JP2006123275A - 液体移送装置及び液体移送装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 耐久性に優れ、さらに、駆動効率がより向上した圧電アクチュエータを備えた液体移送装置、及び、このような液体移送装置の製造方法を提供すること。
【解決手段】 圧力室１４の径方向の長さをＷ、駆動電圧が印加される個別電極３２の、圧力室１４の縁部の径方向一方側部分と重なる領域に形成される部分の径方向の長さをＡとしたときに、個別電極３２の径方向長さＡは、Ａ／（Ｗ／２）の値と、個別電極３２に駆動電圧が印加されたときの振動板３０の変形量との関係に基づいて、振動板３０の変形量が大きくなるように決定されている。
【選択図】 図５

Description

本発明は、液体を移送する液体移送装置及び液体移送装置の製造方法に関する。

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は種々のものがあるが、例えば、インクをノズルへ移送して、このノズルから記録用紙等の被噴射体に対して吐出するインクジェットヘッドが知られている。その中でも、例えば、特許文献１に記載のインクジェットヘッドは、ノズルに連通し且つ一方向に細長い形状を有する圧力室が複数形成された流路ユニット（キャビティプレート）と、圧力室の容積を変化させることにより、圧力室内のインクにノズルから吐出させるための圧力を付与する圧電アクチュエータとを備えている。

さらに、このインクジェットヘッドの圧電アクチュエータは、圧力室を覆うように配設された、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる複数枚の圧電シートと、これら複数枚の圧電シートの間に交互に配置された、個別電極（駆動電極）及び共通電極（コモン電極）とを有する。個別電極と共通電極は、圧電シートの面に直交する方向から見て圧力室と重なる領域において、圧力室の周縁に沿うように環状に形成されている。そして、この圧電アクチュエータは、圧力室の容積を一旦増加させて圧力室内にインクを引き込んだ後、圧力室の容積を減少させることによりインクに大きな圧力を付与する、いわゆる、引き打ちが可能に構成されている。

即ち、共通電極がグランド電位に保持された状態で、個別電極に駆動電圧が印加されると、個別電極と共通電極との間に挟まれた、圧力室の周縁に沿った環状である圧電シートの部分がその面に平行な方向に縮む。その結果、複数枚の圧電シートが圧力室と反対側に凸となるように変形し、圧力室内の容積が増加して、圧力室内に圧力波が発生する。さらに、この圧力波が圧力室内で正に転じるタイミングで、個別電極への駆動電圧の印加が停止されると、複数枚の圧電シートが元の形状に戻って圧力室内の容積が減少するが、このとき、前述の圧力室の容積増大に伴う圧力波と、圧電シートの復元に伴い生じる圧力波とが合成されて、インクに大きな圧力が付与される。そのため、このインクジェットヘッドの圧電アクチュエータは、比較的低い駆動電圧でインクに大きな圧力を付与することができ、圧電アクチュエータの駆動効率が高くなる。また、インクを吐出するタイミングにおいてのみ個別電極に駆動電圧を印加して圧電層に電界を作用させるように構成されており、インクの吐出タイミング以外では圧電層に電界が付与されず、圧電層に分極劣化が生じにくいため、アクチュエータの耐久性も高い。

特開２００４−１６６４６３号公報

前述のように、前記特許文献１のインクジェットヘッドでは、個別電極と共通電極が、平面視で圧力室と重なる領域において、圧力室の周縁に沿うように環状に形成されている。ここで、圧電アクチュエータは、低い駆動電圧で圧電シートを大きく変形させるように構成されていることがエネルギー効率の面から好ましいが、圧電シートの変形量の大小は、電界が作用して変形する圧電層の駆動部の寸法、即ち、駆動電圧が印加される個別電極の寸法に大きく左右される。そのため、圧電シートの変形量がより大きくなるように、個別電極の寸法が決定されていることが望ましい。

本発明の目的は、耐久性に優れ、さらに、駆動効率がより向上した圧電アクチュエータを備えた液体移送装置、及び、このような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及び発明の効果

第１の発明の液体移送装置は、それぞれが平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、これら複数の圧力室内の容積を選択的に変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを有する液体移送装置であって、前記圧電アクチュエータは、前記流路ユニットに接合されて前記複数の圧力室を覆う振動板と、前記振動板の前記複数の圧力室と反対側に配置され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室と全面的に重なるように形成された圧電層と、この圧電層の一方の面側において、前記平面と直交する方向から見て、少なくとも前記複数の圧力室の中央部を除いた領域である縁部と重なる領域に夫々形成された複数の個別電極と、前記圧電層の他方の面側に形成された共通電極とを有し、前記圧力室の径方向の長さをＷ、前記個別電極の、前記圧力室の前記縁部の前記径方向一方側部分と重なる領域に形成された部分の前記径方向の長さをＡとしたときに、Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．３３以上で、０．７５以下であることを特徴とするものである。

この液体移送装置において、圧電アクチュエータの個別電極は、圧力室の縁部と重なる領域に配置されている。そのため、個別電極に駆動電圧が印加されると、個別電極と共通電極との間に挟まれた、圧力室の縁部に沿う圧電層の部分がその面に平行な方向に縮む。その結果、振動板と圧電層が圧力室の中央部と重なる部分を頂点として圧力室と反対側に凸となるように変形することになり、圧力室の容積が増加して、圧力室内に圧力波が発生する。さらに、この圧力波が圧力室内で正に転じるタイミングで、個別電極への駆動電圧の印加が停止されると、振動板が元の形状に戻って圧力室内の容積が減少するが、前述の圧力室の容積増大に伴う圧力波と、振動板の復元に伴い生じる圧力波とが合成され、圧力室内の液体に大きな圧力が付与される。従って、比較的低い駆動電圧で液体に高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータの駆動効率が高くなる。また、液体を移送するタイミングにおいてのみ個別電極が駆動電圧を印加されて圧電層に電界が作用するため、圧電層に分極劣化が生じにくく、耐久性に優れる。

さらに、圧力室の径方向長さ（圧力室の面積中心を通る直線の方向の長さ）をＷ、個別電極の、圧力室の縁部の径方向一方側部分と重なる部分の、径方向長さをＡとしたときに、Ａ／（Ｗ／２）の値が０．３３以上で、０．７５以下の範囲内に収まっていると、圧電層の変形量のばらつきを極力小さくしつつ、圧電層をより大きく変形させることが可能になり、圧電アクチュエータの駆動効率が向上する。

さらに、この第１の発明において、前記Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．４１以上で、０．６９以下であることが好ましい（第２の発明）。さらに、この第２の発明において、前記Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．４１以上で、０．５５以下であることがより好ましい（第３の発明）。このように、第２の発明におけるＡ／（Ｗ／２）の値の範囲内で、個別電極の径方向長さＡが小さくなっていると、圧電層の変形量を大きくしつつも、個別電極と共通電極との間の圧電層に生じる静電容量を小さくすることができるため、圧電アクチュエータの消費電力が小さくなる。

第４の発明の液体移送装置は、前記第１〜第３の何れかの発明において、前記複数の圧力室は、夫々所定の一方向に長い形状を有し、前記複数の個別電極は、前記複数の圧力室の前記縁部と重なる領域のうち、少なくとも、前記所定の一方向にほぼ平行に延びる２つの領域に夫々形成されていることを特徴とするものである。圧力室が所定の一方向に長い形状を有する場合には、圧力室の長手方向（前記所定の一方向）と交差する方向の個別電極の長さが圧電層の変形量に大きく影響する。そのため、圧力室の縁部と重なる領域のうち、少なくとも、圧力室の長手方向に延びる２つの領域に形成された個別電極の、前記所定の一方向と交差する方向（第１の発明における径方向に相当する）の長さＡを、圧電層の変形量が大きくなるような最適な値にすることにより、圧電アクチュエータの駆動効率を確実に向上させることができる。

これら第１〜第４の何れかの発明において、さらに、前記振動板は金属材料からなり、前記共通電極を兼ねていてもよい（第５の発明）。この場合には、振動板とは別に共通電極を設ける必要がない。または、前記振動板は、少なくとも前記圧力室と反対側の面において絶縁性を有し、この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記共通電極が形成されていてもよい（第６の発明）。あるいは、前記振動板は、少なくとも前記圧力室と反対側の面において絶縁性を有し、この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記複数の個別電極が形成されていてもよい（第７の発明）。

第８の発明の液体移送装置の製造方法は、それぞれが平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記複数の圧力室を覆う振動板、この振動板の圧力室と反対側に配置された圧電層、この圧電層の一方の面側において、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部を除いた領域である縁部と重なる領域に夫々形成された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面側に形成された共通電極を備えた圧電アクチュエータを有する液体移送装置の製造方法であって、前記圧力室の径方向の長さをＷ、前記個別電極の、前記圧力室の前記縁部の前記径方向一方側部分と重なる領域に形成される部分の前記径方向の長さをＡとしたときの、Ａ／（Ｗ／２）の値と、前記個別電極に電圧が印加されたときの前記振動板の変形量との関係に基づいて、前記個別電極の前記径方向の長さＡを決定する電極長さ決定工程と、この電極長さ決定工程で決定された径方向長さＡを有する個別電極を形成する個別電極形成工程とを備えたことを特徴とするものである。

電極長さ決定工程において、個別電極の、圧力室の縁部の径方向一方側部分と重なる領域に形成される部分の径方向の長さＡと圧力室の径方向長さの半分（Ｗ／２）の比である、Ａ／（Ｗ／２）の値と、個別電極に駆動電圧が印加されたときの振動板の変形量との関係に基づいて、個別電極の径方向長さＡを、振動板の変形量が大きくなるような最適な値に決定し、個別電極形成工程において、決定された長さＡを有する個別電極を形成するため、振動板をより効率よく変形させることが可能になり、圧電アクチュエータの効率が向上する。

第９の発明の液体移送装置の製造方法は、前記第８の発明において、前記圧電層を複数の圧力室を全面的に覆うように形成する圧電層形成工程を備えたことを特徴とするものである。圧電層が複数の圧力室を全面的に覆うように形成されている場合には、圧力室と重なる領域においては、振動板及び圧電層の剛性のばらつきが小さく、ほぼ均一になるため、振動板や圧電層の厚さ等の条件が変形しても、個別電極の径方向の長さＡに対する振動板の変形量の傾向は変わらない。即ち、個別電極に電圧が印加されたときの振動板の変形量が大きくなるような、個別電極の径方向の長さＡの最適な値は、振動板や圧電層の厚さ等の、圧力室の径方向長さＷ以外の他の条件に依存しないため、個別電極の径方向長さＡの最適値を決定することが容易になる。

第１０の発明の液体移送装置の製造方法は、前記第８の発明において、前記振動板の厚さを測定する振動板厚さ測定工程と、前記振動板の前記圧力室と反対側の面において、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部と夫々重なる位置に複数の開口部が形成されるように、前記圧電層を、前記複数の圧力室の前記縁部と夫々重なる領域に形成する圧電層形成工程と、前記圧電層の厚さを測定する圧電層厚さ測定工程と、前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室に重なり且つ前記圧電層が部分的に形成されていない領域である、前記開口部の前記径方向の長さを測定する開口長さ測定工程とを備え、前記電極長さ決定工程において、前記振動板の厚さ、前記圧電層の厚さ、及び、前記開口部の前記径方向の長さに基づいて、前記Ａ／（Ｗ／２）の値と前記個別電極に電圧が印加されたときの前記振動板の変形量との関係を決定し、この決定された関係に基づいて前記個別電極の前記径方向の長さＡを決定することを特徴とするものである。

個別電極が配置されない圧力室の中央部と重なる部分に、圧電層が形成されない場合には、圧電アクチュエータの剛性が、圧力室の中央部と重なる領域と、縁部と重なる領域とで異なることになる。そのため、Ａ／（Ｗ／２）の値と、個別電極に電圧が印加されたときの振動板の変形量との関係は、振動板の厚さ、圧電層の厚さ、及び、開口部の径方向長さに夫々依存する。そこで、この第１１の発明においては、振動板の厚さ、圧電層の厚さ、及び、開口部の幅を測定して、これらの測定結果に基づいてＡ／（Ｗ／２）の値と、個別電極に電圧が印加されたときの振動板の変形量との関係を定めるため、振動板の変形量が大きくなるような、Ａの値を適切に決定することができる。

本発明の第１実施形態について説明する。この第１実施形態はノズルからインクを吐出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に対してインクを吐出するシリアル式のインクジェットヘッド１（液体移送装置）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に対してインクを吐出する。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について説明する。図２〜図５に示すように、インクジェットヘッド１は、内部にインク流路が形成された流路ユニット２と、この流路ユニット２の上面に配置された圧電アクチュエータ３とを有する。

まず、流路ユニット２について説明する。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が積層状態で接合されている。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は略矩形のステンレス鋼製の板である。そのため、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３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は上方へ開口しており、複数の圧力室１４はキャビティプレート１０の上面に接合される後述の振動板３０により覆われている。各圧力室１４は、平面視、即ち、圧力室１４が形成された平面に直交する方向から見て、走査方向（図２の左右方向）に長い、略長円形状に形成されている。

ベースプレート１１の平面視で圧力室１４の長手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２列に延び、平面視で圧力室１４の連通孔１５側の部分（図２における圧力室１４の右側部分）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、キャビティプレート１０に形成されたインク供給口１８を介してインクタンク（図示省略）から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（図２における圧力室１４の左側部分）と重なる位置には、連通孔１６に連なる連通孔１９も形成されている。さらに、ノズルプレート１３には、平面視で複数の圧力室１４の図２の左端部に重なる位置に、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の表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の上面（圧力室１４と反対側の面）に形成された圧電層３１と、この圧電層３１の上面において、複数の圧力室１４に夫々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、金属材料（例えば、ステンレス鋼等の鉄系合金、ニッケル合金、アルミニウム合金、あるいは、チタン合金等）からなる、平面視で略矩形状の板であり、この振動板３０は、複数の圧力室１４を覆うようにキャビティプレート１０に接合されている。また、この振動板３０は、複数の個別電極３２と対向して個別電極３２と振動板３０との間の圧電層３１に電界を作用させる共通電極を兼ねており、振動板３０は常にグランド電位に保持された状態となっている。

圧電層３１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）からなり、振動板３０の上面において、複数の圧力室１４を全面的に覆うように形成されている。この圧電層３１は、例えば、圧電材料の粒子を層形成面に噴射して堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により形成することができる。また、スパッタ法、ＣＶＤ（化学蒸着）法、ゾル・ゲル法、水熱合成法等の、他の既知の方法で圧電層３１を形成することもできる。あるいは、ＰＺＴのグリーンシートを焼成することにより生成された圧電シートを所定の大きさに切断し、この切断された圧電シートを振動板３０に貼り付けることにより圧電層３１を形成してもよい。

個別電極３２は、走査方向（図２の左右方向）に長く、且つ、その中央部に穴３２ａが形成された環状の形状を有する。そして、この個別電極３２は、平面視で穴３２ａが圧力室１４の中央部と重なるように、圧力室１４の中央部以外の縁部と重なる領域において圧力室１４の中央部を取り囲むように形成されている。尚、個別電極３２は、導電性材料（例えば、金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタン等）で形成されている。また、複数の個別電極３２の図２における右端部からは、夫々複数の端子部３５が走査方向に延びている。そして、これら複数の端子部３５には、フレキシブルプリント配線板（Flexible Printed Circuit：ＦＰＣ）等の可撓性を有する配線部材（図示省略）を介して、ドライバＩＣ（図示省略）が接続されており、このドライバＩＣから複数の端子部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印加される。尚、個別電極３２及び端子部３５は、スクリーン印刷、スパッタ法、あるいは、蒸着法等により形成することができる。

次に、インク吐出時における圧電アクチュエータ３の作用について説明する。
複数の個別電極３２に対してドライバＩＣから選択的に駆動電圧が印加されると、駆動電圧が印加された圧電層３１上側の個別電極３２とグランド電位に保持されている圧電層３１下側の共通電極としての振動板３０の電位が異なる状態となり、個別電極３２と振動板３０の間に挟まれた圧電層３１の部分に上下方向の電界が与えられる。すると、駆動電圧が印加された個別電極３２の直下の圧電層３１の部分が、分極方向である厚み方向に伸びて、分極方向と直交する、面と平行な方向に収縮する。

ここで、前述したように、個別電極３２は、平面視で、圧電層３１の圧力室１４の縁部と重なる領域に形成されているため、図６に示すように、圧電アクチュエータ３の、圧力室１４の縁部と重なる領域が、圧電層３１が自発的に変形する駆動領域Ａ１となり、圧力室１４の中央部と重なる領域が、駆動領域Ａ１の圧電層３１の変形に伴って変形する従動領域Ａ２となる。また、圧力室１４の外側の、振動板３０がキャビティプレート１０に接合された領域は、振動板３０の変形が拘束された被拘束領域Ａ３となる。そして、個別電極３２に駆動電圧が印加されたときには、図６における両側に位置する駆動領域Ａ１の圧電層３１は面と平行な方向に収縮する一方で、振動板３０は収縮しないことから、駆動領域Ａ１の間に挟まれた従動領域Ａ２の圧電層３１及び振動板３０が変形し、振動板３０は従動領域Ａ２の中央を頂点として圧力室１４と反対側に凸となるように変形する。すると、圧力室１４内の容積が増大して、圧力室１４内に圧力波が発生する。

ここで、従来から知られているように、この圧力室１４の容積増大に伴う圧力波が圧力室１４の長手方向に片道伝搬する時間が経過したときに、圧力室１４内の圧力は正に転じる。そこで、ドライバＩＣは、この圧力室１４内の圧力が正に転じるタイミングで、個別電極３２への駆動電圧の印加を停止する。すると、個別電極３２の電位がグランド電位になり、振動板３０が元の形状に戻って圧力室１４内の容積が減少するが、このとき、前述の圧力室１４の容積増大に伴う圧力波と、振動板３０の復元に伴い生じる圧力波とが合成されるため、圧力室１４内のインクに大きな圧力が付与されて、インクがノズル２０から吐出される。このように、いわゆる引き打ちを行うことにより、低い駆動電圧でインクに高い圧力を付与することが可能になり、圧電アクチュエータ３の駆動効率が高くなる。また、インクを吐出するタイミングにおいてのみ個別電極３２に駆動電圧を印加して圧電層３１に電界を作用させるため、圧電層３１に分極劣化が生じにくく、耐久性に優れる。

ところで、この圧電アクチュエータ３は、低い駆動電圧で、圧電層３１（振動板３０）を大きく変形させるように構成されていることが、駆動効率の面から好ましいが、振動板３０の変形量の大小は、駆動電圧が印加されて圧電層３１に電界を作用させる、個別電極３２の寸法に左右される。具体的には、圧力室１４の縁部と重なる個別電極３２の部分の、径方向（圧力室１４の面積中心を通る直線の方向）の長さに大きく影響される。そこで、本実施形態の圧電アクチュエータ３においては、このような個別電極３２の径方向長さとして、圧力室１４の長手方向と直交する方向である幅方向一方側の幅方向長さＡ（図３、図５参照、以下、単に幅という）が採用され、この個別電極３２の幅Ａが、振動板３０の変形量が大きくなるような最適な値に設定される。

この個別電極３２の幅Ａを決定する手法について説明する。まず、圧力室１４の幅方向長さ（図３、図５参照、以下、単に幅という）をＷとしたときに、個別電極３２の幅Ａの値を変化させたときの、振動板３０の最大変位量（圧力室１４の面積中心に対向する位置の上方への変位量）の変化を、有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）等による構造解析や実験などにより求める。例えば、圧力室１４の幅Ｗを４１９μｍ、ステンレス鋼製の振動板３０の厚さＴｖを２０μｍ、ＰＺＴからなる圧電層３１の厚さＴｐを１０μｍ、個別電極３２に印加される駆動電圧を２０Ｖとして、ＦＥＭによる構造解析を行った場合の、個別電極３２の幅Ａと圧力室１４の幅Ｗの半分の（Ｗ／２）との比である、Ａ／（Ｗ／２）の値と、振動板３０の最大変位量（単位：ｎｍ）との関係は、図７のようになる。

ここで、図５に示すように、圧電層３１は、振動板３０の上面において、圧力室１４を全面的に覆うように形成されているため、圧力室１４に対向する領域内で、圧電アクチュエータ３の剛性のばらつきは小さく、ほぼ均一である。そのため、振動板３０及び圧電層３１の厚さやその弾性係数、あるいは、駆動電圧の大きさ等の条件が変わると、振動板３０の最大変位量の値自体は変化するが、個別電極３２の幅Ａに対する振動板３０の最大変位量の変化の傾向は変わらない。例えば、図７のグラフにおいて、振動板３０の最大変位量がピークとなるときの、Ａ／（Ｗ／２）の値は、振動板３０及び圧電層３１の厚さや、駆動電圧の大きさ等の他の条件には依存しない。ここで、振動板３０の最大変位量が大きい方が、同じ駆動電圧で圧力室１４内のインクにより大きな圧力を付与することができることから、最適なＡ／（Ｗ／２）の値は、振動板３０の最大変位量がそのピークとなる値（０．５５）となり、個別電極３２の幅Ａの最適値が容易に決定される。

ところで、製造誤差により、圧電層３１の上面に実際に形成された個別電極３２の幅Ａは、前述の最適値からずれることもあり、その場合には、振動板３０の最大変位量が圧力室１４ごとにばらついてしまうことになる。そして、振動板３０の最大変位量のばらつきに起因して、複数のノズル２０から吐出されるインクの液滴速度にもばらつきが生じ、このインクの液滴速度が大きくばらつくと印字品質が低下してしまう。ここで、振動板３０の変位量とノズル２０から吐出されるインクの液滴速度との間には、ある経験則が存在することがわかっている。この経験則は、図８に示すように、振動板３０の変位量が７．５％減少すると、液滴速度が１ｍ／ｓ減少するというものである。尚、異なる種類の圧電アクチュエータ３では、図８における曲線ａ及び曲線ｂのように、振動板３０の変位量と液滴速度の関係を示す曲線は異なるものの、この経験則自体は、どのような圧電アクチュエータ３においても成立する。そこで、個別電極３２の幅Ａの値が最適値からずれた場合に、許容されるＡの範囲は、例えば、次のようにして決定される。

良好な印字品質を保つためには、液滴速度のばらつきを、少なくとも２ｍ／ｓ以内に抑えることが好ましい。そのためには、図８の関係から、振動板３０の最大変位量のばらつきを１５％以内に抑えることが必要になる。従って、振動板３０の最大変位量を極力大きくするとともに、個別電極３２の幅Ａの公差を広くとることができるように、Ａ／（Ｗ／２）の値は、最大変位量がピークの値となるときの値である０．５５を挟んで、そのピークの値に対して最大変位量が−１５％となる範囲内、即ち、図７の関係から、０．３３以上で、０．７５以下に収まっていることが好ましい。

また、より高い印字品質を保つために、液滴速度のばらつきを１ｍ／ｓ以内に抑えることが必要な場合もある。この場合には、Ａ／（Ｗ／２）の値は、最大変位量がピークの値となるときの値である０．５５を挟んで、そのピークの値に対して最大変位量が−７．５％となる範囲内、即ち、図７の関係から、０．４１以上で、０．６９以下に収まっていることが好ましい。

さらに、個別電極３２の幅Ａの値が小さい場合には、Ａの値が大きい場合よりも、個別電極３２と振動板３０との間に挟まれる圧電層３１に生じる静電容量が小さくなるため、圧電アクチュエータ３の消費電力が小さくなる。そのため、Ａ／（Ｗ／２）の値は、０．４１以上で、最大変位量がピークとなる０．５５以下に収まっていることがより好ましい。

次に、インクジェットヘッド１の製造方法について説明する。
まず、図９（ａ）に示すように、圧力室１４やマニホールド１７等となる穴が形成された、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、振動板３０の、４枚の金属プレートを一括して接合する。また、図９（ｂ）に示すように、振動板３０の上面に、圧電層３１を、ＡＤ法等により、複数の圧力室１４を覆うように形成する（圧電層形成工程）。

次に、図７に示す、Ａ／（Ｗ／２）の値と、個別電極３２に電圧が印加されたときの振動板３０の変形量（最大変位量）との関係に基づいて、振動板３０の最大変位量がピークの値（つまり、Ａ／（Ｗ／２）の値が０．５５）となるように、個別電極３２の幅Ａの値を決定する（電極長さ決定工程）。そして、図９（ｃ）に示すように、この決定されたＡの値を有する個別電極３２を、圧電層３１の上面の、圧力室１４の縁部と重なる領域に、スクリーン印刷等により形成する（個別電極形成工程）。このとき、個別電極３２に連なる端子部３５も同時に形成する。最後に、図９（ｄ）に示すように、ノズルプレート１３をマニホールドプレート１２の下面に接着して、インクジェットヘッド１の製造を完了する。

尚、個別電極３２の幅Ａ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、振動板３０の、４枚の金属プレートを接合する前に、図７の関係に基づいて決定してもよい。
また、ノズルプレート１３が金属プレートである場合には、このノズルプレート１３も、他の４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、マニホールドプレート１２、及び、振動板３０）と同時に接合するようにしてもよい。

以上説明した第１実施形態のインクジェットヘッド１及びその製造方法によれば、次のような効果が得られる。
個別電極３２は、圧力室１４の中央部以外の領域である縁部と重なる領域に形成されており、インクを吐出するタイミングにおいてのみ個別電極３２に駆動電圧を印加することにより、引き打ちを実現することができる。従って、圧電アクチュエータ３の駆動効率が高くなり、また、耐久性に優れる。さらに、個別電極３２の幅Ａは、液滴速度のばらつきを抑えて良好な印字品質を保つことのできる範囲内で、振動板３０の最大変位量が極力大きくなるような値となっているため、圧電アクチュエータ３の駆動効率がより高くなる。

次に、前記第１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、前記第１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。
１］振動板が、絶縁材料（例えば、表面が酸化されたシリコン材料、圧電層３１と同じ材料であるＰＺＴや、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料、あるいは、ポリイミド等の合成樹脂材料など）からなるものであってもよい（変更形態１）。但し、この場合には、図１０に示すように、圧電アクチュエータ３Ａにおいて、絶縁性の振動板３０Ａの、圧力室１４と反対側の面に、個別電極３２と対向してその間の圧電層３１に電界を生じさせるための、共通電極３４が必要になる。

２］前記第１実施形態では、圧電層３１の振動板３０と反対側に個別電極が形成されているが、圧電層３１の振動板３０側に個別電極が配置され、圧電層３１の振動板３０と反対側に共通電極３４が配置されていてもよい。但し、振動板が金属材料からなる場合には、図１１に示すように、圧電アクチュエータ３Ｂにおいて、複数の個別電極３２Ｂの間を絶縁するために、金属製の振動板３０の上面（圧力室１４と反対側の面）には絶縁材料層４０が形成されるなどして、個別電極３２Ｂが配置される振動板３０の面が絶縁性を有する必要がある（変更形態２）。この絶縁材料層４０は、例えば、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料で、ＡＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法、あるいは、ゾル・ゲル法等により形成することができる。一方、振動板が、シリコン材料、圧電層３１と同じ材料であるＰＺＴや、アルミナ、ジルコニア等のセラミックス材料、あるいは、合成樹脂材料等の絶縁材料からなる場合には、図１２に示すように、圧電アクチュエータ３Ｃにおいて、振動板３０Ｃの上面に直接個別電極３２が配置されていればよく、絶縁性を有する振動板３０Ｃにより複数の個別電極３２の間が絶縁される（変更形態３）。

３］前記第１実施形態のように、個別電極３２が圧力室１４の中央部を取り囲む環状に形成されている必要は必ずしもなく、例えば、図１３に示すように、個別電極３２Ｄが圧力室１４の中央部を完全に取り囲んでいなくてもよい（変更形態４）。尚、ここで、圧力室１４の縁部と重なる領域のうち、少なくとも、圧力室１４の長手方向（図１３の左右方向）にほぼ平行に延びる２つの領域５０に個別電極３２Ｄが形成されていることが、振動板３０の変形量を大きくする点で好ましい。この場合、前記第１実施形態と同様に、この領域５０に形成された個別電極３２Ｄの部分の幅Ａの値が、振動板３０の変形量が大きくなるような値に設定される。

４］圧力室の形状は、前記実施形態における略長円形状に限られるものではなく、圧力室が、円形、菱形、矩形等の他の形状に形成されたものであってもよい（変更形態５）。例えば、図１４に示すように、圧力室が円形である場合には、個別電極３２Ｅの径方向（圧力室１４Ｅの面積中心Ｃを通る直線の方向）の長さの、径方向一方側の部分の長さＡが、振動板３０の最大変位量が大きくなるような最適な値に決定される。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。この第２実施形態も本発明をインクジェットヘッドに適用したものであるが、圧電アクチュエータの構成が前記第１実施形態と少し異なる。尚、前記第１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。

図１５、図１６に示すように、この第２実施形態のインクジェットヘッド６１の圧電アクチュエータ６３は、流路ユニット２の表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の上面（圧力室１４と反対側の面）に形成された圧電層７１と、この圧電層７１の上面において、複数の圧力室１４に夫々対応して形成された複数の個別電極７２とを備えている。

ここで、この第２実施形態の圧電アクチュエータ６３においては、前記第１実施形態の圧電アクチュエータ３（図４〜図６参照）と異なり、振動板３０の上面において、圧電層７１が、平面視で複数の圧力室１４の縁部と夫々重なる領域に形成されている。そして、一方、複数の圧力室１４の中央部と夫々重なる領域には、圧電層７１が部分的に形成されていない領域である開口部７５が設けられている。

また、個別電極７２は、前記第１実施形態と同様に、圧力室１４の長手方向と直交する方向である幅方向（図１６の左右方向）の長さが、振動板３０の変形量（最大変位量）が大きくなるような最適な値に設定されている。

そして、前記第１実施形態と同様に、圧力室１４の幅Ｗを４１９μｍ、ステンレス鋼製の振動板３０の厚さＴｖを２０μｍ、ＰＺＴからなる圧電層７１の厚さＴｐを１０μｍ、個別電極７２に印加される駆動電圧を２０Ｖとして、ＦＥＭによる構造解析を行った場合の、個別電極７２の幅Ａと圧力室１４の幅の半分の（Ｗ／２）との比である、Ａ／（Ｗ／２）の値と、振動板３０の最大変位量との関係は、図１７のようになる。従って、最適なＡ／（Ｗ／２）の値は、振動板３０の最大変位量がピークとなる、０．４４に設定され、この値から、個別電極３２の幅Ａの最適値が決定される。尚、この第２実施形態の圧電アクチュエータ６３は、圧力室１４の中央部と重なる圧電アクチュエータ６３の従動領域が振動板３０のみで構成されるため、従動領域の剛性が小さくなり、第１実施形態の圧電アクチュエータ３（図４〜図６参照）と比較して、振動板３０の最大変位量は全体的に大きくなる。

ところで、製造誤差により、実際に形成された個別電極３２の幅Ａは、前述の最適値からずれることもあるが、その場合に、許容されるＡの値の範囲は、例えば、以下のようにして決定される。液滴速度のばらつきを２ｍ／ｓの範囲内に抑える場合には、振動板３０の最大変位量が７．５％減少すると、液滴速度が１ｍ／ｓ減少するという経験則（図８参照）に従って、Ａ／（Ｗ／２）の値が、振動板３０の最大変位量がそのピークの値から−１５％以内の値となる、０．２７以上で、０．６３以下に収まっていればよい。また、液滴速度のばらつきを、さらに厳しい、１ｍ／ｓの範囲内に抑える場合には、Ａ／（Ｗ／２）の値が、振動板３０の最大変位量がそのピークの値から−７．５％以内の値となる、０．３３以上で、０．５６以下に収まっていればよい。

ところで、この第２実施形態の圧電アクチュエータ６３においては、圧力室１４の縁部と重なる領域には振動板３０の上面に圧電層７１が形成されているが、圧力室１４の中央部と重なる領域には、振動板３０の上面に圧電層７１が形成されていないため、これら２つの領域の間で、圧電アクチュエータ６３の剛性が異なる。そして、これら２つの領域の剛性は、振動板３０の厚さＴｖ、圧電層７１の厚さＴｐ、及び、開口部７５の幅Ｓに夫々依存するため、これら３つのパラメータＴｖ，Ｔｐ，Ｓの何れか１つが変化すると、個別電極７２の幅Ａに対する振動板３０の最大変位量の変化の傾向は変わる。従って、これら３つのパラメータＴｖ，Ｔｐ，Ｓの組み合わせごとに、図１７に示すような、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量の関係を求めておき、インクジェットヘッド６１の製造段階で測定されたＴｖ，Ｔｐ及びＳの値に対応する、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量の関係を１つ選択して、選択された関係から最適なＡ／（Ｗ／２）を決定することになる。以下、振動板３０の厚さＴｖ、圧電層７１の厚さＴｐ、及び、開口部７５の幅Ｓのうちの１つが変化したときの、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量の関係の、変化の傾向を、図１８〜図２０に示す。

図１８に示すように、振動板３０の厚さＴｖが大きくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は大きくなり、逆に、Ｔｖが小さくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は小さくなる。また、図１９に示すように、圧電層７１の厚さＴｐが大きくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は小さくなり、逆に、Ｔｐが小さくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は大きくなる。さらに、図２０に示すように、開口部７５の幅Ｓが大きくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は小さくなり、逆に、Ｓが小さくなると、最大変位量がピークとなるＡ／（Ｗ／２）の値は大きくなる。

次に、第２実施形態のインクジェットヘッド６１の製造方法について説明する。
まず、振動板３０の厚さＴｖ、圧電層７１の厚さＴｐ、及び、開口部７５の幅Ｓの組み合わせごとに、図１７に示すような、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量との関係を求める。

次に、図２１（ａ）に示すように、振動板３０の厚さＴｖを測定してから（振動板３０厚さ測定工程）、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、振動板３０の、４枚の金属プレートを一括して接合する。
次に、図２１（ｂ）に示すように、振動板３０の上面に、ＡＤ法等を用いて、複数の圧力室１４の中央部と夫々重なる位置に複数の開口部７５が形成されるように、圧電層７１を、複数の圧力室１４の縁部と夫々重なる領域に形成する（圧電層形成工程）。そして、この圧電層７１の厚さＴｐを、レーザー変位計などを用いて測定し（圧電層厚さ測定工程）、さらに、圧力室１４の中央部と重なる領域に形成された、開口部７５の幅Ｓを測定する（開口長さ測定工程）。

次に、予め、振動板３０の厚さＴｖ、圧電層７１の厚さＴｐ、及び、開口部７５の幅Ｓの組み合わせごとに求めておいた、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量との関係から、Ｔｖ，Ｔｐ及びＳの測定値に対応した、Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板３０の最大変位量の関係を１つ選択し、この選択された関係に基づいて、振動板３０の最大変位量が大きくなるような個別電極７２の幅Ａを決定する（電極長さ決定工程）。そして、図２１（ｃ）に示すように、この決定されたＡの値を有する個別電極７２を、圧電層７１の上面の圧力室１４の縁部と重なる領域に、スクリーン印刷等により形成する（個別電極形成工程）。最後に、図２１（ｄ）に示すように、ノズルプレート１３をマニホールドプレート１２の下面に接着して、インクジェットヘッド６１の製造を完了する。

この第２実施形態のインクジェットヘッド６１の製造方法によれば、前記第１実施形態と同様に、個別電極７２の幅Ａを、印字品質を損なわない範囲内で、振動板３０の最大変位量が大きくなるような値にすることができるため、圧電アクチュエータ６３の駆動効率がより高くなる。また、圧力室１４の中央部と重なる圧電アクチュエータ６３の従動領域が振動板３０のみで構成されるため、従動領域の剛性が小さくなり、第１実施形態の圧電アクチュエータ３（図４〜図６参照）と比較して、振動板３０の最大変位量が大きくなる。

尚、この第２実施形態においても、個別電極が圧力室の中央部を取り囲む環状に形成されている必要は必ずしもなく、例えば、前記第１実施形態の変更形態４（図１３参照）のように、個別電極が圧力室の中央部を完全に取り囲んでいなくてもよい。また、圧力室の形状も、略長円形状に限られるものではなく、圧力室が、円形、菱形、矩形等の他の形状に形成されていてもよい。

また、以上説明した第１実施形態及び第２実施形態は、インクをノズルへ移送して吐出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、マイクロ総合分析システム（μＴＡＳ）内部で薬液や生化学溶液等の液体を移送する液体移送装置、マイクロ化学システム内部で溶媒や化学溶液等の液体を移送する液体移送装置等、インク以外の液体を移送する液体移送装置にも本発明を適用することもできる。

本発明の第１実施形態に係るインクジェットヘッドの概略斜視図である。 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。 個別電極に駆動電圧が印加されたときの、圧電層及び振動板の変形状態を示す図である。 Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板の最大変位量との関係を示すグラフである。 振動板の最大変位量とインクの液滴速度との関係を示すグラフである。 インクジェットヘッドの製造工程を示す図であり、（ａ）は金属プレートの接合工程、（ｂ）は圧電層形成工程、（ｃ）は個別電極形成工程、（ｄ）はノズルプレートの接合工程を夫々示す。 変更形態１の図５相当の断面図である。 変更形態２の図５相当の断面図である。 変更形態３の図５相当の断面図である。 変更形態４のインクジェットヘッドの一部拡大平面図である。 変更形態５のインクジェットヘッドの一部拡大平面図である。 第２実施形態のインクジェットヘッドの図４相当の断面図である。 第２実施形態のインクジェットヘッドの図５相当の断面図である。 Ａ／（Ｗ／２）の値と振動板の最大変位量との関係を示すグラフである。 振動板の厚さＴｖが変化したときの振動板の最大変位量の変化の傾向を示すグラフである。 圧電層の厚さＴｐが変化したときの振動板の最大変位量の変化の傾向を示すグラフである。 開口部の幅Ｓが変化したときの振動板の最大変位量の変化の傾向を示すグラフである。 第２実施形態のインクジェットヘッドの製造工程を示す図であり、（ａ）は金属プレートの接合工程、（ｂ）は圧電層形成工程、（ｃ）は個別電極形成工程、（ｄ）はノズルプレートの接合工程を夫々示す。

符号の説明

１ インクジェットヘッド
２ 流路ユニット
３，３Ａ，３Ｂ，３Ｃ 圧電アクチュエータ
１４，１４Ｅ 圧力室
２０ ノズル
３０，３０Ａ，３０Ｃ 振動板
３１ 圧電層
３２，３２Ｂ，３２Ｅ，３２Ｅ 個別電極
３４ 共通電極
６１ インクジェットヘッド
６３ 圧電アクチュエータ
７１ 圧電層
７２ 個別電極
７５ 開口部

Claims (10)

1. それぞれが平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、これら複数の圧力室内の容積を選択的に変化させて圧力室内の液体に圧力を付与する圧電アクチュエータとを有する液体移送装置であって、
   前記圧電アクチュエータは、
   前記流路ユニットに接合されて前記複数の圧力室を覆う振動板と、
   前記振動板の前記複数の圧力室と反対側に配置され、前記平面に直交する方向から見て、前記複数の圧力室と全面的に重なるように形成された圧電層と、
   この圧電層の一方の面側において、前記平面と直交する方向から見て、少なくとも前記複数の圧力室の中央部を除いた領域である縁部と重なる領域に夫々形成された複数の個別電極と、
   前記圧電層の他方の面側に形成された共通電極とを有し、
   前記圧力室の径方向の長さをＷ、前記個別電極の、前記圧力室の前記縁部の前記径方向一方側部分と重なる領域に形成された部分の前記径方向の長さをＡとしたときに、Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．３３以上で、０．７５以下であることを特徴とする液体移送装置。
2. 前記Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．４１以上で、０．６９以下であることを特徴とする請求項１に記載の液体移送装置。
3. 前記Ａ／（Ｗ／２）の値が、０．４１以上で、０．５５以下であることを特徴とする請求項２に記載の液体移送装置。
4. 前記複数の圧力室は、夫々所定の一方向に長い形状を有し、
   前記複数の個別電極は、前記複数の圧力室の前記縁部と重なる領域のうち、少なくとも、前記所定の一方向にほぼ平行に延びる２つの領域に夫々形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の液体移送装置。
5. 前記振動板は金属材料からなり、前記共通電極を兼ねていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体移送装置。
6. 前記振動板は、少なくとも前記圧力室と反対側の面において絶縁性を有し、
   この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記共通電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体移送装置。
7. 前記振動板は、少なくとも前記圧力室と反対側の面において絶縁性を有し、
   この振動板の前記圧力室と反対側の面に前記複数の個別電極が形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の液体移送装置。
8. それぞれが平面に沿って配置された複数の圧力室を有する流路ユニットと、前記複数の圧力室を覆う振動板、この振動板の圧力室と反対側に配置された圧電層、この圧電層の一方の面側において、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部を除いた領域である縁部と重なる領域に夫々形成された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面側に形成された共通電極を備えた圧電アクチュエータを有する液体移送装置の製造方法であって、
   前記圧力室の径方向の長さをＷ、前記個別電極の、前記圧力室の前記縁部の前記径方向一方側部分と重なる領域に形成される部分の前記径方向の長さをＡとしたときの、Ａ／（Ｗ／２）の値と、前記個別電極に電圧が印加されたときの前記振動板の変形量との関係に基づいて、前記個別電極の前記径方向の長さＡを決定する電極長さ決定工程と、
   この電極長さ決定工程で決定された径方向長さＡを有する個別電極を形成する個別電極形成工程とを備えたことを特徴とする液体移送装置の製造方法。
9. 前記圧電層を複数の圧力室を全面的に覆うように形成する圧電層形成工程を備えたことを特徴とする請求項８に記載の液体移送装置の製造方法。
10. 前記振動板の厚さを測定する振動板厚さ測定工程と、
    前記振動板の前記圧力室と反対側の面において、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の中央部と夫々重なる位置に複数の開口部が形成されるように、前記圧電層を、前記複数の圧力室の前記縁部と夫々重なる領域に形成する圧電層形成工程と、
    前記圧電層の厚さを測定する圧電層厚さ測定工程と、
    前記平面と直交する方向から見て、前記圧力室に重なり且つ前記圧電層が部分的に形成されていない領域である、前記開口部の前記径方向の長さを測定する開口長さ測定工程とを備え、
    前記電極長さ決定工程において、前記振動板の厚さ、前記圧電層の厚さ、及び、前記開口部の前記径方向の長さに基づいて、前記Ａ／（Ｗ／２）の値と前記個別電極に電圧が印加されたときの前記振動板の変形量との関係を決定し、この決定された関係に基づいて前記個別電極の前記径方向の長さＡを決定することを特徴とする請求項８に記載の液体移送装置の製造方法。

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