JP5157157B2

JP5157157B2 - アクチュエータ装置及びその製造方法並びにその駆動方法、液体噴射ヘッド

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Publication number: JP5157157B2
Application number: JP2006345417A
Authority: JP
Inventors: 浩二角; 本規 ▲高▼部; 直人横山; 浩一両角
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2006-12-22
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2026-12-22
Also published as: JP2008159735A

Description

本発明は、基板上に設けられた圧電素子を具備するアクチュエータ装置及びその製造方法並びにその駆動方法、液体噴射ヘッドに関する。

アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した誘電材料からなる圧電体層を、下電極と上電極との２つの電極で挟んで構成されたものがある。このようなアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。なお、液体噴射ヘッドの代表例としては、例えば、インク滴を吐出するノズル開口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開口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等がある。また、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置としては、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圧力発生室毎に独立するように圧電素子を形成したものがある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２７３６６号公報（第４〜７頁、第１〜４図）

しかしながら、圧電体層を構成する圧電材料は、駆動中に分極の回転伸縮を繰り返すため、時間の経過と共にその分極方向が一部固定される、いわゆる疲労現象が発生し、歪み及び変位が減少してしまうという問題がある。

なお、このような問題はインクを吐出するインクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけではなく、インク以外の液体を噴射する液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置や、液体噴射ヘッド以外に搭載されるアクチュエータ装置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、変位低下を防止して耐久性を向上することができるアクチュエータ装置及びその製造方法並びにその駆動方法及び液体噴射ヘッドを提供することを目的とする。

本発明の態様は、基板上に変位可能に設けられて、分極構造を有する酸化物からなる圧電材料で形成された圧電体層と、該圧電体層を挟んで設けられた一対の電極とを具備する圧電素子を具備し、前記圧電体層の一方の電極に隣接する領域に、他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層が設けられていることを特徴とするアクチュエータ装置にある。
かかる態様では、酸素欠損層が設けられることによって、この酸素欠損層に電子が注入されて電荷が蓄積されることによってバイアスがかかり、一対の電極に印加される電圧に加えて酸素欠損層に蓄積された分だけ実質的に電圧を上昇させることができる。このため、分極の回転伸縮を繰り返し行って時間の経過と共にその分極方向が一部固定される、いわゆる疲労現象が発生したとしても、変位低下が発生するのを防止して、耐久性を向上することができる。

ここで、前記酸素欠損層の酸素量が、他の領域よりも０％より多く２０％以下欠損していることが好ましい。これによれば、酸素欠損層の酸素量を規定することで、酸素欠損層の圧電特性を維持した状態で、電子が注入される機能を有することができる。

また、前記酸素欠損層が、前記圧電体層の１μｍの厚さに対して５〜１００ｎｍの厚さで設けられていることが好ましい。これによれば、酸素欠損層に十分な電荷を蓄積することができると共に、圧電体層全体の変位特性に悪影響を与えて、変位低下が発生するのを防止することができる。

さらに、本発明の他の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる液体噴射手段として上記態様のアクチュエータ装置とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
かかる態様では、繰り返し駆動による変位低下を防止して耐久性を向上し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、上記態様のアクチュエータ装置を駆動する駆動波形として、前記酸素欠損層に隣接する一方の電極に印加する電位が他方の電極に印加する電位に対して相対的に負極性で且つこの電位差と印加時間とで規定される充電要素と、前記酸素欠損層に隣接する一方の電極に印加する電位が他方の電極に印加する電位に対して相対的に正極性で且つこの電位差と印加時間とで規定される放電要素とを具備すると共に前記充電要素が前記放電要素よりも大きい駆動波形を用いることを特徴とするアクチュエータ装置の駆動方法にある。
かかる態様では、酸素欠損層に十分に電荷が蓄積した状態とすることができ、駆動時のバイアスを確実にかけることができる。

また、本発明の他の態様は、基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体前駆体膜を塗布し、該圧電体前駆体膜を焼成することで圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回繰り返し行って複数層の前記圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に前記上電極を形成する工程とを具備し、前記圧電体膜形成工程では、前記下電極側又は前記上電極側に隣接する前記圧電体膜を形成する際に、前記圧電体前駆体膜を窒素雰囲気下で焼成することで他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層を形成することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法にある。
かかる態様では、酸素欠損層を容易に且つ高精度な厚さで形成することができる。

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、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図であり、図３は、図２の要部拡大断面図である。

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、その一方の面には予め熱酸化によって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、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２がその幅方向（短手方向）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）となるリザーバ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の長手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、リザーバ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（短手方向）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、圧力発生室１２の短手方向の断面積より小さい断面積を有するインク供給路１４と、このインク供給路１４に連通すると共にインク供給路１４の短手方向の断面積よりも大きい断面積を有する連通路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、厚さが例えば、０．０１〜１ｍｍで、線膨張係数が３００℃以下で、例えば２．５〜４．５［×１０^-6／℃］である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、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．１μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜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、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜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、下電極膜６０を圧電素子３００の共通電極とし、上電極膜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及び下電極膜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、下電極膜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、下電極膜６０上に形成される分極構造を有する酸化物の圧電材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜である。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（ＰｂＴｉＯ_３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、ジルコニウム酸鉛（ＰｂＺｒＯ_３）、チタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ），ＴｉＯ_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。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１〜２μｍ前後の厚さで形成した。

また、圧電体層７０の上電極膜８０側には、他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層７１が設けられている。すなわち、圧電体層７０は、圧電体層本体７２と、圧電体層本体７２よりも酸素が欠損した酸素欠損層７１とで構成されている。

このような酸素欠損層７１は、圧電体層７０としてＰＺＴを用いた場合には、Ｐｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ_{３（１−ｘ）}であり、０＜ｘ≦０．２であるのが好ましい。すなわち、酸素欠損層７１は、その酸素量が、他の領域（圧電体層本体７２）よりも０％より多く２０％以下欠損しているのが好ましい。ちなみに、酸素欠損層７１の酸素量が他の領域よりも２０％より大きく欠損していると、酸素欠損層７１が圧電体層７０としての圧電特性がなくなり、圧電体層７０の一部を構成しなくなってしまう。

また、酸素欠損層７１は、圧電体層７０の厚さ１μｍ当たり５〜１００ｎｍの厚さであるのが好ましい。本実施形態では、圧電体層７０の厚さが１〜２μｍであるため、酸素欠損層７１の厚さは５〜２００ｎｍが好適である。ちなみに、酸素欠損層７１の厚さが５ｎｍより薄いと、詳しくは後述するが、酸素欠損層７１に十分な電荷が蓄積されず、バイアスをかけることができない。また、酸素欠損層７１の厚さが１００ｎｍより厚いと、酸素欠損層７１は圧電特性を有するものの、圧電体層７０全体の変位特性に悪影響を与え、変位低下が発生する虞がある。

このような酸素欠損層７１は、柱状結晶である圧電体層７０の結晶構造とは異なる構造のものである。

このように圧電体層７０の電極側、本実施形態では、上電極膜８０側に酸素欠損層７１を設けることによって、圧電素子３００の下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加して圧電素子３００を駆動した際に、酸素欠損層７１に電荷が蓄積される。そして、酸素欠損層７１に蓄積された電荷はすぐに逃げないため、下電極膜６０及び上電極膜８０の間に電圧を印加すると、この下電極膜６０及び上電極膜８０に印加された入力電圧に酸素欠損層７１に蓄積された電荷により生ずる電位差が加えられて印加され、圧電体層７０に印加される電圧は実質的に上昇する。このため、下電極膜６０及び上電極膜８０に印加される入力電圧が酸素欠損層７１が設けられていない圧電素子と同じであっても、酸素欠損層７１が設けられていない圧電素子に比べて、酸素欠損層７１が設けられた圧電体層７０に印加される電圧は実質的に上昇し、圧電体層７０に大きな変位を行わせることができる。したがって、圧電体層７０の変位を繰り返すことによって、圧電体層７０の分極が固定が進んだとしても、分極の固定に伴う変位低下を印加電圧の上昇によって防止することができる。すなわち、圧電体層７０の分極の固定が進行したとしても、分極が固定されていない領域を上昇した印加電圧で駆動できるため、酸素欠損層７１が設けられていない圧電素子と同じ変位を行わせることができる。これにより、圧電素子３００の変位低下を防止して耐久性を向上することができ、経時変化のない印刷物を印刷することができると共に、印刷物の品質を維持することができる。

なお、酸素欠損層７１に電荷を蓄積させるには、負極性の電位を印加する必要があり、このように酸素欠損層７１に負極性の電位を印加するには、酸素欠損層７１が圧電素子３００の一方の電極、本実施形態では上電極膜８０に接して設けられ、且つ酸素欠損層７１側の一方の電極（上電極膜８０）に他方の電極（本実施形態では下電極膜６０）に対して相対的に負極性の電位が印加される駆動波形を用いる必要がある。駆動波形については詳しくは後述する。

さらに、圧電素子３００の個別電極である各上電極膜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、下電極膜６０、弾性膜５０及びリード電極９０上には、リザーバ１００の少なくとも一部を構成するリザーバ部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等の導電性ワイヤからなる接続配線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によってリザーバ部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のリザーバ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下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、下電極膜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。

なお、本実施形態では、圧電体層７０の電極側（本実施形態では、上電極膜８０側）に酸素欠損層７１を設けることによって、圧電素子３００の下電極膜６０と上電極膜８０との間に電圧を印加して圧電素子３００を駆動した際に、酸素欠損層７１に電荷が蓄積される。酸素欠損層７１に電荷を蓄積するには、負極性の電位を印加する必要があり、このように酸素欠損層７１に負極性の電荷を印加するには、酸素欠損層７１が圧電素子３００の一方の電極、本実施形態では上電極膜８０に接して設けられ、且つ酸素欠損層７１側の一方の電極（上電極膜８０）に他方の電極（本実施形態では下電極膜６０）に対して相対的に負極性の電位が印加される駆動波形を用いる必要がある。

ここで、圧電素子３００に印加する駆動電圧パルスの違いによる変位低下率を測定した。なお、図４は、駆動電圧パルスを示す波形図である。

図４（ａ）に示すように、駆動電圧パルス２００は、下電極膜６０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、上電極膜８０に印加される。駆動電圧パルス２００は、駆動電位Ｖを下電極膜６０に印加する基準電位よりも低く且つ正極性（＋）の第１電位Ｖ１から、この第１電位Ｖ１よりも高い第２電位Ｖ２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４００と、第２電位Ｖ２を所定の期間保持する第１の保持工程４０１と、駆動電位Ｖを第２電位Ｖ２から第１電位Ｖ１よりも低く、且つ基準電位よりも低く、負極性（−）の第３電位Ｖ３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４０２と、第３電位Ｖ３を所定の期間保持する第２の保持工程４０３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ３から第１電位まで上昇させる工程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、収縮工程４００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、膨張工程４０２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して、ノズル開口２１のメニスカスが圧力発生室１２側に急激に引き込まれることで、ノズル開口２１から押し出されていたインクが千切れ、ノズル開口２１から吐出されたインクがインク滴となって飛翔する。すなわち、この駆動電圧パルス２００は、いわゆる引き打ち式のものである。

これに対して、図４（ｂ）に示すように、駆動電圧パルス２０１は、下電極膜６０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、上電極膜８０に印加されるものである。駆動電圧パルス２０１は、駆動電位Ｖを基準電位よりも低い（相対的に負極性となる）第１電位Ｖ１１から、この第１電位Ｖ１１よりも低い第２電位Ｖ１２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４１０と、第２電位Ｖ１２を所定の期間保持する第１の保持工程４１１と、駆動電位Ｖを第１電位Ｖ１２から基準電位よりも高く、且つ正極性（＋）の第３電位Ｖ１３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４１２と、第３電位Ｖ１３を所定の期間保持する第２の保持工程４１３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ１３から第１電位Ｖ１１まで戻す工程４１４とで構成されている。そして、このような駆動電圧パルス２０１が圧電素子３００に出力されると、膨張工程４１０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して、ノズル開口２１内のメニスカスが圧力発生室１２側に引き込まれる。次いで、収縮工程４１２で、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することにより、ノズル開口２１内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２０１は、いわゆる押し打ち式のものである。

ここで、圧電体層７０を詳しくは後述するゾル−ゲル法で形成する際に、ゾルの鉛（Ｐｂ）量を変更して形成した３種類の圧電素子３００のサンプルを用意した。３種類のサンプルは、鉛の量が異なるものを用意した。具体的には、各サンプルのジルコニウムとチタンとの比率は同一（Ｚｒ／Ｔｉ＝５５．５／４４．５）で、それぞれのゾルの鉛量を、Ｐｂ＝１．１４、１．２１、１．２８、とし、鉛（Ｐｂ）の焼成温度を７００℃とした。

そして、３種類のサンプルに駆動電圧パルス２００及び２０１を５０ｋＨｚで１３分２０秒（０．４億ショット）加えて耐久試験を行った。その後の、各サンプルについて、図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示す変位測定パルスを加えて圧電素子３００の変位量を測定した。すなわち、各サンプルについて、２つの駆動電圧パルス２００及び２０１と、２つの変位測定パルスを組み合わせて、合計４種類の試験を行った。なお、図４（ｃ）に示す変位測定パルスは、酸素欠損層７１に隣接する一方の電極に他方の電極よりも負極性となる電位から、正極性となる電位を比較的長く（２００μｓｅｃ）印加したものである。また、図４（ｄ）に示す変位測定パルスは、酸素欠損層７１に隣接する一方の電極に他方の電極よりも正極性となる電位から、負極性となる電位を比較的長く（２００μｓｅｃ）印加したものである。

さらに、サンプルに駆動電圧パルスを加えた後、１日放置してから図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示す変位測定パルスを加えて圧電素子３００の変位量を測定した。これらの結果を下記表１に示す。

表１に示すように、圧電体層７０を形成する際の鉛（Ｐｂ）の量に関わらず、図４（ａ）に示す駆動電圧パルス２００を印加した後、図４（ｃ）に示す変位測定パルスを印加すると、変位低下率が高くなってしまう。

また、図４（ｂ）の駆動電圧パルス２０１を印加した後、図４（ｄ）に示す変位測定パルスを印加すると、変位低下率を低くすることができる。

なお、図４（ａ）に示す駆動電圧パルス２００を印加した後、図４（ｄ）に示す変位測定パルスを印加すると、図４（ｂ）及び図４（ｄ）の組み合わせに比べて変位低下率が低下する。

これらの結果から、圧電素子３００に印加する駆動電圧パルスは、図４（ｂ）に示すように、酸素欠損層７１に隣接する一方の電極（本実施形態では上電極膜８０）に他方の電極（下電極膜６０）に対して負極性となる電位を印加して、酸素欠損層７１に電子を注入して酸素欠損層７１を蓄積する充電要素Ａと、酸素欠損層７１に隣接する一方の電極（上電極膜８０）に他方の電極（下電極膜６０）に対して正極性となる電位を印加して酸素欠損層７１に注入された電子を酸素欠損層７１から放出させる放電要素Ｂとを具備し、充電要素Ａが放電要素Ｂよりも大きいことが好ましい。ここで、充電要素Ａ及び放電要素Ｂは、酸素欠損層７１に隣接する電極に印加される電位の他方の電極を基準とした大きさ（電圧）と、印加時間とによって表されるものである。すなわち、下電極膜６０に印加される電位（本実施形態では、０Ｖ）を基準として、駆動電圧パルス２０１の積分で表されるものである。

このように、充電要素Ａが放電要素Ｂよりも大きい駆動電圧パルス２０１を用いることで、充電要素Ａによって酸素欠損層７１に注入された電子が、放電要素Ｂによって完全に放出されることがなく、次の駆動電圧パルスで酸素欠損層７１に注入された電子によってバイアスをかけて、圧電素子３００に印加する電圧を実質的に上昇させることができる。

なお、酸素欠損層７１に隣接する一方の電極に印加する電位が、他方の電極に対して相対的に負極性とは、他方の電極の電位が正極性（＋）で、酸素欠損層７１に隣接する電極に他方の電極の電位（＋）よりも小さい正極性（＋）の電位を印加した場合も含むものである。このような場合であっても圧電素子３００の変位を向上することができる。

また、本実施形態では、圧電素子３００に図４（ｂ）に示す駆動電圧パルス２０１を印加した後、図４（ｄ）に示す変位測定パルスを印加した方が、変位低下率が増大するのを防止することができる。これは、図４（ｄ）に示す変位測定パルスも、図４（ｄ）の駆動電圧パルス２０１と同様に、充電要素が放電要素よりも大きいからだと考えられる。

なお、本実施形態では、駆動電圧パルス２０１を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、図５に示すような駆動電圧パルス２０２を用いるようにしてもよい。

ここで、駆動電圧パルス２０２は、充電要素Ａ′を放電要素Ｂ′よりも大きくしたいわゆる引き打ち式の波形図であり、駆動電圧パルス２０２は、下電極膜６０を基準電位（本実施形態では０Ｖ）として、上電極膜８０に印加されるものである。駆動電圧パルス２０２は、駆動電位Ｖを基準電位よりも低い（相対的に負極性となる）第１電位Ｖ２１から、基準電位よりも高く（相対的に正極性となり）且つ正極性（＋）となる電位Ｖ２２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４２０と、第２電位Ｖ２２を所定の期間保持する第１の保持工程４２１と、駆動電位Ｖを第１電位Ｖ２２から基準電位よりも低く、且つ負極性（−）の第３電位Ｖ２３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４２２と、第３電位Ｖ２３を所定の期間保持する第２の保持工程４２３と、駆動電位Ｖを第３電位Ｖ２３から第１電位Ｖ２１まで戻す工程４２４とで構成されている。

このような駆動電圧パルス２０２は、図４（ａ）に示す駆動電圧パルス２００と波形の形状としては同一のようになるが、下電極膜６０に印加する基準電位に対する相対的な電位が違うため、駆動電圧パルス２００に比べて充電要素Ａ′が放電要素Ｂ′よりも大きく、酸素欠損層７１に十分な電子の注入を行わせることができ、上述したようにバイアスをかけることができる。

以下、このようなインクジェット式記録ヘッドの製造方法について、図６〜図１１を参照して説明する。なお、図６〜図１１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製造方法を示す圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図６（ａ）に示すように、シリコンウェハである流路形成基板用ウェハ１１０を熱酸化し、その表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）からなる二酸化シリコン膜５１を形成する。

次いで、図６（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６（ｃ）に示すように、例えば、白金及びイリジウムからなる下電極膜６０を絶縁体膜５５の全面に亘って形成する。

次に、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成する。ここで、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を形成している。なお、圧電体層７０の製造方法は、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法等を用いてもよい。

圧電体層７０の具体的な形成手順としては、まず、図７（ａ）に示すように、下電極膜６０上にＰＺＴ前駆体膜である圧電体前駆体膜７３を成膜する。すなわち、下電極膜６０が形成された流路形成基板１０上に金属有機化合物を含むゾル（溶液）を塗布する（塗布工程）。次いで、この圧電体前駆体膜７３を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７３を１７０〜１８０℃で８〜３０分間保持することで乾燥することができる。

次に、乾燥した圧電体前駆体膜７３を所定温度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）。例えば、本実施形態では、圧電体前駆体膜７３を３００〜４００℃程度の温度に加熱して約１０〜３０分保持することで脱脂した。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜７３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。

次に、図７（ｂ）に示すように、圧電体前駆体膜７３を所定温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７４を形成する（焼成工程）。焼成工程では、圧電体前駆体膜７３を６８０〜９００℃の加熱を行って圧電体前駆体膜７３を焼成して圧電体膜７４を形成した。

なお、このような乾燥工程、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、ホットプレートや、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＰ（Rapid Thermal Processing）装置などを用いることができる。

そして、図７（ｃ）に示すように、下電極膜６０上に圧電体膜７４の１層目を形成した段階で、下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７４を同時にパターニングする。なお、下電極膜６０及び圧電体膜７４のパターニングは、例えば、イオンミリング等のドライエッチングにより行うことができる。

この下電極膜６０及び１層目の圧電体膜７４をパターニングした後、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複数回繰り返すことで、図８（ａ）に示すように複数層の圧電体膜７４を形成し、圧電体層本体７２を形成する。

次に、図８（ｂ）に示すように、圧電体層本体７２上に酸素欠損層７１を形成して圧電体層７０を形成する。本実施形態では、最上層の圧電体膜を形成する際に、圧電体前駆体膜７３を窒素（Ｎ_２）雰囲気下で焼成する。これにより、圧電体層７０の最上層に他の領域（圧電体層本体７２）よりも酸素が欠損した酸素欠損層７１を形成することができる。すなわち、圧電体膜を焼成により形成する際に、圧電体前駆体膜７３を酸素雰囲気下（酸素分圧１５〜１００％）で焼成すると、通常のＰＺＴからなる圧電体膜７４が形成されるが、圧電体前駆体膜７３を酸素を含まない窒素（Ｎ_２）雰囲気下（窒素１００％）で焼成すると、酸素が欠損したＰＺＴからなる酸素欠損層７１を形成することができる。ちなみに、酸素欠損層７１には、酸素が全く含有していない訳ではなく、圧電体前駆体膜７３を焼成する際に、下地となる圧電体膜７４から酸素が供給される。

このような酸素欠損層７１は、焼成温度や昇温レート等の各種条件を設定することで、Ｐｂ（ＴｉＺｒ）Ｏ_{３（１−ｘ）}、０＜ｘ≦０．２で形成することができる。すなわち、酸素欠損層７１は、その酸素量が、他の領域（圧電体層本体７２）よりも０％より多く２０％以下欠損しているのが好ましい。ちなみに、酸素欠損層７１の酸素量が他の領域よりも２０％より大きく欠損していると、酸素欠損層７１が圧電体層７０としての圧電特性がなくなり、圧電体層７０の一部を構成しなくなってしまう。

また、酸素欠損層７１は、圧電体層７０の厚さ１μｍ当たり５〜１００ｎｍの厚さであるのが好ましい。本実施形態では、圧電体層７０全体の厚さが１〜２μｍであるため、酸素欠損層７１の厚さは５〜２００ｎｍが好適である。ちなみに、酸素欠損層７１の厚さが５ｎｍより薄いと、酸素欠損層７１に十分な電荷が蓄積されず、バイアスをかけることができない。また、酸素欠損層７１の厚さが１００ｎｍより厚いと、酸素欠損層７１は圧電特性を有するものの、圧電体層７０全体の変位特性に悪影響を与え、変位低下が発生する虞がある。

次に、図９（ａ）に示すように、圧電体層７０上（酸素欠損層７１上）に亘って上電極膜８０を形成する。

次に、図９（ｂ）に示すように、圧電体層７０及び上電極膜８０を、各圧力発生室１２に対向する領域にパターニングして圧電素子３００を形成する。圧電体層７０及び上電極膜８０のパターニングとしては、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、リード電極９０を形成する。具体的には、図９（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘ってリード電極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ことで形成される。

次に、図１０（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハ１３０を接着剤３５を介して接合する。

次に、図１０（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚みに薄くする。

次いで、図１１（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０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１１（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ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１１０及び保護基板用ウェハ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１１０の保護基板用ウェハ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とする。

（他の実施形態）
以上、本発明の一実施形態を説明したが、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。例えば、上述した実施形態１では、酸素欠損層７１を上電極膜８０側に設けるようにしたが、特にこれに限定されず、酸素欠損層を圧電体層７０の下電極膜６０側に設けるようにしてもよい。このように下電極膜６０側に酸素欠損層を形成するには、例えば、基板上に上電極膜、圧電体層本体、酸素欠損層及び下電極膜からなる圧電素子を順次積層形成した後、流路形成基板１０上に圧電素子を転写することで形成することができる。

また、上述した実施形態１では、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂した後、焼成して圧電体膜７４を形成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、圧電体前駆体膜７３を塗布、乾燥及び脱脂する工程を複数回、例えば、２回繰り返し行った後、焼成することで圧電体膜７４を形成するようにしてもよい。

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。

さらに、上述した実施形態１では、基板（流路形成基板１０）上に下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０を順次積層した圧電素子３００を具備するアクチュエータ装置を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、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圧電素子を具備するアクチュエータ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アクチュエータ装置及びその製造方法並びにその駆動方法に限られず、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置及びその製造方法並びにその駆動方法にも適用することができる。

実施形態１に係る記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図である。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要部拡大断面図である。実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。実施形態１に係る駆動電圧パルスを示す波形図である。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に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。

符号の説明

１０流路形成基板、１２圧力発生室、１３連通部、１４インク供給路、２０ノズルプレート、２１ノズル開口、３０保護基板、３１リザーバ部、３２圧電素子保持部、４０コンプライアンス基板、６０下電極膜、７０圧電体層、７１酸素欠損層、７２圧電体層本体、７４圧電体膜、８０上電極膜、９０リード電極、１００リザーバ、１２０駆動回路、１２１接続配線、３００圧電素子

Claims

圧電体層と、該圧電体層を挟んで設けられた複数の電極とを有する圧電素子であって、
前記圧電体層は、一方の電極に隣接する領域に、他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層を含むことを特徴とする圧電素子。
前記酸素欠損層の酸素量が、他の領域よりも０％より多く２０％以下欠損していることを特徴とする請求項１記載の圧電素子。
前記酸素欠損層が、前記圧電体層の１μｍの厚さに対して５〜１００ｎｍの厚さで設けられていることを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子。
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が設けられた流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる液体噴射手段として請求項１〜３の何れか一項に記載の圧電素子とを具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
請求項４に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。
請求項１〜５の何れか一項に記載の圧電素子を駆動する駆動波形として、前記酸素欠損層に隣接する一方の電極に印加する電位が他方の電極に印加する電位に対して相対的に負極性で且つこの電位差と印加時間とで規定される充電要素と、前記酸素欠損層に隣接する一方の電極に印加する電位が他方の電極に印加する電位に対して相対的に正極性で且つこの電位差と印加時間とで規定される放電要素とを具備すると共に前記充電要素が前記放電要素よりも大きい駆動波形を用いることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
基板上に下電極を形成する工程と、該下電極上に圧電体前駆体膜を塗布し、該圧電体前駆体膜を焼成することで圧電体膜を形成する圧電体膜形成工程を複数回繰り返し行って複数層の前記圧電体膜からなる前記圧電体層を形成する工程と、該圧電体層上に前記上電極を形成する工程とを具備し、
前記圧電体膜形成工程では、前記下電極側又は前記上電極側に隣接する前記圧電体膜を形成する際に、前記圧電体前駆体膜を窒素雰囲気下で焼成することで他の領域よりも酸素が欠損した酸素欠損層を形成することを特徴とする圧電素子の製造方法。