドを備えた、インクジェットプリンタに本発明を適用した一例である。
【００１９】
まず、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略構成について説明する。図１は、本実施形態のインクジェットプリンタの概略平面図である。図１に示すように、プリンタ１は、所定の走査方向（図１の左右方向）に沿って往復移動可能に構成されたキャリッジ２と、このキャリッジ２に搭載されたインクジェットヘッド３と、記録用紙Ｐを走査方向と直交する搬送方向に搬送する搬送機構４などを備えている。
【００２０】
キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に平行に延びる２本のガイド軸１７に沿って往復移動可能に構成されている。また、キャリッジ２には、無端ベルト１８が連結されており、キャリッジ駆動モータ１９によって無端ベルト１８が走行駆動されたときに、キャリッジ２は、無端ベルト１８の走行に伴って走査方向に移動するようになっている。なお、プリンタ１には、走査方向に間隔を空けて配列された多数の透光部（スリット）を有するリニアエンコーダ１０が設けられている。一方、キャリッジ２には、発光素子と受光素子とを有する透過型のフォトセンサ１１が設けられている。そして、プリンタ１は、キャリッジ２の移動中にフォトセンサ１１が検出したリニアエンコーダ１０の透光部の計数値（検出回数）から、キャリッジ２の走査方向に関する現在位置を認識できるようになっている。
【００２１】
このキャリッジ２には、インクジェットヘッド３が搭載されている。インクジェットヘッド３は、その下面（図１の紙面向こう側の面）に多数のノズル３０（図２参照）を備えている。このインクジェットヘッド３は、搬送機構４により図１の下方（搬送方向）に搬送される記録用紙Ｐに対して、図示しないインクカートリッジから供給されたインクを多数のノズル３０から噴射するように構成されている。
【００２２】
搬送機構４は、インクジェットヘッド３よりも搬送方向上流側に配置された給紙ローラ１２と、インクジェットヘッド３よりも搬送方向下流側に配置された排紙ローラ１３と、を有している。給紙ローラ１２と排紙ローラ１３は、それぞれ、給紙モータ１４と排紙モータ１５により回転駆動される。そして、この搬送機構４は、給紙ローラ１２により、記録用紙Ｐを図１の上方からインクジェットヘッド３へ搬送するとともに、排紙ローラ１３により、インクジェットヘッド３によって画像や文字などが記録された記録用紙Ｐを図１の下方へ排出する。
【００２３】
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２は、インクジェットヘッドの平面図である。図３は、図２の一部拡大図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル３０や圧力室２４を含むインク流路が形成された流路ユニット６と、圧力室２４内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ７と、を有している。
【００２４】
まず、流路ユニット６について説明する。図４に示すように、流路ユニット６はキャビティプレート２０、ベースプレート２１、マニホールドプレート２２、及びノズルプレート２３を有しており、これら４枚のプレート２０〜２３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート２０、ベースプレート２１及びマニホールドプレート２２は、それぞれ、ステンレス鋼などの金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。そのため、これら３枚のプレート２０〜２２に、後述するマニホールド２７や圧力室２４などのインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート２３は、例えば、ポリイミドなどの高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート２２の下面に接着剤で接合される。
【００２５】
図２〜図４に示すように、４枚のプレート２０〜２３のうち、最も上方に位置するキャビティプレート２０には、平面に沿って配列された複数の圧力室２４がプレート２０を貫通する孔により形成されている。また、複数の圧力室２４は、搬送方向（図２の上下方向）に千鳥状に２列に配列されている。また、図４に示すように、複数の圧力室２４は上下両側から後述の振動板４０及びベースプレート２１によりそれぞれ覆われている。さらに、各圧力室２４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。
【００２６】
図３及び図４に示すように、ベースプレート２１の、平面視で圧力室２４の長手方向両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔２５、２６が形成されている。また、マニホールドプレート２２には、平面視で、２列に配列された圧力室２４の連通孔２５側の部分と重なるように、搬送方向に延びる２つのマニホールド２７が形成されている。これら２つのマニホールド２７は、キャビティプレート２０に形成されたインク供給口２８（図２参照）に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口２８を介してマニホールド２７へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート２２の、平面視で複数の圧力室２４のマニホールド２７と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔２６に連なる複数の連通孔２９も形成されている。
【００２７】
さらに、ノズルプレート２３の、平面視で複数の連通孔２９にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル３０が形成されている。図２に示すように、複数のノズル３０は、搬送方向に沿って２列に配列された複数の圧力室２４の、マニホールド２７と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置されている。
【００２８】
そして、図４に示すように、マニホールド２７は連通孔２５を介して圧力室２４に連通し、さらに、圧力室２４は、連通孔２６，２９を介してノズル３０に連通している。このように、流路ユニット６内には、マニホールド２７から圧力室２４を経てノズル３０に至る個別インク流路３１が複数形成されている。
【００２９】
次に、圧電アクチュエータ７について説明する。図２〜図４に示すように、圧電アクチュエータ７は、複数の圧力室２４を覆うように流路ユニット６（キャビティプレート２０）の上面に配置された振動板４０と、この振動板４０の上面に、複数の圧力室２４と対向するように配置された圧電層４１と、圧電層４１の上面に配置された複数の個別電極４２と、複数の個別電極４２を覆って、圧電層４１の上面に配置された絶縁層６０と、を有している。
【００３０】
振動板４０は、プレート２０〜２３と同様にステンレス鋼などの金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。この振動板４０は、キャビティプレート２０の上面に複数の圧力室２４を覆うように配設された状態で、キャビティプレート２０に接合されている。また、導電性を有する振動板４０は、圧電層４１の下面側に配置されることによって、圧電層４１上面の複数の個別電極４２との間で圧電層４１に厚み方向の電界を生じさせる、共通電極を兼ねている。この共通電極としての振動板４０は、圧電アクチュエータ７を駆動するヘッドドライバ（図示省略）のグランド配線に接続されて、常にグランド電位に保持される。
【００３１】
圧電層４１は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなる。なお、ＰＺＴの線膨張係数は約２．６×１０−６（１／℃）であり、ステンレス鋼の線膨張係数は約１０．４×１０−６（１／℃）であり、圧電層４１は、ステンレス鋼からなる振動板４０よりも線膨張係数が小さい圧電材料からなる。図２に示すように、この圧電層４１は、振動板４０の上面において、複数の圧力室２４に跨って連続的に形成されている。また、この圧電層４１は、少なくとも圧力室２４と対向する領域において厚み方向に分極されている。
【００３２】
圧電層４１の上面の、複数の圧力室２４と対向する領域には、複数の個別電極４２がそれぞれ配置されている。各々の個別電極４２は圧力室２４よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧力室２４の中央部と対向している。また、複数の個別電極４２の端部からは、複数の接点部４５が個別電極４２の長手方向に沿ってそれぞれ引き出されている。これら複数の接点部４５は、図示しないフレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）を介してヘッドドライバ（図示省略）と電気的に接続されている。これにより、ヘッドドライバから複数の個別電極４２に対して、所定の駆動電位とグランド電位の２種類の電位のうち、何れか一方の電位を選択的に付与することが可能となっている。
【００３３】
絶縁層６０は、圧電層４１と同様にＰＺＴからなり、複数の個別電極４２を覆って、圧電層４１の上面に配置されている。なお、ＰＺＴは圧電材料であるとともに、絶縁材料でもある。この絶縁層６０は、クラック防止など圧電層４１を保護している。また、絶縁層６０は、個別電極４２を保護するとともに、圧電層４１の上面における隣接する個別電極４２の間に介在するため、隣接する個別電極４２の間に生じるマイグレーションを防止している。
【００３４】
次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ７の作用について説明する。ある個別電極４２に対して、ヘッドドライバから所定の駆動電位が付与されたときには、この駆動電位が付与された個別電極４２とグランド電位に保持されている共通電極としての振動板４０との間に電位差が生じ、個別電極４２と振動板４０の間に挟まれた圧電層４１に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は圧電層４１の分極方向と平行であるから、個別電極４２と対向する領域（活性部）の圧電層４１が厚み方向と直交する面方向に収縮する。ここで、圧電層４１の下側の振動板４０はキャビティプレート２０に固定されているため、この振動板４０の上面に位置する圧電層４１が面方向に収縮するのに伴って、振動板４０の圧力室２４を覆う部分が圧力室２４側に凸となるように変形する（ユニモルフ変形）。このとき、圧力室２４内の容積が減少するために圧力室２４内のインク圧力が上昇し、この圧力室２４に連通するノズル３０からインクが噴射される。
【００３５】
次に、上述したインクジェットヘッド３の製造工程について説明する。図５は、インクジェットヘッドの製造工程を概略的に説明する図である。図６は、ＡＤ法におけるチャンバー内の概略構成図である。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、流路ユニット６と圧電アクチュエータ７とを別々の工程で製造した後、流路ユニット６の上面に圧電アクチュエータ７を接合して、図５（ｂ）のインクジェットヘッド３を作製する。
【００３６】
（流路ユニット製造工程）
まず、流路ユニット６を構成する４枚のプレート２０〜２３のうち、金属製のキャビティプレート２０、ベースプレート２１、及び、マニホールドプレート２２の３枚のプレートに、圧力室２４やマニホールド２７などのインク流路を構成する孔を、エッチングにより形成する。また、合成樹脂製のノズルプレート２３に、レーザー加工により複数のノズル３０を形成する。そして、４枚のプレート２０〜２３を互いに積層した状態で接着剤で接合し、流路ユニット６を完成させる。
【００３７】
あるいは、３枚の金属製のプレート２０〜２３を積層した状態で、高温（例えば、９００℃程度）に加熱しながらプレート積層方向に押圧することで、３枚のプレート２０〜２３を金属拡散接合により接合してもよい。この場合には、金属拡散接合によって得られた３枚のプレート２０〜２３の積層体に、合成樹脂製のノズルプレート２３を接着剤で接合する。
【００３８】
（圧電アクチュエータ製造工程）
まず、振動板４０の一表面に、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用いて、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。ＡＤ法は、図６に示すように、振動板４０を成膜装置５０のチャンバー５１内のステージ５２に縁をテープで固定させるなどして保持する。そして、チャンバー５１内を真空にして、チャンバー５１と、圧電層４１を形成する粒子と気体（キャリアガス）との混合物（エアロゾル）が封入された図示しないエアロゾル室と、の間の気圧差により、エアロゾル室に連通する噴射ノズル５３からエアロゾルを振動板４０に噴きつけて、粒子を高速で振動板４０に衝突させるとともに、ステージ５２を水平方向に往復移動させることにより振動板４０上に圧電材料の粒子を堆積させる成膜法である。
【００３９】
ところで、ＡＤ法によって圧電層４１を形成した場合、粒子の衝突時に粒子の微細化や格子欠陥が生じることがある。そこで、圧電材料の粒子結晶を成長させるとともに結晶中の格子欠陥を修復して、圧電特性を向上させるために、前記圧電層形成工程後に成膜装置５０のステージ５２から取り外された、圧電層４１が形成された振動板４０を図示しない炉内に収容し、所定の温度（例えば、９００℃）で熱処理を施す（加熱工程）。なお、アニール処理温度は９００℃としていたが、圧電層４１の圧電特性を向上させるためのアニール処理が可能な温度であれば、いかなる温度でもよい。
【００４０】
そして、加熱された圧電層４１が形成された振動板４０を炉内から取り出し、環境温度まで冷却し（冷却工程）、圧電層４１の表面の、複数の圧力室２４と対向する領域に、スクリーン印刷、蒸着法、スパッタ法などにより複数の個別電極４２をそれぞれ形成する（電極形成工程）。
【００４１】
ここで、ＰＺＴからなる圧電層４１は、ステンレス鋼からなる振動板よりも線膨張係数が小さいため、アニール処理によって加熱された振動板４０と圧電層４１を環境温度まで冷却したときの温度変化によって、圧電層４１よりも振動板４０が面方向に平行な方向に大きく収縮しようとして、圧電層４１に面方向の圧縮応力が生じる。このように、圧電層４１に圧縮応力が作用すると、圧電層４１の変形が拘束されることとなり、電界作用時の圧電層４１の収縮量が小さくなる。すなわち、圧電層４１の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。
【００４２】
そこで、圧電層形成工程と同様の成膜装置５０を用いて、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層形成工程で用いた粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同様のエアロゾルを噴きつけて絶縁層６０を形成し（噴きつけ工程）、圧電アクチュエータ７の製造を完了する。
【００４３】
この噴きつけ工程において、圧電層４１の表面にエアロゾルが高速で衝突するときのエネルギーによって、図５（ａ）に示すように、エアロゾルを噴きつけられた圧電層４１は噴きつけられた方向（振動板４０と反対側）に向かって変形して、圧電層４１には引っ張り応力が生じる。この引っ張り応力により、冷却工程において圧電層４１に生じた圧縮応力を緩和することができる。このように、圧電層４１に作用する圧縮応力が緩和され、圧電層４１の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。なお、図５においては、振動板４０と圧電層４１および絶縁層６０はその変形を拡大して記載しており、圧電層４１に引っ張り応力が生じればよく、その変形が生じる程度のエアロゾルを圧電層４１に噴きつければよい。
【００４４】
このとき、振動板４０と圧電層４１と絶縁層６０を一体の積層体としたときに、振動板４０と圧電層４１と絶縁層６０の厚みを適宜設定して、この積層体の中立面ができるだけ振動板４０側となるようにする方が好ましい。特に、この中立面が振動板４０にある場合には、噴きつけ工程において圧電層４１には引っ張り応力のみが生じることになり、冷却工程において圧電層４１に生じた圧縮応力を効果的に緩和することができる。
【００４５】
また、圧電層形成工程と噴きつけ工程を同じ成膜装置５０を用いることができ、製造工程を簡略化することができる。なお、噴きつけ工程で形成された絶縁層６０は、絶縁材料であるとともに圧電材料でもあるＰＺＴからなるが、絶縁性を必要とした層であり、圧電特性を必要とした層ではないため、この噴きつけ工程後にアニール処理は必要なく、この絶縁層６０とともに圧電層４１が再度加熱冷却されることはなく、噴きつけ工程後に圧縮応力が生じることはない。
【００４６】
その後、図５（ｂ）に示すように、流路ユニット６の、複数の圧力室２４が開口した上面に、圧電アクチュエータ７の振動板４０を接着剤により接合することで、インクジェットヘッド３の製造を完了する。
【００４７】
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
【００４８】
本実施形態においては、圧電層４１をＡＤ法により形成していたが、ゾルゲル法により形成してもよい。このとき、ゲル中の溶媒を揮発させるため、圧電層４１及び振動板４０を６００〜７００℃で加熱する工程が必要となり、この工程が本発明における加熱工程に相当する。
【００４９】
また、本実施形態においては、圧電層４１の材料としてＰＺＴを用いていたが、チタン酸バリウムや水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムであってもよい。また、絶縁層６０も、圧電層４１と同様にこれらチタン酸バリウムや水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムであってもよい。なお、圧電層４１と絶縁層６０は、同じ材料であっても、異なる材料であってもよい。さらに、絶縁層６０は、圧電材料に限らず、絶縁性材料であれば、ジルコニアなどのセラミックスや樹脂などのいかなる材料であってもよい。
【００５０】
さらに、本実施形態においては、振動板４０の材料としてステンレス鋼を用いていたが、圧電層４１を形成する材料よりも線膨張係数の大きな材料であれば、他の金属材料などいかなる材料から形成されてもよい。
【００５１】
加えて、本実施形態において、絶縁層６０は、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面全域に形成されていたが、少なくとも圧電層４１の個別電極４２と対向する領域（活性部）に形成されていればよい。これにより、絶縁層６０の噴きつけ工程において、活性部の圧縮応力は緩和され、この活性部の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、振動板４０にＡＤ法により直接圧電層４１を形成していたが、圧電材料のグリーンシートを焼結して圧電層４１を形成して（圧電層形成工程）、この圧電層４１を振動板４０に熱硬化性接着剤で加熱しながら接合してもよい（接合工程）。この場合においても、熱硬化性接着剤を硬化させるときに、圧電層４１と振動板４０を２００℃程度に加熱する必要があり、この加熱された圧電層４１と振動板４０を冷却するときに圧電層４１に圧縮応力が生じる。したがって、本実施形態と同様に、冷却された振動板４０に形成された圧電層４１に対して噴きつけ工程を行うことで、圧電層４１に作用する圧縮応力が緩和され、圧電層４１の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００５３】
また、噴きつけ工程後に、流路ユニット６と圧電アクチュエータ７を接合していたが、これに限られず、流路ユニット６に一体となった振動板４０と圧電層４１を接合した後に、圧電層４１上にＡＤ法により粒子を噴きつけて絶縁層６０を形成して圧電アクチュエータ７を製造してもよい。
【００５４】
さらに、本実施形態においては、噴きつけ工程において、圧電層４１の上面にＡＤ法により絶縁材料の粒子を噴きつけて絶縁層６０を形成していたが、導電性材料の粒子を噴きつけてもよい。これによると、圧電層４１に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において圧電層４１に電界を付与するために必要な電極を形成することができる。この一例について以下説明する。
【００５５】
１）圧電層４１の複数の活性部となる領域の振動板４０と反対側の表面にＡＤ法により個別電極４２を形成してもよい。これにより、個別電極４２の噴きつけ工程において、圧電層４１の活性部となる領域の圧縮応力は緩和され、活性部の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。この個別電極４２を形成するためのＡＤ法による噴きつけ工程は、圧電層形成工程においてエアロゾル室に封入された圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルを、個別電極４２を構成するステンレス、金または銀などの導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルに入れ替えるか、もしくは、噴射ノズル５３の連通先を圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室から導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室に切り換えることで、圧電層形成工程のときと同じチャンバー５１内で行うことができる。また、チャンバー５１内のステージ５２を取り外し自在にして、圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室を備えたチャンバー５１内にこのステージ５２を取り付けて、圧電層形成工程を行った後、ステージ５２を取り外して、このステージ５２を導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室を備えたチャンバー内に取り付けて、噴きつけ工程を行ってもよい。
【００５６】
２）図７に示すように、圧電層４１の振動板４０と反対側の面全域にＡＤ法により共通電極１４３を形成してもよい。共通電極１４３の形成方法については、上述した個別電極の形成方法と同様である。このとき、圧電層４１の複数の活性部となる領域の振動板４０と対向する面に個別電極１４２を形成する。このとき、振動板４０と圧電層４１との間には、絶縁層１５０が配置される。この絶縁層１５０は、振動板４０と個別電極１４２が導通するのを防止するとともに、アニール処理における加熱によって振動板４０を形成する金属材料（ここでは、ステンレス鋼）が拡散して圧電層４１に達してしまうのを防止する。
【００５７】
また、本実施形態においては、噴きつけ工程においてＡＤ法により圧電層４１の上面に絶縁層６０を形成していたが、圧電層４１の上面に層を形成したくない場合には、単にＡＤ法により圧電層４１の上面に成膜しない程度の量の粒子を衝突させて、圧電層４１に対して引っ張り応力を生じさせるだけでもよい。
【００５８】
以上、説明した実施形態及びその変更形態では、本発明を、記録用紙にインクを噴射して画像などを記録するインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータの製造方法に適用したが、本発明の適用対象は、このようなインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに限られず、様々な用途に使用される圧電アクチュエータの製造方法に適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ インクジェットプリンタ
３ インクジェットヘッド
７ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 圧電層
４２ 個別電極
６０ 絶縁層
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電層を変形させることにより対象を駆動する圧電アクチュエータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、振動板と振動板に形成された圧電層とを有し、電界が作用したときの圧電層の変形（圧電歪）を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが知られている。この圧電アクチュエータの振動板に圧電層を形成する方法としては、振動板に直接圧電層を形成する方法や、あらかじめグリーンシートを焼成して作製された圧電層を振動板に接合する方法などが挙げられるが、それらの方法の中には、圧電層形成中もしくは形成後において振動板と圧電層を加熱する必要がある方法がある。例えば、振動板に直接圧電層を形成する場合で振動板と圧電層の加熱が必要な方法としては、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法が挙げられる。エアロゾルデポジション法により振動板に圧電層を形成した場合には、圧電層の圧電特性を向上させるために、圧電層を所定温度に加熱する（例えば、特許文献１参照）。また、ゾルゲル法により振動板に圧電層を形成した場合には、ゲル中の溶媒を揮発させて除去するために、圧電層を加熱する。なお、圧電層が加熱されると、接合された振動板も当然のごとく加熱される。また、振動板に、グリーンシートの焼成によって得られた圧電層を接合する場合には、振動板と圧電層を熱硬化性樹脂で接着して、振動板と圧電層を加熱しながら熱硬化性樹脂を硬化させて接合する。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１７３２４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、圧電層はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料からなる一方で、振動板は一般的に金属材料などの圧電材料よりも線膨張係数の大きな材料からなる。すると、上述したように振動板と圧電層を加熱した状態から環境温度まで冷却（強制的に冷却する場合や自然冷却を含む）するときの温度変化によって、圧電層よりも振動板が大きく収縮しようとして、圧電層に面方向に平行な方向の圧縮応力が生じる。圧電層に電界が作用したときの変形（圧電歪）により対象を駆動するため、圧縮応力が残留すると圧電層の変形が拘束されることとなり、変形量が小さくなる。すなわち、圧電層の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、圧電層に作用する圧縮応力を緩和し、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制した圧電アクチュエータ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、振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、前記振動板の前記一表面に、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法により、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記振動板に形成された前記圧電層を前記振動板とともに加熱する加熱工程と、加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、を備えている。
【０００７】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、圧電層の線膨張係数が振動板よりも小さいため、冷却工程後に、圧電層には圧縮応力が生じる。圧電層に圧縮応力が作用すると、圧電層の変形が拘束されることとなり、その結果、圧電層の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。ここで、特許文献１にも記載されているように、エアロゾルデポジション法により基材に粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけると、基材にはエアロゾルが噴きつけられた側が凸となる変形が生じる。この変形により、基材の凸となる側の面には、引っ張り応力が生じ、凹となる側の面には、圧縮応力が生じる。本発明においては、冷却工程後に、圧縮応力が作用する圧電層上に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけるため、振動板の凸となる側に配置されている圧電層には、引っ張り応力が生じる。したがって、冷却工程後に圧電層に作用している圧縮応力を、エアロゾルを噴きつけることによる圧電層と振動板の変形によって圧電層に生じる引っ張り応力で緩和させることができ、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【０００８】
また、別の観点では、本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、前記振動板と前記圧電層を加熱しながら前記振動板の前記一表面に前記圧電層を接合する接合工程と、加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、を備えている。
【０００９】
本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、同様に、冷却工程後に圧電層に作用している圧縮応力を、エアロゾルを噴きつけることによる圧電層と振動板の変形で圧電層に生じる引っ張り応力で緩和させることができ、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００１０】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、絶縁材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させて、絶縁層を形成することが好ましい。これによると、圧電層に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において堆積した絶縁層により圧電層を保護して、クラックなどを防止することができる。
【００１１】
このとき、前記圧電層の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記電極を形成する電極形成工程をさらに備えており、前記電極形成の後に、前記噴きつけ工程を行うことが好ましい。これによると、圧電層を保護することに加えて、電極も保護することができる。
【００１２】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させてもよい。これによると、圧電層に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において圧電層に電界を付与するための電極を形成することができる。
【００１３】
このとき、前記圧電層は、前記活性部となる領域を面方向に離散して複数有しており、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の複数の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで複数の前記電極をそれぞれ形成することが好ましい。圧電層の複数の活性部は、複数の活性部の一方の表面に跨って形成された共通電極と、各活性部の他方の表面にそれぞれ形成された個別電極とに挟まれており、これらの電極に電圧が印加されることで、電界を発生させて駆動する。これによると、圧電層の活性部となる領域の表面に個別電極をそれぞれ形成することができる。
【００１４】
また、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記電極を形成してもよい。圧電層の複数の活性部は、複数の活性部の一方の表面に跨って形成された共通電極と、各活性部の他方の表面にそれぞれ形成された個別電極とに挟まれており、これらの電極に電圧が印加されることで、電界が付与されて変形する。これによると、圧電層の振動板と反対側の面全域に共通電極を形成することができる。
【００１５】
また、前記圧電層形成工程において、前記エアロゾルデポジション法により、前記振動板の前記一表面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記圧電層を形成しており、前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記圧電層形成工程で用いた圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同じ前記エアロゾルを噴きつけてもよい。これによると、圧電層形成工程と噴きつけ工程を同じ成膜装置を用いることができ、製造工程を簡略化することができる。
【発明の効果】
【００１６】
冷却工程で圧電層に生じた圧縮応力を、その後の噴きつけ工程で生じる引っ張り応力により緩和することで、圧電層の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態に係るインクジェットプリンタの概略構成図である。
【図２】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】インクジェットヘッドの製造工程を示す工程図であり、（ａ）は流路ユニット製造工程、及び、圧電アクチュエータ製造工程、（ｂ）は接合工程である。
【図６】圧電層形成工程時のチャンバー内の概略構成図である。
【図７】変形例に係るインクジェットヘッドの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
次に、本発明の実施形態について説明する。本実施形態は、記録用紙に対してインクを噴射することで記録用紙に画像や文字を記録するためのインクジェットヘッドを備えた、インクジェットプリンタに本発明を適用した一例である。
【００１９】
まず、本実施形態のインクジェットプリンタ１の概略構成について説明する。図１は、本実施形態のインクジェットプリンタの概略平面図である。図１に示すように、プリンタ１は、所定の走査方向（図１の左右方向）に沿って往復移動可能に構成されたキャリッジ２と、このキャリッジ２に搭載されたインクジェットヘッド３と、記録用紙Ｐを走査方向と直交する搬送方向に搬送する搬送機構４などを備えている。
【００２０】
キャリッジ２は、走査方向（図１の左右方向）に平行に延びる２本のガイド軸１７に沿って往復移動可能に構成されている。また、キャリッジ２には、無端ベルト１８が連結されており、キャリッジ駆動モータ１９によって無端ベルト１８が走行駆動されたときに、キャリッジ２は、無端ベルト１８の走行に伴って走査方向に移動するようになっている。なお、プリンタ１には、走査方向に間隔を空けて配列された多数の透光部（スリット）を有するリニアエンコーダ１０が設けられている。一方、キャリッジ２には、発光素子と受光素子とを有する透過型のフォトセンサ１１が設けられている。そして、プリンタ１は、キャリッジ２の移動中にフォトセンサ１１が検出したリニアエンコーダ１０の透光部の計数値（検出回数）から、キャリッジ２の走査方向に関する現在位置を認識できるようになっている。
【００２１】
このキャリッジ２には、インクジェットヘッド３が搭載されている。インクジェットヘッド３は、その下面（図１の紙面向こう側の面）に多数のノズル３０（図２参照）を備えている。このインクジェットヘッド３は、搬送機構４により図１の下方（搬送方向）に搬送される記録用紙Ｐに対して、図示しないインクカートリッジから供給されたインクを多数のノズル３０から噴射するように構成されている。
【００２２】
搬送機構４は、インクジェットヘッド３よりも搬送方向上流側に配置された給紙ローラ１２と、インクジェットヘッド３よりも搬送方向下流側に配置された排紙ローラ１３と、を有している。給紙ローラ１２と排紙ローラ１３は、それぞれ、給紙モータ１４と排紙モータ１５により回転駆動される。そして、この搬送機構４は、給紙ローラ１２により、記録用紙Ｐを図１の上方からインクジェットヘッド３へ搬送するとともに、排紙ローラ１３により、インクジェットヘッド３によって画像や文字などが記録された記録用紙Ｐを図１の下方へ排出する。
【００２３】
次に、インクジェットヘッド３について説明する。図２は、インクジェットヘッドの平面図である。図３は、図２の一部拡大図である。図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド３は、ノズル３０や圧力室２４を含むインク流路が形成された流路ユニット６と、圧力室２４内のインクに圧力を付与する圧電アクチュエータ７と、を有している。
【００２４】
まず、流路ユニット６について説明する。図４に示すように、流路ユニット６はキャビティプレート２０、ベースプレート２１、マニホールドプレート２２、及びノズルプレート２３を有しており、これら４枚のプレート２０〜２３が積層状態で接合されている。このうち、キャビティプレート２０、ベースプレート２１及びマニホールドプレート２２は、それぞれ、ステンレス鋼などの金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。そのため、これら３枚のプレート２０〜２２に、後述するマニホールド２７や圧力室２４などのインク流路をエッチングにより容易に形成することができるようになっている。また、ノズルプレート２３は、例えば、ポリイミドなどの高分子合成樹脂材料により形成され、マニホールドプレート２２の下面に接着剤で接合される。
【００２５】
図２〜図４に示すように、４枚のプレート２０〜２３のうち、最も上方に位置するキャビティプレート２０には、平面に沿って配列された複数の圧力室２４がプレート２０を貫通する孔により形成されている。また、複数の圧力室２４は、搬送方向（図２の上下方向）に千鳥状に２列に配列されている。また、図４に示すように、複数の圧力室２４は上下両側から後述の振動板４０及びベースプレート２１によりそれぞれ覆われている。さらに、各圧力室２４は、平面視で走査方向（図２の左右方向）に長い、略楕円形状に形成されている。
【００２６】
図３及び図４に示すように、ベースプレート２１の、平面視で圧力室２４の長手方向両端部と重なる位置には、それぞれ連通孔２５、２６が形成されている。また、マニホールドプレート２２には、平面視で、２列に配列された圧力室２４の連通孔２５側の部分と重なるように、搬送方向に延びる２つのマニホールド２７が形成されている。これら２つのマニホールド２７は、キャビティプレート２０に形成されたインク供給口２８（図２参照）に連通しており、図示しないインクタンクからインク供給口２８を介してマニホールド２７へインクが供給される。さらに、マニホールドプレート２２の、平面視で複数の圧力室２４のマニホールド２７と反対側の端部と重なる位置には、それぞれ、複数の連通孔２６に連なる複数の連通孔２９も形成されている。
【００２７】
さらに、ノズルプレート２３の、平面視で複数の連通孔２９にそれぞれ重なる位置には、複数のノズル３０が形成されている。図２に示すように、複数のノズル３０は、搬送方向に沿って２列に配列された複数の圧力室２４の、マニホールド２７と反対側の端部とそれぞれ重なるように配置されている。
【００２８】
そして、図４に示すように、マニホールド２７は連通孔２５を介して圧力室２４に連通し、さらに、圧力室２４は、連通孔２６，２９を介してノズル３０に連通している。このように、流路ユニット６内には、マニホールド２７から圧力室２４を経てノズル３０に至る個別インク流路３１が複数形成されている。
【００２９】
次に、圧電アクチュエータ７について説明する。図２〜図４に示すように、圧電アクチュエータ７は、複数の圧力室２４を覆うように流路ユニット６（キャビティプレート２０）の上面に配置された振動板４０と、この振動板４０の上面に、複数の圧力室２４と対向するように配置された圧電層４１と、圧電層４１の上面に配置された複数の個別電極４２と、複数の個別電極４２を覆って、圧電層４１の上面に配置された絶縁層６０と、を有している。
【００３０】
振動板４０は、プレート２０〜２３と同様にステンレス鋼などの金属材料からなる平面視で略矩形状の板である。この振動板４０は、キャビティプレート２０の上面に複数の圧力室２４を覆うように配設された状態で、キャビティプレート２０に接合されている。また、導電性を有する振動板４０は、圧電層４１の下面側に配置されることによって、圧電層４１上面の複数の個別電極４２との間で圧電層４１に厚み方向の電界を生じさせる、共通電極を兼ねている。この共通電極としての振動板４０は、圧電アクチュエータ７を駆動するヘッドドライバ（図示省略）のグランド配線に接続されて、常にグランド電位に保持される。
【００３１】
圧電層４１は、チタン酸鉛とジルコン酸鉛との固溶体であり強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を主成分とする圧電材料からなる。なお、ＰＺＴの線膨張係数は約２．６×１０−６（１／℃）であり、ステンレス鋼の線膨張係数は約１０．４×１０−６（１／℃）であり、圧電層４１は、ステンレス鋼からなる振動板４０よりも線膨張係数が小さい圧電材料からなる。図２に示すように、この圧電層４１は、振動板４０の上面において、複数の圧力室２４に跨って連続的に形成されている。また、この圧電層４１は、少なくとも圧力室２４と対向する領域において厚み方向に分極されている。
【００３２】
圧電層４１の上面の、複数の圧力室２４と対向する領域には、複数の個別電極４２がそれぞれ配置されている。各々の個別電極４２は圧力室２４よりも一回り小さい略楕円形の平面形状を有し、圧力室２４の中央部と対向している。また、複数の個別電極４２の端部からは、複数の接点部４５が個別電極４２の長手方向に沿ってそれぞれ引き出されている。これら複数の接点部４５は、図示しないフレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）を介してヘッドドライバ（図示省略）と電気的に接続されている。これにより、ヘッドドライバから複数の個別電極４２に対して、所定の駆動電位とグランド電位の２種類の電位のうち、何れか一方の電位を選択的に付与することが可能となっている。
【００３３】
絶縁層６０は、圧電層４１と同様にＰＺＴからなり、複数の個別電極４２を覆って、圧電層４１の上面に配置されている。なお、ＰＺＴは圧電材料であるとともに、絶縁材料でもある。この絶縁層６０は、クラック防止など圧電層４１を保護している。また、絶縁層６０は、個別電極４２を保護するとともに、圧電層４１の上面における隣接する個別電極４２の間に介在するため、隣接する個別電極４２の間に生じるマイグレーションを防止している。
【００３４】
次に、インク噴射時における圧電アクチュエータ７の作用について説明する。ある個別電極４２に対して、ヘッドドライバから所定の駆動電位が付与されたときには、この駆動電位が付与された個別電極４２とグランド電位に保持されている共通電極としての振動板４０との間に電位差が生じ、個別電極４２と振動板４０の間に挟まれた圧電層４１に厚み方向の電界が作用する。この電界の方向は圧電層４１の分極方向と平行であるから、個別電極４２と対向する領域（活性部）の圧電層４１が厚み方向と直交する面方向に収縮する。ここで、圧電層４１の下側の振動板４０はキャビティプレート２０に固定されているため、この振動板４０の上面に位置する圧電層４１が面方向に収縮するのに伴って、振動板４０の圧力室２４を覆う部分が圧力室２４側に凸となるように変形する（ユニモルフ変形）。このとき、圧力室２４内の容積が減少するために圧力室２４内のインク圧力が上昇し、この圧力室２４に連通するノズル３０からインクが噴射される。
【００３５】
次に、上述したインクジェットヘッド３の製造工程について説明する。図５は、インクジェットヘッドの製造工程を概略的に説明する図である。図６は、ＡＤ法におけるチャンバー内の概略構成図である。本実施形態では、図５（ａ）に示すように、流路ユニット６と圧電アクチュエータ７とを別々の工程で製造した後、流路ユニット６の上面に圧電アクチュエータ７を接合して、図５（ｂ）のインクジェットヘッド３を作製する。
【００３６】
（流路ユニット製造工程）
まず、流路ユニット６を構成する４枚のプレート２０〜２３のうち、金属製のキャビティプレート２０、ベースプレート２１、及び、マニホールドプレート２２の３枚のプレートに、圧力室２４やマニホールド２７などのインク流路を構成する孔を、エッチングにより形成する。また、合成樹脂製のノズルプレート２３に、レーザー加工により複数のノズル３０を形成する。そして、４枚のプレート２０〜２３を互いに積層した状態で接着剤で接合し、流路ユニット６を完成させる。
【００３７】
あるいは、３枚の金属製のプレート２０〜２３を積層した状態で、高温（例えば、９００℃程度）に加熱しながらプレート積層方向に押圧することで、３枚のプレート２０〜２３を金属拡散接合により接合してもよい。この場合には、金属拡散接合によって得られた３枚のプレート２０〜２３の積層体に、合成樹脂製のノズルプレート２３を接着剤で接合する。
【００３８】
（圧電アクチュエータ製造工程）
まず、振動板４０の一表面に、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用いて、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。ＡＤ法は、図６に示すように、振動板４０を成膜装置５０のチャンバー５１内のステージ５２に縁をテープで固定させるなどして保持する。そして、チャンバー５１内を真空にして、チャンバー５１と、圧電層４１を形成する粒子と気体（キャリアガス）との混合物（エアロゾル）が封入された図示しないエアロゾル室と、の間の気圧差により、エアロゾル室に連通する噴射ノズル５３からエアロゾルを振動板４０に噴きつけて、粒子を高速で振動板４０に衝突させるとともに、ステージ５２を水平方向に往復移動させることにより振動板４０上に圧電材料の粒子を堆積させる成膜法である。
【００３９】
ところで、ＡＤ法によって圧電層４１を形成した場合、粒子の衝突時に粒子の微細化や格子欠陥が生じることがある。そこで、圧電材料の粒子結晶を成長させるとともに結晶中の格子欠陥を修復して、圧電特性を向上させるために、前記圧電層形成工程後に成膜装置５０のステージ５２から取り外された、圧電層４１が形成された振動板４０を図示しない炉内に収容し、所定の温度（例えば、９００℃）で熱処理を施す（加熱工程）。なお、アニール処理温度は９００℃としていたが、圧電層４１の圧電特性を向上させるためのアニール処理が可能な温度であれば、いかなる温度でもよい。
【００４０】
そして、加熱された圧電層４１が形成された振動板４０を炉内から取り出し、環境温度まで冷却し（冷却工程）、圧電層４１の表面の、複数の圧力室２４と対向する領域に、スクリーン印刷、蒸着法、スパッタ法などにより複数の個別電極４２をそれぞれ形成する（電極形成工程）。
【００４１】
ここで、ＰＺＴからなる圧電層４１は、ステンレス鋼からなる振動板よりも線膨張係数が小さいため、アニール処理によって加熱された振動板４０と圧電層４１を環境温度まで冷却したときの温度変化によって、圧電層４１よりも振動板４０が面方向に平行な方向に大きく収縮しようとして、圧電層４１に面方向の圧縮応力が生じる。このように、圧電層４１に圧縮応力が作用すると、圧電層４１の変形が拘束されることとなり、電界作用時の圧電層４１の収縮量が小さくなる。すなわち、圧電層４１の見かけ上の圧電特性が低下してしまう。
【００４２】
そこで、圧電層形成工程と同様の成膜装置５０を用いて、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面に、ＡＤ法により圧電層形成工程で用いた粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同様のエアロゾルを噴きつけて絶縁層６０を形成し（噴きつけ工程）、圧電アクチュエータ７の製造を完了する。
【００４３】
この噴きつけ工程において、圧電層４１の表面にエアロゾルが高速で衝突するときのエネルギーによって、図５（ａ）に示すように、エアロゾルを噴きつけられた圧電層４１は噴きつけられた方向（振動板４０と反対側）に向かって変形して、圧電層４１には引っ張り応力が生じる。この引っ張り応力により、冷却工程において圧電層４１に生じた圧縮応力を緩和することができる。このように、圧電層４１に作用する圧縮応力が緩和され、圧電層４１の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。なお、図５においては、振動板４０と圧電層４１および絶縁層６０はその変形を拡大して記載しており、圧電層４１に引っ張り応力が生じればよく、その変形が生じる程度のエアロゾルを圧電層４１に噴きつければよい。
【００４４】
このとき、振動板４０と圧電層４１と絶縁層６０を一体の積層体としたときに、振動板４０と圧電層４１と絶縁層６０の厚みを適宜設定して、この積層体の中立面ができるだけ振動板４０側となるようにする方が好ましい。特に、この中立面が振動板４０にある場合には、噴きつけ工程において圧電層４１には引っ張り応力のみが生じることになり、冷却工程において圧電層４１に生じた圧縮応力を効果的に緩和することができる。
【００４５】
また、圧電層形成工程と噴きつけ工程を同じ成膜装置５０を用いることができ、製造工程を簡略化することができる。なお、噴きつけ工程で形成された絶縁層６０は、絶縁材料であるとともに圧電材料でもあるＰＺＴからなるが、絶縁性を必要とした層であり、圧電特性を必要とした層ではないため、この噴きつけ工程後にアニール処理は必要なく、この絶縁層６０とともに圧電層４１が再度加熱冷却されることはなく、噴きつけ工程後に圧縮応力が生じることはない。
【００４６】
その後、図５（ｂ）に示すように、流路ユニット６の、複数の圧力室２４が開口した上面に、圧電アクチュエータ７の振動板４０を接着剤により接合することで、インクジェットヘッド３の製造を完了する。
【００４７】
次に、前記実施形態に種々の変更を加えた変更形態について説明する。但し、前記実施形態と同様の構成を有するものについては、同じ符号を付して適宜その説明を省略する。
【００４８】
本実施形態においては、圧電層４１をＡＤ法により形成していたが、ゾルゲル法により形成してもよい。このとき、ゲル中の溶媒を揮発させるため、圧電層４１及び振動板４０を６００〜７００℃で加熱する工程が必要となり、この工程が本発明における加熱工程に相当する。
【００４９】
また、本実施形態においては、圧電層４１の材料としてＰＺＴを用いていたが、チタン酸バリウムや水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムであってもよい。また、絶縁層６０も、圧電層４１と同様にこれらチタン酸バリウムや水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウムであってもよい。なお、圧電層４１と絶縁層６０は、同じ材料であっても、異なる材料であってもよい。さらに、絶縁層６０は、圧電材料に限らず、絶縁性材料であれば、ジルコニアなどのセラミックスや樹脂などのいかなる材料であってもよい。
【００５０】
さらに、本実施形態においては、振動板４０の材料としてステンレス鋼を用いていたが、圧電層４１を形成する材料よりも線膨張係数の大きな材料であれば、他の金属材料などいかなる材料から形成されてもよい。
【００５１】
加えて、本実施形態において、絶縁層６０は、個別電極４２を覆うように圧電層４１の上面全域に形成されていたが、少なくとも圧電層４１の個別電極４２と対向する領域（活性部）に形成されていればよい。これにより、絶縁層６０の噴きつけ工程において、活性部の圧縮応力は緩和され、この活性部の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００５２】
また、本実施形態においては、振動板４０にＡＤ法により直接圧電層４１を形成していたが、圧電材料のグリーンシートを焼結して圧電層４１を形成して（圧電層形成工程）、この圧電層４１を振動板４０に熱硬化性接着剤で加熱しながら接合してもよい（接合工程）。この場合においても、熱硬化性接着剤を硬化させるときに、圧電層４１と振動板４０を２００℃程度に加熱する必要があり、この加熱された圧電層４１と振動板４０を冷却するときに圧電層４１に圧縮応力が生じる。したがって、本実施形態と同様に、冷却された振動板４０に形成された圧電層４１に対して噴きつけ工程を行うことで、圧電層４１に作用する圧縮応力が緩和され、圧電層４１の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。
【００５３】
また、噴きつけ工程後に、流路ユニット６と圧電アクチュエータ７を接合していたが、これに限られず、流路ユニット６に一体となった振動板４０と圧電層４１を接合した後に、圧電層４１上にＡＤ法により粒子を噴きつけて絶縁層６０を形成して圧電アクチュエータ７を製造してもよい。
【００５４】
さらに、本実施形態においては、噴きつけ工程において、圧電層４１の上面にＡＤ法により絶縁材料の粒子を噴きつけて絶縁層６０を形成していたが、導電性材料の粒子を噴きつけてもよい。これによると、圧電層４１に生じた圧縮応力の緩和のための噴きつけ工程において圧電層４１に電界を付与するために必要な電極を形成することができる。この一例について以下説明する。
【００５５】
１）圧電層４１の複数の活性部となる領域の振動板４０と反対側の表面にＡＤ法により個別電極４２を形成してもよい。これにより、個別電極４２の噴きつけ工程において、圧電層４１の活性部となる領域の圧縮応力は緩和され、活性部の見かけ上の圧電特性の低下を抑制することができる。この個別電極４２を形成するためのＡＤ法による噴きつけ工程は、圧電層形成工程においてエアロゾル室に封入された圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルを、個別電極４２を構成するステンレス、金または銀などの導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルに入れ替えるか、もしくは、噴射ノズル５３の連通先を圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室から導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室に切り換えることで、圧電層形成工程のときと同じチャンバー５１内で行うことができる。また、チャンバー５１内のステージ５２を取り外し自在にして、圧電材料の粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室を備えたチャンバー５１内にこのステージ５２を取り付けて、圧電層形成工程を行った後、ステージ５２を取り外して、このステージ５２を導電性を有する粒子と気体とのエアロゾルが封入されたエアロゾル室を備えたチャンバー内に取り付けて、噴きつけ工程を行ってもよい。
【００５６】
２）図７に示すように、圧電層４１の振動板４０と反対側の面全域にＡＤ法により共通電極１４３を形成してもよい。共通電極１４３の形成方法については、上述した個別電極の形成方法と同様である。このとき、圧電層４１の複数の活性部となる領域の振動板４０と対向する面に個別電極１４２を形成する。このとき、振動板４０と圧電層４１との間には、絶縁層１５０が配置される。この絶縁層１５０は、振動板４０と個別電極１４２が導通するのを防止するとともに、アニール処理における加熱によって振動板４０を形成する金属材料（ここでは、ステンレス鋼）が拡散して圧電層４１に達してしまうのを防止する。
【００５７】
また、本実施形態においては、噴きつけ工程においてＡＤ法により圧電層４１の上面に絶縁層６０を形成していたが、圧電層４１の上面に層を形成したくない場合には、単にＡＤ法により圧電層４１の上面に成膜しない程度の量の粒子を衝突させて、圧電層４１に対して引っ張り応力を生じさせるだけでもよい。
【００５８】
以上、説明した実施形態及びその変更形態では、本発明を、記録用紙にインクを噴射して画像などを記録するインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータの製造方法に適用したが、本発明の適用対象は、このようなインクジェットヘッド用の圧電アクチュエータに限られず、様々な用途に使用される圧電アクチュエータの製造方法に適用できる。
【符号の説明】
【００５９】
１ インクジェットプリンタ
３ インクジェットヘッド
７ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４１ 圧電層
４２ 個別電極
６０ 絶縁層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記振動板の前記一表面に、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法により、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記振動板に形成された前記圧電層を前記振動板とともに加熱する加熱工程と、
加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、
冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、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】
振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記振動板と前記圧電層を加熱しながら前記振動板の前記一表面に前記圧電層を接合する接合工程と、
加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、
冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、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３】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、絶縁材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させて、絶縁層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記圧電層の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記電極を形成する電極形成工程をさらに備えており、
前記電極形成の後に、前記噴きつけ工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記圧電層は、前記活性部となる領域を面方向に離散して複数有しており、
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の複数の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで複数の前記電極をそれぞれ形成することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記電極を形成することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記圧電層形成工程において、前記エアロゾルデポジション法により、前記振動板の前記一表面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記圧電層を形成しており、
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記圧電層形成工程で用いた圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同じ前記エアロゾルを噴きつけ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１】
振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記振動板の前記一表面に、エアロゾルデポジション法またはゾルゲル法により、前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記振動板に形成された前記圧電層を前記振動板とともに加熱する加熱工程と、
加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、
冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、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】
振動板と、前記振動板の一表面に形成され、電界にさらされることにより変形する活性部を有する圧電層と、前記活性部に電界を付与するために電圧が印加される電極と、を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
前記振動板よりも線膨張係数の小さい材料からなる前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記振動板と前記圧電層を加熱しながら前記振動板の前記一表面に前記圧電層を接合する接合工程と、
加熱された前記振動板と前記圧電層を冷却する冷却工程と、
冷却された前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、エアロゾルデポジション法により、粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつける噴きつけ工程と、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３】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、絶縁材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させて、絶縁層を形成することを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項４】
前記圧電層の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記電極を形成する電極形成工程をさらに備えており、
前記電極形成の後に、前記噴きつけ工程を行うことを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項５】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることを特徴とする請求項１または２に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項６】
前記圧電層は、前記活性部となる領域を面方向に離散して複数有しており、
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の複数の前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで複数の前記電極をそれぞれ形成することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項７】
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の前記振動板と反対側の面全域に、導電性材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記電極を形成することを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項８】
前記圧電層形成工程において、前記エアロゾルデポジション法により、前記振動板の前記一表面に、圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルを噴きつけて、前記粒子を堆積させることで前記圧電層を形成しており、
前記噴きつけ工程において、前記圧電層の少なくとも前記活性部となる領域の前記振動板と反対側の表面に、前記圧電層形成工程で用いた圧電材料の粒子とキャリアガスとを含んだエアロゾルと同じ前記エアロゾルを噴きつけ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。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１０−２２５７０９（Ｐ２０１０−２２５７０９Ａ）
【公開日】平成２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−６９２７９（Ｐ２００９−６９２７９）
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【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２２年１０月７日（２０１０．１０．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月２３日（２００９．３．２３）
【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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