(57)【要約】【課題】生産コストを抑え、湾曲形状の電気−機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドを製造することができる。【解決手段】基板１６上に振動板１５を形成する振動板形成工程と、電気−機械変換素子１４を構成する下部電極層１４ｂ、電気−機械変換層１４ａ及び上部電極層１４ｃの各材料を振動板１５上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、電気−機械変換素子１４を形成する電気−機械変換素子形成工程と、振動板１５を挟んで電気−機械変換素子１４と対向する基板１６の位置に、振動板１５が加圧液室の一部を構成するよう、加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、加圧液室を区画する隔壁の振動板１５と当接する側と反対側の端部に、ノズル１１が形成されたノズル板１２を接合するノズル板接合工程とを有する。【選択図】図４
2014151511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子を用い、ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、
基板上に振動板を形成する振動板形成工程と、
前記電気−機械変換素子を構成する下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層の各材料を前記振動板上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、前記電気−機械変換素子を形成する電気−機械変換素子形成工程と、
前記振動板を挟んで前記電気−機械変換素子と対向する前記基板の位置に、前記振動板が前記加圧液室の一部を構成するよう、前記加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、
前記加圧液室を区画する隔壁の前記振動板と当接する側と反対側の端部に、前記ノズルが形成されたノズル板を接合するノズル板接合工程と
を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記振動板の短手方向の幅を６０［μｍ］とした場合、前記電気−機械変換素子の狙いの撓み量を２５０〜４５０［ｎｍ］の範囲にすることを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項３】
請求項１記載の液滴吐出ヘッドの製造方法において、
前記振動板形成工程では、前記振動板を積層構造に形成することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造されたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
【請求項５】
請求項４記載の液滴吐出ヘッドを搭載し、該液滴吐出ヘッドから記録液を吐出して記録材に画像を形成す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、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを用いた液滴吐出ヘッドの製造方法、液体吐出ヘッド及び画像形成装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、プリンタ、ファックス、複写機、プロッタ、或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、例えばインクの液滴を吐出する液体吐出ヘッドを備えるインクジェット記録装置がある。このインクジェット記録装置では、媒体を搬送しながらインク滴を用紙に付着させて画像形成を行う。ここでの媒体は「用紙」ともいうが材質を限定するものではなく、被記録媒体、記録媒体、転写材、記録紙なども同義で使用する。また、画像形成装置は、紙、糸、繊維、布帛、皮革、金属、プラスチック、ガラス、木材、セラミックス等の媒体に液体を吐出して画像形成を行う装置を意味する。そして、画像形成とは、文字や図形等の意味を持つ画像を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媒体に付与する（単に液滴を吐出する）ことをも意味する。また、インクとは、所謂インクに限るものではなく、吐出されるときに液体となるものであれば特に限定されるものではなく、例えばＤＮＡ試料、レジスト、パターン材料なども含まれる液体の総称として用いる。
【０００３】
画像形成装置の一例であるインクジェット記録装置における液滴吐出ヘッドは、インク滴を吐出するノズルと、このノズルが連通する加圧液室と、この加圧液室内を昇圧するエネルギーを発生するアクチュエータ手段とを備えている。そして、アクチュエータ手段を駆動することで加圧液室内を昇圧してノズルからインク滴を吐出させるものであり、記録の必要なときにのみインク滴を吐出するインク・オン・デマンド方式のものが主流である。インク滴を吐出させるためのアクチュエータ手段の種類により、ピエゾ方式、バブル方式、静電方式などの方式に大別される。
【０００４】
現在、この中でピエゾ方式を採用した液滴吐出ヘッドが主流となっている。このピエゾ方式のアクチュエータ手段において、電気−機械変換素子の厚み方向に振動するたわみ振動モードの電気−機械変換素子を使用したものが実用化されている。このたわみ振動モードの電気−機械変換素子による液滴吐出ヘッドでは、電気−機械変換素子がたわみ振動することで、振動板を介して加圧液室の内圧を変化させてインク液滴をノズルから吐出する。具体的には、電気−機械変換素子は、下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層を層状に形成されて構成される。電気−機械変換素子の下部電極層と上部電極層との間に印加する駆動電圧の印加がオフである駆動電圧印加オフ時には、電気−機械変換素子の形状は平坦形状である。駆動電圧の印加がオンである駆動電圧印加オン時には、電気−機械変換素子の形状は厚み方向で加圧液室側へ突出するように撓んだ湾曲形状（以下、第１湾曲形状という。）である。上記駆動電圧印加オン時、加圧液室の内圧が振動板を介して昇圧され、加圧液室の一部に設けられたノズルからインク液滴が吐出する。上記駆動電圧印加オン時から駆動電圧印加オフ時になると、電気−機械変換素子の形状は上記第１湾曲形状から平坦形状に戻っていき、加圧液室の内圧は減圧されていく。この場合、空気がノズルから加圧液室内に吸引しない程度に、かつノズルに形成されているミニスカスを存在させる程度に減圧される。そして、インクが、加圧液室に連通する共通液室やインク供給路を介してインクカートリッジ等のインク収容部から加圧液室に供給される。
【０００５】
ところで、上記液滴吐出ヘッドを搭載するインクジェット記録装置では連続駆動することがある。この場合、液滴吐出ヘッドにおける上記電気−機械変換素子のたわみ振動が連続的に行われる。この連続駆動が長時間にわたって行われると、電気−機械変換素子は機械的に疲労し、上記駆動電圧印加オフ時の平坦形状を保てなくなり、平坦形状から厚み方向で加圧液室側に突出するように撓んだ湾曲形状（以下、第２湾曲形状という。）になる。駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の上記第１湾曲形状は、電気−機械変換素子を形成する材料や厚みで規定されている。これらのため、上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の厚み方向の変位幅が小さくなるので、加圧液室内の昇圧値や減圧値が狙いの値に比べて減る。このような電気−機械変換素子が搭載された液滴吐出ヘッドでは、上記駆動電圧印加オン時に、狙いの昇圧値に達しないために狙いのインク液滴量が吐出されずに画質が劣化する。そして、上記駆動電圧印加オフ時に、狙いのミニスカスを存在させることができずにインクが垂れて記録材などの媒体を汚すという問題がある。
【０００６】
液滴吐出ヘッドとして、特許文献１に記載のものが知られている。この特許文献１の液滴吐出ヘッドでは、上記駆動電圧印加オフ時の電気−機械変換素子の形状が、厚み方向で加圧液室側に突出するように撓んだ湾曲形状（以下、第３湾曲形状という。）に予め形成されている。この第３湾曲形状は、上記第２湾曲形状と略同じ湾曲形状である。上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変換素子の形状は、上記第３湾曲形状から上記第１湾曲形状に撓む。上記駆動電圧印加オフ時における電気−機械変換素子の形状は、上記第１湾曲形状から上記第３湾曲形状に戻る。インク液滴吐出動作及びインク供給動作が繰り返し行われる時、電気−機械変換素子の形状は上記第３湾曲形状から上記第１湾曲形状に撓んだり、上記第１湾曲形状から上記第３湾曲形状に戻ったりを繰り返す。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記特許文献１の液滴吐出ヘッドにおいて、連続駆動が長時間にわたって行われても、上記駆動電圧印加オフ時における電気−機械変換素子の形状が、予め撓んでいる上記第３湾曲形状から更に撓むことは少ない。この結果、上記駆動電圧印加オン時における電気−機械変化素子の厚み方向の変位幅の減少が抑制でき、加圧液室内の昇圧値及び減圧値は略狙いの値になる。
しかしながら、上記特許文献１の液滴吐出ヘッドを製造する工程では、電気−機械変換素子を湾曲形状に形成する工法に、プレス工法を用いている。このプレス工法によって電気−機械変換素子に圧力を加えて狙いの上記第３湾曲形状に形成しようとしても、電気−機械変換素子の本来持っている弾性力の影響で、電気−機械変換素子の形状は狙いの上記第３湾曲形状にならない虞がある。これでは、狙いの加圧液室内の昇圧値及び減圧値にすることは難しい。狙いの上記第３湾曲形状にするために長時間プレスし続けることが考えられるが、生産コスト高につながるという問題点が生じる。
【０００８】
本発明は以上の問題点に鑑みなされたものであり、その目的は、以下のとおりである。生産コストを抑えて湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる液滴吐出ヘッドの製造方法、該製造方法によって製造される液体吐出ヘッド及び該液滴吐出ヘッドを搭載する画像形成装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１の発明は、加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子を用い、ノズルから液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、基板上に振動板を形成する振動板形成工程と、前記電気−機械変換素子を構成する下部電極層、電気−機械変換層及び上部電極層の各材料を前記振動板上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、前記電気−機械変換素子を形成する電気−機械変換素子形成工程と、前記振動板を挟んで前記電気−機械変換素子と対向する前記基板の位置に、前記振動板が前記加圧液室の一部を構成するよう、前記加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、前記加圧液室を区画する隔壁の前記振動板と当接する側と反対側の端部に、前記ノズルが形成されたノズル板を接合するノズル板接合工程とを有することを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明において、電気−機械変換素子形成工程では、電気−機械変換素子の下部電極層が振動板上に形成される。このとき、下部電極層の材料は振動板の表面形状にならって撓みがない状態になっている。その後、加熱によって下部電極層の材料の液体成分を無くす焼成が行われると、下部電極層と振動板との密着性を徐々に増しながら下部電極層は収縮していき、焼成終了時の下部電極層には収縮しようとする収縮力が生じる。このとき、下部電極層の振動板との界面側と反対の面は開放端であるので撓んでいる。一方、下部電極層の振動板との界面側の付近にも収縮力が伝わっており、下部電極層の振動板との界面付近では下部電極層の収縮力に対して相反する応力が発生して互いにバランスがとれた状態になっている。つまり、下部電極層の振動板との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分に向かう方向の応力が発生し、振動板の下部電極層との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が発生している。下部電極層の上に電気−機械変換層を形成し、該電気−機械変換層の上に上部電極層を形成する。これらの各層の形成において上記下部電極層の形成と同様なメカニズムが生じる。このため、振動板の下部電極層との界面側には、各層の形成毎に生じた加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が累積して発生している。振動板の下部電極層との界面側での伸びようとする応力は、下部電極層との界面側に反対の振動板の面にも伝わっており、振動板が形成されている基板からの応力でバランスがとれた状態になっている。そして、振動板において加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力は、加圧液室形成工程で基板に加圧液室が形成されて加圧液室の一部を構成する振動板があらわれた際に、開放される。このとき、振動板の下部電極層との界面付近では下部電極層からの収縮力を受けて縮んでいる。また、加圧液室を区画する隔壁によって加圧液室の一部を構成する以外の振動板の変形が規制されている。これらにより、振動板は、縮もうとしている振動板の下部電極層との界面付近に対して反対側であってかつ開放された加圧液室側に突出するように湾曲形状に撓み易い。電気−機械変換素子の湾曲形状の撓み量は、電気−機械変換素子の撓みによる圧力を受けた振動板の撓みによって定まる。振動板の剛性は電気−機械変換素子の剛性より高いので、電気−機械変換素子の撓みによる圧力が振動板の撓みに及ぼす影響は少ない。振動板は単体であるので、例えば振動板の材料や厚さを規定すれば、振動板の湾曲形状の撓み量は定まる。このため、振動板形成工程で、振動板の撓む量が狙いの撓み量になるよう、振動板の材料や厚さを狙いのものに規定して形成しておけば、電気−機械変換素子の加圧液室側に突出するように振動板を介して撓んだ湾曲形状の撓み量は、狙いの撓み量に定まる。これにより、従来のようなプレス工程を用いた場合の製造時間より短い製造時間で製造して、生産コストを抑えて狙いの撓み量の湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる、という特有な効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本実施形態のインクジェット記録装置の構成を示す斜視図である。
【図２】本実施形態のインクジェット記録装置の機構部の側面図である。
【図３】（ａ）製造時の液滴吐出ヘッドの断面図であり、（ｂ）本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図である。
【図４】本実施形態の液滴吐出ヘッドの製造工程を示す工程断面図である。
【図５】曲率半径を説明する図である。
【図６】本実施形態の液滴吐出ヘッドを複数個配置したものを示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
はじめに、本発明に係る液滴吐出ヘッドの一例である液滴吐出ヘッドを搭載したインクジェット記録装置の構成について図面を参照して説明する。図１は本実施形態のインクジェット記録装置の構成を示す斜視図、図２は本実施形態のインクジェット記録装置の機構部の側面図である。
【００１３】
図１及び図２に示す本実施形態のインクジェット記録装置１００は、装置本体の内部に主走査方向に移動可能なキャリッジ１０１を備えている。そして、そのキャリッジ１０１に搭載した本実施形態の液滴吐出ヘッド１及び液滴吐出ヘッド１に対してインクを供給するインクカートリッジ１０２等で構成される印字機構部１０３等を収納する。そして、装置本体の下方部には、前方側から多数枚の記録紙Ｐを積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい）１０４を抜き差し自在に装着されている。また、記録紙Ｐを手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ１０５を有する。給紙カセット１０４あるいは手差しトレイ１０５から給送される記録紙Ｐを取り込み、印字機構部１０３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１０６に排紙する。
【００１４】
印字機構部１０３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１０７と従ガイドロッド１０８とでキャリッジ１０１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１０１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液滴吐出ヘッド１を複数のインク吐出口（ノズル）を主走査方向と直交する副走査方向に配列する。そして、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１０１には液滴吐出ヘッド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１０２を交換可能に装着している。
【００１５】
インクカートリッジ１０２は上方に大気と連通する大気口、下方には液滴吐出ヘッド１へインクを供給する供給口が設けられている。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滴吐出ヘッド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、各色毎に液滴吐出ヘッド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個の液滴吐出ヘッドでもよい。
【００１６】
ここで、キャリッジ１０１は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１０７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１０８に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１０１を主走査方向に移動走査するため、主走査モータ１０９ａで回転駆動される駆動プーリ１１０と従動プーリ１１１との間にタイミングベルト１１２を張装している。このタイミングベルト１１２をキャリッジ１０１に固定し、主走査モータ１０９ａの正逆回転によりキャリッジ１０１が往復に走査される。
【００１７】
一方、給紙カセット１０４にセットした記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド１の下方側に搬送するために、給紙ローラ１１３、フリクションパッド１１４、ガイド部材１１５、搬送ローラ１１６、搬送コロ１１７、搬送ローラ１１６及び先端コロ１１８を有している。給紙ローラ１１３及びフリクションパッド１１４は、給紙カセット１０４から記録紙Ｐを分離給装する。ガイド部材１１５は記録紙Ｐを案内するガイド部材である。搬送ローラ１１６は、給紙された記録紙Ｐを反転させて搬送する搬送ローラである。先端コロ１１８は、搬送ローラ１１６の周面に押し付けられる搬送コロ１１７及び搬送ローラ１１６からの記録紙Ｐの送り出し角度を規定するコロである。搬送ローラ１１６は副走査モータ１０９ｂによってギヤ列を介して回転駆動される。
【００１８】
そして、キャリッジ１０１の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１１６から送り出された記録紙Ｐを液滴吐出ヘッド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１１９を設けている。この印写受け部材１１９の用紙搬送方向下流側には、記録紙Ｐを排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１２０と拍車１２１を設けている。さらに、記録紙Ｐを排紙トレイ１０６に送り出す排紙ローラ１２３と拍車１２４と、排紙経路を形成するガイド部材１２５、１２６とを配設している。
【００１９】
このインクジェット記録装置１００で記録時には、キャリッジ１０１を移動させながら画像信号に応じて液滴吐出ヘッド１を駆動することにより、停止している記録紙Ｐにインクを吐出して１行分を記録し、その後、記録紙Ｐ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記録紙Ｐ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記録紙Ｐを排紙する。
【００２０】
また、キャリッジ１０１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１の吐出不良を回復するための回復装置１２７を配置している。回復装置１２７はそれぞれ図示していない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１０１は印字待機中にはこの回復装置１２７側に移動されてキャッピング手段で液滴吐出ヘッド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。
【００２１】
更に、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１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。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。
【００２２】
このように、このインクジェット記録装置１００においては後述する本発明の液滴吐出ヘッドを搭載している。このため、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、変位の変動も抑制されているため、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質が向上する。
【００２３】
図３は本実施形態の液滴吐出ヘッドの断面図である。図３（ａ）は製造時の液滴吐出ヘッドの断面図であり、図３（ｂ）は連続駆動後の液滴吐出ヘッドの断面図である。図３に示す本実施形態の液滴吐出ヘッドの液滴吐出ヘッド１０は、インク液室１３と圧力発生手段とを備えている。インク液室１３は、ノズル板１２に設けられたインク滴を吐出するノズル１１が連通する加圧液室である。圧力発生手段は、インク液室１３のインクを吐出するためのアクチュエータである。インク液室１３は、吐出室、加圧液室、圧力室、インク流路等とも称される。圧力発生手段としては、ピエゾ型、サーマル型（バブル型）等がある。その中で、ピエゾ型は、圧電素子などの電気−機械変換素子（例えば、三元系金属酸化物であるチタン酸ジルコン酸鉛（PZT））１４を用いてインク液室の壁面を形成している振動板１５を変形させることでインク滴を吐出させる。このピエゾ型のものには、ｄ33方向の変形を利用した縦振動（プッシュモード）型、ｄ31方向の変形を利用した横振動（ベンドモード）型、更には剪断変形を利用したシェアモード型等がある。
【００２４】
最近では半導体プロセスやＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）の進歩により、Ｓｉ基板に直接にインク液室１３及び電気−機械変換素子１４を作り込んだ薄膜アクチュエータが考案されている。しかし、このような電気−機械変換素子１４を繰り返し使用すると、電気−機械変換素子１４が機械的に疲労し、図３（ａ）に示す製造時の薄膜アクチュエータの平坦形状を保てなくなる。そして、図３（ｂ）に示すように、製造時の薄膜アクチュエータの平坦形状（図中の一点鎖線Ａ）と比べて電気−機械変換素子１４がインク液室１３側に撓んでしまい、その結果電気−機械変換素子１４の変位量が低下してしまう。このような電気−機械変換素子が搭載されたインクジェット記録装置では、吐出滴体積、吐出滴速度などの吐出滴特性が安定しないという問題が生じてしまう。この問題はインクと吐出するインクジェット記録装置だけでなく、インク以外の液体を吐出する他の液体吐出装置においても同様に存在する。本発明はこのような課題に対し、電気−機械変換素子をインク液室１３側に突出したように湾曲形状に撓ませることで変位量の変化を今まで以上に抑制することにある。
【００２５】
インク液室１３を形成する基板１６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１００〜６００［μｍ］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主に使用した。また、インク液室１３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り、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。このため、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おり本構成としては(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。但し、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。
【００２６】
振動板１５は電気−機械変換膜１４ａによって発生した力を受け、変形してインク液室１３のインクをノズル１１から吐出させるため、振動板１５としては所定の強度を有したものであることが好ましい。材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４を化学蒸着法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition method）により作製したものが挙げられる。さらに、図３に示す下部電極層１４ｂ、電気−機械変換膜１４ａの線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。特に、電気−機械変換膜１４ａとしては、一般的に材料としてＰＺＴが使用されることから線膨張係数８×１０−6(1/K)に近い線膨張係数として、５×１０−6〜１０×１０−6の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには、７×１０−6〜９×１０−6の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
【００２７】
また、振動板は引張応力あるいは圧縮応力を持つ複数の膜を減圧化学蒸着法（ＬＰＣＶＤ：Low Pressure Chemical Vapor Deposition method）により積層されていることが望ましい。その理由は、単層膜の場合ＳＯＩウェハが挙げられるが、その場合ウェハコストが非常にかかり、また曲げ剛性を揃えようとした時に任意の膜応力に設定できない。一方、積層構造の振動板の場合、そ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自由度を得ることができるため、振動板全体の剛性と、応力の制御を積層化と膜厚、及び積層構成の組み合わせで実現できる。これにより、電気−機械変換素子（電極層、強誘電体層）の材料、膜厚に適時対応できる。そして、電気−機械変換膜の焼成温度による振動板の剛性、応力の変動が少なく安定した振動板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。
【００２８】
下部電極層１４ｂは、金属材料、密着層、導電性酸化物層から形成されており、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。しかし、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。白金を使用する場合には下地（特にＳｉＯ２）との密着性が悪いために、Ｔｉ、ＴｉＯ２、Ｔａ、Ｔａ２Ｏ５、Ｔａ３Ｎ５等を先に積層することが好ましい。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り、膜厚としては、０．０５〜１［μｍ］が好ましく、０．１〜０．５［μｍ］がさらに好ましい。また、このとき、電気−機械変換膜としてＰＺＴを選択したときにその結晶性として（１１１）配向を有していることが好ましい。そのために、電極材料としては、（１１１）配向性が高いＰｔを選択することが好ましい。また、電気−機械変換膜１４ａの変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、下部電極層１４ｂと電気−機械変換膜１４ａ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を電極部として積層することが好ましい。上部電極層１４ｃも下部電極層１４ｂと同様に白金などの金属材料を用い、白金と電気−機械変換膜１４ａ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を積層させて構成される。
【００２９】
電気−機械変換膜１４ａの具体的な材料としては、以下のとおりである。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、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製することができる。膜厚としては０．１〜１０［μｍ］が好ましく、０．５〜３［μｍ］がさらに好ましい。この範囲より小さいと図２に示すようなインク液室１３の加工が難しくなり、この範囲より大きいと振動板１５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。本発明では電気−機械変換膜１４ａとしてチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）を主に使用した。PZTとはジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ３）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の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53Ti0.47)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る。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。
【００３０】
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。その具体的な記述として（Pb1-x,Baｘ）(Zr,Ti)O3、（Pb）(Zrｘ,Tiｙ,Nb1-x-y)O3、これはＡサイトのＰｂを一部Ｂａで置換した場合及び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PZTの変位特性の応用に向けた材料改質で行なわれる。作製方法としては、スパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−Ｇｅｌ法を用いてスピンコータにて作製することができる。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を得る。
【００３１】
上記ＰＺＴをＳｏｌ−Ｇｅｌ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。電気−機械変換膜の膜厚としては０．５〜５［μｍ］が好ましく、さらに好ましくは１〜２［μｍ］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。
【００３２】
＜実施例１＞
図４は製造工程を示す工程断面図である。図４（ａ）に示すように、基板１６のシリコンウエハにＳｉＯ２（膜厚；６００［ｎｍ］）、Ｓｉ３Ｎ４（膜厚；２５０［ｎｍ］）、ＳｉＯ２（膜厚；６００［ｎｍ］）を積層する。更に、Ｓｉ（膜厚；２００［ｎｍ］）、ＳｉＯ２（膜厚；５００［ｎｍ］）を積層し、積層膜の振動板１５を形成する。この積層膜の振動板１５に、チタン膜（膜厚５０ｎｍ）、引続き下部電極層１４ｂとして、白金膜（膜厚；２５０［ｎｍ］）、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚；５０［ｎｍ］）を順次スパッタ成膜した。チタン膜については、ＳｉＯ２と白金膜の間の密着層としての役割を持つ。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。上がった加熱温度が下がったときに、下部電極層１４ｂは収縮しようとする収縮力が発生する。そして、振動板１５と下部電極層１４ｂの熱膨張係数が異なるため、下部電極層１４ｂの収縮力に対して振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面付近には、短手方向の中央部分から遠ざかろうとする引張応力が発生する。次に、電気−機械変換膜１４ａとしてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１５０：５３：４７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。
【００３３】
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、先記の酢酸鉛を溶解したメトキシエタノール溶液と混合することでＰＺＴ前駆体溶液を合成した。このＰＺＴ濃度は０．５［モル／ｌ］にした。この液を用いて、図４（ｂ）に示すように、スピンコートにより成膜し、成膜後１２０［℃］で乾燥して５００［℃］で熱分解を行った。３層目の熱分解処理後に、結晶化熱処理（温度７５０℃）を急速熱処理（ＲＴＡ：Rapid Thermal Annealing）にて行った。このとき、PZTの膜厚は２４０［ｎｍ］であった。この工程を計６回（１８層）実施し、約１．６［μｍ］のPZTの膜厚を得た。上がった熱処理の温度が下がったときに、電気−機械変換層１４ａは収縮しようとする収縮力が発生する。そして、この収縮力に対抗して下部電極層１４ｂの電気−機械変換膜１４ａとの界面付近では短手方向の中央部分から遠ざかろうとする引張応力が発生する。実際には、この引張応力と上記収縮力との差の力が下部電極層の内部で生じる。次に、図４（ｃ）に示すように、上部電極層としてＳｒＲｕＯ３膜(膜厚；４０［ｎｍ］)、白金膜（膜厚；１２５［ｎｍ］）を順次スパッタ成膜した。スパッタ成膜時の基板温度については３００［℃］にて成膜を実施した。ＳｒＲｕＯ３膜については急速熱処理にて酸素雰囲気中で５５０［℃／３００ｓ］のポストアニール処理をした。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する。通常のフォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：Inductively Coupled Plasma）エッチング装置（サムコ製）を用いてパターンを作製した。上がった加熱温度が下がったときに、電気−機械変換素子１４には収縮しようとする累積の収縮力（図中矢印Ａ）が発生する。そして、電気−機械変換素子１４の収縮力に対して振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面付近には、短手方向の中央部分から遠ざかろうとする累積の引張応力（図中矢印Ｂ）が発生する。
【００３４】
次に、図４（ｄ）に示すように、後工程のインク液室を形成するために、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ングを行い、短手方向の幅が６０［μｍ］となるインク液室１３を形成する。そして、電気−機械変換素子及びそれにより構成される液滴吐出ヘッドを作製した。電気−機械変換膜１４ａ、下部電極層１４ｂ及び上部電極層１４ｃは、いずれも引張応力が生じている。そして、エッチングによるインク液室が形成されて、インク液室側に振動板があらわれて振動板におけるインク液室側の面がフリーな開放状態になったとき振動板の引張応力は開放される。この結果、電気−機械変換素子を含めて振動板がインク液室側に突出するように湾曲形状に撓む。これに対して、積層構造の振動板の層構成を工夫することで全体の応力を調整し、振動板の撓み量を変更することができる。本実施例における電気−機械変換素子の撓みの曲率半径は１８００［μｍ］、撓み量は０．２５２［μｍ］であり、曲率半径は図５で定義される。
【００３５】
＜実施例２＞
実施例１の振動板構成に対し、応力設計により撓み量が０．２２５［μｍ］（曲率半径；２０００［μｍ］）となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製した。
【００３６】
＜実施例３＞
実施例１の振動板構成に対し、応力設計により撓み量が０．４２［μｍ］（曲率半径；１０７０［μｍ］）となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製した。
【００３７】
＜比較例１＞
実施例１の振動板構成に対し、応力設計により電気−機械変換素子の撓みがインク液室と逆向きに突出した湾曲形状となり、その撓み量が０．２５［μｍ］（曲率半径；１８００［μｍ］）となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製した。
【００３８】
＜比較例２＞
実施例１の振動板構成に対し、振動板をＳｉＯ２の単層膜で構成し、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製を行う。その撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、撓み量が０．２５［μｍ］（曲率半径；１８００［μｍ］）となるように作製した。
【００３９】
＜比較例３＞
実施例１の振動板構成に対し、応力設計により撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、その撓み量が０．５０［μｍ］（曲率半径；９００［μｍ］）となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製した。
【００４０】
＜比較例４＞
実施例１の振動板構成に対し、応力設計により撓みがインク液室側に突出した湾曲形状となり、その撓み量が０．１５［μｍ］（曲率半径；３０００［μｍ］）となるように振動板を作製する。そして、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層、エッチング工程を実施例１と同様の条件で作製した。
【００４１】
上記実施例１〜３、上記比較例１〜４で作製された液滴吐出ヘッドを用いている。そして、印加電界１５０［ｋＶ／ｃｍ］、立ち上がり１［μs］、立ち下がり１［μs］、パルス幅が４［μs］、１００［ｋＨｚ］のパルス波形を用いた連続駆動における電気−機械変換素子の変位における変動の評価を行った。変位はレーザドップラ振動計を用いて計測した。変位における変動の評価は、測定の最初の変位の絶対値を１００［％］としたときの１×１０８［回］の繰り返し電界を印加した後の変位の変化率で評価し、下記の表１に示す。判断基準としては、変位の劣化率が５［％］より大きくなるとヘッドの液体吐出能力として十分な信頼性を得られないことから、変位の劣化率が５［％］以下であることを効果の基準とした。
【表１】
2014151511.tif 000003
【００４２】
実施例１、３より、電気−機械変換素子の撓み量が大きくなるほど連続駆動による変位量の低下が抑制されている。これは電気−機械変換素子を最初から液室側へ撓ませておくことで、連続駆動による撓みの湾曲形状からのズレ量を抑えられ、変位量の低下を防ぐことができるためである。そして、実施例３のものは１×１０８回駆動した場合でも変位の低下率が少ないため、電気−機械変換素子の撓み量は０．４５［μｍ］近傍となることがより好ましい。
【００４３】
比較例１においては示した電気−機械変換素子の撓み量がインク液室と逆向きに突出した湾曲形状となったものは、駆動前の変位量が小さい。これは電気−機械変換素子をインク液室と逆向きに突出した湾曲形状になったのは、下部電極層、電気−機械変換膜、上部電極層の引張応力を打ち消すために振動板の剛性を大きくしていたためである。そのため、変位量を確保するためには電気−機械変換素子がインク液室側へ突出した湾曲形状となることが好ましい。比較例２においては連続駆動時に振動板の割れが発生したことから、振動板は単層よりも積層であることが望ましい。比較例３では振動板の初期撓みが大きすぎた結果、インク滴を吐出するために十分な変位量が得られず、また連続駆動時に振動板の割れが生じたため、振動板の初期撓み量は０．４５［μｍ］以下であることが望ましい。比較例４においてはインク滴を吐出するために十分な変位量は得られているが、連続駆動による変位の低下率が大きくなるため、振動板の初期撓み量は０．２５［μｍ］以上であることが望ましい。
【００４４】
図６は本実施形態の液滴吐出ヘッドを複数個配置したものを示す断面図である。本実施形態によれば、電気−機械変換素子が簡便な製造工程で（かつバルクセラミックスと同等の性能を持つ）形成できる。その後の圧力室形成のための裏面からのエッチング除去、ノズル孔を有するノズル板を接合することで液体吐出ヘッドができる。図中には、液体供給手段、流路、流体抵抗についての記述は略した。
【００４５】
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１）
インク液室１３等の加圧液室に突出するように撓んだ湾曲形状の電気−機械変換素子１４を用い、ノズル１１から液滴を吐出する液滴吐出ヘッドの製造方法において、基板１６上に振動板１５を形成する振動板形成工程と、電気−機械変換素子１４を構成する下部電極層１４ｂ、電気−機械変換層１４ａ及び上部電極層１４ｃの各材料を振動板１５上に順次形成しかつ各層の形成毎に加熱して焼成を行うことで、電気−機械変換素子１４を形成する電気−機械変換素子形成工程と、振動板１５を挟んで電気−機械変換素子１４と対向する基板１６の位置に、振動板１５が加圧液室の一部を構成するよう、加圧液室を形成する加圧液室形成工程と、加圧液室を区画する隔壁の振動板１５と当接する側と反対側の端部に、ノズル１１が形成されたノズル板１２を接合するノズル板接合工程とを有することを特徴とする。これによれば、上記実施形態について説明したように、電気−機械変換素子形成工程では、電気−機械変換素子１４の下部電極層１４ｂが振動板１５上に形成される。このとき、下部電極層１４ｂの材料は振動板１５の表面形状にならって撓みがない状態になっている。その後、加熱によって下部電極層１４ｂの材料の液体成分を無くす焼成が行われると、下部電極層１４ｂと振動板１５との密着性を徐々に増しながら下部電極層１４ｂは収縮していき、焼成終了時の下部電極層１４ｂには収縮しようとする収縮力が生じる。このとき、下部電極層１４ｂの振動板１５との界面側と反対の面は開放端であるので撓んでいる。一方、下部電極層１４ｂの振動板１５との界面側の付近にも収縮力が伝わっており、下部電極層１４ｂの振動板１５との界面付近では下部電極層１４ｂの収縮力に対して相反する応力が発生して互いにバランスがとれた状態になっている。つまり、下部電極層１４ｂの振動板１５との界面側には加圧液室の短手方向の中央部分に向かう方向の応力が発生し、振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面側には加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が発生している。下部電極層１４ｂの上に電気−機械変換層１４ａを形成し、該電気−機械変換層１４ａの上に上部電極層１４ｃを形成する。これらの各層の形成において上記下部電極層１４ｂの形成と同様なメカニズムが生じる。このため、振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面側には、各層の形成毎に生じた加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力が累積して発生している。振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面側での伸びようとする応力は、下部電極層１４ｂとの界面側に反対の振動板１５の面にも伝わっており、振動板１５が形成されている基板１６からの応力でバランスがとれた状態になっている。そして、振動板１５において加圧液室の短手方向の中央部分から遠ざかる方向に伸びようとする応力は、加圧液室形成工程で基板１６に加圧液室が形成されて加圧液室の一部を構成する振動板１５があらわれた際に、開放される。このとき、振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面付近では下部電極層１４ｂからの収縮力を受けて縮んでいる。また、加圧液室を区画する隔壁によって加圧液室の一部を構成する以外の振動板１５の変形が規制されている。これらにより、振動板１５は、縮もうとしている振動板１５の下部電極層１４ｂとの界面付近に対して反対側であってかつ開放された加圧液室側に突出するように湾曲形状に撓み易い。電気−機械変換素子１４の湾曲形状の撓み量は、電気−機械変換素子１４の撓みによる圧力を受けた振動板１５の撓みによって定まる。振動板１５の剛性は電気−機械変換素子１４の剛性より高いので、電気−機械変換素子１４の撓みによる圧力が振動板１５の撓みに及ぼす影響は少ない。振動板１５は単体であるので、例えば振動板１５の材料や厚さを規定すれば、振動板１５の湾曲形状の撓み量は定まる。このため、振動板形成工程で、振動板１５の撓む量が狙いの撓み量になるよう、振動板１５の材料や厚さを狙いのものに規定して形成しておく。これにより、電気−機械変換素子１４の加圧液室側に突出するように振動板１５を介して撓んだ湾曲形状の撓み量は、狙いの撓み量に定まる。よって、従来のようなプレス工程を用いた場合の製造時間より短い製造時間で製造して、生産コストを抑えて狙いの撓み量の湾曲形状の電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを製造できる。
（態様２）
（態様１）において、振動板１５の短手方向の幅を６０［μｍ］とした場合、電気−機械変換素子１４の狙いの撓み量を２５０〜４５０［ｎｍ］の範囲にする。これによれば、上記実施形態の実施例について説明したように、振動板１５全体の剛性と引張応力の制御が、積層化と膜厚、及び積層構成の組み合わせで実現できることがわかっている。このため、振動板１５の短手方向の幅を６０［μｍ］とした場合、狙いの電気−機械変換素子１４の撓み量を２５０〜４５０［ｎｍ］の範囲にすると、振動板１５の撓み量が０．４２［μｍ］になるように振動板１５を狙いのものに形成する。これにより、電気−機械変換素子の材料、膜厚に適時対応でき、電気−機械変換膜の焼成温度による振動板の剛性、応力の変動が少なく安定した振動板が得られる。よって、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。
（態様３）
（態様１）において、振動板形成工程では、振動板１５を積層構造に形成する。これによれば、上記実施形態について説明したように、積層構造の振動板の場合、そ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自由度を得ることができる。よって、振動板が加圧液室側に狙いの撓み量で撓むように、振動板を容易に形成することができる。
（態様４）
（態様１）〜（態様３）のいずれかの液滴吐出ヘッドの製造方法によって製造された液滴吐出ヘッドに特徴がある。これによれば、上記実施形態について説明したように、振動板の変位量の低下を抑制でき、吐出滴特性を安定させることができる。
（態様５）
（態様４）の液滴吐出ヘッドを搭載し、液滴吐出ヘッドから記録液を吐出して記録材に画像を形成する画像形成装置に特徴がある。これによれば、上記実施形態について説明したように、吐出特性に優れ、安定した画像形成を行うことができる。
【符号の説明】
【００４６】
１  液滴吐出ヘッド
１０  液滴吐出ヘッド
１１  ノズル
１２  ノズル板
１３  インク液室
１４  電気−機械変換素子
１４ａ  電気−機械変換膜
１４ｂ  下部電極層
１４ｃ  上部電極層
１５  振動板
１６  基板
１００  インクジェット記録装置
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４７】
【特許文献１】特許第３４８４８８９号公報
【図１】
2014151511.tif 000004
【図２】
2014151511.tif 000005
【図３】
2014151511.tif 000006
【図４】
2014151511.tif 000007
【図５】
2014151511.tif 000008
【図６】
2014151511.tif 000009