JP2012187872A - 液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子のエージング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電特性に優れ、長期に亘って良好な吐出特性を維持することができる液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子のエージング方法を提供する。
【解決手段】 ニッケル酸ランタン層を備える第１電極を形成する工程、ニッケル酸ランタン層上方に圧電体層を形成する工程、及び圧電体層上方に第２電極を形成する工程を備える圧電素子形成工程と、圧電素子に対して印加する最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程と、を備える。
【選択図】 なし

Description

本発明は、ノズル開口から液体を噴射する液体噴射ヘッド及び液体噴射ヘッドのエージング方法に関し、特に液体としてインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法及び圧電素子のエージング方法に関する。

液体噴射ヘッドの代表的な例としては、ノズルからインク滴を噴射するインクジェット式記録ヘッドが挙げられる。インクジェット式記録ヘッドとしては、例えば、インク滴を噴射するノズルと連通する圧力発生室の一部を振動板で構成し、この振動板を圧電素子により変形させて圧力発生室のインクを加圧してノズルからインク滴を吐出させるものがある。また、インクジェット式記録ヘッドに採用される圧電素子としては、例えば、一対の電極とこれらの電極間に挟持される圧電体層とからなるものが知られている。

このようなインクジェット式記録ヘッドを製造する際、各圧電素子の変位特性が均一化されるように、成膜技術により均一な圧電体層を形成し、フォトリソグラフィー法等を用いて各圧電素子を高精度に形成している。しかしながら、このような圧電素子は、駆動波形の印加によって経時的に変位量が低下してしまうという問題があった。したがって、かかる圧電素子を搭載したインクジェット式記録ヘッドは、長期間使用すると吐出特性が低下してしまう。

そこで、例えば、実使用時よりも高電圧及び高周波数の駆動信号を圧電素子に所定パルス数印加して圧電素子を駆動するエージング工程を実施している（特許文献１参照）。このように、実使用時よりも高い電界強度で圧電素子を駆動して圧電体層を分極させることにより、変位量の変動を小さく抑えることができ、長期使用による変位量の低下を抑制することができる。

特開２００４−２０２８４９号公報（請求項１等）

しかしながら、上述したエージング工程を実施すると、圧電素子の本来有する圧電特性を低下させてしまうという問題があった。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドだけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドにおいても同様に存在する。

本発明はこのような事情に鑑み、圧電特性に優れ、長期に亘って良好な吐出特性を維持することができる液体噴射ヘッドの製造方法及び圧電素子のエージング方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、第１電極、圧電体層、及び第２電極を含む圧電素子と、を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、ニッケル酸ランタン層を備える第１電極を形成する工程、前記ニッケル酸ランタン層上方に圧電体層を形成する工程、及び前記圧電体層上方に第２電極を形成する工程を備える圧電素子形成工程と、前記圧電素子に対して印加する最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程と、を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法にある。
かかる態様では、圧電素子の圧電特性を低下させることなく、経時的な変位量の低下を抑制することができる。すなわち、圧電特性に優れ、長期に亘って良好な吐出特性を維持した液体噴射ヘッドを提供することができる。

本発明の好適な実施態様としては、前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉを含む圧電材料からなるからなるものが挙げられる。また、前記圧電体層は、（１００）面に優先配向しているものが挙げられる。

また、本発明の好適な実施態様としては、前記圧電体層は、厚さが７００ｎｍ以下である。

本発明の他の態様は、第１電極、圧電体層、及び第２電極を備える圧電素子のエージング方法であって、前記第１電極はニッケル酸ランタン層を備え、前記圧電体層は前記ニッケル酸ランタン層上方に形成されたものであり、前記圧電素子に対して印加する最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程と、を備えることを特徴とする圧電素子のエージング方法にある。
かかる態様では、圧電素子の圧電特性を低下させることなく、経時的な変位量の低下を抑制することができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの平面図及び断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。 実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。 実施例１及び比較例１〜２の変位量の経時変化を示す図である。 実施例１の印加電圧と電流密度との関係を示す図である。 比較例１の印加電圧と電流密度との関係を示す図である。 比較例２の印加電圧と電流密度との関係を示す図である。 一実施形態に係るインクジェット式記録装置の概略図である。

以下に本発明を実施形態に基づいて詳細に説明する。
（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態１に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′線断面図である。

図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では面方位（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる厚さ０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、一方の面とは反対側の面となる他方面側から異方性エッチングすることにより、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向と称し、これと直交する方向を第２の方向と称する。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の第２の方向の一端部側には、インク供給路１４と連通路１５とが隔壁１１によって区画されている。また、連通路１５の一端には、各圧力発生室１２の共通のインク室（液体室）となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１３が形成されている。すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５からなる液体流路が設けられている。

インク供給路１４は、圧力発生室１２の第２方向一端部側に連通し且つ圧力発生室１２より小さい断面積を有する。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、マニホールド１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されている。なお、このように、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。さらに、各連通路１５は、インク供給路１４の圧力発生室１２とは反対側に連通し、インク供給路１４の幅方向（第１方向）より大きい断面積を有する。本実施形態では、連通路１５を圧力発生室１２と同じ断面積で形成した。

すなわち、流路形成基板１０には、圧力発生室１２と、インク供給路１４と、連通路１５とが複数の隔壁１１により区画されて設けられている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の一方面は、振動板を構成する弾性膜５０によって画成されている。

一方、流路形成基板１０の圧力発生室１２等の液体流路が開口する一方面側には、各圧力発生室１２のインク供給路１４とは反対側の端部近傍に連通するノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０が、接着剤や熱融着フィルム等によって固着されている。なお、ノズルプレート２０は、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。

一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５が形成されている。

また、絶縁体膜５５上方には、第１電極６０と、第１電極６０の上方に設けられる圧電体層７０と、圧電体層７０の上方に設けられた第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。なお、ここで言う上方とは、直上も、間に他の部材が介在した状態も含むものである。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を含む部分をいう。一般的には、圧電素子３００の何れか一方の電極を共通電極とし、他方の電極及び圧電体層７０を各圧力発生室１２毎にパターニングして構成する。そして、ここではパターニングされた何れか一方の電極及び圧電体層７０から構成され、両電極への電圧の印加により圧電歪みが生じる部分を圧電体能動部という。本実施形態では、第１電極６０は圧電素子３００の共通電極とし、第２電極８０を圧電素子３００の個別電極としているが、駆動回路や配線の都合でこれを逆にしても支障はない。何れの場合においても、各圧力発生室毎に圧電体能動部が形成されていることになる。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極６０が振動板として作用するが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、弾性膜５０及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用するようにしてもよい。また、圧電素子３００自体が実質的に振動板を兼ねるようにしてもよい。

ここで、図２（ｂ）に示すように、本実施形態の第１電極６０は、例えば、白金からなる配線層６１と、配線層６１上に形成されたニッケル酸ランタン層（ＬＮＯ層）６２との二層から構成されるものである。

かかるニッケル酸ランタン層６２は、結晶の配向面が（００１）面に優先配向（自然配向）する。このニッケル酸ランタン層６２は、圧電体層７０の配向制御層として機能する。ニッケル酸ランタン層６２は、より具体的には、ニッケル酸ランタン層６２上に圧電体層７０をエピタキシャル成長により形成した際に、圧電体層７０の結晶を（１００）面に優先配向させるためのものである。ニッケル酸ランタンとしては、ＬａＮｉＯ_３、Ｌａ_３Ｎｉ_２Ｏ_６、ＬａＮｉＯ_２、Ｌａ_２ＮｉＯ_４、Ｌａ_３Ｎｉ_２Ｏ_７、Ｌａ_４Ｎｉ_３Ｏ_１０等が挙げられ、本実施形態では、ＬａＮｉＯ_３を用いた。

また、本実施形態では、配線層６１は、白金からなる白金層としたが、これに限定されず、例えば、イリジウム、酸化イリジウムを含む酸化イリジウム層、白金層と酸化イリジウム層の積層構造等が挙げられる。

配線層６１の厚さは特に限定されないが、例えば、３０〜１００ｎｍ程度とすればよい。また、ニッケル酸ランタン層６２の厚さも特に限定されないが、例えば１０〜１００ｎｍ程度とすればよい。本実施形態では、配線層６１の厚さを１００ｎｍとし、ニッケルランタン層の厚さを４０ｎｍとした。

また、圧電体層７０は、電気機械変換作用を示す圧電材料からなるものであればよいが、圧電材料の中でも一般式がＡＢＯ_３で表現されるペロブスカイト型結晶構造を有し、金属としてＰｂ、Ｚｒ、及びＴｉを含む強誘電体材料からなるのが好ましい。鉛（Ｐｂ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、及びチタン（Ｔｉ）を含む強誘電体材料としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）のＡサイトの鉛やＢサイトのジルコニウム及びチタンの一部と置換して他の元素を含むものが挙げられる。Ａサイトの置換元素としては、例えば、ランタン、バリウム、ストロンチウム、カルシウム等が挙げられ、Ｂサイトの置換元素としては、例えば、鉛、ニオブ等が挙げられる。圧電体層７０の圧電材料としては、具体的には、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）又は、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）（Ｍｇ，Ｎｂ）Ｏ_３）等を用いることができる。

本実施形態においては、圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる。かかる圧電体層７０はニッケル酸ランタン層６２上方（本実施形態では直上）に設けていることにより、（１００）面に優先配向する。なお、本発明で「（１００）面に優先配向している」とは、全ての結晶が（１００）面に配向している場合と、ほとんどの結晶（例えば、９０％以上）が（１００）面に優先配向している場合と、を含むものである。

また、本実施形態における圧電体層７０は、厚さが、例えば、１．５μｍ以下のものが挙げられ、本実施形態では、７００ｎｍとした。

第２電極８０としては、Ｉｒ，Ｐｔ，タングステン（Ｗ），タンタル（Ｔａ），モリブデン（Ｍｏ）等の各種金属の何れでもよく、また、これらの合金や、酸化イリジウム等の金属酸化物が挙げられる。

このような各圧電素子３００の第２電極８０には、流路形成基板１０のインク供給路１４の端部近傍まで延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加される。

このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このマニホールド部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ方向に貫通して圧力発生室１２の幅方向に亘って形成されており、上述のように流路形成基板１０の連通部１３と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００を構成している。

また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３２が設けられている。圧電素子保持部３２は、圧電素子３００の運動を阻害しない程度の空間を有していればよく、当該空間は密封されていても、密封されていなくてもよい。

このような保護基板３０としては、流路形成基板１０の熱膨張率と略同一の材料、例えば、ガラス、セラミック材料等を用いることが好ましく、本実施形態では、流路形成基板１０と同一材料のシリコン単結晶基板を用いて形成した。

また、保護基板３０には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられている。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。

また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０とリード電極９０とは、ボンディングワイヤー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。

また、このような保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２とからなるコンプライアンス基板４０が接合されている。ここで、封止膜４１は、剛性が低く可撓性を有する材料（例えば、厚さが６μｍのポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）フィルム）からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料（例えば、厚さが３０μｍのステンレス鋼（ＳＵＳ）等）で形成される。この固定板４２のマニホールド１００に対向する領域は、厚さ方向に完全に除去された開口部４３となっているため、マニホールド１００の一方面は可撓性を有する封止膜４１のみで封止されている。

このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドでは、図示しない外部インク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、マニホールド１００からノズル開口２１に至るまで内部をインクで満たした後、駆動回路１２０からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極６０及び圧電体層７０をたわみ変形させることにより、各圧力発生室１２内の圧力が高まりノズル開口２１からインク滴が吐出する。

次に、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法の一例について、図３〜図７を参照して説明する。なお、図３〜図７は、圧力発生室の第２方向の断面図である。

まず、図３（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、図３（ｂ）に示すように、弾性膜５０上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。

次に、図４（ａ）に示すように、第１電極６０を形成する。具体的には、まず、絶縁体膜５５上に配線層６１を形成する。配線層６１の形成方法は特に限定されないが、スパッタリング法等により全面に形成する。その後、スパッタリング法、レーザーアブレーション法やＭＯＣＶＤ法等により、ニッケル酸ランタン層６２を形成する。

次いで、第１電極６０上に、圧電体層７０を積層する。圧電体層７０の製造方法は特に限定されないが、例えば、有機金属錯体を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、さらに高温で焼成することで金属酸化物からなる圧電体層７０を得る、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層７０を形成できる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法などで形成してもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順例としては、まず、図４（ｂ）に示すように、第１電極６０上に、金属錯体、具体的には、Ｐｂ、Ｚｒ及びＴｉ、必要に応じて含有させる他の金属を含む錯体を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＭＯＤ溶液（前駆体溶液）をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜７１を形成する（塗布工程）。

塗布する前駆体溶液は、例えば、圧電体層７０となる圧電材料の構成金属をそれぞれ含む有機金属錯体を、各構成金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。圧電材料の構成金属を含む有機金属錯体としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。鉛（Ｐｂ）を含む有機金属錯体としては、例えば酢酸鉛などが挙げられる。ジルコニウム（Ｚｒ）を含む有機金属錯体としては、例えばジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。チタニウム（Ｔｉ）を含む有機金属錯体としては、例えば、チタニウムイソプロポキシド等のチタニウムアルコキシドなどが挙げられる。

次いで、この圧電体前駆体膜７１を所定温度（例えば１５０〜２００℃）に加熱して一
定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜７１を所定温度（例えば
３００〜４００℃）に加熱して一定時間保持することによって脱脂する（脱脂工程）。な
お、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７１に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ_２、
ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ等として離脱させることである。乾燥工程や脱脂工程の雰囲気は限定され
ず、大気中でも不活性ガス中でもよい。

次に、図４（ｃ）に示すように、圧電体前駆体膜７１を所定温度、例えば６５０〜８００℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７２を形成する（焼成工程）。この焼成工程においても、雰囲気は限定されず、大気中でも不活性ガス中でもよい。

なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。

次に、図５（ａ）に示すように、圧電体膜７２上に所定形状のレジスト（図示無し）をマスクとして、例えば、第１電極６０及び圧電体膜７２の１層目をそれらの側面が傾斜するように同時にパターニングする。

次いで、レジストを剥離した後、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返して複数の圧電体膜７２からなる圧電体層７０を形成することで、図５（ｂ）に示すように複数層の圧電体膜７２からなる所定厚さの圧電体層７０を形成する。なお、本実施形態では、圧電体膜７２を積層して設けたが、１層のみでもよい。また、１層以上の圧電体膜７２を形成した後に、チタン（Ｔｉ）からなる中間チタン層を形成し、その後、再び、上述した塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程からなる圧電体膜形成工程を行って１層以上の圧電体膜７２を形成して、圧電体層７０としてもよい。

このように圧電体層７０を形成した後は、図６（ａ）に示すように、圧電体層７０上に白金等からなる第２電極８０をスパッタリング法等で形成し、各圧力発生室１２に対向する領域に圧電体層７０及び第２電極８０を同時にパターニングして、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０からなる圧電素子３００を形成する。なお、圧電体層７０と第２電極８０とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト（図示なし）を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。その後、必要に応じて、６００℃〜８００℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することができる。

次に、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の全面に亘って、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を形成後、例えば、レジスト等からなるマスクパターン（図示なし）を介して各圧電素子３００毎にパターニングする。

次に、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さに薄くする。

次に、図７（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上に、マスク膜５２を新たに形成し、所定形状にパターニングする。

そして、図７（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５２を介してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）することにより、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５等を形成する。

その後は、流路形成基板用ウェハー１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の不要部分を、例えば、ダイシング等により切断することによって除去する。そして、流路形成基板用ウェハー１１０の保護基板用ウェハー１３０とは反対側の面のマスク膜５２を除去した後にノズル開口２１が穿設されたノズルプレート２０を接合すると共に、保護基板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板用ウェハー１１０等を図１に示すような一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割することによって、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩとする。

なお、このように各チップサイズに分割した後は、各圧電素子３００を駆動させて変位量を安定させるエージング工程を実施する。このエージング工程とは、各圧電素子３００の変位量のばらつきを適宜調整するためのものであり、各圧電素子３００に対して最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧をエージング電圧として印加するものである。ここでいう最大駆動電圧差とは、圧電素子３００（液体噴射ヘッド）を実使用する際の駆動パルスの最大電圧と最小電圧との差を指す。これら最大電圧及び最小電圧は、駆動回路１２０により予め設定される駆動電圧である。かかる駆動電圧は、インクジェット式記録ヘッドが液体（インク）を吐出する際に圧電素子３００に印加する電圧である。

ここで、本実施形態の駆動パルスの最大電圧と最小電圧の設定について簡単に説明する。インクジェット式記録ヘッドを構成する圧電素子３００の圧電体層７０は、電界を変化させると、抗電界Ｅｃを境として分極の正負が反転するヒステリシス特性を有するものである。このような圧電体層７０の抗電界Ｅｃは、圧電素子３００に印加する電圧を変化させて圧電素子３００の変位量を測定し、圧電素子３００の変位方向が反転する分極点を測定することで取得することができる。なお、圧電体層７０には、２つの抗電界Ｅｃ_１，Ｅｃ_２（Ｅｃ_１＜Ｅｃ_２）が存在する。そして、実使用の際には、圧電素子３００には、分極の正負が反転しないように電圧を印加する。本実施形態では、圧電体層７０の圧電特性を最大限に活かすように駆動電圧を設定した。具体的には、抗電界Ｅｃ_１となる電圧Ｖｃ_１よりもわずかに高い電圧を最小電圧として設定し、飽和分極電圧よりわずかに低い電圧を最大電圧として設定した。このように駆動電圧を設定することにより、圧電体層７０の圧電特性を最大限活かすことができる。なお、最大電圧及び最小電圧は、耐久性、インク滴の大きさ、インク滴の吐出速度等に合わせて、適宜、設定されるものであり、これに限定されるものではない。

ここで、インクジェット式記録ヘッドを駆動する駆動電圧パルスの一例について図８を参照して説明する。なお、図８は、駆動電圧パルスを示す波形図である。

駆動電圧パルスは、第１電極６０を基準電位として、第２電極８０に印加される。駆動電圧パルスは、図８に示すように、駆動電圧Ｖを基準電圧Ｖ１から、この基準電圧Ｖ１よりも低い吐出準備電圧Ｖ２まで降下させて圧力発生室１２の容積を膨張させる膨張工程４００と、吐出準備電圧Ｖ２を所定の期間保持する第１の保持工程４０１と、駆動電圧Ｖを吐出準備電圧Ｖ２から基準電圧Ｖ１よりも高い吐出電圧Ｖ３まで上昇させて圧力発生室１２の容積を収縮させる収縮工程４０２と、吐出電圧Ｖ３を所定の期間保持する第２の保持工程４０３と、駆動電圧Ｖを吐出電圧Ｖ３から基準電圧Ｖ１まで降下させる電圧降下工程４０４とで構成されている。そして、このような駆動電圧パルス２００が圧電素子３００に出力されると、膨張工程４００によって圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変形することにより、ノズル開口２１のメニスカスが押し出される。次いで、収縮工程４０２によって圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変形して、ノズル開口２１のメニスカスが圧力発生室１２側から大きく押し出され、ノズル開口２１からインク滴が吐出される。すなわち、この駆動電圧パルスは、いわゆる押し打ち式のものである。

上述したように、最大駆動電圧差とは、実使用する際の駆動パルスの最大電圧と最小電圧との差を指す、すなわち、図８におけるＶ３とＶ２との差を指す。本実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、例えば、Ｖ１が１７．５Ｖ、Ｖ２が−２Ｖ、Ｖ３が３３Ｖであり、最大駆動電圧差が３５Ｖとなる。なお、ここでは押し打ち式を用いて説明したが、引き打ち式の場合も同様に、駆動パルスの最大電圧と最小電圧との差が最大駆動電圧差となる。

そして、エージング電圧は、最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧とする。本実施形態のように、液体噴射ヘッドの最大駆動電圧差が３５Ｖである場合は、２１〜２４．５Ｖのエージング電圧を印加すればよい。

また、エージング電圧の印加時間は、例えば、１０〜６０分であり、本実施形態では、例えば、２２．５Ｖを２６分（１．２億ショット）とした。

エージング電圧としては、単一周波数の波形、例えばサイン（ｓｉｎ）波、三角波、台形波、矩形波等が挙げられる。

本実施形態では、ニッケル酸ランタン層６２を備える第１電極６０を形成し、最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程を行うことにより、圧電素子３００の圧電特性を低下させることなく、経時的な変位量の低下を抑制することができる。すなわち、圧電特性に優れ、長期に亘って良好な吐出特性を維持した液体噴射ヘッドを製造することができる。

従来のように、最大駆動電圧差よりも高い電圧をエージング電圧として印加すると、圧電素子３００の変位特性を低下させてしまうという問題があり、圧電体層７０が膜厚１．０μｍ以下のような薄いものからなる場合はこの問題が顕著であった。しかしながら、本実施形態では、実使用時よりも低い電圧でエージング工程を行っているので、エージング工程での圧電体層７０の変形が実使用時よりも小さくなり、過剰に圧電体層７０にダメージを与えて圧電素子３００の変位特性を低下させるという虞がない。

なお、最大駆動電圧差の６０％未満のエージング電圧を印加すると、変位量のばらつきの調整が不十分となる虞があり、また、７０％より大きくすると、圧電素子３００の圧電特性を低下させる虞がある。また、第１電極６０がニッケル酸ランタン層６２を備えていない場合は、上記のエージング工程を実施しても、圧電特性が低下してしまう。

以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例
に限定されるものではない。

（実施例１）
実施形態１と同様の方法により、最大駆動電圧差が３５Ｖのインクジェット式記録ヘッドを製造した。なお、第１電極６０を厚さ５０ｎｍの白金からなる配線層６１と、配線層６１上に設けられる厚さ４０ｎｍのニッケル酸ランタン層６２とし、圧電体層７０は、厚さ７００ｎｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり（１００）面に優先配向しているものとし、第２電極８０を厚さ５０ｎｍのイリジウムからなるものとした。また、エージング工程では、電圧２２．５Ｖ，１．２億パルスのエージング電圧を印加した。

（比較例１）
エージング工程を行わなかった以外は実施例１と同様にして、インクジェット式記録ヘッドを製造した。

（比較例２）
エージング電圧を４５Ｖとした以外は実施例１と同様にして、インクジェット式記録ヘッドを製造した。

（試験例１）
実施例１及び比較例１〜２のインクジェット式記録ヘッドに対して、所定の駆動パルスを連続的に印加する耐久試験を実施して、圧電素子の変位低下率を求めた。結果を表１及び図９に示す。なお、実施例１及び比較例１については、エージング工程前に圧電素子の変位量を測定し、これを基準として変位変化率を求めた。また、耐久試験で圧電素子に印加した駆動パルスは、電圧３５Ｖ，周波数５０ｋＨｚ のｓｉｎ波形であり、変位測定時に印加した駆動パルスは、電圧２５Ｖ，周波数８００Ｈｚの台形波形である。

表１及び図９に示すように、エージング工程を行っていない比較例１では、３０億パルスで大きく低下してしまい、変位量の経時変化が非常に大きいものであった。また、駆動電圧よりも高い電圧をエージング電圧として印加した比較例２では、０〜１９０億パルスにおける変位量の経時変化は小さかったが、エージング工程後に大きく変位量が低下してしまっていた。すなわち、エージング工程により、圧電特性（変位量）が低下してしまうことが確認された。

これに対し、耐久試験前に駆動電圧の６５％の電圧をエージング電圧として印加した実施例１のインクジェット式記録ヘッドでは、エージング工程による変位低下率が小さく、また、１９０億パルス印加後もほとんど変位が低下していなかった。

（試験例２）
実施例１及び比較例１〜２のインクジェット式記録ヘッドの圧電素子３００について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で、φ＝４００μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚ、−１Ｖ〜２４Ｖの三角波を印加して、エージング前（「初期」と表記する）、エージング後（「ａｇ後」と表記する）、３０億ショット後（「３０億」と表記する）のＩ（電流密度）−Ｖ（電圧）の関係を求めた。実施例１の結果を図１０に、比較例１の結果を図１１に、比較例２の結果を図１２に示す。

また、実施例１及び比較例１〜２のインクジェット式記録ヘッドを構成する圧電素子３００の圧電体層７０は、印加する電界を変化させると、抗電界Ｅｃを境として分極の正負が反転するヒステリシス特性を有するものである。上記の結果より、抗電界Ｅｃの電圧変化率及び電流変化率を求めた。結果を表２に示す。

表２及び図１０に示すように、実施例１のインクジェット式記録ヘッドは、エージング工程による電圧変化及び電流変化が小さく、また、３０億ショット後の電圧変化及び電流変化が小さいことから、圧電体層７０の変位量がほとんど低下しないことが確認された。

これに対し、表２及び図１１に示すように、エージング工程を行っていない比較例１のインクジェット式記録ヘッドは、３０億ショット後の電圧変化及び電流変化が非常に大きかった。また、表２及び図１２に示すように、比較例２ではエージング工程後と３０億ショット後の電圧変化及び電流変化は小さかったが、エージング工程により電圧及び電流が大きく低下しており、エージング工程により変位が低下していた。

（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態１について説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。本実施形態では、一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割した後に、エージング工程を行ったがこれに限定されず、一つのチップサイズの流路形成基板１０等に分割する前にエージング工程を行ってもよく、例えば、圧力発生室１２を形成した後に行うことができる。

実施形態１では、第１電極６０の抵抗値を低下させるために配線層６１を備えるものとしたが、第１電極６０はこれに限定されるものではない。第１電極６０は、ニッケル酸ランタン層を備え且つニッケル酸ランタン層が圧電体層７０と接触するように設けられているものであればよく、例えば、ニッケル酸ランタン層のみからなるものとしてもよく、配線層を挟むようにニッケル酸ランタン層を二層備えるものとしてもよい。

また、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として、結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、結晶面方位が（１００）面のシリコン単結晶基板を用いるようにしてもよく、また、ＳＯＩ基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、インクカートリッジ等と連通するインク流路を具備する記録ヘッドユニットの一部を構成して、インクジェット式記録装置に搭載される。図１３は、そのインクジェット式記録装置の一例を示す概略図である。

図１３に示すように、インクジェット式記録ヘッドを有する記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、インク供給手段を構成するカートリッジ２Ａ及び２Ｂが着脱可能に設けられ、この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３は、装置本体４に取り付けられたキャリッジ軸５に軸方向移動自在に設けられている。この記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂは、例えば、それぞれブラックインク組成物及びカラーインク組成物を吐出するものとしている。

そして、駆動モーター６の駆動力が図示しない複数の歯車およびタイミングベルト７を介してキャリッジ３に伝達されることで、記録ヘッドユニット１Ａ及び１Ｂを搭載したキャリッジ３はキャリッジ軸５に沿って移動される。一方、装置本体４にはキャリッジ軸５に沿ってプラテン８が設けられており、図示しない給紙ローラーなどにより給紙された紙等の記録媒体である記録シートＳがプラテン８に巻き掛けられて搬送されるようになっている。

また、上述したインクジェット式記録装置では、インクジェット式記録ヘッドＩ（ヘッドユニット１Ａ、１Ｂ）がキャリッジ３に搭載されて主走査方向に移動するものを例示したが、特にこれに限定されず、例えば、インクジェット式記録ヘッドＩが固定されて、紙等の記録シートＳを副走査方向に移動させるだけで印刷を行う、所謂ライン式記録装置にも本発明を適用することができる。

なお、上記実施の形態においては、液体噴射ヘッドの一例としてインクジェット式記録ヘッドを、また液体噴射装置の一例としてインクジェット式記録装置を挙げて説明したが、本発明は、広く液体噴射ヘッド及び液体噴射装置全般を対象としたものであり、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドや液体噴射装置にも勿論適用することができる。その他の液体噴射ヘッドとしては、例えば、プリンター等の画像記録装置に用いられる各種の記録ヘッド、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ＥＬディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオｃｈｉｐ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッド等が挙げられ、かかる液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置にも適用できる。

また、実施形態１では、所定のエージング工程を備える液体噴射ヘッドの製造方法について説明したが、本発明の圧電素子のエージング方法は、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに搭載される圧電素子のエージング方法に限定されない。例えば、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、赤外センサー、超音波センサー、感熱センサー、圧力センサー、焦電センサー、加速度センサー、ジャイロセンサー等の各種センサー等の圧電素子のエージング方法にも適用することができる。

Ｉ インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、 １０ 流路形成基板、 １２ 圧力発生室、 １３ 連通部、 １４ インク供給路、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 第１電極、 ６２ ニッケル酸ランタン層、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ マニホールド、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子

Claims (5)

1. 液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室と、第１電極、圧電体層、及び第２電極を含む圧電素子と、を備えた液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   ニッケル酸ランタン層を備える第１電極を形成する工程、前記ニッケル酸ランタン層上方に圧電体層を形成する工程、及び前記圧電体層上方に第２電極を形成する工程を備える圧電素子形成工程と、
   前記圧電素子に対して印加する最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程と、
   を備えることを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
2. 前記圧電体層は、Ｐｂ、Ｚｒ、及びＴｉを含む圧電材料からなることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
3. 前記圧電体層は、（１００）面に優先配向していることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
4. 前記圧電体層は、厚さが７００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
5. 第１電極、圧電体層、及び第２電極を備える圧電素子のエージング方法であって、
   前記第１電極はニッケル酸ランタン層を備え、前記圧電体層は前記ニッケル酸ランタン層上に形成されたものであり、
   前記圧電素子に対して印加する最大駆動電圧差の６０％以上７０％以下の電圧を印加するエージング工程と、を備えることを特徴とする圧電素子のエージング方法。