JP2010188694A - 液体搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】振動板の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板の破損を抑制することが可能であり、かつ、振動板の変位量の低下を抑制することが可能な液体搬送装置を提供する。
【解決手段】このインクジェットヘッド（液体搬送装置）は、圧力室溝１４を有する本体部１１と、圧力室溝１４を塞ぐように本体部１１上に形成され、圧力室溝１４とともに圧力室１４ａを形成する振動板１２と、振動板１２上に形成され、圧電膜３１を含む圧電素子３０とを備えている。この圧電膜３１は、厚部３１ｂと、厚部３１ｂよりも厚みの小さい薄部３１ａとを有している。そして、圧電膜３１の厚部３１ｂは、その一部が圧力室１４ａの外側に位置するように配されており、圧電膜３１の薄部３１ａは、圧力室１４ａの内側の領域と対応する領域に位置するように配されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、液体搬送装置に関し、特に、圧電素子を備えた液体搬送装置に関する。

近年、インク滴を吐出し、これを被印刷媒体に付着させて画像形成を行うインクジェットプリンタが、高速印刷、低騒音、高精細印刷、低コストなどの理由により、急速に普及している。このようなインクジェットプリンタには、インク滴を吐出するインクジェットヘッド（液体搬送装置）が搭載されている。

インクジェットヘッドにおけるインク吐出機構の一つとして、振動板の振動によってインクを吐出する機構がある。この振動板の駆動には撓み振動モードの圧電素子が広く用いられている。

また、上記したインクジェットヘッドにおいては、小型化、高密度化を達成するために、薄膜技術により圧電膜を形成し、接着剤を用いずに直接成膜することによって、バルク接着よりも薄い圧電膜を形成する技術が提案されている。

図２４および図２５は、従来の一例によるインクジェットヘッドを説明するための断面図である。図２４および図２５を参照して、従来の一例によるインクジェットヘッドは、圧力室（液室）５１１を有するヘッド本体部５１０と、ヘッド本体部５１０上に形成された振動板５２０と、振動板５２０上に形成された圧電素子５３０とを備えている。圧電素子５３０は、薄膜技術を用いて直接成膜された圧電膜５３１と、この圧電膜５３１を上下に挟む電極（図示せず）とから構成されている。また、ヘッド本体部５１０の圧力室５１１は、圧力室隔壁５１２と上記振動板５２０とを含んで構成されている。なお、圧電膜５３１を有する圧電素子５３０によって振動板５２０を振動させるために、振動板５２０は薄く形成されている。

しかしながら、上記薄膜技術により圧電膜を成膜した場合、成膜時に圧電膜５３１に内部応力が発生し、図２４に示すように、圧電膜５３１が内包する応力によって振動板５２０が撓んでしまう。そして、この撓みにより、振動板５２０に初期変位が生じてしまうという不都合があった。また、振動板５２０の振動時に、振動板５２０と圧力室隔壁５１２との接合部（振動板接合部）５４０（図２５参照）に応力が集中して加わるので、薄く形成された振動板５２０では、振動板特性の劣化や振動板５２０の破損が生じ易いという不都合もあった。

このため、上記した不都合を解消するために、圧電素子や振動板の構造には様々な工夫が試みられている（たとえば、特許文献１および２参照）。

たとえば、上記特許文献１には、圧電膜が溝部によって複数に分離され、この溝部内に圧電膜よりも弾性率の小さい樹脂が充填されたインクジェットヘッドが開示されている。このインクジェットヘッドでは、圧電膜に溝部が形成されることによって、圧電膜の成膜時に発生する内部応力が開放され、これによって、振動板の初期変位の発生が抑制される。

また、上記特許文献２には、振動板の圧力室側に凹部が形成されたインクジェットヘッドが開示されている。このインクジェットヘッドでは、振動板の圧力室側に凹部が形成されることによって、振動板接合部への局所的な応力集中が避けられている。このため、振動板を薄く形成した場合でも、振動板特性の劣化や振動板の破損が抑制される。

特開２００７−２８１２８６号公報 特開２００４−２０９８７４号公報

しかしながら、上記特許文献１に開示された従来のインクジェットヘッドでは、振動板の初期変位の発生は抑えられても、振動板接合部への局所的な応力集中を抑制することは困難であるため、振動板特性の劣化や振動板の破損を抑制することが困難であるという問題点がある。

また、上記特許文献２に開示された従来のインクジェットヘッドでは、振動板接合部への局所的な応力集中を避けることは可能であるものの、振動板の初期変位の発生を抑制することは困難であるという問題点がある。

すなわち、上記特許文献１および２に開示された従来のインクジェットヘッドの構造では、振動板に初期変位が生じるという不都合、および、振動板特性の劣化や振動板の破損が生じ易いという不都合のいずれか一方は解消できるものの、これらの不都合を同時に解消することは困難であるという問題点がある。

また、上記特許文献２では、実際に振動板として機能する部分が小さくなってしまう場合があり、この場合には、振動板の変位量が低下するという問題点もある。なお、振動板の変位量が低下すると、インク滴を吐出させるための吐出エネルギが小さくなってしまうので、インク滴を吐出させるのが困難になる。特に、吐出させるインクの粘度が大きい場合には、この問題が顕著となる。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の目的は、振動板の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板の破損を抑制することが可能であり、かつ、振動板の変位量の低下を抑制することが可能な液体搬送装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による液体搬送装置は、凹部を有する本体部と、凹部を塞ぐように本体部上に形成され、凹部とともに液室を形成する振動板と、振動板上に形成され、圧電膜を含む圧電素子とを備えている。そして、圧電膜は、第１部分と、第１部分よりも厚みの小さい第２部分とを有し、平面的に見て、圧電膜の第１部分は、その一部が液室の外側に位置するように配されているとともに、圧電膜の第２部分は、液室の内側の領域と対応する領域に位置するように配されている。

この一の局面による液体搬送装置では、上記のように、圧電膜を、第１部分と、この第１部分よりも厚みの小さい第２部分とを有する構成にするとともに、厚みの小さい第２部分を、平面的に見て、液室の内側の領域と対応する領域に位置するように配することによって、厚みの小さい第２部分では、圧電膜の成膜時に発生する内部応力（残留応力）が低減されるので、圧電膜の応力に起因する振動板の撓みを低減することができる。これにより、振動板の初期変位の発生を抑制することができる。また、圧電膜の第１部分を、平面的に見て、その一部が液室の外側に位置するように配することによって、厚みの大きい第１部分で振動板接合部の強度を補強することができる。さらに、圧電膜の第１部分は、厚みの小さい第２部分に比べて、電圧印加時の変位量が小さいので、振動板における振動板接合部近傍の変位量を低減することができる。これにより、振動板接合部への局所的な応力集中を抑制することができる。したがって、上記のように構成することによって、振動板特性の劣化および振動板の破損を抑制することができる。

また、一の局面による液体搬送装置では、圧電膜の第２部分の厚みを第１部分の厚みよりも小さく形成するとともに、厚みの小さい第２部分を、液室の内側の領域と対応する領域に配することによって、十分な振動板の変位を得ることができる。また、上記した構成では、実際に振動板として機能する部分が小さくなるということもないので、振動板の変位量の低下を抑制することができる。

上記一の局面による液体搬送装置において、好ましくは、圧電膜の第１部分は、平面的に見て、凹部の略中央部の領域と対応する位置に配されている。このように構成すれば、容易に、振動板の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板の破損を抑制することができる。また、このように構成すれば、容易に、振動板の変位量の低下を抑制することができる。

上記一の局面による液体搬送装置において、好ましくは、圧電膜の第１部分は、第２部分を囲むように形成されており、平面的に見て、圧電膜の外周端が、凹部の外側に位置しているとともに、第１部分と第２部分との境界部が、凹部の内側に位置している。このように構成すれば、より容易に、振動板の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板の破損を抑制することができる。

上記一の局面による液体搬送装置において、好ましくは、圧電素子は、圧電膜を上下に挟む第１電極および第２電極をさらに含み、第１電極は、圧電膜の第２部分の上面上に形成されており、第２電極は、振動板と圧電膜との間に形成されている。このように構成すれば、電圧印加時における圧電膜の第１部分の変位量を、十分に小さくすることができるので、振動板における振動板接合部近傍の変位量をより低減することができる。これにより、振動板特性の低下および振動板の破損を効果的に抑制することができる。

この場合において、第１電極を、圧電膜の第２部分の上面上にのみ形成してもよい。このように構成すれば、電圧印加時の圧電膜における第１部分の変位量を、より小さくすることができる。

上記一の局面による液体搬送装置において、圧電膜における、第２部分と第１部分との厚みの比が、１／５以上１／４以下であることが好ましい。

上記一の局面による液体搬送装置において、本体部は、シリコンから構成されているのが好ましい。

以上のように、本発明によれば、振動板の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板の破損を抑制することが可能であり、かつ、振動板の変位量の低下を抑制することが可能な液体搬送装置を容易に得ることができる。

本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの裏面側から見た分解斜視図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの平面図である。 図３の一部を拡大して示した平面図である。 図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。 シミュレーションに用いた実施例のモデル構造を示す図である。 シミュレーションに用いた比較例のモデル構造を示す図である。 振動板の初期変位についてのシミュレーションの結果を示したグラフである。 振動板の駆動時の変位量についてのシミュレーション結果を示したグラフである。 本発明の第２実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。 本発明の変形例によるインクジェットヘッドの一部を拡大して示した平面図である。 従来の一例によるインクジェットヘッドを説明するための断面図である。 従来の一例によるインクジェットヘッドを説明するための断面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態では、液体搬送装置の一例であるインクジェットヘッドに本発明を適用した場合について説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。図２は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの裏面側から見た分解斜視図である。図３は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの平面図である。図４および図５は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの構造を説明するための図である。まず、図１〜図５を参照して、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの構造について説明する。

第１実施形態によるインクジェットヘッドは、図１〜図３に示すように、ボディプレート１０と、ボディプレート１０の下面上に接着されたノズルプレート２０と、ボディプレート１０の上面上に形成された圧電素子３０とを備えている。

ボディプレート１０は、約１５０μｍ〜約５００μｍの厚みを有するシリコン基板からなり、本体部１１と、この本体部１１上に形成された振動板１２とを含んでいる。振動板１２は、シリコン基板を熱酸化処理することによって形成されたＳｉＯ₂層からなり、約１μｍ〜約２μｍの厚みを有している。

ボディプレート１０の本体部１１には、ノズルプレート２０を被せて接着することでインク路が形成される複数の溝が形成されている。具体的には、図２および図３に示すように、ボディプレート１０の本体部１１には、共通インク室１３ａとなる共通インク室溝１３、圧力室１４ａ（図１および図５参照）となる圧力室溝１４、および共通インク室１３ａから各圧力室１４ａにインクを供給するためのインク供給路１５ａとなるインク供給路溝１５が形成されている。また、共通インク室溝１３の底部には、共通インク室１３ａにインクを供給するためのインク供給口１６が形成されている。なお、圧力室１４ａは、本発明の「液室」の一例であり、圧力室溝１４は、本発明の「凹部」の一例である。

上記圧力室溝１４は、ボディプレート１０の本体部１１に複数形成されている。これら複数の圧力室溝１４は、平面的に見て、それぞれ、Ｙ方向に延びる略矩形状（略長方形形状）に形成されている。また、複数の圧力室溝１４は、Ｘ方向に所定の間隔を隔てて一列に配列されている。なお、圧力室溝１４は、図４に示すように、Ｘ方向の幅Ｗ１が約２００μｍに形成されているとともに、Ｙ方向の長さＬ１が約２００μｍ〜約３０００μｍに形成されている。また、この圧力室溝１４は、本体部１１の厚み方向に、振動板１２に達する深さに形成されている。これにより、複数の圧力室溝１４が振動板１２によって塞がれた状態となっている。

ノズルプレート２０は、所定の厚みを有するシリコン基板から構成されており、図２に示すように、インクを吐出するためのノズル２１が複数形成されている。このノズル２１の穴径は、約φ１μｍ〜約φ３０μｍであり、これら複数のノズル２１は、上記圧力室溝１４と対応するように配列されている。そして、図１および図５に示すように、ノズルプレート２０のノズル２１とボディプレート１０の圧力室溝１４とが一対一で対応するように、ノズルプレート２０がボディプレート１０の下面上に接着剤などで接着されている。

また、上述したように、ノズルプレート２０がボディプレート１０に取り付けられることによって、共通インク室１３ａ、圧力室１４ａおよびインク供給路１５ａが構成されている。上記圧力室１４ａは、圧力室溝１４、振動板１２およびボディプレート１０を含んで構成されており、圧力室隔壁１４ｂによって、隣り合う圧力室１４ａ同士が互いに隔てられている。また、ノズルプレート２０がボディプレート１０に取り付けられた状態で、ノズルプレート２０のノズル２１が各圧力室１４ａと連通するように構成されている。

圧電素子３０は、インクをノズル２１から吐出させるためのアクチュエータとして機能し、ボディプレート１０の上面上（ノズルプレート２０と反対側の面上）に複数形成されている。具体的には、図３〜図５に示すように、複数の圧電素子３０は、インクジェットヘッドの複数の圧力室１４ａを覆う振動板１２の表面上に、複数の圧力室１４ａにそれぞれ対応するように配置されている。この圧電素子３０は、図１に示すように、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる圧電膜３１と、この圧電膜３１を上下に挟む一対の電極（下部電極３２および上部電極３３）とを含んで構成されている。なお、下部電極３２および上部電極３３は、それぞれ、本発明の「第２電極」および「第１電極」の一例である。

圧電素子３０を構成する下部電極３２は、振動板１２上に、Ｔｉ層（図示せず）とＰｔ層（図示せず）とが順次積層させた多層構造からなり、複数の圧電素子３０に共通の共通電極としての役割を有している。

また、図３に示すように、圧電膜３１は、下部電極３２上におけるインクジェットヘッドの圧力室１４ａと対応する領域に、複数形成されている。これら複数の圧電膜３１は、それぞれ、平面的に見て、略矩形状（略長方形形状）に形成されている。この圧電膜３１は、たとえば、スパッタ法などの薄膜技術を用いて形成されている。また、図１に示すように、圧電素子３０を構成する上部電極３３は、複数の圧電膜３１の各々の上面上に形成されている。この上部電極３３は、Ｃｒ層（図示せず）とＡｕ層（図示せず）とが順次積層された多層構造からなるとともに、圧電膜３１の上面上の全面に形成されている。また、上部電極３３は、各圧電素子３０に個別に電圧を印加するための信号印加電極としての役割を有している。

ここで、第１実施形態では、複数の圧電膜３１（圧電素子３０）のそれぞれが、外周部分の厚みに比べて中心部分の厚みが小さく形成されている。具体的には、圧電膜３１は、厚みの小さい薄部３１ａと、薄部３１ａよりも厚みの大きい厚部３１ｂとを有している。圧電膜３１の薄部３１ａは、図１および図４に示すように、平面的に見て、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の略中央部と対応（対向）するように（圧力室１４ａの内側に位置するように）に配されている。また、圧電膜３１の薄部３１ａは、平面的に見て、略矩形状（略長方形形状）に形成されている。一方、圧電膜３１の厚部３１ｂは、枠状に形成されており、薄部３１ａを囲むように圧電膜３１の外周部分に配されている。なお、圧電膜３１の厚部３１ｂは、本発明の「第１部分」の一例であり、圧電膜３１の薄部３１ａは、本発明の「第２部分」の一例である。

また、第１実施形態では、圧電膜３１の薄部３１ａは、約１μｍの厚みに形成されているとともに、圧電膜３１の厚部３１ｂは、約２μｍ〜約５μｍの厚みに形成されている。なお、薄部３１ａと厚部３１ｂとの厚みの比は、１／５以上１／２以下とするのが好ましく、１／５以上１／４以下とすればより好ましい。

また、第１実施形態では、圧電膜３１は、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）を覆うように形成されている。このため、平面的に見た場合に、圧電膜３１の外周端（四辺）が、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の外側に位置している。すなわち、圧電膜３１の一部が、圧力室１４ａの外側にかかっている。具体的には、圧電膜３１のＸ方向の幅Ｗ２は、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の幅Ｗ１（約２００μｍ）よりも大きい、約２０２μｍ〜約２０４μｍに形成されているとともに、圧電膜３１のＹ方向の長さＬ２は、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の長さＬ１よりも大きい、約２０４μｍ〜約３００４μｍに形成されている。そして、この圧力室１４ａの外側にかかる長さａ（図１参照）が、約１μｍ〜約２μｍとなるように圧電膜３１が下部電極３２上に配置されている。また、圧電膜３１は、厚部３１ｂの幅Ｗ２１（図１参照）が、２μｍより大きく、かつ、１０μｍ以下に形成されている。このため、厚部３１ｂと薄部３１ａとの境界部が、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の内側に位置している。なお、圧電膜３１の厚部３１ｂの幅Ｗ２１は、圧電膜３１の全体の幅Ｗ２の５％以下とするのが好ましい。また、圧力室１４ａの外側にかかる長さａは、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の幅Ｗ１（図１参照）の１％程度ずつとするのが好ましい。

上記のように構成された第１実施形態によるインクジェットヘッドでは、上部電極３３に駆動電圧が印加されると、上部電極３３と下部電極３２とに挟まれた圧電膜３１がその厚み方向に伸長し、圧電膜３１の変形に起因して振動板１２が振動する。この振動板１２の振動により、圧力室１４ａ内のインクに圧力が付与されてノズル２１からインクが吐出される。

第１実施形態では、上記のように、圧電膜３１を、厚部３１ｂと、この厚部３１ｂよりも厚みの小さい薄部３１ａとを有する構成にするとともに、厚みの小さい薄部３１ａを、平面的に見て、圧力室１４ａの内側の領域に位置するように配することによって、厚みの小さい薄部３１ａでは、圧電膜３１の成膜時に発生する内部応力（残留応力）が低減されるので、圧電膜３１の応力に起因する振動板１２の撓みを低減することができる。これにより、振動板１２の初期変位の発生を抑制することができる。

また、第１実施形態では、圧電膜３１の厚部３１ｂを、平面的に見て、その一部が圧力室１４ａの外側に位置するように配することによって、厚みの大きい厚部３１ｂで振動板接合部（エッジ部）４０（図１および図５参照）の強度を補強することができる。さらに、圧電膜３１の厚部３１ｂは、厚みの小さい薄部３１ａに比べて、電圧印加時の変位量が小さいので、振動板１２における振動板接合部４０の近傍の変位量を低減することができる。これにより、振動板接合部４０への局所的な応力集中を抑制することができる。したがって、上記のように構成することによって、振動板特性の劣化および振動板１２の破損を抑制することができる。

また、第１実施形態では、厚みの小さい薄部３１ａを、圧力室１４ａの内側に配することによって、十分な変位量で振動板１２を振動させることができる。また、上記した第１実施形態の構成では、実際に振動板として機能する部分が小さくなるということもないので、振動板１２の変位量の低下を抑制することもできる。

また、第１実施形態では、圧電膜３１の薄部３１ａを、平面的に見て、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の略中央部と対応（対向）する領域に配することによって、容易に、振動板１２の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板１２の破損を抑制することができる。

また、第１実施形態では、圧電膜３１の厚部３１ｂを、薄部３１ａを囲むように形成するとともに、平面的に見て、圧電膜３１の外周端が、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の外側に位置し、かつ、厚部３１ｂと薄部３１ａとの境界部が、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）の内側に位置するように圧電膜３１を形成することによって、より容易に、振動板１２の初期変位の発生を抑制しながら、振動板特性の低下および振動板１２の破損を抑制することができる。

図６〜図１７は、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法を説明するための断面図である。次に、図１、図２および図６〜図１７を参照して、本発明の第１実施形態によるインクジェットヘッドの製造方法について説明する。なお、第１実施形態によるインクジェットヘッドは、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍ）技術を用いて形成される。

まず、図６に示すように、ＳｉＯ₂層（酸化膜）１２が形成されたシリコン基板１０１を準備する。次に、図７に示すように、スパッタ法を用いて、シリコン基板１０１のＳｉＯ₂層１２上に、Ｔｉ層（図示せず）およびＰｔ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる下部電極３２を形成する。

続いて、図８に示すように、下部電極３２上に、スパッタ法を用いて、約３μｍ〜約４μｍの厚みを有する第１ＰＺＴ膜３１１を成膜する。次に、図９に示すように、第１ＰＺＴ膜３１１上に、スピンコート法を用いて、感光性レジスト層５０を塗布し、ホットプレート（図示せず）上で、１１０℃、１．５分間の条件でプリベークを行うことによって、感光性レジスト層５０を固化させる。そして、第１のパターンマスク（図示せず）を感光性レジスト層５０上に設置した後、規定光量（４５ｍＪ／ｍｍ²）で露光を行うことによって、感光性レジスト層５０のパターン露光を行う。その後、現像を行い感光性レジスト層５０の所定部分を除去する。これにより、図１０に示すように、感光性レジスト層５０からなるマスク層５０ａが、第１ＰＺＴ膜３１１上に形成される。このマスク層５０ａは、圧電膜３１の厚部３１ｂ（図１参照）となる領域上に形成される。

次に、図１１に示すように、マスク層５０ａをマスクとして第１ＰＺＴ膜３１１をウェットエッチングすることにより、第１ＰＺＴ膜３１１の所定部分を除去する。その後、マスク層５０ａを除去する。これにより、図１２に示すように、圧電膜３１の厚部３１ｂ（図１参照）の形状にパターニングされた第１ＰＺＴ膜３１１が得られる。

次に、図１３に示すように、パターニングされた第１ＰＺＴ膜３１１が設けられた下部電極３２上に、スパッタ法を用いて、さらに第２ＰＺＴ膜３１２を約１μｍの厚みで成膜する。そして、図１４に示すように、第２ＰＺＴ膜３１２上に、スピンコート法を用いて、感光性レジスト層６０を塗布し、上述と同様にして、感光性レジスト層６０を固化させる。その後、第２のパターンマスク（図示せず）を感光性レジスト層６０上に設置した後、規定光量（４５ｍＪ／ｍｍ²）で露光を行うことによって、感光性レジスト層６０のパターン露光を行う。そして、現像を行い感光性レジスト層６０の所定部分を除去する。これにより、図１４に示すようにパターニングされたマスク層６０ａが第２ＰＺＴ膜３１２上に形成される。このマスク層６０ａは、圧電膜３１（図１参照）となる領域上に形成される。

続いて、マスク層６０ａをマスクとして第２ＰＺＴ膜３１２をウェットエッチングすることにより、第２ＰＺＴ膜３１２の所定部分を除去する。その後、マスク層６０ａを除去する。これにより、図１５に示すように、第２ＰＺＴ膜３１２が圧電膜３１の形状にパターニングされ、厚部３１ｂと薄部３１ａとを有する圧電膜３１が形成される。

次に、図１６に示すように、スパッタ法を用いて、圧電膜３１の上面上の全面に、Ｃｒ層（図示せず）およびＡｕ層（図示せず）が順次積層された多層構造からなる上部電極３３を形成する。これにより、ＰＺＴ（第１ＰＺＴ膜３１１および第２ＰＺＴ膜３１２）からなる圧電膜３１と、この圧電膜３１を上下に挟む一対の電極とを含む圧電素子３０が形成される。

次に、図１７に示すように、シリコン基板１０１の裏面側からＳｉＯ₂層１２に達する深さまでシリコン基板１０１をエッチングすることにより、圧力室溝１４を形成する。このとき、圧力室溝１４は、圧電素子３０（圧電膜３１）と対応（対向）する領域に形成するとともに、圧力室溝１４の大きさ（平面積）が圧電素子３０（圧電膜３１）よりも小さくなるように形成する。なお、圧力室溝１４の形成は、たとえば、ＤＲＩＥ（Ｄｅｅｐ Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）などのドライエッチングにより行うことができる。

また、図２に示したように、シリコン基板１０１に、フォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて、共通インク室溝１３、インク供給路溝１５およびインク供給口１６なども形成する。これにより、図１７に示すように、ＳｉＯ₂層１２からなる振動板１２上に複数の圧電素子３０が設けられたボディプレート１０（シリコン基板１０１）が形成される。なお、シリコン基板１０１において、溝が形成された部分は、ボディプレート１０の本体部１１となる。

最後に、図１に示したように、ノズル２１が形成されたノズルプレート２０を、ノズル２１と圧力室溝１４とが一対一で対応するように位置合わせをした後、シリコン基板１０１の裏面側に接着剤などで接着する。このようにして、第１実施形態によるインクジェットヘッドが製造される。

次に、第１実施形態によるインクジェットヘッドの効果を確認するために行ったコンピュータシミュレーションについて説明する。

このコンピュータシミュレーションでは、第１実施形態によるインクジェットヘッドの構造を実施例とし、圧電膜の厚みが一様である従来のインクジェットヘッドの構造を比較例として、振動板の初期変位、振動板の駆動時の変位量および振動板に加わる駆動時の応力集中について、モデル比較を行った。

図１８は、シミュレーションに用いた実施例のモデル構造を示す図である。図１９は、シミュレーションに用いた比較例のモデル構造を示す図である。

実施例のモデル構造は、図１８に示すように、上記第１実施形態のインクジェットヘッドの構造において、圧力室（圧力室溝）の幅Ｗ１を２００μｍとし、圧電膜の全体の幅Ｗ２を２０４μｍとした。また、圧電膜の厚部の幅Ｗ２１を１０μｍずつとし、圧力室（圧力室溝）の外側にかかる長さａを２μｍずつとした。さらに、圧電膜の薄部の厚みを１μｍとし、厚部の厚みを４μｍとした。

一方、比較例のモデル構造は、図１９に示すように、圧力室（圧力室溝）の幅Ｗ１は実施例と同じ２００μｍとし、圧電膜の厚みは、４μｍの一様な厚みとした。また、圧電膜の幅Ｗ３は、圧力室（圧力室溝）の幅Ｗ１と同じ２００μｍとした。すなわち、比較例では、圧電膜の一部が圧力室（圧力室溝）の外側にかからないモデル構造とした。その他の構造は、実施例と同様とした。

そして、実施例および比較例のモデル構造において、圧電膜の中央（中心線Ｃ）で線対称となるモデルを立ててシミュレーションを行った。なお、コンピュータシミュレーションには、汎用市販ソフトウェアであるＡＮＳＹＳを用いた。

図２０は、振動板の初期変位についてのシミュレーションの結果を示したグラフである。図２０の横軸は、圧電膜の中心部から端部までの距離を示しており、図２０の縦軸は、振動板の初期変位量（μｍ）を示している。図２０に示した振動板の初期変位についてのシミュレーションの結果より、実施例では、比較例よりも、振動板の初期変位が顕著に小さくなることが認められた。具体的には、比較例では、中心部の初期変位量が−２．４３μｍであったのに対して、実施例では、中心部の初期変位量が−０．４μｍと、一桁程度小さい値であった。これより、圧電膜を、厚部と薄部とを有する構成にするとともに、薄部を、平面的に見て、圧力室の内側の領域に位置するように配することによって、振動板の初期変位の発生が抑制されることが確認された。

図２１は、振動板の駆動時の変位量についてのシミュレーション結果を示したグラフである。図２１の横軸は、図２０と同様、圧電膜の中心部から端部までの距離を示しており、図２１の縦軸は、振動板の駆動時の変位量（μｍ）を示している。図２１に示した振動板の駆動時の変位量についてのシミュレーションの結果より、実施例と比較例とで、振動板の駆動時の変位量にほとんど差がないことが認められた。これより、圧電膜を、厚部と薄部とを有する構成にした場合でも、十分な変位で振動板を振動させられることが確認された。

また、振動板に加わる駆動時の応力集中については、実施例では、端部（振動板接合部）への局所的な応力集中が認められず、圧電膜（振動板）全体に応力が分散されることが確認された。これに対し、比較例では、端部（振動板接合部）に局所的な応力集中が発生することが確認された。これより、厚部の一部が圧力室の外側に位置するように圧電膜を配することによって、圧電膜（振動板）全体に応力を分散させることが可能となり、振動板特性の劣化および振動板の破損を抑制できることが明らかとなった。

続いて、図１８に示した実施例のモデル構造において、ダイアフラム長（圧力室の幅）Ｗ１を２００μｍ、圧電膜の薄部の厚みを１μｍに固定し、圧電膜の厚部の幅Ｗ２１および圧力室（圧力室溝）の外側にかかる長さａを変化させて、上記と同様にコンピュータシミュレーションを行った。なお、上記幅Ｗ２１および長さａを変化させているため、圧電膜の全体の幅Ｗ２も変化させてシミュレーションを行っている。

その結果、圧電膜の厚部の厚みが２μｍから１０μｍの範囲では、振動板の初期変位、および、振動板の駆動時の変位量の各々において、大きな変化は認められなかった。なお、スパッタ法を用いた場合、成膜可能な圧電膜の厚みは５μｍ程度が上限と考えられる。これより、圧電膜の薄部と厚部との厚みの比は、１／５以上１／２以下であるのが好ましく、１／５以上１／４以下であればより好ましいことが確認された。

また、圧電膜の厚部の幅Ｗ２１が１０μｍのときに比べて、１５μｍ以上で、振動板の初期変位量が大きくなる結果となった。これより、厚部の幅Ｗ２１は、１０μｍ以下とするのが好ましいことが確認された。したがって、厚部の幅Ｗ２１は、圧電膜の全体の幅Ｗ２の５％以下とするのが好ましいことが確認された。

さらに、圧力室（圧力室溝）の外側にかかる長さａが１μｍの場合と２μｍの場合とを比較すると、長さａが２μｍの場合、１μｍの場合に比べて振動板の初期変位が若干大きくなるものの、長さａが１μｍの場合では、振動板に加わる駆動時の応力が大きくなる結果となった。一方、長さａが５μｍ以上になると、長さａが２μｍの場合に比べて、振動板の初期変位が大きくなる結果となった。これより、圧力室（圧力室溝）の外側にかかる長さａは、２μｍ程度であることが好ましく、圧力室（圧力室溝）の幅Ｗ１の１％程度ずつとするのが好ましいことが明らかとなった。

（第２実施形態）
図２２は、本発明の第２実施形態によるインクジェットヘッドの断面図である。次に、図２２を参照して、この第２実施形態によるインクジェットヘッドでは、上記第１実施形態の構造において、上部電極３３が圧電膜３１の薄部３１ａの上面上にのみ形成されている。なお、第２実施形態のその他の構造は、上記第１実施形態と同様である。また、第２実施形態によるインクジェットヘッドは、上記第１実施形態と同様にして製造することができる。

第２実施形態では、上記のように、上部電極３３を、圧電膜３１の薄部３１ａの上面上にのみ形成することによって、電圧印加時における圧電膜３１の厚部３１ｂの変位量を、十分に小さくすることができるので、振動板１２における振動板接合部４０近傍の変位量をより低減することができる。これにより、振動板接合部４０への局所的な応力集中を抑制することができるので、振動板特性の低下および振動板１２の破損を効果的に抑制することができる。

第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、インクジェットヘッドに本発明を適用した例を示したが、本発明はこれに限らず、インクジェットヘッド以外の液体搬送装置に本発明を適用してもよい。たとえば、液体搬送装置の一例であるマイクロポンプに本発明を適用してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、圧電膜をＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、ＰＺＴ以外の圧電材料から圧電膜を構成してもよい。ＰＺＴ以外の圧電材料としては、たとえば、マグネシウムニオブ酸鉛、ニッケルニオブ酸鉛、亜鉛ニオブ酸鉛、マンガンニオブ酸鉛、アンチモンスズ酸鉛、チタン酸鉛、亜鉛酸化物、アルミ窒化物などが挙げられる。

また、上記第１および第２実施形態では、スパッタ法を用いて、圧電膜を成膜した例を示したが、本発明はこれに限らず、スパッタ法以外の成膜方法を用いて、圧電膜を成膜してもよい。たとえば、ＡＤ（エアロゾルデポジション）法やゾルゲル法などの化学溶液法を用いて圧電膜を成膜してもよいし、スクリーン印刷法を用いて圧電膜を成膜してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、第１ＰＺＴ膜を成膜した後、さらに第２ＰＺＴ膜を成膜することによって、厚部と薄部とを有する圧電膜を形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、上記以外の手法を用いて、厚部と薄部とを有する圧電膜を形成してもよい。たとえば、厚みの大きいＰＺＴ膜を成膜した後、エッチング技術を用いて所定部分を除去することにより、厚部と薄部とを有する圧電膜を形成してもよいし、ナノインプリント法を用いて、厚部と薄部とを有する圧電膜を形成してもよい。

なお、上記第１および第２実施形態において、ボディプレートに形成する溝の大きさは、用途やノズルの大きさ、数等により適宜決めることができる。また、圧電素子（圧電膜）の形状、寸法等も適宜変更することができる。

また、上記第１および第２実施形態では、圧力室（圧力室溝）を、平面的に見て、略矩形状に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、圧力室（圧力室溝）の平面形状は、略矩形状以外の形状であってもよい。たとえば、図２３に示すように、圧力室１４ａ（圧力室溝１４）を、平面的に見て、円形状に形成してもよい。この場合、圧電素子３０（圧電膜３１）も、円形状に形成するのが好ましい。

また、上記第１および第２実施形態では、圧電膜の四辺が、いずれも、圧力室の外側にかかるように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、圧電膜の四辺の一部が、圧力室の外側にかからないように構成してもよい。たとえば、圧電膜のＸ方向の二辺のみが、圧力室の外側にかかっており、圧電膜のＹ方向の二辺が、圧力室の外側にかからないように構成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、圧電膜の厚部を、枠状に形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、圧電膜の厚部を、枠状以外の形状に形成してもよい。たとえば、圧電膜の厚部を、枠の一部が途切れた形状に形成してもよいし、図２３に示したように、圧電膜３１の厚部３１ｂを、環状に形成してもよい。また、圧電膜の厚部を、略長方形形状に形成してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、圧力室（圧電素子）を一列に配列した例を示したが、本発明はこれに限らず、たとえば、圧力室（圧電素子）を二列に配列してもよい。

１０ ボディプレート
１１ 本体部
１２ 振動板
１３ 共通インク室溝
１３ａ 共通インク室
１４ 圧力室溝（凹部）
１４ａ 圧力室（液室）
１４ｂ 圧力室隔壁
１５ インク供給路溝
１５ａ インク供給路
１６ インク供給口
２０ ノズルプレート
２１ ノズル
３０ 圧電素子
３１ 圧電膜
３１ａ 薄部（第２部分）
３１ｂ 厚部（第１部分）
３２ 下部電極（第２電極）
３３ 上部電極（第１電極）
４０ 振動板接合部

Claims (7)

1. 凹部を有する本体部と、
   前記凹部を塞ぐように前記本体部上に形成され、前記凹部とともに液室を形成する振動板と、
   前記振動板上に形成され、圧電膜を含む圧電素子とを備え、
   前記圧電膜は、第１部分と、前記第１部分よりも厚みの小さい第２部分とを有し、
   平面的に見て、前記圧電膜の第１部分は、その一部が前記液室の外側に位置するように配されており、前記圧電膜の第２部分は、前記液室の内側の領域と対応する領域に位置するように配されていることを特徴とする、液体搬送装置。
2. 前記圧電膜の第２部分は、平面的に見て、前記凹部の略中央部の領域と対応する位置に配されていることを特徴とする、請求項１に記載の液体搬送装置。
3. 前記圧電膜の第１部分は、前記第２部分を囲むように形成されており、
   平面的に見て、前記圧電膜の外周端が、前記凹部の外側に位置しているとともに、前記第１部分と前記第２部分との境界部が、前記凹部の内側に位置していることを特徴とする、請求項１または２に記載の液体搬送装置。
4. 前記圧電素子は、前記圧電膜を上下に挟む第１電極および第２電極をさらに含み、
   前記第１電極は、前記圧電膜の第２部分の上面上に形成されており、
   前記第２電極は、前記振動板と前記圧電膜との間に形成されていることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の液体搬送装置。
5. 前記第１電極は、前記圧電膜の第２部分の上面上にのみ形成されていることを特徴とする、請求項４に記載の液体搬送装置。
6. 前記圧電膜における、前記第２部分と前記第１部分との厚みの比が、１／５以上１／４以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の液体搬送装置。
7. 前記本体部は、シリコンから構成されていることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の液体搬送装置。

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