JP2008254206A - 圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法よって好ましい圧電素子を作製する圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法を提供する。
【解決手段】基板１０の上面１２に下部電極１４を成膜し、下部電極１４上にスパッタ法で圧電体膜１６を成膜し、圧電体膜１６の上面に上部電極１８を成膜する。その後、配線層が形成され、フレキシブルケーブル３４が接合される。この状態で、抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加して圧電体膜に電界を印加すると、下部電極１４から上部電極１８に向かう方向の圧電体膜１６の分極方向を反転し、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加して圧電素子２０を吐出方向に変形させることが可能となる。高温及び高圧をかけられないものが存在しても、圧電体膜の分極反転処理を行うことが可能である。
【選択図】図１
【解決手段】基板１０の上面１２に下部電極１４を成膜し、下部電極１４上にスパッタ法で圧電体膜１６を成膜し、圧電体膜１６の上面に上部電極１８を成膜する。その後、配線層が形成され、フレキシブルケーブル３４が接合される。この状態で、抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加して圧電体膜に電界を印加すると、下部電極１４から上部電極１８に向かう方向の圧電体膜１６の分極方向を反転し、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加して圧電素子２０を吐出方向に変形させることが可能となる。高温及び高圧をかけられないものが存在しても、圧電体膜の分極反転処理を行うことが可能である。
【選択図】図１
Description
本発明は圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法に係り、特にスパッタ法などの手法により成膜された配向性を有する圧電素子の製造技術に関する。
一般に、汎用の画像形成装置として、インクジェットヘッドから記録媒体上にインク液滴を吐出して所望の画像を形成するインクジェット記録装置が広く用いられている。インクジェット記録装置では、インクジェットヘッドからインク液滴を吐出させるための圧力付与手段として圧電素子（圧電アクチュエータ）が好適に用いられる。
インクジェットヘッドには、印字性能の向上、特に、高解像度化及び印字速度の高速化が求められている。そのために、ノズルを微細化するとともに高密度に配置したマルチノズルヘッド構造を用いて、高解像度化及び印字速度の高速化が試みられている。ノズルの高密度配置化を実現するために圧電素子の小型化が強く求められている。
圧電素子の小型化のためには、その厚みを薄くすることが有効であり、圧電素子の薄膜化を実現するために、例えば、特許文献１にはスパッタ法により膜厚３μｍの鉛誘電体層（圧電体膜）を形成する技術が開示されている。
特開平１０−２８６９５３号公報
インクジェットヘッドに用いられる圧電素子は、上部電極をアドレス電極（個別電極）とし下部電極をグランド電極（共通電極）として、下部電極をグランドとして上部電極にプラス電圧を印加するように構成すると、配線の容易性やスイッチＩＣなどのデバイスのコスト面の点で有利であり、このような配線構造が好適に用いられる。したがって、一般に、下部電極をグランドとして上部電極にプラス電圧を印加したときに、圧電素子が液体を吐出させる方向に変形するように圧電素子に分極処理が施される。
しかしながら、特許文献１に記載された発明では、スパッタ法により下部電極上に圧電体膜を成膜するので、当該圧電体膜の分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となる。即ち、図７に図示した圧電素子１０２をスパッタ法によって成膜すると、成膜時の分極方向が下部電極１１０から上部電極１１４に向かう方向（図７に矢印線Ｂで図示する、図７における上方向）となり、このように構成された圧電素子１０２に分極方向と同一方向の電界を印加して駆動し、ノズル１０８から液体を吐出させるには、上部電極１１４をグランドとして下部電極１１０に駆動源１１５から正電圧を印加する方法があるが、上部電極１１４をグランド電極とし下部電極１１０をアドレス電極とすると、配線構造が複雑になるので、構造上及び製造上の観点から好ましくない。
また、一般的な圧電素子は、上部電極から下部電極に向く方向に電界（電圧）を印加しても、下部電極から上部電極に向く方向に電界を印加しても、電界の方向に関係なく同一の電界強度（電圧）を印加すれば、同一の変位量を得ることができるが、スパッタ法で作製した圧電体膜は、成膜の時点で決まった配向方向（分極方向）を持ち、印加される電界の向きによって変位量が異なるという現象が発生する。
図８に示すように、電界強度が０（ｋＶ／ｍｍ）から−６．０（ｋＶ／ｍｍ）の範囲では、電界強度と圧電素子１０２の変位量（μｍ）は比例関係を示すが（符号１２０で図示する特性）、電界強度が０（ｋＶ／ｍｍ）から６．０（ｋＶ／ｍｍ）の範囲では、比例関係でなくなるだけでなく、変位方向が反転する現象も見られる（符号１２２で図示する特性参照）。
このような問題の回避方法として、シリコン（Ｓｉ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの単結晶基板（いわゆる、ダミー基板）上に上部電極（図７の符号１１４）、圧電体膜（図７の符号１１２）及び下部電極（図７の符号１１０）をスパッタ法により順に成膜し、下部電極上に振動板となる薄膜を成膜した圧電素子構造体を作製した後に、当該圧電素子構造体を機械的に反転してシリコン基板やガラス基板で形成した圧力室（図７の圧力室１１６が形成されたシリコン基材１０６Ａ）に転写（接着）して、インクジェットヘッドを作製する方法がある。
また、他の回避方法として、上部電極をグランド電極とし、下部電極をアドレス電極とする方法や、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、上部電極に負方向の電界（図７の矢印線Ｃで示す方向の電界）を印加する方法が考えられる。
しかし、予め作製された圧電素子構造体を機械的に表裏反転させて圧力室に転写する方法では、単結晶基板を使い捨てで用いるのでコスト高となる。また、転写接着法を用いるために圧電素子構造体と圧力室との正確な位置決めが必要であるが、圧電素子構造体と圧力室との正確な位置決めは非常に困難である。圧電素子構造体と圧力室との位置決め精度は吐出性能に影響し、複数のノズルを備えるインクジェットヘッドにおいて、各ノズルの吐出性能が一定であるヘッドを作製することは非常に難しい。
下部電極をアドレス電極とする方法では、図９に示すように、振動板がシリコンの場合、リーク電流１４０が生じてしまい、電界を印加していない圧電素子にも変位が発生する電気的クロストークによって、本来インク滴を吐出しないノズルからインクが吐出されてしまうといった問題点がある。
更にまた、上部電極１１４をアドレス電極として、上部電極１１４に負方向の電界を印加する方法では、マイナス電圧用の駆動ＩＣや電源装置がプラス電圧用のものと比べてコスト高（おおよそ、数倍〜数十倍）になる。
上述した配向性を有する圧電体膜（スパッタ法によって成膜された圧電体膜）の課題をまとめると、圧電素子を機械的に反転して圧力室に接合する方法は、接合時の位置決め精度が問題となり、下部電極１１０をアドレス電極とする方法は、リーク電流による電気的クロストークの発生が問題となる。また、印加電界をマイナス方向の電界とする方法は、ＩＣなどのコスト高が問題となる（図１０参照）。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法よって好ましい圧電素子を作製する圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子製造方法は、基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、前記上部電極及び前記下部電極間に前記圧電体膜の抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に抗電界以上の強度の電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、を含むことを特徴とする。
本発明によれば、エピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜では、成膜時の分極方向は成長方向（配向方向）となり、下部電極から圧電体膜を成長させると分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となるので、この分極方向を上部電極から下部電極に向かう方向に反転させて上部電極から下部電極に向かう方向の電界を印加して当該圧電体を動作させたときに、当該圧電体の変位量及び変位方向の制御が可能となる。
また、高温、高電圧をかけることなく分極反転処理を施すことができるので、ＦＰＣやＩＣなど、高温や高電圧に弱いものが搭載されたもの（例えば、完成品）の状態で圧電素子に分極反転処理を施すことができる。
上部電極及び圧電体膜、下部電極を所定の形状にパターニングするパターニング工程を含む態様が好ましい。なお、上部電極と圧電体膜とを共通のパターニング工程で一度にパターニングする態様も好ましい。
複数の圧電体膜（圧電素子）を同一基板上に形成する場合には、下部電極をグランド電極（共通電極）とし、上部電極をアドレス電極（個別電極）として、上部電極に正電圧を印加する態様が好ましい。
上部電極、圧電体膜、下部電極を含む構成を圧電素子という概念で表すことができる。また、圧電素子を動作させて圧電素子と接合される他の部材を変形させる構造を圧電アクチュエータと呼ぶことができる。圧電アクチュエータに含まれる他の部材の一例として基板（振動板）が挙げられる。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、外部から前記上部電極及び前記下部電極間に供給される駆動電圧を伝送する配線部材を接合する配線部材接合工程を含むことを特徴とする。
配線部材には、絶縁性材料に金属薄膜の配線パターンが形成されたフレキシブルケーブル（フレキシブル基板）が好適に用いられる。配線部材に圧電素子の駆動回路の一部または全部を含む態様も可能である。
また、配線部材と配線層とを接合する接合部材には導電性接着材が好適に用いられる。
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記圧電体膜成膜工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか１つの手法を用いて圧電体膜を成膜することを特徴とする。
請求項３に記載の発明によれば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法を用いることで、膜厚が非常に薄く小型化された好ましい圧電体膜を成膜することができる。
また、上記目的を達成するために、請求項４に記載の発明に係る液体吐出ヘッド製造方法は、液体を吐出するノズルと、前記吐出口と連通する吐出側流路と、前記吐出側流路と連通し、前記ノズルから吐出される液体を収容する圧力室と、前記圧力室に収容される液体を加圧する圧電素子と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、前記基板の前記圧電素子と反対側に前記圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記吐出側流路が形成された流路基板を、前記流路と前記圧力室とを位置合わせして前記圧力室が形成される前記基板と接合する流路基板接合工程と、前記吐出口が形成された吐出口基板を、前記吐出口と前記吐出側流路とを位置合わせして前記流路基板と接合する吐出口基板接合工程と、前記上部電極及び前記下部電極間に前記圧電体膜の抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に抗電界以上の電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、を含むことを特徴とする。
請求項４に記載の発明によれば、上部電極をアドレス電極、下部電極をグランド電極として、上部電極に正電圧を印加して（圧電素子の分極方向と同じ方向の電界を当該圧電素子に印加して）圧電素子を動作させることで、吐出口から液体を吐出させることができる好ましい液体吐出ヘッドが製造される。
本発明によれば、エピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜では、膜成膜時の分極方向が成長方向（配向方向）となり、下部電極から圧電体膜を成長させると分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となるので、この分極方向を上部電極から下部電極に向かう方向に反転させて、上部電極から下部電極に向かう方向の電界を印加して当該圧電体を動作させたときに、当該圧電体の変位量及び変位方向の制御が可能となる。
また、上部電極をアドレス電極、下部電極をグランド電極として、上部電極に正電圧を印加して圧電素子を動作させることで、吐出口から液体を吐出させることができる好ましい液体吐出ヘッドが製造される。
以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。
〔液体吐出ヘッドの製造方法の説明〕
図１(a)〜(ｊ)を用いて、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法（圧電素子の製造方法）を説明する。
図１(a)〜(ｊ)を用いて、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法（圧電素子の製造方法）を説明する。
（１）下部電極形成工程
図１(a)に示すように、表面絶縁基板であるＳＯＩ基板（SiO2の絶縁膜を備えたシリコン基板、以下、基板と記載する。）１０を準備する。図１(a)に示す基板１０は、シリコン基材１０Ａと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｂと、シリコン基材１０Ｃと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｄと、を順位に積層した構造を有している。
図１(a)に示すように、表面絶縁基板であるＳＯＩ基板（SiO2の絶縁膜を備えたシリコン基板、以下、基板と記載する。）１０を準備する。図１(a)に示す基板１０は、シリコン基材１０Ａと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｂと、シリコン基材１０Ｃと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｄと、を順位に積層した構造を有している。
基板１０の上面（絶縁層１０Ｄが形成されている面）１２に、スパッタ、蒸着等の手法を用いて下部電極１４が成膜される（図１(b)）。下部電極１４には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）などが好適に用いられる。
（２）圧電体膜成膜工程
下部電極１４が成膜されると、下部電極１４の上側（下部電極１４の絶縁層１０Ｄと反対側）の面には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等のエピタキシャル成長法による薄膜形成プロセスを用いて、所定の配向性を持つ圧電体膜１６が成膜される（図１(c)）。圧電体膜１６には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr,Ti)O3）が好適に用いられる。
下部電極１４が成膜されると、下部電極１４の上側（下部電極１４の絶縁層１０Ｄと反対側）の面には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等のエピタキシャル成長法による薄膜形成プロセスを用いて、所定の配向性を持つ圧電体膜１６が成膜される（図１(c)）。圧電体膜１６には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr,Ti)O3）が好適に用いられる。
（３）上部電極成膜工程
圧電体膜１６が成膜されると、圧電体膜１６の上側（圧電体膜１６の下部電極１４と反対側）の面には、スパッタ等の手法を用いて上部電極１８が成膜される（図１(d)）。上部電極１８には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）などが好適に用いられる。
圧電体膜１６が成膜されると、圧電体膜１６の上側（圧電体膜１６の下部電極１４と反対側）の面には、スパッタ等の手法を用いて上部電極１８が成膜される（図１(d)）。上部電極１８には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）などが好適に用いられる。
本明細書では、下部電極１４と上部電極１８に圧電体膜１６がはさまれた構造体を圧電素子２０と呼び、圧電素子２０を駆動して他の部材を変形（振動）させる構成を圧電アクチュエータと呼ぶことにする。圧電アクチュエータの一例を挙げると、圧電素子２０と振動板（詳細は後述する。）を変形させる構造が挙げられる。
（４）圧電素子パターニング工程
分極反転処理が行われた後に、下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６を所定の形状に加工する処理が行われ、圧電体膜１６の上面に上部電極１８を備えるとともに下面に下部電極１４を備えた所定の形状を有する圧電素子２０が形成される（図１(e)）。
分極反転処理が行われた後に、下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６を所定の形状に加工する処理が行われ、圧電体膜１６の上面に上部電極１８を備えるとともに下面に下部電極１４を備えた所定の形状を有する圧電素子２０が形成される（図１(e)）。
下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６の加工処理にはエッチングが好適に用いられ、当該加工処理は１５０℃程度の高温環境化で行われる。なお、下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６をそれぞれ別工程（別手法）で加工してもよいし、同一工程（同一手法）でまとめて加工してもよい。
（５）圧力室形成工程
次に、エッチング等の手法を用いて、シリコン基材１０Ａに圧力室となる開口２２が形成される（図１(f)）。なお、絶縁層１０Ｂ及びシリコン基材１０Ｃ、絶縁層１０Ｄは、振動板として機能する。
次に、エッチング等の手法を用いて、シリコン基材１０Ａに圧力室となる開口２２が形成される（図１(f)）。なお、絶縁層１０Ｂ及びシリコン基材１０Ｃ、絶縁層１０Ｄは、振動板として機能する。
（６）流路プレート接合工程、ノズルプレート接合工程
図１(f)に示すように、基板１０（シリコン基材１０Ａ）に圧力室２２が形成されると、共通液室及び供給絞りとなる凹部２４及び圧力室２２と連通する吐出側流路となる開口部２６が形成された流路プレート２８を圧力室２２の開口側面（基板１０の圧電素子２０が配設される面と反対側の面）に接合する。基板１０と流路プレート２８とを接合する際には、共通液室、供給絞り、吐出側流路と圧力室２２が正確に位置合わせされる。
図１(f)に示すように、基板１０（シリコン基材１０Ａ）に圧力室２２が形成されると、共通液室及び供給絞りとなる凹部２４及び圧力室２２と連通する吐出側流路となる開口部２６が形成された流路プレート２８を圧力室２２の開口側面（基板１０の圧電素子２０が配設される面と反対側の面）に接合する。基板１０と流路プレート２８とを接合する際には、共通液室、供給絞り、吐出側流路と圧力室２２が正確に位置合わせされる。
更に、ノズルとなる微細孔３０が形成されたノズルプレート３２を流路プレート２８の基板１０と反対側に接合する。ノズルプレート３２と流路プレート２８とを接合する際には、ノズル３０と吐出側流路が正確に位置合わせされる（図１(g)）。
（７）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程
図１(g)に示すように、ノズルプレート３２、流路プレート２８、圧力室２２が形成された基板１０、圧電素子２０が順に積層された構造を有する構造体が形成されると、圧電素子２０に印加される駆動電圧の配線が形成されたフレキシブルケーブル（ＦＰＣ）３４が上記（３）で形成された上部電極１８と導通するように接合される（図１(h)）。なお、ＦＰＣ３４にスイッチＩＣやドライブＩＣなどの駆動回路の一部又は全部が搭載される態様も可能である。また、ＦＰＣ３４の接合にコネクタを用いる態様も好ましい。
図１(g)に示すように、ノズルプレート３２、流路プレート２８、圧力室２２が形成された基板１０、圧電素子２０が順に積層された構造を有する構造体が形成されると、圧電素子２０に印加される駆動電圧の配線が形成されたフレキシブルケーブル（ＦＰＣ）３４が上記（３）で形成された上部電極１８と導通するように接合される（図１(h)）。なお、ＦＰＣ３４にスイッチＩＣやドライブＩＣなどの駆動回路の一部又は全部が搭載される態様も可能である。また、ＦＰＣ３４の接合にコネクタを用いる態様も好ましい。
ＦＰＣ３４の接合には、導電性接着剤が好適に用いられる。ＦＰＣ接合工程は、１３０℃〜１５０℃の高温環境下で行われる。
（８）分極反転工程
上述した（１）〜（７）の工程の後に、圧電素子２０の分極方向を反転させる分極反転処理工程が行われる。分極反転工程は、図１(g)に示すヘッド１（（７）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程の後）に、上部電極１８及び下部電極１４間にＡＣ電界発生装置３６から抗電界以上のＡＣ電界が印加され（ＡＣ電界印加工程）、その後、所定の温度環境下（例えば、１０℃〜７０℃）において、上部電極１８から下部電極１４へ向かう方向に直流電界発生装置３７から１．０（ｋＶ／ｍｍ）以上１０（ｋＶ／ｍｍ）以下の強度の電界が印加される（分極反転処理工程）。
上述した（１）〜（７）の工程の後に、圧電素子２０の分極方向を反転させる分極反転処理工程が行われる。分極反転工程は、図１(g)に示すヘッド１（（７）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程の後）に、上部電極１８及び下部電極１４間にＡＣ電界発生装置３６から抗電界以上のＡＣ電界が印加され（ＡＣ電界印加工程）、その後、所定の温度環境下（例えば、１０℃〜７０℃）において、上部電極１８から下部電極１４へ向かう方向に直流電界発生装置３７から１．０（ｋＶ／ｍｍ）以上１０（ｋＶ／ｍｍ）以下の強度の電界が印加される（分極反転処理工程）。
抗電界とは、圧電体の分極を変えることができる電界の強さであり、圧電体のヒステリシス曲線において、ｘ軸を電界強度とし、ｙ軸を残留分極としたときのｘ軸とヒステリシス曲線の交点をいう。
図１(a)〜(h)に示すヘッドの製造工程において製造されたヘッド１（最終製品）にはスイッチＩＣなどの高い温度をかけることが困難な部品や、接着剤などの高い温度をかけられない部材が存在するので、スイッチＩＣなどの電子部品の温度定格の以下の温度環境下で分極反転工程が行われる。また、高い温度をかけることができたとしても、スイッチＩＣなどの電子部品には最大定格を超える高い電圧をかけることができないので、スイッチＩＣなどの定格を超えない範囲の低い電圧を用いて分極反転工程が行われる。
なお、図１に示す態様では、ＦＰＣ接合工程の後に分極反転工程を実行する態様を示したが、分極反転工程の後にＦＰＣ接合工程を実行する態様も可能である。なお、ＦＰＣ接合工程は１３０℃〜１５０℃の温度環境下で行われることもあり、分極反転後の圧電素子に高温をかけると分極方向が再反転して成膜時の分極方向に戻ってしまうことが起こり得るの、で、１３０℃〜１５０℃の高温環境下でＦＰＣ接合工程を実行する場合には、ＦＰＣ接合工程の後に分極反転処理工程を実行する態様が好ましい。
図２には、上述した（１）〜（８）の工程を経て作製された液体吐出ヘッド１を示す。なお、図２中、図１(a)〜(h)と同一または類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図２では、図１(h)に図示したＦＰＣ３４は省略されている。
図２に示すヘッド１は、スパッタ法を用いて下部電極１４からエピタキシャル成長させた圧電体膜１６を有する圧電素子２０を備え、上部電極１８をアドレス電極とし下部電極１４をグランド電極として、駆動電圧供給部３８から上部電極１８にプラスの駆動電圧を印加して、圧電素子２０及び振動板１０Ｅが圧力室２２の体積を減少させるように変形する（図２に矢印線Ｂで示す方向に変形する）ことで、ノズル３０から液滴が吐出される。
圧電体膜１６（圧電素子２０）の成膜時の分極方向を反転させることで、下部電極１４をグランドとして上部電極１８にプラス電圧を印加するときの電界方向（図２に矢印線Ｃ’で示す方向）と、圧電素子２０の分極方向（図２に矢印線Ａ’で示す方向）は同一方向となる。
図３は、分極反転前の圧電素子２０の特性と分極反転後の圧電素子２０の特性を示すグラフである。図３に示すグラフのたて軸は圧電素子２０の変位量（ｎｍ）を表し、横軸は圧電素子２０に印加される電圧（Ｖ）を示す。なお、以下の説明では「電界」という用語と「電圧」という用語は特に断らない限り相互に読み替えてもよいこととする。
図３に示す符号１２０及び１２２は、分極反転前の圧電素子２０（従来技術に係る圧電素子１０２）の特性を示している（図８参照）。
下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加し、このときに上部電極１８から下部電極１４に向かう方向を電界のプラス方向（図１０に符号Ｃで示す方向と反対方向）とする。したがって、圧電素子１０２の分極方向（図１０に符号Ｂで示す方向）は電圧のプラス方向と反対方向となる。
マイナス方向（図１０に符号Ｃで示す方向）の電圧を圧電素子１０２に印加すると（即ち、圧電素子１０２の分極方向と同じ方向の電圧を圧電素子１０２に印加すると）、圧電素子１０２は液体を吐出させる方向に変形し、この方向を圧電素子１０２の変位量のプラス方向としている。なお、分極反転前の圧電素子２０（圧電素子１０２）の特性の詳細な説明は、先に説明した従来技術に係る説明の際にしたので、ここでは省略する。
一方、符号４０で示す特性は、分極反転後の圧電素子２０（本発明に係る圧電素子製造法により製造された圧電素子２０）の電圧と変位量の特性を示している。なお、符号４０で示す特性では、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加し、このときに上部電極１８から下部電極１４に向かう方向を電圧の方向をプラス方向（図２に符号Ｃ’で示す方向）とする。したがって、圧電素子２０の分極方向（図２に符号Ａ’で示す方向）は電圧のプラス方向と同一方向となる。
プラス方向の電圧を圧電素子２０に印加すると、圧電素子２０は液体を吐出させる方向（図２における下方向）に変形し、この方向を圧電素子２０の変位量のプラス方向としている。
分極反転処理を行った結果、液体吐出のための圧電素子２０の駆動に圧電素子２０の電圧と変位量が比例関係を有する部分の特性を用いることができる。また、分極反転前のピークの変位量（電圧−４０（Ｖ）における変位量）１１００（ｎｍ）と分極後のピークの変位量（電圧４０（Ｖ）における変位量）１１００（ｎｍ）は一致しているので、分極反転処理による性能劣化も見られない。
次に、圧電素子２０が分極反転に至るメカニズムについて説明する。図４(a),(b)には、ヘッド１（基板１０’上）に搭載された圧電素子２０を模式的に図示する。図４(a)は成膜直後の圧電素子２０を示しており、矢印線Ｂで示す方向が分極方向である。成膜後に分極反転し難い原因の１つとして、空間電荷による自発分極の拘束が挙げられる。即ち、図４(b)に示すように、空間電界８０が圧電素子２０の成膜時の分極方向を固定して、分極反転を困難にしている。
本例では、抗電界以上のＡＣ電界（抗電界以上の電圧自発分極）を圧電素子２０に印加して、空間電荷を除去し、分極反転を起こりやすくする。
ＡＣ電界の具体的な一例を挙げると、厚み４μｍの圧電体膜１６（圧電素子２０）に、ｓｉｎ波、１ＭＨｚ、４０Ｖの交流電界を１時間加えた。なお、波形、印加時間は適宜変更してもよい。
図５に実線で図示する符号９０で示す特性が圧電体膜１６の成膜直後のヒステリシス特性である。このような特性を有する圧電体膜１６に対して、上に例示した抗電界以上のＡＣ電界を印加すると、破線で図示する符号９２で示す特性となる。なお、図５の横軸は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）であり、たて軸は残留分極（μＣ／ｃｍ２）である。
図５に示すように、抗電界以上のＡＣ電界を印加した後は抗電界が減少していることがわかる。これは、分極方向が反転する電界強度が低くなっていることを示し、分極反転が容易になることを意味している。なお、抗電界以上のＡＣ電界を印加しても、飽和分極Ｐｍと残留分極Ｐｒは変化しない。即ち、図１(h)に示すヘッド１（最終製品）に対して好ましい分極反転処理を施すことができたといえる。
本発明は、複数のノズル（圧電素子）を有するヘッドに特に効果を発揮する。ここで、図６(a)〜(c)に複数のノズルを有するヘッドの一例を示す。
図６(a)に示すヘッド１は、液体の吐出をうける媒体の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの媒体の少なくとも一辺を超える長さ（液体を受容する範囲の全幅）にわたりノズル３０が複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている。
図６(b)は図２(a)の一部の拡大図であり、図６(c)はヘッド１の他の構造例を示す平面透視図である。本例のヘッド１は、図６(a),(b)に示すように、液体の吐出孔であるノズル３０と、各ノズル３０に対応する圧力室２２、供給口２３等からなる複数のインク室ユニット２５を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド長手方向（媒体送り方向と直交する副走査方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。
なお、被吐出媒体の送り方向と略直交する方向に被吐出媒体の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図６(a)の構成に代えて、図６(c)に示すように、複数のノズル３０が２次元に配列された短尺のヘッドブロック１’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで被吐出媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。また、図示は省略するが、短尺のヘッドを一列に並べてラインヘッドを構成してもよい。
なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に１列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。
また、本発明の適用範囲はライン型ヘッドによる吐出方式に限定されず、被記録媒体の幅方向の長さに満たない短尺のヘッドを被記録媒体の幅方向に走査させて当該幅方向に対する液体吐出を行い、１回の幅方向の液体吐出が終わると被記録媒体を幅方向と直交する方向に所定量だけ移動させて、次の吐出領域の被記録媒体の幅方向に対する液体吐出を行い、この動作を繰り返して被吐出媒体の吐出を受ける領域の全面にわたって液体吐出を行うシリアル方式を適用してもよい。
本例では、スパッタ法を用いて圧電体膜１６を成膜する態様を例示したが、圧電体膜１６の成膜にはゾルゲル法やＣＶＤ法などの他の手法を用いることも可能である。
また、圧電素子２０の支持基板の材料としてシリコンや酸化マグネシウムを例示したが、ＳＵＳなどの材料を用いてもよい。
本例には、１層の圧電体膜を有する単層圧電素子例示したが、本発明は、複数の圧電体膜と複数の電極が交互に積層された多層圧電素子にも適用可能である。
本発明の適用例として、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドを製造する方法が挙げられる。なお、本発明は液体吐出ヘッドにおいて圧力発生素子として機能する圧電素子の製造方法及び、該圧電素子を備えた液体吐出ヘッドの製造方法に広く適用可能である。
１，１００…液体吐出ヘッド、１４，１１０…下部電極、１６，１１２…圧電体膜、１８，１１４…上部電極、２０，１０２…圧電素子
Claims (4)
- 基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、
前記上部電極及び前記下部電極間に前記圧電体膜の抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に抗電界以上の強度の電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、
を含むことを特徴とする圧電素子製造方法。 - 外部から前記上部電極及び前記下部電極間に供給される駆動電圧を伝送する配線部材を接合する配線部材接合工程を含むことを特徴とする請求項１記載の圧電素子製造方法。
- 前記圧電体膜成膜工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか１つの手法を用いて圧電体膜を成膜することを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子製造方法。
- 液体を吐出するノズルと、前記吐出口と連通する吐出側流路と、前記吐出側流路と連通し、前記ノズルから吐出される液体を収容する圧力室と、前記圧力室に収容される液体を加圧する圧電素子と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
基板上に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、
前記基板の前記圧電素子と反対側に前記圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記吐出側流路が形成された流路基板を、前記流路と前記圧力室とを位置合わせして前記圧力室が形成される前記基板と接合する流路基板接合工程と、
前記吐出口が形成された吐出口基板を、前記吐出口と前記吐出側流路とを位置合わせして前記流路基板と接合する吐出口基板接合工程と、
前記上部電極及び前記下部電極間に前記圧電体膜の抗電界以上のＡＣ電界を印加した後に、前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に抗電界以上の強度の電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド製造方法。
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