JP2010220348A - 圧電アクチュエータの製造方法、及び、圧電アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】寸法精度が高い溝を容易に形成する。
【解決手段】振動板４０の圧力室２４と対向することとなる領域の搬送方向に関する両端部の外側に、走査方向に沿って延在した貫通孔４０ａを形成する（貫通孔形成工程）。振動板４０のいずれか一方の面に貫通孔４０ａを閉塞するように閉塞層７０を接合する（閉塞層形成工程）。振動板４０の上面、振動板４０の貫通孔４０ａの内壁、及び、振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の上面に跨って、薄膜６２を形成する（成膜工程）。薄膜６２の表面に、圧電材料を用いて、圧電材料の粒子を堆積させることにより圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。閉塞層７０を加熱して除去する（除去工程）。
【選択図】 図７

Description

本発明は、圧電層の変形により振動板の変形許容部を変形させて対象を駆動する圧電アクチュエータに関する。

従来から、振動板と振動板の一表面に配置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）を利用して駆動対象を駆動する圧電アクチュエータが知られている。このような圧電アクチュエータは、振動板の一部分が拘束されていない変形許容部となっており、振動板の変形許容部と面方向に隣接する部分が駆動対象に接合され、変形が拘束された拘束部となっている。そして、変形許容部と対向する圧電層の部分に電界が作用したときの圧電層の伸縮により、変形許容部と拘束部の境界を端として、変形許容部が圧電層と反対側に撓むことで駆動対象を駆動している。このような振動板の変形許容部の変形を促進するためには、圧電アクチュエータの振動板の曲げ剛性を低下させるために、薄い振動板を用いることが考えられる。しかしながら、薄い振動板は製造工程における取り扱いが困難である。そのため、特許文献１では、エッチングにより振動板に溝を形成して、振動板の曲げ剛性を低下させている。

特開２００６−４４２４２号公報（図１６）

ところで、振動板に形成された溝の寸法精度が低いと、圧電層を駆動させたときに、変形許容部において所定の変位が得られないことがある。そこで、振動板に寸法精度が高い溝を形成したいが、特許文献１に記載されているように、エッチングにより振動板に溝を形成しようとすると、寸法精度の高い溝を形成するのは困難である。

そこで、本発明の目的は、寸法精度が高い溝を容易に形成することができる圧電アクチュエータの製造方法及び圧電アクチュエータを提供することである。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法は、変形が拘束される拘束部と、この拘束部と面方向に隣接し、且つ、変形が許容される変形許容部を有する振動板と、前記振動板の一表面の前記変形許容部と対向する領域に配置される圧電層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、前記拘束部と前記変形許容部の境界近傍に、貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、前記振動板のいずれか一方の面に、前記貫通孔を閉塞するための閉塞層を形成する閉塞層形成工程と、前記貫通孔が前記閉塞層により塞がれた状態で、前記閉塞層の前記貫通孔側の面に、前記振動板よりも薄い薄膜を成膜する成膜工程と、前記閉塞層を除去する除去工程と、前記振動板の一表面の、前記変形許容部と対向する領域に、前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、を備えている。なお、貫通孔形成工程と閉塞層形成工程はどちらが先に行われてもよい。また、除去工程と圧電層形成工程はどちらが先に行われてもよい。

本発明の圧電アクチュエータの製造方法によると、振動板の、拘束部と変形許容部の境界近傍に貫通孔を形成するとともに、この貫通孔を閉塞層で塞いだ状態で、貫通孔内の閉塞層に薄膜を成膜してから、閉塞層を除去している。これにより、振動板の貫通孔に薄膜が成膜されて溝形状となり、振動板にエッチングなどで溝形状を加工する場合に必要となる、加工時の溝深さの管理が不要であり、寸法精度（特に、深さの精度）が高い溝を容易に形成することができる。

また、前記振動板は、少なくともその面方向に平行な一方向において、前記変形許容部が前記拘束部に挟まれた構成を有するものであり、前記貫通孔形成工程において、前記拘束部と前記変形許容部の、前記一方向における２つの境界近傍のそれぞれに、前記貫通孔を形成することが好ましい。このように、変形許容部が拘束部によって面方向に挟まれる構成では、２つの境界近傍のそれぞれに貫通孔を形成して溝を設けることで、変形許容部の変形を促進することができる。

また、前記振動板は、前記変形許容部が前記拘束部によって囲まれた構成を有するものであり、前記貫通孔形成工程において、前記拘束部と前記変形許容部の環状の境界に沿って前記貫通孔を環状に形成してもよい。このように、変形許容部が拘束部によって囲まれる構成では、境界全周に環状の貫通孔を形成して溝を設けることで、変形許容部の変形を促進することができる。

また、前記閉塞層形成工程において前記振動板に前記閉塞層を形成した後に、前記貫通孔形成工程において前記振動板に前記貫通孔を形成することが好ましい。振動板に貫通孔を形成すると、振動板の剛性が低下して取り扱いが困難になる。また、特に境界全周にわたって貫通孔を形成した場合では、振動板の変形許容部と拘束部とが分離してしまう。そこで、振動板に閉塞層を形成した後に、振動板に貫通孔を形成することで、貫通孔形成後の振動板の取り扱いが容易となる。

このとき、前記閉塞層形成工程において、前記閉塞層を前記振動板とは異なる材料で形成し、前記貫通孔形成工程において、前記振動板にエッチングまたは、レーザ光を照射することにより前記貫通孔を形成することが好ましい。先に閉塞層を形成してから、振動板に貫通孔を形成する場合に、閉塞層を貫かないようにするには、振動板と閉塞層を異種材料でそれぞれ形成し、選択的エッチングで振動板のみに貫通孔を形成する方法を好適に採用することができる。また、振動板と閉塞層を異種材料でそれぞれ形成し、レーザ光のパワー密度を適宜設定して照射することで、振動板のみに貫通孔を形成する方法を好適に採用することができる。

このとき、さらに、前記振動板が金属板であり、前記閉塞層形成工程において、前記閉塞層を樹脂材料で形成し、前記貫通孔形成工程において、前記振動板にエッチングにより前記貫通孔を形成することが好ましい。このように、振動板を金属材料、閉塞層を樹脂材料とすれば、振動板のみをエッチングすることが容易である。

また、前記閉塞層形成工程において、前記振動板の前記一表面と反対側の面に閉塞層を形成し、前記圧電層形成工程において、エアロゾルデポジション法により前記圧電層を形成することが好ましい。振動板の貫通孔内の薄膜上に圧電材料が堆積すると、変形許容部の変形促進効果が低下するが、圧電層と同じ面に凹状部分を有する振動板において、圧電層をエアロゾルデポジション法で成膜する場合には、凹状部分には圧電材料が堆積しにくい。したがって、圧電層成膜方法としてエアロゾルデポジション法を採用すれば、貫通孔内の薄膜に圧電材料が堆積しないように、特別な工夫（例えば、マスクで貫通孔を封止するなど）を行う必要がない。

このとき、前記圧電層形成工程で形成された前記圧電層を、所定のアニール温度まで加熱してアニール処理を行うアニール処理工程をさらに備えており、前記アニール処理工程において、前記アニール温度を前記閉塞層の融点、または、熱分解温度以上に設定し、前記圧電層を、前記振動板及び前記閉塞層とともに前記アニール温度まで加熱することで、前記圧電層のアニール処理と前記閉塞層の除去を行うことが好ましい。これにより、アニール処理時に閉塞層の除去をあわせて行うことができ、閉塞層の除去のための特別な工程が不要になり、製造工程を簡略化することができる。

本発明の圧電アクチュエータは、変形が拘束される拘束部と、この拘束部と面方向に隣接し、且つ、変形が許容される変形許容部を有する振動板と、前記振動板の一表面の、前記変形許容部と対向する領域に配置される圧電層を備えており、前記振動板の、前記拘束部と前記変形許容部の境界近傍に貫通孔が形成され、さらに、前記振動板の前記貫通孔内には、この貫通孔を塞ぐように、前記振動板よりも薄い薄膜が設けられている。

本発明の圧電アクチュエータによると、製造工程として、振動板の、拘束部と変形許容部の境界近傍に貫通孔を形成するとともに、この貫通孔を閉塞層で塞いだ状態で、貫通孔内の閉塞層に薄膜を成膜してから、閉塞層を除去する工程が挙げられる。これにより、振動板の貫通孔に薄膜が成膜されて溝形状となり、振動板にエッチングなどで溝形状を加工する場合には必要となる、加工時の溝深さの管理が不要であり、寸法精度（特に、深さの精度）が高い溝を容易に形成することができる。

また、前記振動板は、絶縁材料で形成され、前記薄膜は、導電性材料で形成されるとともに、前記貫通孔から、前記振動板の前記一表面の前記変形許容部と対向する領域まで延在しており、前記振動板の前記一表面の前記変形許容部と対向する領域に配置された前記圧電層の、前記振動板と反対側の面には電極が配置され、前記圧電層が、導電性材料からなる前記薄膜と前記電極とによって厚み方向に挟まれていることが好ましい。これによると、導電性材料からなる薄膜を、変形許容部まで延在させることにより、この薄膜を、圧電層に電界を作用させるための一方の電極として使用することができる。

振動板にエッチングなどで溝形状を加工する場合には必要となる、加工時の溝深さの管理が不要であり、寸法精度が高い溝を容易に形成することができる。

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。 インクジェットヘッドの平面図である。 図２の一部拡大図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 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。 圧電アクチュエータの製造工程を説明する図である。 変形例１における圧電アクチュエータの製造工程を説明する図である。 変形例２における圧電アクチュエータの製造工程を説明する図である。 変形例３における圧電アクチュエータの製造工程を説明する図である。 変形例における図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 変形例におけるインクジェットヘッドの縦断面図である。

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有する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。

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、本実施形態に係る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。

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。

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）を有している。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。

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。

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、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。

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。

図２〜図５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。

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、図示しないインクカートリッジからインク供給口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が形成されている。

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。

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。

次に、圧電アクチュエータ７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、振動板４０及び薄膜６２からなる振動層６３と、振動層６３（薄膜６２）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、を有している。

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。この圧力室２４内のインクと接触する振動板４０は金属材料からなるため、インクが浸透しにくく、圧電層４１と圧力室２４内のインクが接触することを防止する役割も有する。この振動板４０の各圧力室２４と対向した領域は、圧力室２４内の容積を変動させるために変形可能な変形許容部８０であり、振動板４０のキャビティプレート２０と接合されている領域が、変形が拘束される拘束部８１となっている。変形許容部８０は、拘束部８１によって囲まれた構成となっており、拘束部との境界を端として圧力室２４側に変形可能となっている。

また、振動板４０の拘束部８１と変形許容部８０の境界近傍、具体的には、振動板４０の圧力室２４と対向した領域（変形許容部８０）の搬送方向に関する両端部（変形許容部８０と拘束部８１の境界）の外側には、走査方向に沿って延在し、厚み方向に貫通した貫通孔４０ａがそれぞれ形成されている。貫通孔４０ａは、各圧力室２４に対応して２つずつ形成されている。この貫通孔４０ａは、形成対象がステンレス鋼などの金属材料からなる振動板４０であるため、エッチングやレーザ加工などで容易に形成することができる。

薄膜６２は、ニッケルから形成された薄い金属膜である。この薄膜６２は、振動板４０の上面、振動板４０の貫通孔４０ａの内壁、及び、振動板４０の貫通孔４０ａから露出したキャビティプレート２０の上面に跨って配置されている。このように、薄膜６２が貫通孔４０ａ内に凹んで形成されていることで、振動層６３には、圧力室２４と対向した領域の搬送方向に関する両端部の外側に、走査方向に沿って延在し、キャビティプレート２０と反対側（圧電層４１側）に開口した溝６４がそれぞれ形成される。この溝６４の深さは、一般的なめっきの形成方法や蒸着方法などにより成膜された薄膜６２の厚みのみに依存しているため、ハーフエッチング、レーザ加工や機械加工などの削ることで溝を形成する方法により振動板単体に溝を形成する場合に比べて、高い精度で形成される。

導電性を有する振動層６３は、圧電層４１の下面側に配置されることによって、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層６３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。

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。図２に示すように、この圧電層４１は、薄膜６２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。この圧電層４１は、溝６４と重なる領域には形成されていない。また、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。

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。

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層６３との間に電位差が生じ、個別電極４２と振動層６３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（活性領域）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の下側の振動層６３（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、この振動層６３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の変形許容部８０を含む振動層６３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。

このとき、振動層６３に圧力室２４と重なる領域を面方向に挟んで溝６４が形成されていることで、この溝６４近傍の振動板４０とキャビティプレート２０との接合部において、振動層６３の剛性が低くなり、振動層６３の圧力室２４と重なる領域の変形量を大きくすることができる。振動層６３の圧力室２４と重なる領域の変形が大きくなると、圧力室２４の変形量も大きくなるため、圧力室２４内のインクに高い圧力を付与することができる。そのため、低い電圧でも所定の速度でインクを吐出させることができ、駆動電圧の低電圧化も可能となる。

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６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７は、圧電アクチュエータの製造工程を説明する図である。本実施形態では、図６（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６（ｂ）に示すように、インクジェットヘッド３を作製する。

（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により接合し、流路ユニット６を完成させる。

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。

（圧電アクチュエータ製造工程）
次に、圧電アクチュエータ７の製造工程では、図７（ａ）に示すように、振動板４０の圧力室２４と対向することとなる領域の搬送方向に関する両端部の外側に、走査方向に沿って延在した貫通孔４０ａをエッチングやレーザ加工などにより形成する（貫通孔形成工程）。そして、図７（ｂ）に示すように、振動板４０のいずれか一方の面に、貫通孔４０ａを閉塞するように、閉塞層７０となるポリイミド樹脂などの樹脂材料からなるフィルムを接着剤などで接合する（閉塞層形成工程）。

次に、図７（ｃ）に示すように、貫通孔４０ａが閉塞層７０により塞がれた状態で、振動板４０の上面、振動板４０の貫通孔４０ａの内壁、及び、振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の上面に跨って、振動板４０よりも薄い薄膜６２を形成する（成膜工程）。この薄膜６２の形成方法としては、まず、薄膜６２を形成したい面上に付着した油脂や汚れを除去した後、クロム酸などでこの面上を化学的に粗面化して、残ったクロム化合物を塩酸などで除去する。

そして、粗面化した面上に触媒金属（例えば、Ｐｄ−Ｓｎ錯体）を吸着させて、スズ塩を溶解させ、酸化還元反応により金属パラジウムを生成する。その後、めっき液中の還元剤が触媒活性なパラジウム表面で酸化されるときに放出される電子によって、ニッケルイオンを還元し、振動板４０の上面、振動板４０の貫通孔４０ａの内壁、及び、振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の上面に跨った面上にニッケルめっきからなる、厚みの均一な薄膜６２を形成する。

これにより、厚みのある振動板４０に貫通孔４０ａを塞ぐように薄膜６２が形成され、振動板４０と薄膜６２からなる振動層６３の、圧力室２４と対向することとなる領域の搬送方向に関する両端部の外側に、走査方向に沿って延在した溝６４を形成することができる。このように、振動層６３に溝６４が形成されることで、この溝６４近傍の振動板４０とキャビティプレート２０との接合部において、振動層６３の剛性が低くなり、振動層６３の圧力室２４と重なる領域の変形量を大きくすることができる。振動層６３の圧力室２４と重なる領域の変形が大きくなると、圧力室２４の変形量も大きくなるため、圧力室２４内のインクに高い圧力を付与することができる。そのため、低い電圧でも所定の速度でインクを吐出させることができ、駆動電圧の低電圧化も可能となる。

また、ある１つの圧力室２４と重なる圧電層４１の領域の収縮による、この領域と対向した振動層６３の変形が、隣接する他の圧力室２４に対応した振動層６３の変形に影響を及ぼすという、いわゆる構造的クロストークを抑えることができる。また、振動層６３の溝６４は、圧力室２４と対向することとなる領域を挟むように面方向に関する両側に配置されているため、各圧力室２４と対向することとなる領域の変形を促進することができる。さらに、溝６４が圧電層４１側に開口しているため、キャビティプレート２０側に開口している場合に比べて、各圧力室２４と対向することとなる領域の圧力室２４側への変形量をさらに促進することができる。

ここで、上述したように、振動板４０と薄膜６２から振動層６３に溝６４を形成する方法以外に、振動板４０単体にハーフエッチング、レーザ加工や機械加工などにより溝を形成する方法も考えられる。ただし、溝の寸法精度が低いと、溝ごとに寸法にばらつきが生じ、変形許容部ごとの変形量にばらつきが生じてしまうため、溝の寸法精度は高くしたい。しかしながら、ハーフエッチング、レーザ加工や機械加工などにより振動板４０に寸法精度の高い溝を形成するのは困難であった。

また、貫通孔４０ａが形成された振動板４０と貫通孔４０ａが形成されていない振動板４０を積層して、溝を形成することもできるが、厚みが振動板２枚分となってしまい、変形許容部の厚みが増すことで剛性が高くなり、変形許容部が変形しづらくなってしまう。これでは、寸法精度の高い溝を形成できたとしても、本来の変形許容部の変形を促進するという目的を果たすことができない。また、貫通孔４０ａが形成されていない振動板４０に薄い振動板４０を用いる場合には、製造工程における取り扱いが困難であるため、振動層６３の生産性が低下する。

そこで、本実施形態のように、振動板４０の圧力室２４と対向することとなる領域の搬送方向に関する両端部の外側に、走査方向に沿って延在した貫通孔４０ａを形成するとともに、この貫通孔４０ａを閉塞層７０で塞いだ状態で、貫通孔４０ａ内の閉塞層７０に厚みの均一な薄膜６２を成膜する。このように、めっきなどにより成膜された薄膜６２で貫通孔４０ａを塞いで形成された溝６４は、ハーフエッチング、レーザ加工や機械加工などの削ることで形成された溝６４よりも寸法精度が高い。これにより、振動板４０にハーフエッチングなどで溝形状を加工する場合に必要となる、加工時の溝深さの管理が不要であり、寸法精度（特に、深さの精度）が高い溝６４を容易に形成することができる。さらに、２枚の振動板４０を積層して振動層６３を形成する場合に比べて、変形許容部の変形促進効果が低下することのない振動層６３を生産性がよく形成することができる。

そして、図７（ｄ）に示すように、薄膜６２の表面に、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）により圧電材料の粒子を堆積させることにより圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。

ＡＤ法は、振動板４０、薄膜６２及び閉塞層７０を図示しないチャンバー内のステージに、薄膜６２が図示しないエアロゾル室に連通する噴射ノズルに対向するように四方をシールなどで固定させて保持する。そして、チャンバー内を真空にして、チャンバーと圧電層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からエアロゾルを薄膜６２に噴きつけて、粒子を高速で薄膜６２に衝突させるとともに、ステージを水平方向に往復移動させることにより薄膜６２上に圧電材料の粒子を堆積させる成膜法である。

ここで、振動板４０の貫通孔４０ａ内の薄膜６２上に圧電材料が堆積すると、すなわち溝６４に圧電材料が堆積すると、振動層６３の剛性が高くなってしまい、振動板４０の変形許容部８０の変形促進効果が低下する。そこで、振動層６３の溝６４には、圧電層４１を形成したくない。ところで、エアロゾルデポジション法で成膜対象に圧電層４１を成膜する場合に、成膜対象に溝がある場合には、噴射されたエアロゾルの流れが溝の内壁に乱されて、溝の底部における溝の内壁近傍の領域には、エアロゾルが垂直に衝突しないため、圧電材料が堆積されにくい。このとき、溝の幅が狭い場合には、溝の底部に圧電材料が堆積しないこととなる。本実施形態においては、振動層６３の溝６４は、その底部に圧電材料が堆積しない程度の幅であり、圧電材料は堆積しにくく、振動層６３の剛性が高くなることがなく、振動板４０の変形許容部８０の変形促進効果を保持することができる。このように、圧電層成膜方法としてエアロゾルデポジション法を採用すれば、振動層６３の溝６４に圧電材料が堆積しないように、特別な工夫（例えば、マスクで溝６４を封止するなど）を行う必要がない。

次に、ＡＤ法により圧電層４１を形成した場合に、圧電層４１中に粒子の微細化や格子欠陥などが生じていると、振動板４０を変形させるのに必要な圧電特性を得られない。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、振動板４０、薄膜６２、閉塞層７０及び圧電層４１を図示しない炉内に収容して、所定のアニール処理温度（例えば、９００℃）に加熱して、圧電層４１に対して熱処理を施す（アニール処理工程）。

このとき、閉塞層７０を形成するポリイミド樹脂の熱分解温度はアニール処理温度よりも低く、５００℃程度であるため、図７（ｅ）に示すように、閉塞層７０はアニール処理工程において分解され除去される。このように、アニール処理時に閉塞層７０の除去をあわせて行うことができ、閉塞層７０の除去のための特別な工程が不要になり、製造工程を簡略化することができる。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であり、閉塞層７０の熱分解が可能な温度であれば、いかなる温度でもよい。

アニール処理工程が終了すると、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をそれぞれ形成し、圧電アクチュエータ７の製造を完了する。

その後、図６（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。

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。但し、本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。

本実施形態では、貫通孔形成工程、閉塞層形成工程、成膜工程、圧電層形成工程、除去工程の順に行っていたが、貫通孔形成工程と閉塞層形成工程の順序は逆で、閉塞層形成工程の後に貫通孔形成工程を行ってもよい。また、圧電層形成工程と除去工程の順序は逆で、除去工程の後に圧電層形成工程を行ってもよい。これを考慮すると、本実施形態も含めて計４通りの工程順序が考えられる。以下、残り３通りの工程順序について説明する。

１）閉塞層形成工程、貫通孔形成工程、成膜工程、圧電層形成工程、除去工程の順に行う場合について説明する（変形例１）。まず、図８（ａ）に示すように、振動板４０の一方の面に閉塞層７０を形成する（閉塞層形成工程）。これだと、フィルムからなる閉塞層７０を振動板４０に接着剤などで接合せずに、振動板４０の一方の面にポリイミド樹脂を塗布して熱硬化させて閉塞層７０を形成することもできる。次に、図８（ｂ）に示すように、振動板４０の閉塞層７０が形成されていない面に、貫通孔４０ａを形成する（貫通孔形成工程）。このとき、振動板４０が金属材料で、閉塞層７０が樹脂材料であり、両者は異なる材料により形成されているため、エッチング液を適宜選択することで、エッチングにより振動板４０のみに貫通孔４０ａを形成することが容易である。また、振動板４０に閉塞層７０を形成し、閉塞層７０により振動板４０の剛性が高くなった後に、振動板４０に貫通孔４０ａを形成することで、貫通孔４０ａ形成後の振動板４０の取り扱いが容易となる。そして、上述した実施形態と同様に、図８（ｃ）に示すように、薄膜６２を形成した後（成膜工程）、図８（ｄ）に示すように、圧電層４１を形成し（圧電層形成工程）、図８（ｅ）に示すように、閉塞層７０を除去する（除去工程）。

２）貫通孔形成工程、閉塞層形成工程、成膜工程、除去工程、圧電層形成工程の順に行う場合について説明する（変形例２）。まず、上述した実施形態と同様に、図９（ａ）に示すように、振動板４０に貫通孔４０ａを形成した後（貫通孔形成工程）、図９（ｂ）に示すように、振動板４０の一方の面に閉塞層７０を形成し（閉塞層形成工程）、図９（ｃ）に示すように、薄膜６２を形成する（成膜工程）。そして、図９（ｄ）に示すように、振動板４０、薄膜６２、閉塞層７０及び圧電層４１をポリイミド樹脂の熱分解温度以上に加熱して、閉塞層７０を除去する（除去工程）。ここで、圧電層形成工程前に、閉塞層７０が除去されているため、薄膜６２及び振動板４０のどちらの面にも圧電層４１を形成することができる。例えば、上述した実施形態と同様に、薄膜６２の表面に圧電層４１を形成してもよいし、図９（ｅ）に示すように、振動板４０の表面に圧電層４１を形成してもよい（圧電層形成工程）。振動板４０の表面に圧電層４１を形成された場合には、薄膜６２の表面に流路ユニット６が接合されることとなる。

３）閉塞層形成工程、貫通孔形成工程、成膜工程、除去工程、圧電層形成工程の順に行う場合について説明する（変形例３）。まず、（１）の場合と同様に、図１０（ａ）に示すように、振動板４０の一方の面に閉塞層７０を形成し（閉塞層形成工程）、図１０（ｂ）に示すように、振動板４０の閉塞層７０が形成されていない面に、貫通孔４０ａを形成し（貫通孔形成工程）、図１０（ｃ）に示すように、薄膜６２を形成する（成膜工程）。そして、（２）の場合と同様に、図１０（ｄ）に示すように、閉塞層７０を除去し（除去工程）、薄膜６２の表面、または、図１０（ｅ）に示すように、振動板４０の表面に圧電層４１を形成する（圧電層形成工程）。

（１）または（３）のように、振動板４０の一方の面に閉塞層７０を形成した後、振動板４０に貫通孔を形成することで、図１１に示すように、平面視で圧力室２４を囲むように環状に貫通孔１４０ａを形成することもできる。振動板４０に貫通孔１４０ａを形成すると、振動板４０の剛性が低下して取り扱いが困難になる。例えば、振動板４０に環状に貫通孔１４０ａを形成した場合では、振動板４０の変形許容部８０と拘束部８１が分離してしまう。そこで、振動板４０に閉塞層７０を形成した後に、振動板４０に貫通孔１４０ａを形成することで、貫通孔１４０ａ形成後の振動板４０の取り扱いが容易となる。また、振動板４０の圧力室と重なる領域（変形許容部）が振動板４０とキャビティプレート２０の接合部（拘束部８１）によって囲まれた構成では、変形許容部８０と拘束部８１の境界全周に環状の貫通孔１４０ａを形成して、振動層６３に環状に溝６４を設けることで、変形許容部８０の変形を促進することができる。

また、本実施形態においては、成膜工程として、無電解めっきにより、振動板４０の表面、貫通孔４０ａの内壁及び振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の表面跨った表面に薄膜６２を形成していたが、蒸発させたニッケルを蒸着させて薄膜６２を形成する蒸着方法が挙げられる。例えば、この蒸着方法としては、熱によって化学反応を活性化させて薄膜６２を成膜する熱ＣＶＤや、プラズマによって化学反応を活性化させて薄膜６２を成膜するプラズマＣＶＤなどの化学蒸着法（ＣＶＤ）が挙げられる。また、高電圧をかけてイオン化させた希ガス元素や窒素をターゲットとなるニッケルに衝突させて、ターゲット表面の原子をはじき飛ばして、振動板４０の表面、貫通孔４０ａの内壁及び振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の表面跨った表面に蒸着させて薄膜６２を形成するスパッタリングや、高真空中において、原料となるニッケルを蒸発させて、振動板４０の表面、貫通孔４０ａの内壁及び振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の表面跨った表面上に照射して、この蒸発したニッケルを堆積させて薄膜６２を形成する分子線エピタキシー法（ＭＢＥ）や、イオン化したニッケルを電界で加速させて振動板４０の表面、貫通孔４０ａの内壁及び振動板４０の貫通孔４０ａから露出した閉塞層７０の表面跨った表面上に衝突させて薄膜６２を形成するイオンプレーティングなどの物理蒸着法（ＰＶＤ）が挙げられる。

さらに、本実施形態においては、圧電層形成工程として、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、６００〜７００℃で加熱する工程が必要となり、この加熱工程において、閉塞層７０を除去することができる。また、圧電層４１をＡＤ法やゾルゲル法以外のスパッタ法、化学蒸着法、または、水熱合成法などの他の成膜方法により形成してもよいし、このような成膜方法のように圧電層４１を振動板４０上に直接形成するものに限られず、圧電材料のグリーンシートを振動板４０上に積層し、一体焼成させてもよいし、単独で形成された圧電層４１を振動板４０上に接着してもよい。

加えて、本実施形態においては、薄膜６２をニッケルにより形成していたが、薄膜６２はニッケルに限らず、ニッケル以外の金や銅などの金属材料やセラミックスなどいかなる材料で形成されてもよい。

また、本実施形態においては、振動板４０及び薄膜６２は、共に金属材料により形成されていたが、振動板４０はセラミックスなどの絶縁材料により形成され、薄膜６２のみ金属材料により形成されてもよい。この場合、薄膜６２は、振動板４０の上面、振動板４０の貫通孔４０ａの内壁及び貫通孔４０ａから露出したキャビティプレート２０の上面に跨って形成されており、圧電層４１を挟んで個別電極４２と対向する領域まで形成されている。つまり、圧電層４１は個別電極４２と金属材料からなる薄膜６２によって厚み方向に挟まれていることになる。そのため、本実施形態においては振動層６３を圧電層４１に電界を作用させるための共通電極として使用していたが、この変形例においては薄膜６２を共通電極として使用することができる。なお、絶縁材料からなる振動板４０上に薄膜６２を形成する方法としては、金属材料からなる振動板４０上に薄膜６２を形成する方法と同様である。これによると、振動板４０と圧電層４１がともにセラミックスであるため、それらの材料において線膨張係数が近い材料を用いることができ、圧電層４１を熱処理した場合や、圧電層４１を振動板４０と一体焼成した場合や、単独で形成された圧電層４１を熱硬化性樹脂で振動板４１に貼り付ける場合において、圧電層４１に熱応力や、それに起因する反りが発生することがなく、圧電層４１の圧電特性を低下させることがない。

さらに、振動板４０は金属材料により形成され、薄膜６２はセラミックスなどの絶縁材料により形成されてもよい。このとき、振動板４０上に絶縁材料からなる薄膜６２を形成する方法としては、ゾルゲル法、ＣＶＤやＰＶＤなどの蒸着法などが挙げられる。これによると、アニール処理工程における加熱によって振動板４０を形成する金属材料が拡散して圧電層４１に達してしまうのを防止することができる。

また、閉塞層７０としては、ポリイミド樹脂に限らず、アニール処理温度で熱分解する材料であればよい。また、ポリイミド樹脂のようにアニール処理温度で熱分解する材料に限らず、アニール処理工程で融解する材料であってもよい。さらに、閉塞層７０が、アニール処理工程で熱分解や融解するような材料でない場合には、加熱して除去せずに、振動板４０から剥ぎとってもよいし、溶剤に浸水させて溶かしてもよい。例えば、閉塞層７０は、振動板４０とは異なる金属材料であってもよい。このとき、エッチング時間やエッチング液を適宜選択してエッチングを行ったり、レーザ光のパワー密度を適宜設定してレーザ加工を行ったりして、振動板４０にのみ貫通孔４０ａを形成することは可能である。

さらに、圧電層４１は複数の圧力室２４に跨って連続的に配置されていたが、複数の圧力室２４のそれぞれに個別に配置されていてもよい。これによると、圧電層４１が複数ある場合に、ある圧電層４１に電位を与えたときに生じる圧電歪が隣接する他の圧電層４１に影響を与えるいわゆる構造的クロストークを防止することができる。

また、本実施形態においては、薄膜６２は、振動板４０の上面、貫通孔４０ａの内壁及び貫通孔４０ａから露出したキャビティプレート２０の上面に跨って形成されていたが、薄膜６２は少なくとも貫通孔４０ａから露出したキャビティプレート２０の上面に形成されており、製造工程において振動板４０とともに最低限保持して持ち運べるように、貫通孔４０ａの内壁まで形成されていればよい。

さらに、本実施形態においては、振動板４０の貫通孔４０ａ（振動層６３の溝６４）は、圧力室２４と重なる領域の外側に形成されていたが、圧力室２４と重なる領域内や圧力室２４と重なる領域の境界に形成されてもよく、振動板４０の圧力室２４と重なる領域（変形許容部）と振動板４０のキャビティプレート２０との接合部（拘束部）の境界近傍に形成されていればよい。

また、本実施形態の製造方法で、振動板のようなプレートに貫通孔を形成するとともに、この貫通孔を閉塞層で塞いだ状態で、貫通孔内の閉塞層に厚みの均一な薄膜を成膜して、溝を形成すると、寸法精度が高い溝を容易に形成することができるため、例えば、以下のような場合にも利用することができる。図１２に示すように、流路ユニットを構成する複数枚のプレートには、マニホールド１２７内のインクの圧力変動を減衰させるダンパー部として働くダンパープレート１５０が積層されていることがある。このダンパープレート１５０の下面には、平面視でマニホールド１２７と重なる位置に凹部１７１（本実施形態における溝に相当する。）が形成されている。この凹部１７１を形成する際に、ダンパープレート１５０に貫通孔１５０ａを形成して、この貫通孔１５０ａを閉塞層で塞いで、貫通孔１５０ａ内の閉塞層に厚みの均一な薄膜１６２を成膜する。そして、凹部１７１が形成された後、閉塞層を除去することで、寸法精度が高い凹部１７１を形成することができる。

また、圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータ及びその製造方法には限られず、所定の動部を駆動させるための圧電アクチュエータ及びその製造方法に本発明を適用することも可能である。

１ インクジェットプリンタ
３ インクジェットヘッド
６ 流路ユニット
７ 圧電アクチュエータ
４０ 振動板
４０ａ 貫通孔
４１ 圧電層
６２ 薄膜
７０ 閉塞層
８０ 変形許容部
８１ 拘束部

Claims (10)

1. 変形が拘束される拘束部と、この拘束部と面方向に隣接し、且つ、変形が許容される変形許容部を有する振動板と、前記振動板の一表面の前記変形許容部と対向する領域に配置される圧電層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、前記拘束部と前記変形許容部の境界近傍に、貫通孔を形成する貫通孔形成工程と、
   前記振動板のいずれか一方の面に、前記貫通孔を閉塞するための閉塞層を形成する閉塞層形成工程と、
   前記貫通孔が前記閉塞層により塞がれた状態で、前記閉塞層の前記貫通孔側の面に、前記振動板よりも薄い薄膜を成膜する成膜工程と、
   前記閉塞層を除去する除去工程と、
   前記振動板の一表面の、前記変形許容部と対向する領域に、前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、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。
2. 前記振動板は、少なくともその面方向に平行な一方向において、前記変形許容部が前記拘束部に挟まれた構成を有するものであり、
   前記貫通孔形成工程において、前記拘束部と前記変形許容部の、前記一方向における２つの境界近傍のそれぞれに、前記貫通孔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。
3. 前記振動板は、前記変形許容部が前記拘束部によって囲まれた構成を有するものであり、
   前記貫通孔形成工程において、前記拘束部と前記変形許容部の環状の境界に沿って前記貫通孔を環状に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。
4. 前記閉塞層形成工程において前記振動板に前記閉塞層を形成した後に、前記貫通孔形成工程において前記振動板に前記貫通孔を形成することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
5. 前記閉塞層形成工程において、前記閉塞層を前記振動板とは異なる材料で形成し、
   前記貫通孔形成工程において、前記振動板にエッチングまたは、レーザ光を照射することにより前記貫通孔を形成す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。
6. 前記振動板が金属板であり、
   前記閉塞層形成工程において、前記閉塞層を樹脂材料で形成し、
   前記貫通孔形成工程において、前記振動板にエッチングにより前記貫通孔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。
7. 前記閉塞層形成工程において、前記振動板の前記一表面と反対側の面に閉塞層を形成し、
   前記圧電層形成工程において、エアロゾルデポジション法により前記圧電層を形成することを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
8. 前記圧電層形成工程で形成された前記圧電層を、所定のアニール温度まで加熱してアニール処理を行うアニール処理工程をさらに備えており、
   前記アニール処理工程において、前記アニール温度を前記閉塞層の融点、または、熱分解温度以上に設定し、前記圧電層を、前記振動板及び前記閉塞層とともに前記アニール温度まで加熱することで、前記圧電層のアニール処理と前記閉塞層の除去を行うことを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
9. 変形が拘束される拘束部と、この拘束部と面方向に隣接し、且つ、変形が許容される変形許容部を有する振動板と、
   前記振動板の一表面の、前記変形許容部と対向する領域に配置される圧電層を備えており、
   前記振動板の、前記拘束部と前記変形許容部の境界近傍に貫通孔が形成され、
   さらに、前記振動板の前記貫通孔内には、この貫通孔を塞ぐように、前記振動板よりも薄い薄膜が設けられていることを特徴とする圧電アクチュエータ。
10. 前記振動板は、絶縁材料で形成され、
    前記薄膜は、導電性材料で形成されるとともに、前記貫通孔から、前記振動板の前記一表面の前記変形許容部と対向する領域まで延在しており、
    前記振動板の前記一表面の前記変形許容部と対向する領域に配置された前記圧電層の、前記振動板と反対側の面には電極が配置され、
    前記圧電層が、導電性材料からなる前記薄膜と前記電極とによって厚み方向に挟まれていることを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータ。
    

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