JP5157185B2 - 液体移送装置及び液滴噴射装置。 - Google Patents
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Description
本発明は、液体移送装置及び液滴噴射装置に関する。
液体に圧力を付与して所定の位置へ移送する液体移送装置として、インクをノズルへ移送して、このノズルから被記録媒体に対してインクを吐出するインクジェットヘッドが知られている。このインクジェットヘッドとしては、圧電アクチュエータにより圧力室を覆うように配置された振動板を変形させることにより圧力室内のインクに圧力を付与することにより、その圧力室に連通するノズルからインクを吐出させるように構成されたものがある。例えば、特許文献１に記載のインクジェットヘッドにおいては、振動板の上面に圧電層が形成されており、圧電層の上面の圧力室に重なる部分には、上部電極（個別電極）が形成されている。そして、上部電極の電位を下部電極である振動板よりも高くすることによって振動板を圧力室側に凸になるように変形させて圧力室内のインクに圧力を付与してノズルからインクを吐出する、いわゆる押し打ちを行っている。
特許文献１に記載のインクジェットヘッドにおいては、このような押し打ちのほか、上部電極の電位を予め振動板よりも高い電位にして、振動板を圧力室側に凸になるように変形させておき、インクの吐出要求がある毎に一旦振動板の変形を元に戻した後、所定のタイミングで再び振動板を変形させることによってノズルからインクを吐出する、いわゆる引き打ちを行うことも可能である。このような引き打ちでは、振動板の変形を元に戻したときに圧力室内に発生する負の圧力波が正に反転するタイミングで再び振動板を圧力室側に凸に変形させて圧力波を重ね合わせることにより、圧力室内のインクに付与する圧力を押し打ちの場合よりも大きくすることができる。このため、引き打ちを行うほうが押し打ちを行うよりも低電圧駆動が可能となる。
特開２００５−１２５７４３号公報（図３）
しかしながら、特許文献１のインクジェットヘッドにおいて引き打ちを行うためには、インクの吐出を行わないときに常に上部電極を振動板よりも高い電位にし、圧電層に電界を印加し続けておく必要がある。このため、圧電層の耐久性が低下する虞があるとともに、消費電力が大きくなってしまうという問題がある。
また、このインクジェットヘッドは、上部電極と振動板との間に挟まれた圧電層が駆動領域となっており、かかる部分の収縮により振動板を変形させて圧力室内のインクに圧力を付与するものであるが、圧電層が振動板の全面に隙間なく形成されているので、圧電層には駆動領域以外の領域が存在する。この駆動領域以外の圧電層によって振動板の変形が阻害されるので、インクの吐出時に振動板に対して所望の変形量を得るためには駆動電圧が大きくなってしまい、消費電力が大きくなってしまうという問題もある。
本発明の目的は、消費電力の小さい液体移送装置及び液滴噴射装置を提供することである。
第１の発明の液体移送装置は、液体流入口及び液体流出口を有する圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に前記圧力室を覆うように接合され、前記圧力室と接する面と反対側の面で、且つ前記圧力室と重なる領域に、前記圧力室の中心を通る分割線により分割された二つの領域における一方の領域内に凹部を有する振動板と、この振動板の前記凹部が形成された面に対面するように配置された圧電層と、この圧電層と前記振動板の間に位置し、且つ前記振動板の前記凹部が形成されていない領域に対応する位置に配置された第二の電極と、前記圧電層の前記振動板と対面する面と反対側の面で、且つ前記第二の電極に対応する領域に配置された第一の電極と、を備え、前記第一の電極と前記第二の電極との間に電位差が生じて前記圧電層が変形するときに、前記振動板は、前記分割線と直交する方向において、前記第一の電極と前記第二電極の、前記圧力室の外縁線から最も離れた箇所に対応する部分が、前記凹部が形成された部分よりも前記圧力室から離れるように変形することを特徴とする。
これによると、第一の電極と第二の電極との間に電位差を発生させ、圧電層のこれらの電極に挟まれた部分に電界を発生させると、圧電層の変形によって第一及び第二の電極が配置された振動板の部分がそり上がるように変形し、圧力室の容積が増加する。
従って、第一の電極と第二の電極との間に電位差を発生させることにより圧力室の容積を増加させ、その後、第一の電極と第二の電極との間の電位差をなくして圧力室の容積を元に戻すことにより、圧力室内の液体に圧力を付与して、ノズルから液滴を噴射することができる。これにより、圧力室の容積を一旦増加させてから元に戻すことによってノズルから液滴を噴射する引き打ちを行う場合、液滴を噴射しないときに予め第一の電極と第二の電極との間に電位差を発生させておく必要がなく、消費電力を低減することができる。
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第２の発明の液体移送装置は、前記第1の発明において、前記第一の電極と前記第二の電極は、前記他方の領域に配置されていることを特徴とする。
第３の発明の液体移送装置は、前記第１又は２の発明において、前記圧力室は、前記分割線の延びる方向に長尺の形状を有していることを特徴とする。
第４の発明の液体移送装置の製造方法は、前記第３の発明において、前記凹部は、前記分割線の延びる方向に沿って長尺の形状を有することを特徴とする。
第５の発明の液体移送装置は、前記第３又は第４の発明において、前記凹部は前記一方の領域内に複数形成されており、複数の前記凹部は、前記分割線の延びる方向と直交する方向に、並んで配置されていることを特徴とする。
第６の発明の液体移送装置は、前記第３の発明において、前記凹部は前記一方の領域内に複数形成されており、複数の前記凹部は、前記分割線の延びる方向に並んで配置されていることを特徴とする。
第７の発明の液体移送装置は、前記第１〜６の何れかの発明において、前記圧電層は、前記凹部が形成された領域に対応する部分が、前記凹部が形成されていない領域に対応する部分よりも薄いことを特徴とする。
第８の発明の液滴噴射装置は、ノズルに連通する圧力室を含む流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に前記圧力室を覆うように接合され、前記圧力室と接する面と反対側の面で、且つ前記圧力室と重なる領域に、前記圧力室の中心を通る分割線により分割された二つの領域における一方の領域内に凹部を有する振動板と、この振動板の前記凹部が形成された面に対面するように配置された圧電層と、この圧電層と前記振動板の間に位置し、且つ前記振動板の前記凹部が形成されていない領域に対応する位置に配置された第二の電極と、前記圧電層の前記振動板と対面する面と反対側の面で、且つ前記第二の電極に対応する領域に配置された第一の電極と、を備え、前記第一の電極と前記第二の電極との間に電位差が生じて前記圧電層が変形するときに、前記振動板は、前記分割線と直交する方向において、前記第一の電極と前記第二電極の、前記圧力室の外縁線から最も離れた箇所に対応する部分が、前記凹部が形成された部分よりも前記圧力室から離れるように変形することを特徴とする。
本発明の実施の形態について説明する。本実施形態は、液体移送装置として、記録用紙にインクを噴射するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例である。
まず、インクジェットヘッド１を備えたインクジェットプリンタ１００について簡単に説明する。図１に示すように、インクジェットプリンタ１００は、図１の左右方向に移動可能なキャリッジ１０１と、このキャリッジ１０１に設けられて記録用紙Ｐに対してインクを噴射するシリアル式のインクジェットヘッド１と、記録用紙Ｐを図１の前方へ搬送する搬送ローラ１０２等を備えている。インクジェットヘッド１は、キャリッジ１０１と一体的に左右方向（走査方向）へ移動して、その下面のインク吐出面に形成されたノズル２０（図２〜図５参照）の出射口から記録用紙Ｐに対してインクを噴射する。そして、インクジェットヘッド１により記録された記録用紙Ｐは、搬送ローラ１０２により前方（紙送り方向）へ排出される。
次に、インクジェットヘッド１について図２〜図５を参照して詳細に説明する。
図２〜図４に示すように、インクジェットヘッド１は、内部に圧力室１４を含む個別インク流路２１（図４参照）が形成された流路ユニット２と、この流路ユニット２の上面に積層された圧電アクチュエータ３とを備えている。
まず、流路ユニット２について説明する。図４に示すように、流路ユニット２はキャビティプレート１０、ベースプレート１１、マニホールドプレート１２、及びノズルプレート１３を備えており、これら４枚のプレート１０〜１３が積層状態で接着されている。このうち、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２はステンレス鋼製の板であり、これら３枚のプレート１０〜１２に、後述するマニホールド１７や圧力室１４等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１３は、例えば、ポリイミド等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１２の下面に接着される。あるいは、このノズルプレート１３も、３枚のプレート１０〜１２と同様にステンレス鋼等の金属材料で形成されていてもよい。
図２〜図４に示すように、キャビティプレート１０には、平面に沿って配列された複数の圧力室１４が形成されている。これら複数の圧力室１４は、流路ユニット２の表面（後述の振動板３０が接合されるキャビティプレート１０の上面）において開口している。また、複数の圧力室１４は、紙送り方向（図２の上下方向）に２列に配列されている。各圧力室１４は、平面視で略楕円形状に形成されており、その長軸方向が左右方向（走査方向）となるように配置されている。また、キャビティプレート１０には、図示外のインクタンクに連なるインク供給口１８が形成されている。
図３、図４に示すように、ベースプレート１１の平面視で圧力室１４の長軸方向両端部に重なる位置には、夫々連通孔１５，１６が形成されている。また、マニホールドプレート１２には、紙送り方向（図２の上下方向）に延び、平面視で圧力室１４の図２における左右何れか一方の端部と重なるマニホールド１７が形成されている。このマニホールド１７には、インクタンクからインク供給口１８を介してインクが供給される。また、平面視で圧力室１４のマニホールド１７と反対側の端部と重なる位置には、連通孔１９も形成されている。さらに、ノズルプレート１３には、平面視で複数の連通孔１９に夫々重なる位置に、複数のノズル２０が夫々形成されている。ノズル２０は、例えば、ポリイミド等の高分子合成樹脂の基板にエキシマレーザー加工を施すことにより形成される。
そして、図４に示すように、マニホールド１７は連通孔１５を介して圧力室１４に連通し、さらに、圧力室１４は、連通孔１６，１９を介してノズル２０に連通している。このように、流路ユニット２内には、マニホールド１７から圧力室１４を経てノズル２０に至る個別インク流路２１が形成されている。
次に、圧電アクチュエータ３について説明する。図２〜図５に示すように、圧電アクチュエータ３は、流路ユニット２の上面に配置された導電性を有する振動板３０と、この振動板３０の凹部３６が形成された面に積層された絶縁膜４０と、この絶縁膜４０の上面に複数の圧力室１４に跨って連続的に形成された圧電層３１と、この圧電層３１との間で且つ複数の圧力室１４に夫々対応して形成された複数の共通電極３４と、圧電層３１の上面に共通電極３４と対応して形成された複数の個別電極３２とを備えている。
振動板３０は、平面視で略矩形状の金属材料からなる板であり、例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、銅系合金、ニッケル系合金、あるいは、チタン系合金などからなる。この振動板３０は、複数の圧力室１４の開口を塞ぐ状態でキャビティプレート１０の上面に積層されて接合されている。
ここで、図３に示すように、この振動板３０の上面（流路ユニット２と反対側の面）において、各圧力室１４と重なる領域に対して、例えば、各圧力室１４の短手方向の中心を通る分割線Ｃによってこの領域が２つに分割されている領域の上部分の領域には圧力室１４の長手方向に延びる凹部３６が形成されている。この凹部３６は、振動板３０の上面において、平面視で圧力室１４と重なる領域よりも外側の領域に延在するように形成される。
また、図５には、圧電アクチュエータ３の断面図を示す。図５中に示す、圧力室１４の短手方向の中心を通る分割線Ｌは、振動板３０の平面視では図３の分割線Ｃに相当する位置に配置されている。図５に示すように、振動板３０及び分割線Ｌの左側の領域には、圧力室１４の長手方向に延びる凹部３６が形成されている。また、この振動板３０の上面に形成された絶縁膜４０の上面には、圧力室１４と重なる領域で、且つ振動板３０の平面視で凹部３６の形成された領域と分割線Ｌを挟んで右側の領域に共通電極３４が形成されている。
この共通電極３４は、振動板３０の上面において、凹部３６が形成されていない領域であれば圧力室１４の短手方向に分割線Ｌを超えて延在する大きさのものであってもよい。また、この共通電極３４は夫々が繋がっており（図示省略）、同一電位又はグランド電位に保たれている。この共通電極３４を夫々繋げる場合には、凹部３６に干渉しないように例えば引出線を夫々の共通電極３４に接続すればよい。
また、この共通電極３４は分割線Ｌから右側の領域において、分割線Ｌから離れた領域に形成されていてもよい（図示省略）。
また、この共通電極３４は分割線Ｌから右側の領域において、分割線Ｌから離れた領域に形成されていてもよい（図示省略）。
絶縁膜４０、及び共通電極３４の表面には、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層３１が形成されている。この圧電層３１は、複数の圧力室１４に跨って連続的に形成されている。但し、圧電層３１の、振動板３０に形成された凹部３６に対応する位置には、凹部３６と同様の平面形状を有する凹部３７が形成されている。そして、図４、図５に示すように、この凹部３７における圧電層３１の厚さは他の領域における圧電層３１の厚さよりも薄くなっている。
圧電層３１の表面において、平面視で共通電極３４と対応する位置には、個別電極３２が形成されている。個別電極３２と共通電極３４とが振動板３０の平面視で一致するように配置されているので、後述する個別電極３２と共通電極３４との間に発生する電界は双方の電極間に発生させることができる。これにより、駆動領域として作用する個別電極３２と共通電極３４との間に位置する圧電層３１にのみ確実に電界を発生させることができるので、消費電力を抑えることができる。
また、この個別電極３２は金などの導電性材料からなる。さらに、圧電層３１の表面において、平面視で圧力室１４と重ならない位置には、個別電極３２に連なる端子部３５が夫々形成されている。これらの端子部３５は、フレキシブルプリント配線板等の可撓性を有する配線部材を介してドライバＩＣ（図示省略）と電気的に接続されており、ドライバＩＣから端子部３５を介して複数の個別電極３２に対して選択的に駆動電圧が供給される。この個別電極３２は共通電極３４よりも大きく形成されていてもよいし、小さく形成されていてもよい。
次に、圧電アクチュエータ３の作用について図６を参照して説明する。
ドライバＩＣにより個別電極３２に選択的に電位が付与されると、個別電極３２と共通電極３４との間に電位差が生じ、これらの間に挟まれた圧電層３１に厚み方向の電界が生じる。圧電層３１の分極方向がこの電界の方向と同じであれば、圧電層３１は厚み方向に直交する水平方向に収縮する。
この際に、図６に示すように、振動板３０の圧力室１４と重なる領域において、分割線Ｌの右側に位置する圧力室１４の縁の部分はキャビティプレート２０に固定されて変形が拘束されているため、この収縮に伴って、この分割線Ｌの右側に位置する圧力室１４の縁の部分を支点にして振動板３０が圧力室１４と反対側にそり上がるように変形する。
この変形に伴って、圧電層３１の個別電極３２及び共通電極３４に挟まれた部分から左側の部分も上方に押し上げられる。
ここで、本実施例の圧電アクチュエータ３では、圧電層３１が収縮した際の変形の支点部分となる圧力室１４の縁の部分が、圧力室１４の長手方向に延在する。また、前述の支点部分を除く圧力室１４の縁の部分は、振動板３０の変形を拘束する部分となり、本実施例の圧電アクチュエータ３では圧力室１４の短手方向に位置する縁の部分に相当する。
本実施例のように圧電層３１の変形の支点部分が圧力室１４の長手方向に位置するように、圧力室１４の短手方向に凹部３６及び３７と、個別電極３２及び共通電極３４からなる駆動領域を並べることにより、圧電層３１の変形による振動板３０の変形を阻害する部分の領域を小さくしたことにより、振動板３０の変形効率を向上することができる。
また、振動板３０において、前述の左側の部分には凹部３６が形成されているので、その厚さは薄くなっており、かかる部分の剛性は小さくなっている。また、振動板３０の凹部３６が形成された部分に対応して圧電層３１には凹部３７が形成されており、この凹部３７の厚さは、凹部３６が形成されていない部分に積層された圧電層３１の厚さよりも薄くなっている。
従って、振動板３０の凹部３６及びこれに対応する圧電層３１の凹部３７が形成された部分には、振動板３０に凹部３６が形成されていない場合又は振動板３０に積層された圧電層３１の厚さが均一である場合に比べて、剛性を非常に小さくすることができる。
また、圧力室１４を凸に変形させるための振動板３０及び圧電層３１の変形部分の剛性を小さくすることができる。
そして次に、圧電層３１の変形に伴い、振動板３０の凹部３６が形成された部分は大きく上方に押し上げられる。
これにより、圧力室１４内の容積が増加し、圧力室１４内のインクの圧力が減少するため、マニホールド１７から圧力室１４内にインクが流れ込む。
そして、振動板３０を変形させたときに圧力室１４内に発生した負の圧力波が正に反転したタイミングで個別電極３２の電位をグランド電位に戻すと、振動板３０の変形が元に戻り、圧力室１４内の容積も元に戻る。このとき、振動板３０を変形させたときに発生した圧力波と振動板３０の変形を元に戻したときに発生する圧力波とが重ね合わされ、圧力室１４内の圧力が増加するので、圧力室１４に連通するノズル２０から記録用紙Ｐにインクが吐出される。
本実施例のインクジェットヘッド１では、振動板３０の圧力室１４と重なり、且つ振動板３０の平面視から圧力室１４の中心を通る分割線Ｃによって分割された２つの領域のうち、一方の領域に凹部３６を形成するので、各圧力室１４と重なる領域において、凹部３６を形成することができる領域を多く確保することができ、かかる部分における振動板３０の剛性を小さくすることができる。また、後述にて説明するが、振動板３０に積層される圧電層３１のうち、凹部３６上に積層される圧電層３１の凹部３７の厚さが、それ以外の圧電層３１の厚さよりも薄くすることも可能である。
また、振動板３０の凹部３６に積層される圧電層３１の凹部３７の厚さをそれ以外の圧電層３１の厚さよりも薄くすることができるので、振動板３０の全面に厚さが均一の圧電層３１が隙間なく形成されている場合に比べて、さらに剛性を小さくすることも可能となる。
次に、インクジェットヘッド１の製造方法について図７を参照にして説明する。
図７（ａ）に示すように、まず、流路ユニット２を構成するプレート１０〜１３のうち、合成樹脂製のノズルプレート１３以外の、キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２の３枚の金属プレートを接合する。一方、振動板３０の上面（流路ユニット２に接合される面と反対側の面）の、圧力室１４と重なり、且つ圧力室１４の中心を通る分割線Ｌの左側に位置する領域に、圧力室１４の長手方向に延びる凹形状の凹部３６を形成する。（凹部形成工程）。ここで、振動板３０はステンレス鋼等の金属材料からなるため、エッチングやプレス加工等により簡単に凹部３６を形成することができる。
そして、凹部３６が形成された振動板３０を、拡散接合もしくは接着剤により複数の圧力室１４を覆うようにキャビティプレート１０の上面に接合する。
次に、図７（ｂ）に示すように、振動板３０の流路ユニット２と反対側の面に絶縁膜４０を形成する（絶縁膜形成工程）。この絶縁膜形成工程においては、化学蒸着（ChemicalVaporDeposition：ＣＶＤ）法や、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）あるいは、スパッタ法等によりアルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料などを振動板３０の表面に堆積させることにより絶縁膜４０を形成する。このとき、振動板３０の表面に積層された絶縁膜４０のうち、凹部３６が形成された領域に積層された絶縁膜４０の一部分が凹状になり、振動板３０の凹部３６と同様の平面形状を有する凹部３７が絶縁膜４０に形成されることになる。
その次に、図７（ｃ）に示すように、振動板３０の流路ユニット２と反対側の面で、複数の圧力室１４に夫々重なり、且つ分割線Ｌから右側の凹部３６の形成されていない領域に、スクリーン印刷法、蒸着法あるいはスパッタ法等を用いて複数の共通電極３４を形成する。（共通電極形成工程）
この共通電極形成工程では、振動板３０の凹部３６に重ならない領域であれば、図７（ｃ）中に示す分割線Ｌよりも左側の領域にまで延在する共通電極３４を形成してもよい。
この共通電極形成工程では、振動板３０の凹部３６に重ならない領域であれば、図７（ｃ）中に示す分割線Ｌよりも左側の領域にまで延在する共通電極３４を形成してもよい。
さらに、その次に、図７（ｄ）に示すように、振動板３０の流路ユニット２と反対側の面に形成された絶縁膜４０及び共通電極３４の上面に圧電層３１を形成する（圧電層形成工程）。ここで、この圧電層形成工程においては、ＣＶＤ法や、ＡＤ法等により、圧電材料の粒子を絶縁膜４０及び共通電極３４の表面に堆積させることにより圧電層３１を形成する。このとき、前述の絶縁膜形成工程にて形成された絶縁膜４０と同様に、振動板３０の凹部３６が形成された領域においても、圧電層３１が凹状に堆積され、振動板３０の凹部３６と同様の平面形状を有する凹部３７が圧電層３１にも形成されることになる。
ここで、ＣＶＤ法を用いて圧電層３１を形成する場合の一例として、例えば、原料を有機溶媒に溶解させて気化させ、被処理面上で気相反応を生じさせることにより薄膜を形成する有機金属化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）法を用いた場合について説明する。原料としては、例えば、鉛ビス（ジピバロイルメタナート）（Ｐｂ（ＤＰＭ）2）、ジルコニウムテ
トラキス（ジピバロイルメタナート）（Ｚｒ（ＤＰＭ）4）、チタン（ジイソプロポキシ
ジピバロイルメタナート）（Ｔｉ（ｉＰｒＯ）2（ＤＰＭ）2）などを用いることができる（例えば、特開２００４−７９６９５公報参照）。そして、振動板３０を６００℃程度に加熱すると、振動板３０の表面において前述の原料間で気相反応が生じ、振動板３０の表面に圧電層３１が形成される。ここで、図８に示すように、振動板３０に形成された凹部３６の内部空間には、凹部３６が形成されていない振動板３０の表面と比較して原料ガスが供給されにくい。従って、凹部３６の表面では圧電層３１の形成速度が遅くなるため、凹部３７における圧電層３１の厚さtｃが他の領域における圧電層３１の厚さtａと比べて薄くなる。
トラキス（ジピバロイルメタナート）（Ｚｒ（ＤＰＭ）4）、チタン（ジイソプロポキシ
ジピバロイルメタナート）（Ｔｉ（ｉＰｒＯ）2（ＤＰＭ）2）などを用いることができる（例えば、特開２００４−７９６９５公報参照）。そして、振動板３０を６００℃程度に加熱すると、振動板３０の表面において前述の原料間で気相反応が生じ、振動板３０の表面に圧電層３１が形成される。ここで、図８に示すように、振動板３０に形成された凹部３６の内部空間には、凹部３６が形成されていない振動板３０の表面と比較して原料ガスが供給されにくい。従って、凹部３６の表面では圧電層３１の形成速度が遅くなるため、凹部３７における圧電層３１の厚さtｃが他の領域における圧電層３１の厚さtａと比べて薄くなる。
しかし、振動板３０の表面に形成された凹部３６の開口が大きい場合には、外部からの原料ガスが入るための凹部３６の内部空間には、凹部３６が形成されていない振動板３０の表面と同様に原料ガスが供給されてしまう。これにより、凹部３６の内部空間における圧電層３１の形成速度は、凹部３６が形成されていない振動板３０の表面と等しくなり、凹部３７における圧電層３１の厚さと他の領域における圧電層３１の厚さとが等しくなる。
また、図９に示す、超微粒子材料を被処理面にキャリアガスとともに高速で衝突させて堆積させるＡＤ法を用いて圧電層３１を形成する場合では、凹部３６などの内面を有する凹部が形成されている場合、微粒子を噴射された際に、凹部３６の内部では内部から外へ微粒子の吹き上がりが発生する。これにより、噴射された微粒子の噴射速度が弱まり、凹部３６の内面では成膜に寄与しない微粒子の跳ね返りの割合が大きくなるので、微粒子が凹部３６の内面に堆積され難くなる。
このように、凹部３６の内面においては、振動板３０の他の表面と比較して圧電材料の粒子が堆積し難い。
従って、図９に示すように、凹部３６に形成された圧電層３１の凹部３７の厚さtdが他の領域における圧電層３１の厚さtａと比べて薄くなる。
また、振動板３０の平面視で振動板３０の表面に形成された凹部３６の開口が大きい場合では、微粒子の噴射の際に発生する凹部３６の内部から外への微粒子の吹き上がりが弱くなるので、凹部３６の内面における成膜に寄与しない微粒子の跳ね返りの割合が小さくなり、凹部３６の開口が小さい場合に比べて凹部３６の内面に圧電材料の微粒子が堆積される。
従って、振動板３０の表面において、凹部３６に対応する位置に形成された圧電層３１の凹部３７の厚さは、凹部３６が形成されていない領域に形成される圧電層３１の厚さと等しくなる。
従って、振動板３０の表面において、凹部３６に対応する位置に形成された圧電層３１の凹部３７の厚さは、凹部３６が形成されていない領域に形成される圧電層３１の厚さと等しくなる。
このように、振動板３０に形成された凹部３６の開口が小さい場合には、ＣＶＤ法やＡＤ法を用いて圧電材料を堆積させるときに、圧電材料が凹部３６に堆積し難いので、凹部３６の表面に形成された圧電層３１を、それ以外の領域に形成された圧電層３１よりも薄く形成することができる。これにより、凹部３６の開口が大きい場合に比べて、開口が小さい凹部３６に対応して形成される圧電層３１の凹部３７の厚さを薄くすることが可能となり、振動板３０及び圧電層３１の剛性を小さくすることができる。
また、振動板３０の表面に圧電層３１を形成した後に、圧電層３１に十分な圧電特性を確保させるためのアニール処理を行い、その次に、図７（e）に示すように、圧電層３１
の表面の、振動板３０の平面視で複数の共通電極３４に夫々重なる領域に、スクリーン印刷法、蒸着法あるいはスパッタ法等を用いて複数の個別電極３２を形成する（個別電極形成工程）。そして、最後に、図７（ｆ）に示すように、合成樹脂製のノズルプレート１３をマニホールドプレート１２の下面に接合して、インクジェットヘッド１の製造を完了する。
の表面の、振動板３０の平面視で複数の共通電極３４に夫々重なる領域に、スクリーン印刷法、蒸着法あるいはスパッタ法等を用いて複数の個別電極３２を形成する（個別電極形成工程）。そして、最後に、図７（ｆ）に示すように、合成樹脂製のノズルプレート１３をマニホールドプレート１２の下面に接合して、インクジェットヘッド１の製造を完了する。
尚、以上説明したインクジェットヘッド１の製造工程において、凹部３６が形成された振動板３０を、流路ユニット２の一部を構成するキャビティプレート１０と接合してから、流路ユニット２を構成する他の金属プレート（ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２）をキャビティプレート１０に接合してもよい。また、ノズルプレート１３がステンレス鋼等からなる金属プレートである場合には、振動板３０とキャビティプレート１０とを接合する前に、ノズルプレート１３と他の３枚の金属プレート（キャビティプレート１０、ベースプレート１１及びマニホールドプレート１２）とを接合して、先に流路ユニット２を形成するようにしてもよい。さらには、流路ユニット２（または、流路ユニット２のうちのキャビティプレート１０）と振動板３０とを接合してから、振動板３０の表面に凹部３６を形成するようにしてもよい。また、振動板３０に、凹部３６、絶縁膜４０、共通電極３４、圧電層３１及び個別電極３２を全て形成した後に、流路ユニット２（又は、流路ユニット２のうちのキャビティプレート１０）と振動板３０とを接合してもよい。この場合は、拡散接合よりも接着材による接合が望ましい。
以上説明したインクジェットヘッド１の製造方法によれば、次のような効果が得られる。
凹部形成工程において、振動板３０の流路ユニット２と反対側の面において、振動板３０の平面視で各圧力室１４と重なり、且つ圧力室１４の中心を通る分割線Ｌによって分割された領域の一方の領域に、圧力室１４の長手方向に延びる凹部３６を形成し、次に、振動板３０の流路ユニット２と反対側の面に絶縁膜４０を積層する。この次に、共通電極形成工程において、この絶縁膜４０の振動板と反対側の面の、圧力室１４と重なり、且つ凹部３６が形成されていない領域に共通電極３４を形成すし、さらにこの次に、圧電層形成工程において、振動板３０の表面に圧電素子の粒子を堆積させることにより圧電層３１を形成し、この圧電層３１の表面で且つ共通電極３４と対応する位置に個別電極３２を形成する。
そのため、前述の凹部形成工程において、図７に示すように、振動板３０の各圧力室１４と重なり、且つ圧力室１４の分割線Ｌから短手方向の何れか一方の領域に凹部３６を形成できるので、凹部３６を形成する領域を広くすることが可能となる。また、振動板３０において、凹部３６を広い領域に形成することができるので、振動板３０の剛性を小さくすることが可能となる。
また、圧電層形成工程において、振動板３０に形成された凹部３６の位置に堆積する圧電層３１の厚さが、振動板の凹部３６が形成されていない領域に形成される圧電層３１の厚さよりも小さくなるので、振動板３０と圧電層３１の厚さを部分的に薄くすることが可能となり、かかる部分での振動板３０と圧電層３１の剛性を更に小さくすることができる。
従って、振動板３０の凹部３６が形成された領域では、凹部３６により振動板３０の剛性を小さくするとともに、振動板３０に積層する圧電層３１においても、凹部３６に対応する凹部３７の厚さを小さくすることができるので、かかる部分の剛性を小さくすることが可能となり、振動板３０が変形し易くなる。
従って、振動板３０の凹部３６が形成された領域では、凹部３６により振動板３０の剛性を小さくするとともに、振動板３０に積層する圧電層３１においても、凹部３６に対応する凹部３７の厚さを小さくすることができるので、かかる部分の剛性を小さくすることが可能となり、振動板３０が変形し易くなる。
よって、個別電極３２と共通電極３４との間に電位差を発生させたときに、振動板３０の変形によって増加する圧力室１４の容積をさらに大きくすることができる。
圧電層形成工程において、振動板３０の上面に形成された圧電層３１のうち、凹部３６に対応する圧電層３７の厚さを、それ以外の領域に形成された圧電層３１の厚さよりも薄く形成するため、凹部３６が形成された部分における振動板３０と圧電層３１の厚さがさらに薄くなり、振動板３０及び圧電層３１の剛性を小さくすることができる。
加えて、凹部３６が形成された部分における振動板３０とその部分に積層された圧電層３１の厚さとが共に薄くなっているので、かかる部分はそれ以外の部分に比べて剛性が非常に小さくなる。
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、前記実施形態と同じ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。
振動板３０に形成される凹部３６は、前記実施形態のような形状に限られるものではない。例えば、図１０及び１１に示すように、圧力室１４と重なり、且つ圧力室１４の中心を通る分割線により分割された領域の一方の領域において、凹部３６Ａ１及び３６Ａ２を圧力室１４の短手方向に並ぶように形成してもよい（変更形態１）。この場合、振動板３０の各圧力室１４に重なる領域に凹部３６が２つ形成されているので、凹部３６が夫々１つ形成されているものに比べて振動板３０の剛性を小さくすることができる。
また、振動板３０の凹部３６Ａ１及び凹部３６Ａ２に対応して形成される圧電層３１の凹部３７Ａ１及び凹部３７Ａ２の厚さを薄くすることができるので、圧電層３１の厚さが薄い領域を大きくすることが可能となり、振動板３０及び圧電層３１の剛性をさらに小さくすることができる。
また、変更形態１においては、凹部３６を各圧力室１４に重なる領域内に２つ形成したものであったが、更に、２つ以上の凹部３６を、各圧力室１４に重なる領域内の短手方向に並ぶように形成してもよい。この場合、各圧力室１４と重なる領域内に複数の凹部３６Ａが形成されるので、各凹部３６の圧力室１４の短手方向の幅が小さくなり、これにより凹部３６Ａに堆積されて形成された圧電層３１の凹部３７の厚さをさらに薄くすることができるとともに、振動板３０の剛性もさらに小さくすることができる。
また、図１２に示すように、凹部３６Ｂを圧力室１４の長手方向に５つ並べて形成し、且つこの５つ並んだ凹部３６Ｂの列を、圧力室１４の短手方向に２つ並べて形成してもよい（変更形態２）。この変更形態２では、凹部３６Ｂを圧力室１４の長手方向に５つ配置しているので、図１０に示す、凹部３６が圧力室１４の長手方向に延びて形成されている場合に比べて、各凹部３６Ｂの開口は小さくなる。これにより、前述にて説明したAD法及びCVD法を用いて圧電層３１を形成した場合に、凹部３６の開口が小さくなれば凹部３６
に堆積する圧電層３１を少なくすることが可能となり、同時に圧電層３１の厚さを薄くすることができる。従って、各凹部３６Ｂに形成される圧電層３１の各凹部３７Bの厚さを
さらに薄くすることが可能となり、振動板３０の剛性をさらに小さくすることができる。また、開口の小さい凹部３６Bに圧電層３１を堆積させる場合、開口の大きい凹部３６Ｂ
に圧電層３１を堆積させた場合に比べて、圧電層３１の欠けやクラックが生じ難くなるので、耐久性を高くすることができる。
に堆積する圧電層３１を少なくすることが可能となり、同時に圧電層３１の厚さを薄くすることができる。従って、各凹部３６Ｂに形成される圧電層３１の各凹部３７Bの厚さを
さらに薄くすることが可能となり、振動板３０の剛性をさらに小さくすることができる。また、開口の小さい凹部３６Bに圧電層３１を堆積させる場合、開口の大きい凹部３６Ｂ
に圧電層３１を堆積させた場合に比べて、圧電層３１の欠けやクラックが生じ難くなるので、耐久性を高くすることができる。
また、図１３に示すように、振動板３０の平面視で、圧力室１４と重なる領域内に凹部３６Cを形成してもよい（変更形態３）。この場合、凹部３６Cは圧力室１４と重なる領域内に形成されるので、凹部３６を圧力室１４と重なる領域から外側に延在するように形成した場合に比べて、隣接する圧力室１４を接近させても凹部３６Cが隣の圧力室１４と干
渉しないので、圧力室１４を高密度に配置することができる。
渉しないので、圧力室１４を高密度に配置することができる。
また、図１４及び１５に示すように、振動板３０の平面視で圧力室１４と重なる領域の外側にまで延在するように共通電極３４Ｄ及び個別電極３２Dを形成してもよい（変更形
態４）。この場合、図１５に示すように、共通電極３４D及び個別電極３２Dに挟まれた圧電層３１において、圧力室１４の外側の領域に位置する圧電層３１の部分もその面と平行な方向に収縮する。
態４）。この場合、図１５に示すように、共通電極３４D及び個別電極３２Dに挟まれた圧電層３１において、圧力室１４の外側の領域に位置する圧電層３１の部分もその面と平行な方向に収縮する。
従って、図３に示す、共通電極３４及び個別電極３２が圧力室と重なる領域内に形成されている場合と比べて、圧力室１４の内側の縁部分に対応する振動板３０の変形が大きくなり、それに伴って、凹部が形成された領域における振動板３０の変形量も大きくなる。
これにより、同じ駆動電圧で振動板３０をより大きく変形させることができるので、消費電力をさらに抑えることができる。
また、振動板３０は、金属材料等からなる導電性を有するものに限られるものではなく、例えば、表面酸化処理が施されたシリコン、合成樹脂、ガラス材料、あるいは、セラミックス材料等の非導電性材料からなるものであってもよい（変更形態５）。
この変更形態５の振動板３０は非導電性材料からなるものであるので、図１６に示すように、振動板３０と共通電極３４の間に絶縁膜４０を挟む必要がなく、製造工程を簡素化できる。即ち、非導電性の振動板３０にエッチング、プレス加工、あるいは、射出成型等により凹部３６を形成して、キャビティプレート１０の表面に振動板３０を接合した後に、振動板３０の表面の、複数の圧力室１４に夫々重なる領域に、スクリーン印刷法、蒸着法あるいはスパッタ法等を用いて複数の共通電極３４を形成すればよい。
さらに、絶縁膜４０を振動板３０に積層した場合に比べて、絶縁膜４０が積層されないので振動板３０の剛性をさらに小さくすることができるとともに、製造工程を簡素化することができる。
さらに、振動板３０を、金属材料等の導電性を有するものを用い、共通電極を兼ねるように構成してもよい（変更形態６）。
図１７に示すように、変更形態６において、振動板３０は、圧力室１４とは反対側の面に圧電層３１が積層されている。そして、この圧電層３１の上面で、圧力室１４と対応する位置には個別電極３２が形成されており、この個別電極３２と対応する圧電層３１の領域が駆動領域となる。
図１７に示すように、変更形態６において、振動板３０は、圧力室１４とは反対側の面に圧電層３１が積層されている。そして、この圧電層３１の上面で、圧力室１４と対応する位置には個別電極３２が形成されており、この個別電極３２と対応する圧電層３１の領域が駆動領域となる。
この振動板３０は、少なくとも圧電層３１と接触する面が導電性を有しているものでもよい。
変更形態６においては、絶縁膜４０に加えて共通電極３４も形成されていないので、さらに製造工程を簡素化することができる。
尚、前記実施形態の圧電アクチュエータ３においては、圧電層３１と振動板３０（又は絶縁膜４０）の間に個別電極３２を配置し、この圧電層３１の個別電極３２と対面する面と反対側の面の個別電極３２と対応する位置に共通電極３４を配置してもよい（変更形態７）。
この場合、個別電極３２は圧電層３１の下面に位置するので個別電極３２と、個別電極３２の配線を圧電層３１の外に引き出す必要がある。個別電極３２を夫々引出線で接続し、その夫々の引出線を凹部３６と重ならないように振動板３０の面方向に延在させて圧電アクチュエータ３の外部に露出させる（図示省略）。
前述の前記実施形態及びその変更形態は、ノズルからインクを噴射するインクジェットヘッドに本発明を適用した一例であるが、本発明を適用可能な液体移送装置はインクジェットヘッドに限られない。例えば、導電ペーストを噴射して基板上に微細な配線パターンを形成したり、あるいは、有機発光体を基板に噴射して高精細ディスプレイを形成したり、さらには、光学樹脂を基板に噴射して光導波路等の微小光学デバイスを形成する為の、種々の液滴噴射装置に本発明を適用できる。
また、試薬、生体溶液、配線材料溶液、電子材料溶液、冷媒用、燃料用などインク以外の液体を噴射する液滴噴射装置、及びこれらの液体を移送するノズルのない液体移送装置にも本発明を適用することが可能である。
１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
２０ ノズル
３０ 振動板
３１ 圧電層
３２ 個別電極
３４ 共通電極
３６，３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ，３６D 凹部
３７，３７Ａ１，３７Ａ２，３７Ｂ，３７Ｃ，３７D 凹部
４０ 絶縁膜
２ 流路ユニット
３ 圧電アクチュエータ
１４ 圧力室
２０ ノズル
３０ 振動板
３１ 圧電層
３２ 個別電極
３４ 共通電極
３６，３６Ａ１，３６Ａ２，３６Ｂ，３６Ｃ，３６D 凹部
３７，３７Ａ１，３７Ａ２，３７Ｂ，３７Ｃ，３７D 凹部
４０ 絶縁膜
Claims (8)
- 液体流入口及び液体流出口を有する圧力室を含む流路ユニットと、
この流路ユニットの一表面に前記圧力室を覆うように接合され、前記圧力室と接する面と反対側の面で、且つ前記圧力室と重なる領域に、前記圧力室の中心を通る分割線により分割された二つの領域における一方の領域内に凹部を有する振動板と、
この振動板の前記凹部が形成された面に対面するように配置された圧電層と、
この圧電層と前記振動板の間に位置し、且つ前記振動板の前記凹部が形成されていない領域に対応する位置に配置された第二の電極と、
前記圧電層の前記振動板と対面する面と反対側の面で、且つ前記第二の電極に対応する領域に配置された第一の電極と、を備え、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電位差が生じて前記圧電層が変形するときに、前記振動板は、前記分割線と直交する方向において、前記第一の電極と前記第二電極の、前記圧力室の外縁線から最も離れた箇所に対応する部分が、前記凹部が形成された部分よりも前記圧力室から離れるように変形することを特徴とする液体移送装置。 - 前記第一の電極と前記第二の電極は、前記他方の領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の液体移送装置。
- 前記圧力室は、前記分割線の延びる方向に長尺の形状を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体移送装置。
- 前記凹部は、前記分割線の延びる方向に沿って長尺の形状を有することを特徴とする請求項３に記載の液体移送装置。
- 前記凹部は前記一方の領域内に複数形成されており、
複数の前記凹部は、前記分割線の延びる方向と直交する方向に、並んで配置されていることを特徴とする請求項３又は４に記載の液体移送装置。 - 前記凹部は前記一方の領域内に複数形成されており、
複数の前記凹部は、前記分割線の延びる方向に並んで配置されていることを特徴とする請求項３に記載の液体移送装置。 - 前記圧電層は、前記凹部が形成された領域に対応する部分が、前記凹部が形成されていない領域に対応する部分よりも薄いことを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の液体移送装置。
- ノズルに連通する圧力室を含む流路ユニットと、
この流路ユニットの一表面に前記圧力室を覆うように接合され、前記圧力室と接する面と反対側の面で、且つ前記圧力室と重なる領域に、前記圧力室の中心を通る分割線により分割された二つの領域における一方の領域内に凹部を有する振動板と、
この振動板の前記凹部が形成された面に対面するように配置された圧電層と、
この圧電層と前記振動板の間に位置し、且つ前記振動板の前記凹部が形成されていない領域に対応する位置に配置された第二の電極と、
前記圧電層の前記振動板と対面する面と反対側の面で、且つ前記第二の電極に対応する領域に配置された第一の電極と、を備え、
前記第一の電極と前記第二の電極との間に電位差が生じて前記圧電層が変形するときに、前記振動板は、前記分割線と直交する方向において、前記第一の電極と前記第二電極の、前記圧力室の外縁線から最も離れた箇所に対応する部分が、前記凹部が形成された部分よりも前記圧力室から離れるように変形することを特徴とする液滴噴射装置。
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