JP2016157794A - 電気機械変換部材の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド、および画像形成装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧印加による圧電体を駆動することでの応力緩和において、温度変化による特性変化を抑制することで、圧電体の特性を安定化させることができる電気機械変換部材の製造方法を提供する。
【解決手段】振動板１５上に下部電極１６１、圧電体１６２、上部電極１６３がこの順に形成された圧電素子１６による電気機械変換部材に対して、常温よりも高温である保持温度にて電気機械変換部材を保持し、電気機械変換部材を電圧印加により駆動させながら、保持温度を徐々に低温に温度変化させる工程を有するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気機械変換部材の製造方法、液滴吐出ヘッドの製造方法、液滴吐出ヘッド、および画像形成装置に関する。

一般に、プリンタ、ファクシミリ、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、例えばインク等の液滴を吐出する液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置がある。

液滴吐出ヘッドは、インクなどの液体の液滴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（加圧液室、圧力室、加圧室、吐出室などとも称される。）と、圧電素子（薄膜圧電体ともいう）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。この液滴吐出ヘッドでは、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、ノズルから液滴を吐出させることができる。

液滴吐出ヘッドには、振動板上に、圧電素子を構成する下部電極（共通電極）、圧電体及び上部電極（個別電極）を積層形成し、たわみ振動モードを使用した電気機械変換部材（圧電アクチュエータともいう）が実用化されている。

ところで、圧電素子は、その成膜過程において下地となる部位や構造そのものから受ける応力の影響によって、所望の特性を得られない場合（特性ロス）があることや、使用中の特性変化を生じることがあることが知られている。

これに対し、使用時に用いる駆動波形や、それに準ずる圧電体を駆動させる電圧波形を印加することで圧電体内の応力を緩和させる方法が提案されている。

特許文献１には、加熱処理と分極処理によって応力の緩和を行い、その後の電圧印加によって分極を揃えることで応力の緩和をした上で安定した分極特性を得る圧電／電歪素子の製造方法が開示されている。

しかしながら、これまでの電圧印加による圧電体を駆動することでの応力緩和（エージングという）では、あくまで常温での残留応力の緩和をしているにすぎなかった。

具体的には、実際の圧電素子の使用環境全域で考えると、高温時や低温時において構造全体の線膨張差による応力が発生してしまい、応力の影響による圧電体の変位特性の変化が生じてしまう。

また、このように変位特性に変化が生じると、生じた特性変化は常温に戻しても残留してしまい、特性変化が常温でも発生してしまうことが判明した。このように、従来のエージングでは、圧電体の特性の安定化に検討の余地が残されていた。

そこで本発明は、電圧印加による圧電体を駆動することでの応力緩和において、温度変化による特性変化を抑制することで、圧電体の特性を安定化させることができる電気機械変換部材の製造方法を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するため、本発明に係る電気機械変換部材の製造方法は、振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換部材に対して、常温よりも高温である保持温度にて前記電気機械変換部材を保持し、該電気機械変換部材を電圧印加により駆動させながら、前記保持温度を徐々に低温に温度変化させる工程を有するものである。

本発明によれば、圧電体の特性を安定化させることができる。

液滴吐出ヘッドの基本構成部分である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図である。 液滴吐出ヘッドの基本構成部分である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向と直行する方向の断面図である。 液滴吐出部の製造プロセスの一例を示すフローチャートである。 実施例１に係る圧電素子を有する液滴吐出部の概略構成を示す断面図の一例である。 図４に示す液滴吐出部を複数配置した例を示す断面図である。 実施例１に係る圧電素子を有する液滴吐出部の概略構成を示す断面図の他の例である。 図６に示す液滴吐出部を複数配置した例を示す断面図である。 実施例１でのエージング処理時の温度プロファイルである。 実施例１における印加波形を示すグラフである。 静電容量測定装置での（Ａ）入力信号、（Ｂ）出力信号、（Ｃ）換算式の説明図である。 実施例２における印加波形を示すグラフである。 実施例３における印加波形を示すグラフである。 実施例４における印加波形を示すグラフである。 実施例１〜４および比較例１におけるヒートサイクル前後での吐出速度の前後比較結果である。 実施例１〜４および比較例１におけるヒートサイクル前後での静電容量の前後比較結果である。 液滴吐出ヘッドを備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の構成例を示す斜視図である。 液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。 ＳＲＯ膜（１１１）のＸＲＤパターン図の例を示す図である。

以下、本発明に係る構成を図１から図１９に示す実施の形態に基づいて詳細に説明する。

（電気機械変換部材／液滴吐出ヘッドの構成）
図１は液滴吐出ヘッドの基本構成部分である液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図であり、便宜上、１つの液室に対応する部分のみ示している。また、図２は、液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向と直交する方向の断面図である。

図１に示すように、液滴吐出部１０は、インクなどの液体の液滴を吐出するノズル１１を有するノズル基板１２と、ノズル１１に連通し液体を収容した液室１３が形成された液室基板１４（以下、単に「基板」という）とを備えている。この基板１４は、ノズル１１と連通する液室１３の隔壁部、流体抵抗部３２、液室１３へのインク導入路３３などが形成されている。基板１４上には、液室１３の一壁面となる振動板１５を形成し、振動板１５上に下部電極１６１、圧電体（ＰＺＴ）１６２及び上部電極１６３からなる圧電素子１６が設けられている。また、圧電素子１６を覆うように第１の保護膜としての第１の絶縁保護膜１７、第２の絶縁保護膜１８、第３の絶縁保護膜１９及びサブフレーム２０が設けられている。

圧電素子１６は、振動板１５側で共通電極となる下部電極１６１と、電気機械変換膜としてのＰＺＴなどからなる圧電体１６２と、圧電体１６２の振動板１５側とは反対側で個別電極となる上部電極１６３とが積層されている。下部電極１６１は、第１の絶縁保護膜１７に形成されたコンタクトホール１７ａにより配線２１に接続されており、この配線２１を介して外部接続用の端子電極としての共通電極用のパッド電極に接続されている。また、上部電極１６３は、第２の絶縁保護膜１８に形成されたコンタクトホール１８ａにより配線２２に接続されており、この配線２２を介して外部接続用の端子電極としての個別電極用のパッド電極２３に接続されている。

サブフレーム２０は、下部電極１６１及び上部電極１６３に電気的に接続される共通電極用の配線２１、個別電極用の配線２２を含めて圧電素子１６の保護空間２０ａと、駆動ＩＣ２４の配置するための空間とを有している。また、共通液室から液室１３へのインク流路３５となる溝部を有している。このインク流路３５は、インク供給口３４を介して基板１４に形成されたインク導入路３３に連通している。

上記構成の液滴吐出部１０において、共通電極用のパッド電極と配線２１及び個別電極用のパッド電極２３と配線２２を介してそれぞれ圧電素子１６の下部電極１６１と上部電極１６３との間に所定の周波数及び振幅の駆動電圧が印加される。この駆動電圧が印加された圧電素子１６が、基板１４と圧電素子１６との間にある振動板１５を変形させるように振動し、その振動板１５の変形により液室１３内の液体が加圧され、ノズル１１から液滴を吐出させることができる。

次に、液滴吐出ヘッドを構成する構成要素である各部及び部材などの材料及び工法について、より具体的に説明する。

〔基板〕
基板１４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［μｍ］以上６００［μｍ］以下の範囲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、本構成例においては、主に（１００）の面方位を持つ単結晶基板を主に使用した。また、図１に示すような液室（圧力室）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。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ことが分かっている。本構成例としては（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ＳｉＯ_２もエッチングされてしまうため、この点も留意して利用することが好ましい。

〔振動板〕
図１に示すように電気機械変換素子としての圧電素子１６によって発生した力を受けて、その下地の振動板１５が変形して、液室（圧力室）１３のインクなどの液体の液滴を吐出させる。そのため、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、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４などを例えばＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition：化学気相成長）法により作製したものが挙げられる。さらに図１に示すような共通電極（下部電極）１６１及び圧電体１６２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、圧電体１６２としては、一般的に材料としてＰＺＴが使用される場合が多い。従って、振動板１５の材料は、ＰＺＴの線膨張係数８×１０^−６（１／Ｋ）に近い５×１０^−６（１／Ｋ）以上１０×１０^−６（１／Ｋ）以下の範囲の線膨張係数を有した材料が好ましい。さらには７×１０^−６（１／Ｋ）以上９×１０^−６（１／Ｋ）以下の範囲の線膨張係数を有した材料がより好ましい。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る。これらの材料を、例えばスパッタ法又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できる。膜厚としては０．１［μｍ］以上１０［μｍ］以下の範囲が好ましく、０．５［μｍ］以上３［μｍ］以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと、図１に示すような液室（圧力室）１３の加工が難しくなる。また、上記範囲より大きいと振動板１５が変形しにくくなり、インク滴などの液滴の吐出が不安定になる。

〔下部電極（共通電極）〕
下部電極（共通電極）１６１としては、金属もしくは金属と酸化物からなっていることが好ましい。ここで、どちらの材料も振動板１５と下部電極１６１を構成する金属膜との間に密着層を入れて剥がれ等を抑制するように工夫している。以下に密着層含めて金属電極膜及び酸化物電極膜の詳細について記載する。

〔密着層〕
密着層は、例えば次のように形成する。Ｔｉをスパッタ成膜後、成膜したチタン膜をＲＴＡ（Rapid Thermal Annealing）装置を用いて熱酸化して酸化チタン膜にする。熱酸化の条件は、例えば、６５０［℃］以上８００［℃］以下の範囲の温度、１［分］以上３０［分］以下の範囲の処理時間、及びＯ_２雰囲気である。酸化チタン膜を作成するには反応性スパッタでもよいがチタン膜の高温による熱酸化法が望ましい。反応性スパッタによる作製では、シリコン基板を高温で加熱する必要があるため、特別なスパッタチャンバ構成を必要とする。さらに、一般の炉による酸化よりも、ＲＴＡ装置による酸化の方がチタン酸化膜の結晶性が良好になる。なぜなら、通常の加熱炉による酸化によれば、酸化しやすいチタン膜は、低温においてはいくつもの結晶構造を作るため、一旦、それを壊す必要が生じるためである。したがって、昇温速度の速いＲＴＡによる酸化の方が良好な結晶を形成するために有利になる。また、Ｔｉ以外の材料としては、Ｔａ、Ｉｒ、Ｒｕ等の材料を用いることもできる。密着層の膜厚としては、１０［ｎｍ］以上５０［ｎｍ］以下の範囲が好ましく、１５［ｎｍ］以上３０［ｎｍ］以下の範囲がさらに好ましい。この範囲以下の場合においては、密着性に懸念がある。また、この範囲以上になってくると、下部電極の表面粗さが大きくなり圧電膜との密着性が低下し、圧電膜の結晶性に悪影響を及ぼしインク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。

〔金属電極膜〕
金属電極膜の金属材料としては、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、これらの合金膜も挙げられる。また、白金を使用する場合には下地（特にＳｉＯ_２）との密着性が悪いために、前述の密着層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、８０［ｎｍ］以上２００［ｎｍ］以下の範囲が好ましく、１００［ｎｍ］以上１５０［ｎｍ］以下の範囲がより好ましい。この範囲より薄い場合においては、下部電極１６１として十分な電流を供給することができなくなり、液滴の吐出をする際に不具合が発生する。さらに、この範囲より厚い場合においては、白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップとなる。また、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、その上に作製する酸化物電極膜やＰＺＴの表面粗さや結晶配向性に影響を及ぼして、インク吐出に十分な変位が得られないような不具合が発生する。

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としてはＳｒＲｕＯ_３（以下、ＳＲＯと称することがある。）を用いることが好ましい。他に、Ｓｒ_ｘ（Ａ）_{（１−ｘ）}Ｒｕ_ｙ（Ｂ）_{（１−ｙ）}、Ａ＝Ｂａ、Ｃａ、Ｂ＝Ｃｏ、Ｎｉ、ｘ、ｙ＝０〜０．５で記述されるような材料についても挙げられる。成膜方法についてはスパッタ法により作製される。なお、スパッタ条件によってＳｒＲｕＯ_３薄膜の膜質が変わるが、特に結晶配向性を重視し、第１電極のＰｔ（１１１）にならってＳｒＲｕＯ_３膜についても（１１１）配向させるためには、成膜温度については５００［℃］以上での基板加熱を行い、成膜することが好ましい。

例えば、特許第３７８２４０１号公報に記載のＳＲＯ成膜条件について、室温成膜でその後、ＲＴＡ処理にて結晶化温度（６５０［℃］）で熱酸加する場合、ＳＲＯ膜としては、十分結晶化され、電極としての比抵抗としても十分な値が得られるが、膜の結晶配向性としては、（１１０）が優先配向しやすくなり、その上に成膜したＰＺＴについても（１１０）配向しやすくなる。

Ｐｔ（１１１）上に作製したＳＲＯ結晶性については、ＰｔとＳＲＯで格子定数が近いため、通常のθ−２θ測定では、ＳＲＯ（１１１）とＰｔ（１１１）の２θ位置が重なってしまい判別が難しい。Ｐｔについては消滅則の関係からＰｓｉ＝３５°傾けた２θが約３２°付近の位置には回折線が打ち消し合い、回折強度が見られない。そのため、Ｐｓｉ方向を約３５°傾けて、２θが約３２°付近のピーク強度で判断することでＳＲＯが(１１１)に優先配向しているかを確認することができる。

図１９に、２θ＝３２°に固定し、Ｐｓｉを振ったときの測定結果の例を示す。Ｐｓｉ＝０°ではＳＲＯ（１１０）ではほとんど回折強度が見られず、Ｐｓｉ＝３５°付近において、回折強度が見られることから、本成膜条件にて作製したものについては、ＳＲＯが（１１１）配向していることが確認できる。また、上述の室温成膜＋ＲＴＡ処理により作製されたＳＲＯについては、Ｐｓｉ＝０°のときにＳＲＯ（１１０）の回折強度が見られる。

また、圧電アクチュエータとして連続動作したときに、駆動させた後の変位量が、初期変位に比べてどのくらい劣化したかを見積もったところ、ＰＺＴの配向性が非常に影響しており、（１１０）では変位劣化抑制において不十分である。さらにＳＲＯ膜の表面粗さを見たときに、成膜温度に影響し、室温から３００［℃］では表面粗さが非常に小さく２［ｎｍ］以下になる。粗さについてはＡＦＭにより測定される表面粗さ（平均粗さ)を指標としている。

表面粗さとしては、非常にフラットにはなっているが結晶性が十分でなく、その後成膜したＰＺＴの圧電アクチュエータとしての初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない。表面粗さとしては、４〜１５［ｎｍ］になっていることが好ましく、６〜１０［ｎｍ］がさらに好ましい。この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。したがって、上述に示すような、結晶性や表面粗さを得るためには、成膜温度としては５００〜７００［℃］、好ましくは５２０〜６００［℃］の範囲で成膜を実施している。

成膜後のＳｒとＲｕの組成比については、Ｓｒ／Ｒｕが０.８２以上１.２２以下であることが好ましい。この範囲から外れると比抵抗が大きくなり、電極として十分な導電性が得られなくなる。

さらに、ＳＲＯ膜の膜厚としては、４０〜１５０［ｎｍ］が好ましく、５０〜８０［んｍ］がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない場合があり、また、ＰＺＴのオーバーエッチングを抑制するためのストップエッチング層としての機能も得られにくくなる。この範囲を超えると、その後成膜したＰＺＴの絶縁耐圧が非常に悪く、リークしやすくなる。

また比抵抗としては、５×１０^−３［Ω・ｃｍ］以下になっていることが好ましく、さらに１×１０^−３［Ω・ｃｍ］以下になっていることがさらに好ましい。この範囲よりも大きくなると十分な電流を供給することができなくなり、インク吐出をする際に不具合が発生する。

〔圧電体（電気機械変換膜）〕
圧電体１６２の材料としては、ＰＺＴを主に使用した。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ_３）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ＰｂＺｒＯ_３とＰｂＴｉＯ_３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７）Ｏ_３、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ＡＢＯ_３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，Ｂａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ１−ｘ，Ｓｒ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、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。

圧電体１６２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。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、添加してもよい。

基板１４の全面に圧電体１６２の膜（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。

圧電体１６２の膜厚としては０．５［μｍ］以上５［μｍ］以下の範囲が好ましく、１［μｍ］以上２［μｍ］以下の範囲がより好ましい。この範囲より小さいと十分な変形（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。

また、圧電体１６２の比誘電率としては６００以上２０００以下の範囲になっていることが好ましく、さらに１２００以上１６００以下の範囲になっていることが好ましい。このとき、この範囲よりも小さいときには十分な変形（変位）特性が得られず、この範囲より大きくなると、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は十分な特性が得られないといった不具合が発生する。

〔上部電極（個別電極）〕
上部電極（個別電極）１６３は、下部電極材料層とは異なり、圧電体１６２の膜を形成する際のような高温のプロセスが後の工程で無く、圧電体１６２の膜との格子定数マッチングも必要とならないため材料選択幅が下部電極１６１に比較し広くなる。上部電極１６３においては、白金膜、イリジウムや金などの金属電極を用いることができる。また、酸化物電極層と金属電極の積層膜を利用することもできる。

上部電極１６３としては、金属もしくは酸化物と金属からなっていることが好ましい。以下に酸化物電極膜及び金属電極膜の詳細について記載する。

〔酸化物電極膜〕
酸化物電極膜の材料としては、前述の下部電極（共通電極）１６１で使用した酸化物電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。酸化物電極膜は、例えばスパッタ法等の成膜方法により作製することができる。酸化物電極膜の膜厚としては、２０［ｎｍ］以上８０［ｎｍ］以下の範囲が好ましく、４０［ｎｍ］以上６０［ｎｍ］以下の範囲がさらに好ましい。この膜厚範囲よりも薄いと初期変形（変位）や変形（変位）の劣化特性については十分な特性が得られない。また、この範囲を超えると、その後に成膜したＰＺＴ膜の絶縁耐圧が悪くなり、リークしやすくなる。

〔金属電極膜〕
金属電極膜の材料等については、前述の下部電極（共通電極）１６１で使用した金属電極膜について記載したものと同様なものを挙げることができる。金属電極膜の膜厚としては３０［ｎｍ］以上２００［ｎｍ］以下の範囲が好ましく、５０［ｎｍ］以上１２０［ｎｍ］以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、上部電極（個別電極）１６３として十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出する際に不具合が発生する。また、上記範囲より厚いと、白金族元素の高価な材料を使用する場合にコストアップとなる。また、白金を材料とした場合に膜厚を厚くしていたったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して配線などを作製する際に、膜剥がれ等のプロセス不具合が発生しやすくなる。

〔第１の絶縁保護膜〕
成膜・エッチングの工程による圧電素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過しづらい材料を選定する必要があるため、第１の絶縁保護膜１７の材料は緻密な無機材料とする必要がある。また、第１の絶縁保護膜１７として有機材料を用いる場合は、十分な保護性能を得るために膜厚を厚くする必要があるため、適さない。第１の絶縁保護膜１７を厚い膜とした場合、振動板１５の振動を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドになってしまう。薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物，窒化物，炭化膜を用いるのが好ましいが、第１の絶縁保護膜１７の下地となる電極材料、圧電体材料及び振動板材料と密着性が高い材料を選定する必要がある。また、第１の絶縁保護膜１７の成膜法も、圧電素子１６を損傷しない成膜方法を選定する必要がある。すなわち、反応性ガスをプラズマ化して基板上に堆積するプラズマＣＶＤ法やプラズマをターゲット材に衝突させて飛ばすことで成膜するスパッタリング法は好ましくない。第１の絶縁保護膜１７の好ましい成膜方法としては、蒸着法、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ：原子層堆積）法などが例示できるが、使用できる材料の選択肢が広いＡＬＤ法が好ましい。好ましい材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，Ｙ２Ｏ_３，Ｔａ_２Ｏ_３，ＴｉＯ_２などのセラミクス材料に用いられる酸化膜が例として挙げられる。特にＡＬＤ法を用いることで、膜密度の非常に高い薄膜を作製し、プロセス中でのダメージを抑制することができる。

第１の絶縁保護膜１７の膜厚は、圧電素子１６の保護性能を確保できる十分な薄膜とする必要があると同時に、振動板１５の変形（変位）を阻害しないように可能な限り薄くする必要がある。第１の絶縁保護膜１７の膜厚は、２０［ｎｍ］以上１００［ｎｍ］以下の範囲が好ましい。１００［ｎｍ］より厚い場合は、振動板１５の変形（変位）量が低下するため、吐出効率の低い液滴吐出ヘッドとなる。一方、２０［ｎｍ］より薄い場合は、圧電素子１６の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子１６の性能が前述の通り低下してしまう。

〔第２の絶縁保護膜〕
第２の絶縁保護膜１８としては、任意の酸化物，窒化物，炭化物又はこれらの複合化合物を用いることができ、また、半導体デバイスで一般的に用いられるＳｉＯ_２を用いることもできる。第２の絶縁保護膜１８の成膜は任意の手法を用いることができ、例えばＣＶＤ法、スパッタリング法、ＡＬＤ法等が例示できる。電極形成部等のパターン形成部の段差被覆を考慮すると等方的に成膜できるＣＶＤ法を用いることが好ましい。第２の絶縁保護膜１８の膜厚は共通電極（下部電極）１６１と個別電極の配線２２との間に印加される電圧で絶縁破壊されない膜厚とする必要がある。すなわち第２の絶縁保護膜１８に印加される電界強度を、絶縁破壊しない範囲に設定する必要がある。さらに、第２の絶縁保護膜１８の下地の表面性やピンホール等を考慮すると、第２の絶縁保護膜１８の膜厚は２００［ｎｍ］以上必要であり、さらに好ましくは５００［ｎｍ］以上である。

〔配線、パッド電極〕
配線２１、２２及びパッド電極の材料は、Ａｇ合金、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒのいずれかから成る金属電極材料であることが好ましい。これらの電極の作製方法としては、スパッタ法、スピンコート法を用いて作製し、その後フォトリソエッチング等により所望のパターンを得る。膜厚としては、０．１［μｍ］以上２０［μｍ］以下の範囲が好ましく、０．２［μｍ］以上１０［μｍ］以下の範囲がさらに好ましい。この範囲より小さいと抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができなくなりヘッド吐出が不安定になる。一方、この範囲より大きいとプロセス時間が長くなる。また、下部電極１６１及び上部電極１６３に接続されるコンタクトホール部（例えば１０［μｍ］×１０［μｍ］）での接触抵抗としては、共通電極である下部電極１６１に対して１０［Ω］以下、個別電極である上部電極１６３に対して１［Ω］以下が好ましい。さらに好ましくは、下部電極１６１に対して５［Ω］以下、上部電極１６３に対して０．５［Ω］以下である。この範囲を超えると十分な電流を供給することができなくなり、液滴を吐出をする際に不具合が発生する。

〔第３の絶縁保護膜〕
第３の絶縁保護膜１９としての機能は、共通電極用の配線２１や個別電極用の配線２２の保護層としての機能を有するパッシベーション層である。図２に示したように、上部電極１６３の引き出し部と、下部電極１６１の引き出し部（コンタクトホール１８ａ）と、を除き、上部電極１６３及び下部電極１６１を被覆する。これにより、電極材料に安価なＡｌもしくはＡｌを主成分とする合金材料を用いることができる。その結果、低コストかつ信頼性の高い液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）とすることができる。第３の絶縁保護膜１９の材料としては、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、透湿性の低い材料とする必要がある。無機材料としては、酸化物、窒化物、炭化物等が例示でき、有機材料としてはポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等が例示できる。ただし、有機材料の場合には厚膜とすることが必要となるため、パターニングに適さない。そのため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料とすることが好ましい。特に、Ａｌ配線上にＳｉ_３Ｎ_４を用いることが、半導体デバイスで実績のある技術であるため好ましい。また、膜厚は２００［ｎｍ］以上とすることが好ましく、さらに好ましくは５００［ｎｍ］以上である。膜厚が薄い場合は十分なパッシベーション機能を発揮できないため、配線材料の腐食による断線が発生し、インクジェットの信頼性を低下させてしまう。

また、圧電素子１６上とその周囲の振動板１５上に開口部をもつ構造が好ましい。これは、前述の第１の絶縁保護膜１７の液室１３に対応した領域を薄くしていることと同様の理由である。これにより、高効率かつ高信頼性の液滴吐出ヘッド（インクジェットヘッド）とすることが可能になる。第１，第２の絶縁保護膜１７，１８で圧電素子１６が保護されているため、第３の絶縁保護膜１９の開口部の形成には、フォトリソグラフィー法とドライエッチングを用いることができる。なお、パッド電極の面積については、５０×５０［μｍ^２］以上になっていることが好ましく、さらに１００×３００［μｍ^２］以上になっていることが好ましい。

（液滴吐出ヘッドの製造プロセス）
次に、液滴吐出ヘッド１の製造方法の一例について説明する。図３は、液滴吐出ヘッド１の製造プロセスの一例を説明するためのフローチャートである。

まず、基板１４上に、振動板１５を形成する（ステップＳ１）。基板１４としては、例えば６２５［μｍ］厚のシリコンウェハが用いられる。この基板１４上に、振動板１５が、熱酸化膜や、例えばＣＶＤ法によって形成されるシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、ポリシリコン膜などの所望の構成にて形成されている。

次に、振動板１５上に圧電素子１６を形成する。詳しくは、圧電素子１６は、共通電極である下部電極の成膜（ステップＳ２）、圧電体１６２であるＰＺＴ膜の成膜（ステップＳ３）、個別電極である上部電極１６３の成膜（ステップＳ４）の順に行われる。

上記ステップＳ２の下部電極の成膜は、具体的には、まず、密着膜として、チタン膜（膜厚３０［ｎｍ］）をスパッタ装置にて成膜した後にＲＴＡを用いて７５０［℃］にて熱酸化した。

そして、引き続き金属膜として白金膜（膜厚１００［ｎｍ］）を成膜した。白金膜上に酸化チタン膜を形成する。白金膜上にチタン膜をスパッタ成膜で形成し、続いてＲＴＡを用いて６５０〜７５０［℃］、１〜５分、Ｏ_２雰囲気でチタン膜を熱酸化させて、酸化チタン膜とさせる。チタン膜の膜厚は、３０〜７０オングストロームとするのが好ましい。

上記ステップＳ３では、ゾルゲル法によってＰＺＴ膜が所望の厚みに成膜される。

上記ステップＳ４の上部電極の成膜は、具体的には、酸化物膜としてＳｒＲｕＯ_３膜(膜厚２０［ｎｍ］)を、金属膜としてＰｔ膜（膜厚１００［ｎｍ］）を、それぞれスパッタ成膜した。

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、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。その後、ＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合方式）エッチング装置（サムコ株式会社製）を用いてＰＺＴ膜、上部電極をエッチングにより個別化し、パターンを作製した（ステップＳ５）。これにより、上部電極１６３は個別電極として機能する。

次いで、同様の方法で、フォトリソグラフィーでレジストパターンを形成し、エッチングにより下部電極のパターンを作製する（ステップＳ６）。下部電極１６１は、ＰＺＴ膜、上部電極のようには個別化されず、複数の圧電体１６２及び上部電極１６３に対して共通電極として機能するようパターニングする。

次に、第１の絶縁保護膜１７として、ＡＬＤ法によりＡｌ_２Ｏ_３膜を成膜した（ステップＳ７）。この第１の絶縁保護膜１７は、水素等のプロセスダメージから圧電素子１６を保護するバリア層として機能する。第１の絶縁保護膜１７（バリア層）としてＡＬＤ法により成膜したＡｌ_２Ｏ_３を用いることにより、透湿性の低い良質なバリア層を得ることができる。

また、バリア層として機能する第１の絶縁保護膜１７の膜厚は、３０［ｎｍ］以上、８０［ｎｍ］以下の範囲であることが好ましい。これにより、第１の絶縁保護膜１７がバリア層として十分なバリア性を有しつつ、圧電素子１６のアクチュエータとしての機能を維持することができる。

また、基板１４表面と第１の絶縁保護膜１７（バリア層）の側壁とのなす角度であるテーパ角は、基板１４表面と圧電素子１６の側壁面とのなすテーパ角よりも小さいことが望ましい。これにより、圧電素子１６の端部における応力の集中が緩和され、長寿命化を図ることができ、信頼性が向上する。

次に、第２の絶縁保護膜１８としてＳｉＯ_２層間膜を成膜した（ステップＳ８）。このように層間膜であるＳｉＯ_２を利用することで、新たな工程を加えることなく、第１の絶縁保護膜１７（バリア層）のうち圧電素子１６の側壁面を覆っている部分に更に第２の保護膜を形成することができる。従って、生産効率の低下や製造コストの上昇を防ぐことができる。また、後工程のフォトリソグラフィー・エッチング工程で、圧電素子１６の側壁面をレジストでマスクした状態でエッチング処理することにより、第１の絶縁保護膜１７（バリア層）のうち圧電素子１６の側壁面を覆っている部分にＳｉＯ_２層間膜を残留させる。これにより、第１の絶縁保護膜１７（バリア層）のオーバーエッチングをより確実に防ぐことができる。

上記ＳｉＯ_２層間膜の膜厚は、１０［ｎｍ］以上５００［ｎｍ］以下の範囲が好ましい。１０［ｎｍ］よりも薄いと十分なエッチング耐性を確保できない。一方、５００［ｎｍ］よりも厚いと圧電素子１６が変形し難くなり、アクチュエータとしての機能を維持できなくなるおそれがある。

その後、エッチングによりコンタクトホール１８ａを形成した（ステップＳ９）。そして、配線を形成するためにＡｌをスパッタにより成膜した（ステップＳ１０）。また、上記ステップＳ８で成膜したＡｌをエッチングしてパターニング形成した（ステップＳ１１）。

さらにその後、第３の絶縁保護膜１９としてＳｉＮパッシベーション層を成膜し、エッチング処理を行った（ステップＳ１２，１３）

最後に、振動板にインク供給口３４となる貫通孔をエッチングにより形成した（ステップＳ１４）。

このようにして形成された、振動板１５と、圧電素子１６と、各種電極とを含む複合積層基板は、アクチュエータ基板３０と呼ばれる電気機械変換部材である。なお、基板１４を含めて電気機械変換部材と呼ぶこともある。また、ここまで説明した電気機械変換部材の各層の材料や膜厚等の数値は、一例であってこれに限られるものではない。

（エージング処理）
以下、本実施形態に係る圧電素子の製造方法について説明する。本実施形態に係る圧電素子の製造方法は、振動板（振動板１５）上に下部電極（下部電極１６１）、圧電体（圧電体１６２）、上部電極（上部電極１６３）がこの順に形成された電気機械変換部材（アクチュエータ基板３０）に対して、常温よりも高温である保持温度にて電気機械変換部材を保持し、該電気機械変換部材を電圧印加により駆動させながら、保持温度を徐々に低温に温度変化させる工程（エージング処理）を有するようにしたものである。なお、括弧内は実施形態での符号、適用例を示す。

詳しくは、電気機械変換部材、液滴吐出ヘッドの製造工程において、圧電素子に電圧印加によるエージング処理を行う際に、事前に加熱をし、常温よりも高温に圧電素子を保持したまま、波形印加と同時に徐々に温度を下げて常温に戻すものである。これにより、線膨張係数差による熱応力を除熱速度と波形印加による駆動（機械的な動き）の両面で開放していくことで、加熱から除熱後の温度範囲における熱応力を緩和し、エージングにて実施した範囲内の温度域での特性変化を抑制することができる。

すなわち、電圧印加による分極を揃える降下と、熱応力の開放とを並行して行うことで、駆動が応力緩和をアシストする効果を生じさせて、通常の緩和よりもより効率よく応力緩和を行うことを可能としている。

これにより、圧電素子の特性安定性、特に外部環境の影響に対しての特性安定性をより高めることができるものである。

以下に本発明に係る電気機械変換部材の実施例および比較例について説明する。

＜実施例１＞
図４は、実施例１に係る圧電素子１６を有する液滴吐出部の概略構成を示す液室の配列方向の断面図である。また、図５は図４に示す液滴吐出部を複数配置した例を示す断面図である。

以下のように圧電素子１６を製造した。先ず、６インチシリコンウェハに熱酸化膜（膜厚１［μｍ］）を形成し、下部電極１６１の密着膜として、チタン膜（膜厚３０［ｎｍ］）をスパッタ装置にて成膜した後に、ＲＴＡを用いて７５０［℃］にて熱酸化した。

そして、引き続き金属膜として白金膜（膜厚１００［ｎｍ］）、酸化物膜としてＳｒＲｕＯ_３膜（膜厚６０［ｎｍ］）をスパッタ成膜した。

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。次に、圧電体１６２としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１４：５３：４７に調整された溶液を準備し、スピンコート法により膜を成膜した。

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、ノルマル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に脱水した。また、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、化学両論組成に対し鉛量を過剰にした。

イソプロポキシドチタン、ノルマル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。

このＰＺＴ濃度は０．５［モル／ｌ］にした。この液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、１２０［℃］乾燥から５００［℃］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（急速熱処理）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８回（２４層）実施し、約２［μｍ］のＰＺＴ膜厚を得た。

次に、上部電極１６３の酸化物膜として、ＳｒＲｕＯ_３膜(膜厚４０［ｎｍ］)、金属膜としてＰｔ膜（膜厚１２５［ｎｍ］）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、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（サムコ株式会社製）を用いてＰｔ膜、酸化物膜をエッチング後、レジスト剥離装置（セミツール・ジャパン株式会社製）にてアミン系の剥離液を用いて、３０分レジスト剥離処理、およびアッシャー（キヤノン株式会社製）にて３分のアッシング処理を行い上部電極１６３をパターニングした。

同様に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、圧電体１６２をエッチングし、レジスト剥離処理、アッシング処理を行い圧電体１６２をパターニングした。次にフォトリソグラフィーで下部電極１６１のパターンを形成した後、レジスト剥離処理、アッシング処理を行い下部電極１６１をパターニングした。

なお、実施例１では、図４、図５に示すように、下部電極１６１を共通電極、上部電極１６３を個別電極にしているが、図６、図７に示すように、下部電極１６１を個別電極、上部電極１６３を共通電極とする形態としてもよい。

また、液滴吐出ヘッド１は、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製造することができ、この工程の製造方法は特に限られるものではなく、公知のヘッド製造プロセスにて作製を行った。

この圧電素子１６を有する液滴吐出ヘッド１に対して、エージング処理を施した。図８は、実施例１でのエージング処理時の温度プロファイルである。外気温は２５［℃］の場合を例にする。

エージング処理として、先ず、恒温槽にて所定の保持温度（７０［℃］）にて液滴吐出ヘッド１を保持した。このとき１０［℃／ｍｉｎ］にて昇温を行ったが、昇温速度は任意の値でよく、特に限られるものではない。また、例えば、７０［℃］に保持した恒温槽に直接投入してもよい。このときの保持温度は、圧電素子について規定される仕様範囲の温度の上限以上であることが好ましい。保持温度を仕様範囲よりも高温とすることで、仕様範囲内の熱応力緩和を行うことができ、仕様範囲内の温度変化による変化を抑制することができる。

液滴吐出ヘッド１の温度が均一になった後、図９に示す波形（単純ｐｕｌｌ波形）を１［ｋＨｚ］周期にて印加すると同時に、恒温槽の温度を下げ始めた。ここで、印加波形の周波数は、液滴吐出ヘッド１を使用するインクジェット記録装置の温度分解能以上の短い周期であることが好ましい。

インクジェット記録装置の温度分解能について説明する。温度によってインクの粘度が変わるため、一般にインクジェット記録装置は温度センサを内蔵しており、温度センサの検知温度に基づいて使用する印加波形を変更する制御がされている。本実施例では、この温度センサの検知温度に基づく印加波形の変更制御の際、波形を切り替える温度の刻みを温度分解能としている。なお、温度センサ自体の分解能（０．１℃、０．５℃など）をインクジェット記録装置の温度分解能としてもよい。また、上記２つの分解能のうち、分解能の良いものをインクジェット記録装置の温度分解能としてもよい。

印加波形の周波数は、例えば、温度が０．１℃変化するよりも短い周期であることが好ましい。このとき、液滴吐出ヘッド１が備えるセンサの分解能と同等とすることも好ましい。これにより、温度変化の速度以上で機械的に変形させることで応力の緩和をより効率よくアシストできる。

また、急激な温度変化は応力を残留させ、温度変化が遅いほうが熱応力の緩和をしやすいため、降温速度は１［℃／ｍｉｎ］以下で降温することが好ましい。実施例１では、降温速度は１［℃／ｍｉｎ］で降温した。

また、印加波形の電圧最大値は、使用する電圧域の上限かそれ以上の値であり、印加波形の電圧最小値は、使用する電圧域の下限および圧電体の抗電界のいずれか小さい値とすることが好ましい。また、印加波形は、時間軸上では、実際に使用する波形と略同じ波形形状であることが好ましい（電圧軸上では異なっていてもよい）。このように、圧電素子の仕様範囲よりも大きな範囲で振動させることで分極を所望の範囲内で安定化させることができる。

恒温槽が外気温（２５［℃］）と同温度（２５［℃］）になったところで、波形の印加および恒温槽の温度変化を停止し、取り出した。以上が実施例１のエージング処理である。

エージング処理を実施した液滴吐出ヘッド１を用いて吐出評価を実施した。まず、常温（２５［℃］）で粘度を５［ｃｐ］に調整したインクを用いて、単純ｐｕｌｌ波形により−５〜１５［Ｖ］の印可電圧を加えたときの吐出状況を確認した。その結果、全てどのノズル孔からも吐出できていることを確認した。

そして、恒温槽にて仕様範囲内でのヒートサイクル試験（−２０［℃］〜６０［℃］のサイクルを数サイクル）を行い、吐出波形を印加してのヒートサイクル前後での吐出速度差を評価した。また、圧電体の特性を示す指標として静電容量が知られている。詳細な説明は省略するが、図１０に静電容量測定装置での（Ａ）入力信号、（Ｂ）出力信号、（Ｃ）換算式を示す。静電容量測定装置を用いてヒートサイクル前後での静電容量の測定を実施した。

＜実施例２＞
以下の実施例の説明においては、実施例１と同様の点は説明を省略する。実施例２では、エージング時に印加する吐出波形として、図１１に示すように、液滴吐出ヘッド１の吐出波形の上下限電圧の単純ｐｕｌｌ波形を印加した。実施例１と同様に、ヒートサイクル前後の吐出速度差の評価と静電容量の評価を実施した。

＜実施例３＞
実施例３では、エージング時に印加する吐出波形として、図１２に示すように、液滴吐出ヘッド１の吐出波形のうち一番使用頻度の高い波形を印加した。実施例１と同様に、ヒートサイクル前後の吐出速度差の評価と静電容量の評価を実施した。

＜実施例４＞
実施例４では、エージング時に印加する吐出波形として、図１３に示すように、液滴吐出ヘッド１の吐出波形のうち一番使用頻度の高い波形を上下限電圧まで電圧の倍率を変更した波形を印加した。実施例１と同様に、ヒートサイクル前後の吐出速度差の評価と静電容量の評価を実施した。

＜比較例１＞
比較例１として、エージング処理では温度変化をさせず、常温状態のままでエージング処理を行い、実施例１〜４と同様に、ヒートサイクル前後の吐出速度差の評価と静電容量の評価を実施した。

実施例１〜４および比較例１でのヒートサイクル前後での吐出速度の前後比較結果を図１４に示す。また、ヒートサイクル前後での静電容量の前後比較結果を図１５に示す。

図１４および図１５より、上述したように、所定の保持温度から常温まで降下させながらエージング処理を行うことで、ヒートサイクル試験での環境影響に対して堅牢なヘッド特性を得ることができていることが確認できた。また、液滴吐出ヘッド１のため吐出速度に重きを置いて評価を実施しているが、同時に計測している静電容量の結果が示すように、変位を主とする圧電素子でも同様の効果を得ることができていることを確認することができた。

また、吐出耐久評価として常温（２５［℃］）で粘度を５［ｃｐ］に調整したインクを用いて、単純ｐｕｌｌ波形により−５〜１５［Ｖ］の印可電圧を加えた吐出波形により、連続吐出耐久評価を行ったところ、実施例１〜４、比較例１ともに１００億回の駆動後も問題なく吐出できることを確認した。これは電圧印加による効果であり、評価が温度一定による部分が大きい。

（インクカートリッジ）
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１を備えたインクカートリッジについて説明する。

図１６は液滴吐出ヘッド１を備えたインクカートリッジの構成例を示す斜視図である。インクカートリッジ９０は、ノズル１１等を有する上述の液滴吐出ヘッド１（インクジェットヘッド）と、液滴吐出ヘッド１に対してインクを供給するインクタンク９１とを一体化したものである。

液滴吐出ヘッド１とインクタンク９１とを一体とした場合、液滴吐出ヘッド１の低コスト化および信頼性向上は、ただちにインクカートリッジ９０の全体の低コスト化、信頼性向上につながる。よって、液滴吐出ヘッド１の低コスト化、高信頼性化、製造不良低減を図ることで、インクカートリッジ９０の歩留まり、信頼性を向上させて、ヘッド一体型のインクカートリッジ９０の低コスト化を図ることができる。

（画像形成装置）
次に、本実施形態に係る液滴吐出ヘッド１を備えた画像形成装置であるインクジェット記録装置について説明する。

図１７は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例を示す斜視図であり、図１８は同記録装置の機構部の構成例を示す側面図である。

インクジェット記録装置１００は、装置本体の内部に印字機構部１０３等を収納し、装置本体の下方部には前方側から多数枚の記録紙１３０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１３０を手差しで給紙するために開かれる手差しトレイ１０５を有している。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１３０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。

印字機構部１０３は、主走査方向に移動可能なキャリッジ１０１とキャリッジ１０１に搭載した液滴吐出ヘッド及び液滴吐出ヘッド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。また、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する。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１０１には液滴吐出ヘッド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。

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へインクを供給する供給口が設けられている。インクカートリッジ１０２の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、液滴吐出ヘッドとしては各色の液滴吐出ヘッドを用いているが、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。

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１０９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、このタイミングベルト１１２をキャリッジ１０１に固定している。これにより、主走査モータ１０９の正逆回転によりキャリッジ１０１が往復駆動される。

一方、給紙カセット１０４にセットした記録紙１３０を液滴吐出ヘッドの下方側に搬送するために、給紙カセット１０４から記録紙１３０を分離給装する給紙ローラ１１３及びフリクションパッド１１４と、記録紙１３０を案内するガイド部材１１５とを有する。また、給紙された記録紙１３０を反転させて搬送する搬送ローラ１１６と、この搬送ローラ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１３０の送り出し角度を規定する先端コロ１１８とを有する。搬送ローラ１１６は副走査モータによってギヤ列を介して回転駆動される。

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１３０を液滴吐出ヘッド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１３０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とを設けている。さらに記録紙１３０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。

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を駆動することにより、停止している記録紙１３０にインクを吐出して１行分を記録する。その後、記録紙１３０を所定量搬送した後、次の行の記録を行う。記録終了信号または記録紙１３０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１３０を排紙する。

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はキャップ手段と吸引手段とクリーニング手段とを有している。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。

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。このように、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、本実施形態のインクジェット記録装置１００においては回復装置１２７を備えているので、液滴吐出ヘッドの吐出不良が回復されて、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質を向上することができる。

なお、本実施形態では、インクジェット記録装置１００に液滴吐出ヘッドを使用した場合について説明したが、インク以外の液滴、例えば、パターニング用の液体レジストを吐出する装置に液滴吐出ヘッド１を適用してもよい。

以上、本実施形態のインクジェット記録装置（画像形成装置）１００では、本発明に係る液体吐出ヘッドを記録ヘッドとして備えるので、安定したインク滴吐出特性が得られて、高画質の画像を安定して形成することができる。

なお、インクジェット記録装置では、媒体を搬送しながら液滴吐出ヘッドにより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滴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滴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。

また、画像形成装置には、特に限定しない限り、シリアル型画像形成装置及びライン型画像形成装置のいずれも含まれる。

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。例えば、圧電アクチュエータを備えたマイクロポンプ、マイクロアクチュエータ、その他の光学デバイス、などにも適用可能である。

１ 液滴吐出ヘッド
１０ 液滴吐出部
１１ ノズル
１２ ノズル基板
１３ 液室
１４ 液室基板
１５ 振動板
１６ 圧電素子
１６１ 下部電極
１６２ 圧電体
１６３ 上部電極
１７ 第１の絶縁保護膜
１７ａ コンタクトホール
１８ 第２の絶縁保護膜
１８ａ コンタクトホール
１９ 第３の絶縁保護膜
２０ サブフレーム
２０ａ 保護空間
２１，２２ 配線
２３ パッド電極
２４ 駆動ＩＣ
３０ アクチュエータ基板
３２ 流体抵抗部
３３ インク導入路
３４ インク供給口
３５ インク流路
９０ インクカートリッジ
１００ インクジェット記録装置

特許４９８０９０５号公報

Claims (10)

1. 振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換部材に対して、
   常温よりも高温である保持温度にて前記電気機械変換部材を保持し、該電気機械変換部材を電圧印加により駆動させながら、前記保持温度を徐々に低温に温度変化させる工程を有することを特徴とする電気機械変換部材の製造方法。
2. 前記工程は、前記保持温度を徐々に常温まで温度変化させた時点で終了することを特徴とする請求項１に記載の電気機械変換部材の製造方法。
3. 前記保持温度は、前記電気機械変換部材ついて規定された仕様範囲温度の上限以上の温度であ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部材の製造方法。
4. 前記保持温度から１℃／分以下の温度変化速度にて温度変化させることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電気機械変換部材の製造方法。
5. 印加波形の周波数は、前記電気機械変換部材が使用される画像形成装置の温度分解能以上の短い周期であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電気機械変換部材の製造方法。
6. 印加波形の電圧最大値は、前記電気機械変換部材が使用する電圧域の上限またはそれ以上の値であり、印加波形の電圧最小値は、前記電気機械変換部材が使用する電圧域の下限および前記圧電体の抗電界のいずれか小さい値であることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電気機械変換部材の製造方法。
7. 印加波形は、時間スケールにおいて、前記電気機械変換部材が使用する波形と略同じ波形形状であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電気機械変換部材の製造方法。
8. 液滴を吐出するノズルに連通する液室と、
   前記液室内の液体を加圧可能にするよう前記液室を形成する基板と、
   前記基板上に設けられ、振動板上に下部電極、圧電体、上部電極がこの順に形成された電気機械変換部材と、
   を有する液滴吐出ヘッドに対して、
   常温よりも高温の保持温度にて前記液滴吐出ヘッドを保持し、前記電気機械変換部材を電圧印加により駆動をさせながら、前記保持温度を徐々に低温に温度変化させる工程を有することを特徴とする液滴吐出ヘッドの製造方法。
9. 液滴を吐出するノズルに連通する液室と、
   前記液室内の液体を加圧可能にするよう前記液室を形成する基板と、
   前記基板上に設けられる電気機械変換部材と、
   を有する液滴吐出ヘッドにおいて、
   前記電気機械変換部材として、請求項１から７までのいずれかに記載の電気機械変換部材の製造方法にて製造された電気機械変換部材を用いたことを特徴とする液滴吐出ヘッド。
10. 液滴吐出ヘッドから液滴を吐出して画像を形成する画像形成装置において、
    前記液滴吐出ヘッドとして、請求項８に記載の液滴吐出ヘッドの製造方法にて製造された液滴吐出ヘッド、または請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを用いたことを特徴とする画像形成装置。