JP5061457B2 - 液体移送装置及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、液体を移送する液体移送装置及びその製造方法に関する。

ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドは、インクに噴射エネルギーを付与するアクチュエータを備えている。このようなアクチュエータとしては種々の構成のものを採用できるが、その中でも、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電性の圧電材料からなる圧電層を有し、電界が作用したときの圧電層の変形を利用して対象を駆動する圧電アクチュエータが広く用いられている（例えば、特許文献１参照）。この特許文献１に記載の圧電アクチュエータは、流路ユニットの一表面に、複数の圧力室が形成された領域を全面的に覆うように接着された複数枚の圧電シートと、最上層の圧電シートの表面に複数の圧力室に夫々対応して形成された複数の個別電極と、圧電シートの間に形成された共通電極とを備えている。そして、個別電極に駆動電圧が印加されたときには、個別電極と共通電極とに挟まれた圧電シートに対してその分極方向である厚み方向に電界が作用し、圧電シートは厚み方向に伸びて面と平行な方向に縮む。このとき、圧電シートの変形に伴って振動板が変形するため、圧力室の容積が変化し、圧力室内のインクに圧力が付与される。

特開２００４−２８４１０９号公報

前記特許文献１に記載の圧電アクチュエータでは、複数枚の圧電シートは、流路ユニットの複数の圧力室が形成された領域（複数の圧力室を隔てる隔壁部を含む）を、全面的に覆うように配置されているため、ある圧力室に重なる圧電シートの部分が変形したときに、この変形が伝播して、隣接する別の圧力室に重なる圧電シートの部分まで変形してしまう現象、いわゆる、クロストークが発生する。この場合には、同時に駆動される（内部のインクに圧力が付与される）圧力室の数によって、各圧力室に重なる圧電シートの変形量が異なって、インクの液滴速度が変動してしまうため、印字品質が低下する。ここで、クロストークを抑制するために、圧電シートに溝等を形成して変形が伝播しにくくすることも考えられるが、その場合には、圧電シートに欠けやクラックが生じやすくなるという問題がある。そこで、圧電シートの厚さや、圧電シートと流路ユニットとを接着する接着層の厚さなど、圧電アクチュエータに関する各パラメータの値を適切に決定することにより、クロストークに起因して生じるインクの液滴速度の変動を極力小さく抑えることが好ましい。

本発明の目的は、圧電アクチュエータに特別な加工を施すことなく、圧力室の駆動パターンによる液体の移送速度の変動を抑制することが可能な液体移送装置及び、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

本発明の第１の態様に従えば、平面に沿って配置された複数の圧力室を含み、圧力室が隔壁部により隔てられている流路ユニットと、この流路ユニットの一表面に配置され、前記複数の圧力室を覆う振動板、この振動板の前記圧力室と反対側に、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の全てを覆うように配置された圧電層、この圧電層の一方の面に前記複数の圧力室に夫々対応して配置された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面に配置された共通電極とを有し、前記複数の圧力室の容積を選択的に変化させる圧電アクチュエータとを備えた、液体移送装置の製造方法であって、前記流路ユニットを提供する工程と、前記振動板を流路ユニットの隔壁部に接着する工程と、前記振動板の一方の面に前記圧電層を提供する工程と、前記振動板の厚さをＴｖ（ｍｍ）、その弾性率をＥｖ（ｋｇ／ｍｍ^２）、前記圧電層の厚さをＴｐ（ｍｍ）、その弾性率をＥｐ（ｋｇ／ｍｍ^２）、前記圧力室の所定の一方向の長さをＷｃ（ｍｍ）、前記隔壁部の前記所定方向の長さをＷａ（ｍｍ）、前記隔壁部と前記振動板との間に介在してこれらを接着する接着層の厚さをＴａ（ｍｍ）、その弾性率をＥａ（ｋｇ／ｍｍ^２）としたときに、Ａ＝（（Ｔｖ＋Ｔｐ）^３×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^１／２、Ｂ＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａで表されるパラメータに基づいて、振動板の隔壁部への接着層の厚さまたは圧電層の厚さを決定する工程とを含み、Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように、前記接着層の厚さまたは前記圧電層の厚さを決定することを特徴とする液体移送装置の製造方法が提供される。

液体移送装置において、ある個別電極に対して駆動電圧が印加されると、この個別電極と共通電極との間に位置する圧電層の部分に、分極方向である厚み方向に平行な電界が生じる。このとき、この圧電層の部分が厚み方向に伸びて面と平行な方向に縮み、この圧電層の変形に伴って振動板が変形する。すると、圧力室の容積が変化してその内部の液体に圧力が付与される。ここで、圧電層は、振動板の圧力室と反対側に、複数の圧力室に重なるように全面的に形成されているため、ある圧力室に重なる圧電層の部分の変形が、隣接する別の圧力室に重なる圧電層の部分まで伝播する、いわゆる、クロストークが生じてしまう。この場合には、同時に駆動される圧力室の数によって各圧力室における振動板の変形量が異なることになるため、駆動パターンにより液体の移送速度が変動してしまう。しかし、発明者の研究によると、上記Ａで表されるパラメータを用いることによって、圧力室間の間隔(または隔壁部の間隔)が異なる種々のアクチュエータにおいてもクロストークを低減できる圧電層の厚みまたは振動板の厚みを普遍的に決定することが出来ることを見出した。Ａで表されるパラメータは、アクチュエータ部分の剛性の大きさの尺度となるが、理論的には１／Ｗｃ ^1/3 に比例すると考えられる。しかしながら、発明者の実験により１／Ｗｃ ^1/3 ではなく１／Ｗｃ ^1/2 を用いることにより、種々の圧力室間の間隔（または隔壁部の間隔）のアクチュエータに対して適用することができるクロストーク及び液体移送速度の変動を低減する圧電層または振動板の厚みを求めることに成功した。本発明の製造方法では、発明者が見出した新規なパラメータＡを用いることで、クロストークが低減され且つ液体移送効率が高くなる圧電層または振動板の厚みを予め決定することができ、それにより圧力室の駆動パターンによる液体の移送速度の変動が十分抑制された液体移送装置を製造することができる。

さらに、発明者は、圧電層の厚さＴｐや接着層の厚さＴａ等の圧電アクチュエータに関するパラメータで定義された新たなパラメータＡ及び別のパラメータＢの値が所定の関係、すなわち、前記隔壁部の前記所定方向の長さをＷａ（ｍｍ）、前記隔壁部と前記振動板との間に介在してこれらを接着する接着層の厚さをＴａ（ｍｍ）、その弾性率をＥａ（ｋｇ／ｍｍ ² ）とし、Ｂ＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａとしたときに、Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たす場合には、圧力室の駆動パターンによる各圧力室における振動板の変形量の変動を抑制して、液体の移送速度の変動を小さくできることがわかった。また、この場合には、振動板や圧電層に溝加工等の特別な加工を施すことなく移送特性の変動を確実に抑制できる。本発明において、「圧電層が複数の圧力室の全てを覆うように形成されている」とは、圧電層が、少なくとも複数の圧力室が形成された領域（圧力室を隔てる隔壁部を含む）に全面的に重なるように配置されているということを意味しており、振動板や流路ユニットの全域を覆っていてもよい。

Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように、前記接着層の厚さを決定する場合、さらに、圧電層の厚さを測定する工程と、前記振動板の厚さを測定する工程とを含み得る。この場合、振動板の厚さＴｖ及び圧電層の厚さＴｐを測定してから、接合工程において、ＴｖやＴｐ、あるいは、接着層の厚さＴａ等の圧電アクチュエータに関するパラメータで定義されたＡ及びＢの値が前述の関係を満たすように、接着層の厚さＴａを調整しながら振動板を流路ユニットに接合することにより、クロストークに起因して生じる、駆動パターンによる移送速度の変動を効果的に抑制することができる。

また、本発明の製造方法において、Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＞０の関係を満たすように、前記接着層の厚さを調整し得る。この場合には、クロストークに起因する移送速度の変動をさらに効果的に抑制することができる。

Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように圧電層の厚みを決定する場合、さらに、振動板の厚みを測定する工程と、前記接着層の厚さを測定する工程を含み得る。このように、振動板の厚さＴｖと接着層の厚さＴａを測定してから、圧電層形成工程において、ＴｖやＴａ、あるいは、圧電層の厚さＴｐ等の圧電アクチュエータに関するパラメータで定義されたＡ及びＢの値が前述の関係を満たすように、その厚さＴｐを調整しながら圧電層を形成することにより、クロストークに起因して生じる、駆動パターンによる移送速度の変動を効果的に抑制することができる。

また、本発明の製造方法において、前記圧電層形成工程では、さらに、Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＞０の関係を満たすように、圧電層の厚さＴｐを調整し得る。この場合には、クロストークに起因する移送速度の変動をさらに効果的に抑制することができる。

前記振動板が前記隔壁部に金属拡散接合で接合され、圧電層の厚みＴｐが、０．０８＞０．０３×（（Ｔｖ＋Ｔｐ）³×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^1/2を満足するように決定され得る。また、前記振動板が前記共通電極として機能し得る。この場合、アクチュエータの部品点数を低減することができる。

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、ノズルから記録用紙に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５に示すように、インクジェットヘッド１は、圧力室１４を含む個別インク流路２１（図４参照）がその内部に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とを備えている。

まず、流路ユニット２について説明する。図４、図５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５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は隔壁部１０ａにより互いに隔てられている。また、複数の圧力室１４は、後述の振動板３０側（図４の上方）へ開口している。さらに、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。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（図示省略）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、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、キャビティプレート１０の上面に複数の圧力室１４を覆うように配設され、接着層３８によりキャビティプレート１０の隔壁部１０ａに接着されている。ここで、隔壁部１０ａと振動板３０との間に介在する接着層３８を構成する接着剤としては、例えば、エポキシ系の接着剤やろう材等が用いられる。また、振動板３０は、複数の個別電極３２に対向して個別電極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いる。

振動板３０の上面には、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が配置されている。図２、図５に示すように、圧電層３１は、振動板３０の上面の、複数の圧力室１４及びこれら複数の圧力室１４を隔てる隔壁部１０ａと重なる領域に、全面的に形成されている（複数の圧力室１４及びこれら複数の圧力室１４を隔てる隔壁部１０ａを全て覆うように形成されている）。ここで、圧電層３１は、例えば、非常に小さな圧電材料の粒子を基板に吹き付けて高速で衝突させ、基板に堆積させるエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）を用いて形成することができる。あるいは、スパッタ法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、あるいは、水熱合成法などにより形成することもできる。

圧電層３１の上面には、圧力室１４よりも一回り小さい楕円形の平面形状を有する複数の個別電極３２が形成されている。これら複数の個別電極３２は、平面視で、対応する圧力室１４の中央部に重なる位置に夫々形成されている。また、個別電極３２は金、銅、銀、パラジウム、白金、あるいは、チタンなどの導電性材料からなる。さらに、圧電層３１の上面には、複数の個別電極３２のマニホールド１７側の端部から夫々走査方向（図２の左右方向）に延びる複数の端子部３５も形成されている。複数の個別電極３２及び複数の端子部３５は、例えば、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。図４に示すように、複数の端子部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（図示省略）を介してドライバＩＣ３７と電気的に接続されており、ドライバＩＣ３７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。

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。尚、図６において、“＋”は個別電極３２に駆動電圧が印加されている状態を示し、“ＧＮＤ”は個別電極３２に駆動電圧が印加されていない状態（グランド電位にある状態）を示す。

複数の個別電極３２に対してドライバＩＣ３７から選択的に駆動電圧が印加されると、駆動電圧が供給された圧電層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生じる。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の部分がその分極方向である上下方向と直交する水平方向に収縮する。このとき、この圧電層３１の収縮に伴って振動板３０が圧力室１４側に凸となるように変形するため（図６参照）、圧力室１４内の容積が減少して圧力室１４内のインクに圧力が付与され、圧力室１４に連通するノズル２０からインクの液滴が吐出される。

ところで、本実施形態のインクジェットヘッド１では、図５に示すように、圧電層３１が、振動板３０の上面の、複数の圧力室１４及びこれら複数の圧力室を隔てる隔壁部１０ａと重なる領域に全面的に形成されている。そのため、ある圧力室１４に対応する個別電極３２に駆動電圧が印加されて、その圧力室１４に重なる圧電層３１の部分が変形したときに、この変形が、隔壁部１０ａ上の圧電層３１の部分に伝わり、さらに、隣接する別の圧力室１４に重なる圧電層３１の部分にまで伝播する現象、いわゆる、クロストークが発生してしまう。このクロストークが生じると、印字パターン（圧力室１４の駆動パターン）によって振動板３０の変形量が異なってしまう。例えば、１つの個別電極３２にのみ駆動電圧が印加されたときの振動板３０の最大変位量δ１（圧力室１４の中心と重なる部分の変形量：図６参照）と、複数の個別電極３２に対して同時に駆動電圧が印加されたときの振動板３０の最大変位量δａ（図７参照）とが異なってしまう。そのため、ノズル２０から吐出されるインクの液滴速度が印字パターンにより変動してしまい、印字品質が低下することになる。

そこで、本実施形態のインクジェットヘッド１は、印字パターンによる振動板３０の変形量の変動が極力小さくなるように設計されている。具体的には、図６に示すように、振動板３０の厚さをＴｖ（ｍｍ）、その弾性率をＥｖ（ｋｇ／ｍｍ²）、圧電層３１の厚さをＴｐ（ｍｍ）、その弾性率をＥｐ（ｋｇ／ｍｍ²）、圧力室１４の幅（紙送り方向の長さ）をＷｃ（ｍｍ）、複数の圧力室１４を隔てている隔壁部１０ａの圧力室１４の幅方向長さをＷａ（ｍｍ）、流路ユニット２の隔壁部１０ａと振動板３０との間に介在する接着層３８（接着剤）の厚さをＴａ（ｍｍ）、その弾性率をＥａ（ｋｇ／ｍｍ²）としたときに、これらの圧電アクチュエータ３に関するパラメータ（Ｔｖ、Ｅｖ、Ｔｐ、Ｅｐ、Ｗｃ、Ｗａ、Ｔａ、及び、Ｅａ）の各値が所定の関係を満たすように決定されている。

そして、これら圧電アクチュエータ３に関するパラメータが満たすべき関係は、以下のようにして決定されている。まず、２つのパラメータＡ，Ｂを、Ａ＝（（Ｔｖ＋Ｔｐ）³×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^1/2、Ｂ＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａとそれぞれ定義する。ここで、Ａは、振動板３０と圧電層３１の曲げ剛性（厚みの３乗、弾性率の１乗に比例する）を代表する係数である。一方、Ｂは、隔壁部１０ａと振動板３０との間に介在する接着層３８の引張・圧縮係数である。発明者の研究によると、上記Ａで表されるパラメータを用いることによって、圧力室間の間隔(または隔壁部の間隔)が異なる種々のアクチュエータにおいてもクロストークを低減できる圧電層の厚みまたは振動板の厚みを普遍的に決定することが出来ることを見出した。アクチュエータ部分の剛性は、理論的には（（Ｔｖ＋Ｔｐ）³×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^1/3に比例すると考えられる。しかしながら、発明者の実験により１／Ｗｃ^1/3ではなく１／Ｗｃ^1/2を用いることにより、以下に示すように種々の圧力室のＷｃのアクチュエータに対して適用することができるクロストーク及び液体移送速度の変動を低減するための圧電層または振動板の厚みを求めることに成功した。

そして、圧力室１４の幅Ｗｃが互いに異なる３つのケース（ケース１〜３）について、ある１つの個別電極３２にのみ駆動電圧を印加した場合と、全ての個別電極３２に対して同時に駆動電圧を印加した場合とで、それぞれ有限要素法（Finite Element Method：ＦＥＭ）による構造解析を行った。この解析条件を表１に示す。尚、ケース１〜３は、複数のノズル２０が７５ｄｐｉ、５０ｄｐｉ、及び、３７．５ｄｐｉの間隔で紙送り方向に配列されたインクジェットヘッドに夫々対応している。

また、３つのケース１〜３の夫々についての解析結果を図８〜図１０に示す。ここで、図８〜図１０において、グラフ中の数字は、（Ａ，１／Ｂ）の点における１つの個別電極３２にのみ駆動電圧が印加されたときの振動板３０の最大変位量δ１と、全ての個別電極３２に対して同時に駆動電圧が印加されたときの振動板３０の最大変位量δａとの比である、δａ／δ１の値である。Ａ及び１／Ｂの変化により、δａ／δ１がどのように変化するかが変化後の（Ａ，１／Ｂ）から分かる。そして、図８〜図１０に示すように、振動板３０と圧電層３１の曲げ剛性を示すＡの値が小さく（振動板３０及び圧電層３１が撓みやすく）、また、接着層３８の引張・圧縮係数Ｂの逆数１／Ｂが小さい（接着層３８の剛性が高い）ほど、δａ／δ１の値が１に近づいて、印字パターンによる振動板３０の最大変位量の変動が小さくなることがわかる。また、図８〜図１０に示すように、Ａ及びＢとδａ／δ１との関係は、３つのケース（ケース１〜ケース３）に関してほぼ一致している。この結果からすれば、発明者が導入した新規なパラメータＡが異なる圧力室の幅Ｗｃに対しても好ましいδａ／δ１の範囲について普遍的な結果をもたらしていることが分かる。すなわち、パラメータＡを用いることによって、異なる圧力室の幅Ｗｃを有するアクチュエータの設計においても、クロストークを低減するための一般化した条件を求めることが可能となる。

ところで、印字パターンにより振動板３０の最大変位量が変動する場合には、ノズル２０から吐出されるインクの液滴速度が変動することになる。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、発明者が見出した経験則が存在する。この経験則は、図１１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１１における曲線Ｌ１及び曲線Ｌ２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においても成立する。そこで、インクの液滴速度の変動を考慮して、許容される最大変位量の比δａ／δ１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、液滴速度の変動を１ｍ／ｓ以内に抑えることが好ましい。そのためには、図１１の関係から、振動板３０の最大変位量の変動を７．５％以内、即ち、δａ／δ１の値を０．９２５（＝１−０．０７５）以上にすることが必要になる。そこで、図８〜図１１の解析結果において、δａ／δ１＝０．９２５となる線を引くと、曲線ａ１，ａ２，ａ３のようになり、液滴速度の変動を１ｍ／ｓ以内に抑えるには、曲線ａ１〜ａ３よりも左側の領域内でＡ及びＢの値を決定する必要がある。ここで、曲線ａ１〜ａ３はほぼ一致しており、また、変曲点もないことから、これら３本の曲線ａ１〜ａ３を１本の直線で近似することが可能になり、図１２に示すように、この近似直線ａは、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＝０となる。従って、液滴速度変動を１ｍ／ｓ以下とするには、Ａ及びＢの値が直線ａよりも左側の領域Ｘ（−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０）に収まるように、振動板３０、圧電層３１、あるいは、接着層３８の厚さや材質等の、圧電アクチュエータ３に関するパラメータ（Ｔｖ、Ｅｖ、Ｔｐ、Ｅｐ、Ｗｃ、Ｗａ、Ｔａ、及び、Ｅａ）を決定すればよい。上記のように、曲線ａ１〜ａ３がほぼ一致していることから、発明者の導入した新規なパラメータＡは、クロストーク低減のための圧電層の厚みまたは接着層の厚みを一般化して選定するための適正なパラメータであることが分かる。

また、さらに良好な印字品質を保つためには、液滴速度の変動を０．５ｍ／ｓ以内に抑えることが好ましい。この場合には、図１１の液滴速度と最大変位量との関係から、振動板３０の最大変位量の変動を３．７５％以内、即ち、δａ／δ１の値を０．９６２５以上にすることが必要になる。そこで、図８〜図１１の解析結果において、δａ／δ１＝０．９６２５となる線を引くと、曲線ｂ１，ｂ２，ｂ３のようになる。これら曲線ｂ１〜ｂ３はほぼ一致しており、また、変曲点もないことから、これら３本の曲線ｂ１〜ｂ３を１本の直線で近似でき、図１２に示すように、この近似直線ｂは、−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＝０となる。従って、液滴速度変動を０．５ｍ／ｓ以下とするには、Ａ及びＢの値が直線ｂよりも左側の領域Ｙ（−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＞０）に収まるように、圧電アクチュエータ３に関するパラメータ（Ｔｖ、Ｅｖ、Ｔｐ、Ｅｐ、Ｗｃ、Ｗａ、Ｔａ、及び、Ｅａ）を決定すればよい。

次に、インクジェットヘッド１の製造方法について図１３のフローチャートを参照して説明する。尚、図１３において、Ｓｉ（ｉ＝１０，１１，１２・・・）は各工程を示す。

まず、流路ユニット２を構成するプレート１０〜１３に、個別インク流路２１（図４参照）を構成する孔を形成する。そして、キャビティプレート１０に形成された圧力室１４の幅Ｗｃ、及び、隔壁部１０ａの圧力室１４の幅方向長さＷａを測定する（Ｓ１０）。ここで、圧力室１４の幅Ｗｃ及び隔壁部１０ａの長さＷａは、例えば、キャビティプレート１０をカメラにより平面的に撮影し、そのデータを画像処理することにより求めることができる。また、これらＷｃ及びＷａは、全ての圧力室１４に関して測定する必要は必ずしもなく、例えば、いくつかの圧力室１４について測定を行い、それらの平均値で代表させるようにすればよい。次に、流路ユニット２を構成するプレート１０〜１３のうち、ノズルプレート１３を除く、金属製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を、所定温度（例えば、１０００℃程度）以上に加熱した状態で加圧する金属拡散接合等により接合する（Ｓ１１）。

その一方で、振動板３０の厚さＴｖをレーザー変位計などを用いて測定する（振動板厚さ測定工程：Ｓ１２）。次に、この振動板３０の一表面に、ＡＤ法、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、あるいは、水熱合成法などを用いて圧電材料の粒子を堆積させてから、層の緻密化のための熱処理を施して、圧電層３１を形成する（圧電層形成工程：Ｓ１３）。そして、この圧電層３１の厚さＴｐをレーザー変位計などを用いて測定する（圧電層厚さ測定工程：Ｓ１４）。さらに、この圧電層３１の圧力室１４と反対側の面に、スクリーン印刷、スパッタ法、あるいは、蒸着法等により個別電極３２を形成する（Ｓ１５）。

そして、振動板３０の厚さＴｖ、振動板３０の弾性率Ｅｖ、圧電層３１の厚さＴｐ、圧電層３１の弾性率Ｅｐ、及び、圧力室１４の幅Ｗｃから、Ａ（＝（（Ｔｖ＋Ｔｐ）³×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^1/2）を計算し（Ｓ１６）。このＡの値に対応するＢの値を、図１２の領域Ｘの範囲内（好ましくは、領域Ｙの範囲内）で決定する（Ｓ１７）。さらに、決定されたＢ（＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａ）の値と、隔壁部１０ａの幅方向長さＷａ、及び、振動板３０とキャビティプレート１０とを接着するために使用する接着剤の弾性率Ｅａから、接着層３８の厚さＴａの範囲を決定する（Ｓ１８）。

そして、接着層３８の厚さＴａがＳ１８で決定された範囲内となるような、接着剤の転写量、加圧力、及び、加圧温度を決定し（Ｓ１９）、決定された条件で振動板３０とキャビティプレート１０とを接着する（接合工程：Ｓ２０）。最後に、マニホールドプレート１２にノズルプレート１３を接着して（Ｓ２１）、インクジェットヘッド１の製造工程を完了する。

尚、ノズルプレート１３が、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と同じく金属製である場合には、これら４枚の金属プレート１０〜１３を金属拡散接合等により一度に接合するようにしてもよい。

以上説明した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。

振動板３０の厚さＴｖ、圧電層３１の厚さＴｐ、接着層３８の厚さＴａ等の、圧電アクチュエータ３に関するパラメータで定義されたＡ及びＢの値が、印字パターンによる液滴速度の変動が小さくなるような所定の関係を満たすように決定されるため、クロストークに起因する印字品質の低下を防止できる。また、振動板３０や圧電層３１に溝加工等の特別な加工を施すことなしに液滴速度の変動を確実に抑制することができる。

また、振動板３０の厚さＴｖ及び圧電層３１の厚さＴｐを測定してから、ＴｖやＴｐ、あるいは、接着層３８の厚さＴａ等の圧電アクチュエータ３に関するパラメータで定義されたＡ及びＢの値が前述した所定の関係を満たすように、接着層３８の厚さＴａを調整しながら振動板３０を流路ユニット２に接合することにより、印字パターンによる液滴速度の変動を効果的に抑制することができる。

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。
＜第１変更形態＞
前記実施形態のインクジェットヘッド１の製造方法（図１３参照）では、Ｓ１７においてＢの値を決定してから、Ｓ１８において、Ｂの値と接着層３８の弾性率Ｅａの値から接着層３８の厚さＴａを決定しているが、逆に、接着層３８の厚さＴａを予め決定しておき、Ｂの値とＴａの値とから接着層３８の弾性率Ｅａの範囲を決定して、使用可能な接着剤を選択するようにしてもよい。
＜第２変更形態>
前記実施形態のインクジェットヘッド１の製造方法（図１３参照）では、振動板３０の一表面に圧電層３１を形成してから（Ｓ１３）、振動板３０をキャビティプレート１０に接着している（Ｓ２０）が、振動板３０をキャビティプレート１０に接着してから、振動板３０に圧電層３１を形成するようにしてもよい。この場合には、例えば、図１４に示すように、圧力室１４の幅Ｗｃ、及び、隔壁部１０ａの圧力室１４の幅方向長さＷａを測定し（Ｓ３０）、ノズルプレート１３を除く金属プレート１０〜１２を接合してから（Ｓ３１）、振動板３０の厚さＴｖを測定した後（振動板厚さ測定工程：Ｓ３２）、振動板３０を接着剤によりキャビティプレート１０に接着する（接着工程：Ｓ３３）。尚、この第２変更形態では、振動板３０をキャビティプレート１０に接着した後で圧電層３１を形成することから、振動板３０をキャビティプレート１０に接着する接着剤としては、圧電層３１の熱処理温度よりも耐熱温度が高い、ろう材などの接着剤を使用する必要がある。

次に、接着層３８の厚さＴａを以下のような方法で測定する（接着層厚さ測定工程：Ｓ３４）。例えば、ある基材に接着剤の層を均一な厚さで形成してから、キャビティプレート１０と振動板３０の何れか一方のプレートを基材に押しつける。すると、一方のプレートに接着剤が転写されて基材に接着剤の段差が生じることから、この段差をレーザー変位計で測定することにより、一方のプレートに転写された接着剤の厚さを得ることができる。そして、この接着剤が転写された一方のプレートに、他方のプレートを重ねた状態で２枚のプレート１０，３０を加熱しながら加圧し、２枚のプレート１０，３０の間に介在する接着剤を硬化させる。ここで、一方のプレートに転写された接着剤の厚さと、硬化した状態の接着剤の厚さとの間には、ある所定の相関関係があるため、転写後の接着剤の厚さとこの相関関係に基づいて、２枚のプレート１０，３０の間の接着剤の厚さ（即ち、接着層３８の厚さＴａ）を求めることができる。

あるいは、予め、振動板３０及びキャビティプレート１０のそれぞれの厚さをレーザー変位計等により測定しておき、さらに、振動板３０とキャビティプレート１０とを接着した後に、接着後の２枚のプレート１０，３０の全体の厚さを測定して、２枚のプレート１０，３０の全体の厚さと、それらの個々の厚さとから、その間に介在する接着層３８の厚さＴａを求めてもよい。

そして、接着層３８の厚さＴａ、接着層３８の弾性率Ｅａ、及び、隔壁部１０ａの幅方向長さＷａからＢ（＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａ）を計算し（Ｓ３５）、図１２の領域Ｘの範囲内（好ましくは、領域Ｙの範囲内）で、計算されたＢの値に対応するＡの値（Ａ＝（（Ｔｖ＋Ｔｐ）³×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^1/2）を決定する（Ｓ３６）。さらに、決定されたＡの値と、振動板３０の厚さＴｖ、振動板３０の弾性率Ｅｖ、圧電層３１の弾性率Ｅｐ、及び、圧力室１４の幅Ｗｃとから、圧電層３１の厚さＴｐの範囲を決定する（Ｓ３７）。

そして、Ｓ３７で決定された厚さＴｐとなるように圧電層３１を形成する（圧電層３１形成工程：Ｓ３８）。ここで、例えば、圧電層３１をＡＤ法で形成する場合には、振動板３０が取り付けられたステージの移動回数及び移動速度を調整しながら、圧電材料の粒子とキャリアガスとを混合して得られたエアロゾルを振動板３０に対して噴射することにより、振動板３０に所定厚さＴｐの圧電層３１を形成する。そして、圧電層３１のキャビティプレート１０と反対側の面にスクリーン印刷等により個別電極３２を形成してから（Ｓ３９）、ノズルプレート１３をマニホールドプレート１２に接着して（Ｓ４０）、インクジェットヘッド１の製造工程を完了する。

このように、振動板３０の厚さＴｖと接着層３８の厚さＴａを測定してから、ＴｖやＴａ、あるいは、圧電層３１の厚さＴｐ等の圧電アクチュエータ３に関するパラメータで定義されたＡ及びＢの値が前述した所定の関係を満たすように、その厚さＴｐを調整しながら圧電層３１を形成することにより、前記実施形態と同様に、クロストークに起因して生じる、印字パターンによるインクの液滴速度の変動を効果的に抑制することができる。
＜第３変更形態＞
３］前述の第２変更形態（図１４参照）においては、振動板３０とキャビティプレート１０とを接着剤で接着しているが（Ｓ３３）、流路ユニット２を構成する金属プレート１０〜１２と、振動板３０とを同時に金属拡散接合により接合してから、振動板３０の厚さＴｖを測定してもよい。このように、振動板３０とキャビティプレート１０とを金属拡散接合で接合する場合には、接着層３８の厚さＴａが０であることから、Ｔａを測定する工程（図１４のＳ３４）は不要である。
＜第４変更形態＞
前記実施形態の圧電アクチュエータ３では、圧電層３１の振動板３０と反対側に個別電極３２が形成されているが（図４〜図７参照）、圧電層３１の振動板３０側に個別電極３２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３０が金属材料からなる場合には、図１５に示すように、圧電アクチュエータ３Ａにおいて、複数の個別電極３２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５０が形成されるなどして、個別電極３２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。この絶縁材料層５０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。
＜第５変更形態＞
第４変更形態において、振動板３０が、表面に酸化膜が形成されたシリコン材料、あるいは、セラミックス材料や合成樹脂材料等の絶縁材料からなる場合には、図１６に示すように、圧電アクチュエータ３Ｂにおいて、振動板３０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３０により複数の個別電極３２の間が絶縁される。

前記実施形態では、その内部に個別インク流路２１を有する流路ユニット２が、主に、積層された金属プレート（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）により構成されているが、流路ユニット２が金属材料以外の材料（例えば、シリコン材料等）で形成されていてもよい。

前記実施形態では、本発明を圧電層の収縮に伴って振動板が圧力室側に凸となるように変形するタイプ（押し打ちタイプ）のアクチュエータに適用した場合を例示したが、圧電層の収縮に伴って振動板が圧力室側に凹となるように変形するタイプ（引き打ちタイプ）のアクチュエータに適用することができる。

前述した実施形態及びその変更形態は、インクを移送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、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は可能である。

本発明の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。 １つの個別電極にのみ駆動電圧が印加されたときの圧電アクチュエータの動作を示す図である。 全ての個別電極にのみ駆動電圧が印加されたときの圧電アクチュエータの動作を示す図である。 ケース１の解析結果を示すグラフである。 ケース２の解析結果を示すグラフである。 ケース３の解析結果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。 液滴速度変動が１ｍ／ｓ以下、又は、０．５ｍ／ｓ以下となるときの、最大変位量の比δａ／δ１と、Ａ及びＢとの関係を直線で近似したグラフである。 インクジェットヘッドの製造工程のフローチャートである。 第２変更形態のインクジェットヘッドの製造工程のフローチャートである。 第４変更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。 第５変更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。

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 圧電アクチュエータ
１０ａ 隔壁部
１４ 圧力室
３０ 振動板
３１ 圧電層
３２ 個別電極
３４ 共通電極
３８ 接着層

Claims (7)

1. 平面に沿って配置された複数の圧力室を含み、圧力室が隔壁部により隔てられている流路ユニットと、
   この流路ユニットの一表面に配置され、前記複数の圧力室を覆う振動板、この振動板の前記圧力室と反対側に、前記平面と直交する方向から見て、前記複数の圧力室の全てを覆うように配置された圧電層、この圧電層の一方の面に前記複数の圧力室に夫々対応して配置された複数の個別電極、及び、前記圧電層の他方の面に配置された共通電極とを有し、前記複数の圧力室の容積を選択的に変化させる圧電アクチュエータとを備えた、液体移送装置の製造方法であって、
   前記流路ユニットを提供する工程と、
   前記振動板を流路ユニットの隔壁部に接着する工程と、
   前記振動板の一方の面に前記圧電層を提供する工程と、
   前記振動板の厚さをＴｖ（ｍｍ）、その弾性率をＥｖ（ｋｇ／ｍｍ^２）、前記圧電層の厚さをＴｐ（ｍｍ）、その弾性率をＥｐ（ｋｇ／ｍｍ^２）、前記圧力室の所定の一方向の長さをＷｃ（ｍｍ）、前記隔壁部の前記所定方向の長さをＷａ（ｍｍ）、前記隔壁部と前記振動板との間に介在してこれらを接着する接着層の厚さをＴａ（ｍｍ）、その弾性率をＥａ（ｋｇ／ｍｍ^２）としたときに、Ａ＝（（Ｔｖ＋Ｔｐ）^３×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^１／２、Ｂ＝Ｅａ×Ｗａ／Ｔａで表されるパラメータに基づいて、振動板の隔壁部への接着層の厚さまたは圧電層の厚さを決定する工程とを含み、
   Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように、前記接着層の厚さまたは前記圧電層の厚さを決定することを特徴とする液体移送装置の製造方法。
2. 前記圧電層の厚さを測定する工程と、前記振動板の厚さを測定する工程を含み、
   Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように前記接着層の厚さを決定することを特徴とする請求項１に記載の液体移送装置の製造方法。
3. 前記Ａ及び前記Ｂの値が、−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＞０の関係を満たすことを特徴とする請求項２に記載の液体移送装置の製造方法。
4. 前記振動板の厚さを測定する工程と、前記接着層の厚さを測定する工程を含み、
   Ａ及びＢの値が、−０．０３Ａ−１２００（１／Ｂ）＋０．０８＞０の関係を満たすように前記圧電層の厚さを決定することを特徴とする請求項１に記載の液体移送装置の製造方法。
5. 前記Ａ及び前記Ｂの値が、−０．０３Ａ−７００（１／Ｂ）＋０．０５＞０の関係を満たすことを特徴とする請求項４に記載の液体移送装置の製造方法。
6. 前記振動板が前記隔壁部に金属拡散接合で接合され、圧電層の厚みＴｐが、０．０８＞０．０３×（（Ｔｖ＋Ｔｐ）^３×（Ｅｖ＋Ｅｐ）／２）／Ｗｃ^１／２を満足するように決定されることを特徴とする請求項４に記載の液体移送装置の製造方法。
7. 前記振動板が前記共通電極として機能する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の製造方法。

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