JP7363067B2 - 圧電体薄膜素子、液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び圧電体薄膜素子の製造方法 - Google Patents

圧電体薄膜素子、液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び圧電体薄膜素子の製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、圧電体薄膜素子、液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び圧電体薄膜素子の製造方法に関する。
一般に、プリンタ、ファクシミリ、複写機、プロッタ、あるいはこれらの内の複数の機能を複合した画像形成装置としては、例えばインク等の液体を吐出する液体吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。
液体吐出ヘッドは、インクなどの液体を吐出するノズルと、このノズルに連通し液体を収容した液室（圧力室、加圧室、吐出室などとも称される）と、圧電素子などの電気機械変換素子とを備えた構成が知られている。この液体吐出ヘッドでは、圧電素子に電圧が印加されることにより圧電素子は液室の壁の一部を形成する振動板を変形させるように振動し、その振動板の変形により液室内の液体が加圧され、ノズルから液体を吐出させることができる。
従来技術において、良好な圧電素子を得る目的で、振動板を積層構造とする技術が知られている。例えば特許文献１において、振動板は圧縮応力を有する膜とシリコン窒化膜とを含み、下部電極は（１１１）配向を有する層を含み、前記シリコン窒化膜上に形成された金属酸化膜を最表層とする多層構造が開示されている。また、特許文献１では、振動板の層全体で所望の振動板剛性、及び応力になるように各振動板構成膜の膜厚を設定していることが開示されている。特許文献１によれば、振動板の積層構成を最適化することにより、振動板の剛性と膜応力を所望の値に設定することができるとしている。
しかしながら、従来技術では、振動板上に形成される圧電体膜に含まれる鉛（Ｐｂ）が振動板に拡散し、振動板の内部応力や剛性が設計時の狙いの値から変動してしまう問題があった。振動板の内部応力や剛性が設計時の狙いの値から変動すると、狙いの変位特性が得られず、安定した吐出特性が得られない。そのため、振動板の応力制御と、鉛の拡散による剛性変化の防止とを同時に実現することができ、良好な吐出特性が得られる技術が求められている。
そこで、本発明は、振動板の応力を制御でき、圧電体膜由来の鉛が振動板に拡散することにより生じる振動板の剛性変化を防止でき、良好な吐出特性が得られる圧電体薄膜素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の圧電体薄膜素子は、基板上に形成された振動板と、前記振動板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、Ｐｂを含む圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を有し、前記振動板は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、及び、金属酸化物を含み前記圧電体膜のＰｂを捕捉可能なアモルファス層がこの順に積層された積層体であり、前記アモルファス層の厚みは、前記圧電体膜のＰｂが前記窒化シリコン層に到達しない厚みであり、前記アモルファス層に含まれる金属酸化物は、酸化シリコンであることを特徴とする。
本発明によれば、振動板の応力を制御でき、圧電体膜由来の鉛が振動板に拡散することにより生じる振動板の剛性変化を防止でき、良好な吐出特性が得られる圧電体薄膜素子を提供することができる。
本発明の圧電体薄膜素子の一実施形態に係る断面を示す概略図である。 本発明の圧電体薄膜素子を有する液体吐出ヘッドの一実施形態に係る断面を示す概略図である。 本発明の圧電体薄膜素子を有する液体吐出ヘッドが連なった場合の一実施形態に係る断面を示す概略図である。 本発明の圧電体薄膜素子の一実施形態に係る断面の電子顕微鏡写真である。 本発明の圧電体薄膜素子の他の実施形態に係る試料深さ方向における元素量の測定結果である。 振動板の各層の応力と膜厚の積算値と振動板の変位の関係を示す図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す液室短手方向の断面模式図である。 本発明に係る液体吐出ヘッドの一例を示す液室長手方向の断面模式図である。 本発明の液体吐出ヘッドの他の実施形態に係る外観斜視説明図である。 同じく分解斜視説明図である。 同じく断面斜視説明図である。 同じくフレーム部材を除く分解斜視説明図である。 同じく流路部分の断面斜視説明図である。 同じく流路部分の拡大断面斜視説明図である。 同じく流路部分の平面説明図である。 本発明に係るヘッドモジュールの一例の分解斜視説明図である。 同ヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一例の概略説明図である。 本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の他の例の要部平面説明図である。 同装置の要部側面説明図である。 本発明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。 本発明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。 本発明に係る液体を吐出する装置の一実施形態を示す斜視図である。 本発明に係る液体を吐出する装置の一実施形態を示す側面図である。
以下、本発明に係る圧電体薄膜素子、液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置及び圧電体薄膜素子の製造方法について図面を参照しながら説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限定されるものではなく、他の実施形態、追加、修正、削除など、当業者が想到することができる範囲内で変更することができ、いずれの態様においても本発明の作用・効果を奏する限り、本発明の範囲に含まれるものである。
本発明の圧電体薄膜素子は、基板上に形成された振動板と、前記振動板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、Ｐｂを含む圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を有し、前記振動板は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、及び、金属酸化物を含み前記圧電体膜のＰｂを捕捉可能なアモルファス層がこの順に積層された積層体であり、前記アモルファス層の厚みは、前記圧電体膜のＰｂが前記窒化シリコン層に到達しない厚みであることを特徴とする。
本発明においては、振動板に圧縮応力を有する酸化シリコン層と引張応力を有する窒化シリコン層を用いることにより、振動板の応力を所望の値に制御することができる。また、振動板に所定の厚みのアモルファス層を用いることにより、例えば圧電体膜に用いられるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から拡散した鉛（Ｐｂ）が酸化シリコン層や窒化シリコン層に侵入することを防ぐことができる。これにより、鉛の拡散により生じる振動板の剛性変化を防止することができ、応力制御を狙いの値に維持し、良好な吐出特性を得ることができる。
従って、本発明によれば、振動板の応力を制御でき、圧電体膜由来の鉛が振動板に拡散することにより生じる振動板の剛性変化を防止でき、良好な吐出特性を得ることができる。
（圧電体薄膜素子）
図１に本実施形態の圧電体薄膜素子の断面概略図を示す。圧電体薄膜素子１０は、基板１１上の下地膜として基板１１上に成膜された成膜振動板である振動板１２と、振動板１２上に形成された密着層１３と、密着層１３上に形成された下部電極２１と、下部電極２１上に形成された圧電体膜１６と、圧電体膜１６上に形成された上部電極２２とを有している。また、図２及び図３に本実施形態の圧電体薄膜素子を備える液体吐出ヘッドの断面概略図を示す。
このとき、下部電極２１は、振動板１２上に、密着層１３を介して間接的に形成されている。ただし、密着層１３を省略して下部電極２１を振動板１２上に直接形成しても良い。また、密着層１３は下部電極２１に含まれる構成であっても良く、図２、図３では密着層１３の図示が省略されている。また、本実施形態における振動板１２は基板１１上に直接形成されている。
本実施形態において、圧電体薄膜素子１０は圧電体膜１６を圧電膜として備えた圧電素子となっており、上部電極２２は個別電極となっている。
＜基板＞
基板１１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、本構成においては、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。
図２、図３に示した圧力室３１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５４．７４°の傾斜を持つ構造体が作製されるのに対して、面方位（１１０）では深い溝をほることが可能であるため、より剛性を保ちつつ、配列密度を高くすることが可能であることがわかっている。よって本構成としては（１１０）の面方位を持った単結晶基板を使用することも可能である。ただし、この場合、マスク材であるＳｉＯ２もエッチングされてしまうため、この点に留意する。
振動板１２は、圧電体膜１６によって発生した力を受けて変形変位し、圧力室３１内のインクをインク滴として吐出させる。そのため、振動板１２は所定の強度を有したものであることが好ましい。
＜振動板＞
本実施形態の振動板は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、アモルファス層の順に積層された積層体である。このような層構成とすることで、硬さ（剛性）を確保するとともに、応力を制御することで振動板に圧電素子を形成した状態の構造体の撓み量を調整することができる。膜厚は応力が所望の値になるように決定される。
酸化シリコン層（シリコン酸化膜とも称する）は、振動板における圧縮応力を有する層として機能し、所定の厚みを有することで振動板の剛性を確保することができる。また、エッチングのストップ層としての機能も付与することができる。
酸化シリコン層の厚みとしては、例えば０．６μｍ～２．０μｍであることが好ましい。この範囲であると、振動板の応力を所望の値に制御しやすくなる。
窒化シリコン層（シリコン窒化膜とも称する）は、振動板における引張応力を有する層として機能する。
窒化シリコン層の厚みとしては、例えば０．０５μｍ～０．３μｍ以下であることが好ましい。この範囲であると、振動板の応力を所望の値に制御しやすくなる。
アモルファス層は、金属酸化物を含み、例えば圧電体膜に用いられるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からの鉛（Ｐｂ）を捕捉可能な層（鉛拡散防止層、鉛トラップ層、鉛ブロック層などとも称する）として機能する。また、アモルファス層の厚みは、圧電体膜のＰｂが窒化シリコン層に到達しない厚みとしている。
振動板上に形成される電極層や圧電体膜では、結晶化している部分どうしの境界である結晶粒界が存在しているため、圧電体膜に使用される鉛が下層へと浸み出し、下層へ侵入してしまう。ＰＺＴ等を用いた場合の鉛が振動板における窒化シリコン層や酸化シリコン層に侵入すると、材料特性が変化し、設計した応力値が変化してしまう。これにより、振動板の変位や剛性が変化し、安定した吐出が得られなくなる。
これに対して、本実施形態におけるアモルファス（非結晶）構造を有するアモルファス層を振動板における酸化シリコン層、窒化シリコン層上に設けることにより、ＰＺＴからの鉛が下層である窒化シリコン層や酸化シリコン層に侵入することを抑制することができる。アモルファス層がＰＺＴからの鉛を捕捉（トラップ）することにより、下層である窒化シリコン層や酸化シリコン層に侵入することを抑制することができる。
図４に、本実施形態における圧電体薄膜素子の断面のＴＥＭ（透過電子顕微鏡）画像の一例を示す。図４では、振動板１２におけるアモルファス層１２ａ上に、密着層１３が形成された場合の例が示されている。なお、数値は膜厚の一例であり、これに限られるものではない。
ここでは例として、密着層１３にＴｉＯ２を用い、アモルファス層１２ａとしてＳｉＯ２を用いた場合を示している。図中、ＨＴＯはHigh Temperature Oxideの略である。
密着層１３には結晶粒界４１が形成されており、圧電体膜からの鉛が結晶粒界４１を通過し、振動板へと拡散していく。図示されるように、アモルファス層１２ａが形成されていることにより、拡散してきた鉛はアモルファス層１２ａにトラップされる。トラップされた鉛は図中、黒い影で示される部分であり、符号５１で示している。本実施形態のように、アモルファス層１２ａの厚みを圧電体膜のＰｂが窒化シリコン層に到達しない厚みとしているため、振動板における酸化シリコン層、窒化シリコン層への影響を抑制することができる。
図５に、ＧＤＯＥＳ（グロー放電発光分光法）を用いて、試料の深さ方向における元素の定量分析を行った結果の一例を示す。縦軸は元素量（ａｔｍ％）を示し、横軸はスパッタ時間を示している。スパッタ時間は試料の深さに相当する。図５に示される例では、圧電体膜としてＰＺＴを用い、下部電極層としてＰｔ及びＴｉＯ２（密着層）を用い、アモルファス層としてＳｉＯ２を用いている。
図示されるように、アモルファス層に鉛が侵入しているが、アモルファス層における含有率（ａｔｍ％）が試料の深さ方向へいくにつれて減少していることがわかる。ここでは、アモルファス層における半分程度の深さ部分までにＰｂの含有率（ａｔｍ％）が急激に減少している。従って、アモルファス層は鉛拡散防止層として機能していることがわかる。
なお、図５では、アモルファス層で１０ａｔｍ％に収束しているように見えるが、測定の原理上、測定する際に上層のＰＺＴのＰｂを検出してしまうため、実際に含まれる量よりも高い値が検出される。
アモルファス層における圧電体膜のＰｂが窒化シリコン層に到達しない厚みの数値としては、圧電体膜におけるＰｂの量やアモルファス層の構成等により変更されるため、一概に規定することは難しいが、４０ｎｍ以上であることが好ましい。４０ｎｍ以上であると、圧電体膜のＰｂが窒化シリコン層に到達することを防ぎやすくなる。
アモルファス層における圧電体膜のＰｂが窒化シリコン層に到達しない厚みは、圧電体膜の形成条件によっても調整される。例えば、圧電体膜にＰＺＴを用いる場合、ＰＺＴ前駆体溶液において、Ｐｂの量がＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝４％～１０％である場合、アモルファス層の厚みを２０ｎｍ～８０ｎｍとすることが好ましい。この場合、良好な圧電体膜が得られるのと同時に、窒化シリコン層への鉛の拡散を確実に防止することができる。
また、圧電体膜の結晶状態によって結晶粒界の状態が変わり、結晶粒界の状態によって鉛が下層へと拡散する度合いが異なってくる。圧電体膜の結晶状態は、例えば結晶化熱処理の温度等によって異なり、例えば結晶化熱処理の温度が６５０℃～７５０℃である場合、アモルファス層の厚みを２０ｎｍ～８０ｎｍとすることが好ましい。この場合、良好な圧電体膜が得られるのと同時に、窒化シリコン層への鉛の拡散を確実に防止することができる。
アモルファス層に含まれる金属酸化物としては、ＰＺＴに含まれる鉛をトラップできれば特に制限されるものではないが、中でも酸化シリコン、酸化アルミニウムが好ましい。
アモルファス層の厚みの上限としては、圧電体膜におけるＰｂの量やアモルファス層の構成等により変更されるため、一概に規定することは難しいが、製膜時間を考慮して適度な上限値を設定したり、応力調整の関係で上限値を設定する。アモルファス層をできるだけ薄く形成することにより、鉛が侵入してアモルファス層にトラップされても、振動板全体の応力への影響を小さくすることができる。上限値としては、一概に規定することは難しいが、例えば、３００ｎｍ以下とすることが好ましい。
アモルファス構造を有しているかどうかについては、断面ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）分析を行うことで、判定可能である。
振動板は、例えばＬＰＣＶＤ（Ｌｏｗ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、熱処理成膜法等を用いて形成することができる。
振動板におけるアモルファス層の作製方法では、例えばＣＶＤやＡＬＤ等の手法を用いることが好ましい。
振動板の成膜の一例としては、まず、シリコン単結晶の基板に、熱処理製膜法でシリコン酸化膜を成膜する。続けて同様にＬＰＣＶＤ法でシリコン窒化膜を成膜し、次いでＡＬＤ法によりアモルファス層を成膜することで振動板を形成することができる。
振動板における酸化シリコン層の厚みと、窒化シリコン層の厚みの関係としては、適宜変更することが可能であるが、酸化シリコン層の厚みが窒化シリコン層の厚みよりも大きいことが好ましい。
図６に振動板の各層の応力と膜厚の積算値と、圧電素子１２に電圧印加時の圧電素子１２と対向する加圧液室１５に面する振動板の変位の関係を示す。図示されるように、応力と変位に相関があり、圧縮応力が大きいほど変位は大きくなる。
なお、積算値は、酸化シリコン層の応力値×酸化シリコン層の膜厚＋窒化シリコン層の応力値×窒化シリコン層の膜厚として求めている。
一般的に、酸化シリコンよりも窒化シリコンの方が応力の絶対値が大きい。このため、本実施形態のように、圧縮応力を有する酸化シリコン層の厚みを、引張応力を有する窒化シリコン層の厚みよりも大きくすることで、応力の合計を０に近づけることができる。酸化シリコン層と窒化シリコン層の応力の合計を０に近づけることにより、振動板における変位量を確保しつつ、適度な剛性を有することができる。
＜電極＞
次に、下部電極２１としては、（１１１）配向を有する層であることが好ましい。ただし、下部電極２１が密着層１３を含むように構成される場合には、密着層１３を除く部分あるいは全体を、（１１１）配向を有する層とするとすることが好ましい。この点において、下部電極２１は、（１１１）配向を有する層を含む。下部電極２１の材質としては、例えばＰｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３から選ばれる少なくとも１種類を主成分とする金属もしくは金属酸化物、またはこれらの組み合わせが挙げられる。
下部電極２１を構成す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る。よって、下部電極２１を構成する金属材料としては、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。
下部電極２１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。下部電極２１の膜厚としては、０．０５～１μｍが好ましく、０．１～０．５μｍがさらに好ましい。またこのとき、圧電体膜１６としてＰＺＴを選択したときは、その結晶性として（１１１）配向を有していることが好ましい。そのため、下部電極２１の材料としては、（１１１）配向性が高いＰｔが挙げられる。
密着層１３としては、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ、Ｔａ３Ｎ５等が挙げられ、下部電極２１より先に積層することによって形成されている。これにより、振動板１２によって形成されている下地と、下部電極２１との密着性を向上させることができる。
上部電極２２の構成には特に制限はなく、上部電極２２の材料としては、下部電極２１で例示した材料、Ａｌ、Ｃｕ等の、一般に半導体プロセスで用いられる材料及びその組み合わせが挙げられる。
＜圧電体膜（電気機械変換膜）＞
圧電体膜１６の構成として、ＰＺＴが挙げられる。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ３）との固溶体で、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ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３との比率が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。
これら材料は一般式ＡＢＯ３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。その例として（Ｐｂ１－ｘ，Ｂａｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ１－ｘ，Ｓｒｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３が挙げられ、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。上記材料の作製方法としては、スパッタ法もしくは、ゾルゲル法を用いてスピンコーターにて作製することが可能である。その場合は、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が得られる。
ＰＺＴをゾルゲル法により作製した場合、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が得られることで、ＰＺＴ前駆体溶液が作製される。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の安定化剤を適量、添加しても良い。
下地基板全面に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が好ましい。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例えば１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように前駆体濃度を調整することが好ましい。
また、インクジェット工法により作製していく場合については、下部電極２１と同様の作製フローにてパターニングされた膜を得ることが可能である。表面改質材については、下地である下部電極２１の材料によっても異なるが、酸化物を下地とする場合は主にシラン化合物が選ばれ、金属を下地とする場合は主にアルカンチオールが選ばれる。
圧電体膜１６の膜厚としては０．５～５μｍが好ましく、さらに好ましくは１μｍ～２μｍとなる。この範囲より小さいと十分な変位を発生することができなくなり、この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。
＜圧電体薄膜素子の製造例＞
本実施形態の圧電体薄膜素子の製造方法は、基板上に形成された振動板と、前記振動板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、Ｐｂを含む圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を有する圧電体薄膜素子の製造方法であって、前記基板上に、酸化シリコン層、窒化シリコン層、及び、金属酸化物を含み前記圧電体膜のＰｂを捕獲可能なアモルファス層をこの順に形成することにより前記振動板を形成する振動板形成工程を含み、振動板形成工程は、前記アモルファス層の厚みとして、前記圧電体膜のＰｂが前記窒化シリコン層に到達しない厚みとなるように前記アモルファス層を形成する。上記と記載が重複する箇所もあるが、液体吐出ヘッドの製造方法の具体例と合わせて後述する。
（液体吐出ヘッド、ヘッドモジュール、液体吐出ユニット、液体を吐出する装置）
本実施形態の液体吐出ヘッドについて説明する。
図２、図３に示すように、圧電体薄膜素子１０は、液体噴射ヘッドである液体吐出ヘッド３０の一部として用いることが可能である。なお、図２に示す液体吐出ヘッド３０はノズルの構成の一例の概略であり、図３は図２に示したエレメントを複数個配列して形成された液体吐出ヘッド３０の概略を示している。
液体吐出ヘッド３０は、その駆動源として機能する圧電体薄膜素子１０の他、エッチングして形成された基板１１と、インクを収容するインク室である加圧室としての圧力室３１と、圧力室３１内のインクを液滴状に吐出するインク吐出口としてのノズル孔であるノズル３２を備えたインクノズルとしてのノズル板３３とを有している。
なお、基板１１をエッチングすることにより、圧力室３１となるキャビティーを形成し、前記キャビティーの上に基板を跨いで振動板を配置してもよい。
液体吐出ヘッド３０は、圧電体薄膜素子１０が駆動することにより、ノズル３２からインク等の液体を吐出する。具体的には、液体吐出ヘッド３０は、下部電極２１、上部電極２２に給電されることで圧電体膜１６に応力が発生し、これによって振動板１２を振動させ、この振動に伴って、ノズル３２を通じ圧力室３１内の液体（例えばインク）を液滴状に吐出する。なお、圧力室３１内にインクを供給するインク供給手段である液体供給手段、インクの流路、流体抵抗についての図示及び説明は省略している。
また、圧電体薄膜素子１０は、簡便な製造工程で形成可能であり、バルクセラミックスと同等の性能を持つとともに、その後の圧力室３１形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル３２を有するノズル板３３を接合することで、液体吐出ヘッド３０が製造可能である。
次に、液体吐出ヘッドの別形態について説明する。
図７は、本発明に係る液体吐出ヘッドの一実施形態における加圧液室１５の短手方向の断面模式図であり、図８は、同実施形態における加圧液室１５の長手方向の断面模式図である。
図７、図８に示すように、本実施形態に係る液体吐出ヘッドは、アクチュエータ基板１００に、共通液室１８、加圧液室１５、振動板１３、液体を吐出させるためのエネルギーを発生する圧電素子１２を形成している。また、共通液室１８に連通する各加圧液室１５は加圧液室隔壁１４で仕切られている。
圧電素子１２は電気機械変換膜２０が共通電極１０、個別電極１１に挟まれており、各電極層に配線層４２（引き出し配線）を積層し電圧を印加する。加圧液室１５は、一側を振動板１３により覆われ、他側をノズル基板３００により覆われることにより形成されている。これらアクチュエータ基板１００、支持基板２００、ノズル基板３００を接合することにより、液体吐出ヘッドが形成されている。
このように形成された液体吐出ヘッドにおいては、各加圧液室１５内に液体、例えば記録液（インク）が満たされ、制御部から画像データに基づいて、吐出を行うノズル１６に対応する個別電極１１に対して、発振回路により、引き出し配線、層間絶縁膜に形成された接続孔（図示せず）を介して例えば２０Ｖのパルス電圧を印加する。この電圧パルスを印加することにより、圧電素子１２は、電歪効果により圧電素子１２そのものが振動板１３と平行方向に縮むことにより、振動板１３が加圧液室１５方向に撓む。
これにより、加圧液室１５内の圧力が急激に上昇して、加圧液室１５に連通するノズル１６から記録液が吐出する。
次にパルス電圧印加後は、縮んだ圧電素子１２が元に戻ることから撓んだ振動板１３は元の位置に戻る。このため、加圧液室１５内が共通液室１８内に比べて負圧となり、外部から液体供給口６６を介して供給されているインクが共通液体供給路１９、共通液室１８から流体抵抗部１７を介して加圧液室１５に供給される。これを繰り返すことにより、液体を連続的に吐出でき、液体吐出ヘッドに対向して配置した被記録媒体（用紙）に画像を形成する。
次に、上記本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法について、具体例を挙げつつ説明する。
アクチュエータ基板１００として面方位（１１０）のシリコン単結晶基板（例えば板厚４００μｍ）上に振動板を成膜する。この振動板は、材料としてＬＰ－ＣＶＤ法でシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、さらにアモルファス層の３層を積層した積層体である。
アモルファス層としては、シリコン酸化膜やアルミニウム酸化膜が好ましいが、上部に成膜されるＰＺＴに含まれるＰｂをトラップできれば前記膜種に限定されない。
ただし、Ｐｂ拡散を確実に防止するために４０ｎｍ以上の膜厚があることが望ましい。
その後、例えば、ＴｉＯ２からなる密着層とＰｔからなる下部電極をスパッタ法で各々２０ｎｍと１６０ｎｍ成膜する。
次いで、共通電極１０上に圧電体１２としてＰＺＴを例えばスピンコート法で複数回に分けて成膜し、最終的に２μｍ厚成膜する。
ここで、圧電体１２の成膜方法は、スピンコート法に限らず、例えばスパッタ法、イオンプレーティング法、エアーゾル法、ゾルゲル法、あるいはインクジェット法等などで成膜してもよい。
次いで、ＳＲＯとＰｔからなる上部電極１１をスパッタ法で各々４０ｎｍと１００ｎｍ成膜する。
次いで、リソエッチ法により、後に形成する加圧液室１５に対応する位置に圧電体素子１２と個別電極１１を形成する。また接合部４８に対応する位置に圧電素子１２を形成する。
次いで、共通電極１０、圧電素子１２と後に形成する引き出し配線４２とを絶縁するために層間絶縁膜４５を成膜する。層間絶縁膜４５は、例えばプラズマＣＶＤ法でＳｉＯ２膜を１０００ｎｍ成膜する。層間絶縁膜は、圧電素子１２や電極材料に影響を及ぼさず、絶縁性を有する膜であれば、プラズマＣＶＤ法のＳｉＯ２以外の膜でもよい。
次いで、個別電極１１と引き出し配線４２とを接続する接続孔３０をリソエッチ法で形成する。
ここで図示していないが、共通電極１０も引き出し配線４２と接続する場合は、同様に接続孔を形成する。
次いで、引出配線４２として、例えばＴｉＮ／Ａｌを各々膜厚３０ｎｍ／３μｍをスパッタ法で成膜する。ＴｉＮは、接続孔３０底部で、個別電極１１、あるいは共通電極１０の材料であるＰｔが、引き出し配線４２の材料であるＡｌが直接接することにより、後の工程による熱履歴で合金化し、体積変化によるストレスによる膜剥がれ等を防止するために、合金化を防ぐバリア層５１として適用している。
また、後の支持基板２００との接合部４９となる箇所にも配線層４２を形成する。
次いで、パッシベーション膜５０として、例えばプラズマＣＶＤ法でシリコン窒化膜を１０００ｎｍ厚成膜する。
次いで、リソエッチ法で、引き出し配線４２の引き出し配線パッド部４１とアクチュエータ部６８、及び共通液滴流路１９の開口を行う。
次いで、リソエッチ法により、共通液室流路１９、後の共通液室１８部になる箇所の振動板１３を除去する。
次いで、アクチュエータ部６８に対応した位置にリソエッチ法によりザグリ６７を設け、本流液室６８と支流液室６６を形成し、さらに支流液室６６の側壁にラウンド部７０を形成した支持基板２００を作製する。このときドライエッチング法によりＳｉ加工を行う。
その後、支持基板２００とアクチュエータ基板１００を接合部４７、接合部４８を介して接着剤で接合する。このとき、接着剤は、一般的な薄膜転写装置により、支持基板２００側に厚さ１μｍ程度塗布している。
その後、加圧液室１５、共通液室１８、流体抵抗部１７を形成するためにアクチュエータ基板１００を所望の厚さｔ（例えば厚さ８０μｍ）になるように、公知の技術で研磨する。研磨法以外にもエッチングなどでもよい。
次いで、リソ法により、加圧液室５、共通液室８、流体抵抗部７以外の隔壁部をレジストで被覆する。その後、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液、あるいはＴＭＨＡ溶液）で異方性ウェットエッチを行い、加圧液室５、共通液室８、流体抵抗部７を形成する。アルカリ溶液による異方エッチ以外にＩＣＰエッチャーを用いたドライエッチで加圧液室１５、共通液室１８、流体抵抗部１７を形成してもよい。
次いで、別に形成した各加圧液室１５に対応した位置にノズル孔１６を開口したノズル基板３００を接合することにより液体吐出ヘッドが完成する。
次に、液体吐出ヘッドの別形態について説明する。本実施形態について図９ないし図１５を参照して説明する。図９は同実施形態に係る液体吐出ヘッドの外観斜視説明図、図１０は同じく分解斜視説明図、図１１は同じく断面斜視説明図である。図１２は同じくフレーム部材を除く分解斜視説明図、図１３は同じく流路部分の断面斜視説明図、図１４は同じく流路部分の拡大断面斜視説明図である。図１５は同じく流路部分の平面説明図である。
この液体吐出ヘッド１は、ノズル板１０と、流路板（個別流路部材）２０と、振動板部材３０と、共通流路部材５０と、ダンパ部材６０と、フレーム部材８０と、駆動回路１０２を実装した基板（フレキシブル配線基板）１０１などを備えている。
ノズル板１０には、液体を吐出する複数のノズル１１を有している。複数のノズル１１は、二次元状にマトリクス配置され、図１５に示すように、第１方向Ｆ、第２方向Ｓ及び第３方向Ｔの三方向に並んで配置されている。
個別流路部材２０は、複数のノズル１１に各々連通する複数の圧力室（個別液室）２１と、複数の圧力室２１に各々通じる複数の個別供給流路２２と、複数の圧力室２１に各々通じる複数の個別回収流路２３とを形成している。１つの圧力室２１及びこれに通じる個別供給流路２２と個別回収流路２３を併せて個別流路２５と称する。
振動板部材３０は、圧力室２１の変形な可能な壁面である振動板３１を形成し、振動板３１には圧電素子４０が一体に設けられている。また、振動板部材３０には、個別供給流路２２に通じる供給側開口３２と、個別回収流路２３に通じる回収側開口３３とが形成されている。圧電素子４０は、振動板３１を変形させて圧力室２１内の液体を加圧する圧力発生手段である。
なお、個別流路部材２０と振動板部材３０とは、部材として別部材であることに限定さるものではない。例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を使用して個別流路部材２０及び振動板部材３０を同一部材で一体に形成することができる。つまり、シリコン基板上に、シリコン酸化膜、シリコン層、シリコン酸化膜の順に成膜されたＳＯＩ基板を使用し、シリコン基板を個別流路部材２０とし、シリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜とで振動板３１を形成することができる。この構成では、ＳＯＩ基板のシリコン酸化膜、シリコン層及びシリコン酸化膜の層構成が振動板部材３０となる。このように、振動板部材３０は個別流路部材２０の表面に成膜された材料で構成されるものを含む。
共通流路部材５０は、２以上の個別供給流路２２に通じる複数の共通供給流路支流５２と、２以上の個別回収流路２３に通じる複数の共通回収流路支流５３とを、ノズル１１の第２方向Ｓに交互に隣接して形成している。
共通流路部材５０には、個別供給流路２２の供給側開口３２と共通供給流路支流５２を通じる供給口５４となる貫通孔と、個別回収流路２３の回収側開口３３と共通回収流路支流５３を通じる回収口５５となる貫通孔が形成されている。
また、共通流路部材５０は、複数の共通供給流路支流５２に通じる１又は複数の共通供給流路本流５６と、複数の共通回収流路支流５３に通じる１又は複数の共通回収流路本流５７を形成している。
ダンパ部材６０は、共通供給流路支流５２の供給口５４と対面する（対向する）供給側ダンパ６２と、共通回収流路支流５３の回収口５５と対面する（対向する）回収側ダンパ６３を有している。
ここで、共通供給流路支流５２及び共通回収流路支流５３は、同じ部材である共通流路部材５０に交互に並べて配列された溝部を、ダンパ部材６０の供給側ダンパ６２又は回収側ダンパ６３で封止することで構成している。なお、ダンパ部材６０のダンパ材料としては、有機溶剤に強い金属薄膜又は無機薄膜を用いることが好ましい。ダンパ部材６０の供給側ダンパ６２、回収側ダンパ６３の部分の厚みは１０μｍ以下が好ましい。
次に、本発明に係るヘッドモジュールの一例について図１６及び図１７を参照して説明する。図１６は同ヘッドモジュールの分解斜視説明図、図１７は同ヘッドモジュールのノズル面側から見た分解斜視説明図である。
ヘッドモジュール１００は、液体を吐出する液体吐出ヘッドである複数のヘッド１と、複数のヘッド１を保持するベース部材１０３と、複数のヘッド１のノズルカバーとなるカバー部材１１３とを備えている。
また、ヘッドモジュール１００は、放熱部材１０４と、複数のヘッドに対して液体を供給する流路を形成しているマニホールド１０５と、フレキシブル配線部材１０１と接続するプリント基板（ＰＣＢ）１０６と、モジュールケース１０７とを備えている。
次に、本発明に係る液体を吐出する装置の一例について図１８を参照して説明する。図１８は同装置の概略説明図である。
この液体を吐出する装置である印刷装置５００は、連続体５１０を搬入する搬入手段５０１と、搬入手段５０１から搬入された連続体５１０を印刷手段５０５に案内搬送する案内搬送手段５０３と、連続体５１０に対して液体を吐出して画像を形成する印刷を行う印刷手段５０５と、連続体５１０を乾燥する乾燥手段５０７と、連続体５１０を搬出する搬出手段５０９などを備えている。
連続体５１０は搬入手段５０１の元巻きローラ５１１から送り出され、搬入手段５０１、案内搬送手段５０３、乾燥手段５０７、搬出手段５０９の各ローラによって案内、搬送されて、搬出手段５０９の巻取りローラ５９１にて巻き取られる。
この連続体５１０は、印刷手段５０５において、搬送ガイド部材５５９上をヘッドユニット５５０に対向して搬送され、ヘッドユニット５５０から吐出される液体によって画像が印刷される。なお、ヘッドユニットは液体吐出ユニットの一実施形態である。
次に、本発明に係る液体を吐出する装置としての印刷装置の他の例について図１９及び図２０を参照して説明する。図１９は同装置の要部平面説明図、図２０は同装置の要部側面説明図である。
この印刷装置５００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、本発明に係る液体吐出ヘッドであるヘッド１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のヘッド１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。また、液体吐出ヘッド１は、複数のノズル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１は、液体循環装置と接続されて、所要の色の液体が循環供給されていてもよい。
この印刷装置５００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を吸着してヘッド１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、あるいは、エアー吸引など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。
さらに、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１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、例えばヘッド１のノズル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などで構成されている。
主走査移動機構４９３、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印刷装置５００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ヘッド１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。
次に、本発明に係る液体吐出ユニットの他の例について図２１を参照して説明する。図２１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４４０、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、ヘッド１で構成されている。
なお、この液体吐出ユニット４４０の例えば側板４９１Ｂに、前述した維持回復機構４２０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、本発明に係る液体吐出ユニットの更に他の例について図２２を参照して説明する。図２２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４４０は、流路部品４４４が取付けられたヘッド１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。また、流路部品４４４の上部には液体吐出ヘッド１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、吐出される液体は、ヘッドから吐出可能な粘度や表面張力を有するものであればよく、特に限定されないが、常温、常圧下において、または加熱、冷却により粘度が３０ｍＰａ・ｓ以下となるものであることが好ましい。より具体的には、水や有機溶媒等の溶媒、染料や顔料等の着色剤、重合性化合物、樹脂、界面活性剤等の機能性付与材料、ＤＮＡ、アミノ酸やたんぱく質、カルシウム等の生体適合材料、天然色素等の可食材料、などを含む溶液、懸濁液、エマルジョンなどであり、これらは例えば、インクジェット用インク、表面処理液、電子素子や発光素子の構成要素や電子回路レジストパターンの形成用液、３次元造形用材料液等の用途で用いることができる。
液体を吐出するエネルギー発生源として、圧電アクチュエータ（積層型圧電素子及び薄膜型圧電素子）、発熱抵抗体など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などを使用するものが含まれる。
「液体吐出ユニット」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が含まれる。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、液体循環装置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などが含まれる。
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、係合など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。また、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、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。また、チューブなど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。
また、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。
また、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。また、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。
また、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。
また、液体吐出ユニットとして、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。このチューブを介して、液体貯留源の液体が液体吐出ヘッドに供給される。
主走査移動機構は、ガイド部材単体も含むものとする。また、供給機構は、チューブ単体、装填部単体も含むものする。
なお、ここでは、「液体吐出ユニット」について、液体吐出ヘッドとの組み合わせで説明しているが、「液体吐出ユニット」には上述した液体吐出ヘッドを含むヘッドモジュールやヘッドユニットと上述したような機能部品、機構が一体化したものも含まれる。
「液体を吐出する装置」には、液体吐出ヘッド、液体吐出ユニット、ヘッドモジュール、ヘッドユニットなどを備え、液体吐出ヘッドを駆動させて液体を吐出させる装置が含まれる。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、後処理装置など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。
また、「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などを意味する。具体例としては、用紙、記録紙、記録用紙、フィルム、布などの被記録媒体、電子基板、圧電素子などの電子部品、粉体層（粉末層）、臓器モデル、検査用セルなどの媒体であり、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、セラミックスなど液体が一時的でも付着可能であればよい。
また、「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などが含まれる。
また、「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など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などがある。
なお、本願の用語における、画像形成、記録、印字、印写、印刷、造形等はいずれも同義語とする。
液体を吐出する装置の一例として、インクジェット記録装置を例に挙げてさらに説明する。本実施形態のインクジェット記録装置を図２３、図２４に示す。
このインクジェット記録装置９０は、装置本体の内部に走査方向に移動可能なキャリッジ９８とキャリッジ９８に搭載した液体吐出ヘッド１及び液体吐出ヘッド１へインクを供給するインクカートリッジ９９等で構成される印字機構部９１等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の用紙９２を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレーでもよい）９３を抜き差し自在に装着されている。また、用紙９２を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ９４を有し、給紙カセット９３あるいは手差しトレイ９４から給送される用紙９２を取り込み、印字機構部９１によって所要の画像を記録した後、後面側の装着された排紙トレイ９５に排紙する。
印字機構部９１は、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９６と従ガイドロッド９７とキャリッジ９８を主走査方向に摺動自在に保持し、このキャリッジ９８には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンダ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する液体吐出ヘッド１を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と交差する方向に配列し、インク滴吐出方向を下方に向けて装着している。また、キャリッジ９８には液体吐出ヘッド１に各色のインクを供給するための各インクカートリッジ９９を交換可能に装着している。
インクカートリッジ９９は、上方に大気と連通する大気口、下方には液体吐出ヘッド１へインクを供給する供給口が設けられ、内部にはインクが充填された多孔質体を有しており、多孔質体の毛管力により液体吐出ヘッド１へ供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、液体吐出ヘッド１としては各色の液体吐出ヘッド１を用いているが、各色のインク滴を吐出するノズルを有する１個の液出ヘッドでもよい。
ここで、キャリッジ９８は後方側（用紙搬送下流側）を主ガイドロッド９６に摺動自在に嵌装し、前方側（用紙搬送上流側）を従ガイドロッド９７に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ９８を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター１０１で回転駆動される駆動プーリ１０２と従動プーリ１０３との間にタイミングベルト１０４を張装し、このタイミングベルト１０４をキャリッジ９８に固定しており、主走査モーター１０１の正逆回転によりキャリッジ９８が往復駆動される。
一方、給紙カセット９３にセットした用紙９２を液体吐出ヘッド１に下方側に搬送するために、給紙カセット９３から用紙９２を分離給装する給紙ローラー１０５及びフリクションパッド１０６と、用紙９２を案内するガイド部材１０７と、給紙された用紙９２を反転させて搬送する搬送ローラー１０８と、この搬送ローラー１０８の周面に押し付けられる搬送コロ１０９及び搬送ローラー１０８からの用紙９２の送り出し角度を規定する先端コロ１１０とを有する。搬送ローラー１０８は副走査モーターによってギア列を介して回転駆動される。
そして、キャリッジ９８の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラー１０８から送り出された用紙９２を液体吐出ヘッド１の下方側で案内するため用紙ガイド部材である印写受け部材１１１を設けている。この印写受け部材１１１の用紙搬送方向下流側には、用紙９２を排紙方向へ送り出すための回転駆動される搬送コロ１１２と拍車１１３を設け、さらに用紙９２を排紙トレイ９５に送り出す排紙ローラー１１４と拍車１１５と排紙経路を形成するガイド部材１１６、１１７とを配設している。
このインクジェット記録装置９０で記録時には、キャリッジ９８を移動させながら画像信号に応じて液体吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している用紙９２にインクを吐出して１行分を記録し、その後、用紙９２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９２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９２を排紙する。
また、キャリッジ９８の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、液体吐出ヘッド１の吐出不良を回復するための回復装置１１８を配置している。回復装置１１８はキャッピング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９８は印字待機中にはこの回復装置１１８側に移動されてキャッピング手段で液体吐出ヘッド１をキャッピングして吐出口部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、安定した吐出状態を維持する。
また、吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段で液体吐出ヘッド１の吐出出口（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吐出する。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９０においては本発明で製造された液体吐出ヘッド１を搭載しているので、安定したインク吐出特性が得られ、画像品質が向上する。前記説明ではインクジェット記録装置９０に液体吐出ヘッド１を使用した場合について説明したが、インク以外の液体、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置等に液体吐出ヘッド１を適用してもよい。
以下、実施例及び比較例を示して本発明を更に具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。なお、実施例１とあるのは、本発明に含まれない参考例１とする。
（実施例１）
基板としてのシリコンウエハに振動板をＬＰＣＶＤ、ＡＬＤ法によって形成した。振動板は、具体的に、熱処理成膜法で厚さ１０００ｎｍのシリコン酸化膜を成膜し、その後、ＬＰＣＶＤ法で膜厚２４０ｎｍのシリコン窒化膜を成膜した。
次いで、ＡＬＤ法によってＡｌ２Ｏ３膜を成膜し、膜厚４０ｎｍのアモルファス層を形成した。
次いで、膜厚２０ｎｍのチタン膜による密着層を成膜し、ＲＴＡ法により酸化し酸化チタンとした。さらに下部電極として、膜厚１６０ｎｍの白金膜をスパッタ成膜した。このとき、白金膜のスパッタ成膜時の基板加熱温度については５５０℃にて成膜を実施した。
また、密着層であるチタン膜は、金属酸化膜（Ａｌ２Ｏ３膜）と白金膜との間の密着層となっている。
圧電体薄膜の作成にあたってはＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５３：４７の組成比で調合した溶液を準備した。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。
次に、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、上述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。前記ＰＺＴ前駆体溶液の濃度は０．５モル／リットルとした。
前記ＰＺＴ前駆体溶液を用いて、スピンコートにより圧電体薄膜を成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥をした後、４００℃で熱分解を行った。
３層目の熱分解処理後に、温度７００℃による結晶化熱処理を急速熱処理であるＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）により行った。このときＰＺＴの膜厚は２４０ｎｍであった。この工程を計８回実施し、２４層で約２μｍのＰＺＴ膜厚を得た。
次に、上部電極として膜厚４０ｎｍのＳｒＲｕＯ３膜、さらに膜厚１２５ｎｍの白金Ｐｔ膜をスパッタ成膜した。
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、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（サムコ社製）を用いてパターンを作製した。
以上のようにして、圧電体薄膜素子を作製した。
得られた圧電体薄膜素子に対して、ＴＥＭ（透過電子顕微鏡）により断面を観察したところ、図４に示すような画像が得られた。図示されるように、アモルファス層により圧電体膜からのＰｂがトラップされていた。
得られた圧電体薄膜素子を用いて、基板を構成しているシリコンウエハに加工を施し、圧力室とノズルを備えたノズル板を形成することにより、図７、図８に示すような液体吐出ヘッド作製した。得られた液体吐出ヘッドを用いて、吐出特性の評価を行ったところ、良好な吐出特性が得られた。
（実施例２）
実施例１において、アモルファス層をＡｌ２Ｏ３膜ではなく、ＳｉＯ２膜とした以外は実施例１と同様にして圧電体薄膜素子を作製した。実施例１と同様に液体吐出ヘッドを作製し、吐出特性の評価を行ったところ、良好な吐出特性が得られた。
（比較例１）
実施例１において、アモルファス層を３０ｎｍとし、圧電体膜の結晶化熱処理の温度を７５０℃とした以外は実施例１と同様にして圧電体薄膜素子を作製した。得られた圧電体薄膜素子について測定を行ったところ、アモルファス層にＰｂが侵入し、さらに下層のシリコン窒化膜にまでＰｂが到達していた。
（図１～図４の符号）
１０ 圧電体薄膜素子
１１ 基板
１２ 振動板
１３ 密着層
１６ 圧電体膜
２１ 下部電極
２２ 上部電極
３０ 液体吐出ヘッド
４１ 結晶粒界
５１ 鉛
（図７、図８の符号）
１０ 共通電極
１１ 個別電極
１２ 圧電素子
１３ 振動板
１４ 加圧隔壁
１５ 加圧液室
１６ ノズル
１８ 共通液室
１９ 共通液体供給路
２０ 電気機械変換膜
４２ 配線層
４５ 層間絶縁膜
４８ 接合部
４９ 接着剤
５０ パッシベーション膜
５１ バリア層
（図９～図２２の符号）
１ 液体吐出ヘッド
１０ ノズル板
１１ ノズル
２０ 個別流路部材
２１ 圧力室
２２ 個別供給流路
２３ 個別回収流路
３０ 振動板部材
４０ 圧電素子
５０ 共通流路部材
５２ 共通供給流路支流
５３ 共通回収流路支流
５４ 供給口
５５ 回収口
５６ 共通供給流路本流
５７ 共通回収流路本流
１００ ヘッドモジュール
４０３ キャリッジ
４４０ 液体吐出ユニット
５００ 印刷装置（液体を吐出する装置）
５５０ ヘッドユニット
（図２３、図２４の符号）
９０ インクジェット記録装置
９１ 印字機構部
９２ 用紙
９３ 給紙カセット
９４ 手差しトレイ
９５ 排紙トレイ
９６ 主ガイドロッド
９７ 従ガイドロッド
９８ キャリッジ
９９ インクカートリッジ
特開２０１４－１５４７４０号公報

Claims (10)

  1. 基板上に形成された振動板と、
    前記振動板上に形成された下部電極と、
    前記下部電極上に形成され、Ｐｂを含む圧電体膜と、
    前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を有し、
    前記振動板は、酸化シリコン層、窒化シリコン層、及び、金属酸化物を含み前記圧電体膜のＰｂを捕捉可能なアモルファス層がこの順に積層された積層体であり、
    前記アモルファス層の厚みは、前記圧電体膜のＰｂが前記窒化シリコン層に到達しない厚みであり、
    前記アモルファス層に含まれる金属酸化物は、酸化シリコンであることを特徴とする圧電体薄膜素子。
  2. 前記酸化シリコン層の厚みが、前記窒化シリコン層の厚みよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の圧電体薄膜素子。
  3. 前記アモルファス層は、厚みが４０ｎｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電体薄膜素子。
  4. 請求項１～３のいずれかに記載の圧電体薄膜素子を備えていることを特徴とする液体吐出ヘッド。
  5. 請求項４に記載の液体吐出ヘッドが複数配列されていることを特徴とするヘッドモジュール。
  6. 請求項４に記載の液体吐出ヘッド、又は、請求項５に記載のヘッドモジュールを含む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いず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４に記載の液体吐出ヘッド、請求項５に記載のヘッドモジュール、請求項６又は請求項７に記載の液体吐出ユニット、の少なくともいずれかを備えていることを特徴とする液体を吐出する装置。
  9. 基板上に形成された振動板と、前記振動板上に形成された下部電極と、前記下部電極上に形成され、Ｐｂを含む圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された上部電極と、を有する圧電体薄膜素子の製造方法であって、
    前記基板上に、酸化シリコン層、窒化シリコン層、及び、金属酸化物を含み前記圧電体膜のＰｂを捕捉可能なアモルファス層をこの順に形成することにより前記振動板を形成する振動板形成工程を含み、
    振動板形成工程は、前記アモルファス層の厚みとして、前記圧電体膜のＰｂが前記窒化シリコン層に到達しない厚みとなるように前記アモルファス層を形成し、
    前記アモルファス層に含まれる金属酸化物は、酸化シリコンであることを特徴とする圧電体薄膜素子の製造方法。
  10. 前記下部電極を形成した後に、前記下部電極上に前記圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を含み、
    前記圧電体膜形成工程は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）前駆体溶液の塗膜を形成し、熱処理を施し、
    前記ＰＺＴ前駆体溶液は、Ｐｂの量がＰｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）＝４％～１０％であり、
    前記熱処理は、６５０℃以上７５０℃以下で行う結晶化熱処理を含み、
    前記振動板形成工程は、前記アモルファス層の厚みを４０ｎｍ以上８０ｎｍ以下とすることを特徴とする請求項９に記載の圧電体薄膜素子の製造方法。
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