(57)【要約】      （修正有）【課題】下部電極の下層となる基板の時定数を電気−機械変換膜に対して小さくすることにより、別の電気的な配線を必要とせずに分極処理を簡便に実施し得る電気−機械変換素子を提供する。【解決手段】電気−機械変換素子は、基板２０１と基板２０１上に積層された下部電極２０３と、下部電極２０３上に積層された電気−機械変換膜２０４と、電気−機械変換膜２０４上に積層された上部電極２０５とを備えた電気−機械変換素子において、下部電極２０３及び上部電極２０５が基板２０１向する面で露出しており、基板２０１の時定数が電気−機械変換膜２０４の時定数より小さい。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と
前記基板上に積層された下部電極と、
前記下部電極上に積層された電気−機械変換膜と、
前記電気−機械変換膜上に積層された上部電極とを備えた電気−機械変換素子において、
前記下部電極及び前記上部電極が前記基板と対向する面で露出しており、
前記基板の時定数が前記電気−機械変換膜の時定数より小さいことを特徴とする電気−機械変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載の電気−機械変換素子において、
前記基板と前記下部電極の間に下地膜が形成され、
前記基板及び下地膜からなる層の時定数が前記電気−機械変換膜の時定数より小さい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】
前記電気−機械変換膜に、±１５０ｋＶ／ｃｍの電界強度をかけてヒステリシスループを測定した場合に、
電圧をかける前の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｉとし、＋１５０ｋＶ／ｃｍの電圧印加後０ｋＶ／ｃｍまで戻したときの０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｒとしたときに、
分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉが１０μＣ／ｃｍ２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。
【請求項４】
前記電気−機械変換膜の比誘電率が３００〜２０００であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の電気−機械変換素子。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の電気−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６】
請求項５に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とするインクジェット記録装置。
【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、液滴吐出ヘッド及びインクジェット記録装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置や画像形成装置に使用されるインクジェット記録装置や液滴吐出ヘッドは、例えば図１に示すように、インク滴を吐出するノズル、このノズルが連通する加圧室（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）、加圧室内のインクを加圧する圧電素子などの電気−機械変換素子等を備えていることが知られている。そして、エネルギー発生手段で発生したエネルギーで加圧室内インクを加圧することによってノズルからインク滴が吐出される。
【０００３】
これらのインクジェット式記録ヘッドには、例えば、たわみ振動モードの圧電アクチュエータを使用したものが知られており、実用化されている。たわみ振動モードのアクチュエータを使用したものとしては、例えば、振動板の表面全体にわたって成膜技術により均一な圧電材料層を形成し、この圧電材料層をリソグラフィー法により圧力発生室に対応する形状に切り分けて各圧力発生室に独立するように圧電素子を形成したものが知られている。
【０００４】
このたわみ振動モードのアクチュエータに使用される電気−機械変換素子の例としては、共通電極である下部電極と、下部電極上に形成されたＰＺＴ膜（チタン酸ジルコン酸鉛、圧電体層などとも称される）と、ＰＺＴ膜上に形成された個別電極である上部電極により構成されるものが挙げられる。
【０００５】
また、上部電極上には層間絶縁膜が形成され、下部電極と上部電極との絶縁が図られ、この層間絶縁膜に開口されたコンタクトホールを介して上部電極に電気的に接続される配線が設けられた構造を有するものが知られている（例えば、特許文献１、２）。
【０００６】
また、例えば図２に示すように電圧印加直前において圧電体結晶は分極の向きがランダムな状態となっていたものが（図２（ａ））、電圧印加を繰り返すことで、圧電体結晶は分極の向きが揃ったドメインの集合体となってくる（図２（ｂ））。このような状態になると、圧電素子の変位量が低下してしまい、圧電素子の変位量の疲労現象などとも呼ばれている現象が生じてしまう。
【０００７】
これに対し、分極処理工程（ポーリング工程やエージング工程などとも称される）を行い、電圧印加を行う前から圧電素子内の分極の向きを揃えることが試されており、所定の駆動電圧に対して変位量を安定化させる工夫が行われてきた（例えば、特許文献３、４）。具体的には圧電素子に対して駆動パルス電圧を超える高電圧を印加するような手法が行われている。
【０００８】
また電極と電荷供給手段との間に電圧を印加してコロナ放電を生じさせることにより、電荷を圧電素子に供給し、圧電体内に電界を発生させる工夫が行われている（例えば、特許文献５）。
【０００９】
しかしながら、特許文献３、４記載にあるような駆動パルス電圧を印加して処理する場合、具体的な印加方法について明記されておらず、実施が困難であった。この場合、プローブカード等を用いてウェハレベルで処理することを想定すると、配置された端子電極数や電極形状、配置等によっては、プローブカードの作製等に費用がかかることや、技術的に非常に困難であることなどの問題があった。また１枚のプローブカードで処理出来る端子電極数が少ない場合においては、ウェハレベルで処理するのに相当な時間を要することになる。
【００１０】
また、特許文献５の記載にあるコロナワイヤーを用いた放電によって処理する場合、圧電体に電位差を発生させるにあたり、圧電体のいずれか一方の電極（下部電極）に電位を付与する構成が必要となる。ウェハレベルでの処理を想定した際、電気的に接続させることは工程上、煩雑となってしまい、レイアウトにも考慮が必要となる。
【００１１】
また、特許文献６には、圧電体の一方の側に誘電体を設けて、誘電体の時定数が圧電体の時定数よりも大きくなるようにすることで、高温領域における時定数が向上した圧電素子を提供することができることが開示されている。
【００１２】
しかし、特許文献６は圧電体に分極処理を行うための技術ではなく、仮にコロナ放電などによる分極処理を行う場合、上下電極を電気的に接続させる構成にすることが必要であり、分極処理を簡便に行う上で問題があった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
しかし、今までの分極処理の手段の一つであるコロナ放電による分極処理方法では、薄膜のように積層構造となっている場合、上下電極間に電位差を発生させるために、下部電極側を積極的にグランド（ＧＮＤ）とするなど、いずれか一方の電位状態を規定する必要があり、電気的な配線が必要になるという問題があった。
【００１４】
そこで、本発明は上記課題を鑑み、下部電極の下層となる基板の時定数を電気−機械変換膜に対して小さくすることにより、別の電気的な配線を必要とせずに分極処理を簡便に実施し得る電気−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】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明に係る電気−機械変換素子は、基板と前記基板上に積層された下部電極と、前記下部電極上に積層された電気−機械変換膜と、前記電気−機械変換膜上に積層された上部電極とを備えた電気−機械変換素子において、前記下部電極及び前記上部電極が前記基板と対向する面で露出しており、前記基板の時定数が前記電気−機械変換膜の時定数より小さいことを特徴とする電気−機械変換素子である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、下部電極の下層となる基板の時定数を電気−機械変換膜に対して小さくすることにより、別の電気的な配線を必要とせずに分極処理を簡便に実施し得る電気−機械変換素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】液滴吐出ヘッドの構成の一例を示す模式図である。
【図２】圧電体結晶内の分極の向きの変化を示す模式図である。
【図３】本発明における電気−機械変換素子の構成の一例を示す模式図である。
【図４】分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉを説明するためのヒステリシスループの例を示す図である。
【図５】電気−機械変換膜内の分極の向きを模式的に示した図である。
【図６】複数の電気−機械変換素子を有する液滴吐出ヘッドの構造を示す模式図である。
【図７】本発明におけるインクジェット記録装置の構成の一例を示す斜視図である。
【図８】本発明におけるインクジェット記録装置の構成の一例を示す側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明の電気−機械変換素子は、基板と前記基板上に積層された下部電極と、前記下部電極上に積層された電気−機械変換膜と、前記電気−機械変換膜上に積層された上部電極とを備えた電気−機械変換素子において、前記下部電極及び前記上部電極が前記基板と対向する面で露出しており、前記基板の時定数が前記電気−機械変換膜の時定数より小さいことを特徴としている。
【００１９】
（電気−機械変換素子）
本発明の電気−機械変換素子の構成例について図３に示す。図３では、基板２０１に下地膜２０２、第１の電極２０３、電気−機械変換膜２０４、第２の電極２０５が積層されている。なお、特に断りのない限り、第１の電極２０３は下部電極を表し、第２の電極２０５は上部電極を表すものとする。
【００２０】
電気−機械変換素子の基板２０１としては、特に制限されるものではないが、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、厚みが１００〜６００μｍであることが好ましい。面方位としては、（１００）、（１１０）、（１１１）と３種を用いることができ、一般的に（１００）、（１１１）が用いられており、本発明においては、（１００）の面方位を持つ単結晶基板が好ましい。
【００２１】
また、図３に示されるような圧力室１８を作製する場合、エッチングを利用してシリコン単結晶基板を加工するが、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°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。
【００２２】
本発明においては(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が、この場合、マスク材として用いられ得るＳｉＯ２もエッチングされてしまうことにも留意する。
【００２３】
下地膜２０２は、電気−機械変換膜２０４によって発生した力を受けて、変形変位して圧力室１８のインク滴を吐出させる。そのため、下地膜２０２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。
下地膜２０２の材料としては、例えばＳｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により作製したものが挙げられる。
さらに、共通電極、電気−機械変換膜２０４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２０４は、一般的な材料としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が使用されることから、下地膜２０２の材料は線膨張係数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く、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。
【００２４】
具体的な材料としては、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が挙げられ、これらを例えばスパッタ法、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。
【００２５】
本発明の電気−機械変換素子において、下地膜２０２が形成されている場合は、膜厚が０．１μｍ〜１０μｍであることが好ましく、０．５μｍ〜３μｍがより好ましい。０．１μｍ未満の場合、圧力室１８の加工が難しくなり、１０μｍより大きい場合、下地膜２０２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ことがある。
下地膜２０２の膜厚が上記範囲に含まれる場合、詳細は後述するが、基板２０１及び下地膜２０２からなる層の時定数が前記電気−機械変換膜２０４の時定数より小さい構成となることに寄与するため、好ましい。
【００２６】
第１、２の電極２０３、２０５については、金属材料として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考慮し、イリジウムや白金−ロジウムなどの白金族元素や、これら合金膜なども用いることができる。
また、白金を使用する場合には下地膜２０２（特にＳｉＯ２）との密着性を考慮し、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る。
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、電気−機械変換膜２０４としてＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）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、第１の電極２０３の材料としては、（１１１）配向性が高い白金（Ｐｔ）を選択することが好ましい。
また、電気−機械変換膜２０４の変位の経時的な疲労特性に対する懸念から、第１の電極２０３と電気−機械変換膜２０４との間および電気−機械変換膜２０４と第２の電極２０５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。
【００２７】
電気−機械変換膜２０４の材料としては、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）が好適に用いられる。ＰＺＴはジルコン酸鉛(ＰｂＺｒＯ３)とチタン酸鉛(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の割合であり、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３,Ｔｉ０．４７）Ｏ３、一般的にはＰＺＴ（５３／４７）と示されることがある。
【００２８】
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。
これら材料を一般式として表した場合、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挙げられる。
これらの例としては、（Ｐｂ１−ｘ,Ｂａｘ）(Ｚｒ,Ｔｉ)Ｏ３、（Ｐｂ１−ｘ,Ｓｒｘ）(Ｚｒ,Ｔｉ）Ｏ３等が挙げられ、これはＡサイトのＰｂを一部ＢａやＳｒで置換した場合の例である。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。
【００２９】
電気−機械変換膜２０４の作製方法としては、例えばスパッタ法やゾルゲル法を用いてスピンコータにて作製することが挙げられる。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。
また、ＰＺＴをゾルゲル法により作製する場合、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、均一の溶液を得ることで、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。
【００３０】
また、下地膜２０２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ることができる。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１００ｎｍ以下の膜厚が得られるように前駆体濃度を調整し、ＰＺＴ膜を作製していく。
【００３１】
電気−機械変換膜２０４の膜厚としては０．５μｍ〜５μｍが好ましく、１μｍ〜２μｍがより好ましい。０．５μｍ未満の場合、十分な変位を発生することができなくなることがあり、５μｍより大きい場合、作製工程の負担が増加し、プロセス時間が長くなることがある。
【００３２】
また電気−機械変換膜２０４の比誘電率としては３００〜２０００が好ましく、６００〜１６００がより好ましい。３００未満の場合、十分な変位特性が得られないことがあり、２０００より大きい場合、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られないことがある。
【００３３】
次に、分極処理の状態について説明する。分極処理の状態については、電気−機械変換素子のＰ−Ｅヒステリシスループから判断することができる。電気−機械変換素子のＰ−Ｅヒステリシスループの例を図４に示す。図４（ａ）は分極処理を行う前の試料についてのＰ−Ｅヒステリシスループを示しており、図４（ｂ）は分極処理後のＰ−Ｅヒステリシスループを示している。
【００３４】
図４（ａ）、（ｂ）に示されるように、±１５０ｋＶ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定した場合に、電圧をかける前の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｉとし、＋１５０ｋＶ／ｃｍの電圧印加後０ｋＶ／ｃｍまで戻したときの０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｒとする。なお、Ｐｒは残留分極とも称する場合がある。
【００３５】
残留分極Ｐｒは外部電場印加時に生じる分極反転についても影響を受けるため、初期の分極状態を評価するには、立ち上がり時のＰ−Ｅヒステリシスループの０ｋＶ／ｃｍ時における値、すなわちＰｉｎｉを確認することで評価できる。例えば、Ｐｉｎｉの値が正か負かによって、電圧を印加していない時の電気−機械変換素子の分極が第１の電極から第２の電極の方向（あるいはその逆）に揃っているかについて評価できる。
【００３６】
図５は、電圧を印加していない時の電気−機械変換膜２０４内の分極の方向を表す一例を模式的に示した図である。右側矢印は第２の電極から第１の電極の方向に分極されており、左側矢印はその逆方向に分極されていることを示している。
【００３７】
また、ＰｒとＰｉｎｉの値を比較することで、どの程度分極が揃っているかについて判断できる。このとき、Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値を分極率として定義し、この分極率により、分極の状態が適切であるか否かを判断することができる。分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉは、例えば図４（ｂ）に示されるように、１０μＣ／ｃｍ２以下が好ましく、５μＣ／ｃｍ２以下がより好ましい。１０μＣ／ｃｍ２より大きい場合、ＰＺＴの圧電アクチュエータとして、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られないことがある。
【００３８】
分極に偏りがない状態の場合、Ｐｉｎｉはゼロ点にあり、Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値が小さければ小さいほど、初期の分極が残留分極Ｐｒに近いということを示しており、初期状態においても分極が正極性（あるいは負極性）に揃っていることを示している。
【００３９】
また、規格化により｜Ｐｒ−Ｐｉｎｉ｜／｜Ｐｒ｜としたとき、この値がゼロに近ければ近いほど、分極が揃っていると言え、１に近いほど、分極状態はランダムになっていると判断できる。なお、初期の分極の極性方向は駆動電圧方向によって判断すればよい。
【００４０】
次に、本発明において要求される時定数の関係について説明する。本発明においては、基板の時定数が電気−機械変換膜の時定数よりも小さいことを要する。
【００４１】
コロナ放電により電気−機械変換素子を分極させる場合、従来の技術では、例えばワイヤー状のコロナ電極とコロナ電極と電気的に接続された平面電極の間に電気−機械変換素子などの分極処理を行う試料を設置する。放電を開始すると、空気がイオン化され、コロナ電極と平面電極との間の電界に沿って移動する。このとき、基板２０１と対向する面で第１の電極２０３及び第２の電極２０５が露出する構成となっていない場合、一方の電極のみが放電処理されることとなる。分極処理を行うには、上下電極間に電位差を発生させる必要があるが、そのためには例えば、下部電極である第１の電極２０３を積極的にグランド（ＧＮＤ、基準となる電位）し、基準電位とさせるなど、いずれか一方の電位状態を規定する必要がある。そのため、電気的な配線が必要であり、複雑な構造となるという問題があった。
【００４２】
これに対し、基板２０１と対向する面で第１の電極２０３及び第２の電極２０５が露出する構成とする方法が挙げられる。これにより、コロナ放電により、第１の電極２０３と第２の電極２０５に電位差が発生し、分極処理を行うことができると考えられた。
しかし、基板の時定数や電気−機械変換膜２０４の時定数によっては、上下電極間に電位差が発生せず、分極処理を十分に行えないという問題があった。
【００４３】
そこで、本発明者は、基板２０１と対向する面で第１の電極２０３及び第２の電極２０５が露出する構成の電気−機械変換素子について、基板の時定数を電気−機械変換膜２０４の時定数よりも小さくすることで、上下電極間に電位差を発生させることができ、コロナ放電による分極処理を簡便に行うことができるという知見を見出し、本発明に至った。
【００４４】
なお、上部電極、下部電極が保護膜などで覆われている場合でも、上部電極、下部電極と接続されている引き出し電極が露出している場合、本発明の構成に含まれる。
【００４５】
時定数は、一般的に回路の応答の速さを表す指標として用いられており、例えば、時定数が小さい場合、電圧Ｖ（ｔ）が短時間で低下すること、一方、時定数が大きい場合、電圧Ｖ（ｔ）の低下は時定数が小さい場合に比べて緩やかになることなどの評価を行うことができる。
【００４６】
電気−機械変換素子を設置するステージの電位がグランド（ＧＮＤ）と同電位であり、基板の時定数が電気−機械変換膜２０４と比較して十分に小さい場合、放電により分極処理を行った際に、第２の電極２０５側の電位は基本的に放電によって生じる電位で決定される。
一方で、第１の電極２０３側の電位は、基板の時定数が十分に小さいため、第１の電極２０３側の電位は放電によって生じる電位で安定せず、基板を介在して、ステージの電位と同電位となる。その結果、電気−機械変換膜２０４の上部又は下部に位置する第２の電極２０５と第１の電極２０３との間で電位差が発生し、電気−機械変換膜２０４を放電によって分極処理を実施することができる。
【００４７】
このとき、基板の時定数が電気−機械変換膜２０４の時定数よりも大きい場合、第１の電極２０３側でも放電によって発生する電位が安定してしまい、上下電極間の電位差が発生しないため、分極処理を行えず、好ましくない。
また、下地膜２０２が形成されている場合は、基板２０１及び下地膜２０２からなる層の時定数が前記電気−機械変換膜２０４の時定数より小さいことが好ましい。基板２０１及び下地膜２０２からなる層の時定数が前記電気−機械変換膜２０４の時定数より大きい場合、分極処理を行うことができない場合があり、下地膜２０２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ことがある。
【００４８】
本発明において、基板や電気−機械変換素子の時定数は、それぞれの体積抵抗率と比誘電率を乗算した値を利用して算出することができる。そのため、時定数を制御する方法としては、所期の体積抵抗率や比誘電率を有する材料を適切に選択することにより、時定数を制御することができる。
また、電気−機械変換膜２０４の膜厚を変えることでも制御することもできる。膜厚を小さくすることで時定数も小さくなるが、材料によっても変化することに留意する。
【００４９】
なお、本発明において、分極処理をするための放電としては、コロナ放電やグロー放電などが挙げられ、特にコロナ放電が好ましい。放電を行う方法は、特に制限はなく、公知の技術を用いることができる。
【００５０】
（液滴吐出ヘッド）
次に本発明に係る液滴吐出ヘッドについて説明する。
上述した電気−機械変換素子の下部に圧力室基板１３を設け、さらにその下部にノズル１１を備えたノズル板１２を設けることで、圧力室１８を備えるインクジェット記録ヘッドが得られる。その構成例を図１に示す。本発明の液滴吐出ヘッドにおいては、図１に示される液滴吐出ヘッドを複数個配置させ、図６に示される構成例としてもよい。
本発明によれば、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、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滴吐出ヘッドが得られる。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かれている。
【００５１】
（インクジェット記録装置）
次に、本発明の液滴吐出ヘッドが備えられたインクジェット記録装置について説明する。本発明のインクジェット記録装置の一例を図７、図８に示す。図７はインクジェット記録装置の斜視図であり、図８はインクジェット記録装置の気孔部の側面図である。
【００５２】
本発明におけるインクジェット記録装置には、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、キャリッジに搭載されたインクジェット記録ヘッド、インクジェット記録ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ等で構成される印字機構部８２等が収納されている。
【００５３】
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（または給紙トレイ）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る。そして、給紙カセット８４または手差しトレイ８５から給送される用紙８３が取り込まれ、印字機構部８２によって所要の画像が記録された後、後面側に装着された排紙トレイ８６に用紙８３が排紙される。
印字機構部８２には、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が主走査方向に摺動自在に保持されている。
【００５４】
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本発明に係るインクジェット記録ヘッドからなるヘッド９４が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され、インク滴吐出方向を下方に向けてインクジェット記録ヘッドが装着されている。またキャリッジ９３にはヘッド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が交換可能な態様で装着されている。
【００５５】
インクカートリッジ９５に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記録ヘッドに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が設けられている。この多孔質体の毛管力により、インクジェット記録ヘッドに供給されるインクをわずかな負圧に維持している。また、インクジェット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個のヘッドとしてもよい。
【００５６】
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、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。
【００５７】
また、インクジェット記録装置には、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が設けられている。さらに、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とが設けられている。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。
【００５８】
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、インクジェット記録装置には、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が配設されている。
【００５９】
記録時には、キャリッジ９３が移動し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、次の行の記録が行われる。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が排紙される。
【００６０】
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が配置されており、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ことができる。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ことができる。
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をクリーニング手段により除去でき、吐出不良を回復することができる。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。
【００６１】
本発明のインクジェット記録装置においては、振動板駆動の不良等によるインク滴吐出不良を抑制することができ、変位の変動を抑制することができることから、安定したインク滴吐出特性、画像品質の向上を図ることができる。
【実施例】
【００６２】
以下、本発明を実施例および比較例を挙げて説明する。なお、本発明はここに例示される実施例に限定されるものではない。
【００６３】
（実施例１）
シリコンウエハ（膜厚６００μｍ）に熱酸化膜（膜厚１μｍ）を形成した。
第１の電極２０３として、酸化チタン膜（膜厚５０ｎｍ）、引続き第１の電極２０３として白金膜（膜厚１００ｎｍ）、ＳｒＲｕＯ３膜（膜厚６０ｎｍ）を順次スパッタ成膜した。なお、酸化チタン膜は、熱酸化膜と白金膜の間の密着層としての役割を持つ。また、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。
【００６４】
次に、電気−機械変換膜２０４としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１０：５３：４７の組成比で調合したＰＺＴ前駆体溶液を用いた。ＰＺＴ前駆体溶液の塗布液の合成を以下に説明する。
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、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。なお、化学両論組成に対し鉛量を過剰にしてあるが、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、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前駆体溶液のにおけるＰＺＴ濃度は０．５ｍｏｌ／ｌであった。
【００６５】
このＰＺＴ前駆体溶液の塗布液を用いて、スピンコート法により成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥させた後、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ＲＴＡにて行った。このときＰＺＴの膜厚は２４０ｎｍであった。この工程を計８回（２４層）実施し、膜厚が約２μｍのＰＺＴ膜を得た。
【００６６】
次に、第２の電極２０５としてＳｒＲｕＯ３膜(膜厚４０ｎｍ)、白金膜（膜厚１２５ｎｍ）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ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ａｎｎｅａｌｉｎｇ)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し、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、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。
【００６７】
本実施例で得られた電気−機械変換素子の構成は、基板と対向する面で、第１の電極２０３及び第２の電極２０５が露出している構成であった。
【００６８】
次に、本実施例では電荷供給手段（コロナ放電）により電極上に電荷供給させることにより、分極処理を施し、分極状態を駆動電圧方向に揃わせることで、電気−機械変換素子を得た。
【００６９】
（実施例２）
実施例１において、シリコンウエハ上にＳｉ３Ｎ４膜（膜厚１μｍ）を形成し、その後は実施例１と同様にして、電気−機械変換素子を作製した。
【００７０】
（実施例３）
実施例１において、ＰＺＴ膜の膜厚約２μｍを約１μｍに変えた以外は、実施例１と同様にして、電気−機械変換素子を作製した。
【００７１】
（比較例１）
シリコンウエハに熱酸化膜（膜厚２０μｍ）を形成し、その後実施例1と同様の構成・プロセスを経て、電気−機械変換素子を作製した。
【００７２】
（比較例２）
シリコンウエハを酸化アルミニウムウエハに変え、第１の電極２０３としての酸化チタン膜を成膜しなかった以外は実施例1と同様にして、電気−機械変換素子を作製した。
【００７３】
（評価）
各実施例、比較例で得られた電気−機械変換素子を用いて、印加電界１５０ｋＶ/ｃｍにおけるＰ−Ｅヒステリシスループを測定し、分極状態について評価した。
この測定においては、測定電界が０ｋＶ／ｃｍからスタートし、三角波で両極性の電界に振幅させることを複数回実施することで、分極状態について評価している。１回目のループにおいては、作製した電気−機械変換素子の初期の分極Ｐｉｎｉについて、２回目以降のループにおいては、作製した電気−機械変換素子の残留分極Ｐｒについて評価した。
【００７４】
また、印加電界１５０ｋＶ／ｃｍにおける電気−機械変換素子について、変位の変動の評価を行った。変位はレーザードップラ振動計（小野測器社製）を用いて計測した。変位の変動の評価は、分極処理を実施した後の最初の変位と１０１０回繰り返し電界を印加した後の変位のｄ３１定数を求め、繰り返し印加後の変化率を評価した。
また、各実施例と比較例の時定数は、各々の基板、電気−機械変換膜の体積抵抗率と比誘電率を乗算した値を利用して算出した。
【００７５】
各実施例、比較例で得られた電気−変換素子の時定数、分極率、変位の変化率を表１に示す。なお、表１中、「基板／下地膜」とあるのは、下地膜２０２が形成されている場合、基板２０１及び下地膜２０２からなる層をいい、それ以外は基板２０１をいう。
【００７６】
【表１】
2015060875.tif 000003
【００７７】
実施例１〜３については、分極率が良好な値を示しており、分極処理ができていることを示している。一方で、比較例１については、分極率は不十分な値となっており、分極は進展していない。また、耐久試験においても実施例１〜３は良好な結果を示しているが、比較例１は実施例１〜３と比べて劣化しているのが確認された。
比較例１、２で示されているように、電気−機械変換膜２０４の時定数に比べて、基板２０１の時定数が大きいとき、あるいは基板２０１及び下地膜２０２からなる層の時定数が電気−機械変換膜２０４の時定数より大きいとき、第１の電極２０３側でも放電によって発生する電位が安定してしまうため、分極は進展しない。
一方で、実施例１〜３では、電気−機械変換膜２０４の時定数に比べて、基板２０１の時定数が小さく、第１の電極２０３側においても、基板２０１を介してステージの電位と同等となっている。結果として、電気−機械変換膜２０４の上下電極間に電位差が発生し、分極が進展する。
【００７８】
次に、実施例１〜３で得られた電気−機械変換素子を備える液滴吐出ヘッドを作製した。まず、圧力室１８を形成するために、圧力室基板１３として、シリコン基板を所望の厚さｔ（例えば厚さ８０μｍ）になるように、公知の技術で研磨した。なお、研磨法以外にもエッチングなどでもよい。
その後、リソグラフィー法により、圧力室１８以外の隔壁部をレジストで被覆した。その後、アルカリ溶液（ＫＯＨ溶液、あるいはＴＭＨＡ（水酸化テトラメチルアンモニウム）溶液）で異方性ウェットエッチングを行い、圧力室１８を形成し、液滴吐出ヘッドを作製した。
得られた液滴吐出ヘッドの吐出は良好であり、連続吐出による特性変化は見られなかった。
【００７９】
上記より、本発明によれば、下部電極の下層となる基板の時定数を電気−機械変換膜に対して相対的に小さくすることにより、別の電気的な配線を必要とせずに分極処理を簡便に実施し得る電気−機械変換素子が得られることがわかる。
【符号の説明】
【００８０】
１１  ノズル
１２  ノズル板
１３  圧力室基板
１４  下地膜
１５  下部電極
１６  電気−機械変換膜
１７  上部電極
２０  ドメイン
２１  ドメインの分極方向
２０１  基板
２０２  下地膜
２０３  第１の電極
２０４  電気−機械変換膜
２０５  第２の電極
２１１  第１の絶縁保護膜
２１２  第２の絶縁保護膜
２１３  第３、第４の電極
【先行技術文献】
【特許文献】
【００８１】
【特許文献１】特許第３３６５４８５号公報
【特許文献２】特許第４２１８３０９号公報
【特許文献３】特開２００４−２０２８４９号公報
【特許文献４】特開２０１０−０３４１５４号公報
【特許文献５】特開２００６−２０３１９０号公報
【特許文献６】特開２００９−３０２２３３号公報
【図１】
2015060875.tif 000004
【図５】
2015060875.tif 000005
【図２】
2015060875.tif 000006
【図３】
2015060875.tif 000007
【図４】
2015060875.tif 000008
【図６】
2015060875.tif 000009
【図７】
2015060875.tif 000010
【図８】
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