(57)【要約】【課題】層構成に新たな膜を設けることなく、インプリント現象の発生を抑制した信頼性の高い電気機械変換素子とする。【解決手段】圧力室４が形成される基板５上に、下部電極６、圧電膜７および上部電極８が順次形成された電気機械変換素子９において、上部電極８は、基板５における液室形成位置に相当する位置に形成される第一上部電極８ａと、該第一上部電極８ａと分離し、基板５における液室非形成位置に相当する位置に形成される第二上部電極８ｂと、からなる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液室が形成される基板上に、下部電極、圧電膜および上部電極が順次形成された電気機械変換素子において、
前記上部電極は、前記基板における液室形成位置に相当する位置に形成される第一上部電極と、
該第一上部電極と分離し、前記基板における液室非形成位置に相当する位置に形成される第二上部電極と、からなることを特徴とする電気機械変換素子。
【請求項２】
前記下部電極、前記圧電膜および前記第一上部電極の積層部をアクチュエータキャパシタ部とし、前記下部電極、前記圧電膜および前記第二上部電極の積層部を電荷補償キャパシタ部として、
前記第一上部電極および前記第二上部電極の各電極面積が異なり、
前記アクチュエータキャパシタ部と前記電荷補償キャパシタ部との静電容量比が所定範囲内とな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。
【請求項３】
前記下部電極、前記圧電膜および前記第一上部電極の積層部をアクチュエータキャパシタ部とし、前記下部電極、前記圧電膜および前記第二上部電極の積層部を電荷補償キャパシタ部として、
前記アクチュエータキャパシタ部の前記圧電膜と前記電荷補償キャパシタ部の前記圧電膜の各膜厚が異なり、
前記アクチュエータキャパシタ部と前記電荷補償キャパシタ部との静電容量比が所定範囲内となることを特徴とする請求項１または２に記載の電気機械変換素子。
【請求項４】
前記下部電極、前記圧電膜および前記第一上部電極の積層部をアクチュエータキャパシタ部とし、前記下部電極、前記圧電膜および前記第二上部電極の積層部を電荷補償キャパシタ部として、
前記アクチュエータキャパシタ部の前記圧電膜と前記電荷補償キャパシタ部の前記圧電膜の各組成が異なり、
前記アクチュエータキャパシタ部と前記電荷補償キャパシタ部との静電容量比が所定範囲内となることを特徴とする請求項１から３までのいずれかに記載の電気機械変換素子。
【請求項５】
液室が形成される基板上に、下部電極、圧電膜および上部電極を順次形成する電気機械変換素子の製造方法において、
前記上部電極として、前記基板における液室形成位置に相当する位置に第一上部電極を、
該第一上部電極と分離し、前記基板における液室非形成位置に相当する位置に第二上部電極を、形成することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
【請求項６】
前記下部電極、前記圧電膜および前記第一上部電極の積層部をアクチュエータキャパシタ部とし、前記下部電極、前記圧電膜および前記第二上部電極の積層部を電荷補償キャパシタ部として、
前記アクチュエータキャパシタ部の前記圧電膜と前記電荷補償キャパシタ部の前記圧電膜の各膜厚をインクジェットパターニング法により異なる厚みとなるように形成することを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換素子の製造方法。
【請求項７】
前記下部電極、前記圧電膜および前記第一上部電極の積層部をアクチュエータキャパシタ部とし、前記下部電極、前記圧電膜および前記第二上部電極の積層部を電荷補償キャパシタ部として、
前記アクチュエータキャパシタ部の前記圧電膜と前記電荷補償キャパシタ部の前記圧電膜の各組成をインクジェットパターニング法により異なる組成となるように形成することを特徴とする請求項５に記載の電気機械変換素子の製造方法。
【請求項８】
液室が形成される基板上に、下部電極、圧電膜および上部電極が順次形成される電気機械変換素子の駆動方法であって、
前記上部電極は、
前記基板における液室形成位置に相当する位置に形成される第一上部電極と、
該第一上部電極と分離し、前記基板における液室非形成位置に相当する位置に形成される第二上部電極とに分割され、
前記圧電膜を駆動させる際に、駆動電圧の印加を前記第一又は第二の上部電極の一方から前記下部電極を介して前記上部電極の分割された他方の電極に行うことを特徴とする電気機械変換素子の駆動方法。
【請求項９】
請求項１から４までのいずれかに電気機械変換素子を備えることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項１０】
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする画像形成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気機械変換素子、電気機械変換素子の製造方法、電気機械変換素子の駆動方法、液滴吐出ヘッドおよび画像形成装置。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置、これらの複合機等の画像形成装置として、例えば、液滴吐出ヘッド（液体吐出ヘッド）で構成した液滴吐出装置を用いて、記録材（以下、用紙ともいうが材質を限定するものではなく、記録媒体、シート、被記録媒体、記録用紙、転写材、記録紙なども同義で使用する）を搬送しながら、液体としてのインクを記録材に付着させて画像形成（記録、印刷、印写、印字も同義語で用いる）を行なう、いわゆるインクジェット方式の画像形成装置（以下、インクジェット記録装置ともいう）が知られている。なお、本明細書における「記録」には、文字や図形等の意味を持つ画像を被記録媒体に対して付与することだけでなく、パターン等の意味を持たない画像を被記録媒体に付与することも含むものとする。
【０００３】
この液滴吐出ヘッドとしては、例えば、インク滴を吐出する複数の並列されたノズルに個別に対応して配置された複数の液室を備え、該液室の少なくとも一部の壁面を振動板で形成し、この振動板を圧電素子等の電気機械変換素子により変形させ、液室の容積を変化させることによりインク滴を吐出させる圧電型の液滴吐出ヘッドが知られている。
【０００４】
上記電気機械変換素子として、圧電体薄膜（以下、圧電膜）を用いた電気機械変換素子（薄膜アクチュエータ）が知られている。電気機械変換素子は、片電界のパルスを印加することにより駆動するものであり、駆動に関し理想的には１０００億回以上の信頼性が要求されている。しかしながら、現状では、駆動回数の増加に伴い変位量が減少する劣化現象を避けることができない。この劣化現象は、圧電膜のインプリント現象（インプリント特性）と相関することが解明されている。インプリントとは、圧電素子の繰り返し駆動に伴って、分極反転しにくくなる現象である。
【０００５】
この点に関し、例えば、特許文献１では、強誘電体メモリのインプリント対策としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Ｐｂ（Ｚｒｘ，Ｔｉ１−ｘ）Ｏ３）膜にＮｂを置換した材料を用いた強誘電体膜が開示されている。また、特許文献２においては、上記特許文献１の材料の薄膜化に関する技術が開示されている。
【０００６】
また、特許文献３には、インプリント特性が圧電体層に加わる応力により変化することから、あらかじめインプリント特性を見越して、圧電体層に加わる応力と反対の応力を印加するための応力発生層（金属クロム膜など）を配置させるアクチュエータ装置の製造方法が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１，２に示す技術では、強誘電体メモリとしてＰＺＴ膜厚が１５０ｎｍ程の薄い状況では作製が可能であるものの、電気機械変換素子（薄膜アクチュエータ）として使用される１μｍまたはそれ以上の膜厚に対しては成膜が困難である。
【０００８】
また、特許文献３に示す技術は、新たに別な膜を形成する必要があるため、素子構成が煩雑になるという課題があった。
【０００９】
そこで本発明は、圧電体薄膜を用いた電気機械変換素子において、層構成に新たな膜を設けることなく、インプリント現象の発生を抑制した信頼性の高い電気機械変換素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
かかる目的を達成するため、本発明に係る電気機械変換素子は、液室が形成される基板上に、下部電極、圧電膜および上部電極が順次形成された電気機械変換素子において、前記上部電極は、前記基板における液室形成位置に相当する位置に形成される第一上部電極と、該第一上部電極と分離し、前記基板における液室非形成位置に相当する位置に形成される第二上部電極と、からなるものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、層構成に新たな膜を設けることなく、インプリント現象の発生を抑制した信頼性の高い電気機械変換素子とすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】液滴吐出ヘッドの液室短手方向の断面図である。
【図２】液滴吐出ヘッドの上面図である。
【図３】液滴吐出ヘッドの一部を構成する電気機械変換素子の斜視図である。
【図４】インプリント現象の発生メカニズムを説明する説明図である。
【図５】（Ａ）初期状態、（Ｂ）インプリント現象による変化後の状態におけるＰ−Ｅヒステリシス曲線である。
【図６】（Ａ）初期状態、（Ｂ）インプリント現象による変化後の状態における電圧−変位量曲線である。
【図７】本実施形態に係る電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドの上面図である。
【図８】電気機械変換素子における電気的等価回路である。
【図９】電気機械変換素子の斜視図である。
【図１０】電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の一例を示す斜視説明図である。
【図１１】インクジェット記録装置の機構部の側面説明図である。
【図１２】初期特性のＰ−Ｅヒステリシス曲線である。
【図１３】試料１のパルス印加後のそれぞれのＰ−Ｅヒステリシス曲線である。
【図１４】試料２のパルス印加後のそれぞれのＰ−Ｅヒステリシス曲線である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明に係る構成を図１から図１４に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
本実施形態に係る電気機械変換素子（電気機械変換素子９）は、液室（圧力室４）が形成される基板（圧力室基板５）上に、下部電極（下部電極６）、圧電膜（圧電膜７）および上部電極（上部電極８）が順次形成された電気機械変換素子において、上部電極は、基板における液室形成位置に相当する位置に形成される第一上部電極（上部電極８ａ）と、該第一上部電極と分離し、基板における液室非形成位置に相当する位置に形成される第二上部電極（上部電極８ｂ）と、からなるものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。
【００１５】
（液滴吐出ヘッド）
先ず、本発明に係る構成の前提となる構成について説明する。インクジェット記録装置の液滴吐出ヘッドの基本となる構成の一例について、図１をおよび図２を参照して説明する。図１は液滴吐出ヘッドの液室短手方向の断面図、図２は液滴吐出ヘッドの上面図を示している。図３は、液滴吐出ヘッドの一部を構成する電気機械変換素子の斜視図である。
【００１６】
この液滴吐出ヘッド１は、インク滴を吐出するノズル２、ノズル２が形成されるノズル板３、このノズル２が連通する圧力室（加圧室、インク流路、加圧液室、吐出室、液室等とも称す）４、圧力室４が形成される圧力室基板（Ｓｉ基板、単に基板ともいう）５、圧力室４内のインクを加圧する圧電素子であって、下部電極（第１の電極）６、圧電膜（電気機械変換膜）７および上部電極（第２の電極）８からなる電気機械変換素子９、インク流路の壁面を形成する振動板１０から構成される。また、下部電極８には振動板１０との膜密着力を強めるための密着層１１が構成される。
【００１７】
この液滴吐出ヘッド１は、下部電極６と上部電極８とに電圧を印加して、圧電膜７の圧電効果により歪みを発生させて、振動板１０を変形させ、圧力室４内のインクを加圧することによってノズル２からインク滴を吐出させるものである。
【００１８】
（インプリント現象）
図４はインプリント現象の発生メカニズムを説明する説明図、図５はＰ−Ｅヒステリシス曲線を示し、（Ａ）初期状態と（Ｂ）インプリント現象による変化後の状態を示すグラフである。
【００１９】
図１に示した液滴吐出ヘッド１の電気機械変換素子９のように、圧電膜７を上部電極８及び下部電極６で挟んだ積層部の構成の素子は、コンデンサとみなすことができる。以下、これを圧電膜キャパシタ１２と呼ぶ。
【００２０】
図４（Ａ）に示すように、この電気機械変換素子９に片電界パルスを印加すると、初期においては圧電膜キャパシタ１２に充電、放電電流応答（ＯＮ／ＯＦＦ）が過不足無く行われる。
【００２１】
しかしながら、片電界パルス印加の繰返し回数の増加に伴い、図４（Ｂ）に示すように、本来放電されるべき電荷が圧電膜７の内部に固定化され、圧電膜キャパシタ１２に固定電荷が形成される（インプリント現象）。
【００２２】
このようにインプリント現象が生じた状態で、定格の電圧を印加しても、図４（Ｃ）に示すように、固定電荷による内部電界が駆動電界を遮蔽し、初期とは異なる変位を振動板１０に与えてしまう。具体的には、振動板１０の変位量の低下を招く。
【００２３】
ここで、圧電膜キャパシタ１２に固定電荷が形成されたか否かの判断は、所定量の片電界パルスを与えた後、正弦波の両電界印加と分極量との応答、すなわち、分極量（Ｐ［μＣ／ｃｍ２］）−電界（Ｅ［ｋＶ／ｃｍ］）ヒステリシス曲線の評価を行うことで判断することができる。
【００２４】
図５（Ｂ）に示すように、インプリント現象が生じた圧電膜キャパシタ１２は、図中の点線で示すように、図５（Ａ）に示す初期の曲線から電圧軸がシフトするような形状を示す。これは正負の抗電界値のシフト（Ｘ軸のシフト量）から判断できる。
【００２５】
図６（Ａ）、（Ｂ）に、図５（Ａ）、（Ｂ）のそれぞれの場合の電圧−変位量曲線を示す。図６（Ａ）に示す初期の電圧−変位量曲線と比較して、インプリント現象が発生した試料は、図６（Ｂ）の点線に示すように、シフトした位置での電圧−変位量曲線となる。
【００２６】
初期の電圧−変位量曲線の、片電界駆動による変位量をｄ１（初期変位量）とし、インプリント現象が発生したときの変位量をｄ２とすると、変位量の差ｄ３（ｄ１−ｄ２）が、劣化した変位量に相当する。すなわち、圧電膜キャパシタ１２においてインプリント現象が発生すると、電圧軸がシフトして変位の出発点が変化するため、結果として、変位量が減少することとなる。
【００２７】
（電気機械変換素子）
以上を前提として、本実施形態に係る電気機械変換素子およびこれを備えた液滴吐出ヘッドについて説明する。
【００２８】
図７に本実施形態に係る電気機械変換素子９を備えた液滴吐出ヘッド１の上面図を示す。本実施形態では、上部電極（第２の電極）８が分割されて２つの上部電極（対電極ともいう）８ａ、８ｂとなっている。なお、下部電極６は共通である。また、対電極８ａ、８ｂに対応する位置における圧電膜７を圧電膜７ａ、７ｂともいう。
【００２９】
なお、液滴吐出ヘッド１は、図１に示した液滴吐出ヘッド１と同様に、下部電極６の下に密着層１１、振動板１０、圧力室基板５、ノズル板３が形成されている。なお、圧力室４は、一方の対電極８ａの下部に設けられ、対電極８ｂの下部には設けられない（図７中に点線で示す）。
【００３０】
また、図８は図７に示す電気機械変換素子９における電気的等価回路を示している。図８に示すように、対電極８ａ、８ｂは、下部電極６で導通している。また、図９は、液滴吐出ヘッド１の一部を構成する電気機械変換素子９の斜視図である。
【００３１】
図７に示す電気機械変換素子９では、対電極である上部電極８ａ、８ｂにより、圧電膜キャパシタ１２は下部電極６上に２つ形成されることとなる。すなわち、下部電極６と、圧電膜７ａと、上部電極８の一方の電極８ａの積層部により形成される第１の圧電膜キャパシタ１２ａ、および、下部電極６と、圧電膜７ｂと、上部電極の他方の電極８ｂの積層部により形成される第２の圧電膜キャパシタ１２ｂの２つが形成される。
【００３２】
下部に圧力室４が設けられることでアクチュエータとして圧力室加工を施された部位の圧電膜キャパシタ１２ａが、インプリント現象により固定電荷が形成された場合、下部電極６で接続された他方の圧電膜キャパシタ１２ｂには、圧電膜キャパシタ１２ａの固定電荷により発生する内部電界を相殺する電界を有していなければならない。これは駆動電圧入力部の２つの電極間には外部見かけ上、中性が保たれていなければならないという物理現象に基づくものである。
【００３３】
この現象の確認としては、上部電極８ａおよび８ｂ間でのＰ−Ｅヒステリシス曲線を測定し、正負の抗電界値を比較すればよい。以下、圧電膜キャパシタ１２ａをアクチュエータキャパシタ部１２ａ、圧電膜キャパシタ１２ｂを電荷補償キャパシタ部１２ｂとも呼ぶ。
【００３４】
（圧電膜キャパシタの静電容量比）
アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償キャパシタ部１２ｂとの静電容量比は、インプリント特性補償範囲内において所定の範囲に収まっている必要がある。この静電容量比を決定する方法について説明する。この決定方法には、以下の４つの方法がある。
【００３５】
（１）膜厚および材料組成が同一で、対電極８ａ、８ｂの電極面積比に基づいて所定比率を決定する方法。
（２）電極面積比および材料組成が同一で、圧電膜７ａ、７ｂの膜厚比に基づいて所定比率を決定する方法。
（３）膜厚および電極面積比が同一で、圧電膜７ａ、７ｂの材料組成を異なるものとして所定比率を決定する方法。
（４）膜厚、材料組成および電極面積比を２以上異ならせることで所定比率を決定する方法（上記（１）〜（３）を組み合わせる方法）。
【００３６】
上記（１）〜（４）のいずれかの方法により、アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償キャパシタ部１２ｂとの静電容量比を所望の値とした電気機械変換素子９とするものである。
【００３７】
ところで、電荷補償用キャパシタ１２ｂの静電容量の理想値は、アクチュエータキャパシタ部１２ａと略同等である。したがって、上記（１）の方法によると、電気機械変換素子９の面積が、アクチュエータキャパシタ部１２ａの略２倍の面積を必要としてしまう。
【００３８】
また、インプリント現象への耐久性を考慮し、アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償用キャパシタ１２ｂの比率を１：１〜１：０．５の範囲としたとしても、集積度の面から少なくとも１．５倍に増えてしまう（集積度が低下する）。
【００３９】
以下に一例を示す。先ず、図７に示したような液滴吐出ヘッド１において、仮に、短辺を一定として、長辺にアクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償用キャパシタ１２ｂとを１：０．５の長さで配置したとすると、従来の電荷補償用キャパシタ１２ｂのない構成に比べて、短辺が同一で、長辺が１．５倍（すなわち、面積１．５倍）となってしまう。
【００４０】
そこで、例えば、各キャパシタの圧電膜７ａ、７ｂの膜圧の変化を組み合わせることにより、低集積化を低減することが可能となる。
【００４１】
ここで、圧電膜キャパシタ１２の静電容量（Ｃ）は、コンデンサの静電容量と同様、次式（１）で表すことができる。なお、ε0：真空での誘電率、εr：比誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：圧電体の膜厚である。
Ｃ＝ε0・εr・Ｓ／ｄ      ・・・（１）
【００４２】
例えば、アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償用キャパシタ１２ｂの比率を１：０．５とし、各面積比を１：０．２としたうえで、さらに、膜厚の変化で補うものとすると、アクチュエータ部圧電キャパシタ１２ａの膜厚１に対し、電荷補償用キャパシタ１２ｂの膜厚を０．４とすれば良い。
【００４３】
したがって、Ｓ＝０．２，ｄ＝０．４とした場合の電荷補償用キャパシタ１２ｂの静電容量Ｃｂは、次式（２）で求められる。
Ｃｂ＝ε0・εr・（０．２）Ｓ／（０．４）ｄ＝０．５・ε0・εr・Ｓ／ｄ      ・・・（２）
【００４４】
この場合、例えば、下部電極６上に厚さ１（１μｍ）の圧電膜７を形成した後、圧電膜７ｂをエッチングなどの手法により薄膜化して、厚さ０．４（０．４μｍ）の電荷補償用キャパシタ１２ｂを形成すればよい。
【００４５】
また、上記式（１）に基づいて、例えば、圧電膜７ａ、７ｂの材料組成を異なるもの（比誘電率の異なる材料）としても良い。例えば、圧電膜７ａには、ＰＺＴ（５２／４８）（比誘電率＝１２００）を用い、圧電膜７ｂには、ＰＬＺＴ（９／５０／５０）などの比誘電率の高い材料組成を用いれば可能となる。
【００４６】
（電気機械変換素子の駆動方法）
上述のように、ＰＺＴなどの圧電膜７で構成される電気機械変換素子９の場合、駆動の際にパルス電界が印加されると、その１周期において電荷の放出がなされず、圧電膜７内部の、圧電膜と電極との界面に電荷が捕獲される。上述のように、この捕獲電荷が空間電荷として膜内に形成され、以降、膜内に形成された電界（以下、内部電界ともいう）によりインプリント現象が発生することが解明されている。
【００４７】
そこで、本実施形態に係る電気機械変換素子９は、上述の構成を有し、図９に示したように、圧電膜を駆動させる際に、駆動電圧の印加を上部電極の一方（上部電極８ａ）から下部電極６を介して上部電極の他方（上部電極８ｂ）に行うようにすることで、内部電界を打ち消して、圧電膜７の内部に固定電荷が定着するのを防ぐことができる。
【００４８】
換言すれば、電気歪みの非対称性に基づくインプリント特性を駆動方式で解決するものである。上記非対称性の原因は上部電極、下部電極界面での電気的接合状態の差異に起因するため、下部電極６−上部電極８間の電界印加（動作）（図３）ではなく、下部電極６を共通にし、上部電極８ａ−上部電極８ｂ（ダミー）間で電界印加（動作）させるようにしてものである（図９）。
【００４９】
以上説明した本実施形態に係る電気機械変換素子によれば、主に１ミクロン以上の圧電膜を電気機械変換素子として使用する際に生じ得るインプリント特性について、層構成に新たな膜を設けることなく、新たな製造工程を追加せず、インプリント現象の発生を抑制し、電気機械変換素子の劣化現象を防ぎ、信頼性の高い電気機械変換素子とすることができる。
【００５０】
（電気機械変換素子の製造方法）
以下、電気機械変換素子９の製造方法について説明する。電荷補償用キャパシタ１２ａの設計方法について上述したが、製造方法においては、従来工法からの工程数の追加は少なければ少ないほど好ましいといえる。
【００５１】
そこで、アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償用キャパシタ１２ｂをインクジェットパターニング法（ＩＪＰ法、参考文献（特開２０１１−９７２６号公報）を用いて形成することで、製造面に負担を発生させることなく製造することが可能となる。
【００５２】
電気機械変換素子９の薄膜（圧電膜７）の形成方法としては、溶液から圧電膜としてのセラミック薄膜を形成するＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法が知られている。セラミックス薄膜の作製は、セラミックス組成に対応した金属有機化合物を材料として、共通溶媒に溶解後、スピンコート成膜、乾燥、熱処理を経てセラミックス膜を基板上に形成するものである。
【００５３】
圧電膜７としては、ＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）がよく用いられる。ＰＺＴをＣＳＤ法により膜形成するには、材料として、酢酸鉛、ジルコニウムノルマルブトキシド、チタンイソプロポキシドを共通溶媒のメトキシエタノールに溶解し、塗布液を調製することが知られている。
【００５４】
この塗布液をインクジェット記録装置に要求されるインク物性に仕上げるため、表面張力制御材、蒸発速度制御材、界面活性材を各々添加してＰＺＴインクを調整し、この調整したＰＺＴインクをインクジェット記録装置にてインクジェット印刷し、乾燥、熱分解、結晶化の熱処理を行うことで、圧電性を示す膜の形成を行うことができる。
【００５５】
このＩＪＰ工法による圧電膜の形成は、従来のスピンコート成膜と比較した場合、パターニング工程が不要であるという利点がある。ＩＪＰ工法において、圧電膜を所望する膜厚に形成する場合は、例えば、インクジェット印刷から熱処理の工程を複数回繰り返すことにより２μｍほどのパターン化した厚膜を形成することができる。
【００５６】
例えば、ＰＺＴ固形分濃度０．１モル／リットルで処方したインクを、インクジェット記録装置において、１滴の体積が１０ピコリットルとして吐出した際、１回のインクジェット印刷から熱処理までの工程にて得られるＰＺＴ膜厚は７０ｎｍ程度である。この場合、２μｍの膜厚を得るには２８回の繰返しを行う。
【００５７】
したがって、たとえば電荷補償用キャパシタ１２ｂの圧電膜７ｂの膜厚を所望の膜圧とするには、この繰返し回数の増減により、容易に行うことが可能である。
【００５８】
ＩＪＰ工法を用いて電気機械変換素子９の製造を行うにあたり、アクチュエータキャパシタ部１２ａと電荷補償用キャパシタ１２ｂの形成をそれぞれの組成が異なる材料で行う場合、インクジェット記録装置に複数の液滴吐出ヘッドを配置しておく。そして、アクチュエータキャパシタ部１２ａにＰＺＴインクを、電荷補償用キャパシタ１２ｂにＰＬＺＴインクを充填することで各々の膜を形成でき、工程数の増加をさせることなく製造することができる。
【００５９】
以上説明した電気機械変換素子の製造方法によれば、工程数の増加させることなくインプリント現象の発生を抑制した信頼性の高い電気機械変換素子を作製することができる。また、この電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド、および液滴吐出ヘッドを備えた画像形成装置（液滴吐出装置）とすることができる。以下に画像形成装置の一実施形態であるインクジェット記録装置を説明する。
【００６０】
（インクジェット記録装置）
次に、以上説明した電気機械変換素子９を有する液滴吐出ヘッド（記録ヘッド）を備えたインクジェット記録装置の一例について図１０および図１１を参照して説明する。なお、図１０はインクジェット記録装置の斜視説明図、図１１はインクジェット記録装置の機構部の側面説明図である。
【００６１】
インクジェット記録装置は、記録装置本体８１の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ９３、キャリッジに搭載した液滴吐出ヘッドからなる記録ヘッド９４、記録ヘッド９４へインクを供給するインクカートリッジ９５等で構成される印字機構部８２等を収納し、装置本体８１の下方部には前方側から多数枚の用紙８３を積載可能な給紙カセット（給紙トレイ）８４を抜き差し自在に装着することができ、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、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。
【００６２】
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、このキャリッジ９３にはイエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出する記録ヘッド９４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９３には記録ヘッド９４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９５を交換可能に装着している。
【００６３】
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おり、多孔質体の毛管力によりインクジェットヘッド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、記録ヘッドとしてここでは各色のヘッド９４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個のヘッドでもよい。
【００６４】
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を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、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。
【００６５】
一方、給紙カセット８４にセットした用紙８３をヘッド９４の下方側に搬送するために、給紙カセット８４から用紙８３を分離給装する給紙ローラ１０１及びフリクションパッド１０２と、用紙８３を案内するガイド部材１０３と、給紙された用紙８３を反転させて搬送する搬送ローラ１０４と、この搬送ローラ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先端コロ１０６とを設けている。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。
【００６６】
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を記録ヘッド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を設けている。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を設け、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とを配設している。
【００６７】
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記録ヘッド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。
【００６８】
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、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ヘッド９４をキャッピングされ、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。
【００６９】
吐出不良が発生した場合等には、キャッピング手段でヘッド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し、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。
【００７０】
このように、本実施形態に係るインクジェット記録装置においては上述の電気機械変換素子９を有する液滴吐出ヘッドを用いて作製したインクジェットヘッドを搭載しているので、インク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られて、画像品質を向上させることができる。
【００７１】
尚、上述の実施形態は本発明の好適な実施の例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。
【００７２】
例えば、本発明に係る画像形成装置は、プリンタ、ファクシミリ装置、複写装置、これらの複合機などにも適用することができる。また、インク以外の液体、例えばＤＮＡ試料やレジスト、パターン材料などを吐出する液滴吐出ヘッドや画像形成装置、或いはこれらを備える画像形成装置にも適用することができる。
【００７３】
また、画像形成装置としてインクジェットプリンタを例として説明したが、インクジェットコピー、インクジェットファックス、あるいはそれらの複合型記録装置にも適用できる。また、画像形成装置以外にも、インクジェット技術を用いたカラーフィルター製造装置、金属配線製造装置、捺染装置、ＤＮＡチップ製造装置など工業用製造装置にも適用できる。
【００７４】
また、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミック等の被記録媒体に対して記録を行うプリンタ、複写機、通信システムを有するファクシミリ、プリント部を有するワードプロセッサ等の装置、さらには各種処理装置と複合的に組み合わせた産業用記録装置にも適用することができる。
【００７５】
また、インクとは、インクと称されるものに限らず、記録液、定着処理液、液体などと称されるものなど、画像形成を行うことができるすべての液体の総称として用い、例えば、ＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料、樹脂なども含まれる。また、画像とは平面的なものに限らず、立体的に形成されたものに付与された画像、また立体自体を３次元的に造形して形成された像も含まれる。
【実施例】
【００７６】
以下、実施例および比較例を挙げて本発明を更に具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に何ら限定されるものではない。
【００７７】
＜実施例１＞
圧力室基板５上に振動板１０となる誘電膜を形成する。誘電膜は単膜であっても、複数の膜種の積層膜であっても良い。実施例１ではＳｉＯ２、ＳｉＮ、多結晶Ｓｉ膜の積層膜をＳｉ強度に換算した膜厚として１μｍ相当の誘電膜を形成した。次に、この誘電膜と下部電極６との密着性を得るためのＴｉＯ２膜（密着層１１）を５０ｎｍ形成した後に、下部電極６としてＰｔ膜を１００ｎｍ、スパッタリング成膜した。次いで、ＣＳＤ法にて、圧電膜７としてＰＺＴ（５２／４８）を２μｍの膜厚で形成し、次いで、上部電極８としてＰｔ膜を５０ｎｍ、スパッタリング成膜した。ここで、フォトリソグラフィー・エッチングにより上部電極８を対形成あり（実施例１：試料１とする）、対形成なし（比較例１：試料２とする）の各試料を作製した。
【００７８】
次に、基板５の裏面から、圧力室４に相当する部位をエッチング加工し、電気機械変換素子９としての変位量測定と繰返し駆動による変位量変化試験とを行った。
【００７９】
まず、試料１、２のそれぞれにおいて、インプリント耐性を調べた。各試料について初期のＰ−Ｅ特性から、抗電界値（＋Ｅｃ、−Ｅｃ）を求め、この絶対値の差（ΔＥｃ）を指標とした。ΔＥｃが大きければインプリント耐性が無く、小さければインプリント耐性があると判断することができる。
【００８０】
次に、以下の（１）〜（５）の条件下でＰ−Ｅヒステリシス曲線の測定を行った。
（１）周波数１ｋＨｚ、三角波、両電界印加、±１８０ｋＶ／ｃｍ印加。
（２）電荷の検出は積分アンプを使用し、上部電極８の面積から単位面積あたりの分極量を換算してプロット。
（３）試験印加パルス：１００ｋＨｚ、０〜１５０ｋＶ／ｃｍ
（４）パルスデューティ：５０％
（５）パルス印加回数：１×１０８回
【００８１】
図１２に、初期特性のＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。また、図１３に試料１、図１４に試料２のパルス印加後のそれぞれのＰ−Ｅヒステリシス曲線を示す。
【００８２】
試料１は上部電極８を対電極８ａ、８ｂとして形成し、電極面積はアクチュエータキャパシタ部１２ａと同じ面積として電荷補償用キャパシタ１２ｂを形成し、試験パルスを印加した結果である。表１に初期特性、試験後の特性のＥｃに関する固有値［ｋＶ／ｃｍ］を示す。
【００８３】
【表１】
2014154742.tif 000003
【００８４】
表１に示すように、比較例１である試料２では大きなΔＥｃ値を示すが、実施例１である試料１においてはΔＥｃ＝−０．２［ｋＶ／ｃｍ］であり、インプリント現象による電圧軸シフトはほぼ認められなかった。また、試料２では初期振動板変位量は０．２μｍであった試料で１２％の変位量低下が認められたが、試料１における変位量の低下は全くみられなかった。以上より、本発明の有効性を確認することができた。
【００８５】
＜実施例２＞
上部電極８の対電極８ａ、８ｂの面積比を、１：０．５、１：０．３、１：０．１と変化させた試料３，４，５を作製し、同様の試験を行った。その他は実施例１と同様である。その結果を、実施例１の試料１と比較して表２に記す。
【００８６】
【表２】
2014154742.tif 000004
【００８７】
表２より、電極面積の比率の減少に伴い、インプリント耐性は低下することがわかるが、面積比１：０．１の試料５の初期変位量に対する低下は１０％にとどまっている。
【００８８】
＜実施例３＞
次に、圧電膜７ａ、７ｂの各々のＰＺＴ膜厚を変化させることにより、二つのキャパシタ１２ａ、１２ｂの静電容量を制御する例について説明する。
【００８９】
圧電膜７としてのＰＺＴ膜の作製にあたり、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溶液を準備した。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１０モル％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。
【００９０】
そして、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。インク処方として、表面張力制御材、蒸発速度制御材、界面活性材を各々添加し、ＰＺＴ濃度は０．１ｍｏｌ／リットルとした。
【００９１】
一度の成膜で得られる膜厚は１００ｎｍ程度が好ましく、前駆体の濃度は成膜面積と前駆体塗布量の関係から適正化される。リコープリンティングシステムズ社のＧＥＮ４ヘッド搭載の工業用インクジェット記録装置にてインクジェット印刷を行った。このときの膜厚は９０ｎｍであった。
【００９２】
引き続き、繰返し処理としてイソプロピルアルコール洗浄後、同様の浸漬処理にてＳＡＭ（Self-Assembled
Monolayer）膜を形成した。２回目以降は、ＳＡＭ膜は酸化膜上には形成されないので、フォトリソグラフィーの工程を実施せずにＳＡＭ膜のパターンが得られる。また、このときの接触角は純水に対してＳＡＭ膜上は９２度、ＰＺＴ膜上は３４度であった。この状態で１度目に形成したＰＺＴ膜上に位置合わせを行って、再度インクジェット記録装置により印刷を繰り返した。
【００９３】
アクチュエータキャパシタ部１２ａは、繰返し回数３０回で厚さ２μｍの圧電膜７ａを形成した。また、電荷補償用キャパシタ１２ｂ側においては、１８回の繰返し成膜を行い１．２μｍの圧電膜７ｂを得た。
【００９４】
これらキャパシタ１２ａ、１２ｂの静電容量、誘電損失をＬＣＲメータで測定したところ、両者とも比誘電率：１２００、誘電損失：０．０３が得られた。
【００９５】
ＩＪＰ法を用いて同一基板上に電気機械変換素子９の圧電膜７を形成すると、工程数を増やすことなく、電荷補償用キャパシタ１２ｂの形成が可能であることが確かめられた。
【００９６】
＜実施例４＞
次に、圧電膜７ａ、７ｂの各々の組成を異なるものとすることにより、二つのキャパシタ１２ａ、１２ｂの静電容量を制御する例について説明する。
【００９７】
アクチュエータキャパシタ部１２ａとして、実施例１記載のＰＺＴ（５２／４８）を用いる。また、電荷補償用キャパシタ１２ｂとしてＰＬＺＴ（９／５０／５０）を作製する。ＰＬＺＴ（９／５０／５０）のＣＳＤ溶液の調製はＰＺＴ出発材料にＬａ原料として酢酸ランタンを用いた。
【００９８】
実施例３でも用いた先述のインクジェット記録装置は、液滴吐出ヘッドとして、ＧＥＮ４ヘッドを２個搭載しているため、ＰＺＴインクとＰＬＺＴインクを各々ヘッドに充填することで、所望する部位にどちらかのインクを吐出させることが可能である。
【００９９】
この条件下で、繰返し成膜を３０回行い、それぞれのキャパシタ１２ａ、１２ｂを作成した。
【０１００】
この結果、ＰＺＴ膜の誘電特性は実施例３と同様の値が得られた。また、ＰＬＺＴ膜においては比誘電率：３２００、誘電損失：０．０３６が得られた。従って、異なる組成の材料から電荷補償用キャパシタ１２ｂを形成することが可能である。
【０１０１】
以上の実施例１から４によれば、上部電極８ａ、８ｂの面積比、圧電膜７ａ、７ｂの膜厚、圧電膜７ａ、７ｂの組成を変えて作成することにより、アクチュエータキャパシタ部１２ａおよび電荷補償用キャパシタ１２ｂの静電容量が所望の値、比となるようにすることが可能であることを確認できた。
【符号の説明】
【０１０２】
１  液滴吐出ヘッド
２  ノズル
３  ノズル板
４  圧力室（液室）
５  圧力室基板（基板、Ｓｉ基板）
６  下部電極（第１の電極）
７、７ａ、７ｂ  圧電膜（電気機械変換膜）
８  上部電極（対電極、第２の電極）
８ａ  上部電極（対電極、第一上部電極）
８ｂ  上部電極（対電極、第二上部電極）
９  電気機械変換素子
１０  振動板
１１  密着層
１２  圧電膜キャパシタ
１２ａ  アクチュエータキャパシタ部
１２ｂ  電荷補償キャパシタ部
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１０３】
【特許文献１】特開２００５−２０９７２２号公報
【特許文献２】特開２００６−１８２６４２号公報
【特許文献３】特開２００９−  ８１２６２号公報
【図１】
2014154742.tif 000005
【図２】
2014154742.tif 000006
【図３】
2014154742.tif 000007
【図４】
2014154742.tif 000008
【図５】
2014154742.tif 000009
【図６】
2014154742.tif 000010
【図７】
2014154742.tif 000011
【図８】
2014154742.tif 000012
【図９】
2014154742.tif 000013
【図１０】
2014154742.tif 000014
【図１１】
2014154742.tif 000015
【図１２】
2014154742.tif 000016
【図１３】
2014154742.tif 000017
【図１４】
2014154742.tif 000018