JP2015103748A

JP2015103748A - 電気機械変換素子とその製造方法、及び電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置

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Publication number: JP2015103748A
Application number: JP2013245149A
Authority: JP
Inventors: 智水上; Satoshi Mizukami; 佐野　武; Takeshi Sano; 武佐野; 尚弥近藤; Naoya Kondo
Original assignee: Ricoh Co Ltd
Current assignee: Ricoh Co Ltd
Priority date: 2013-11-27
Filing date: 2013-11-27
Publication date: 2015-06-04
Anticipated expiration: 2033-11-27
Also published as: JP6268985B2

Abstract

【課題】所望の分極状態を呈し、電気特性に優れ且つ耐久性に優れる電気機械変換素子を提供する。【解決手段】基板４０１上に形成された共通電極である第１の電極４０３と、第１の電極上に形成された電気機械変換膜４０４と、電気機械変換膜上に形成された個別電極である第２の電極４０５と、第１の電極及び第２の電極上に設けられ、コンタクトホールを有する第１の絶縁保護膜４０６と、第１の電極と導通がとれるように形成された第３の電極４０７と、第２の電極と導通がとれるように形成された第４の電極４０８と、第３の電極上に形成された共通電極用パッド４１２と第４の電極上に形成され所定の列内に複数配置された個別電極用パッド４１１とを有する第２の絶縁保護膜４０９と、個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように形成された第５の電極４１０とを備え、第５の電極は、第１の絶縁保護膜上に形成され第１の電極と導通している。【選択図】図８

Description

本発明は、電気機械変換素子とその製造方法、及び電気機械変換素子を有する液滴吐出ヘッド、液滴吐出ヘッドを有する液滴吐出装置に関する。

プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像記録装置或いは画像形成装置として使用されるインクジェット記録装置及び液滴吐出ヘッドに関して、構成としては例えば図１に示すようなものが挙げられる。
図１は、液滴吐出ヘッドの構成例を示す概略図である。

液滴吐出ヘッドはインク滴を吐出するノズル１０２及びノズル１０２が形成されるノズル板１０３と、このノズル１０２が連通する加圧室１０１（インク流路、加圧液室、圧力室、吐出室、液室等とも称される）と、加圧室１０１内のインク（液体）を加圧する吐出駆動手段とを備える。加圧室１０１は、下面がノズル板１０３、側面が加圧室基板１０４（Ｓｉ基板）、上面が下地１０５で区画されてなる。吐出駆動手段としては、圧電素子などの電気機械変換素子１０９、或いはヒーターなどの電気熱変換素子、若しくはインク流路の壁面を形成する振動板とこれに対向する電極からなる手段等が挙げられる。このエネルギー発生手段等で発生したエネルギーで加圧室１０１内インクを加圧することによってノズル１０２からインク滴を吐出させる。インクジェット式記録ヘッドには、圧電素子の軸方向に伸長、収縮する縦振動モードの圧電アクチュエータを使用したものと、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との２種類が実用化されている。

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、様々なものが知られている。例えば、振動板の表面全体に亘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電気機械変換素子を形成したものが挙げられる。

また、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は、例えば、共通電極である下部電極１０６と、下部電極１０６上に形成されたＰＺＴ膜（圧電体層；電気機械変換膜１０７）と、ＰＺＴ膜上に形成された個別電極である上部電極１０８とで構成される。さらに、上部電極１０８上には層間絶縁膜が形成されて下部電極１０６と上部電極１０８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１０８に電気的に接続される配線が設けられた構造となっている（特許文献１、２参照）。
しかしながら、下部電極１０６としては主にＰｔをベースにした金属電極を用いた実施例がほとんどであり、ＰＺＴの疲労特性に対する保証が懸念される。一般的にＰＺＴに含まれるＰｂ拡散による特性劣化が考えられ、酸化物電極を用いることで、疲労特性が改善されることが知られている（特許文献３参照）。

またここで、図２に分極処理前後のＰＺＴ膜の分極状態を説明するための図を示す。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２１がランダムな状態となっていたもの（図２（ａ）分極処理前）が、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２０の集合体となってくる（図２（ｂ）分極処理後）。このため、電圧印加を行う前から分極の向きを揃えることが試されており、エージング工程またはポーリング（分極処理）工程と称した所定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（特許文献４〜８参照）。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。

ところで、例えば特許文献４、５、７、８に記載されてい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いなかった。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。また、１枚のプローブカードで処理でき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有することになる。

また、特許文献６に記載されている方法では、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。
しかしながら、特許文献６に記載されているコロナワイヤを用いて処理する場合、圧電膜が形成された後に処理を実施しており、その後の工程（層間膜形成や引出配線形成）での熱履歴等による影響で脱分極することが懸念される。具体的には、図３が分極処理前後のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。このように、処理後に３００℃を超える熱履歴を与えると、図３に示すように処理前の状態に戻ってしまう。

本発明は、以上の従来技術における問題に鑑みてなされたものであり、所望の分極状態を呈し、電気特性に優れ、且つ、耐久性に優れる電気機械変換素子を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明に係る電気機械変換素子は、基板と、該基板上に形成された共通電極である第１の電極と、該第１の電極上に形成された電気機械変換膜と、該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極上に設けられ、コンタクトホールを有する第１の絶縁保護膜と、前記第１の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第３の電極と、前記第２の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第４の電極と、前記第３の電極上に形成された共通電極用パッドと、前記第４の電極上に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、を有する第２の絶縁保護膜と、前記個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように形成された第５の電極と、を備え、前記第５の電極は、前記第１の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第１の電極と導通していることを特徴とする。

本発明によれば、所望の分極状態を呈し、電気特性に優れ、且つ、耐久性に優れる電気機械変換素子を提供することができる。

液滴吐出ヘッドの構成例を示す概略図である。分極処理前後のＰＺＴ膜の分極状態を説明するための図である。分極処理前後のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。本発明に係る電気機械変換素子の一部の構成を示す概略図である。（ａ）従来の電気機械変換素子における断面図１である。（ｂ）従来の電気機械変換素子における断面図２である。（ｃ）従来の電気機械変換素子における上面図である。コロナ電極による放電を説明するための図である。個別電極と共通電極からの電荷の移動を説明するための図である。（ａ）本発明に係る電気機械変換素子の一実施の形態における断面図である。（ｂ）本発明に係る電気機械変換素子の一実施の形態における上面図である。第２の絶縁保護膜の開口部の配置関係を説明するための図である。本発明に係る電気機械変換素子の他の実施の形態における上面図である。（ａ）本発明に係る電気機械変換素子のさらにその他の実施の形態における断面図である。（ｂ）本発明に係る電気機械変換素子のさらにその他の実施の形態における上面図である。分極処理装置の一例における概略図である。分極処理装置の一例における構成を説明するための図である。（ａ）図１２のＡ−Ａ’線における一例を示す断面図である。（ｂ）図１２のＡ−Ａ’線における他の一例を示す断面図である。（ａ）分極処理前のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。（ｂ）分極処理後のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。代表的なＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。液滴吐出ヘッドの他の構成例を示す概略図である。本発明に係る液滴吐出装置の構成を示す概略斜視図である。本発明に係る液滴吐出装置の構成を示す概略断面図である。本発明に係る電気機械変換素子のＳＲＯ膜（１１１）のＸＲＤパターンの例を示す図である。

本発明に係る電気機械変換素子は、基板と、該基板上に形成された共通電極である第１の電極と、該第１の電極上に形成された電気機械変換膜と、該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第２の電極と、前記第１の電極及び前記第２の電極上に設けられ、コンタクトホールを有する第１の絶縁保護膜と、前記第１の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第３の電極と、前記第２の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第４の電極と、前記第３の電極上に形成された共通電極用パッドと、前記第４の電極上に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、を有する第２の絶縁保護膜と、前記個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように形成された第５の電極と、を備え、前記第５の電極は、前記第１の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第１の電極と導通していることを特徴とする。

なお、背景技術において述べたように、熱履歴等による影響で脱分極するという問題があるため、コロナ電極を用いて処理する工程としては、熱履歴を与える工程の後工程で処理することが好ましい。本発明においては、例えば３００℃を超える熱履歴プロセスを経た後に実施している。
また本発明においては、ウェハレベルで一括処理できるように、電極パッド部を介して、コロナ放電もしくはグロー放電による発生した電荷を注入することにより分極処理を実施する。このようにすることで、電圧印加を繰り返すことによる変位量変化が抑制できる電気機械変換素子を提供することができる。さらに、インク吐出特性を良好に保持できると共に安定したインク吐出特性を得ることができ、且つ電気機械変換素子を高密度に配列することができるため好ましい。
ここで、コロナ放電等の電荷注入による分極処理を実施するに際して、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生することが新たにわかった。
このため、駆動チャネルの個別電極用パッド部に対して均一な電荷量を注入できるヘッド構成を開発することで、本発明者等は本発明を完成するに至った。

次に、本発明に係る電気機械変換素子についてさらに詳細に説明する。
尚、以下に述べる実施の形態は、本発明の好適な実施の形態であるから技術的に好ましい種々の限定が付されているが、本発明の範囲は以下の説明において本発明を限定する旨の記載がない限り、これらの態様に限られるものではない。

電気機械変換素子（以下、圧電素子と称する場合がある）の構成について図４に示す。
図４は、本発明に係る電気機械変換素子の一部の構成を示す概略図である。
また、図５（ａ）は従来の電気機械変換素子における断面図１であり、図５（ｂ）は従来の電気機械変換素子における断面図２であり、図５（ｃ）は従来の電気機械変換素子における上面図である。ここで、図５（ｃ）においては説明のため第２の絶縁保護膜４０９の図示を省略している。
図４に示すように、基板４０１、下地膜としての成膜振動板４０２、第１の電極４０３、電気機械変換膜４０４及び第２の電極４０５がこの順に積層された構成となっている。さらに層間膜、引き出し配線を含めた素子構成について図５に示す。

第１の絶縁保護膜４０６はコンタクトホールを有しており、第１の電極４０３と第３の電極４０７とが、及び第２の電極４０５と第４の電極４０８とが導通した構成となっている。このとき、第１、第３の電極を共通電極、第２、第４の電極を個別電極として、共通電極、個別電極を保護する第２の絶縁保護膜４０９が形成されている。また、第２の絶縁保護膜４０９の一部が開口されて、個別電極の一部が個別電極パッド、共通電極の一部が共通電極パッドとしてそれぞれ構成されている。共通電極用に作製されたものを共通電極用パッド４１２、個別電極用に作製されたものを個別電極用パッド４１１としている。

次いで、ここまで作製された圧電素子に対して、コロナ放電もしくはグロー放電を行い、発生した電荷についてパッド部を介して注入することにより、分極処理を実施している。
図６は、コロナ電極による放電を説明するための図である。図６に示すように、コロナ電極７１（コロナワイヤ）を用いてコロナ放電させるときには、大気中の分子をイオン化させることで陽イオンが発生し、圧電素子のパッド部を介して陽イオンが流れ込むことで、電荷を圧電素子に蓄積している。

また、図７は個別電極と共通電極からの電荷の移動を説明するための図である。図７に示すように、発生した陽イオンに関しては、個別電極用パッド４１１、共通電極用パッド４１２の両方に流れ込むと考えている。ここで、共通電極用パッド４１２に流れ込んだものについては、第１の電極４０３以下の成膜振動板４０２、基板４０１を介してグランド（ＧＮＤ）に流れてしまい、個別電極にチャージされた電荷により電位差が発生して分極処理されているものと考えている。

ここで、図５に示すように圧電素子を所定の列内に複数配列させたときには、コロナ放電等の電荷注入による分極処理を実施するに際して、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生することが分かった。

そこで、個別電極用パッド４１１に電荷が集中しないようにするため、図８に示すように、個別電極用パッド４１１のそれぞれの近傍を囲うように電極（第５の電極４１０）を形成し、過剰な電荷分に関しては個別電極用パッド４１１近傍を囲った電極に逃せるような工夫を行った。
図８（ａ）は、本発明に係る電気機械変換素子の一実施の形態における断面図であり、図８（ｂ）は本発明に係る電気機械変換素子の一実施の形態における上面図である。ここで、図８（ｂ）においては説明のため第２の絶縁保護膜４０９の図示を省略している。

第５の電極４１０は第１の絶縁保護膜４０６上に形成されており、コンタクトホールを介して第１の電極４０３と導通している。第５の電極４１０上には第２の絶縁保護膜４０９が形成されているが、図８や図９に示すように、個別電極用パッド４１１近傍を囲うように開口されている。ここで図９は、第２の絶縁保護膜の開口部の配置関係を説明するための図である。また、図９に示すように、第５の電極４１０は個別電極用パッド４１１のそれぞれの一部分を除いて個別電極用パッド４１１の近傍を囲うことが好ましい。さらに、第５の電極４１０上にある第２の絶縁保護膜４０９は個別電極用パッド４１１のそれぞれの一部分を除いて個別電極用パッド４１１近傍を囲うように開口していることが好ましい。

すなわち、例えば図９に示すように、個別電極用パッド４１１の周囲の四辺のうち一辺を除き、第５の電極４１０が個別電極用パッド４１１の近傍を囲うことが好ましい。ここでいう一辺とは、図９に示すように個別電極用パッド４１１における第４の電極４０８が引き出されている側の辺をいう。

また、図１０は本発明に係る電気機械変換素子の他の実施の形態における上面図である。図１０においても説明のため第２の絶縁保護膜４０９の図示を省略している。第５の電極４１０は図１０に示すように、第３の電極４０７と導通しているようなパターン形状でも問題ない。

さらに、図１１に示すように第５の電極４１０がコンタクトホールを介して、第１の電極４０３とは別に基板４０１または下地膜上に独立して形成されている第６の電極４１３と導通しているパターン形状でも問題ない。
ここで図１１は、（ａ）本発明に係る電気機械変換素子のさらにその他の実施の形態における断面図であり、図１１（ｂ）は、本発明に係る電気機械変換素子のさらにその他の実施の形態における上面図である。ここで、図１１（ｂ）においては説明のため第２の絶縁保護膜４０９の図示を省略している。
コロナ分極処理により過剰な電荷が第５の電極４１０を通して、第６の電極４１３以下の成膜振動板４０２、基板４０１を介してＧＮＤに流れることで、図８〜図１０のようなパターン形状と同様な効果が得られていることを確認している。

また、図８（ｂ）等のように個別電極用パッド４１１が複数ある場合、全ての個別電極用パッド４１１の近傍が第５の電極４１０で囲われていることが好ましい。全ての個別電極用パッド４１１の近傍が第５の電極４１０で囲われていない場合、分極処理の過剰進行による列内特性ばらつきや過剰電荷の注入による上下電極間での絶縁破壊が発生するなどの不具合が発生する場合がある。

第５の電極４１０の幅は２０μｍ以上、１００μｍ以下であることが好ましい。
また、図９に示すように、第５の電極４１０上にある第２の絶縁保護膜４０９が開口された領域である開口部４１４ａと、個別電極用パッド４１１近傍を囲うように開口された領域である開口部４１４ｂとの配置関係が重要になる。第５の電極４１０上の開口部４１４ａと個別電極用パッド４１１近傍を囲うように開口された領域である開口部４１４ｂとの距離ｄ_１、ｄ_２、ｄ_５としては、５μｍ以上５０μｍ以下にあることが好ましく、６μｍ以上２０μｍ以下にあることがさらに好ましい。この範囲より距離が短くなると、第５の電極４１０に電荷集中が発生するため、個別電極用パッド４１１には電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、個別電極用パッド４１１にほとんど電荷が蓄積されるため、第５の電極４１０が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。なお、ｄ_１、ｄ_２、ｄ_５は同一の値であっても異なる値であってもよい。

さらに図９に示すように第５の電極４１０上にある第２の絶縁保護膜４０９が開口された領域（４１４ａ、白地部分）の開口幅ｗ_１、ｗ_２が重要になり、１０μｍ以上にあることが好ましく、２０μｍ以上の幅で開口されていることがさらに好ましい。この値未満になると個別電極用パッド４１１にほとんど電荷が蓄積されるため、第５の電極４１０が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。また、ｗ_１、ｗ_２は８０μｍ以下であることが好ましい。なお、ｗ_１、ｗ_２は同一の値であっても異なる値であってもよい。

また、第５の電極４１０のうち、個別電極用パッド４１１近傍を囲うように形成された電極部と、当該個別電極用パッド４１１との距離（ｄ_３、ｄ_４、ｄ_６）が３μｍ以上５０μｍ以下であることが好ましい。この範囲より距離が短くなると、第５の電極４１０に電荷集中が発生するため、個別電極用パッド４１１には電荷が蓄積されにくくなり、分極進展しなくなる。また、この範囲より距離が長くなると、個別電極用パッド４１１にほとんど電荷が蓄積されるため、第５の電極４１０が余剰な電荷分を蓄積する機能が充分果たせない。なお、ｄ_３、ｄ_４、ｄ_６は同一の値であっても異なる値であってもよい。

ここまで作製された圧電素子に対して、図１２〜図１４に示す分極処理装置を用いて分極処理を行った。
図１２は、分極処理装置の外観図を示しており、図１３は、図１２の分極処理装置における配線の説明図となっている。図１４（ａ）は図１２のＡ−Ａ’線における一例を示す断面図であり、図１４（ｂ）は図１２のＡ−Ａ’線における他の一例を示す断面図である。

図１２に示される分極処理装置は、コロナ電極７１とグリッド電極７３とを具備しており、コロナ電極７１、グリッド電極７３はそれぞれコロナ電極用電源７２、グリッド電極用電源７４に接続されている。この際、図１３に示すように、コロナ電極用電源７２及びグリッド電極用電源７４の各電極と接続されていない他方の端子は、例えば、サンプルステージ７５のサンプルを設置する場所に接続することができる。また、後述のようにサンプルステージ７５にアース線７６を接続する場合には、該アース線７６に接続することができる。

コロナ電極７１の構成は特に限定されるものではないが、例えば図に示すようにワイヤー形状を有する構成とすることができ、各種導電性の材料により構成することができる。
グリッド電極７３は、コロナ電極７１とサンプルステージ７５との間に配置されている。グリッド電極７３の構成は特に限定されるものではないが、例えば、メッシュ加工を施し、コロナ電極７１に高電圧を印加したときに、コロナ放電により発生するイオンや電荷等を効率よく下のサンプルステージ７５に降り注ぐように構成されていることが好ましい。

そして、サンプルステージ７５には、電気機械変換素子を加熱できるように加熱機構が付加されている。電気機械変換素子を加熱する該加熱機構の具体的手段は特に限定されるものではなく、各種ヒーターやランプ等を用いて加熱するように構成することができる。また、該加熱機構は、サンプルステージ７５内に設置することもでき、サンプルステージ外から加熱するように設置することもできる。特に電極等との干渉を避けるため、サンプルステージ７５内に設置されていることが好ましい。

サンプルステージ７５に加熱機構を設置した場合の構成例について、図１４を用いて説明する。なお、上述のように以下の構成に限定されるものではない。
図１４（ａ）に示すように、サンプルステージ７５は、サンプル保持部７５２内に、サンプル形状にあわせて形成されたサンプル保持用の溝７５１、及び、電熱線等からなる加熱機構７５３を有する構成とすることができる。また、後述のようにサンプルステージ７５にアース線７６を設けた構成とすることもできる。上記構成することにより、加熱機構７５３により、サンプルを特に均一に加熱しやすいため好ましい。特にサンプルを均一に加熱する観点から、サンプル保持部７５２は、金属により構成されていることが好ましく、例えばステンレス鋼や、インコネル［ＩＮＣＯＮＥＬ］（登録商標）をより好ましく用いることができる。特にサンプルを均一に加熱する観点からインコネル［ＩＮＣＯＮＥＬ］（登録商標）を特に好ましく用いることができる。

また他の構成例として、図１４（ｂ）に示すように、サンプルステージ７５をサンプル保持部７５２と、加熱機構保持部７５４とに分けた構成とすることもできる。この場合、サンプル保持部７５２内には、サンプル保持用の溝７５１を形成することができる。また、加熱機構保持部７５４内には、電熱線等からなる加熱機構７５３を有する構成とすることができる。この場合、サンプル保持部７５２については伝熱性を高めるため、金属により構成されていることが好ましく、例えばステンレス鋼や、インコネル［ＩＮＣＯＮＥＬ］（登録商標）をより好ましく用いることができ、特に均一に加熱する観点からインコネル［ＩＮＣＯＮＥＬ］（登録商標）を特に好ましく用いることができる。図１４（ｂ）に示した構成においては、サンプル保持部７５２と加熱機構保持部７５４については、単に積層したのみの構成とすることもできるし、両者を接着剤や固定具等により固定することもできる。

なお、図１４（ａ）、図１４（ｂ）では、サンプル保持用の溝７５１を設けた構成を例に説明しているが、該溝を設けず、サンプル保持部７５２上の任意の場所にサンプルを設置するように構成してもよい。

前記加熱機構の最大加熱温度は特に限定されるものではなく、後述するように製造する電気機械変換素子の電気機械変換膜のキュリー温度等に応じて所定の温度に加熱できるように構成されていれば良い。特に各種電気機械変換素子に対応できるよう、最大３５０℃まで加熱できるように構成されていることが好ましい。

また、サンプルステージ上に配置された試料に対して電荷が流れやすくするように試料を設置するサンプルステージ７５はアース接地されていることが好ましい。すなわち、サンプルステージ７５にはアース線７６が接続されていることが好ましい。

コロナ電極やグリッド電極に印加する電圧の大きさや、試料と各電極間の距離は特に限定されるものではなく、充分に分極処理を施すことができるようにこれらを調整し、コロナ放電の強弱をつけることができる。
また、分極処理を行う際に必要な電荷量Ｑについては特に限定されるものではないが、コロナ放電またはグロー放電により、正帯電した電荷が電気機械変換素子に１．０×１０^−８Ｃ以上の電荷量が蓄積されることが好ましく、４．０×１０^−８Ｃ以上の電荷量が蓄積されることがさらに好ましい。係る範囲の電荷量を電気機械変換素子に蓄積させることにより、より確実に所望の分極率を有するように分極処理を行うことができる。

ここで、分極処理の状態については、Ｐ−Ｅヒステリシスループから判断している。図１５（ａ）は、分極処理前のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフであり、図１５（ｂ）は、分極処理後のＰ−Ｅヒステリシスループを示すグラフである。
図１５に示すように±１５０ｋＶ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定し、最初の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｉ、＋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、Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値を分極率として定義し、この分極率から分極状態の良し悪しを判断している。ここで分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉが１０μＣ／ｃｍ^２以下となっていることが好ましく、５μＣ／ｃｍ^２以下となっていることがさらに好ましい。この値に満たない場合は、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は充分な特性が得られないことがある。

所望の分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉを得るためには、図１２、図１３に示すようなコロナ、グリッド電極電圧やサンプルステージとコロナ、グリッド電極間距離等を調整することにより、達成が可能である。ところが、所望の分極率を得ようとした場合には、電気機械変換膜に対して高い電界を発生させる必要がある。

しかしながら、図５に示すような個別電極間の電流や共通電極と個別電極間の電流を測定したときに、リーク電流量が大きいと分極処理が進まないことが分かった。これは、コロナ放電での分極処理メカニズムから考えると、パッド部を介して圧電素子に蓄積されるはずの電荷が、個別電極間または、個別−共通電極間でリークパスが生じた場合においては、圧電素子には全く電荷が蓄積されない。このため分極処理が進まないことになる。個別電極間または、個別−共通電極間でのリーク電流量としては、５０Ｖでの電圧を印加したときに、１．０×１０^−８Ａ以下になっていることが好ましく、さらに好ましくは８．０×１０^−１０Ａ以下である。
これよりも高いリーク量の場合は、分極処理が進まないため、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は充分な特性が得られない。

以下に、本発明の電気機械変換素子の各構成の材料、工法について具体的に説明する。
（基板４０１）
基板４０１として、シリコン単結晶基板を用いることが好ましく、通常１００〜６００μｍ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に示すような圧力室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。このため、面方位（１１０）では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おり本構成としては（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ということが挙げられるため、この辺りも留意して利用している。

（成膜振動板４０２）
図１に示すように電気機械変換膜によって発生した力を受けて、下地（成膜振動板４０２）が変形変位して、圧力室のインク滴を吐出させる。そのため、下地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。
成膜振動板４０２の材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。さらに第１の電極４０３、電気機械変換膜４０４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、電気機械変換膜としては、一般的に材料としてＰＺＴが使用されることから線膨張係数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。

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、これらをスパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−ｇｅｌ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０．１〜１０μｍが好ましく、０．５〜３μｍがさらに好ましい。この範囲より小さいと図１に示すような圧力室の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地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。

（第１の電極４０３、第６の電極４１３）
第１の電極４０３、第６の電極４１３としては、金属もしくは金属電極膜と、酸化物電極膜とを有することが好ましい。ここでどちらも振動板と金属または金属電極膜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、酸化物電極膜の詳細について記載する。

・密着層
Ｔｉをスパッタ成膜後、ＲＴＡ（rapid thermal annealing）装置を用いて、６５０〜８００℃、１〜３０分、Ｏ_２雰囲気でチタン膜を熱酸化して、チタン膜を酸化チタン膜にする。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ＴｉＯ_２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等の材料でも好ましい。

密着層の膜厚としては、１０ｎｍ〜５０ｎｍが好ましく、１５ｎｍ〜３０ｎｍがさらに好ましい。この範囲未満の場合においては、密着性に懸念がある。また、この範囲を超えると密着層の上で作製する電極膜の結晶の質に影響が出てくる。

・金属電極膜
金属電極膜の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、鉛に対しては充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、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、８０〜２００ｎｍが好ましく、１００〜１５０ｎｍが好ましい。この範囲より薄い場合においては、共通電極として充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。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、上記範囲より厚い場合、白金を材料とした場合においては、膜厚を厚くしてい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、インク吐出に充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
酸化物電極膜については、その上に作製する電気機械変換膜に対してのシード層としての結晶成長に大きく影響する。例えば、電気機械変換膜としてＰＺＴを用いた場合においては、ＰＺＴの結晶配向の状態は、酸化物電極膜種によっても大きく変わる。具体的な一例を挙げると、ＰＺＴ（１１１）配向を狙う場合においては、ＳｒＲｕＯ_３材料等が好ましく、ＰＺＴ（１００）配向を狙う場合においてはＬａＮｉＯ_３材料等が好ましい。さらに、熱酸化させたＴｉＯｘシードは膜厚範囲によってＰＺＴ（１００）やＰＺＴ（１１１）を任意に調整することができる。ただし、酸化物電極膜に関してはこれら材料に限ったわけではない。ＰＺＴ（１１１）、ＰＺＴ（１００）どちらに優先配向させた場合においても、最終的には分極処理を行うことで、図１５に示すような安定した状態に維持することができるが、処理に要する時間としては、ＰＺＴ（１１１）優先配向させた方がプロセスタクトでは有利になる。

ここではＰＺＴ（１１１）に優先配向させるために、ＳｒＲｕＯ_３材料を選定して、その詳細な作製方法について記載していく。ＳｒＲｕＯ_３については、左記以外にも、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。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成膜条件については、室温成膜でその後、ＲＴＡ処理にて結晶化温度（６５０℃）で熱酸化している。この場合、ＳＲＯ膜としては、充分結晶化され、電極としての比抵抗としても充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２０に、２θ＝３２°に固定し、Ｐｓｉを振ったときのデータを示す。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。このことから、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た。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。

詳細を後述するが、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充分である。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２ｎｍ以下になる。粗さについてはＡＦＭ（Atomic Force Microscope）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充分でなく、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充分な特性が得られない。表面粗さとしては、４ｎｍ〜１５ｎｍになっていることが好ましく、６ｎｍ〜１０ｎｍ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。従って、上述した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℃の範囲である。

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、電極として充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、４０ｎｍ〜１５０ｎｍが好ましく、５０ｎｍ〜８０ｎｍ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充分な特性が得られない点や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^−３Ω・ｃｍ以下になっていることが好ましく、さらに１×１０^−３Ω・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共通電極として、第５の電極４１０との界面で接触抵抗が充分得られず、共通電極として充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。

（電気機械変換膜４０４）
電気機械変換膜４０４の材料としては、ＰＺＴを主に使用した。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ_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（Ｚｒ_０．５３，Ｔｉ_０．４７）Ｏ_３、一般に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、ＳｒＢ＝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（Ｐｂ_１−ｘ，Ｂａ_ｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、（Ｐｂ_１−ｘ，Ｓｒ_ｘ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３、等があり、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。

作製方法としては、スパッタ法もしくは、Ｓｏｌ−ｇｅｌ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Ｓｏｌ−ｇｅｌ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、添加しても良い。
下地基板全面に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１００ｎｍ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。

電気機械変換膜の膜厚としては０．５〜５μｍが好ましく、さらに好ましくは１μｍ〜２μｍとなる。この範囲より小さいと充分な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薄層を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、電気機械変換膜の絶縁抵抗が５．０×１０^１０Ω以上であることが好ましい。

また比誘電率としては６００以上２０００以下になっていることが好ましく、さらに１２００以上１６００以下になっていることが好ましい。このとき、この値に満たないときには充分な変位特性が得られなかったり、この値より大きくなると、分極処理が充分行われず、連続駆動後の変位劣化については充分な特性が得られなかったりするといった不具合が発生する。

（第２の電極４０９）
第２の電極４０９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、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等については第１の電極４０３で使用した酸化物電極膜で記載したものと同じものを用いることができ、ＳＲＯ膜の膜厚としては、２０ｎｍ〜８０ｎｍが好ましく、４０ｎｍ〜６０ｎｍ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変位劣化特性については充分な特性が得られない。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。

・金属電極膜
金属電極膜の材料等については第１の電極４０３で使用した金属電極膜で記載したものと同じものを用いることができ、膜厚としては３０〜２００ｎｍが好ましく、５０〜１２０ｎｍがさらに好ましい。この範囲より薄い場合においては、個別電極として充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。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コストアップとなることや、白金を材料とした場合に膜厚を厚くしていったときに表面粗さが大きくなり、絶縁保護膜を介して第６の電極４１３を作製する際に膜剥がれ等のプロセス不具合が発生し易くなる。

（第１の絶縁保護膜４０６）
第１の絶縁保護膜４０６の材料としては、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、緻密な無機材料とすることが好ましい。有機材料では充分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるため好ましくない。第１の絶縁保護膜４０６を厚い膜とした場合、振動板の振動変位を著しく阻害してしまうため、吐出性能の低いインクジェットヘッドなってしまう。

薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いることが好ましいが、第１の絶縁保護膜４０６の下地となる電極材料、圧電体材料、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、成膜法も圧電素子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。好ましい成膜方法としては、蒸着法、ＡＬＤ法（Atomic Layer Deposition）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。第１の絶縁保護膜４０６の好ましい材料としては、Ａｌ_２Ｏ_３，ＺｒＯ_２，Ｙ_２Ｏ_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できる。

第１の絶縁保護膜４０６の膜厚は、圧電素子の保護性能を確保できる充分な薄膜とする必要があると同時に、振動板の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。好ましい第１の絶縁保護膜４０６の膜厚は２０ｎｍ〜１００ｎｍの範囲である。１００ｎｍより厚い場合は、振動板の変位が低下するため、吐出効率の低いインクジェットヘッドとなる。一方、２０ｎｍより薄い場合は圧電素子の保護層としての機能が不足してしまうため、圧電素子の性能が前述の通り低下してしまう。

また第１の絶縁保護膜４０６を２層にする構成も考えられる。この場合は、２層目の絶縁保護膜を厚くするため、振動板の振動変位を著しく阻害しないように第２の電極部付近において２層目の絶縁保護膜を開口するような構成も挙げられる。このとき２層目の絶縁保護膜としては、任意の酸化物、窒化物、炭化物またはこれらの複合化合物を用いることができるが、半導体デバイスで一般的に用いられるＳｉＯ_２を用いることができる。成膜は任意の手法を用いることができ、ＣＶＤ法、スパッタリング法が例示でき、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。２層目の絶縁保護膜の膜厚は下部電極と個別電極配線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。すなわち絶縁保護膜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、絶縁保護膜の下地の表面性やピンホール等を考慮すると膜厚は２００ｎｍ以上必要であり、さらに好ましくは５００ｎｍ以上である。

（第３の電極４０７、第４の電極４０８、第５の電極４１０）
第３の電極４０７、第４の電極４０８、第５の電極４１０の材料としては、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。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、０．１〜２０μｍが好ましく、０．２〜１０μｍ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充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り、この範囲より大きいとプロセス時間が長くなる。また、共通電極、個別電極としてコンタクトホール部（例えば、１０μｍ×１０μｍ）での接触抵抗として、共通電極としては１０Ω以下、個別電極としては１Ω以下が好ましく、さらに好ましくは、共通電極としては５Ω以下、個別電極としては０．５Ω以下である。この範囲を超えると充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。

（第２の絶縁保護膜４０９）
第２の絶縁保護膜４０９としての機能は個別電極配線や共通電極配線の保護層の機能を有するパシベーション層である。図５に示す通り、個別電極引き出し部（個別電極用パッド４１１上）と共通電極引き出し部（共通電極用パッド４１２上）の箇所を除き、個別電極と共通電極上を被覆する。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インクジェットヘッドとすることができる。

第２の絶縁保護膜４０９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、後述の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２００ｎｍ以上とすることが好ましく、さらに好ましくは５００ｎｍ以上である。膜厚が薄い場合は充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、圧電素子上とその周囲の振動板上に薄膜部（不図示）をもつ構造が好ましい。例えば図８（ａ）において、電気機械変換膜４０４（第２の電極４０５）上であり、且つ、第４の電極４０８が配置された領域上を除く位置において、第２の絶縁保護膜４０９が他の部分と比較して薄く形成されていることが好ましい。これは、前述の第１の絶縁保護膜４０６の個別液室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インクジェットヘッドとすることが可能になる。

開口部分の形成には、フォトリソグラフィ法とドライエッチングを用いることが、絶縁膜で圧電素子が保護されているため可能である。またパッド部の面積については、５０×５０μｍ^２以上になっていることが好ましく、さらに１００×３００μｍ^２以上になっていることが好ましい。この値に満たない場合は、充分な分極処理ができなくなり、連続駆動後の変位劣化については充分な特性が得られないといった不具合が発生する。

次に、本発明に係るインクジェットヘッド（液滴吐出ヘッド）及びインクジェット記録装置（液滴吐出装置）について説明する。

図１に１ノズルの液滴吐出ヘッドの構成例を示す。図１では液滴を吐出するノズル１０２と、ノズル１０２が連通する加圧室１０１と、加圧室１０１内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドが示されている。前記吐出駆動手段は、加圧室１０１の壁の一部を構成する振動板（下地１０５）を有し、前記振動板に本発明に係る電気機械変換素子が配置されている。

また図１７にこれらを複数個配置したもの（液滴吐出ヘッドの他の構成例）を示す。本発明によれば、図中の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できる。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略した。

次に、本発明に係る液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置の一例について図１８及び図１９を参照して説明する。なお、図１８は本発明に係る液滴吐出装置の斜視説明図、図１９は本発明に係る液滴吐出装置の機構部の側面説明図である。

このインクジェット記録装置は、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、キャリッジに搭載した本発明を実施したインクジェットヘッドからなる記録ヘッド、記録ヘッドへ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等を収納し、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（或いは給紙トレイでもよい。）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、給紙カセット８４或いは手差しトレイ８５から給送される用紙８３を取り込み、印字機構部８２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８６に排紙する。

印字機構部８２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を主走査方向に摺動自在に保持し、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ヘッドからなるヘッド９４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を交換可能に装着している。

インクカートリッジ９５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ヘッドへ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を有しており、多孔質体の毛管力によりインクジェット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、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個のヘッドでもよい。

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、このキャリッジ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を張装し、このタイミングベルト１００をキャリッジ９３に固定しており、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。

一方、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と、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とを設けている。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。

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を設けている。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を設け、さらに用紙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とを配設している。

記録時には、キャリッジ９３を移動させ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を行う。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を排紙する。

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を配置している。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。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（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。

本発明の液滴吐出装置においては、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、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。

以下、本発明の実施例を説明する。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。

＜実施例１＞
６インチシリコンウェハに熱酸化膜（膜厚１μｍ）を形成し、第１の電極４０３の密着層として、チタン膜（膜厚３０ｎｍ）を成膜温度３５０℃でスパッタ装置にて成膜した後にＲＴＡを用いて７５０℃にて熱酸化する。引き続き、金属電極膜として白金膜（膜厚１００ｎｍ）を成膜温度５５０℃でスパッタ装置にて成膜し、酸化物電極膜としてＳｒＲｕＯ膜（膜厚５０ｎｍ）をスパッタ成膜した。ＳｒＲｕＯスパッタ成膜時の基板加熱温度については４５０℃にて成膜し、その後ポストアニール処理（５５０℃）としてＲＴＡを用いて実施した。次に電気機械変換膜４０４としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１５：５３：４７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。
ここでスパッタ装置としては、１チャンバーに対して複数のターゲットが備え付けられたものを用いて成膜を実施した。

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、イソ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、脱水した。化学量論組成に対し鉛量を過剰にしてある。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。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℃乾燥の後に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２４０ｎｍであった。この工程を計８回（２４層）実施し、約２μｍのＰＺＴ膜厚を得た。

次に第２の電極４０５の酸化物電極膜として、ＳｒＲｕＯ膜（膜厚４０ｎｍ）、金属電極膜としてＰｔ膜（膜厚１２５ｎｍ）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（サムコ製）を用いてパターンを作製した。次に第１の絶縁保護膜４０６として、ＡＬＤ工法を用いてＡｌ_２Ｏ_３膜を５０ｎｍ成膜した。このとき原材料としてＡｌについては、ＴＭＡ（トリメチルアルミニウム、シグマアルドリッチ社）、Ｏについてはオゾンジェネレーターによって発生させたＯ_３を交互に積層させることで、成膜を進めた。その後、エッチングによりコンタクトホール部を形成する。その後、第３の電極４０７、第４の電極４０８、第５の電極４１０としてＡｌをスパッタ成膜し、エッチングによりパターニング形成し、第２の絶縁保護膜４０９としてＳｉ_３Ｎ_４をプラズマＣＶＤにより５００ｎｍ成膜し、電気機械変換素子を作製した。
構造体としては、図８に示すものを作製した。

この後、図１２に示される分極処理装置を用いて、コロナ帯電処理により分極処理を行った。コロナ帯電処理にはφ５０μｍのタングステンのワイヤーを用いている。分極処理条件としては、処理温度８０℃、コロナ電圧９ｋＶ、グリッド電圧２．５ｋＶ、処理時間３０ｓ、コロナ電極−グリッド電極間距離４ｍｍ、グリッド電極−ステージ間距離４ｍｍにて行った。

図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、２５μｍ、２５μｍ、１５μｍにて作製した。なお、個別電極用パッド４１１は図８に示すように複数作製し、個別電極用パッド４１１の全てが第５の電極４１０で囲われていた。また、各個別電極用パッド４１１において、第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、全て上記の値とした。

＜実施例２＞
図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、１５μｍ、２０μｍ、１０μｍにて作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜実施例３＞
図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、５０μｍ、２０μｍ、１０μｍにて作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜実施例４＞
図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、５μｍ、２０μｍ、１０μｍにて作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜実施例５＞
図１０に示す構造体を作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜実施例６＞
図１１に示す構造体を作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。なお、第６の電極４１３の作製は、第１の電極の作製方法と同様にして行った。

＜比較例１＞
図５に示す構造体を作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜参考例１＞
図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、６０μｍ、１０μｍ、５μｍにて作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

＜参考例２＞
図９に示すような第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅、第５の電極４１０の開口幅については、３μｍ、１０μｍ、５μｍにて作製した以外は、実施例１と同様に電気機械変換素子を作製した。

実施例１〜６、比較例１及び参考例１〜２で作製した電気機械変換素子について、分極処理工程後において、全ての電極パッドのＢｉｔに関して、放電痕等の外観不良があるかを確認した。さらに作製した電気機械変換素子を用いて電気特性、電気機械変換能（圧電定数）の評価を行った。代表的なＰ−Ｅヒステリシス曲線は図１６に示す。電気機械変換能は印加電界（１５０ｋＶ／ｃｍ）による変形量をレーザードップラー振動計で計測し、シミュレーションによる合わせ込みから算出した。初期特性を評価した後に、耐久性（１０^１０回繰り返し印加電圧を加えた直後の特性）評価を実施した。これらの詳細結果について表１にまとめた。

実施例１〜６については初期特性、耐久性試験後の結果についても一般的なセラミック焼結体と同等の特性を有していた（圧電定数は−１２０〜−１６０ｐｍ／Ｖ）。
一方、比較例１、参考例１については、分極処理後に放電痕が発生しそれ以降の電気特性等の評価ができなかった。参考例２については、分極率が高く、耐久性試験後の結果においても圧電定数において大きく劣化していることが確認された。
なお、参考例１および２は、第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅および第５の電極４１０の開口幅という複数の構成のいずれもが好ましい範囲から外れていることから本発明の効果を奏しないものである。但し本発明は、第５の電極４１０と個別電極用パッド４１１との距離、第５の電極４１０幅および第５の電極４１０の開口幅という複数の構成のいずれもが好ましい範囲内であることを必ずしも要するものではなく、これらに代えて他の構成を適宜調整することで所期の効果を奏するものとすることもできる。

次に、実施例１〜６で作製した電気機械変換素子を用いて、図１７の液滴吐出ヘッドを作製し液の吐出評価を行った。粘度を５ｃｐに調整したインクを用いて、単純Ｐｕｓｈ波形により−１０〜−３０Ｖの印加電圧を加えたときの吐出状況を確認したところ、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。
また、実施例１〜６で作製した液滴吐出ヘッドを搭載した液滴吐出装置では、振動板駆動不良によるインク滴吐出不良がなく、安定したインク滴吐出特性が得られ、画像品質が向上した。

（図１及び図１７について）
１０１加圧室
１０２ノズル
１０３ノズル板
１０４加圧室基板（Ｓｉ基板）
１０５下地
１０６下部電極
１０７電気機械変換膜
１０８上部電極
１０９電気機械変換素子（圧電体）
（図２について）
２０ドメイン
２１分極の方向
（図４、図５及び図７〜図１１について）
４０１基板
４０２成膜振動板
４０３第１の電極
４０４電気機械変換膜
４０５第２の電極
４０６第１の絶縁保護膜
４０７第３の電極
４０８第４の電極
４０９第２の絶縁保護膜
４１０第５の電極
４１１個別電極用パッド
４１２共通電極用パッド
４１３第６の電極
４１４ａ第５の電極上の開口部
４１４ｂ個別電極用パッド上の開口部

特許第３３６５４８５号公報特許第４２１８３０９号公報特許第３０１９８４５号公報特開２００４−２０２８４９号公報特開２０１０−３４１５４号公報特開２００６−２０３１９０号公報

Claims

基板と、
該基板上に形成された共通電極である第１の電極と、
該第１の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極上に設けられ、コンタクトホールを有する第１の絶縁保護膜と、
前記第１の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第３の電極と、
前記第２の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第４の電極と、
前記第３の電極上に形成された共通電極用パッドと、前記第４の電極上に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、を有する第２の絶縁保護膜と、
前記個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように形成された第５の電極と、を備え、
前記第５の電極は、前記第１の絶縁保護膜上に形成され、前記コンタクトホールを介して前記第１の電極と導通していることを特徴とする電気機械変換素子。
基板と、
該基板上に形成された共通電極である第１の電極と、
該第１の電極上に形成された電気機械変換膜と、
該電気機械変換膜上に形成された個別電極である第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極上に設けられ、コンタクトホールを有する第１の絶縁保護膜と、
前記第１の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第３の電極と、
前記第２の電極と前記コンタクトホールを介して導通がとれるように形成された第４の電極と、
前記第３の電極上に形成された共通電極用パッドと、前記第４の電極上に形成され、所定の列内に複数配置された個別電極用パッドと、を有する第２の絶縁保護膜と、
前記個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように形成された第５の電極と、
該第５の電極と前記コンタクトホールを介して導通する第６の電極と、を備え、
前記第５の電極は、前記第１の絶縁保護膜上に形成され、
前記第６の電極は、前記基板上に前記第１の電極とは別に独立して形成されていることを特徴とする電気機械変換素子。
前記第５の電極上に前記第２の絶縁保護膜が形成され、
前記個別電極用パッドのそれぞれの近傍を囲うように前記第２の絶縁保護膜が開口されてい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素子。
前記第５の電極が前記個別電極用パッドのそれぞれの一部分を除いて前記個別電極用パッド近傍を囲う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素子。
前記第５の電極上にある前記第２の絶縁保護膜が前記個別電極用パッドのそれぞれの一部分を除いて前記個別電極用パッド近傍を囲うように開口してい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素子。
前記第５の電極が前記第３の電極と導通してい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素子。
前記第２の絶縁保護膜は、前記共通電極用パッド及び前記個別電極用パッドを露出する開口部が設けられてい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素子。
コロナ放電またはグロー放電により、正帯電した電荷を、電荷量が１．０×１０^−８Ｃ以上になるように発生させ、請求項１から７のいずれかに記載の電気機械変換素子の前記第１の電極及び前記第２の電極を介して前記電気機械変換膜の分極処理を行う分極工程を有することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
液滴を吐出するノズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
前記吐出駆動手段は、前記加圧室の壁の一部を構成する振動板を有し、
該振動板に請求項１〜７のいずれかに記載の電気機械変換素子が配置されていることを特徴とする液滴吐出ヘッド。
請求項９に記載の液滴吐出ヘッドを備えることを特徴とする液滴吐出装置。