JP2014195998A - 圧電素子の製造方法及び圧電素子 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電体層の劣化や破壊を抑制して、低エネルギーで圧電特性を向上することができる液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置を提供する。
【解決手段】ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備した液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記圧電体層は、ペロブスカイト型構造を有し、前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、前記圧電体層に印加される電界方向が、前記第２電極が設けられた面に対して垂直な＜００１＞方向であるとき、＜１１１＞方向の分極方向を＜１１０＞方向にするのに要するエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向にするのに要するエネルギーより小さいエネルギーの電界を印加して、前記圧電体層の分極処理を行う分極工程を有する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置に関する。

インクジェット式記録ヘッド等の液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子は、電気機械変換機能を呈する圧電材料からなる圧電体層を２つの電極で挟んだ素子であり、圧電体層としては、鉛、ジルコニウム及びチタンを含んだ、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等を用いたものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００１−２２３４０４号公報

液体噴射ヘッド等に用いられる圧電素子に、低い電圧で大きな変位量を得ることができる優れた圧電特性を出させるには、印加電界の方向に分極モーメントのベクトル成分があることが重要である。これは、電界の方向とは逆方向の分極モーメントを有するドメインは、圧電特性を低下させるように寄与するからである。

このため、例えば、圧電体層を形成した後、圧電体層に液体噴射時に印加する駆動電界と同一方向の電界を印加して、分極モーメントの方向を揃える初期化を行っている。

しかしながら、圧電体層の分極モーメントを揃える初期化を行う際、比較的大きな電界を印加して初期化を行っていたため、大きなエネルギーが必要となりコストが増大すると共に、大きな電界を印加することによって圧電体層の劣化や破壊などが生じる虞があった。

なお、このような問題はインクジェット式記録ヘッドに限定されず、インク以外の他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、圧電体層の劣化や破壊を抑制して、低エネルギーで圧電特性を向上することができる液体噴射ヘッドの製造方法、液体噴射ヘッド及び液体噴射装置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、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備した液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記圧電体層は、ペロブスカイト型構造を有し、前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、前記圧電体層に印加される電界方向が、前記第２電極が設けられた面に対して垂直な＜００１＞方向であるとき、＜１１１＞方向の分極方向を＜１１０＞方向にするのに要するエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向にするのに要するエネルギーより小さいエネルギーの電界を印加して、前記圧電体層の分極処理を行う分極工程を有す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、比較的低いエネルギーの電界強度の電界を印加して分極処理を行うことができ、コストを低減して、圧電体層の破壊を抑制することができる。

ここで、前記分極工程において、電界の印加により前記圧電体層の分極方向が＜１１１＞方向から＜１１１＞方向へ変化する際に、変化途中の前記分極方向が＜１１０＞方向を向くことが好ましい。これによれば、比較的小さい印加電圧で＜１１１＞方向の分極方向を＜１１０＞方向を通過させて＜１１１＞方向に変化させることができる。

また、前記分極工程において、前記圧電体層は分極モーメントが消失する常誘電性状態とならないことが好ましい。これによれば、分極工程中に分極モーメントが反転する際に、常誘電性状態とすると、かなり高いエネルギー状態を要するが、常誘電性状態とならないようにすることで、小さい印加電圧で分極モーメントを反転させて初期化することができるため、圧電体層の絶縁破壊を抑制することができる。

また、前記圧電体層が、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことが好ましい。これによれば、圧電特性に優れた圧電素子を実現できる。

また、前記圧電体層の前記第２電極が設けられた面方向の格子定数よりも、当該第２電極が設けられた面に垂直な方向の格子定数が小さいことが好ましい。これによれば、圧電特性に優れた圧電素子を実現できる。

また、前記圧電体層が、単斜晶系であることが好ましい。これによれば、耐久性及び圧電特性に優れた圧電素子を実現できる。

さらに本発明の他の態様は、上記態様の何れかに記載の製造方法によって製造された液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、低コストで且つ液体噴射特性に優れた液体噴射ヘッドを実現できる。

また本発明の他の態様は、上記態様の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置にある。
かかる態様では、低コストで印刷品質に優れた液体噴射装置を実現できる。

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に係る結晶の格子モデルを示す図である。 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に係る結晶の分極軸方向の変化を模式的に示す図である。 本実施形態の第一原理電子状態計算の結果を示すグラフである。 一実施形態に係る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概略構成を示す分解斜視図であり、図２は、流路形成基板の平面図及びそのＡ−Ａ′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を主成分とする弾性膜５０が形成されている。

流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅方向に並設されている。また、流路形成基板１０の圧力発生室１２の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバー部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバーの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭い幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。なお、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。

また、流路形成基板１０の開口面側には、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、接着剤や熱溶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又はステンレス鋼などからなる。

一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、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、絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。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３２０という。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子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。また、ここでは、圧電素子３００と当該圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板とを合わせてアクチュエーター装置と称する。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。

圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される分極構造を有する一般式ＡＢＯ₃で示されるペロブスカイト型構造を有する圧電材料からなる。圧電体層７０としては、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の強誘電体材料や、これに酸化ニオブ、酸化ニッケル又は酸化マグネシウム等の金属酸化物を添加したもの等が好適である。具体的には、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ₃）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ₃）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ₃）、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃）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）Ｏ₃）等を用いることができる。これらの結晶は全て擬キュービックのペロブスカイト型構造であり、代表的な格子定数は４０５ｐｍ〜４２５ｐｍ程度である。

また、圧電体層７０は、結晶が（１００）面に優先配向しており、その結晶構造は、菱面体晶系（rhombohedral）又は単斜晶系（monoclinic）となっている。なお、本発明で「結晶が（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）面に配向している場合と、を含むものである。また、本発明で「結晶構造が、菱面体晶系（rhombohedral）となっている」とは、全ての結晶が菱面体晶系である場合と、ほとんど全ての結晶（例えば、９０％以上）が菱面体晶系であり、菱面体晶系ではない残りの結晶が、単斜晶系（monoclinic）、正方晶系（tetragonal）等である場合と、を含むものである。なお、本実施形態においては、圧電体層７０は結晶構造が単斜晶系（monoclinic）となっている。

さらに、圧電体層７０は、分極モーメントの向いている方向を示す分極方向が膜面垂直方向（圧電体層７０の厚さ方向、すなわち、第１電極６０又は第２電極８０が設けられた面に対して垂直な方向）に対して所定角度傾いているエンジニアード・ドメイン配置であることが望ましい。圧電体層７０の分極方向がエンジニアード・ドメイン配置となることで、圧電体層７０として良好な圧電特性を得ることができる。

ここで、圧電体層７０の結晶構造は、上述のように一般式ＡＢＯ₃で示されるペロブスカイト型構造を有するものである。したがって、圧電体層７０としてＰｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ₃を用いた場合には、図３に示すように、Ａサイトには鉛（Ｐｂ）、Ｂサイトにはジルコニウム（Ｚｒ）又はチタン（Ｔｉ）、Ｃサイトには酸素（Ｏ）が配置される。そして、圧電体層７０の分極方向がエンジニアード・ドメイン配置になっているとは、図３に示すように、圧電体層７０を構成する結晶を擬立方晶で表記した際に、膜面内（第１電極６０又は第２電極８０が設けられた面内）における結晶軸をａ軸＜１００＞方向、ｂ軸＜０１０＞方向とし、膜面垂直方向をｃ軸＜００１＞方向としたとき、略中心のＢサイトを基点として、分極モーメントの向いている方向を示す分極方向がｃ軸のプラス方向である＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向と、ｃ軸のマイナス方向である＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向との８方向となっていることを言う。なお、上記方向を示す下線は、各軸におけるマイナス方向を示している。したがって、ｃ軸のプラス方向は、＜１１１＞方向、＜−１１１＞方向、＜１−１１＞方向、＜−１−１１＞方向と、ｃ軸のマイナス方向である＜１１−１＞方向、＜−１１−１＞方向、＜１−１−１＞方向、＜−１−１−１＞方向とも書き換えることができる。ちなみに、圧電体層７０の分極方向がエンジニアード・ドメイン配置となっているとは、分極方向が擬立方晶の表記で上述した＜１１１＞方向等に完全に一致している場合と、分極方向が上述した＜１１１＞方向と僅かにずれているが、略＜１１１＞方向等になっている場合と、を含むものである。分極方向が略＜１１１＞方向になっている場合とは、例えば、分極方向が、＜１１１＞方向と＜１００＞方向との間にあり、分極方向と＜１１１＞方向とのなす角度が、例えば１０度以下である場合などである。このように分極が＜１１１＞方向からずれることにより、圧電体層７０は単斜晶系となり、より高い変位量を得ることができる。

圧電体層７０の面内（第２電極８０が設けられた面）の格子定数（ａ軸、ｂ軸）は、この面に垂直な方向、すなわち厚さ方向の格子定数（ｃ軸）に比べて大きいものが好ましい。すなわち、ａ軸、ｂ軸の格子定数よりも、ｃ軸の格子定数が小さいものが好ましい。このように、圧電体層７０として、面内の格子定数（ａ軸、ｂ軸）をｃ軸の格子定数よりも大きいものを用いることで、圧電体層７０を低い駆動電圧で大きな変位量を得ることができる、いわゆる高い変位特性の圧電体層７０を用いることができ、インク（液体）噴射特性を向上することができる。ここで、本実施形態とは異なる厚膜（バルク粉末）の場合において菱面体晶系となる組成の圧電体層７０（例えば、ＰＺＴ）であったとしても、本実施形態のように圧電体層７０が薄膜の場合には、面内応力（引っ張り応力）を利用することにより、ｃ軸よりもａ軸の格子定数を大きくすることができる。また、このとき結晶構造は単斜晶系となる。

圧電体層７０の厚さについては、製造工程でクラックが発生しない程度に厚さを抑え、且つ十分な変位特性を呈する程度に厚く形成する。例えば、本実施形態では、圧電体層７０を０．５〜２．０μｍ前後の厚さで形成した。ここで、圧電体層７０の膜厚をこの範囲とすることにより、インク滴（液滴）の吐出量を向上することができる。例えば、圧電体層７０の膜厚を１．１μｍとし、圧力発生室１２の横幅（最短幅）を６０μｍ、駆動電圧を２５Ｖとした際には、弾性膜５０の膜面垂直方向（厚さ方向）への変位は３００ｎｍ程度の大きな変異を得ることができ、結果、５ピコリットル程度のインク滴の吐出が可能となる。

また、圧電素子３００の個別電極である各第２電極８０には、インク供給路１４側の端部近傍から引き出され、絶縁体膜５５上にまで延設される、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０が接続されている。

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、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部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。このリザーバー部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リザーバー１００を構成している。また、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。さらに、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバーと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。

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からなり、この封止膜４１によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバー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、リザーバー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、リザーバー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。

ここで、インクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図４〜図７を参照して説明する。なお、図４〜図７は、インクジェット式記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０が複数一体的に形成される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（ＳｉＯ₂）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。次いで、図４（ｂ）に示すように、弾性膜５０（二酸化シリコン膜５１）上に、酸化ジルコニウムからなる絶縁体膜５５を形成する。

次いで、図４（ｃ）に示すように、白金及びイリジウムからなる第１電極６０を絶縁体膜５５上に形成した後、所定形状にパターニングする。第１電極６０の形成方法は特に限定されないが、例えば、スパッタリング法や化学蒸着法（ＣＶＤ法）などが挙げられる。なお、本実施形態では、第１電極６０の材料として白金及びイリジウムを用いるようにしたが、第１電極６０の材料は、特にこれに限定されず、白金又はイリジウムだけであってもよく、またその他の金属材料を用いるようにしてもよい。

次に、図５（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、イリジウムからなる第２電極８０とを流路形成基板用ウェハー１１０の全面に形成する。なお、圧電体層７０の形成方法は、本実施形態では、金属有機物を溶媒に溶解・分散したいわゆるゾルを塗布乾燥してゲル化し、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、いわゆるゾル−ゲル法を用いて圧電体層７０を形成した。なお、圧電体層７０の形成方法は、特に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法、スパッタリング法又はレーザーアブレーション法等のＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法等を用いてもよい。

次に、図５（ｂ）に示すように、第２電極８０及び圧電体層７０を同時にエッチングすることにより各圧力発生室１２に対応する領域に圧電素子３００を形成する。ここで、第２電極８０及び圧電体層７０のエッチングは、例えば、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングが挙げられる。

次に、図５（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の全面に亘って金（Ａｕ）からなるリード電極９０を形成後、各圧電素子３００毎にパターニングする。

次に、図６（ａ）に示すように、保護基板用ウェハー１３０を、流路形成基板用ウェハー１１０上に接着剤３５を介して接着する。ここで、この保護基板用ウェハー１３０は、保護基板３０が複数一体的に形成されたものであり、保護基板用ウェハー１３０には、リザーバー部３１及び圧電素子保持部３２が予め形成されている。保護基板用ウェハー１３０を接合することによって流路形成基板用ウェハー１１０の剛性は著しく向上することになる。

次いで、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚みに薄くする。

次いで、図６（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上にマスク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に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク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表面のマスク５２を除去し、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。

その後、圧電体層７０に電界を印加して分極処理を行う。ここで分極処理とは、圧電素子３００の製造時に結晶の分極方向が任意の方向を向いている圧電体層７０に対して、圧電体層７０の一方向（第１電極６０と第２電極８０とを結ぶ方向、すなわち、圧電体層７０の膜厚方向）に電界を印加して、分極モーメントのｃ軸方向（電界印加方向）の成分の方向を揃えることを言う。ここで、分極処理時の電界Ｅ_Iの方向は、インクジェット式記録ヘッドＩの使用時の実駆動電界Ｅ_R方向と同じ方向であり、分極処理時の電界Ｅ_Iの大きさはインクジェット式記録ヘッドＩの使用時の実駆動電界Ｅ_Rの絶対値よりも大きくする。そうすることで分極処理を十分に行うことができ、インクジェット式記録ヘッドＩの使用時に十分な圧電変位を得ることができる。例えば、代表的な分極処理時の電界Ｅ_Iの大きさは３０Ｖ〜６０Ｖである。圧電体層７０を十分に分極処理するためには、より大きな分極処理時の電界Ｅ_Iの値が求められるが、一方で分極処理時の電界Ｅ_Iが大きいと、分極処理時の駆動回路にかかるコストが大幅に増大する。また、分極処理時に大きな電界Ｅ_Iを圧電体層７０に印加することで、圧電体層７０自体にクラックが入ってしまい構造破壊に至ることもある。このため、分極処理時に小さな電界Ｅ_Iを印加することにより十分な分極処理を行うことが求められる。

本実施形態では、圧電体層７０に膜面（すなわち、第１電極６０又は第２電極８０が設けられた面）に対して垂直な方向である＜００１＞方向（第１電極６０から第２電極８０に向かって）に電界を印加する。具体的には、例えば、図８に示すように、分極方向が＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向となっているものに対して、＜００１＞方向に電界を印加することによって、分極方向をそれぞれ＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向とする。すなわち、例えば、分極方向が＜１１１＞方向である分極モーメントＰ１を、＜１１１＞方向である分極モーメントＰ５等にするのではなく、＜１１１＞方向の分極モーメントＰ１を、ｃ軸のみを移動させて＜１１１＞方向の分極モーメントＰ３とする。

このときの印加電界の大きさ（電界強度）は、分極方向が＜１１１＞方向であるとき（分極モーメントＰ１）、この分極方向を＜１１０＞方向の分極方向（分極モーメントＰ２）にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向（Ｐ１）を＜００１＞方向の分極方向（分極モーメントＰ４）にするのに必要なエネルギーよりも小さくする。このような電界強度の電界を印加することによって、＜１１１＞方向の分極方向（Ｐ１）を＜１１０＞方向（Ｐ２）を通過させて、＜１１１＞方向（Ｐ３）とすることができる。同様に、その他の分極方向、すなわち、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向のものをそれぞれ＜１１０＞方向、＜１１０＞方向、＜１１０＞方向を通過させて＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向とすることができる。

ここで、例えば、分極方向が＜１１１＞方向の分極モーメントＰ１を、＜１１０＞方向の分極モーメントＰ２、＜１１１＞方向の分極モーメントＰ３、＜００１＞方向の分極モーメントＰ４、＜１１１＞方向の分極モーメントＰ５となるように移動させた際の経路とエネルギー（ｍｅＶ／ｃｅｌｌ）との関係を、第一原理電子状態計算で求めた。この結果を図９に示す。なお、図９中、「ｎｅｕｔｒａｌ」は常誘電性状態を示す。また、図９では、圧電体層７０の１単位格子を示す１ ｕｎｉｔ ｃｅｌｌで求めた。なお、圧電体層７０が常誘電性状態となっているとは、分極モーメントが消失し、分極モーメントが存在していない状態を言う。

図９に示すように、分極方向が＜１１１＞方向の分極モーメントＰ１を＜１１０＞方向を通過させて＜１１１＞方向まで移動させた分極モーメントＰ３とするには、約２０ｍｅＶ／ｃｅｌｌ必要なのに対し、分極方向が＜１１１＞方向の分極モーメントＰ１を＜１１０＞方向と＜００１＞方向とを通過させて＜１１１＞方向まで移動させた分極モーメントＰ５とするには、約４０ｍｅＶ／ｃｅｌｌ以上必要となる。また、分極方向を＜１１１＞方向から正反対の方向である＜１１１＞方向に反転させる経路としては、上述した＜１１０＞方向と＜００１＞方向とを通過させるのが必要となるエネルギーが最も低いと考えられる。

また、図９に示す線２００は、結晶のａ軸長とｂ軸長とが同じ長さ（例えば、４２０ｐｍ）の場合である。ａ軸長（ｂ軸長）がｃ軸長よりも長い場合（例えば、１．０１倍）には、図９に示す線２００Ａとなり、＜１１１＞方向の分極モーメントを＜００１＞方向を通過させるには、さらに大きなエネルギーが必要となることが分かる。ここで、本実施形態にて行った第一原理電子状態計算は、Generalized Gradient近似の範囲での密度汎関数法に基づき、超ソフトポテンシャル法を用いて行った。エネルギーカットオフは、４０ハートリー、電子密度のカットオフは３６ハートリーとし、逆格子空間のｋ点メッシュは４×４×４とした。

以上のことから、圧電体層７０の分極処理を行う電界強度は、分極方向が＜１１１＞方向であるとき、＜１１０＞方向を通過させて＜１１１＞方向とする大きさ、すなわち、分極方向を＜１１０＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも小さくすることで、分極方向を正反対に反転させることなく、低いエネルギーで分極処理を行うことができる。

このように、印加する電界の電界強度を規定することで、分極方向を反転させる経路を規定することができる。そして、最もエネルギーが小さくて済む経路を通過させることで、電界強度を小さくすることができ、省エネルギー化してコストを低減することができる。また、圧電体層７０に大きな電界を印加して分極処理を行う必要がないため、圧電体層７０に電界を印加することによるダメージを抑制することができる。特に、ａ軸長（ｂ軸長）がｃ軸長よりも大きな格子定数の圧電体層７０を用いた場合、このような効果がさらに顕著に現れる。

また、分極工程において、圧電体層７０は、分極モーメントが消失する常誘電性状態とならないことが好ましい。すなわち、図９に示すように、本実施形態では、圧電体層７０の分極処理を行う電界強度は、分極方向が＜１１１＞方向であるとき、＜１１０＞方向を通過させて＜１１１＞方向とする大きさ、すなわち、分極方向を＜１１０＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも小さくすることで、そのエネルギーは圧電体層７０を常誘電性状態「ｎｅｕｔｒａｌ」（図９）としない大きさと言える。

ちなみに、図９に示すように、分極工程中に分極モーメントが反転する際に、常誘電性状態とするには、かなり高いエネルギー状態（＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりもかなり高いエネルギー）を要するが、圧電体層７０が常誘電性状態とならないエネルギーで分極工程を行うことで、小さい印加電圧で分極モーメントを反転させて初期化することができるため、圧電体層７０に印加する電圧を低くして圧電体層７０の絶縁破壊を抑制することができる。

なお、本実施形態では、分極処理を行う電界強度が、＜１１１＞方向の分極方向を基準として、＜１１０＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも小さいと説明したが、これは、他の方向を基準とした分極方向でも言い換えることができる。すなわち、例えば、電界強度の大きさは、分極方向が＜１１１＞方向を基準として、＜１１０＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも小さいものと同じである。同様に、初期状態の分極方向が＜１１１＞方向であったとしても同様に、＜１１０＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向の分極方向にするのに必要なエネルギーよりも小さいとも言える。すなわち、本発明の印加電界は、分極方向をｃ軸方向だけ反転させるのに必要な電界強度（エネルギー）と言える。

そして、このような電界強度の電界を印加することで、＜１１１＞方向以外の＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向の分極方向の分極モーメントも、それぞれ＜１１１＞方向、＜１１１＞方向、＜１１１＞方向にｃ軸方向だけ反転させるように移動させることができる。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述した実施形態１では、流路形成基板１０として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、ＳＯＩ基板、ガラス基板、ＭｇＯ基板等においても本発明は有効である。また、振動板の最下層に二酸化シリコンからなる弾性膜５０を設けるようにしたが、振動板の構成は、特にこれに限定されるものではない。

また、上述した実施形態１では、圧力発生室１２に圧力変化を生じさせる圧力発生手段として、薄膜型の圧電素子３００を有するアクチュエーター装置を用いて説明したが、特にこれに限定されず、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のアクチュエーター装置や、圧電材料と電極形成材料とを交互に積層させて軸方向に伸縮させる縦振動型のアクチュエーター装置などを使用することができる。

また、これら各実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩ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１０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１０に示すインクジェット式記録装置ＩＩにおいて、インクジェット式記録ヘッドＩ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ＩＩ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、上述した実施形態１では、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挙げて説明したが、本発明は広く液体噴射ヘッド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、液晶ディスプレー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ディスプレー、ＦＥＤ（電界放出ディスプレー）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る。

また、本発明は、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製造方法に限られず、他の装置に搭載される圧電素子の製造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）、 ＩＩ インクジェット式記録装置（液体噴射装置）、 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、 ３１ リザーバー部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ２００、２００Ａ 線、 ３００ 圧電素子、 Ｐ１〜Ｐ５ 分極モーメント

本発明は、第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子の製造方法及び圧電素子に関する。

本発明はこのような事情に鑑み、圧電体層の劣化や破壊を抑制して、低エネルギーで圧
電特性を向上することができる圧電素子の製造方法及び圧電素子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、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生
じさせる、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備した圧電素子の製造方法であって、前記圧電体層は、ペロブスカイト型構造を有し、前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、前記圧電体層に印加される電界方向が、前記第２電極が設けられた面に対して垂直な＜００１＞方向であるとき、＜１１１＞方向の分極方向を＜１１０＞方向にするのに要するエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向にするのに要するエネルギーより小さいエネルギーの電界を印加して、前記圧電体層の分極処理を行う分極工程を有することを特徴とする圧電素子の製造方法にある。
かかる態様では、比較的低いエネルギーの電界強度の電界を印加して分極処理を行うことができ、コストを低減して、圧電体層の破壊を抑制することができる。

さらに本発明の他の態様は、上記態様の何れかに記載の製造方法によって製造された圧電素子にある。
かかる態様では、低コストで圧電素子を実現できる。

Claims (8)

1. ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる、第１電極、圧電体層及び第２電極を有する圧電素子を具備した液体噴射ヘッドの製造方法であって、
   前記圧電体層は、ペロブスカイト型構造を有し、
   前記圧電体層は（１００）面に優先配向しており、
   前記圧電体層に印加される電界方向が、前記第２電極が設けられた面に対して垂直な＜００１＞方向であるとき、＜１１１＞方向の分極方向を＜１１０＞方向にするのに要するエネルギーよりも大きく、＜１１１＞方向の分極方向を＜００１＞方向にするのに要するエネルギーより小さいエネルギーの電界を印加して、前記圧電体層の分極処理を行う分極工程を有することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
2. 前記分極工程において、電界の印加により前記圧電体層の分極方向が＜１１１＞方向から＜１１１＞方向へ変化する際に、変化途中の前記分極方向が＜１１０＞方向を向くことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
3. 前記分極工程において、前記圧電体層は分極モーメントが消失する常誘電性状態とならないことを特徴とする請求項１又は２記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
4. 前記圧電体層が、鉛、ジルコニウム及びチタンを含むことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
5. 前記圧電体層の前記第２電極が設けられた面方向の格子定数よりも、当該第２電極が設けられた面に垂直な方向の格子定数が小さいことを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
6. 前記圧電体層が、単斜晶系であることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
7. 請求項１〜６の何れか一項に記載の製造方法によって製造された液体噴射ヘッド。
8. 請求項７記載の液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。

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