JP6620543B2

JP6620543B2 - 液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置

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Publication number: JP6620543B2
Application number: JP2015243063A
Authority: JP
Inventors: 智水上; 尚弥近藤
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2015-03-11
Filing date: 2015-12-14
Publication date: 2019-12-18
Anticipated expiration: 2035-12-14
Also published as: US9889654B2; JP2016168832A; US20160263893A1

Description

本発明は、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用される液体吐出ヘッドに関して、インク滴を吐出するノズルと、ノズルが連通する圧力室と、圧力室内のインクを加圧する圧電素子等の電気機械変換素子とを有するものが知られている。又、液体吐出ヘッドには、縦振動モードのアクチュエータを使用したものと、たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものと２種類が実用化されている。

たわみ振動モードを利用したものとしては、例えば、振動板の表面全体に亙って成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィ法により圧力室に対応する形状に切り分けて各圧力室に独立するように電気機械変換素子を形成したものが知られている。振動板は、圧力室側に凸となるようにたわんでおり、たわみ量に関する記載がある（例えば、特許文献１、２参照）。

しかしながら、上記の液体吐出ヘッドにおいて、単一の電気機械変換素子に関しては振動板のたわみ量について考慮されているが、複数の電気機械変換素子が配列された場合の振動板のたわみ量のバラつきについては考慮されていない。そのため、複数の電気機械変換素子が配列された液体吐出ヘッドにおいて、安定したインク吐出特性を得ることは困難である。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、複数の電気機械変換素子が配列された液体吐出ヘッドにおいて、安定したインク吐出特性を得ることを課題とする。

本液体吐出ヘッドは、液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する圧力室と、前記圧力室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えた構造体が所定方向に複数配列され、夫々の前記構造体において、前記吐出駆動手段は、前記圧力室の壁の一部を構成する振動板と、電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子と、を含み、前記振動板が前記圧力室側に凸になるように湾曲しており、前記圧力室毎の前記振動板の湾曲量を曲率半径Ｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの前記振動板の前記曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であり、前記電気機械変換膜に±１５０ｋｖ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｄ、＋１５０ｋｖ／ｃｍの電圧印加後０ｋｖ／ｃｍまで戻したときの０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄの傾き差が４μＣ／ｃｍ ^２以下であることを要件とする。

開示の技術によれば、複数の電気機械変換素子が配列された液体吐出ヘッドにおいて、安定したインク吐出特性を得ることができる。

第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを例示する断面図（その１）である。第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの製造工程を例示する断面図である。第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを例示する断面図（その２）である。振動板の湾曲について説明する図である。振動板の湾曲量の定義について説明する図である。ウェハ内のチップの列内の変位量について説明する図である。圧電体結晶内の分極の向きの変化について説明する図である。ウェハ内のチップの列内の分極率バラつきについて説明する図である。ＰＺＴのＸ線回折について説明する図である。回折強度が最大となる位置（２θ）であおり角（χ）を振った場合の回折強度を例示する図である。第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの配線等を例示する図である。分極処理装置の概略構成を例示する図である。コロナ放電について説明する図である。Ｐ−Ｅヒステリシスループについて例示する図である。第２の実施の形態に係る液体を吐出する装置の一例の要部平面説明図である。第２の実施の形態に係る液体を吐出する装置の一例の要部側面説明図である。第２の実施の形態に係る液体吐出ユニットの他の例の要部平面説明図である。第２の実施の形態に係る液体吐出ユニットの更に他の例の正面説明図である。保持基板について説明する図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

〈第１の実施の形態〉
図１は、第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを例示する断面図である。図１を参照するに、液体吐出ヘッド１は、基板１０と、振動板２０と、電気機械変換素子３０と、絶縁保護膜４０とを有する。電気機械変換素子３０は、下部電極３１と、電気機械変換膜３２と、上部電極３３とを有する。

液体吐出ヘッド１において、基板１０上に振動板２０が形成され、振動板２０上に電気機械変換素子３０の下部電極３１が形成されている。下部電極３１の所定領域に電気機械変換膜３２が形成され、更に電気機械変換膜３２上に上部電極３３が形成されている。絶縁保護膜４０は、電気機械変換素子３０を被覆している。絶縁保護膜４０は、下部電極３１及び上部電極３３を選択的に露出する開口部を備えており、開口部を介して、下部電極３１及び上部電極３３から配線を引き回すことができる。

基板１０の下部には、インク滴を吐出するノズル５１を備えたノズル板５０が接合されている。ノズル板５０、基板１０、及び振動板２０により、ノズル５１に連通する圧力室１０ｘ（インク流路、加圧液室、加圧室、吐出室、液室等と称される場合もある）が形成されている。振動板２０は、インク流路の壁面の一部を形成している。言い換えれば、圧力室１０ｘは、基板１０（側面を構成）、ノズル板５０（下面を構成）、振動板２０（上面を構成）で区画されて、ノズル５１と連通している。

液体吐出ヘッド１を作製するには、まず、図２に示すように、基板１０上に、振動板２０、下部電極３１、電気機械変換膜３２、上部電極３３を順次積層する。その後、下部電極３１、電気機械変換膜３２及び上部電極３３を所望の形状にエッチングし、絶縁保護膜４０で被覆する。そして、絶縁保護膜４０に、下部電極３１及び上部電極３３を選択的に露出する開口部を形成する。その後、基板１０を下方からエッチングして圧力室１０ｘを作製する。次いで、基板１０の下面にノズル５１を有するノズル板５０を接合し、液体吐出ヘッド１が完成する。

なお、図１では、１つの液体吐出ヘッド１のみを示したが、実際には、図３に示すように、液体吐出ヘッド１が所定方向に複数配列された液体吐出ヘッド２が作製される。液体吐出ヘッド２は、液体を吐出するノズル５１と、ノズル５１が連通する圧力室１０ｘと、圧力室１０ｘ内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えた構造体（液体吐出ヘッド１）が所定方向に複数配列された構造である。ここで、吐出駆動手段は、圧力室１０ｘの壁の一部を構成する振動板２０と、電気機械変換膜３２を備えた電気機械変換素子３０とを含む構成とすることができる。

ところで、液体吐出ヘッド２を作製する工程において、圧力室１０ｘを作製した時点で、図４に示すように、振動板２０が圧力室１０ｘ側に凸となるように湾曲する。振動板２０の湾曲量によっては、振動板２０の変位量に影響を与える。又、振動板２０が湾曲すると、インクを吐出させる際に残留振動が発生する。残留振動を抑制するためには、所定の波形の生成が必要となるが、所定の波形の周波数を小さくする必要があり、高周波での吐出性能を確保することが困難となる。

高周波での吐出性能を確保するためには、振動板２０、電気機械変換膜３２、絶縁保護膜４０の剛性を高める必要があり、高いヤング率の材料を用いたり厚膜化したりする必要が生じる。液体吐出ヘッド２において、振動板２０は、応力設計も考慮し、シリコン酸化膜（ＳｉＯ_２）、シリコン窒化膜（ＳｉＮ）、ポリシリコン（Ｐｏｌｙ−Ｓｉ）等を材料として含む複数の層から形成することができる。振動板２０の膜厚は１μｍ以上３μｍ以下で作製されることが好ましい。更に、振動板２０のヤング率を７５ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下とすることで、高周波での吐出性能を確保することができる。

ここで、振動板２０の湾曲量について説明する。まず、図５を参照して振動板２０の湾曲量の定義について説明する。振動板２０の湾曲量を算出するには、たわみ量計（ＣＣＩ３０００、アメテック社製）を用いて、圧力室１０ｘ側から図５（ａ）に例示する振動板２０のたわみ分布を取得する。

図４に例示したように、振動板２０の中央部はたわみが大きく、両端部はたわみが小さい。そこで、たわみ量計を用いて取得した図５（ａ）に例示する振動板２０のたわみ分布の中で、たわみ量が最小となる両端部の点Ａ及びＢを基準に、そこから中心となる点Ｃ(たわみの中心点)を求める。次に、両端部の点Ａ及びＢとたわみの中心点Ｃとの距離をＸとする。そして、たわみの中心点Ｃを基準に０．８Ｘの距離にある２点Ｄ及びＥ求め、図５（ｂ）に示すように、たわみの中心点Ｃ、点Ｄ及びＥの３点の座標点から振動板２０の曲率半径Ｒを算出する。

次に、電気機械変換素子３０の変位量（変位特性）について説明する。インク吐出量やインク吐出時の吐出速度に影響する電気機械変換素子３０の特性の一つとして、変位量（変位特性）が挙げられる。例えば、液体吐出ヘッド２を１枚のウェハから複数作製する場合を考え、ウェハ外周にあるチップとウェハ中心にあるチップの列内の変位量を比較する。

図６は、ウェハ内のチップの列内の変位量について説明する図である。図６（ａ）は、ウェハＷの平面図であり、チップＣ１〜Ｃ４内には、夫々複数の電気機械変換素子３０が配列されている。なお、Ｏ．Ｆ．はオリエンテーションフラット（Orientation Flat）である。

図６（ｂ）は、チップＣ３において、電気機械変換素子３０の配列方向（チップＣ１からチップＣ４に至る方向）における、電気機械変換素子３０の変位量の変化を示したものである。横軸は、配列された電気機械変換素子３０の素子Ｎｏであり、縦軸は、電気機械変換素子３０の変位量である。なお、Ｔは、チップＣ３において、電気機械変換素子３０の配列方向の各々の端部に位置する圧力室１０ｘから配列方向に対して２０ｃｈまでの圧力室１０ｘ（つまり、振動板２０や電気機械変換素子３０）が配置された領域を示している。ここでは、チップＣ３について例示しているが、チップＣ１、Ｃ２及びＣ４についてもチップＣ３と同様の傾向を示すことが確認されている。

なお、滴吐出を行わないｃｈ（ダミーチャネル）をノズル列の各々の端部に設ける場合がある。上記の『各々の端部に位置する圧力室１０ｘから配列方向に対して２０ｃｈまでの圧力室１０ｘ』とは、ダミーチャネルがある場合には、そのダミーチャネルを除いた、液体を吐出するチャネルの中での各々の端部から２０ｃｈである。

図６（ｂ）に示すように、チップＣ３において、電気機械変換素子３０の配列方向の一端部のチャネルから２０番目のチャネルまでのチャネル群と、他端部のチャネルから２０番目のチャネルまでのチャネル群（以下、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群、とする）までの電気機械変換素子３０において、電気機械変換素子３０の変位量が上昇する傾向が見られる。

発明者らの検討により、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群の電気機械変換素子３０において、振動板２０のたわみ量にバラつきがあり、このバラつきが各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群での電気機械変換素子３０の変位量の特異的なバラつきとほぼ対応していることが分かった。すなわち、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群の電気機械変換素子３０において、変位量のバラつきを抑制するために、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群の電気機械変換素子３０における振動板２０のたわみ量のバラつきを抑制する必要があることが分かった。

このように、インク吐出時のバラつきの中でもランダムなバラつきではなく、図６（ｂ）に例示したような電気機械変換素子３０の各々の端部で特異的な圧電性能のバラつきが発生する場合にも注目する必要がある。このような特異的なバラつきは、インク吐出量やインク吐出時の吐出速度にも大きく影響し、実際に紙面等に印字されたときの品質として明確に不良として認識できるからである。

すなわち、インク吐出量やインク吐出時の吐出速度バラつき等を抑制するには、電気機械変換膜３２の圧電性能のバラつきが小さいことが好ましい。しかし、電気機械変換素子３０間のランダムなバラつき以外に、液体吐出ヘッド２内に配列された電気機械変換素子３０の各々の端部で特異的な圧電性能バラつきが存在し、このような特異的な圧電性能バラつきも抑制しなければならない。

次に、液体吐出ヘッド２内に配列された電気機械変換素子３０の各々の端部のバラつきをどの程度に抑制するべきかについて説明する。図６（ｂ）の各々のＴ（各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群）における電気機械変換素子３０の変位量の傾きに対応して、振動板２０の曲率半径Ｒも傾きを有している。振動板２０の曲率半径Ｒの最大値と最小値との差を『振動板２０の曲率半径Ｒの差』と定義したときに、図６（ｂ）の一端部側のＴと他端部側のＴの夫々において、振動板２０の曲率半径Ｒの差は、１５００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。

例えば、液体吐出ヘッド２では、電気機械変換素子３０は圧力室１０ｘ毎に設けられる。この場合、圧力室１０ｘ毎の振動板２０の湾曲量を曲率半径Ｒとしたときに、一端部から２０ｃｈまでのチャネル群において、振動板２０の曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。同様に、他端部から２０ｃｈまでのチャネル群において、振動板２０の曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であることが好ましく、５００μｍ以下であることが更に好ましい。振動板２０の曲率半径Ｒの差がこれらの値より大きくなると、配列された電気機械変換素子３０の列内の変位量の傾きが大きくなり、安定したインク吐出特性が確保できなくなるからである。

つまり、チップＣ３の各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群において、振動板２０の曲率半径Ｒの差が小さくなっていることが好ましい。どちらか一方の端部側での振動板２０の曲率半径Ｒの差が小さくなっていても、他方の端部側での振動板２０の曲率半径Ｒの差が大きくなっていれば、安定したインク特性を確保できなくなる。

ここで、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差の発生要因としては、（１）電気機械変換膜３２の膜応力／剛性のバラつき、（２）電気機械変換膜３２以外（主には振動板２０）の膜応力／剛性のバラつき等が考えられる。

（１）に関しては、後述のコロナ放電処理による分極処理時に発生する各々の端部近傍に位置する電気機械変換素子３０の分極率バラつきの影響を想定している。なお、コロナ放電処理では、各々の端部近傍に位置する電気機械変換素子３０に対しての処理が強くなることが知られている。

電気機械変換膜３２に含まれる圧電体結晶は、図７（ａ）に示すように電圧印加直前において分極の向きがランダムな状態となっている。これに対して、電圧印加を繰り返すことで、図７（ｂ）に示すように圧電体結晶は分極の向きが揃ったドメインの集合体となる。図７のような処理を行い分極方向を揃えることで、電気機械変換素子３０の連続駆動後の変位劣化を抑制することができる。

しかし、分極処理によって電気機械変換膜３２の応力も変化する。このため、分極処理バラつきが発生し、分極率バラつきが発生することで電気機械変換膜３２の応力も変化し、振動板２０の湾曲量として定義する曲率半径Ｒにもバラつきが発生する。そこで、分極率バラつきを抑制する必要がある。

電極形状等の工夫により各々の端部近傍に位置する電気機械変換素子３０に対しての処理バラつきをある程度抑制できるが、図８に示すように、分極率バラつきを十分抑えることは困難であることが分かった。この結果、チップの各々の端部での振動板のたわみバラつきが大きくなり、インク吐出時のバラつきが抑制できるだけの変位量バラつきに抑えることができなかった。

一方、各々の端部近傍の分極率バラつきを抑制するためにコロナ放電処理の条件を見直し、全体的に処理条件を強くすることで、各々の端部近傍での分極率バラつき抑制に効果があることが分かった。但し、この場合、処理条件を強くしたことにより電気機械変換膜３２のクラック等の不具合が発するおそれがあるため、クラック発生を抑制できるように、電気機械変換膜３２の応力等を調整する必要がある。

すなわち、コロナ放電処理の条件を見直して全体的に処理条件を強くすると共に、電気機械変換膜３２の応力等を調整する必要がある。これにより、電気機械変換膜３２のクラック等の不具合が発するおそれを低減できると共に、各々の端部近傍の分極率バラつきを抑制し、振動板２０のたわみバラつきを抑制できる。

なお、コロナ放電処理による分極処理時に発生する各々の端部近傍に位置する電気機械変換素子３０の分極率バラつきに関しては、４μＣ／ｃｍ^２以下となっていることが好ましく、２μＣ／ｃｍ^２以下になっていることが更に好ましい。

ここで、具体的な電気機械変換膜３２の応力調整に関して説明する。図９は、Ｘ線回折（ＸＲＤ）でのθ−２θ法によって取得したＰＺＴ（２００）面のピーク位置を示している。図１０は、図９に示す（２００）面に対応する回折強度のピークにおいて、回折強度が最大となる位置（２θ）で、あおり角（χ）を振った測定により得られる回折強度のピークを示している。なお、ＰＺＴについては後で詳述する。

図１０に示すように、回折強度のピーク（ｄａｔａ）は、ピーク分離により３つのピークＰ１、Ｐ２、及びＰ３に分離することができる。図１０において、３つのピークＰ１、Ｐ２、及びＰ３について、回折強度が最大となる位置χ１、χ２、χ３での回折強度を夫々ｐｅａｋ１、ｐｅａｋ２、ｐｅａｋ３とし、３つのピークの半値幅を夫々σ１、σ２、σ３とする。

このとき、ｐｅａｋ１、ｐｅａｋ２、ｐｅａｋ３を夫々σ１、σ２、σ３の重みとしたσ１、σ２、σ３の加重平均ＦＷＨＭｓｔｄ（χ）（＝（σ１×ｐｅａｋ１＋σ２×ｐｅａｋ２＋σ３×ｐｅａｋ３）／（ｐｅａｋ１＋ｐｅａｋ２＋ｐｅａｋ３））を算出する。

発明者らの検討により、加重平均ＦＷＨＭｓｔｄ（χ）が１２°以下なっている状態で分極処理を実施すると、各々の端部近傍の電気機械変換素子３０の分極率バラつきを抑制できると共に、電気機械変換膜３２のクラック発生も抑制できることが分かった。その結果、振動板２０のたわみバラつきを抑制することが可能となる。

加重平均ＦＷＨＭｓｔｄ（χ）は８°以下となっていることが更に好ましい。この状態で分極処理を実施することで、各々の端部近傍の電気機械変換素子３０の分極率バラつきを２μＣ／ｃｍ^２以下にできると共に、電気機械変換膜３２のクラック発生も抑制できることが分かった。

なお、加重平均ＦＷＨＭｓｔｄ（χ）は下部電極３１として適用するＰｔの成膜温度やＰｔ上に作製するシード層となる材料に大きく影響されることが分かっている。Ｐｔの成膜温度を３００℃以上とし、シード層としてＰｂＴｉＯ_３材料を用いることで、好適な結果を得ることができる。

（２）に関しては、図６に示すようなウェハＷからチップＣ１〜Ｃ４を切り出すときに発生する基板１０の反り等から発生すると想定している。図１に示すような圧力室１０ｘを形成する際に、これを補強するような保持基板を用意し接着層を介して接合しており、ウェハＷからチップＣ１〜Ｃ４を切り出すときに、保持基板の厚みバラつきや接着層の強度バラつきによって基板１０の反りが発生する。このため、保持基板の厚みバラつきや接着層の強度バラつきを抑制することで、ある程度、基板１０の反り量のバラつき改善を図ることができる。

基板１０の反りの発生に伴い外部からの応力の影響によって、電気機械変換膜３２の応力が変化し、特にチップの外周に位置する各々の端部近傍の電気機械変換素子３０はこの影響を受けやすくなる。基板１０の反り量として湾曲量を図５のように定義した曲率半径Ｒで記載すると、曲率半径Ｒが６ｍｍ以下であることが好ましく、４ｍｍ以下であることが更に好ましい。この範囲より大きくなると、（１）に関して分極処理によるバラつきを低減しても、各々の端部近傍の応力バラつきを抑制するのが難しくなる。

以下、液体吐出ヘッド２を構成する好適な材料等に関して、更に詳しく説明する。基板１０としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６００μｍの厚みを持つことが好ましい。面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種あるが、半導体産業では一般的に（１００）、（１１１）が広く使用されており、液体吐出ヘッド２でも主に（１００）の面方位を持つ単結晶基板を使用することができる。

又、圧力室１０ｘを作製していく場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工していくが、この場合のエッチング方法としては、異方性エッチングを用いることが好ましい。なお、異方性エッチングとは、結晶構造の面方位に対してエッチング速度が異なる性質を利用したものである。

例えば、ＫＯＨ等のアルカリ溶液に浸漬させた異方性エッチングでは、（１００）面に比べて（１１１）面は約１／４００程度のエッチング速度となる。従って、面方位（１００）では約５４°の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、面方位（１１０）では深い溝を掘ることができる。そのため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くできるため、液体吐出ヘッド２でも（１１０）の面方位を持つ単結晶基板を使用してもよい。但し、この場合、マスク材であるＳｉＯ_２もエッチングされる点に留意が必要である。

又、圧力室１０ｘの幅（短手方向の長さ）としては、５０μｍ以上７０μｍ以下が好ましく、５５μｍ以上６５μｍ以下が更に好ましい。この値より大きくなると、残留振動が大きくなり高周波での吐出性能確保が難しくなり、この値より小さくなると、変位量が低下し、十分な吐出電圧が確保できなくなる。

振動板２０は、電気機械変換膜３２によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室１０ｘ内のインク滴を吐出させる。そのため、振動板２０としては所定の強度を有したものであることが好ましい。具体的には、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４等をＣＶＤ法等により作製したものが挙げられる。更に、振動板２０の材料としては、下部電極３１、電気機械変換膜３２の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。

特に、電気機械変換膜３２としてＰＺＴを使用する場合には、振動板２０の材料として、ＰＺＴの線膨張係数８×１０^−６（１／Ｋ）に近い５×１０^−６（１／Ｋ）〜１０×１０^−６（１／Ｋ）程度の線膨張係数を有した材料を選択することが好ましい。７×１０^−６（１／Ｋ）〜９×１０^−６（１／Ｋ）程度の線膨張係数を有した材料を選択することが更に好ましい。

振動板２０の具体的な材料としては、酸化アルミニウム、酸化ジルコニウム、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、酸化タンタル、酸化ハフニウム、酸化オスミウム、酸化レニウム、酸化ロジウム、酸化パラジウム及びそれらの化合物等を挙げられる。これらは、スパッタ法若しくはＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコーターにて作製することができる。

振動板２０の膜厚としては１〜３μｍが好ましく、１．５〜２．５μｍが更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室１０ｘの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。

下部電極３１及び上部電極３３としては、金属材料として高い耐熱性と低い反応性を有する白金を用いることができる。但し、白金は、鉛に対しては十分なバリア性を持つとはいえない場合もあり、その場合には、イリジウムや白金−ロジウム等の白金族元素や、これらの合金膜を用いることができる。

なお、下部電極３１及び上部電極３３として白金を使用する場合には、下地となる振動板２０（特にＳｉＯ２）との密着性が悪いため、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、Ｔａ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_３Ｎ_５等の密着層を介して積層することが好ましい。下部電極３１及び上部電極３３の作製方法としては、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜を用いることができる。下部電極３１及び上部電極３３の膜厚としては、０．０５〜１μｍが好ましく、０．１〜０．５μｍが更に好ましい。

更に、下部電極３１及び上部電極３３において、金属材料と電気機械変換膜３２との間に、ＳｒＲｕＯ_３やＬａＮｉＯ_３を材料とする酸化物電極膜を形成してもよい。なお、下部電極３１と電気機械変換膜３２との間の酸化物電極膜に関しては、その上に作製する電気機械変換膜３２(例えばＰＺＴ膜)の配向制御にも影響するため、配向優先させたい方位によって選択される材料が異なる。

液体吐出ヘッド２において、電気機械変換膜３２としてＰＺＴを用い、ＰＺＴ（１００）に優先配向させる場合には、下部電極３１として、ＬａＮｉＯ_３、ＴｉＯ_２、ＰｂＴｉＯ_３等のシード層を金属材料上に作製し、その後ＰＺＴ膜を形成すると好ましい。

又、上部電極３３と電気機械変換膜３２との間の酸化物電極膜としてはＳＲＯ膜を用いることができ、ＳＲＯ膜の膜厚としては、２０ｎｍ〜８０ｎｍが好ましく、３０ｎｍ〜５０ｎｍが更に好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない。この範囲を超えると、ＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。

電気機械変換膜３２としては、好適にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いることができる。なお、ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）の固溶体であり、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率によって、ＰＺＴの特性が異なる。例えば、ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）Ｏ_３、一般にはＰＺＴ（５３／４７）と示されるＰＺＴ等を使用することができる。

電気機械変換膜３２の作製方法としては、スパッタ法若しくはＳｏｌ−ｇｅｌ法を用いてスピンコーターにて作製することができる。その場合は、パターニングが必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得ることができる。

ＰＺＴをＳｏｌ−ｇｅｌ法により作製する場合には、まず、出発材料に酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を用いる。そして、共通溶媒であるメトキシエタノールに溶解させ均一溶液を得ことで、ＰＺＴ前駆体溶液が作製できる。金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、ＰＺＴ前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミン等を適量、添加してもよい。

下部電極３１の全面にＰＺＴ膜を形成する場合、スピンコート等の溶液塗布法により塗膜を形成し、溶媒乾燥、熱分解、結晶化の各々の熱処理を施すことで得られる。塗膜から結晶化膜への変態には体積収縮が伴うので、クラックフリーな膜を得るには一度の工程で１００ｎｍ以下の膜厚が得られるようにＰＺＴ前駆体の濃度の調整が必要になる。

電気機械変換膜３２の膜厚としては１〜３μｍが好ましく、１．５〜２．５μｍが更に好ましい。この範囲より小さいと圧力室１０ｘの加工が難しくなり、この範囲より大きいと変形変位し難くなり、インク滴の吐出が不安定になる。

なお、電気機械変換膜３２としてＰＺＴを用いＰＺＴ（１００）面を優先配向とする場合、Ｚｒ／Ｔｉの組成比率については、組成比率Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）が０．４５以上０．５５以下が好ましく、０．４８以上０．５２以下が更に好ましい。

結晶配向については、ρ（ｈｋｌ）＝Ｉ（ｈｋｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）によって表される。ここで、ρ（ｈｋｌ）は（ｈｋｌ）面方位の配向度、Ｉ（ｈｋｌ）は任意の配向のピーク強度、ΣＩ（ｈｋｌ）は各ピーク強度の総和である。Ｘ線回折法のθ−２θ測定で得られる各ピーク強度の総和を１としたときの各々の配向のピーク強度の比率に基づいて算出される（１００）配向の配向度は、０．７５以上であることが好ましく、０．８５以上であることが更に好ましい。これ以下になるときには、圧電歪が十分得られず、電気機械変換膜３２の変位量を十分確保できなくなる。

電気機械変換膜３２として、ＰＺＴ以外のＡＢＯ_３型ペロブスカイト型結晶質膜を用いてもよい。ＰＺＴ以外のＡＢＯ_３型ペロブスカイト型結晶質膜としては、例えば、チタン酸バリウム等の非鉛複合酸化物膜を用いても構わない。この場合は、バリウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料にし、共通溶媒に溶解させることでチタン酸バリウム前駆体溶液を作製することが可能である。

これら材料は一般式ＡＢＯ３で記述され、Ａ＝Ｐｂ、Ｂａ、ＳｒＢ＝Ｔｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂを主成分とする複合酸化物が該当する。その具体的な記述として（Ｐｂ_１−ｘ、Ｂａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ_１−ｘ、Ｓｒ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３、と表され、これはＡサイトのＰｂを一部ＢａやＳｒで置換した場合である。このような置換は２価の元素であれば可能であり、その効果は熱処理中の鉛の蒸発による特性劣化を低減させる作用を示す。

ここで、配線等を含めた液体吐出ヘッドの構成について説明する。図１１は、第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドの配線等を例示する図であり、図１１（ａ）は断面図、図１１（ｂ）は平面図である。なお、図１１（ｂ）において、絶縁保護膜４０及び７０の図示は省略されている。

図１１を参照するに、絶縁保護膜４０上には複数の配線６０が設けられ、更に配線６０上に絶縁保護膜７０が設けられている。絶縁保護膜４０は複数の開口部４０ｘを備えており、開口部４０ｘ内には下部電極３１又は上部電極３３の表面が露出している。配線６０は、開口部４０ｘを充填して上部電極３３と接続されている（図１０（ｂ）のコンタクトホールＨの部分）配線と、開口部４０ｘを充填して下部電極３１と接続されている配線とを含んでいる。

絶縁保護膜７０は複数の開口部７０ｘを備えており、夫々の開口部７０ｘ内には夫々の配線６０の表面が露出している。夫々の開口部７０ｘ内に露出する夫々の配線６０は、電極パッド６１、６２、及び６３となる。ここで、電極パッド６１は共通電極パッドであり、配線６０を介して各電気機械変換素子３０に共通の下部電極３１と接続されている。又、電極パッド６２及び６３は個別電極パッドであり、配線６０を介して電気機械変換素子３０毎に独立した上部電極３３と接続されている。

次に、分極処理装置について説明する。図１２は、分極処理装置の概略構成を例示する図である。分極処理装置５００は、コロナ電極５１０とグリッド電極５２０とを備えており、コロナ電極５１０、グリッド電極５２０は夫々コロナ電極用電源５１１、グリッド電極用電源５２１に接続されている。サンプルをセットするステージ５３０には温調機能が付加されており、最大３５０℃程度までの温度をかけながら分極処理を行うことができる。ステージ５３０にはアース５４０が設置されており、これが付加していない場合には分極処理ができない。

グリッド電極５２０には、例えばメッシュ加工が施されており、コロナ電極５１０に高い電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等が効率よく下のステージ５３０に降り注き、電気機械変換膜３２に注入されるように工夫されている。コロナ電極５１０やグリッド電極５２０に印加される電圧の大きさや、サンプルと各電極間の距離を調整することにより、コロナ放電の強弱をつけることが可能である。

図１３に示すように、コロナワイヤ６００を用いてコロナ放電させる場合、大気中の分子６１０をイオン化させ、陽イオン６２０を発生させる。そして、発生した陽イオン６２０が、電気機械変換素子３０のパッド部を介して流れ込むことで、電荷を電気機械変換素子３０に注入することができる。

この場合、上部電極と下部電極の電荷差によって内部電位差が生じて分極処理が行われていると考えられる。この際、分極処理に必要な電荷量Ｑについては特に限定されるものではないが、電気機械変換素子３０に１．０×１０^−８Ｃ以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、４．０×１０^−８Ｃ以上の電荷量が蓄積されることが更に好ましい。この値に満たない場合は、分極処理が十分できず、ＰＺＴの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。

ここで、分極処理の状態については、電気機械変換素子３０のＰ−Ｅヒステリシスループから判断することができる。分極処理の判断の方法について図１４を用いて説明する。図１４（ａ）は分極処理前のＰ−Ｅヒステリシスループを例示し、図１４（ｂ）は分極処理後のＰ−Ｅヒステリシスループを例示している。

具体的には、まず、図１４に示すように、±１５０ｋｖ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定する。そして、最初の０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｄ、＋１５０ｋｖ／ｃｍの電圧印加後０ｋｖ／ｃｍまで戻したときの０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｒとしたときに、Ｐｒ−Ｐｉｎｄの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断することができる。

分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄは、１０μＣ／ｃｍ^２以下であることが好ましく、５μＣ／ｃｍ^２以下であることが更に好ましい。分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄがこの値より大きい場合には、ＰＺＴの圧電アクチュエータとして連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。なお、図１２においてコロナ電極５１０及びグリッド電極５２０の電圧や、ステージ５３０とコロナ電極５１０及びグリッド電極５２０との間の距離等を調整することにより、所望の分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄを得ることができる。但し、所望の分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄを得ようとした場合には、電気機械変換膜３２に対して高い電界を発生させることが好ましい。

〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、応用例として、液体吐出ヘッド２（図３参照）を備えた液体を吐出する装置を例示する。

まず、第２の実施の形態に係る液体を吐出する装置の一例について図１５及び図１６を参照して説明する。図１５は同装置の要部平面説明図、図１６は同装置の要部側面説明図である。

この装置は、シリアル型装置であり、主走査移動機構４９３によって、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動する。主走査移動機構４９３は、ガイド部材４０１、主走査モータ４０５、タイミングベルト４０８等を含む。ガイド部材４０１は、左右の側板４９１Ａ、４９１Ｂに架け渡されてキャリッジ４０３を移動可能に保持している。そして、主走査モータ４０５によって、駆動プーリ４０６と従動プーリ４０７間に架け渡したタイミングベルト４０８を介して、キャリッジ４０３は主走査方向に往復移動される。

このキャリッジ４０３には、第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッド２及びヘッドタンク４４１を一体にした液体吐出ユニット４４０を搭載している。液体吐出ユニット４４０の液体吐出ヘッド２は、例えば、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｋ）の各色の液体を吐出する。又、液体吐出ヘッド２は、複数のノズル５１からなるノズル列を主走査方向と直交する副走査方向に配置し、吐出方向を下方に向けて装着している。

液体吐出ヘッド２の外部に貯留されている液体を液体吐出ヘッド２に供給するための供給機構４９４により、ヘッドタンク４４１には、液体カートリッジ４５０に貯留されている液体が供給される。

供給機構４９４は、液体カートリッジ４５０を装着する充填部であるカートリッジホルダ４５１、チューブ４５６、送液ポンプを含む送液ユニット４５２等で構成される。液体カートリッジ４５０はカートリッジホルダ４５１に着脱可能に装着される。ヘッドタンク４４１には、チューブ４５６を介して送液ユニット４５２によって、液体カートリッジ４５０から液体が送液される。

この装置は、用紙４１０を搬送するための搬送機構４９５を備えている。搬送機構４９５は、搬送手段である搬送ベルト４１２、搬送ベルト４１２を駆動するための副走査モータ４１６を含む。

搬送ベルト４１２は用紙４１０を吸着して液体吐出ヘッド２に対向する位置で搬送する。この搬送ベルト４１２は、無端状ベルトであり、搬送ローラ４１３と、テンションローラ４１４との間に掛け渡されている。吸着は静電吸着、或いは、エアー吸引等で行うことができる。

そして、搬送ベルト４１２は、副走査モータ４１６によってタイミングベルト４１７及びタイミングプーリ４１８を介して搬送ローラ４１３が回転駆動されることによって、副走査方向に周回移動する。

更に、キャリッジ４０３の主走査方向の一方側には搬送ベルト４１２の側方に液体吐出ヘッド２の維持回復を行う維持回復機構４２０が配置されている。

維持回復機構４２０は、例えば液体吐出ヘッド２のノズル面（ノズル５１が形成された面）をキャッピングするキャップ部材４２１、ノズル面を払拭するワイパ部材４２２等で構成されている。

主走査移動機構４９３、供給機構４９４、維持回復機構４２０、搬送機構４９５は、側板４９１Ａ，４９１Ｂ、背板４９１Ｃを含む筐体に取り付けられている。

このように構成したこの装置においては、用紙４１０が搬送ベルト４１２上に給紙されて吸着され、搬送ベルト４１２の周回移動によって用紙４１０が副走査方向に搬送される。

そこで、キャリッジ４０３を主走査方向に移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド２を駆動することにより、停止している用紙４１０に液体を吐出して画像を形成する。

このように、この装置では、第１の実施の形態に係る液体吐出ヘッドを備えているので、高画質画像を安定して形成することができる。

次に、第２の実施の形態に係る液体吐出ユニットの他の例について図１７を参照して説明する。図１７は同ユニットの要部平面説明図である。

この液体吐出ユニットは、前記液体を吐出する装置を構成している部材のうち、側板４９１Ａ、４９１Ｂ及び背板４９１Ｃで構成される筐体部分と、主走査移動機構４９３と、キャリッジ４０３と、液体吐出ヘッド２で構成されている。

なお、この液体吐出ユニットの例えば側板４９１Ｂに、前述した維持回復機構４２０、及び供給機構４９４の少なくとも何れかを更に取り付けた液体吐出ユニットを構成することもできる。

次に、第２の実施の形態に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図１８を参照して説明する。図１８は同ユニットの正面説明図である。

この液体吐出ユニットは、流路部品４４４が取付けられた液体吐出ヘッド２と、流路部品４４４に接続されたチューブ４５６で構成されている。

なお、流路部品４４４はカバー４４２の内部に配置されている。流路部品４４４に代えてヘッドタンク４４１を含むこともできる。又、流路部品４４４の上部には液体吐出ヘッド２と電気的接続を行うコネクタ４４３が設けられている。

本願において、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッド又は液体吐出ユニットを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて、液体を吐出させる装置である。液体を吐出する装置には、液体が付着可能なものに対して液体を吐出することが可能な装置だけでなく、液体を気中や液中に向けて吐出する装置も含まれる。

この「液体を吐出する装置」は、液体が付着可能なものの給送、搬送、排紙に係わる手段、その他、前処理装置、後処理装置等も含むことができる。

例えば、「液体を吐出する装置」として、インクを吐出させて用紙に画像を形成する装置である画像形成装置、立体造形物（三次元造形物）を造形するために、粉体を層状に形成した粉体層に造形液を吐出させる立体造形装置（三次元造形装置）がある。

又、「液体を吐出する装置」は、吐出された液体によって文字、図形等の有意な画像が可視化されるものに限定されるものではない。例えば、それ自体意味を持たないパターン等を形成するもの、三次元像を造形するものも含まれる。
上記「液体が付着可能なもの」とは、液体が少なくとも一時的に付着可能なものであって、付着して固着するもの、付着して浸透するもの等を意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布等の被記録媒体、電子基板、圧電素子等の電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セル等の媒体であり、特に限定しない限り、液体が付着するすべてのものが含まれる。

上記「液体が付着可能なもの」の材質は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等液体が一時的でも付着可能であればよい。

又、「液体」は、インク、処理液、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料、結着剤、造形液、又は、アミノ酸、たんぱく質、カルシウムを含む溶液及び分散液等も含まれる。

又、「液体を吐出する装置」は、液体吐出ヘッドと液体が付着可能なものとが相対的に移動する装置があるが、これに限定するものではない。具体例としては、液体吐出ヘッドを移動させるシリアル型装置、液体吐出ヘッドを移動させないライン型装置等が含まれる。

又、「液体を吐出する装置」としては他にも、用紙の表面を改質する等の目的で用紙の表面に処理液を塗布するために処理液を用紙に吐出する処理液塗布装置、原材料を溶液中に分散した組成液をノズルを介して噴射させて原材料の微粒子を造粒する噴射造粒装置等がある。

「液体吐出ユニット」とは、液体吐出ヘッドに機能部品、機構が一体化したものであり、液体の吐出に関連する部品の集合体である。例えば、「液体吐出ユニット」は、ヘッドタンク、キャリッジ、供給機構、維持回復機構、主走査移動機構の構成の少なくとも一つを液体吐出ヘッドと組み合わせたもの等が含まれる。

ここで、一体化とは、例えば、液体吐出ヘッドと機能部品、機構が、締結、接着、係合等で互いに固定されているもの、一方が他方に対して移動可能に保持されているものを含む。又、液体吐出ヘッドと、機能部品、機構が互いに着脱可能に構成されていても良い。

例えば、液体吐出ユニットとして、図１６で示した液体吐出ユニット４４０のように、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。又、チューブ等で互いに接続されて、液体吐出ヘッドとヘッドタンクが一体化されているものがある。ここで、これらの液体吐出ユニットのヘッドタンクと液体吐出ヘッドとの間にフィルタを含むユニットを追加することもできる。

又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジが一体化されているものがある。

又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドを走査移動機構の一部を構成するガイド部材に移動可能に保持させて、液体吐出ヘッドと走査移動機構が一体化されているものがある。又、図１７で示したように、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドとキャリッジと主走査移動機構が一体化されているものがある。

又、液体吐出ユニットとして、液体吐出ヘッドが取り付けられたキャリッジに、維持回復機構の一部であるキャップ部材を固定させて、液体吐出ヘッドとキャリッジと維持回復機構が一体化されているものがある。

又、液体吐出ユニットとして、図１８で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取付けられた液体吐出ヘッドにチューブが接続されて、液体吐出ヘッドと供給機構が一体化されているものがある。

主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。又、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。

又、「液体吐出ヘッド」は、使用する圧力発生手段が限定されるものではない。例えば、上記実施形態で説明したような圧電アクチュエータ（積層型圧電素子を使用するものでもよい。）以外にも、発熱抵抗体等の電気熱変換素子を用いるサーマルアクチュエータ、振動板と対向電極からなる静電アクチュエータ等を使用するものでもよい。

又、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等は何れも同義語とする。

［実施例１］
基板１０として６インチのシリコンウェハを準備し、基板１０にＳｉＯ_２（膜厚６００ｎｍ）、Ｓｉ（膜厚２００ｎｍ）、ＳｉＯ_２（膜厚１００ｎｍ）、ＳｉＮ（膜厚１５０ｎｍ）、ＳｉＯ_２（膜厚１３００ｎｍ）、ＳｉＮ（１５０ｎｍ）、ＳｉＯ_２（膜厚１００ｎｍ）、Ｓｉ（２００ｎｍ）、ＳｉＯ_２（膜厚６００ｎｍ）の膜を順に形成して振動板２０を作製した。

その後、振動板２０上に密着層としてチタン膜（膜厚２０ｎｍ）を成膜温度３５０℃でスパッタ装置にて成膜した後、ＲＴＡ（急速熱処理）を用いて７５０℃にて熱酸化した。更に、密着層上に白金膜（膜厚１６０ｎｍ）を成膜温度４００℃でスパッタ装置にて成膜し、下部電極３１を作製した。

次に、下部電極３１上に下地層となるＰｂＴｉＯ_３層としてＰｂ：Ｔｉ＝１：１に調整された溶液と、電気機械変換膜３２としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：４９：５１に調整された溶液とを準備し、スピンコート法により膜を成膜した。

具体的な前駆体塗布液の合成については、出発材料に酢酸鉛三水和物、イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムを用いた。酢酸鉛の結晶水はメトキシエタノールに溶解後、脱水した。化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてある。これは熱処理中のいわゆる鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。

イソプロポキシドチタン、イソプロポキシドジルコニウムをメトキシエタノールに溶解し、アルコール交換反応、エステル化反応を進め、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでＰＺＴ前駆体溶液を合成した。このＰＺＴ濃度は０．５モル／リットルにした。ＰＴの溶液に関してもＰＺＴ同様に作製し、これらの液を用いて、最初にＰＴ層をスピンコートにより成膜し、成膜後、１２０℃乾燥を実施し、その後ＰＺＴの液をスピンコートにより成膜し、１２０℃乾燥→４００℃熱分解を行った。

３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７３０℃）をＲＴＡにて行った。このときＰＺＴの膜厚は２４０ｎｍであった。この工程を計８回（２４層）実施し、電気機械変換膜３２として約２μｍのＰＺＴ膜を得た。

次に、上部電極３３を構成する酸化物電極膜として、ＳｒＲｕＯ_３膜（膜厚４０ｎｍ）、金属膜として白金膜（膜厚１２５ｎｍ）をスパッタ法で成膜した。その後、東京応化社製フォトレジスト（ＴＳＭＲ８８００）をスピンコート法で成膜し、通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、ＩＣＰエッチング装置（サムコ製）を用いて図１１に示すようなパターンを作製した。これにより、振動板２０上に電気機械変換素子３０が作製された。

次に、電気機械変換素子３０上に、絶縁保護膜４０として、ＡＬＤ工法を用いてＡｌ_２Ｏ_３膜を５０ｎｍ成膜した。このとき原材料としてＡｌについては、ＴＭＡ（シグマアルドリッチ社）、Ｏについてはオゾンジェネレーターによって発生させたＯ_３を交互に積層させることで、成膜を進めた。

その後、図１１に示すように、エッチングによりコンタクトホールＨを形成した。その後、Ａｌをスパッタ法で成膜し、エッチングによりパターニングして配線６０を形成し、絶縁保護膜７０としてＳｉ_３Ｎ_４をプラズマＣＶＤ法により５００ｎｍ成膜した。そして、絶縁保護膜７０に開口部７０ｘを設けて配線６０の一部を露出させ、電極パッド６１、６２及び６３とした。なお、電極パッド６１は共通電極パッドであり、電極パッド６２及び６３は個別電極パッドであり、個別電極間パッド間の距離は８０μｍとした。

その後、分極処理装置５００を用い、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ５０μｍのタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度８０℃、コロナ電極５１０の電圧９ｋＶ、グリッド電極５２０の電圧１．５ｋＶ、処理時間３０ｓ、コロナ電極５１０−グリッド電極５２０間の距離４ｍｍ、グリッド電極５２０−ステージ５３０間の距離４ｍｍにて行った。

その後、基板１０の裏面をエッチングして圧力室１０ｘ（幅６０μｍ）を形成し、液体吐出ヘッド２とした。但し、基板１０の下部には、ノズル５１を備えたノズル板５０は接合されていなく、液体吐出ヘッド２は半完成状態である。

なお、図１９に示すように、圧力室１０ｘを保持するため、裏面に電気機械変換素子３０に対応する個数の凹部１５ｘが形成された保持基板１５を用いた。具体的には、圧力室１０ｘを形成する前に、各電気機械変換素子３０が各凹部１５ｘ内に収容されるように、保持基板１５を接着層を介して基板１０上に接合した。その後、基板１０の裏面をエッチングして圧力室１０ｘを形成した。

［実施例２］
下部電極３１である白金膜の成膜温度を３００℃、分極処理時のグリッド電圧を１．２ｋｖとした以外は実施例１と同様に液体吐出ヘッド２を作製した。

［実施例３］
下部電極３１である白金膜の成膜温度を５００℃、分極処理時のグリッド電圧を１．７ｋｖとした以外は実施例１と同様に液体吐出ヘッド２を作製した。

［実施例４］
密着層であるチタン膜の膜厚を５０ｎｍ、下部電極３１である白金膜の成膜温度を３００℃、仮焼温度を３５０℃、分極処理時のグリッド電圧を０．９ｋｖとした以外は実施例１と同様に液体吐出ヘッド２を作製した。

［比較例１］
下部電極３１を成膜後に、ＰｂＴｉＯ_３層の代わりに下地層となるＴｉＯ_２層をスパッタ膜により５ｎｍ成膜し、下部電極３１である白金膜の成膜温度を２００℃、仮焼温度を２５０℃、分極処理時のグリッド電圧を０．７５ｋｖとした以外は実施例１と同様に液体吐出ヘッド２を作製した。

［比較例２］
下部電極３１を成膜後に、ＰｂＴｉＯ_３層の代わりに下地層となるＴｉＯ_２層をスパッタ膜により５ｎｍ成膜し、下部電極３１である白金膜の成膜温度を２００℃、仮焼温度を２５０℃とした以外は実施例１と同様に液体吐出ヘッド２を作製した。

［実施例１〜４、比較例１〜２の検討］
実施例１〜４及び比較例１で作製した各液体吐出ヘッド２の電気機械変換素子３０について、図６に示したＣ３の位置に相当するチップを用いて、該当箇所でのＸＲＤ測定、電気特性、変位特性（圧電定数）、振動板の湾曲量の評価を行った。なお、変位特性の評価については、圧力室１０ｘ側から振動評価を実施した。具体的には、電界印加（１５０ｋＶ／ｃｍ）による変形量を、レーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。又、振動板２０の湾曲量（曲率半径）については、白色光干渉型表面形状測定機を用いて計測した。

そして、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差、分極率バラつき、ＰＺＴ（２００）ピーク位置、電気機械変換膜３２のクラック発生有無、及びΔδ／δ_ａｖｅを求め、結果を表１にまとめた。なお、δは１５０ｋｖ／ｃｍの電界強度かけて評価を行ったときの電気機械変換膜３２の変位特性であり、Δδは電気機械変換膜３２の配列方向に対する変位特性δの傾き差、δ_ａｖｅは変位特性δの平均値である。

表１において、実施例１〜４では各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差は何れも１５００μｍ以下であるが、比較例１では２０００μｍよりも大きくなっている。なお、比較例２については、各々の端部の電気機械変換素子３０において電気機械変換膜３２にクラックが発生し、各々の端部での評価を実施できなかった。このように、電気機械変換膜３２の分極処理の条件等によっては、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差が１５００μｍよりも大きくなる。又、電気機械変換膜３２にクラックが発生する場合がある。

又、表１から分かるように、実施例１〜４については、Δδ／δ_ａｖｅがチップ内の各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における変位傾きとして目標とする８％以内に収まっているが、比較例１については１１％と大きなバラつきを有していた（比較例２は測定不能）。つまり、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であれば、Δδ／δ_ａｖｅが目標とする８％以内に収まるが、曲率半径Ｒの差が１５００μｍよりも大きくなると、Δδ／δ_ａｖｅが目標とする８％以内に収まらないことが確認された。

次に、実施例１〜４、比較例１で作製した各液体吐出ヘッド２（半完成状態の液体吐出ヘッド２）の基板１０の下部にノズル５１を備えたノズル板５０を接合し、液体吐出ヘッド２を完成させ、液の吐出評価を行った。

具体的には、粘度を５ｃｐに調整したインクを用いて、単純Ｐｕｓｈ波形により−１０〜−３０Ｖの印可電圧を加えたときの吐出状況を確認した。その結果、実施例１〜４で作製した各液体吐出ヘッド２に関しては、どのノズル５１からも吐出でき、かつ高周波で吐出できることが確認できた。これに対して、比較例１で作製した液体吐出ヘッド２に関しては、ヘッド内の各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群に対応するノズル５１において、大きく液体吐出速度がばらついていることが確認された。

つまり、各々の端部から２０ｃｈまでのチャネル群における振動板２０の曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であれば、液体吐出速度が安定するが、曲率半径Ｒの差が１５００μｍよりも大きくなると、液体吐出速度が安定しないことが確認された。

以上、好ましい実施の形態等について詳説したが、上述した実施の形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。

例えば、上記の実施の形態では、上部電極を個別電極、下部電極を共通電極とした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。すなわち、上部電極を共通電極、下部電極を個別電極とした構成においても同様の効果を得られる。

１、２液体吐出ヘッド
１０基板
１０ｘ圧力室
１５保持基板
１５ｘ凹部
２０振動板
３０電気機械変換素子
３１下部電極
３２電気機械変換膜
３３上部電極
４０、７０絶縁保護膜
４０ｘ、７０ｘ開口部
５０ノズル板
５１ノズル
６０配線
６１、６２、６３電極パッド
４０１ガイド部材
４０３キャリッジ
４０５主走査モータ
４０６駆動プーリ
４０７従動プーリ
４０８タイミングベルト
４１０用紙
４１２搬送ベルト
４１３搬送ローラ
４１４テンションローラ
４１６副走査モータ
４１７タイミングベルト
４１８タイミングプーリ
４２０維持回復機構
４２１キャップ部材
４２２ワイパ部材
４４０液体吐出ユニット
４４１ヘッドタンク
４４２カバー
４４３コネクタ
４４４流路部品
４５０液体カートリッジ
４５１カートリッジホルダ
４５２送液ユニット
４５６チューブ
４９１Ａ、４９１Ｂ側板
４９１Ｃ背板
４９３主走査移動機構
４９４供給機構
４９５搬送機構

特許第３５５５６８２号特開２０１４−１５１５１１号公報

Claims

液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する圧力室と、前記圧力室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えた構造体が所定方向に複数配列され、
夫々の前記構造体において、前記吐出駆動手段は、前記圧力室の壁の一部を構成する振動板と、電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子と、を含み、前記振動板が前記圧力室側に凸になるように湾曲しており、
前記圧力室毎の前記振動板の湾曲量を曲率半径Ｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの前記振動板の前記曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であり、
前記電気機械変換膜に±１５０ｋｖ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｄ、＋１５０ｋｖ／ｃｍの電圧印加後０ｋｖ／ｃｍまで戻したときの０ｋｖ／ｃｍ時の分極をＰｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｄの傾き差が４μＣ／ｃｍ ^２以下である液体吐出ヘッド。
液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する圧力室と、前記圧力室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えた構造体が所定方向に複数配列され、
夫々の前記構造体において、前記吐出駆動手段は、前記圧力室の壁の一部を構成する振動板と、電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子と、を含み、前記振動板が前記圧力室側に凸になるように湾曲しており、
前記圧力室毎の前記振動板の湾曲量を曲率半径Ｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの前記振動板の前記曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であり、
前記電気機械変換膜のＸ線回折のθ−２θ法による測定で得られた回折強度のピークのうち、（２００）面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度が最大となる位置（２θ）で、あおり角（χ）を振った測定により得られる回折強度のピークが、ピーク分離により３つのピークに分離することができ、
前記３つのピークの夫々において、回折強度が最大となる位置での回折強度を夫々ｐｅａｋ１、ｐｅａｋ２、ｐｅａｋ３とし、前記３つのピークの半値幅を夫々σ１、σ２、σ３としたときに、ｐｅａｋ１、ｐｅａｋ２、ｐｅａｋ３を夫々σ１、σ２、σ３の重みとしたσ１、σ２、σ３の加重平均ＦＷＨＭｓｔｄ（χ）（＝（σ１×ｐｅａｋ１＋σ２×ｐｅａｋ２＋σ３×ｐｅａｋ３）／（ｐｅａｋ１＋ｐｅａｋ２＋ｐｅａｋ３））が１２°以下である液体吐出ヘッド。
液体を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する圧力室と、前記圧力室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えた構造体が所定方向に複数配列され、
夫々の前記構造体において、前記吐出駆動手段は、前記圧力室の壁の一部を構成する振動板と、電気機械変換膜を備えた電気機械変換素子と、を含み、前記振動板が前記圧力室側に凸になるように湾曲しており、
前記圧力室毎の前記振動板の湾曲量を曲率半径Ｒとしたときに、前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの前記振動板の前記曲率半径Ｒの差が１５００μｍ以下であり、
前記電気機械変換膜に１５０ｋｖ／ｃｍの電界強度かけて変位特性の評価を行ったときに、
前記所定方向の各々の端部に位置する前記圧力室から前記所定方向に対して２０ｃｈまでの前記電気機械変換膜の変位特性δの前記所定方向に対する傾き差をΔδ、前記変位特性δの平均値をδ_ａｖｅとしたときにΔδ／δ_ａｖｅが８％以下である液体吐出ヘッド。
前記電気機械変換素子は、下部電極を含み、
前記下部電極と前記電気機械変換膜との間に、チタン酸鉛からなるシード層を備えている請求項１乃至３の何れか一項記載の液体吐出ヘッド。
前記圧力室がシリコン基板で構成され、
前記シリコン基板を保持する保持基板が接着層を介して前記シリコン基板と接合され、
前記シリコン基板と前記保持基板が接合された状態において、前記シリコン基板の曲率半径Ｒが４ｍｍ以下である請求項１乃至４の何れか一項記載の液体吐出ヘッド。
前記振動板がシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコンを材料として含む複数の層から形成され、
前記振動板の膜厚が１μｍ以上３μｍ以下である請求項１乃至５の何れか一項記載の液体吐出ヘッド。
前記振動板のヤング率が７５ＧＰａ以上９５ＧＰａ以下である請求項１乃至６の何れか一項記載の液体吐出ヘッド。
前記圧力室の短手方向の長さが５０μｍ以上７０μｍ以下である請求項１乃至７の何れか一項記載の液体吐出ヘッド。
請求項１乃至８の何れか一項記載の液体吐出ヘッドを備えている液体吐出ユニット。
前記液体吐出ヘッドに供給する液体を貯留するヘッドタンク、前記液体吐出ヘッドを搭載するキャリッジ、前記液体吐出ヘッドに液体を供給する供給機構、前記液体吐出ヘッドの維持回復を行う維持回復機構、前記液体吐出ヘッドを主走査方向に移動させる主走査移動機構の少なくとも何れか一つと前記液体吐出ヘッドとを一体化した請求項９に記載の液体吐出ユニット。
請求項１乃至８の何れか一項記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項９若しくは１０記載の液体吐出ユニットを備えている液体を吐出する装置。