JP6903865B2 - 電気機械変換素子及びその製造方法、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置 - Google Patents

電気機械変換素子及びその製造方法、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置 Download PDF

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Description

本発明は、電気機械変換素子及びその製造方法、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。
圧電アクチュエータとして用いられる強誘電体膜である電気機械変換膜の形成法の一つとして、ＣＳＤ法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：化学溶液堆積法、又はゾルゲル法等とも称される）が知られている。ＣＳＤ法では、例えば、下部電極上に、電気機械変換膜の前駆体溶液の塗布膜を形成し、加熱処理により結晶化させる工程を所定回数繰り返して成膜する。
その後、フォトリソグラフィとエッチングで、結晶化した電気機械変換膜のパターンを形成する。更に、電気機械変換膜上にスパッタ法等により金属膜を形成し、フォトリソグラフィとエッチングで上部電極のパターンを形成し、電気機械変換素子となる（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、エッチングでパターニングされた電気機械変換膜や上部電極の断面形状は矩形や台形である。そのため、後工程で電気機械変換膜上や上部電極上に形成される絶縁膜や引出し配線が矩形や台形のコーナ部で断線する問題があり、配線の接続信頼性が低かった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、配線の接続信頼性を向上可能な電気機械変換素子を提供することを目的とする。
本電気機械変換素子は、第１の電極の一方の面に電気機械変換膜及び第２の電極が順次積層され、前記第２の電極上に配線が形成される電気機械変換素子であって、少なくとも１つの断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺及び前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺は凸型の曲線形状であり、前記電気機械変換膜及び前記第２の電極は、最大高さ部から端部に向けて徐々に膜厚が薄くなり、前記断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺が式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで近似され、前記ａは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝＜ａ＜１．２×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝の関係を満たし、前記ｂは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８Ｔｐ＜ｂ＜１．２Ｔｐの関係を満たし、前記断面において、前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺が式２：ｙ＝−ｃｘ ２ ＋ｄで近似され、前記ｃは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記断面における前記第２の電極の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｅ、とすると、０．８×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝＜ｃ＜１．２×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝の関係を満たし、前記ｄは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記電気機械変換膜の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｍとすると、０．８｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝＜ｄ＜１．２｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝の関係を満たすことを特徴とする電気機械変換素子。但し、前記式１において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、前記式１において、ｙは、ｘにおける前記電気機械変換膜の端部からの高さを表す。また、前記式２において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、前記式２において、ｙは、ｘにおける前記第２の電極の端部からの高さを表す。
開示の技術によれば、配線の接続信頼性を向上可能な電気機械変換素子を提供できる。
第１の実施の形態に係る電気機械変換素子を例示する断面図である。 インクジェット塗布装置を例示する斜視図である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図（その１）である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図（その２）である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図（その３）である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図（その４）である。 第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図（その５）である。 １つのウェハ上に複数個の電気機械変換膜を形成する例を示す図（その１）である。 １つのウェハ上に複数個の電気機械変換膜を形成する例を示す図（その２）である。 異なる方法で形成した電気機械変換膜及び上部電極の断面を比較する図である。 電気機械変換膜及び上部電極の表面の測定結果を示す図である。 電気機械変換膜及び上部電極の断面の近似式に対応する曲線を図１１に重ねて表示した図である。 実施例２で得られたＰ−Ｅヒステリシス曲線である。 実施例４で得られた結果を示す図である。 第２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２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。 第３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３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３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３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。
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電気機械変換素子を例示する断面図である。図１を参照するに、基板１０上に振動板２０が形成され、振動板２０上に密着層２５を介して電気機械変換素子３０が形成されている。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とを有し、下部電極３１の一方の面に電気機械変換膜３２及び上部電極３３が順次積層されている。なお、下部電極３１は本発明に係る第１の電極の代表的な一例であり、上部電極３３は本発明に係る第２の電極の代表的な一例である。
基板１０としては、例えば、シリコン基板等を用いることができる。基板１０の厚さは、例えば、１００〜６００μｍ程度とすることができる。
振動板２０の材料としては、例えば、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用いることができる。振動板２０の膜厚は、１〜３μｍ程度とすることができる。
密着層２５の材料としては、例えば、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ３Ｎ５等を用いることができる。下部電極３１の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属類を用いることができる、又は、これら金属類に、ＬＮＯ（ニッケル酸ランタン、ＬａＮｉＯ３）やＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム、ＳｒＲｕＯ３）等の導電性酸化物を積層してもよい。下部電極３１の膜厚は、例えば、０．０５〜１μｍ程度とすることができる。
電気機械変換膜３２の材料としては、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（ＰｂＺｒＯ３）とチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）の固溶体であり、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率によって、ＰＺＴの特性が異なる。例えば、ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）Ｏ３、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。
上部電極３３の材料としては、例えば、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）等の金属類を用いることができる、又は、これら金属類に、ＬＮＯ（ニッケル酸ランタン、ＬａＮｉＯ３）やＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム、ＳｒＲｕＯ３）等の導電性酸化物を積層してもよい。上部電極３３の膜厚は、例えば、０．０５〜１μｍ程度とすることができる。
電気機械変換素子３０において、電気機械変換膜３２及び上部電極３３は、インクジェット法により形成されたものである。インクジェット法で形成された電気機械変換膜３２及び上部電極３３は、スピンコート法で形成された場合とは異なり、液体の状態でパターンが形成されるため、乾燥の際に溶液の表面張力により、断面が凸型の曲線形状（シリンドリカル形状）となる。又、インクジェット法で形成された電気機械変換膜３２及び上部電極３３の断面形状は液体の表面張力で決定されるため、極めて再現性の良い形状となる。
電気機械変換膜３２の少なくとも１つの断面において、膜厚分布形状は式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで近似することができる。
なお、電気機械変換膜３２の少なくとも１つの断面とは、電気機械変換膜３２の平面形状が円形である場合には、円の中心を通る縦断面である。又、電気機械変換膜３２の平面形状が一定幅の細長状部分を含む場合には、一定幅の細長状部分の短手方向の縦断面である。以下、電気機械変換膜３２の少なくとも１つの断面を前記断面と称する。
又、膜厚分布形状とは、前記断面における上辺の形状を指し、下辺の形状は問わない。例えば、電気機械変換膜３２では、膜厚分布形状（上辺、すなわち、上部電極３３側の辺の形状）は式１で近似できるが、下辺の形状は略直線となる。
上記の式１において、ｘは前記断面における電気機械変換膜３２の幅Ｗｐの中央を０としたときの電気機械変換膜３２の膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表している。又、式１において、ｙは、ｘにおける電気機械変換膜３２の端部からの高さを表している。又、前記断面における電気機械変換膜３２の端部からの電気機械変換膜３２の最大高さをＴｐとすると、ｘ＝０で電気機械変換膜３２の高さが最大となる場合には、ａ＝（４Ｔｐ）／Ｗｐ２、ｂ＝Ｔｐが成立する。
又、上部電極３３についても同様に、その表面張力によって断面形状が決定され、前記断面において、膜厚分布形状（上辺、すなわち、電気機械変換膜３２側とは反対側の辺の形状）は式２：ｙ＝−ｃｘ２＋ｄで近似することができる。式２において、ｘは前記断面における電気機械変換膜３２の幅Ｗｐの中央を０としたときの上部電極３３の膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表している。又、式２において、ｙは、ｘにおける上部電極３３の端部からの高さを表している。
又、前記断面における上部電極３３の幅をＷｅ、前記断面における上部電極３３の端部からの上部電極３３の最大高さをＴｅとすると、ｘ＝０で上部電極３３の高さが最大となる場合には、ｃ＝（４Ｔｅ）／Ｗｅ２、ｂ＝Ｔｅが成立する。なお、図１において、Ｔｍは、前記断面における電気機械変換膜３２の端部からの上部電極３３の最大高さを示している。
図２は、インクジェット塗布装置を例示する斜視図である。図２に示すインクジェット塗布装置６０において、架台６１の上にＹ軸駆動手段６２が設置してあり、その上に基板６３を搭載するステージ６４がＹ軸方向に駆動できるように設置されている。なお、ステージ６４には、例えば、真空、静電気等の吸着手段が付随しており基板６３が固定されている。
又、Ｘ軸支持部材６５にはＸ軸駆動手段６６が取り付けられており、これにＺ軸駆動手段６７上に搭載されたヘッドベース６８が取り付けられており、Ｘ軸方向に移動できるようになっている。ヘッドベース６８の上にはインクを吐出させるインクジェットヘッド６９が搭載されている。インクジェットヘッド６９には各インクタンクから各々着色樹脂インク供給用パイプ７０を介してインクが供給される。インクジェット塗布装置６０は、位置合わせ用アライメントカメラを有していてもよい。
図３〜図７は、第１の実施の形態に係る電気機械変換素子の製造工程を例示する図であり、図１に対応する断面を示している。なお、ここでは一例として、電気機械変換膜３２としてＰＺＴ膜を用いた電気機械変換素子３０を形成する例を示す。
まず、図３（ａ）に示す工程では、基板１０上に、振動板２０、密着層２５、及び下部電極３１を順次積層する（但し、図３〜図７では、下部電極３１のみを図示している）。振動板２０は、例えば、スパッタ法やゾルゲル法等により形成することができる。密着層２５は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法等の真空成膜法を用いて形成することができる。下部電極３１は、例えば、スパッタ法や真空蒸着法等の真空成膜法を用いて形成することができる。各構成部の材料や膜厚は前述の通りである。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、下部電極３１上の全面にＳＡＭ膜９０（Self-assembled monolayer膜：自己組織化単分子膜）を形成する。ＳＡＭ膜９０は、アルカンチオールが特定金属上に自己配列する現象を利用したものである。ＳＡＭ膜９０は、例えば、アルカンチオール液に下部電極３１が形成された基板１０をディップして自己配列させることで得られる。ＳＡＭ膜９０としては、例えば、ＣＨ３（ＣＨ２）−ＳＨを用いることができる。
次に、図３（ｃ）に示す工程では、後工程でＰＺＴ前駆体を形成する部分のＳＡＭ膜９０を除去するために、又、必要部分のＳＡＭ膜９０を保護するために、フォトリソグラフィによりパターニングされたフォトレジスト層９１を形成する。
次に、図４（ａ）に示す工程では、フォトレジスト層９１を介して、例えば、酸素プラズマや紫外光を照射することにより、ＰＺＴ前駆体を形成する部分のＳＡＭ膜９０を除去する。そして、ＳＡＭ膜９０の除去後に、フォトレジスト層９１を剥離する。ＳＡＭ膜９０上にはアルキル基が配置されているので疎水（撥水）性を示し、ＳＡＭ膜９０を除去した部分は親水性を示す。以下、ＳＡＭ膜９０を形成した領域を疎水部と称し、ＳＡＭ膜９０を除去した領域を親水部と称する場合がある。
次に、図４（ｂ）に示す工程では、所定の出発材料からＰＺＴ前駆体溶液（第１の液体）を合成し、図２に示すインクジェット塗布装置６０のインクジェットヘッド６９により、下部電極３１上にＰＺＴ前駆体溶液の液滴を着弾させ、ＰＺＴ塗布膜３２０（第１の塗布膜）を形成する。ＰＺＴ塗布膜３２０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９０上には形成されず、ＳＡＭ膜９０が除去された親水部のみに形成される。
次に、図４（ｃ）に示す工程では、ＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを形成する。インクジェット法で形成されたＰＺＴ塗布膜３２０は、液体の状態でパターンが形成されるため、乾燥の際に溶液の表面張力により、断面が凸型の曲線形状のＰＺＴ膜３２０Ａとなる。加熱処理には、例えば、ホットプレートやクリーンオーブンによる熱源装置等を適宜用いることができる。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失する。ＰＺＴ塗布膜３２０からＰＺＴ膜３２０Ａへの変態には体積収縮が伴う。一度の工程で得られるＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚は、ＰＺＴ前駆体溶液の固形分濃度により調整することができる。
次に、図５（ａ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す構造体をイソプロピルアルコール等で洗浄後、図３（ｂ）と同様にして、ＳＡＭ膜９０を形成する。２回目以降では、ＳＡＭ膜９０は酸化膜上には形成されないので、フォトリソグラフィの工程を実施せずに図５（ａ）に示すＳＡＭ膜９０のパターンが得られる。ＳＡＭ膜９０は疎水（撥水）性を示し、ＰＺＴ膜３２０Ａは親水性を示す。
次に、図５（ｂ）に示す工程では、ＰＺＴ膜３２０Ａ上にインクジェットヘッド６９を位置合わせし、ＰＺＴ膜３２０Ａ上に、インクジェットヘッド６９により、ＰＺＴ前駆体溶液の液滴を着弾させ、ＰＺＴ塗布膜３２０を形成する。ＰＺＴ塗布膜３２０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９０上には形成されず、親水部であるＰＺＴ膜３２０Ａのみに形成される。
次に、図５（ｃ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す工程と同様にＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを厚膜化する。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失する。
次に、図５（ｄ）に示す工程では、電気機械変換膜３２であるＰＺＴ膜を形成する。具体的には、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程を必要な回数繰り返し、ＰＺＴ膜３２０Ａを更に厚膜化する。その後、結晶化のための加熱処理を行う。これにより、電気機械変換膜３２として、結晶化されたＰＺＴ膜を得ることができる。結晶化のための加熱処理には、例えば、赤外線ランプによる急速加熱処理（ＲＴＡ：Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やレーザ光照射装置等を用いることができる。
次に、図６（ａ）に示す工程では、図３（ｂ）に示す工程と同様にして、下部電極３１上及び電気機械変換膜３２上にＳＡＭ膜９５（自己組織化単分子膜）を形成する。ここでは、電気機械変換膜３２上にもＳＡＭ膜９５を形成したいので、ＳＡＭ膜９５としてシランカップリング剤等の電気機械変換膜３２上にも形成できる材料を用いる。
次に、図６（ｂ）に示す工程では、後工程で上部電極３３を形成する部分のＳＡＭ膜９５を除去するために、又、必要部分のＳＡＭ膜９５を保護するために、フォトリソグラフィによりパターニングされたフォトレジスト層９２を形成する。
次に、図６（ｃ）に示す工程では、フォトレジスト層９２を介して、例えば、酸素プラズマや紫外光を照射することにより、上部電極３３を形成する部分のＳＡＭ膜９５を除去する。そして、ＳＡＭ膜９５の除去後に、フォトレジスト層９２を剥離する。なお、図６（ｃ）に示す工程で電気機械変換膜３２の外周部にＳＡＭ膜９５が残存するように、図６（ｂ）に示す工程でフォトレジスト層９２の開口部の大きさを調整する。
次に、図７（ａ）に示す工程では、電気機械変換膜３２上に、インクジェットヘッド６９により、上部電極３３の材料を含む溶液（第２の液体）の液滴を着弾させ、上部電極塗布膜３３０（第２の塗布膜）を形成する。上部電極塗布膜３３０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９５上には形成されず、ＳＡＭ膜９５が除去された親水部のみに形成される。すなわち、電気機械変換膜３２上の外周部を除く領域に上部電極塗布膜３３０が形成される。上部電極３３の材料としては、前述の材料から適宜選択することができるが、例えば、金を用いることができる。
次に、図７（ｂ）に示す工程では、上部電極塗布膜３３０を乾燥及び焼成して上部電極３３を形成する。インクジェット法で形成された上部電極塗布膜３３０は、液体の状態でパターンが形成されるため、乾燥の際に溶液の表面張力により、断面が凸型の曲線形状の上部電極３３となる。これにより、電気機械変換素子３０が完成する。上部電極３３の材料として金を用いる場合には、乾燥及び焼成の温度は、例えば、２００℃程度とすることができる。乾燥及び焼成には、例えば、ホットプレートやクリーンオーブンによる熱源装置等を適宜用いることができる。上部電極３３の膜厚は、例えば、０．０５〜１μｍ程度とすることができる。なお、上部電極３３は、電気機械変換膜３２上の外周部には形成されないため、上部電極３３が下部電極３１と短絡することはない。
なお、図３〜図７に示す工程では、電気機械変換膜３２としてＰＺＴ膜を用いた電気機械変換素子３０を形成する例を示したが、これには限定されない。電気機械変換膜３２としては、例えば、ＰＺＴ以外のＡＢＯ３型ペロブスカイト型結晶質膜を用いてもよい。ＰＺＴ以外のＡＢＯ３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。
又、図３〜図７では、基板１０上に１つの電気機械変換膜３２を形成する例を示したが、図８及び図９に示すように、電気機械変換膜３２を１つの基板１０（例えば、６インチウェハ）上に複数個形成してもよい。図８及び図９において、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。又、図８及び図９において、下部電極３１より下層と、上部電極３３の図示は省略されている。
図８は、１つの基板１０に形成された下部電極３１上に、幅Ｗｐが同一であり最大高さＴｐが異なる複数個の電気機械変換膜３２を形成した例である。又、図９は、１つの基板１０に形成された下部電極３１上に、幅Ｗｐが異なり最大高さＴｐが同一である複数個の電気機械変換膜３２を形成した例である。
図１０は、異なる方法で形成した電気機械変換膜及び上部電極の断面を比較する図である。図１０（ａ）は、インクジェット法で電気機械変換膜３２及び上部電極３３を形成した電気機械変換素子３０の断面を模式的に示している。上部電極３３上に、絶縁膜４１、及び電圧を印加するための配線４２が形成されている。
図１０（ｂ）は、スピンコート法で電気機械変換膜３２Ｓを形成し、スパッタ法で上部電極３３Ｓを形成した電気機械変換素子３０Ｓの断面を模式的に示している。上部電極３３Ｓ上に、絶縁膜４１Ｓ、及び電圧を印加するための配線４２Ｓが形成されている。
電気機械変換素子３０Ｓを形成するには、まず、スピンコート法で下部電極３１上の全面に電気機械変換膜３２Ｓとなる膜を形成する。そして、電気機械変換膜３２Ｓとなる膜上の全面にスパッタ法で上部電極３３Ｓとなる膜を形成する。更に、夫々の膜をエッチングでパターニングして、図１０（ｂ）の形状の電気機械変換膜３２Ｓ及び上部電極３３Ｓとする。
図１０（ａ）に示すように、インクジェット法で形成した電気機械変換膜３２及び上部電極３３では角度の鋭い段差がなく、滑らかな絶縁膜４１及び配線４２が形成されている。
これに対して、図１０（ｂ）に示すように、スピンコート法、スパッタ法、及びエッチングを組み合わせて形成した電気機械変換膜３２Ｓ及び上部電極３３Ｓでは、電気機械変換膜３２Ｓ及び上部電極３３Ｓの端部に段差部が形成されている。そして、段差部に沿って急激に屈曲する絶縁膜４１Ｓ及び配線４２Ｓが形成されている。図１０（ｂ）に示すような段差部では、しばしば絶縁膜４１Ｓや配線４２Ｓにクラックが入ったり、膜厚が薄くなったりする現象が発生し、短絡やリーク等の不良がみられる。
このように、電気機械変換素子３０では、電気機械変換膜３２及び上部電極３３をインクジェット法によりダイレクトにパターニングして形成し、フォトリソグラフィの工程を用いない。つまり、電気機械変換膜３２及び上部電極３３を、材料が液体の状態でパターニングした後に乾燥させて形成する。そのため、エッジのない滑らかな断面形状を、液体の表面張力で決定される極めて再現性の良い状態で形成できる。その結果、後工程で、電気機械変換膜３２上及び上部電極３３上に形成される絶縁膜４１や配線４２にクラックが入ったり断線したりするおそれを低減することが可能となり、配線の接続信頼性を向上できる。
又、電気機械変換膜３２及び上部電極３３をインクジェット法により形成することで、廃棄される材料を抑制することができ、電気機械変換素子３０の製造コストを低減し、生産性を高めることが可能となる。
又、近年、電気機械変換膜や上部電極を薄いフレキシブル基板上に形成し、ウエアラブルセンサとして用いる要求あるが、フレキシブル基板上に電気機械変換膜や上部電極をフォトリソグラフィでパターニングすることは困難である。又、基板が柔らかいのでレジストの塗布や位置合わせができない。一方、本実施の形態では、電気機械変換膜３２及び上部電極３３をインクジェット法によりダイレクトにパターニングし、フォトリソグラフィの工程を用いないため、フレキシブル基板や大面積基板にも電気機械変換膜３２及び上部電極３３を容易に形成できる。
［実施例１］
（電気機械変換素子３０の作製）
図３〜図７に示した工程に基づいて電気機械変換素子３０を作製した。具体的には、まず、図３（ａ）に示す工程では、基板１０上に、振動板２０、密着層２５、及び下部電極３１を順次積層した。基板１０としてシリコン基板を用い、密着層２５にはＴｉＯ２、下部電極３１にはＰｔを用いた。
次に、図３（ｂ）に示す工程では、アルカンチオール液に下部電極３１が形成された基板１０をディップして自己配列させ、下部電極３１上の全面にＳＡＭ膜９０を形成した。ＳＡＭ膜９０としては、ＣＨ３（ＣＨ２）−ＳＨを用いた。
次に、図３（ｃ）及び図４（ａ）に示す工程では、ＳＡＭ膜９０をパターニングした。ＳＡＭ膜９０の純水に対する接触角は９２度であり疎水（撥水）性を示し、ＳＡＭ膜９０を除去した部分の下部電極３１の接触角は５４度であり親水性を示した。
次に、図４（ｂ）に示す工程では、下部電極３１上に、図２に示すインクジェット塗布装置６０のインクジェットヘッド６９により、ＰＺＴ前駆体溶液の液滴を着弾させ、ＰＺＴ塗布膜３２０を形成した。ＰＺＴ塗布膜３２０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９０上には形成されず、ＳＡＭ膜９０が除去された親水部のみに形成された。
ＰＺＴ前駆体溶液は、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。このとき、化学両論組成に対し鉛量を１０モル％過剰にした。これは熱処理中の所謂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、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。ＰＺＴ前駆体溶液のＰＺＴ濃度は、約０．１モル（ｍｏｌ）／リットルとした。
次に、図４（ｃ）に示す工程では、ＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを形成した。溶媒乾燥の温度は約１２０℃とし、熱分解の温度は約５００℃とした。ＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚（最大高さ）は、約９０ｎｍであった。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失した。
次に、図５（ａ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す構造体をイソプロピルアルコールで洗浄後、図３（ｂ）と同様にして、ＳＡＭ膜９０を形成した。ＳＡＭ膜９０の純水に対する接触角は約９２度であり疎水（撥水）性を示し、ＰＺＴ膜３２０Ａの接触角は約３４度であり親水性を示した。
次に、図５（ｂ）に示す工程では、ＰＺＴ膜３２０Ａ上にインクジェットヘッド６９を位置合わせし、ＰＺＴ膜３２０Ａ上に、インクジェットヘッド６９により、ＰＺＴ前駆体溶液の液滴を着弾させ、ＰＺＴ塗布膜３２０を形成した。ＰＺＴ塗布膜３２０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９０上には形成されず、親水部であるＰＺＴ膜３２０Ａのみに形成された。
次に、図５（ｃ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す工程と同様にＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを厚膜化した。厚膜化されたＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚は、約１８０ｎｍであった。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失した。
次に、図５（ｄ）に示す工程では、電気機械変換膜３２であるＰＺＴ膜を形成した。具体的には、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程を６回繰り返し、ＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚を約５４０ｎｍとし、結晶化のための加熱処理を行った。更に、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程を６回繰り返し、結晶化のための加熱処理を行った。これにより、電気機械変換膜３２として、膜厚が約１０００ｎｍの結晶化されたＰＺＴ膜を得ることができた。結晶化の温度は、約７００℃とした。結晶化のための加熱処理には、ＲＴＡを用いた。
次に、図６（ａ）に示す工程では、図３（ｂ）に示す工程と同様にして、下部電極３１上及び電気機械変換膜３２上にＳＡＭ膜９５を形成した。ここでは、電気機械変換膜３２上にもＳＡＭ膜９５を形成したいので、ＳＡＭ膜９５としてシランカップリング剤を用いた。
次に、図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示す工程では、ＳＡＭ膜９５をパターニングした。なお、図６（ｃ）に示す工程で電気機械変換膜３２の外周部にＳＡＭ膜９５が残存するように、図６（ｂ）に示す工程でフォトレジスト層９２の開口部の大きさを調整した。
次に、図７（ａ）に示す工程では、電気機械変換膜３２上に、インクジェットヘッド６９により、上部電極３３の材料の液滴を着弾させ、上部電極塗布膜３３０を形成した。上部電極塗布膜３３０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９５上には形成されず、ＳＡＭ膜９５が除去された親水部のみに形成された。すなわち、電気機械変換膜３２上の外周部を除く領域に上部電極塗布膜３３０が形成された。上部電極３３の材料としては、金を用いた。
次に、図７（ｂ）に示す工程では、上部電極塗布膜３３０を乾燥及び焼成して上部電極３３を形成した。これにより、電気機械変換素子３０が完成した。上部電極３３の乾燥及び焼成の温度は、約２００℃とした。完成した電気機械変換素子３０において、電気機械変換膜３２の幅Ｗｐは６０μｍ、上部電極３３の幅Ｗｅは４８μｍであった。
（電気機械変換素子３０の測定）
作製した電気機械変換素子３０について、電気機械変換膜３２及び上部電極３３の表面を表面粗さ計で測定した。但し、電気機械変換膜３２及び上部電極３３の表面の形状は、走査型白色干渉顕微鏡等の非接触式の三次元形状測定装置で行ってもよい。
電気機械変換膜３２及び上部電極３３の表面の測定結果を図１１に示す。又、図１１で得られた断面に、電気機械変換膜３２及び上部電極３３の断面の近似式に対応する曲線を重ねて表示したものを図１２に示す。図１２において、実線Ａは図１１に示した測定値であり、一点鎖線Ｂは電気機械変換膜３２の膜厚分布形状を示す近似式『ｙ＝−０．００２２ｘ２＋２』に対応する曲線である。又、点線Ｃは上部電極３３の膜厚分布形状を示す近似式『ｙ＝−０．００４ｘ２＋３．１１』に対応する曲線である。
このように、インクジェット法によって形成した電気機械変換膜３２及び上部電極３３は、前記断面において、電気機械変換膜３２及び上部電極３３の膜厚分布形状は凸型の曲線形状となり、電気機械変換膜３２及び上部電極３３は最大高さ部から端部に向けて徐々に膜厚が薄くなる。このような膜厚分布形状は、２次関数の近似式と非常に良い一致を示す。その結果、パターンの幅と膜厚から任意の位置の電気機械変換膜３２及び上部電極３３の膜厚が正確にわかるため、電気機械変換素子３０の構造設計が容易となる。
［実施例２］
実施例１と同様にして電気機械変換素子３０を作製し、電気特性の評価を行った。電気特性を評価した結果、電気機械変換膜３２（ＰＺＴ膜）の比誘電率は１２２０、誘電損失は０．０２、残留分極は１９．３μＣ／ｃｍ２、抗電界は３６．５ｋＶ／ｃｍであり、通常のセラミック焼結体と同等の特性であった。評価の際に得られたＰ−Ｅヒステリシス曲線を図１３に示す。
［実施例３］
基板１０としてシリコン基板に代えて厚さ５０μｍのステンレス基板を用いた以外は実施例１と同様にして電気機械変換素子３０を作製し、電気特性の評価を行った。シリコン基板の場合には基板の大きさに制約を受けるが、ステンレス基板の場合は大きさの制約はあまり受けないので、下部電極３１となる白金のスパッタが可能な装置があれば１辺が１メートル程度の四角い基板を用いることができる。ステンレス基板を用いた電気機械変換素子３０において、電気特性を評価した結果、シリコン基板と同等の性能が得られた。
［実施例４］
（電気機械変換素子３０の作製）
図３〜図７に示した工程に基づいて電気機械変換素子３０を作製した。具体的には、まず、実施例１と同様にして、図３（ａ）〜図４（ｂ）に示す工程を実施した。但し、図４（ｂ）に示す工程で用いたＰＺＴ前駆体溶液のＰＺＴ濃度は、約０．５モル（ｍｏｌ）／リットルにした。
次に、図４（ｃ）に示す工程では、ＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを形成した。溶媒乾燥の温度は約１２０℃とし、熱分解の温度は約４００℃とした。ＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚は、約５００ｎｍであった。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失した。
次に、図５（ａ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す構造体をイソプロピルアルコールで洗浄後、図３（ｂ）と同様にして、ＳＡＭ膜９０を形成した。ＳＡＭ膜９０の純水に対する接触角は約９２度であり疎水（撥水）性を示し、ＰＺＴ膜３２０Ａの接触角は約３４度であり親水性を示した。
次に、図５（ｂ）に示す工程では、ＰＺＴ膜３２０Ａ上にインクジェットヘッド６９を位置合わせし、ＰＺＴ膜３２０Ａ上に、インクジェットヘッド６９により、ＰＺＴ前駆体溶液の液滴を着弾させ、ＰＺＴ塗布膜３２０を形成した。ＰＺＴ塗布膜３２０は、接触角のコントラストのため、疎水部であるＳＡＭ膜９０上には形成されず、親水部であるＰＺＴ膜３２０Ａのみに形成された。
次に、図５（ｃ）に示す工程では、図４（ｃ）に示す工程と同様にＰＺＴ塗布膜３２０に溶媒乾燥及び有機物の熱分解のための加熱処理を施すことで、ＰＺＴ膜３２０Ａを厚膜化した。厚膜化されたＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚は、約１μｍであった。なお、加熱処理により、ＳＡＭ膜９０は消失した。
次に、図５（ｄ）に示す工程では、電気機械変換膜３２であるＰＺＴ膜を形成した。具体的には、図５（ａ）〜図５（ｃ）に示す工程を１０回繰り返し、ＰＺＴ膜３２０Ａの膜厚を約１０μｍとし、結晶化のための加熱処理を行った。これにより、電気機械変換膜３２として、膜厚が約１０μｍの結晶化されたＰＺＴ膜を得ることができた。結晶化の温度は、約７００℃とした。結晶化のための加熱処理には、ＲＴＡを用いた。
次に、実施例１と同様にして、図６（ａ）〜図７（ｂ）に示す工程を実施し、電気機械変換素子３０を作製した。
なお、実施例４では、上記の工程により、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上（１０μｍ程度）とし、幅Ｗｐが異なる電気機械変換膜３２（ＰＺＴ膜）を備えた複数の電気機械変換素子３０を作製した。又、ここでは、平面形状が略円形の電気機械変換膜３２を形成した。従って、幅Ｗｐは、平面視した各電気機械変換膜３２の直径となる。
（電気機械変換素子３０の測定）
作製した各電気機械変換素子３０において、電気機械変換膜３２の幅Ｗｐと断面形状イメージとの関係を図１４に示した。図１４に示すように、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下のときに成膜良否判定がＯＫとなり、膜厚分布形状が上部電極３３側に凸形状である理想的な断面形状となった。
これに対して、幅Ｗｐが２０μｍ未満のときには、電気機械変換膜３２となるＰＺＴ塗布膜を形成した際にパターンがはみ出し、所望の幅Ｗｐの電気機械変換膜３２が得られなかった。又、幅Ｗｐが５００μｍよりも大きいときには、断面形状が悪化した。具体的には、液滴が一部に集まって局所的に厚くなり均一なパターンが得られなかったり、コーヒーステイン現象によりパターン外周部のエッジが盛り上がり中央部が薄くなったりした。
又、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下のときに、膜厚分布形状が上部電極３３側に凸形状であり、かつ、膜厚分布形状が式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで精度よく近似されることが確認された。つまり、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下のときに、電気機械変換膜３２は式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで示される膜厚分布形状に自己形成されることが確認された。
又、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下のときに、何れの電気機械変換膜３２においても、係数ａは、最大高さＴｐ［μｍ］と幅Ｗｐ［μｍ］とを用いて、０．８×（４Ｔｐ／Ｗｐ２）＜ａ＜１．２×（４Ｔｐ／Ｗｐ２）の関係を満たしていた。又、定数ｂは、０．８×Ｔｐ＜ｂ＜１．２Ｔｐの関係を満たしていた。
又、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下のときに、上部電極３３の膜厚分布形状は式２：ｙ＝−ｃｘ２＋ｄで精度よく近似されることが確認された。又、何れの上部電極３３においても、係数ｃは、最大高さＴｅ［μｍ］と幅Ｗｅ［μｍ］とを用いて、０．８×（４Ｔｅ／Ｗｅ２）＜ｃ＜１．２×（４Ｔｅ／Ｗｅ２）の関係を満たしていた。又、定数ｄは、０．８｛Ｔｍ−（４Ｔｐ２／Ｗｅ２）×Ｗｅ２＋Ｔｐ｝＜ｄ＜１．２｛Ｔｍ−（４Ｔｐ２／Ｗｅ２）×Ｗｅ２＋Ｔｐ｝の関係を満たしていた。
これに対して、電気機械変換膜３２の幅Ｗｐが２０μｍ未満のとき、又、幅Ｗｐが５００μｍよりも大きいときには、電気機械変換膜３２の膜厚分布形状が式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで近似できず、かつ、係数ａや定数ｂも上記の関係を満たさなかった。同様に、上部電極３３の膜厚分布形状が式２：ｙ＝−ｃｘ２＋ｄで近似できず、かつ、係数ｃや定数ｄも上記の関係を満たさなかった。
このように、インクジェット法により形成する電気機械変換膜３２において、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上とした場合、幅Ｗｐを２０μｍ以上５００μｍ以下にすることで、パターン形状の悪化を防止でき、再現性の高い膜厚分布形状を実現できる。
又、ＰＺＴ前駆体溶液のＰＺＴ濃度を高くし、インクジェット法により下部電極３１上に部分的に前駆体溶液を塗布したため、１層あたりの膜厚を増大しても塗布膜の応力が小さく、電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上としても結晶化時にクラックが発生しなかった。電気機械変換膜３２の最大高さＴｐを５μｍ以上の膜厚とすることにより、効率の良い振動や変形変位を得ることが可能な電気機械変換素子３０を実現できる。
〈第２の実施の形態〉
第２の実施の形態では、電気機械変換素子３０を用いた液体吐出ヘッドの例を示す。なお、第２の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
図１５は、第２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１５に示す液体吐出ヘッド１は、基板１０と、振動板２０と、密着層２５と、電気機械変換素子３０とを有している。
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上に密着層２５を介して電気機械変換素子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。
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。なお、図中には液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は省略した。
液体吐出ヘッド１を作製するには、例えば、第１の実施の形態の図７（ｂ）に示す工程の後、基板１０に圧力室１０ｘを形成し、ノズル板５０を接合する。圧力室１０ｘは、例えば、異方性エッチングを用いて形成することができる。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。圧力室１０ｘを形成後、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１５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１６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。この際、各電気機械変換膜３２は、例えば、図８や図９に示したように配置することができる。
液体吐出ヘッド２は、振動板２０上に電気機械変換素子３０が複数配列された吐出駆動手段３５と、夫々の電気機械変換素子３０に対応して設けられた、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とを有している。液体吐出ヘッド２では、圧力室１０ｘの壁の一部を振動板２０で構成しており、吐出駆動手段３５は圧力室１０ｘ内の液体を昇圧させる。
〈第３の実施の形態〉
第３の実施の形態では、液体吐出ヘッド２（図１６参照）を備えた液体を吐出する装置の例を示す。なお、第３の実施の形態において、既に説明した実施の形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
まず、第３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１７及び図１８を参照して説明する。図１７は同装置の要部平面説明図、図１８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２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２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３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１９を参照して説明する。図１９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３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２０を参照して説明する。図２０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が取り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１８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１９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２０で示したように、ヘッドタンク若しくは流路部品が取り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とする。
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。
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。
又、本発明に係る電気機械変換素子を備えた液体吐出ヘッドは、マイクロポンプ、超音波モータ、加速度センサ、プロジェクタ用２軸スキャナ、輸液ポンプ等の用途にも適用可能である。
１、２ 液体吐出ヘッド
１０ 基板
２０ 振動板
２５ 密着層
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
３５ 吐出駆動手段
４１ 絶縁膜
４２ 配線
５０ ノズル板
５１ ノズル
９０、９５ ＳＡＭ膜
９１、９２ フォトレジスト層
３２０ ＰＺＴ塗布膜
３２０Ａ ＰＺＴ膜
３３０ 上部電極塗布膜
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
特開２００８−２６０２６９号公報

Claims (9)

  1. 第１の電極の一方の面に電気機械変換膜及び第２の電極が順次積層され、前記第２の電極上に配線が形成される電気機械変換素子であって、
    少なくとも１つの断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺及び前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺は凸型の曲線形状であり、
    前記電気機械変換膜及び前記第２の電極は、最大高さ部から端部に向けて徐々に膜厚が薄くなり、
    前記断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺が式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで近似され、
    前記ａは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝＜ａ＜１．２×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝の関係を満たし、
    前記ｂは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８Ｔｐ＜ｂ＜１．２Ｔｐの関係を満たし、
    前記断面において、前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺が式２：ｙ＝−ｃｘ ２ ＋ｄで近似され、
    前記ｃは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記断面における前記第２の電極の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｅ、とすると、０．８×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝＜ｃ＜１．２×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝の関係を満たし、
    前記ｄは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記電気機械変換膜の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｍとすると、０．８｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝＜ｄ＜１．２｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝の関係を満たすことを特徴とする電気機械変換素子。
    但し、前記式１において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、
    前記式１において、ｙは、ｘにおける前記電気機械変換膜の端部からの高さを表す。
    また、前記式２において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、
    前記式２において、ｙは、ｘにおける前記第２の電極の端部からの高さを表す。
  2. 前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さＴｐが５μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換素子。
  3. 前記幅Ｗｐが２０μｍ以上５００μｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電気機械変換素子。
  4. 前記第２の電極は、前記電気機械変換膜の外周部を除く領域に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電気機械変換素子。
  5. 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、
    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、前記振動板上に形成された請求項１乃至４の何れか一項に記載の電気機械変換素子と、を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド。
  6. 請求項５に記載の液体吐出ヘッドを備えていることを特徴とする液体吐出ユニット。
  7. 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ことを特徴とする請求項６に記載の液体吐出ユニット。
  8. 請求項５に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項６若しくは７に記載の液体吐出ユニットを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
  9. 第１の電極の一方の面に電気機械変換膜及び第２の電極が順次積層され、前記第２の電極上に配線が形成される電気機械変換素子の製造方法であって、
    前記第１の電極の一方の面にインクジェット法により第１の液体を塗布して第１の塗布膜を形成する工程、及び前記第１の塗布膜を加熱する工程、を繰り返し、前記第１の塗布膜が結晶化した前記電気機械変換膜を形成する工程と、
    前記電気機械変換膜の一方の面にインクジェット法により第２の液体を塗布して第２の塗布膜を形成する工程と、
    前記第２の塗布膜を加熱して前記第２の電極を形成する工程と、を有し、
    少なくとも１つの断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺及び前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺は凸型の曲線形状となり、
    前記電気機械変換膜及び前記第２の電極は、最大高さ部から端部に向けて徐々に膜厚が薄くなり、
    前記第２の塗布膜を形成する工程では、前記電気機械変換膜の一方の面の外周部を除く領域に前記第２の塗布膜を形成し、
    前記第２の塗布膜を形成する工程よりも前に、
    前記電気機械変換膜の一方の面にＳＡＭ膜を形成する工程と、
    前記電気機械変換膜の一方の面の外周部に前記ＳＡＭ膜を残存させ、前記電気機械変換膜の一方の面の外周部を除く領域の前記ＳＡＭ膜を除去する工程と、を有し、
    前記断面において、前記電気機械変換膜の前記第２の電極側の辺が式１：ｙ＝−ａｘ２＋ｂで近似され、
    前記ａは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝＜ａ＜１．２×｛（４Ｔｐ）／Ｗｐ２｝の関係を満たし、
    前記ｂは、前記断面における前記電気機械変換膜の端部からの前記電気機械変換膜の最大高さをＴｐとすると、０．８Ｔｐ＜ｂ＜１．２Ｔｐの関係を満たし、
    前記断面において、前記第２の電極の前記電気機械変換膜側とは反対側の辺が式２：ｙ＝−ｃｘ ２ ＋ｄで近似され、
    前記ｃは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記断面における前記第２の電極の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｅ、とすると、０．８×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝＜ｃ＜１．２×｛（４Ｔｅ）／Ｗｅ ２ ｝の関係を満たし、
    前記ｄは、前記断面における前記第２の電極の幅をＷｅ、前記電気機械変換膜の端部からの前記第２の電極の最大高さをＴｍとすると、０．８｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝＜ｄ＜１．２｛Ｔｍ−（４Ｔｐ ２ ／Ｗｅ ２ ）×Ｗｅ ２ ＋Ｔｐ｝の関係を満たすことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
    但し、前記式１において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、
    前記式１において、ｙは、ｘにおける前記電気機械変換膜の端部からの高さを表す。
    また、前記式２において、ｘは前記断面における前記電気機械変換膜の幅Ｗｐの中央を０としたときの前記膜厚方向に垂直な方向の座標位置を表し、
    前記式２において、ｙは、ｘにおける前記第２の電極の端部からの高さを表す。
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