JP6551773B2 - 液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置に関するものである。

従来、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置であって、画像形成用の液体であるインクの液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたものが知られている。上記液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、基板を加工して形成され上記ノズルに連通する液室と、液室内の液体に圧力を発生させる圧力発生手段とを備える。上記圧力発生手段として、例えば、液室の壁面の一部を構成する振動板に、下部電極、圧電体からなる電気機械変換膜、上部電極などを積層させたピエゾ方式の電気機械変換素子を設けたものが知られている。上記下部電極と上記上部電極とを介して上記電気機械変換素子に電圧を印加すると、上記電気機械変換素子が変形する。これにより、上記電気機械変換素子が設けられた振動板の液室側の表面が変位して液室内の液体に圧力を発生させることができる。

特許文献１には、係る液滴吐出ヘッドであって、上記振動板のたわみ量が前記液室の幅の０．４％以下であるものが記載されている。

しかしながら、特許文献１に記載されている液滴吐出ヘッドでは、高周波駆動時に十分な吐出性能が得られない場合があった。

上述した課題を解決するために、本発明は、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルに連通する加圧室が形成された基板と、前記基板上に形成された振動板と、前記振動板上に形成され圧電体からなる電気機械変換膜と該電気機械変換膜の上部および下部にそれぞれ形成され前記電気機械変換膜に電圧を印加するための電極とを有する電気機械変換素子とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記電気機械変換膜と該電気機械変換膜の下部に形成された前記電極との間にチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ _３ ）からなる酸化物層を有し、前記振動板が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮおよびＰｏｌｙ−Ｓｉを積層したもので積層方向の厚さが１［μｍ］以上３［μｍ］以下であり前記電気機械変換膜に電圧を印加しない状態で前記加圧室側に突出するたわみを持ち、前記振動板の短手方向のたわみの曲率半径が、３０４１［μｍ］以上６０００［μｍ］以下であることを特徴とするものである。

高周波駆動時においても液滴の吐出性能を確保できるようにする。

本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成の一例を示す断面図。 同液滴吐出ヘッドの作製において、加圧液室を作製した時点での振動板の状態を示す図。 同振動板の曲率半径を測定する原理について説明する図。 同液滴吐出ヘッドの電気機械変換素子としてのＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率と振動板４０２の曲率半径との関係についての実験結果を示すグラフ。 同液滴吐出ヘッドの電気機械変換素子の概略構成の一例を示す断面図。 分極処理装置の概略構成の一例を示す斜視図。 Ｐ−Ｅヒステリシス曲線を示すグラフ。 分極処理の原理の説明図。 同液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例を示す断面図。 同液滴吐出ヘッドを用いたインクジェット記録装置の一例を示す斜視図。 同インクジェット記録装置の機構部を側面から見た説明図。

以下、本発明を画像形成装置（液滴吐出装置）としてのインクジェット記録装置に使用される液滴吐出ヘッドに適用した実施形態を説明する。

なお、以下の説明において、｛ｈｋｌ｝面は、圧電体の結晶における自発分極の方向は考慮しない対称性から（ｈｋｌ）面及びその（ｈｋｌ）面に等価な複数の結晶面を代表するものとして表している。また、｛ｈｋｌ｝面は、（ｈｋｌ）面及びその（ｈｋｌ）面に等価な複数の結晶面のいずれか一つの結晶面であってもよいし、（ｈｋｌ）面及びその（ｈｋｌ）面に等価な複数の結晶面から選択された複数の結晶面であってもよい。例えば、上記ペロブスカイト結晶構造を有する電気機械変換膜において、｛１００｝面は、（１００）面とその（１００）面に等価な他の５つの結晶面とを含む複数の結晶面のいずれか一つ又は複数を表している。また、本明細書において、回折強度のピークとは、Ｘ線回折の測定によって得られた回折強度曲線の凸部を指し、回折強度の最大値を指すものではない。

インクジェット記録装置は、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更には画像形成用の液体であるインクの自由度があり、安価な普通紙を使用できるなど多くの利点がある。そのために、インクジェット記録装置は、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置として広く展開されている。

インクジェット記録装置において使用する液滴吐出ヘッドは、画像形成用の液滴（インク滴）を吐出するノズルと、ノズルに連通する加圧液室と、加圧液室内のインクを吐出するための圧力を発生する圧力発生手段とを備えている。本実施形態における圧力発生手段は、加圧液室の壁面の一部を構成する振動板と、その振動板を変形させる圧電体からなる薄膜の電気機械変換膜を有する電気機械変換素子と、を備えたピエゾ方式の圧力発生手段である。この電気機械変換素子は、所定の電圧が印加されることにより自らが変形し、加圧液室に対して振動板の表面を変位させることで加圧液室内の液体に圧力を発生させる。この圧力により、加圧液室に連通したノズルから液滴（インク滴）を吐出させることができる。

上記電気機械変換膜を構成する圧電体は、電圧の印加によって変形する圧電特性を有する材料である。この圧電体として、本実施形態では、ペロブスカイト結晶構造を有する三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_１−ｘ）Ｏ_３）を用いている。このＰＺＴからなる電気機械変換膜（以下「ＰＺＴ膜」という。）を有する電気機械変換素子に駆動電圧を印加したときの振動モードとしては、前述のように複数種類の振動モードがある。例えば、圧電定数ｄ３３による膜厚方向の変形を伴う縦振動モード（プッシュモード）や、圧電定数ｄ３１によるたわみ変形を伴う横振動モード（ベンドモード）がある。更には、膜の剪断変形を利用したシェアモード等もある。

上記ＰＺＴ膜を有する電気機械変換素子は、後述のように、半導体プロセスやＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）の技術を利用し、Ｓｉ基板に加圧液室及び電気機械変換素子を直接作り込むことができる。これにより、電気機械変換素子を、加圧液室内に圧力を発生させる薄膜の圧電アクチュエータとして形成することができる。

次に、本発明の一実施形態に係る電気機械変換素子４００を備えた液滴吐出ヘッドの構造の一例を説明する。
図１は本実施形態に係る液滴吐出ヘッドの概略構成の一例を示す断面図である。本実施形態の液滴吐出ヘッドは、基板４０１、振動板４０２、ノズル板４０３、加圧液室（圧力室）４０４、下部電極としての第１電極４０５、電気機械変換膜としてのＰＺＴ膜４０６、上部電極としての第２電極４０７などを備える。加圧液室４０４は、基板４０１に形成された隔壁部４０１ａと、振動板４０２と、ノズル板４０３とで囲まれるように形成され、ノズル板４０３のノズル４０３ａに連通している。

基板４０１の材料としては、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００［μｍ］以上６００［μｍ］以下の範囲の厚みを持つことが好ましい。基板４０１の表面としては、{１００}面、{１１０}面、{１１１}面と３種あるが、半導体産業では一般的に{１００}面、{１１１}面が広く使用されており、本実施形態においては、表面が主に{１００}面である単結晶基板を主に使用した。

図１に示すような加圧液室４０４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一般的である。異方性エッチングとは、結晶構造の複数種類の面に対してエッチング速度が互いに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、{１００}面では約５４［°］の傾斜を持つ構造体が作製できるのに対して、{１１０}面では深い溝をほることができるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることができることが分かっている。本実施形態では、表面が{１１０}面である単結晶基板を使用することも可能である。但し、この場合、マスク材であるＳｉＯ_２もエッチングされてしまうということが挙げられるため、この点も留意して利用している。

加圧液室４０４の幅としては、５０［μｍ］以上７０［μｍ］以下であることが好ましく、５５［μｍ］以上６５［μｍ］以下であることがさらに好ましい。加圧液室４０４の幅が７０［μｍ］より大きくなると振動板４０２の残留振動が大きくなるので、液滴吐出ヘッドの高周波における吐出性能を確保することが難しくなる。また、加圧液室４０４の幅が５０［μｍ］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４０２は、ＰＺＴ膜４０６によって発生した力を受けて変形して表面が変位することにより、加圧液室４０４の液体に圧力を発生させてノズル４０３ａから液滴を吐出させるため、所定の強度を有したものであることが好ましい。振動板４０２の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により作製したものが挙げられる。

更に、振動板４０２の材料としては、第１電極４０５及びＰＺＴ膜４０６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、ＰＺＴ膜４０６は一般的に材料としてＰＺＴが使用される。そのため、振動板４０２は、線膨張係数８×１０^−６［１／Ｋ］に近い線膨張係数すなわち５×１０^−６［１／Ｋ］以上１０×１０^−６［１／Ｋ］以下の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには、振動板４０２は、７×１０^−６［１／Ｋ］以上９×１０^−６［１／Ｋ］以下の線膨張係数を有した材料がより好ましい。

振動板４０２の具体的な材料は、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である。これらをスパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することができる。膜厚としては１［μｍ］以上３［μｍ］以下が好ましく、１．５［μｍ］以上２．５［μｍ］以下がさらに好ましい。この範囲より小さいと加圧液室４０４の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板４０２が変形変位しにくくなり、インク滴の吐出が不安定になる。

また、振動板４０２は引張応力あるいは圧縮応力を持つ複数の膜を減圧（ＬＰ：Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ）ＣＶＤにより積層させることで構築されていることが望ましい。その理由は、次のとおりである。単層膜の振動板４０２の場合、材料として例えばＳＯＩウェハが挙げられる。この場合、ウェハのコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとしたときに任意の膜応力に設定できない。一方、積層の振動板４０２の場合、その積層構成を最適化することにより、振動板４０２の剛性と膜応力とを所望の値に設定する自由度を得ることができる。そのため、振動板４０２の全体の剛性と応力の制御とを、積層化と膜厚及び積層構成との組み合わせで実現できる。

従って、圧電アクチュエータ（圧電素子）を構成する電極層及び強誘電体層の材料及び膜厚に適時対応できる。そして、圧電アクチュエータ（圧電素子）の焼成温度による振動板４０２の剛性及び応力の変動が少なく安定した振動板４０２が得られることから、液滴吐出特性を高精度にでき、かつ安定した液滴吐出ヘッドを実現できる。

下部電極としての第１電極４０５は、金属材料の層である。金属材料としては従来から高い耐熱性と低い反応性を有する白金（Ｐｔ）が用いられているが、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、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜も挙げられる。白金（Ｐｔ）を使用する場合には、その下地（特にＳｉＯ_２）との密着性が悪いために、Ｔｉ、ＴｉＯ_２、Ｔａ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｔａ_３Ｎ_５等を先に積層することが好ましい。第１電極４０５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が一般的である。第１電極４０５の膜厚としては、０．０２［μｍ］以上０．１［μｍ］以下が好ましく、０．０５［μｍ］以上０．１［μｍ］以下がさらに好ましい。また、ＰＺＴ膜４０６の変形の経時的な疲労特性に対する懸念から、第１電極４０５とＰＺＴ膜４０６との間にルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物からなる第１酸化物層４０８を積層することが好ましい。

第１酸化物層４０８は、その上に作製するＰＺＴ膜４０６の配向にも影響する。このため、ＰＺＴ膜４０６の優先配向させたい面方位に応じて、第１酸化物層４０８の材料を適宜選択する必要がある。本実施形態においては、ＰＺＴ膜４０６の{１００}面に優先配向させたいため、第１酸化物層４０８の材料にはＬａＮｉＯ_３、ＴｉＯ_２、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）などを選択する。第１酸化物層４０８の膜厚は、２０［ｎｍ］以上８０［ｎｍ］以下が好ましく、３０［ｎｍ］以上５０［ｎｍ］以下がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄くなると初期変位や変位劣化において十分な特性が得られない。また、この範囲を超えると、その後で成膜するＰＺＴ膜４０６の絶縁耐圧が非常に悪くなりリークが起きやすくなる。

上部電極としての第２電極４０７も、上記第１電極４０５と同様に白金（Ｐｔ）などの金属材料を用い、白金の膜とＰＺＴ膜４０６との間に、密着性確保の目的で第２酸化物層４０９を設けてもよい。第２酸化物層４０９は、例えばルテニウム酸ストロンチウムなどの導電性酸化物を積層して構成される。

ＰＺＴ膜４０６は、ペロブスカイト結晶構造を有する圧電体であり、ジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とＰｂＴｉＯ_３の固溶体で、その比率により特性が異なる。一般的に優れた圧電特性を示す組成はＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ_０．５３Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３、一般ＰＺＴ（５３／４７）と示される。ＰＺＴ以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムなどが挙げられ、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も可能である。

ＰＺＴ膜４０６において、{１００}面に優先配向させる場合、２θをこの範囲内にするためには、Ｔｉ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）で表されるＺｒとＴｉとの組成比率を０．４５以上０．５５以下にすることが好ましい。また、ＺｒとＴｉとの組成比率を０．４８以上０．５２以下にすることがさらに好ましい。

Ｉ{ｈｋｌ}を、ｈ、ｋ、ｌを任意の正の整数とし、ある{ｈｋｌ}面に対応する回折強度のピークにおいて回折強度を積分した値とする。また、ΣＩ{ｈｋｌ}を、Ｉ{ｈｋｌ}の総和とする。ΣＩ{ｈｋｌ}に対するＩ{ｈｋｌ}の比率ρ{ｈｋｌ}（＝Ｉ{ｈｋｌ}／ΣＩ{ｈｋｌ}）は、{ｈｋｌ}面における配向度を示している。ρ{ｈｋｌ}は、０．７５以上であることが好ましく、０．８５以上であることがさらに好ましい。ρ{ｈｋｌ}が０．７５よりも小さくなると、圧電効果による歪変位が十分得られないので電気機械変換素子４００の変位量が十分に確保できなくなる。

これら材料は一般式ＡＢＯ_３で記述され、Ａ＝Ｐｂ、Ｂａ、Ｓｒ、Ｂ＝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_ｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ）（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_ｙ，Ｎｂ_{１−ｘ−ｙ}）Ｏ_３、これはＡサイトのＰｂを一部Ｂａで置換した場合およびＢサイトのＺｒ、Ｔｉを一部Ｎｂ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、ＰＺＴの変形特性（変位特性）の応用に向けた材料改質で行なわれる。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。作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコータにて作製することができる。この場合は、パターニング化が必要となるので、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。

ＰＺＴ膜４０６をゾルゲル法により作製した場合、例えば出発材料に酢酸鉛、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出発材料にし、共通溶媒として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、前駆体溶液に安定化剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどを適量添加しても良い。下地基板の全面にＰＺＴ膜を得る場合、スピンコートなど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１００［ｎｍ］以下の膜厚が得られるように前駆体濃度の調整が必要になる。

ＰＺＴ膜４０６の膜厚としては、１［μｍ］以上３［μｍ］以下とするのが好ましく、１．５［μｍ］以上２．５［μｍ］以下とするのがさらに好ましい。ＰＺＴ膜４０６の膜厚が好適な範囲より小さいと、図１に示すような加圧液室４０４の加工が難しくなる。また、ＰＺＴ膜４０６の膜厚が上記好適な範囲より大きいと、下地の振動板４０２が変形変位しにくくなり液滴の吐出が不安定になるほか、十分な変位を発生することができなくなる。また、ＰＺＴ膜４０６の膜厚が上記好適な範囲より大きいと、何層も積層させていくため、工程数が多くなりプロセス時間が長くなる。

図２は、加圧液室４０４を作製した時点での振動板４０２の状態を示す図である。
図２に示すように、振動板４０２の短手方向が加圧液室４０４側に突出した湾曲形状になるように振動板４０２がたわむ。振動板４０２の短手方向のたわみ量と振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径とは相関する。つまり、振動板の短手方向のたわみ量が大きければ振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径は小さくなり、振動板の短手方向のたわみ量が小さくければ振動板の短手方向のたわみの曲率半径は大きくなる。よって、振動板４０２の短手方向のたわみ量は振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径にて規定する。

図３は、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を測定する原理について説明する図である。
図３（ａ）に示すように、たわみ分布においてたわみの両端が最大となる点を基準として、そこから中心となる点(たわみの中心点)を求める。たわみの両端で最大となる点とたわみの中心点との距離をＸとしたときに、たわみの中心点を座標の基準として０．８Ｘの距離にある２点の座標をそれぞれ求める。図３（ｂ）に示すように、上記０．８Ｘの距離にある２点に中心点を加えた３点のそれぞれの座標から曲率半径を算出する。なお、振動板４０２のたわみ分布は、たわみ量計測(アメテック社製：ＣＣＩ３０００)により、液滴吐出ヘッドの加圧液室４０４側から取得するようにする。

液滴を吐出する際の振動板の残留振動が大きくなると、液滴吐出ヘッドを高周波駆動させた時に十分な液滴吐出性能が得られなくなることが分かっている。インク吐出時の振動板４０２の残留振動を抑えるためには、振動板４０２の短手方向のたわみ量を小さく（振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を大きく）する必要がある。振動板４０２の短手方向のたわみ量（振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径）は、ＰＺＴ膜４０６の内部応力や振動板４０２自体の内部応力、ＰＺＴ膜４０６、振動板４０２および絶縁保護膜の剛性などに依存する。例えば、振動板４０２の剛性を高めれば、振動板４０２の短手方向のたわみ量は小さく（振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径は大きく）なる。また、ＰＺＴ膜４０６の内部応力を緩和すれば、振動板４０２の短手方向のたわみ量は小さく（振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径は大きく）なる。

振動板４０２の剛性を高めるためには、ヤング率を高くしたり膜厚を厚くしたりすればよい。本実施形態では、振動板４０２の剛性とともに内部応力も考慮して、ＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層およびＰｏｌｙ−Ｓｉ層を積層させて振動板４０２を形成している。ＳｉＯ_２の膜厚は、６００［ｎｍ］以上２４００［ｎｍ］以下とするのが好ましく、１０００［ｎｍ］以上２０００［ｎｍ］以下とするのがさらに好ましい。ＳｉＮの膜厚は、１００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下とするのが好ましく、２００［ｎｍ］以上４００［ｎｍ］以下とするのがさらに好ましい。Ｐｏｌｙ−Ｓｉの膜厚は、１００［ｎｍ］以上７００［ｎｍ］以下とするのが好ましく、２００［ｎｍ］以上６００［ｎｍ］以下とするのがさらに好ましい。また、振動板４０２の膜厚は１［μｍ］以上３［μｍ］以下としている。これにより、振動板４０２の剛性を高めてインク吐出時の振動板４０２の残留振動を抑え、高周波駆動時の吐出性能を確保するようにしている。

振動板４０２のたわみ具合（振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径）が電気機械変換素子４００の変位量に影響することが実験により分かった。具体的には、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を大きく設定すれば電気機械変換素子４００の変位量は大きくなり、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を小さく設定すれば電気機械変換素子４００の変位量は小さくなった。電気機械変換素子４００の変位量を、液滴吐出ヘッドの液滴吐出性能の確保するために十分な大きさとするためには、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径をある程度大きくする必要がある。しかし、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径あまり大きくすると電気機械変換素子４００の耐久性の点で問題があることが分かった。

上述した構成の振動板４０２において、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径は、２０００［μｍ］以上６０００［μｍ］以下としている。２５００［μｍ］以上４５００［μｍ］以下となっていることがさらに好ましい。振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を２０００［μｍ］より小さく設定すると、電気機械変換素子４００において十分な変位が得られなくなる。一方、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径を６０００［μｍ］より大きく設定すると、電気機械変換素子４００を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、ＰＺＴ膜４０６にクラック等の欠陥が発生する可能性が高くなる。連続駆動によってこのような欠陥が発生すると、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下する。

電気機械変換膜としてＰＺＴ膜４０６を用いた場合、振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径は、ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率に依存することが実験により分かった。
図４は、ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率と振動板４０２の曲率半径との関係についての実験結果を示すグラフである。
図４に示すように、ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率が７０［％］以上では、曲率半径が２０００［μｍ］以上になっている。また、ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率が１００［％］近くでは、曲率半径が２５００［μｍ］以上４５００［μｍ］以下になっている。

上述の実験結果より、ＰＺＴ膜４０６の{１００}面に優先配向させることで、曲率半径を２０００［μｍ］以上６０００［μｍ］以下にすることができることが分かった。振動板４０２の短手方向のたわみの曲率半径（振動板４０２の短手方向のたわみ量）は、ＰＺＴ膜４０６の内部応力に依存する。ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率を高くしていくことで曲率半径を大きくできるのは、ＰＺＴ膜４０６の内部応力が緩和されるためと考えられる。

ＰＺＴ膜４０６における{１００}面の配向率は、下部電極（第１電極４０５）として適用するＰｔの成膜温度や下部電極上に作製するシード層（第１酸化物層４０８）の材料に大きく影響することが分かっている。下部電極としてのＰｔの成膜温度は３００［℃］以上とし、シード層の材料としてＰｂＴｉＯ_３を選択することで、ＰＺＴ膜４０６の{１００}面に優先配向させることができる。これにより、上記曲率半径が上述した範囲になるようにすることができる。

振動板４０２の剛性は、振動板４０２の曲率半径だけでなく、液滴吐出ヘッドの周波数特性(高周波駆動時に液滴を吐出できるかどうか)にも影響する。このため、振動板４０２の作製において、まず振動板４０２の剛性を規定して液滴吐出ヘッドの周波数特性を決めるようにするのがよい。振動板４０２の膜厚は、上述したように、１［μｍ］以上３［μｍ］以下としている。このとき、振動板４０２のヤング率を７５［ＧＰａ］以上９５［ＧＰａ］以下とするのが望ましい。これにより、高周波駆動時（例えば、周波数３２［ｋＨｚ］）において液滴の吐出ができるような液滴吐出ヘッドが得られる。

ここで、絶縁保護膜や引き出し配線を含めた電気機械変換素子の詳細構造について説明する。
図５は、絶縁保護膜や引き出し配線を含めた素子構成の概略構成を示す図である。第１絶縁保護膜５００は図中点線Ｆで示す領域にコンタクトホールを有しており、第１電極４０５および第１酸化物層４０８が第５電極（共通電極配線）５０１と、第２電極４０７および第２酸化物層４０９が第６電極（個別電極配線）５０２とそれぞれ導通した構成となっている。また、第５電極５０１および第６電極５０２を保護する第２絶縁保護膜５０３が形成されている。第２絶縁保護膜５０３の一部は開口していて、開口には電極パッドが設けられている。第５電極用に作製された電極パッドを第５電極パッド５０４、第６電極用に作製された電極パッドを第６電極パッド５０５としている。

第１絶縁保護膜５００は、成膜・エッチング工程による電気機械変換素子へのダメージを防ぐ保護膜としての役割があるとともに、大気中の水分が透過するのを防ぐ役割もある。第１絶縁保護膜５００の膜厚は薄くする必要があるが、これは膜厚を厚くすると振動板の振動変位を著しく阻害され、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになるからである。このため、第１絶縁保護膜５００には、酸化物，窒化物，炭化物など緻密な無機材料を選定するのが好ましい。なお、有機材料は、膜厚を厚くしないと十分な保護性能が得られないので第１絶縁保護膜５００の材料としては適さない。

また、第１絶縁保護膜５００の材料としては、下地となる電極材料、電気機械変換膜材料および振動板材料との密着性が高いものを選定する必要がある。第１絶縁保護膜５００の成膜法としては、プラズマＣＶＤ法やスパッタ法は電気機械変換素子を損傷する可能性があるので好ましくなく、蒸着や原子層堆積法（ＡＬＤ法）などが好ましい。ＡＬＤ法は、使用できる材料の選択肢が広がる点についてものでより好ましい。例えば、セラミックス材料に用いられるＡｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_３，Ｔａ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２などが使用できる。これらの材料を用いてＡＬＤ法により成膜を行うことで、膜密度が非常に高く、成膜・エッチング工程中のダメージを良好に抑制できる薄膜の作製が可能となる。

第１絶縁保護膜５００の膜厚は２０［ｎｍ］以上１００［ｎｍ］以下の範囲とするのが好ましい。第１絶縁保護膜５００の膜厚を１００［ｎｍ］よりも厚くした場合には、上述したように吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになる。一方、第１絶縁保護膜５００の膜厚を２０［ｎｍ］より薄くした場合には、保護層としての機能が不足し電気機械変換素子の性能が低下してしまう。

第１絶縁保護膜５００を二層にする構成も可能である。例えば、一層目の絶縁保護膜を薄くし、二層目の絶縁保護膜を厚くした場合、振動板４０２の振動変位が阻害されないようにするために、第１酸化物層４０８付近において、二層目の絶縁保護膜を開口にする。このとき二層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物，窒化物，炭化物またはこれらの複合化合物を用いることができるので、半導体デバイスで一般的に用いられるＳｉＯ_２を用いることができる。成膜には、ＣＶＤ法，スパッタ法など任意の成膜法の使用が可能だが、電極形成部などパターン形成部での段差被覆が必要であることを考慮すると、等方的に成膜できるＣＶＤ法を用いることが好ましい。

二層目の絶縁保護膜の膜厚は、第５電極５０１と第６電極５０２に印加される電圧により形成される電界によって絶縁破壊されない範囲にする必要がある。第１絶縁保護膜５００の下地における表面の状態やピンホール等を考慮すると、膜厚は２００［ｎｍ］以上は必要であり、さらに５００［ｎｍ］以上にするのが好ましい。

第５電極５０１および第６電極５０２には、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒのいずれかから成る金属電極材料を用いるのが好ましい。作製方法としては、例えば、スパッタ法、スピンコート法を用いて成膜した後、フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、０．１［μｍ］以上２０［μｍ］以下が好ましく、０．２［μｍ］以上１０［μｍ］以下がさらに好ましい。膜厚が０．２［μｍ］より小さいと、膜の抵抗が大きくなって電極に十分な電流を流すことができなくなることから、液滴吐出ヘッドの吐出が不安定になる。一方、膜厚が１０［μｍ］より大きいと電極を作成するためのプロセス時間が長くなる。

第５電極５０１および第６電極５０２の、コンタクトホール部（１０［μｍ］×１０［μｍ］）での接触抵抗は、第５電極５０１では１０［Ω］以下、第６電極５０２では１［Ω］以下が好ましい。また、第５電極５０１では５［Ω］以下、第６電極５０２では０．５［Ω］以下とすることがさらに好ましい。第５電極５０１および第６電極５０２の接触抵抗が上述した上限値（それぞれ、１０［Ω］、１［Ω］）を超えると、電極に十分な電流を供給することが出来なくなり、液滴吐出ヘッドの吐出性能が低下する。

第２絶縁保護膜５０３には、第６電極５０２や第５電極５０１を保護する保護層としての役割がある。第２絶縁保護膜５０３の材料としては、任意の無機材料、有機材料の使用が可能であるが、透湿性の低い材料を選定するようにしたほうがよい。例えば、無機材料であれば、酸化物、窒化物または炭化物、有機材料であればポリイミド、アクリル樹脂またはウレタン樹脂などが挙げられる。ただし、有機材料は膜厚を厚くする必要があり後述するパターニングには適さないので、無機材料を選定するのが好ましい。無機材料の中でも特に、半導体デバイスにおいてＡｌ配線上に形成させる実績の多いＳｉ_３Ｎ_４を用いることが好ましい。また、第２絶縁保護膜５０３の膜厚は２００［ｎｍ］以上とすることが好ましく、５００［ｎｍ］以上にするのがさらに好ましい。膜厚を薄くすると、十分なパシベーション機能を発揮できなくなり、第６電極５０２や第５電極５０１の腐食による断線が発生しやすくなるなど液滴吐出ヘッドの信頼性の低下につながる。

電気機械変換素子上およびその周囲の振動板４０２上には、開口部を設けるようにすることが好ましい。これは、上述の第１絶縁保護膜５００において、個別液室領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、液滴吐出ヘッドの吐出性能および信頼性を高めることが可能になる。第１絶縁保護膜５００、第２絶縁保護膜５０３で圧電素子が保護されているため、開口部の形成にはフォトリソグラフィおよびドライエッチングを用いることが可能である。

第５電極パッド５０４および第６電極パッド５０５の面積は、５０×５０［μｍ^２］以上になっていることが好ましく、１００×３００［μｍ^２］以上になっていることがさらに好ましい。第５電極パッド５０４および第６電極パッド５０５の面積が５０×５０［μｍ^２］よりも小さい場合、十分な分極処理ができなくなることから、電気機械変換素子を圧電アクチュエータとして連続駆動させたときに、初期の歪変位に対して駆動後の歪変位が徐々に低下してしまうなど、耐久性の点での問題がある。

作製された圧電素子に対し分極処理装置を用いて分極処理を行った。分極処理を実施することで、連続駆動によって欠陥が発生することを抑え、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下することを抑制することができる。図６は、分極処理装置の概略構成を示す図である。分極処理装置は、コロナ電極６００とグリッド電極６０１、およびサンプルをセットするステージ６０２などを具備している。コロナ電極６００にはコロナ電源６０３、グリッド電極６０１にはグリッド電極電源６０４が接続されている。ステージ６０２には温調機能が付加されている。この温調機能によって、最大３５０［℃］くらいまで温度をかけながら分極処理を行うことが出来る。また、ステージ６０２は接地されている。コロナ電極６００に高い電圧を印加したときに、コロナ電極６００により発生するイオンや電荷等が下部に設置されたサンプルに効率よく降り注ぐように、グリッド電極６０１にはメッシュ加工が施されている。コロナ電極６００やグリッド電極６０１に印加される電圧や、サンプルと各電極との間の距離を変えることによって、コロナ放電の強弱を調整することが可能である。

分極処理による分極の状態については、図７に示すＰ−Ｅヒステリシスループから判断している。電気機械変換膜に±１５０［ｋＶ／ｃｍ］の電界強度かけてヒステリシスループを測定する。図７において、最初の０［ｋＶ／ｃｍ］時の分極をＰｉｎｄとし、＋１５０［ｋＶ／ｃｍ］の電圧印加後０［ｋＶ／ｃｍ］まで戻したときの０［ｋＶ／ｃｍ］時の分極をＰｒとする。ＰｒからＰｉｎｄを引いた値（Ｐｒ−Ｐｉｎｄ）を分極率と定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断している。

図７（ａ）に示すように、分極処理を行う前は、分極率が約１５［μＣ／ｃｍ^２］であるが、図７（ｂ）に示すように、分極処理を行った後は、分極率が約２［μＣ／ｃｍ^２］となっている。分極率が１０［μＣ／ｃｍ^２］以下となっていることが好ましく、５［μＣ／ｃｍ^２］以下となっていることがさらに好ましい。作製された圧電素子に対し分極処理装置を用いて分極処理を行った。分極処理を実施することで、連続駆動によって欠陥が発生することを抑え、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下することを抑制することができる。

図８に示すように、コロナ電極６００を用いてコロナ放電させる場合、大気中の分子がイオン化されて陽イオンが発生する。この陽イオンが電極の第５電極パッド５０４（図５参照）を介して電気機械変換素子に流れ込み電荷を蓄積させる。図５に示す電気機械変換素子において、上部電極である第２電極４０７と下部電極である第１電極４０５に蓄積された電荷量の差により電気機械変換素子の上下に電位差が生じることで、分極処理が行われると考えられている。分極処理に必要な電荷量Ｑは、１Ｅ−８［Ｃ］以上であることが好ましく、４Ｅ−８［Ｃ］以上とするのがさらに好ましい。電荷量Ｑが１Ｅ−８［Ｃ］に満たないと分極処理が十分に行われないので、電気機械変換素子をアクチュエータとして連続駆動させたときに、十分な歪変位特性が得られなくなる

次に、本発明に係る実施形態におけるより具体的な実施例について、比較例とともに説明する。

［実施例１］
基板としての６インチシリコンウェハ上に、ＳｉＯ_２膜（膜厚：約６００［ｎｍ］）、Ｓｉ膜（膜厚：約２００［ｎｍ］）、ＳｉＯ_２膜（膜厚：約１００［ｎｍ］）、ＳｉＮ膜（膜厚：約１５０［ｎｍ］）、ＳｉＯ２膜（膜厚：約１３０［ｎｍ］）、ＳｉＮ膜（膜厚：約１５０［ｎｍ］）、ＳｉＯ_２膜（膜厚：約１００［ｎｍ］）、Ｓｉ膜（膜厚：約２００［ｎｍ］）、ＳｉＯ_２膜（膜厚：約６００［ｎｍ］）の順に積層させた振動板を形成した。この振動板膜上に、スパッタ法により３５０［℃］でＴｉ膜（膜厚：約２０［ｎｍ］）成膜し、ＲＴＡ（急速熱処理）により７５０［℃］で熱酸化した。引き続き、第１電極（下部電極）としてＰｔ膜（膜厚：約１６０［ｎｍ］）をスパッタ法により約３００［℃］で成膜した。Ｔｉ膜を熱酸化したＴｉＯ_２膜は、ＳｉＯ_２膜とＰｔ膜との間の密着層としての役割を持つ。

次に、ＰＺＴ膜の下地層となる第１酸化物層であるＰｂＴｉＯ_３（ＰＴ）層の材料としてＰｂ:Ｔｉ＝１：１の組成比で調合したＰＴ塗布液を準備した。また、ＰＺＴ膜の材料としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：４９：５１の組成比で調合した溶液であるＰＺＴ前駆体塗布液を準備した。具体的なＰＺＴ前駆体塗布液の合成は次のように行った。まず、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、上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前駆体塗布液を合成した。このＰＺＴ濃度は０．５［ｍｏｌ／ｌ］にした。ＰＴ塗布液に関してもＰＺＴ前駆体塗布液と同様に合成した。

これらの塗布液を用いて、最初にＰＴ層をスピンコートにより成膜し、その後、ホットプレートにより１２０［℃］で乾燥を行った。そして、ＰＺＴ膜をスピンコートにより成膜し、ホットプレートにより乾燥（１２０［℃］）と熱分解（４００［℃］）を行った。このＰＺＴ前駆体溶液の塗布、乾燥及び熱分解の処理を３回繰り返して３層形成した。３層目の熱分解処理の後に、結晶化のための熱処理（温度７３０［℃］）をＲＴＡ（急速熱処理）にて行った。この結晶化の熱処理が終わったときのＰＺＴ膜の膜厚は２４０［ｎｍ］であった。このＰＺＴ前駆体溶液の塗布、乾燥、熱分解及び結晶化の熱処理の工程を合計８回（２４層）実施し、約２．０［μｍ］の膜厚のＰＺＴ膜を得た。

次に、上記ＰＺＴ膜上に、第２酸化物層としてＳｒＲｕＯ_３膜(膜厚：４０［ｎｍ］)、第２電極（上部電極）としてＰｔ膜（膜厚：１２５［ｎｍ］）をそれぞれスパッタ法により成膜した。そして、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、その後、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって図８に示すようなパターン形成をした。なお、エッチングには、サムコ製のＩＣＰエッチング装置を用いた。

パターン作成に続き、ＡＬＤ法により第１絶縁保護膜としてのＡＬ_２Ｏ_３膜（膜厚：５０［ｎｍ］）に成膜した。ＡＬ_２Ｏ_３膜の原材料として、ＡＬにはシグマアルドリッチ社のＴＭＡを、Ｏ_３にはオゾンジェネレーターによって発生させたものを用いた。そして、ＡＬ、Ｏ_３を交互に積層させることによりＡＬ_２Ｏ_３膜の成膜を進めた。第１絶縁保護膜には、エッチングによってコンタクトホール部を形成した。そして、スパッタ法により第５電極、第６電極としてのＡＬ層をそれぞれ成膜し、フォトリソグラフィーおよびエッチングによってパターン形成をした後、プラズマＣＶＤにより第２絶縁保護膜としてのＳｉ_３Ｎ_４層（膜厚：５００［ｎｍ］）を成膜した。

この後、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φ５０［μｍ］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［℃］、コロナ電圧９［ｋＶ］、グリッド電圧２．５［ｋＶ］、処理時間３０［ｓ］、コロナ電極とグリッド電極との間の距離４［ｍｍ］、グリッド電極とステージとの間の距離４［ｍｍ］として行った。また、２つある第６電極パッド間の距離は８０［μｍ］とした。

最後に、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液あるいはＴＭＨＡ溶液）による異方性ウェットエッチングにより基板に加圧液室（幅：約６０［μｍ］）を形成した。以上より、電気機械圧電素子としての圧電アクチュエータ（薄膜ＰＺＴアクチュエータ）を備えた液滴吐出ヘッドを作製した。

［実施例２］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の膜厚を約５０［ｎｍ］にしたこと、ＰＺＴ膜の成膜後の熱分解温度を３５０℃にしたこと以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。

［実施例３］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の、膜厚を約５０［ｎｍ］、成膜温度を５００℃にしたこと、ＰＺＴ膜の成膜後の熱分解温度を３５０℃にしたこと以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。

［実施例４］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の成膜温度を５００［℃］、ＰＺＴ膜の成膜後における、乾燥温度を１４０［℃］、熱分解温度を３５０℃にしたこと以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。

［実施例５］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の、膜厚を約５０［ｎｍ］、成膜温度を５００℃にしたこと以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。
［実施例６］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の成膜温度を５００［℃］、ＰＺＴ膜の成膜後における乾燥温度を１４０［℃］とした以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。

［比較例１］
振動板としてＳｉＯ_２膜の上に成膜したＴｉ膜の成膜後、第１酸化物層としてのＰｂＴｉＯ_３層の代わりに、下地層となるＴｉＯ_２層をスパッタ法により５［ｎｍ］成膜した以外は実施例１と同じ方法で液滴吐出ヘッドを作製した。

［比較例２］
コロナ帯電処理による分極処理を行わないこと以外は、実施例４と同様に電気機械変換素子を作製した。

実施例１〜６及び比較例１、２の液滴吐出ヘッドに対し、基板の裏面側を掘加工した状態で、電気機械変換素子の初期状態および耐久性試験直後の状態における歪変位(圧電定数）について評価を行った。耐久性試験は、初期の圧電定数の評価後に、１０^１０回電圧の印加を繰り返すものである。圧電定数は、電圧の印加によって１５０［ｋＶ／ｃｍ］の電界を形成させたときの電気機械変換素子の歪変形量を、基板の裏面側からレーザードップラー振動計によって計測し、シミュレーションによる合わせ込みを行うことにより算出した。さらに、振動板のたわみの曲率半径についても測定した。振動板のたわみの曲率半径は、白色光干渉型表面形状測定機を用いて計測した。

実施例１〜６及び比較例１、２の電気機械変換素子のＰＺＴ膜について、評価結果について表１に示す。

実施例１〜６については、振動板のたわみの曲率半径がいずれも２５００［μｍ］以上４５００［μｍ］以下の範囲になっている。比較例１については、曲率半径が１７６６［μｍ］で、２０００［μｍ］を下回っている。比較例２については、曲率半径が６２５０［μｍ］で、６０００［μｍ］を上回っている。

実施例１〜６については、初期の圧電定数、耐久性試験後の圧電定数が一般的なセラミック焼結体と同等の特性（圧電定数が−１２０〜−１６０［ｐｍ／Ｖ］の範囲内）を有していた。これに対し、比較例１については、初期の圧電定数が−１１８［ｐｍ／Ｖ］、耐久性試験後の圧電定数が１１２［ｐｍ／Ｖ］で、いずれも−１２０〜−１６０［ｐｍ／Ｖ］の範囲を外れている。つまり、比較例１では一般的なセラミックス焼結体に比べて特性が劣っており、実用上問題がある。

比較例２については、初期の圧電定数が−１６０［ｐｍ／Ｖ］で−１２０〜−１６０［ｐｍ／Ｖ］の範囲内にある。しかし、耐久試験後の圧電定数が−９９［ｐｍ／Ｖ］で、−１２０〜−１６０［ｐｍ／Ｖ］の範囲から大きく外れている。つまり、比較例２では、耐久性の点で一般的なセラミックス焼結体に比べて特性が大きく劣っており、実用上問題がある。

ここで、ＰＺＴ膜を有する圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例について説明する。図９は、上記図１で示したＰＺＴ膜４０６を有する圧電アクチュエータを備えた液体吐出ヘッドを複数個配置した構成例を示す断面図である。図９の構成例によれば、電気機械変換素子としての圧電アクチュエータを簡便な製造工程でバルクセラミックスと同等の性能を持つように形成できる。更に、その後の加圧液室の形成のための裏面からのエッチング除去と、ノズル孔を有するノズル板の接合とを行うことで、複数の液体吐出ヘッドが一括形成することができる。なお、図９中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての図示を省略した。

実施例１〜６で作製した電気機械変換素子を用いて図９に示す構成の液体吐出ヘッドを作製し、インクの吐出評価を行った。この評価では、粘度を５［ｃｐ］に調整したインクを用い、単純Ｐｕｓｈ波形により−１０〜−３０［Ｖ］の印加電圧を加えて、ノズル孔からのインクの吐出状況を確認した。その結果、実施例１〜６のいずれにおいても、全てのノズル孔から良好にインクの吐出ができていることが確認できた。

次に、本発明の実施形態に係る液滴吐出ヘッドを搭載した画像形成装置（液滴吐出装置）としてのインクジェット記録装置について説明する。

図１０は、本実施形態に係るインクジェット記録装置の一例を示す斜視図であり、図１１は、同インクジェット記録装置の機構部を側面から見た説明図である。本実施形態のインクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に印字機構部８２等を収納している。印字機構部８２は、主走査方向に移動可能なキャリッジと、キャリッジに搭載した液滴吐出ヘッド９４へ画像形成用の液体であるインクを供給する液体カートリッジとしてのインクカートリッジ９５等で構成されている。また、記録装置本体８１の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体としての用紙８３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）８４を抜き差し自在に装着することができる。また、用紙８３を手差しで給紙するための手差しトレイ８５を開倒することができる。そして、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２によって所要の画像を記録した後、後面側に装着された排紙トレイ８６に排紙する。

印字機構部８２は、図示しない左右の側板に横架したガイド部材である主ガイドロッド９１と従ガイドロッド９２とでキャリッジ９３を主走査方向に摺動自在に保持している。このキャリッジ９３には、複数のインク吐出口としてのノズルを主走査方向と交差する方向に配列し液滴吐出方向を下方に向けるように、複数の液滴吐出ヘッド９４が装着されている。複数の液滴吐出ヘッド９４は、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）及びブラック（Ｂｋ）の各色の液滴を吐出するヘッド（インクジェットヘッド）である。また、キャリッジ９３には、液滴吐出ヘッド９４に各色の液体（インク）を供給するための各インクカートリッジ９５が交換可能に装着されている。

インクカートリッジ９５は上方に大気と連通する大気口、下方にはインクジェットヘッドへインクを供給する供給口を、内部にはインクが充填された多孔質体を有している。この多孔質体の毛管力により液滴吐出ヘッド９４へ供給される液体（インク）をわずかな負圧に維持している。また、本実施形態では各色に対応させて４個の液滴吐出ヘッド９４を用いているが、各色の液滴を吐出する複数のノズルを有する１個の液滴吐出ヘッドを用いてもよい。

ここで、キャリッジ９３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド９１に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送方向上流側）を従ガイドロッド９２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９３を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ９７で回転駆動される駆動プーリ９８と従動プーリ９９との間にタイミングベルト１００が張装されている。このタイミングベルト１００はキャリッジ９３に固定されており、主走査モータ９７の正逆回転によりキャリッジ９３が往復駆動される。

一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３を液滴吐出ヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、ガイド部材１０３と、搬送ローラ１０４と、先端コロ１０６とを備えている。給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２は、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装し、ガイド部材１０３は用紙８３を案内する。また、搬送ローラ１０４は、給紙された用紙８３を反転させて搬送する。先端コロ１０６は、搬送ローラ１０４の周面に押し付けられる搬送コロ１０５及び搬送ローラ１０４からの用紙８３の送り出し角度を規定する。搬送ローラ１０４は副走査モータ１０７によってギヤ列を介して回転駆動される。

そして、キャリッジ９３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１０４から送り出された用紙８３を液滴吐出ヘッド９４の下方側で案内する用紙ガイド部材である印写受け部材１０９が設けられている。この印写受け部材１０９の用紙搬送方向下流側には、用紙８３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１１１、拍車１１２が設けられている。さらに、用紙８３を排紙トレイ８６に送り出す排紙ローラ１１３及び拍車１１４と、排紙経路を形成するガイド部材１１５，１１６とが配設されている。

記録時には、キャリッジ９３を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド９４を駆動することにより、停止している用紙８３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙８３を所定量搬送後次の行の記録を行う。記録終了信号または、用紙８３の後端が記録領域に到達した信号を受けることにより、記録動作を終了させ用紙８３を排紙する。

また、キャリッジ９３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液滴吐出ヘッド９４の吐出不良を回復するための回復装置１１７を配置している。回復装置１１７はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段を有している。キャリッジ９３は印字待機中にはこの回復装置１１７側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド９４がキャッピングされ、吐出口であるノズルを湿潤状態に保つことによりインク乾燥による吐出不良を防止する。また、記録途中などに記録と関係しないインクを吐出することにより、全ての吐出口のインク粘度を一定にし、安定した吐出性能を維持する。

吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液滴吐出ヘッド９４の吐出口（ノズル）を密封し、チューブを通して吸引手段で吐出口からインクとともに気泡等を吸い出す。これにより、吐出口面に付着したインクやゴミ等はクリーニング手段により除去され吐出不良が回復される。また、吸引されたインクは、本体下部に設置された廃インク溜（不図示）に排出され、廃インク溜内部のインク吸収体に吸収保持される。

このように、このインクジェット記録装置においては本発明の前述の実施形態及び実施例１〜６で作製した液滴吐出ヘッドを搭載している。従って、振動板の駆動不良によるインク滴の吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質が向上する。

以上に説明したものは一例であり、本発明は、次の態様毎に特有の効果を奏する。
（態様Ａ）
液滴を吐出するノズル４０３ａなどのノズルと、前記ノズルに連通する加圧室が形成された基板と、前記基板上に形成された振動板４０２などの振動板と、前記振動板上に形成され圧電体からなるＰＺＴ膜４０６などの電気機械変換膜と該電気機械変換膜の上部および下部にそれぞれ形成され前記電気機械変換膜に電圧を印加するための第１電極４０５、第２電極４０７などの電極とを有する電気機械変換素子４００などの電気機械変換素子とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、前記振動板が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮおよびＰｏｌｙ−Ｓｉを積層したもので積層方向の厚さが１［μｍ］以上３［μｍ］以下であり前記電気機械変換膜に電圧を印加しない状態で前記加圧室側に突出するたわみを持ち、前記振動板の短手方向のたわみの曲率半径が、２０００［μｍ］以上６０００［μｍ］以下である。
液滴吐出ヘッドを高周波駆動させた時に十分な液滴吐出性能を得るためには、液滴を吐出する際の振動板の残留振動を抑える必要がある。これは、液滴吐出ヘッドを高周波駆動させたときに発生する残留振動が十分に減衰するまで次のインク吐出動作に入ることができないため、インク滴の吐出を繰り返すことが困難になるからである。上記残留振動を抑えるためには振動板の剛性を高めればよい。振動板の剛性は、使用する材料や振動板の膜厚に依存するので、高剛性な材料を選択したり膜圧を厚くしたりすれば振動板の剛性を高めることができる。ＳｉＯ_２層、ＳｉＮ層およびＰｏｌｙ−Ｓｉ層を積層させて形成した振動板の膜厚を１［μｍ］以上とすることで、振動板の剛性が振動板の残留振動を抑えるために十分になることを実験により確認した。上記振動板の膜厚が３［μｍ］を超えると、振動板が変形しにくくなり液滴吐出ヘッドのインク滴の吐出が不安定になることを実験により確認した。
振動板の剛性を高くしていくと、振動板の残留振動は抑えられるようになるが、振動板が振動しにくくなる分、電気機械変換素子の変位量は小さくなる。つまり、振動板を上記構成にして振動板の剛性を高くすると、その分、電気機械変換素子の変位量は小さくなる。電気機械変換素子の変位量は、振動板の剛性だけでなく、電気機械変換膜に電圧を印加しない状態での振動板の短手方向のたわみ量にも影響することが実験により分かっている。具体的には、振動板の短手方向のたわみ量を小さく設定すれば電気機械変換素子の変位量は大きくなり、振動板の短手方向のたわみ量を大きく設定すれば電気機械変換素子の変位量は小さくなる。振動板を上記構成にした液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出性能の確保するために十分な大きさの電気機械変換素子の変位量を確保するためには、振動板の短手方向のたわみ量をある程度小さく設定する必要がある。
また、振動板の短手方向のたわみ量と振動板の短手方向のたわみの曲率半径とは相関する。振動板の短手方向のたわみ量が小さいときには振動板の短手方向のたわみの曲率半径は大きくなる。振動板を上記構成にした液滴吐出ヘッドにおいて、液滴吐出性能の確保するために十分な大きさの電気機械変換素子の変位量を確保するためには、振動板の短手方向のたわみの曲率半径をある程度大きく設定する必要がある。振動板を上記構成とした液滴吐出ヘッドにおいて、曲率半径を２０００［μｍ］以上に設定することで、液滴吐出ヘッドの液滴吐出性能の確保するために十分な大きさの電気機械変換素子の変位量が得られることを実験により確認した。振動板を上記構成とした液滴吐出ヘッドにおいて、曲率半径が６０００［μｍ］を超えると、電気機械変換素子の耐久性が損なわれる。
液滴吐出ヘッドを以上のような構成とすることにより、高周波駆動時においても十分な液滴の吐出性能を確保することができる。

（態様Ｂ）
態様Ａにおいて、前記振動板における、ＳｉＯ_２の膜厚が６００［ｎｍ］以上２４００［ｎｍ］以下、ＳｉＮの膜厚が１００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの膜厚が１００［ｎｍ］以上７００［ｎｍ］以下である。

（態様Ｃ）
態様ＡまたはＢのいずれかにおいて、前記振動板のヤング率が７５［ＧＰａ］以上９５［ＧＰａ］以下である。
これにより、高周波駆動時（例えば、周波数３２［ｋＨｚ］）において液滴の吐出ができるような液滴吐出ヘッドが得られる。

（態様Ｄ）
態様Ａ〜Ｃのいずれか一において、前記電気機械変換膜が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、膜厚が１［μｍ］以上３［μｍ］以下である。
ＰＺＴからなる上記電気機械変換膜では、上記電気機械変換膜の膜厚が１［μｍ］より小さいと加圧液室４０４の加工が困難になる。また、上記電気機械変換膜の膜厚が３［μｍ］より大きいと、上記電気機械変換膜の下地である振動板が変形変位しにくくなり液滴の吐出が不安定になるとともに、振動板が十分な変位を発生することができなくなる。

（態様Ｅ）
態様Ａ〜Ｄのいずれか一において、Ｉ｛ｈｋｌ｝を前記電気機械変換膜の{ｈｋｌ}面に対応する回折強度のピークにおける回折強度、ΣＩを前記電気機械変換膜の回折強度のピークが得られる各面にそれぞれ対応する回折強度のピークにおける回折強度を合計したものとするときに、ρ｛ｈｋｌ｝＝Ｉ｛ｈｋｌ｝／ΣＩとすると、前記電気機械変換膜のρ{１００}が０．７５以上である。
ρ{ｈｋｌ}が０．７５よりも小さくなると、電気機械変換素子の変位量が十分に確保できなくなる。

（態様Ｆ）
態様Ａ〜Ｅのいずれか一において、前記電気機械変換素子が、前記電気機械変換膜４０６と該電気機械変換膜の下部に形成された前記電極４０５との間にチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）からなる酸化物層を形成したものである。
上記電気機械変換膜としてＰＺＴを用いた場合に、上記電気機械変換膜の{１００}面に優先配向させることができる。上記電気機械変換膜の{１００}面の配向率を高くしていくことで、振動板のたわみの曲率半径を大きくできることを実験により確認した。

（態様Ｇ）
態様Ｆのいずれか一において、前記酸化物層の厚さが２０［ｎｍ］以上８０［ｎｍ］以下である。

（態様Ｈ）
態様Ａ〜Ｇのいずれか一において、前記加圧室の幅が５０［μｍ］以上７０［μｍ］以下である。
上記加圧液室の幅が７０［μｍ］より大きくなると振動板の残留振動が大きくなるので、液滴吐出ヘッドの高周波における吐出性能を確保することが難しくなる。また、上記加圧液室の幅が５０［μｍ］より小さくなると、振動板の変位量が低下し十分な吐出電圧が確保できなくなる。

（態様Ｉ）
態様Ａ〜Ｈのいずれか一において、前記電気機械変換素子が、電界強度±１５０［ｋＶ／ｃｍ］におけるヒステリシスループの測定において、最初の０［ｋＶ／ｃｍ］での分極をＰｉｎｄとし、＋１５０［ｋＶ／ｃｍ］まで電圧印加後、０［ｋＶ／ｃｍ］まで戻したときの０［ｋＶ／ｃｍ］での分極をＰｒとしたとき、ＰｒからＰｉｎｄを引いた値（Ｐｒ−Ｐｉｎｄ）が、１０［μＣ／ｃｍ^２］以下である。
作製された上記電気機械変換素子に分極処理を施し上記電気機械変換素子を十分に分極させることで、連続駆動によって欠陥が発生することを抑え、初期の歪変位に対し駆動後の歪変位が低下することを抑制することができる。分極処理したときの上記電気機械変換素子の分極状態の良し悪し（分極が十分になされているか否か）は、ＰｒからＰｉｎｄを引いた値（分極率）から判断できる。上記分極率が１０［μＣ／ｃｍ^２］以下であれば、上記電気機械変換素子が十分に分極されていると判断できる。

（態様Ｊ）
態様Ａ〜Ｉのいずれか一の液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置。

（態様Ｋ）
態様Ａ〜Ｉのいずれか一の液滴吐出ヘッドの製造方法において、前記電気機械変換素子に対して、コロナ放電により発生した電荷を注入することにより分極処理を行う。

４００ 圧電アクチュエータ
４０２ 振動板
４０３ａ ノズル
４０４ 加圧液室
４０５ 第１電極
４０６ ＰＺＴ膜
４０７ 第２電極

特許第３５５５６８２号公報

Claims (10)

1. 液滴を吐出するノズルと、
   前記ノズルに連通する加圧室が形成された基板と、
   前記基板上に形成された振動板と、
   前記振動板上に形成され圧電体からなる電気機械変換膜と該電気機械変換膜の上部および下部にそれぞれ形成され前記電気機械変換膜に電圧を印加するための電極とを有する電気機械変換素子とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記電気機械変換膜と該電気機械変換膜の下部に形成された前記電極との間にチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_３）からなる酸化物層を有し、
   前記振動板が、ＳｉＯ_２、ＳｉＮおよびＰｏｌｙ−Ｓｉを積層したもので積層方向の厚さが１［μｍ］以上３［μｍ］以下であり前記電気機械変換膜に電圧を印加しない状態で前記加圧室側に突出するたわみを持ち、前記振動板の短手方向のたわみの曲率半径が、３０４１［μｍ］以上６０００［μｍ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
2. 請求項１に記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板における、ＳｉＯ_２の膜厚が６００［ｎｍ］以上２４００［ｎｍ］以下、ＳｉＮの膜厚が１００［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下、Ｐｏｌｙ−Ｓｉの膜厚が１００［ｎｍ］以上７００［ｎｍ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
3. 請求項１または２のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記振動板のヤング率が７５［ＧＰａ］以上９５［ＧＰａ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
4. 請求項１乃至３のいずれか一の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記電気機械変換膜が、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、膜厚が１［μｍ］以上３［μｍ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
5. 請求項１乃至４のいずれか一の液滴吐出ヘッドにおいて、
   Ｉ｛ｈｋｌ｝を前記電気機械変換膜の{ｈｋｌ}面に対応する回折強度のピークにおける回折強度、ΣＩを前記電気機械変換膜の回折強度のピークが得られる各面にそれぞれ対応する回折強度のピークにおける回折強度を合計したものとするときに、ρ｛ｈｋｌ｝＝Ｉ｛ｈｋｌ｝／ΣＩとすると、前記電気機械変換膜のρ{１００}が０．７５以上であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
6. 請求項１乃至５のいずれか一の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記酸化物層の厚さが２０［ｎｍ］以上８０［ｎｍ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
7. 請求項１乃至６のいずれか一の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記加圧室の幅が５０［μｍ］以上７０［μｍ］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
8. 請求項１乃至７のいずれか一の液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記電気機械変換素子が、電界強度±１５０［ｋＶ／ｃｍ］におけるヒステリシスループの測定において、最初の０［ｋＶ／ｃｍ］での分極をＰｉｎｄとし、＋１５０［ｋＶ／ｃｍ］まで電圧印加後、０［ｋＶ／ｃｍ］まで戻したときの０［ｋＶ／ｃｍ］での分極をＰｒとしたとき、ＰｒからＰｉｎｄを引いた値（Ｐｒ−Ｐｉｎｄ）が、１０［μＣ／ｃｍ^２］以下であることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
9. 請求項１乃至８のいずれか一の液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置。
10. 請求項１乃至８のいずれか一の液滴吐出ヘッドの製造方法において、
    前記電気機械変換素子に対して、コロナ放電により発生した電荷を注入することにより分極処理を行うことを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。

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