JP6175966B2 - 電気−機械変換素子の製造装置、電気−機械変換素子の製造方法、電気−機械変換素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置 - Google Patents

電気−機械変換素子の製造装置、電気−機械変換素子の製造方法、電気−機械変換素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置 Download PDF

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Description

本発明は、電気−機械変換素子の製造装置、電気−機械変換素子の製造方法、電気−機械変換素子、液滴吐出ヘッド、液滴吐出装置に関する。
電気−機械変換素子は、印加した電圧に応じてその形状が変化する特性を有しており、係る特性を活かして、従来から、画像形成装置の液滴吐出ヘッドや、各種用途において用いられている。
電気−機械変換素子を構成する電気−機械変換膜に含まれる圧電体結晶は、図１（Ａ）に示すように電圧印加直前において分極の向きがランダムな状態となっている。これに対して、電圧印加を繰り返すことで、図１（Ｂ）に示すように圧電体結晶は分極の向きが揃ったドメインの集合体となってくる。
このように圧電体結晶の分極の向きが揃うまでは、駆動電圧に対する変位量が安定しなかった。このため、予め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。
例えば、まず、第１の面に電極が形成されている圧電体の、第１の面と対向する第２の面上に、間隙を介してコロナワイヤーを配置する。そして、電極とコロナワイヤーとの間に電圧を印加して、圧電体の第２の面に電荷を供給して、圧電体内に電界を発生させる無機圧電体のポーリング処理方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかしながら、特許文献１に開示されたポーリング処理方法により分極処理を行うと、圧電体が基板上に形成されている場合、圧電体にクラックが生じる場合があった。また、圧電体が振動板（下地膜）上に形成されている場合に同様に十分に分極処理を施そうとすると振動板が破損する場合があった。
そこで、本発明の一つの実施形態の目的は、電気−機械変換素子や基板または下地膜を破損させることなく、分極のバラツキが少ないコロナ分極処理を実現する電気−機械変換素子の製造装置を提供することにある。
上記課題に鑑み、本発明の一つの実施形態の電気−機械変換素子の製造装置は、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置であって、コロナ放電により電荷を発生させるコロナ電極と、前記電気−機械変換素子を設置するステージと、前記コロナ電極と前記ステージとの間に配置されたグリッド電極と、前記電気−機械変換素子を加熱する加熱機構と、を有し、前記コロナ電極は、面状形状を有する電極であって、前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の尖端突起部が形成された構造を有しており、前記コロナ電極は、前記電気−機械変換素子と対向するように配置された平板と、当該平板と垂直に、且つ間隔をあけて配置された複数の針電極とを有し、前記針電極は、前記電気−機械変換素子と対向する側の先端位置が揃っており、前記平板には、前記針電極の間に貫通孔が設けられていることを特徴とする。
本発明の他の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置は、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置であって、コロナ放電により電荷を発生させるコロナ電極と、前記電気−機械変換素子を設置するステージと、前記コロナ電極と前記ステージとの間に配置されたグリッド電極と、前記電気−機械変換素子を加熱する加熱機構と、を有し、前記コロナ電極は、面状形状を有する電極であって、前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の尖端突起部が形成された構造を有しており、前記ステージは、前記電気−機械変換素子を設置するステージ本体部と、前記加熱機構を備えたステージ加熱部と、前記ステージ本体部とステージ加熱部との距離を変位させる変位手段と、を有していることを特徴とする。
本発明の一つの実施形態によれば、電気−機械変換素子や、基板または下地膜を破損させることなく、分極のバラツキが少ないコロナ分極処理を実現する電気−機械変換素子の製造装置を提供することができる。
分極処理前後での分域の変化を例示する模式図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置の一例を示す構成説明図である。 本発明の第１の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置の一例を示す構成説明図である。 電気−機械変換素子の製造装置のコロナ電極を例示する説明図である。Ａは、針電極の先端を揃えた面状に形成されたコロナ電極の一例を示す。Ｂは、鋸刃電極の先端を揃えた面状に形成されたコロナ電極の一例を示す。Ｃは、針電極間に貫通孔を有するコロナ電極の一例を示す。 本発明の第２の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置の一例を示す説明図である。 本発明の第３の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置の一例を示す構成説明図である。 分極処理の説明図である。 電気−機械変換素子に蓄積される電荷量の概要を示す説明図である。 Ｐｒ、Ｐｉｎｉの説明図である。 ８０℃に加熱して分極処理を施した場合に、膜中に発生したクラック発生率と分極率の関係を示す説明図。 第４の実施形態に係る電気−機械変換素子を例示する図である。 第５の実施形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する図である。 第５の実施形態に係る液滴吐出ヘッドを例示する図である。 第６の実施形態に係るインクジェット記録装置を例示する斜視図である。 第の実施形態に係るインクジェット記録装置の、機構部を例示する側面図である。 分極処理後の分極量差を示す表である。
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明するが、本発明は、下
記の実施形態に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、下記の実施形
態に種々の変形および置換を加えることができる。また、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
［第１の実施形態］
本実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置１０の構成について、図２乃至図４に基づいて説明する。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０は、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子２０（以下、圧電素子２０とも言う）に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置１０である。
電気−機械変換素子の製造装置１０は、図２、図３に示すように、コロナ放電により電荷を発生させるコロナ電極１１と、電気−機械変換素子２０を設置するステージ１３と、コロナ電極１１とステージ１３との間に配置されたグリッド電極１２と、を有する。さらに、ステージ１３に備えられた電気−機械変換素子２０を加熱する加熱機構を有している。
コロナ電極１１、グリッド電極１２は、それぞれコロナ電極用電源１４、グリッド電極用電源１５に接続されている。この際、図３に示すように、コロナ電極用電源１４及びグリッド電極用電源１５の各電極と接続されていない他方の端子は、例えば、ステージ１３の電気−機械変換素子２０を載置する場所に接続することができる。また、ステージ１３にアース線１６を接続する場合には、該アース線１６に接続することができる。
ステージ１３は、その上面にシリコンウエハ１７が設置できるように構成されている。分極処理に供するシリコンウエハは、電気−機械変換素子２０が予め形成されたものを用いることができる。電気−機械変換素子２０のレイアウトは、任意に設定することが可能である。又、電気−機械変換素子２０の構造は、特に限定されず、例えば、バイモルフ構造、ユニモルフ構造等であっても良い。
コロナ電極１１は、ステージ１３と対向し、間にグリッド電極１２を介して形成される。コロナ電極１１は、面状形状を有する電極であって、前記電気−機械変換素子２０と対向する対向面上に、尖端突起部１１０が形成された構造を有している。
面状に形成する理由としては、圧電素子２０上には電極パッドおよび絶縁膜が微細パターンで形成されており、本構成ではコロナ帯電により電極パッドを介して電気−機械変換素子に電界を掛け、分極処理を実施している。この電極パッドと絶縁膜等が混在した状態で均一に分極処理するには、尖端突起部を高密度に配置することが好ましい。
コロナ電極１１の大きさは、電気−機械変換素子２０の有効エリアの外周より内側に１０ｍｍ小さい面積以上となるように形成できる。例えば、６インチのシリコンウエハ１７（約φ１５０ｍｍ）に対して、電気−機械変換素子２０の有効エリアがφ１３５である場合、コロナ電極１１は、例えばφ１１５以上の面積を要するように形成できる。板厚は、約１ｍｍ程度で実施できる。
コロナ電極１１は、例えば図４（Ａ）に例示するコロナ電極１１−１のように形成されても良い。
コロナ電極１１−１は、電気−機械変換素子２０と対向する対向面に、尖端突起部１１０として複数の針電極３０を面方向に配置した構造を有し、当該針電極３０は、電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置が揃う構成とされている。針電極３０は、電気−機械変換素子２０の上面と直交し、先端が電気−機械変換素子２０と対向する態様で複数本配置されている。針電極３０の先端を揃えた理由は、コロナ電極１１と電気−機械変換素子２０との距離が異なると電界強度が変化して分極にバラツキが生じることを防止するためである。
針電極３０は、例えば、φ２ｍｍのタングステン針とし、先端をＲ３０μｍの針状に加工し、加工した複数のタングステン針電極３０をφ１６０ｍｍ程度に束ねて形成することが好ましい。電極密度は、例えばタングステン針１０本／ｃｍ２〜５０本／ｃｍ２程度にできる。より好ましくは、２５本／ｃｍ２である。
コロナ電極１１は、図４（Ｂ）に例示するコロナ電極１１−２のように形成されても良い。
コロナ電極１１−２は、電気−機械変換素子２０と対向する対向面に、尖端突起部１１０として複数の平板状の電極板３１が対向面と垂直に、且つ電極板３１同士をコロナ電極１１−２の面内方向（Ｙ−Ｙ方向）に向かって互いに平行に配置した構造を有している。また、電極板３１の電気−機械変換素子２０と対向する側の辺には、鋸刃形状を有する鋸刃電極３２が形成されている。鋸刃電極３２は、例えば２ｍｍのピッチで三角凹凸加工を施されて形成されることが好ましい。上記の電極板３１は、隣接する電極板３１間における鋸刃電極３２の先端部を、例えば１ｍｍずつ互い違いにずらして重ねて合わされていることが好ましい。
鋸刃電極３２の、電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置が揃う構成とすることが好ましい。また、電気−機械変換素子２０の上面と鋸刃電極３２の先端面とは、平行な位置関係に配置されていることが好ましい。
電極板３１としては、例えば、板厚約１ｍｍ、幅約０．５ｍｍのタングステン電極板が使用されることが好ましく、電極密度は、例えば鋸刃電極１０個／ｃｍ２〜１００個／ｃｍ２程度にできる。より好ましくは５０個／ｃｍ２程度である。
コロナ電極１１は、図４（Ｃ）に例示するコロナ電極１１−３のように形成されても良い。
コロナ電極１１−３は、電気−機械変換素子２０と対向するように配置された平板３３と、当該平板３３と垂直に、且つ間隔をあけて配置された複数の針電極３４を尖端突起部１１０として有している。平板３３は、コロナ電極１１の大きさに形成された例えば板厚１ｍｍ以下の電極板が使用されることが好ましい。
針電極３４は、電気−機械変換素子２０の上面と直交し、先端が電気−機械変換素子２０と対向する態様で配置され、電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置が揃っている。
平板３３の電気−機械変換素子２０と対向する対向面には、例えば約φ２ｍｍのタングステンの針電極３４が、３ｍｍのピッチで針孔（図示省略）に差し込まれていることが好ましい。電極密度は、例えばタングステン針５本／ｃｍ２〜２０本／ｃｍ２程度にできる。より好ましくは、タングステン針１１本／ｃｍ２程度である。
平板３３には、針電極３４間に例えば約φ０．８ｍｍ程度の貫通孔３５が設けられることが好ましく、上部からガスを流動できる構成とされている。ガスとしては、特に限定されないが、例えば酸素２０％／窒素８０％のガスが好ましい。また、ドライエアーでも良い。平板３３の上部から貫通孔３５を介してガスを流して電流を安定させることで、コロナ電極１１の耐久性を向上できる。
上記したようにコロナ電極１１は、面状形状を有する電極であり、電気−機械変換素子２０と対向する対向面に、図４（Ａ）〜（Ｃ）に示す複数の尖端突起部１１０を有して、安定的なコロナ放電をならしめる。
コロナ電極１１の極性については、コロナ電極１１に正負の電圧を印加することで特性が反転してしまうことが分かった。このため、電気−機械変換素子２０の駆動上、使用する電圧域で分極処理効果を得られる極性とする必要がある。したがって、本実施形態のコロナ電極１１は、正極とすることが好ましい。
グリッド電極１２は、コロナ電極１１とステージ１３との間に配置されており、ステージ１３と平行な配置であることが好ましい。グリッド電極１２の構成は特に限定されるものではないが、電気−機械変換素子２０よりも大きい面積で構成されることが好ましい。また、メッシュ加工を施し、コロナ電極１１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且つ均一に分散させて、下のステージ１３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、ステージ１３には、電気−機械変換素子２０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２０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、ステージ１３内に設置することもでき、ステージ１３の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、ステージ１３内に設置されていることが好ましい。
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、製造する電気−機械変換素子２０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、ステージ１３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ステージ１３はアース接地されていることが好ましい。すなわち、ステージ１３にはアース線１６が接続されていることが好ましい。
コロナ電極１１やグリッド電極１２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、十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、コロナ放電に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、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。
電気−機械変換素子の製造装置１０には、更にコロナ電極１１を電気−機械変換素子２０の上面に平行して、水平方向に旋回させる旋回機構１２０を設けることが好ましい。図示した旋回機構１２０は、コロナ電極１１の上面側（電気−機械変換素子２０側とは逆の面）の、中央位置に設けられている。コロナ電極１１は、分極処理工程時に、電気−機械変換素子２０の上方位置で水平方向に円を描くように、例えば速度１０回転／分〜速度１００回転／分である。より好ましくは、速度１００回転／分で旋回される。旋回機構１２０の構成は、図示例の形態に限定されるものではない。
上記のようにコロナ電極１１を旋回機構１２０により旋回させることで、複数の尖端突起部１１０内から供給される電荷の偏りを小さくし、高い分極率を得ることができる。
［第２の実施形態］
第２の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置の構成例を、図５に基づいて説明する。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０も、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子２０に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置１０である。
第２の実施形態は、第１の実施形態と略同様の技術的思想に基づいており、以下に、第１の実施形態との相違点についてのみ説明する。
第１の実施形態との相違点は、電気−機械変換素子の製造装置１０のステージ１３は、メッシュ加工が施されたグリッド電極１２と、水平方向（Ｘ−Ｘ方向、Ｙ−Ｙ方向）に移動可能な構成とされている点にある。ステージ１３の移動距離は、グリッド電極１２のメッシュピッチＰ１、Ｐ２以上であることが好ましい。ステージ１３の水平移動方向に関しては、メッシュ形状などにより適宜変更可能であり、例えば斜め方向にも移動可能である。
本実施形態では面内均一性を確保するため、スコロトロン方式を採用しており、グリッド電極１２に対してステージ１３を相対的に移動可能な構成とされている。したがって、分極処理工程の際に、ステージ１３をグリッド電極１２のメッシュピッチＰ１、Ｐ２以上に水平移動させることにより、グリッド電極１２のメッシュの陰になっている部分の帯電量低下を分散させることができ、面内均一性が更に向上する。
［第３の実施形態］
第３の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置の構成例を、図６に基づいて説明する。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０も、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子２０に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置１０である。
第３の実施形態は、第１、２の実施形態と略同様の技術的思想に基づいており、以下に、第１、２の実施形態との相違点についてのみ説明する。
本実施形態のステージ１３は、電気−機械変換素子２０を設置するステージ本体部１３０と、加熱機構（図示省略）を備えたステージ加熱部１３１と、ステージ本体部１３０とステージ加熱部１３１との距離を変位させる変位手段１３２とを有している。
具体的には、加熱機構によりステージ本体部１３０が加熱され、分極処理を実施している途中に、変位手段１３２によりステージ加熱部１３１を徐々に降下させて、シリコンウエハ１７の温度を徐々に低下させる構成とされている。これにより、温度を下げるときにおいても熱による脱分極を防止でき、分極処理後の特性を維持できる。
また、本実施形態のコロナ電極１１は、電圧調整機構１４０を有するコロナ電極用電源１４と接続されている。したがって、分極処理工程時に、上記した変位手段１３２によりステージ加熱部１３１を降下させ、シリコンウエハ１７の温度を下げる際に、電圧調整機構１４０によりコロナ電極１１へ印加する電圧も徐々に下げることが可能となる。したがって、分極処理条件を段階的に弱くしていくことで、クラックなどの発生を確実に防止することができる。
（電気−機械変換素子の製造方法）
次に、本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法について説明する。
電気−機械変換素子の製造方法においては、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子２０を製造することができる。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法は、具体的には、上述した（図２〜６に示した）電気−機械変換素子の製造装置１０、すなわち、分極装置を用いて行うことができる。
先ず、分極処理が行われる前に、第１、第２の絶縁保護膜や、第３、第４の電極を有する電気−機械変換素子が製造される各工程を、図１１を参照しつつ簡単に説明する。
図１１（Ａ）は、電気−機械変換素子の断面構成図を示したものであり、図１１（Ｂ）は、電気−機械変換素子の平面図を示したものである。図１１（Ｂ）のＡ−Ａ'線における断面図が図１１（Ａ）に当たる。図１１（Ｂ）については、構成が分かり易いように、第１、第２の保護膜（層間絶縁膜）については記載を省略している。
基板２１、下地膜（振動板）２２上に、第１の電極（下部電極）２３が例えばスパッタ装置により積層される。第１の電極は、例えば密着層、金属電極膜、酸化物電極膜が積層された構造を有している。
次に、第１の電極の上面に電気−機械変換膜２４が、例えばスピンコート法により成膜、乾燥、熱分解の工程を繰り返し行うことで成膜される。
次に、電気−機械変換膜２４の上面に、例えばスパッタ法などにより第２の電極（上部電極）２５を積層する。その後、フォトリソグラフィーでレジストパターンを形成した後、エッチング装置などを用いて、図１１（Ｂ）に示すパターンを作製する。
したがって、図１１（Ｂ）に示すように、電気−機械変換膜２４および第２の電極２５は個別化した状態とすることができる。第１の電極は個別化した電気−機械変換膜２４および第２の電極２５に対して共通した１個の電極、すなわち共通電極として機能する。第２の電極２５についてはそれぞれ個別化していることから個別電極として機能する。
そして、第１の電極２３および個別化した第２の電極２５上に、第１の絶縁保護膜２６を、例えばＡＬＤ工法を用いて形成する。第１の絶縁保護膜２６には、第１の電極２３および前記第２の電極２５を露出するコンタクトホール２７を形成する。そして、コンタクトホール２７を介して第１の電極２３および第２の電極２５と電気的に接続される第３の電極２８および第４の電極３０をスパッタ成膜とエッチングにより形成する。
また、第３の電極２８にはパッド（共通電極パッド）２９を、第４の電極３０にはパッド（個別電極パッド）３１をそれぞれ接続するように形成する。そして、第３の電極２８および第４の電極３０上に、パッド２９、３１の少なくとも一部を露出する開口部を有する第２の絶縁保護膜３２を、例えばプラズマＣＶＤにより形成する。
ここで、コロナ帯電等による分極処理前に電気−機械変換素子２０の個別電極パッド３１にバンプを形成して、個別電極パッド３１の表面積を大きくしておくことが好ましい。また、図示することは省略したが、電気−機械変換素子駆動用ＤｒＩＣを圧電素子上（電気−機械変換素子２０）に実装しておくことが好ましい。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法は、上記の状態まで製造された電気−機械変換素子２０に対して分極処理を施す分極処理工程を有している。次に、本実施形態の分極処理工程について説明する。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法における分極処理工程は、コロナ電極１１が６インチのシリコンウエハ１７に対して、例えばφ１１５以上の面積を有するため、シリコンウエハ１７に対して複数の電気−機械変換素子２０の分極処理を一回で行える。本実施形態では、６インチのシリコンウエハ内３０ｍｍ×１０ｍｍ四方のエリアに２５個配置されている。
使用するコロナ電極１１は、図４（Ａ）〜（Ｃ）の何れかの尖端突起部１１０（針電極３０、鋸刃電極３２、針電極３４）を有している。電気−機械変換素子２０の構造やシリコンウエハ１７の大きさなどにより適切なコロナ電極１１が選択されている。
分極処理工程において、上記したステージ１３のステージ加熱部１３１に備えられた加熱機構により、前記電気−機械変換素子２０を前記電気−機械変換膜のキュリー温度以下に加熱する。因みに、電気−機械変換膜２４がＰＺＴ膜においては、１６０℃で加熱することが好ましい。
分極処理を行う際に必要な電荷量Ｑは、電気−機械変換素子２０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以上がより好ましい。
また、分極処理工程において、電気−機械変換素子の製造装置のコロナ電極１１が、正極とされ、コロナ放電により発生した電荷が正帯電していることが好ましい。これにより電気−機械変換素子２０の個別電極に対して正側の駆動波形を印加すればよくなり、駆動回路構成を簡略化できる。
次に、上記した分極処理工程の際、第２、第３の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０による分極処理工程について説明する。
第２の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０によれば、分極処理工程において、ステージ１３は、電気−機械変換素子２０をメッシュ加工が施されたグリッド電極１２と水平方向（Ｘ−Ｘ方向、Ｙ−Ｙ方向）に移動させる（図５参照）。ステージ１３の移動距離は、グリッド電極１２のメッシュピッチＰ１、Ｐ２以上とすることが好ましい。本実施形態では面内均一性を確保するため、スコロトロン方式を採用しており、グリッド電極１２に対してステージ１３を相対的に移動できる構成としている。
したがって、コロナ放電の際に、ステージ１３をメッシュピッチＰ１、Ｐ２以上に水平移動させることにより、グリッド電極１２のメッシュの陰になっている部分の帯電量低下を分散させることができ、面内均一性が更に向上する。
第３の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置１０によれば、分極処理工程において、ステージ本体部１３０は、ステージ加熱部１３１により加熱される構成である。また、ステージ加熱部１３１とステージ本体部１３０との間を徐々に離間させる変位手段１３２を有している（図６参照）。
変位手段１３２は、分極処理を実施している途中に、ステージ加熱部１３１とステージ本体部１３０との間を徐々に離間させる。すると、ステージ本体部１３０上に製造された電気−機械変換素子２０の温度を徐々に下げることができる。したがって、シリコンウエハ１７を所定の温度（例えば８０℃）に下げつつも分極処理を継続することができる。これにより、急激に温度を下げるときに発生する脱分極を防止でき、分極処理後の特性を維持できる。
また、上記した変位手段１３２により、ステージ加熱部１３１を降下させる際に、電圧調整機構１４０によりコロナ電極１１へ印加する電圧も下げることが好ましい。このように、分極処理条件を段階的に弱くしていくことで、クラックなどの発生を確実に防止することができる。
以上、第１〜第３の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置を用いた電気−機械変換素子の製造方法について説明してきたが、第１〜第３の実施形態に係る電気−機械変換素子の製造装置を組み合わせて、電気−機械変換素子２０を製造することが好ましい。
本実施形態に係る製造方法によれば、電気−機械変換膜や、基板または下地膜を破損させることなく十分に分極処理を施した電気−機械変換素子を製造することが可能になる。
（分極処理の原理）
次に、電気−機械変換素子の製造装置１０による分極処理の原理の一例について、図７を用いて説明する。電気−機械変換素子の製造装置１０は、コロナ放電及びステージ電圧により、圧電素子に分極処理を施す。
コロナ電極に、電圧が印加されると、コロナ放電により、大気中の分子がイオン化され、陽イオン及び陰イオンが発生する。これらのイオンが、メッシュ加工が施され、グリッド電圧が印加されたグリッド電極（図示省略）を介して、ステージに降り注ぐ。
陽イオンが、電気−機械変換素子（圧電素子）の共通電極パッド及び個別電極パッド（図示せず）を介して、電気−機械変換素子に注入されることで、逆極性の電荷が電気−機械変換素子の上部電極及び下部電極に蓄積する。又、貫通孔を介して電気−機械変換素子に電圧が印加されると、電気−機械変換素子の上部電極と下部電極との間に、更に大きな内部電圧差が生じ、圧電素子は分極する。
更に、図８（Ａ）に示すように、個別電極数がＡ個、共通電極数がＢ個（ここでは、個別電極と共通電極の面積が同じと仮定）であるとき、電荷量Ｑが発生し、一つの電気−機械変換素子に対してどのくらいの電荷が蓄積されているかを図８（Ｂ）に示した。共通電極はシリコン基板の裏面に対して所定の抵抗値を持っており、本実施形態では１Ｅ７Ω程度になっており、分極処理時の電荷はほぼＧＮＤに流れてしまい、個別電極に印加された電荷により電位差が発生して分極処理がなされていると考えられる。
分極処理の状態については、電気−機械変換素子のＰ−Ｅヒステリシスループから判断することができる。分極処理の状態の判断方法について図９を用いて説明する。
Ｐ−Ｅヒステリシスループの例を図９（Ａ）、（Ｂ）に示す。図９（Ａ）は分極処理を行う前の試料、図９（Ｂ）は分極処理後のＰ−Ｅヒステリシスループを示している。
図９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た場合に、電圧をかける前の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｉとし、＋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とする。
この時、Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値を分極率として定義し、この分極率により、分極の状態が適切であるか否かを判断することができる。具体的には、図９（Ｂ）に示すように、分極処理を行った後の試料については、分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値は所定値以下になっていることが好ましい。例えば、１０μＣ／ｃｍ２以下となっていることが好ましく、５μＣ／ｃｍ２以下となっていることがさらに好ましい。Ｐｒ−Ｐｉｎｉの値が十分に小さくなっていない場合は、分極が十分になされておらず、電気−機械変換素子の所定駆動電圧に対する変位量が安定しない状態となる。
ここで、Ｓｉ基板上に、第１、第２の電極として白金電極を、電気−機械変換膜としてＰＺＴを用いた電気−機械変換素子に、室温で分極処理を施した場合と、８０℃加熱して分極処理した場合に、膜中に発生したクラック発生率と分極率の関係を図１０に示す。クラック発生率は、クラック発生したＢｉｔ数／全Ｂｉｔである。使用したコロナ電極は、１本のタングステンワイヤである。
室温で分極処理した場合には、分極率を小さくしようとするとクラック発生率が高くなり、これら２つの関係はトレードオフになっていることが分かる。なお、ここでいうＢｉｔ数とは測定範囲内における個別化した電気−機械変換膜の数を意味している。
これによると、８０℃に加熱して分極処理した場合、分極率が小さくなるとクラック発生率が高くなる傾向を示すものの、室温での分極処理に比べて、加熱しながら分極処理を行った方が、クラックフリーで得られる分極率が小さいことが分かる。これは、加熱しながら分極処理を行った場合、電気−機械変換膜の応力を緩和させながら処理できるため、所望の分極率するため、多くの電荷量を供給してもクラックが発生しなかったと推認される。
１本のタングステンワイヤを用いたコロナ電極処理では、シリコンウエハ上に配置された圧電素子を順次分極処理するに当たり、基板を順次送ることがなされている。したがって、更に基板温度を１２０℃、１６０℃と高くすると、シリコンウエハ上に配置された圧電素子を順次分極処理するに当たり、分極処理を実施してから基板加熱温度にて保持されている間に脱分極が起こり、分極量差が大きくなってしまう。したがって、８０℃以上に基板加熱することができなかった。
これに対して、タングステンワイヤを複数本配置してコロナ電極とし、シリコンウエハ単位で８０℃以上に加熱し、シリコンウエハ面内一括で分極処理する構成も検討されている。しかし、ワイヤ配置に応じて、シリコンウエハ面内の分極量差のバラツキが大きくなってしまうという課題が発生していた。
本実施形態では、上記したようにシリコンウエハ１７と略同様の大きさを有する面状形状を有するコロナ電極１１によりコロナ放電することで、シリコンウエハ１７上に複数製造された電気−機械変換素子２０を一括してコロナ分極処理できる。これにより、電気−機械変換素子２０を分極処理後も加熱した状態で保持する必要が無くなり、基板温度を８０℃以上に加熱して分極処理を行える。したがって、分極処理のバラツキを低減させ、基板加熱効果がそのままクラックフリーで得られる分極量差として更に小さくすることできる。また、圧電素子の製造に掛かる時間も大幅に短縮できる。
［第４の実施形態］
本実施形態では、本発明の電気−機械変換素子２０の構成例について、図１１から説明する。本実施形態の電気−機械変換素子２０は、基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有している。
そして、電気−機械変換膜に、±１５０ｋＶ／ｃｍの電界強度かけてヒステリシスループを測定した場合に、電圧をかける前の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｉｎｉ、＋１５０ｋＶ／ｃｍの電圧印加後０ｋＶ／ｃｍまで戻した時の０ｋＶ／ｃｍ時の分極をＰｒとする。この場合、分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉが１０μＣ／ｃｍ２以下であることが好ましい。特に分極率Ｐｒ−Ｐｉｎｉは５μＣ／ｃｍ２以下であることが好ましい。
係る電気−機械変換素子は、十分な分極処理がなされており、電気−機械変換素子の所定駆動電圧に対する変位量を安定させることができる。このため、初期や連続駆動後であっても安定して十分な特性を得ることができる。
また、本実施形態の電気−機械変換素子は、電気−機械変換膜及び前記第２の電極が個別化されていることが好ましい。
この場合さらに、第１の電極及び第２の電極上に形成された第１の絶縁保護膜と、第１の絶縁保護膜に形成されたコンタクトホールを介して、第１の電極および第２の電極と電気的に接続される第３の電極および第４の電極と、を有する構成とすることができる。
また、図１１に示したように、第３の電極および第４の電極はパッドと接続され、第３の電極および第４の電極上には第２の絶縁保護膜が設けられ、第２の絶縁保護膜には、パッドの少なくとも一部を露出する開口部が形成された構成とすることができる。
以下に、本実施形態の電気−機械変換素子２０の各部材について図１１を用いて説明する。
下記の様に、本実施形態の電気−機械変換素子は、基板２１または下地膜（振動板）２２上に形成することができる。
基板２１の材料としては特に限定されるものではないが、加工の容易性や、入手しやすさ等を鑑みると、シリコン単結晶基板を用いることが好ましい。
シリコン単結晶基板としては、面方位が（１００）、（１１０）、（１１１）の３種あるが、特に限定されるものではなく、加工の内容等に応じて適切な基板を選択することができる。
例えば、基板に対してエッチング加工を要する場合には、エッチング加工の内容にあわせて所定の面方位を有する基板を選択することができる。後述する液滴吐出ヘッドを形成する場合を例に説明すると、通常エッチングにより基板に加圧室を作製するが、この際のエッチング方法としては一般的に異方性エッチングが用いられている。ここで、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り、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）では深い溝を掘ることができ、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いる。このため、例えば液滴吐出ヘッドを構成する基板の場合には（１１０）の面方位を持ったシリコン単結晶基板を好ましく用いることができる。
基板２１の厚さは用途等により選択することができ、特に限定されるものではないが、例えば、１００〜６００μｍの厚みをもつものを好ましく用いることができる。
下地膜（振動板）２２は、例えば後述のように液滴吐出ヘッドを形成する場合に設けることができ、用途によっては下地膜２２を設けずに基板２１上に電気−機械変換素子を設けることもできる。
下地膜２２は例えば液滴吐出ヘッドの場合、電気−機械変換膜によって発生した力を受けて、変形変位して加圧室の液体（例えばインク）を吐出させる。そのため、下地膜２２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。材料としては、Ｓｉ、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４をＣＶＤ法により作製したものが挙げられる。特に、第１の電極、電気−機械変換膜の線膨張係数に近い材料を選択することが好ましい。電気−機械変換膜としてＰＺＴを用いるとすると、その線膨張係数８×１０−６（１／Ｋ）に近い５×１０−６〜１０×１０−６（１／Ｋ）の線膨張係数を有した材料が好ましく、７×１０−６〜９×１０−６（１／Ｋ）の線膨張係数を有した材料がより好ましい。
具体的には例えば、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を好ましく用いることができる。
下地膜２２の形成方法は特に限定されるものではないが、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。
下地膜の膜厚としては特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上１０μｍ以下であることが好ましく、０．５μｍ以上３μｍ以下であることがより好ましい。この範囲より小さいと例えば後述する液滴吐出ヘッドの場合、加圧室の加工が難しくなり、この範囲より大きいと下地膜が変形変位しにくくなり、液滴の吐出が不安定になる場合があり好ましくない。
第１の電極２３についても特に限定されるものではなく、任意に選択することができる。例えば、金属電極膜や酸化物電極膜により構成することができ、特に金属電極膜と酸化物電極膜の積層体であることが好ましい。
金属電極膜としては、白金、イリジウム、ロジウムなどの白金族元素や、例えば白金−ロジウムなどのこれら合金からなる膜が挙げられる。
金属電極膜として白金を使用する場合であって、基板上に形成する場合には基板（特に基板表面にＳｉＯ２が形成されている場合）との密着性が悪いために、基板と金属電極膜との間に後述する密着層を形成することが好ましい。
金属電極膜の作製方法としては、特に限定されるものではなく各種成膜方法を採用することができる。例えば、スパッタ法や真空蒸着等の真空成膜が一般的である。膜厚についても特に限定されるものではないが、８０ｎｍ〜２００ｎｍであることが好ましく、１００ｎｍ〜１５０ｎｍであることが好ましい。これは、金属電極膜の膜厚が薄すぎる場合には十分な電流を供給することができない場合があるためである。膜厚が厚すぎる場合には、金属電極膜が白金属の高価な材料により構成されているため、コストが高くなるため、また、膜厚を厚くしていった場合に表面粗さが大きくなり、その上に積層する層の表面粗さや結晶配向性に影響を与える場合があるためである。
酸化物電極膜の材料についても特に限定されるものではないが、例えば、ＳｒＲｕＯ３好ましく用いることができる。ＳｒＲｕＯ３以外にも、ＳｒｘＡ（１−ｘ）ＲｕｙＯ（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好ましく用いることができる。
酸化物電極膜の成膜方法についても特に限定されるものではないが、スパッタ法により成膜することができる。
後述する電気−機械変換膜としては、ＰＺＴを用いることが好ましく、ＰＺＴは（１１１）配向することが好ましいため、酸化物電極膜としてＳｒＲｕＯ３を用いる場合、ＳｒＲｕＯ３についても（１１１）配向していることが好ましい。ところが、ＳｒＲｕＯ３はスパッタ条件によって膜質が変わることが知られており、例えば金属電極膜として（１１１）配向のＰｔを用い、該Ｐｔ膜上に成膜する場合には、ＳｒＲｕＯ３膜を成膜する際、５００℃以上に基板加熱を行い、成膜することが好ましい。
なお、Ｐｔ（１１１）上に作製したＳｒＲｕＯ３膜の結晶性については、ＰｔとＳｒＲｕＯ３膜で格子定数が近いため、通常のθ−２θ測定では、ＳｒＲｕＯ３膜（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ＳｒＲｕＯ３膜が(１１１)に優先配向しているかを確認することができた。また、上述記載の室温成膜＋ＲＴＡ処理により作製されたＳｒＲｕＯ３膜については、Ｐｓｉ＝０°のときにＳＲＯ（１１０）の回折強度が見られる。
ＳｒＲｕＯ３膜の表面粗さについては特に限定されるものではないが、４ｎｍ以上１５ｎｍであることが好ましく、６ｎｍ以上１０ｎｍ以下であることがより好ましい。表面粗さが上記範囲よりも大きくなると、その後成膜した電気−機械変換膜の絶縁耐圧が悪化する場合があり、リーク電流を生じる場合があるためである。
また、表面粗さは小さい方が好ましいものの、表面粗さは成膜温度に影響を受け、室温から３００℃で成膜した場合には表面粗さを非常に小さくすることができ、例えば２ｎｍ以下とすることもできる。しかし、この場合、ＳｒＲｕＯ３膜の結晶性が低下するため、好ましくない。このため、表面粗さＲａは上記範囲であることが好ましい。なお、ここでいう表面粗さとは、ＡＦＭにより測定される表面粗さＲａ（中心線平均粗さ）を意味している。上記のような表面粗さを有し、結晶性の高いＳｒＲｕＯ３膜とするためには、成膜温度を５００℃〜７００℃とすることが好ましく、５２０℃〜６００℃とすることがより好ましい。
また、酸化物電極膜としてＳｒＲｕＯ３を用いる場合、該ＳｒＲｕＯ３膜の成膜後のＳｒとＲｕの組成比については、Ｓｒ／Ｒｕ（物質量比）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、電極として十分な導電性が得られなくなる場合があるためである。
酸化物電極膜の膜厚は特に限定されるものではないが、４０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下であることが好ましく、５０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であることがより好ましい。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十分な特性が得られない場合や電気−機械変換膜をエッチングする際に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。また、この範囲を超えると、その後成膜した電気−機械変換膜の絶縁耐圧が悪化し、リーク電流を生じる場合があり好ましくない。
また、酸化物電極膜の比抵抗としては、電極として十分な導電性を有するため、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より好ましい。
また、上記の様に、基板２１と第１の電極２３または、下地膜２２と第１の電極２３との間に密着層を設けることができる。密着層としてはＴｉＯ２膜を好ましく用いることができる。またＴａ、Ｉｒ、Ｒｕ等の酸化物についても好ましく用いることができる。
ＴｉＯ２膜の成膜方法は特に限定されるものではなく、例えば反応性スパッタにより成膜することもできるが、チタン膜を高温により熱酸化したものを好ましく用いることができる。具体的には、Ｔｉをスパッタ成膜後、ＲＴＡ（ｒａｐｉｄ ｔｈｅｒｍａｌ ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置を用いて、６５０〜８００℃、１〜３０分、酸素雰囲気で熱酸化して得られたものを好ましく用いることができる。
これは、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ため。さらに、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、それを壊す必要があるのに対して、昇温速度の速いＲＴＡ法によれば良好な結晶を形成することができるためである。他の金属の場合についても同様にして酸化物膜を形成することができる。
密着層の膜厚としては、１０ｎｍ以上５０ｎｍ以下が好ましく、１５ｎｍ以上３０ｎｍ以下がさらに好ましい。これよりも薄いと十分に密着性を高める効果を有しない場合があり、この範囲よりも厚い場合、その上に積層する電極膜等の結晶の質に影響が出てくる場合があるためである。
電気−機械変換膜２４としては、圧電特性を示す材料であれば用いることができ、特に限定されるものではないが、Ｐｂを含んだ酸化物から形成されていることが好ましい。
特に電気−機械変換膜としては、その高い圧電特性から、ＰＺＴを好ましく用いることができる。ＰＺＴとはジルコン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）とチタン酸（ＰｂＴｉＯ３）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ＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３の比率が５３：４７の割合で、化学式で示すとＰｂ（Ｚｒ０．５３，Ｔｉ０．４７）Ｏ３、一般的にはＰＺＴ（５３／４７）とも示される。
ＰＺＴ以外の複合酸化物としてはチタン酸バリウムや同様の構造を有する材料などが挙げられ、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ＡＢＯ３で記述され、ここでのＡはＰｂ、Ｂａ、Ｓｒから選択された１以上の元素とし、ＢはＴｉ、Ｚｒ、Ｓｎ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ｍｇ、Ｎｂから選択された１以上の元素とすることができる。そして、係るＡＢＯ３を主成分とする複合酸化物を電気−機械変換膜として好ましく用いることができる。上記Ａ、Ｂの元素はその具体的には（Ｐｂ１−ｘ，Ｂａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、（Ｐｂ１−ｘ，Ｓｒ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、等として記載することができる。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。
また、電気−機械変換膜の比誘電率としては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。比誘電率を上記範囲とすることにより、十分な変位特性を得ることができる。また、分極処理を十分に行うことができ、連続駆動後の変位劣化について十分な特性とすることができる。
電気−機械変換膜の作製方法としては特に限定されるものではないが、例えば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。いずれの場合でも、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法により作製する場合を例にその作製手順を説明する。まず、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これらの出発材料を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、前駆体溶液に安定化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。
第１の電極等が形成された下地基板全面に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溶液の濃度を調整することが好ましい。
電気−機械変換膜の膜厚としては特に限定されるものではなく、要求される変位量等により任意に選択することができる。例えば、その膜厚としては０．５μｍ以上５μｍ以下が好ましく、１μｍ以上２μｍ以下がより好ましい。係る範囲の膜厚とすることにより十分な変位を発生させることができる。また、係る範囲の膜厚であれば積層し形成する工程数も必要以上に多くはならないため、生産性良く製造することができる。
第２の電極２５についても特に限定されるものではなく、任意に選択することができる。例えば、金属電極膜や酸化物電極膜により構成することができ、特に金属電極膜と酸化物電極膜の積層体であることが好ましい。
金属電極膜については特に限定されるものではなく、例えば第１の電極の場合と同様の材料を好ましく用いることができる。
膜厚としては３０ｎｍ以上２００ｎｍ以下が好ましく５０ｎｍ以上１２０ｎｍ以下がさらに好ましい。上記範囲よりも膜厚を薄くすると、電極として十分な電流を供給することができない場合がある。上記範囲よりも膜厚を厚くすると、電極材料として白金族元素の高価な材料を使用する場合においては、コストアップの原因となる。また、特に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、さらに金属電極膜上に他の材料を積層した場合に膜剥がれを生じる場合があり好ましくない。
酸化物電極膜の材料についても特に限定されるものではないが、例えば第１の電極の場合と同様の材料を好ましく用いることができる。
酸化物電極膜の膜厚としては特に限定されるものではないが、２０ｎｍ以上８０ｎｍ以下が好ましく、４０ｎｍ以上６０ｎｍ以下がさらに好ましい。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十分な特性が得られない場合があり好ましくない。また、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場合があり好ましくない。
上記の様に本実施形態の電気−機械変換素子には、第１の絶縁保護膜２６を設けることができる。第１の絶縁保護膜は、成膜・エッチングの工程による電気−機械変換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用いることが好ましい。このため、無機材料の膜であることが好ましく、特に緻密な膜であることが好ましい。
薄膜で高い保護性能を得るには、酸化物、窒化物、炭化膜を用いるのが好ましい。特に、第１の絶縁保護膜と接触する、すなわち、下地となる、第２の電極２５及び第１の電極２３の材料、電気−機械変換膜２４の材料、基板２１上面の材料と密着性が高い材料であることが好ましい。このため、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｙ２Ｏ３、Ｔａ２Ｏ３、ＴｉＯ２などの酸化膜が例として挙げられる。
第１の絶縁保護膜の成膜方法は特に限定されるものではないが、電気−機械変換素子を損傷しない成膜方法を選択することが好ましい。このため、蒸着法、ＡＬＤ法を好ましく用いることができ、中でも適用できる材料の選択肢が多いＡＬＤ法により成膜することが好ましい。特にＡＬＤ法によれば、膜密度の非常に高い薄膜を作製することができ、プロセス中での電気−機械変換素子へのダメージを抑制することができる。
第１の絶縁保護膜の膜厚は特に限定されるものではないが、電気−機械変換素子の保護性能を確保できる十分な厚さであり、かつ、電気−機械変換素子の変位を阻害しないように可能な限り薄いことが好ましい。例えば、第１の絶縁保護膜の膜厚は２０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であることが好ましい。１００ｎｍより厚い場合は、電気−機械変換素子の変位を阻害する場合がある。一方、２０ｎｍより薄い場合は電気−機械変換素子の保護層としての機能が十分ではなく、電気−機械変換素子の性能が低下する場合がある。
また第１の絶縁保護膜を複数層からなる構成とすることができる。例えば２層から構成する場合、２層目の絶縁保護膜を厚くするため、電気−機械変換素子の振動変位を著しく阻害しないように第２の電極付近において２層目の絶縁保護膜に開口部を形成する構成も挙げられる。この場合、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、例えば半導体デバイスで一般的に用いられるＳｉＯ２を用いることが好ましい。成膜は任意の手法を用いることができ、ＣＶＤ法、スパッタリング法等により成膜することができる。特に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についても特に限定されるものではなく、各電極に印加される電圧を考慮し、絶縁破壊されない膜厚を選択することが好ましい。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ことが好ましい。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以上であることが好ましく、５００ｎｍ以上であることが好ましい。
上記の様に、第１の電極、第２の電極はそれぞれパッドと接続するように構成することができる。この場合、第１の電極２３、第２の電極２５とパッド２９、３１との間は、第３の電極２８、第４の電極３０により接続することができる。この場合、各電極とパッド間を接続する第３の電極２８、第４の電極３０の材料については特に限定されるものではなく、各種導電性材料を用いることができる。特に、Ｃｕ、Ａｌ、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、Ａｇ合金、Ａｌ合金から選択されるいずれかの材料により構成されていることが好ましい。
第３の電極２８、第４の電極３０の作製方法は特に限定されるものではなく、任意の方法により形成することができる。例えば、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ことができる。
接続部材の膜厚についても特に限定されるものではないが、０．１μｍ以上２０μｍ以下が好ましく、０．２μｍ以上１０μｍ以下がより好ましい。膜厚が係る範囲より薄いと抵抗が大きくなり電極に十分な電流を流すことができない場合がある。また、係る範囲より厚いと製造プロセスに時間を要するため生産性が低下し好ましくない。
また、第１の絶縁保護膜２６を設ける場合、第３、第４の電極はそれぞれ、第１の絶縁保護膜２６に、コンタクトホール２７を設け、該コンタクトホールにおいて第１の電極２３、第２の電極２５と接続することができる。コンタクトホール２７のサイズは特に限定されるものではないが、例えば１０μｍ×１０μｍの大きさとすることができる。そして、コンタクトホール２７における接触抵抗として、第１の電極（共通電極）については１０Ω以下、第２の電極（個別電極）については１Ω以下となるように構成することが好ましい。係る範囲とすることにより、各電極に十分な電流を安定して供給できるため好ましい。特に、第１の電極（共通電極）については５Ω以下、第２の電極（個別電極）については０．５Ω以下となるように構成することが好ましい。
また、本実施形態の電気−機械変換膜においては第２の絶縁保護膜３２を設けることができる。第２の絶縁保護膜３２は第３の電極２８、第４の電極３０を保護する機能を有するパシベーション層である。
図１１に示す通り、第２の絶縁保護膜３２は、第３の電極２８、第４の電極３０上を被覆し、第３の電極２８、第４の電極３０に接続されたパッド２９、３１部分において開口部を有する構成とすることができる。これにより第３の電極２８、第４の電極３０に安価なＡｌもしくはＡｌを主成分とする合金材料を用いた場合でも電気−機械変換素子の信頼性を高めることができる。また、これらの接続部材等に安価な材料を用いることができるため、電気−機械変換素子のコストを低減することができる。
第２の絶縁保護膜３２の材料としては特に限定されるものではなく、任意の無機材料、有機材料を使用することができるが、特に透湿性の低い材料とすることが好ましい。無機材料としては、例えば、酸化物、窒化物、炭化物等を用いることができる。また、有機材料としては例えば、ポリイミド、アクリル樹脂、ウレタン樹脂等を用いることができる。
ただし有機材料の場合には絶縁保護膜として機能させるためには、その膜厚が厚くなり、パターニングを行うことが困難な場合がある。このため、薄膜で配線保護機能を発揮できる無機材料を好ましく用いることができる。特に、第３の電極２８、第４の電極３０としてＡｌ配線を用いた場合には、第２の絶縁保護膜３２としてはＳｉ３Ｎ４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。
第２の絶縁保護膜３２の膜厚は２００ｎｍ以上とすることが好ましく、５００ｎｍ以上とすることがより好ましい。これは、膜厚が薄い場合は十分なパシベーション機能を発揮できないため、第３、第４の電極の腐食による断線が発生する等して信頼性を低下させてしまう場合があるためである。
また、第２の絶縁保護膜は、電気−機械変換素子上に開口部をもつ構造が好ましく、後述する液滴吐出ヘッドとする場合には、さらに振動板部分にも開口部を有する構造とすることが好ましい。これは電気−機械変換素子の振動変位を著しく阻害しないようにするためであり、より高効率かつ高信頼性の電気−機械変換素子とすることができ好ましい。
第２の絶縁保護膜は、各パッドを露出するための開口部を形成することができ、開口部の形成には、例えばフォトリソグラフィー法とドライエッチングを用いることができる。
また、共通電極パッド部、個別電極パッド部の面積は特に限定されるものではないが、パッド部、第２の絶縁保護膜を形成してから分極処理を行う場合、係るパッド部から電荷が供給されるため、分極処理が十分に行える様にその面積を選択することが好ましい。例えば、各パッドはその大きさが５０×５０μｍ２以上になっていることが好ましく、さらに１００×３００μｍ２以上になっていることがより好ましい。
以上、本実施形態の電気−機械変換素子２０について説明してきたが、係る電気−機械変換素子２０は、クラックを有さず、分極率の低い電気−機械変換素子となっている。このため、電気−機械変換素子の所定駆動電圧に対する変位量を安定させることができ、初期や連続駆動後であっても安定して十分な特性を得ることができる。
本実施形態の電気−機械変換素子の製造方法は特に限定されるものではないが、第１の実施形態〜第３の実施形態において説明した電気−機械変換素子の製造装置により好適に製造することができる。
［第５の実施形態］
本実施形態では、第４の実施形態で説明した電気−機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドについて説明する。
本実施形態の液滴吐出ヘッドは、液滴を吐出するノズルと、前記ノズルが連通する加圧室と、前記加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段と、を備えている。
そして、前記吐出駆動手段が、第１の実施形態〜第３の実施形態の電気−機械変換素子の製造装置により製造された電気−機械変換素子２０であることを特徴とする。
具体的な構成について、図１２、図１３を用いて説明する。図１２に一つのノズルを有する液滴吐出ヘッド構成を示す。また図１３にこれらを複数個配置したものを示す。
図１３に示すように、本実施形態の液滴吐出ヘッドは、基板２１部分に加圧室８１が形成され、加圧室８１の下端部分には、液滴を吐出するノズル８２が設けられたノズル板８３が配置されている。そして、電気−機械変換素子に電圧が印加され、電気−機械変換膜２４が変位すると、下地膜（振動板）２２が変形変位して加圧室８１の液体をノズル８２から吐出するように構成されている。そして、図１３に示すように液滴吐出ヘッドを複数個配列した構成とすることもできる。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。
以上のような液滴吐出ヘッドにおいては、第４の実施形態で説明した電気−機械変換素子を備えているため、予め十分に分極処理を施されており、分極率の低い電気−機械変換素子となっている。このため、所定の電位に対して電気−機械変換素子が安定した変形を示し、その結果、液滴吐出ヘッドも安定した液滴吐出を行うことが可能になる。
［第６の実施形態］
本実施形態では、第５の実施形態で説明した液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置について説明する。
本実施形態の液滴吐出装置の構成例について図１４及び図１５を参照して説明する。なお、図１４は同液滴吐出装置の斜視説明図、図１５は同液滴吐出装置の機構部の側面説明図である。
この液滴吐出装置は、記録装置本体９１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第５の実施形態の液滴吐出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９２等を収納している。
装置本体９１の下方部には前方側から多数枚の用紙９３を積載可能な給紙カセット（或いは給紙トレイでもよい。）９４を抜き差し自在に装着することができ、また、用紙９３を手差しで給紙するための手差しトレイ９５を開倒することができる。そして、給紙カセット９４或いは手差しトレイ９５から給送される用紙９３を取り込み、印字機構部９２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９６に排紙する。
印字機構部９２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１０１と従ガイドロッド１０２とでキャリッジ１０３を主走査方向に摺動自在に保持している。キャリッジ１０３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液滴吐出ヘッドからなるヘッド１０４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ている。そして、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１０３にはヘッド１０４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１０５を交換可能に装着している。
インクカートリッジ１０５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いる。
そして、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１０４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１０３は後方側（用紙搬送方向下流側）を主ガイドロッド１０１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１０２に摺動自在に載置している。そして、このキャリッジ１０３を主走査方向に移動走査するため、主走査モーター１０７で回転駆動される駆動プーリ１０８と従動プーリ１０９との間にタイミングベルト１１０を張装している。このタイミングベルト１１０をキャリッジ１０３に固定しており、主走査モーター１０７の正逆回転によりキャリッジ１０３が往復駆動される。
次に、給紙カセット９４にセットした用紙９３をヘッド１０４の下方側に搬送する機構について説明する。まず、給紙カセット９４から用紙９３を分離給装する給紙ローラ１１１及びフリクションパッド１１２と、用紙９３を案内するガイド部材１１３と、給紙された用紙９３を反転させて搬送する搬送ローラ１１４を有している。そして、この搬送ローラ１１４の周面に押し付けられる搬送コロ１１５及び搬送ローラ１１４からの用紙９３の送り出し角度を規定する先端コロ１１６と、を設けている。搬送ローラ１１４は副走査モーター１１７によってギヤ列を介して回転駆動される。
キャリッジ１０３の主走査方向の移動範囲に対応して搬送ローラ１１４から送り出された用紙９３を記録ヘッド１０４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１１９を設けている。この印写受け部材１１９の用紙搬送方向下流側には、用紙９３を排紙方向へ送り出すために回転駆動される搬送コロ１２１、拍車１２２を設けている。さらに用紙９３を排紙トレイ９６に送り出す排紙ローラ１２３及び拍車１２４と、排紙経路を形成するガイド部材１２５、１２６とを配設している。
記録時には、キャリッジ１０３を移動させながら画像信号に応じて記録ヘッド１０４を駆動することにより、停止している用紙９３にインクを吐出して１行分を記録し、用紙９３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９３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９３を排紙する。
また、キャリッジ１０３の移動方向右端側の記録領域を外れた位置には、ヘッド１０４の吐出不良を回復するための回復装置１２７を配置している。回復装置１２７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１０３は印字待機中にはこの回復装置１２７側に移動されてキャッピング手段でヘッド１０４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１０４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す。これにより、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。
本実施形態の液滴吐出装置においては、第５の実施形態で説明した液滴吐出ヘッドを備えているため、該液滴吐出ヘッドに含まれる電気−機械変換素子は予め十分に分極処理を施されており、分極率の低い電気−機械変換素子となっている。このため、所定の電位に対して電気−機械変換素子が安定した変形を示し、その結果液滴吐出装置も安定して液滴吐出を行うことが可能になる。
以下に具体的な実施例を挙げて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
まず、以下の実施例、比較例における評価方法について説明する。
本実施例では、図４（Ａ）〜図４（Ｃ）に示した３種類の異なるコロナ電極１１−１〜１１−３を製作した。各コロナ電極をサンプル１〜サンプル３とした。コロナ電極の形状を変更しても、圧電素子に適切な分極処理が施されるかを評価した。第１の実施形態に示した電気−機械変換素子の製造装置１０（図２）を使用して、コロナ電極１１を順次変えて実験を行った。評価の比較例として、コロナ電極として１本のタングステンワイヤ使用した場合についても同様の実験を行った。
［サンプル１］
サンプル１のコロナ電極１１−１は、図４（Ａ）に示すとおりである。
即ち、コロナ電極１１−１は、上記したように、電気−機械変換素子２０と対向する対向面に、尖端突起部１１０として複数の針電極３０を面方向に配置した構造を有し、当該針電極３０は、電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置が揃う構成とした。針電極３０は、電気−機械変換素子２０の上面と直交し、先端が電気−機械変換素子２０と対向する態様で配置した。
針電極３０は、φ２ｍｍのタングステン針とし、先端をＲ３０μｍの針状に加工し、当該加工した複数のタングステン針電極３０をφ１６０ｍｍに束ねて形成した。電極密度は針電極：２５本／ｃｍ２とした。
［サンプル２］
サンプル２のコロナ電極１１−２は、図４（Ｂ）に示すとおりである。
即ち、コロナ電極１１−２は、電気−機械変換素子２０と対向する対向面に、尖端突起部１１０として複数の平板状の電極板３１が対向面と垂直に、且つ電極板３１同士をコロナ電極１１−２の面内方向（Ｙ−Ｙ方向）に向かって互いに平行になるように配置した。電極板３１には、板厚１ｍｍ、幅０．５ｍｍのタングステン電極板を使用した。電極板３１の電気−機械変換素子２０と対向する側の辺には、鋸刃形状を有する鋸刃電極３２を２ｍｍのピッチで形成した。上記の電極板３１は、隣接する電極板３１間における鋸刃電極３２の先端部を、１ｍｍずつ互い違いにずらして重ねて合せた。
鋸刃電極３２の電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置は、揃う構成とし、電気−機械変換素子２０の上面と鋸刃電極３２の先端面とは、平行な位置関係に配置した。
電極密度は、鋸刃電極：５０個／ｃｍ２とした。
［サンプル３］
サンプル３のコロナ電極１１−３は、図４（Ｃ）に示すとおりである。
即ち、コロナ電極１１−３は、電気−機械変換素子２０と対向するように配置された平板３３と、当該平板３３と垂直に、且つ間隔をあけて配置された複数の針電極３４を尖端突起部１１０として備えた。平板３３には、コロナ電極１１の大きさに形成された板厚１ｍｍ以下の電極板を使用し、φ２ｍｍのタングステンの針電極３４を、３ｍｍのピッチで針孔（図示省略）に差し込んでいる。電極密度は、タングステン針：１１本／ｃｍ２とした。針電極３４は、電気−機械変換素子２０の上面と直交し、先端が電気−機械変換素子２０と対向する態様で配置し、電気−機械変換素子２０と対向する側の先端位置を揃えて形成した。平板３３には、前記針電極の間に上部から気体を流すφ０．８ｍｍ貫通孔３５を設けた。気体としては、酸素２０％／窒素８０％のガスを使用した。
［圧電素子の作製］
次に、ステージ本体部１３０に載置する圧電素子２０を作製した。
まず、６インチのシリコンウエハ１７に、熱酸化膜（膜厚１μｍ）を形成する。本実施例では主に（１００）面の面方位を有する単結晶シリコンを使用した。
第１の電極の密着膜として、チタン膜（膜厚３０ｎｍ）をスパッタ装置にて成膜した。成膜温度は３５０℃とした。なお、スパッタ装置は、１つのチャンバーに対して、複数のターゲットが備え付けられている。
次に、ＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）を用いて７５０℃にて熱酸化し、引き続き金属膜として白金膜（膜厚１００ｎｍ）、酸化物膜としてＳｒＲｕＯ膜(膜厚６０ｎｍ)をスパッタ成膜する。スパッタ成膜時の基板加熱温度については５５０℃にて成膜した。
次に、電気−機械変換膜としてＰｂ：Ｚｒ：Ｔｉ＝１１４：５３：４７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する。
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。なお、これらの出発材料は、Ｐｂ（Ｚｒ０．５３、Ｔｉ０．４７）Ｏ３の化学両論組成に対し、鉛量が過剰になる組成となるように秤量した。これは、熱処理中の所謂、鉛抜けによる結晶性低下を防ぐためである。
次に、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た容器に対して、アルコール交換反応、エステル化反応を進行させた。
次に、これらの溶液を、混合しＰＺＴ前駆体溶液を作製した。ＰＺＴ前駆体溶液は、０．５ｍｏｌ／ｌとした。この液を用いて、スピンコートにより成膜し、成膜後、１２０℃で乾燥させ、５００℃で熱分解を行った。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の電極として酸化物膜として、ＳｒＲｕＯ膜(膜厚４０ｎｍ)、金属膜として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ー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、図１１に示すパターンを作製した。
次に、第１の絶縁保護膜として、ＡＬＤ（Ａｔｏｍｉｃ Ｌａｙｅｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）工法を用いてＡｌ２Ｏ３膜を５０ｎｍ成膜した。このとき原材料としてＡｌについては、ＴＭＡ（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Ｏ３を交互に積層させることで、成膜を進めた。
その後、図１１に示すように、エッチングによりコンタクトホール部を形成した。その後、第３、第４の電極として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の絶縁膜としてＳｉ３Ｎ４をプラズマＣＶＤにより５００ｎｍ成膜し、電気−機械変換素子２０（圧電素子２０）を作製した。このとき、６インチのシリコンウエハ内３０ｍｍ×１０ｍｍ四方のエリアに圧電素子２０を２５個配置した。
［分極処理］
比較例のコロナ電極及びサンプル１〜サンプル３のコロナ電極を用いて、電気−機械変換素子の製造装置により作製した圧電素子２０に対して、分極処理を行った。
本実施例で使用した圧電素子２０は、電気−機械変換膜にＰＺＴ膜を使用しているので、分極処理時のステージ本体部１３０の加熱温度を、１２０℃まで上げた場合と、１６０℃まで上げた場合とで比較した。分極処理後の各圧電素子２０の分極量差（平均値）を図１６に示す。
１本のコロナワイヤ電極（比較例）においては、ステージ１３の加熱温度１２０℃の条件でコロナ分極処理をした際の分極量差の平均が、７．０μｃ/ｃｍ２であり、１６０℃の条件でコロナ分極処理をした際の分極量差の平均が、９．０μｃ/ｃｍ２であった。したがって、両者共にコロナ分極処理後、高温に保持された影響で脱分極が起こっていることが分かる。特に、高温（１６０℃）になるほど脱分極が著しい。
サンプル１〜サンプル３においては、ステージ１３の加熱温度１２０℃の条件でコロナ分極処理をした結果、全てのケースについて分極量差の平均が、３．０μｃ/ｃｍ２であった。また、ステージ１３の加熱温度１６０℃の条件でコロナ分極処理をした結果、全てのケースについて平均分極量差２．０μｃ/ｃｍ２を得た。分極量差は、５．０μｃ/ｃｍ２以下であれば良好とされているので、非常に精度の高い分極処理が行われていることが分かる。また、特に、高温（１６０℃）になるほど分極量差が低くなっており、好ましい分極処理方法であると言える。
これは、シリコンウエハの面内を一括でコロナ分極処理して、面内の分極処理のバラツキを低減できることから、基板加熱効果がそのままクラックフリーで得られる分極量差として更に小さくできるからであると考えられる。
したがって、上記したサンプル１〜３のコロナ電極を使用して、電気−機械変換素子を製造すると、基板または下地膜を破損させることなく、分極のバラツキが少ないコロナ分極処理を施すことができることが分かった。
因みに、図示することは省略したが、更に第２、第３の実施形態に示す電気−機械変換素子の製造装置を適用して、電気−機械変換素子の製造方法を実施すると、更に安定した圧電素子２０を製造できることも確認されている。
以上、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明した。なお、上記の記載は、実施形態を理解するためのものであり、実施形態の範囲を限定するものではない。更に、上記の複数の実施形態は、相互に排他的なものではない。したがって、矛盾が生じない限り、異なる実施形態の各要素を組み合わせることも意図しており、特許請求の範囲に記載された開示の技術の要旨の範囲内において、種々の変形、変更が可能である。
１０ 電気−機械変換素子の製造装置
１１（１１−１、１１−２、１１−３） コロナ電極
１２ グリッド電極
１３ ステージ
１４ コロナ電極用電源
１５ グリッド電極用電源
１６ アース線
１７ シリコンウエハ
２０ 電気−機械変換素子（圧電素子）
２１ 基板
２２ 下地膜
２３ 第１の電極
２４ 電気−機械変換膜
２５ 第２の電極
２６ 第１の絶縁保護膜
２７ コンタクトホール
２８ 第３の電極
２９ （共通電極）パッド
３０ 第４の電極
３１ （個別電極）パッド
３２ 第２の絶縁保護膜
特開２００６−２０３１９０号公報

Claims (15)

  1. 基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置であって、
    コロナ放電により電荷を発生させるコロナ電極と、
    前記電気−機械変換素子を設置するステージと、
    前記コロナ電極と前記ステージとの間に配置されたグリッド電極と、
    前記電気−機械変換素子を加熱する加熱機構と、を有し、
    前記コロナ電極は、面状形状を有する電極であって、前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の尖端突起部が形成された構造を有しており、
    前記コロナ電極は、
    前記電気−機械変換素子と対向するように配置された平板と、当該平板と垂直に、且つ間隔をあけて配置された複数の針電極とを有し、
    前記針電極は、前記電気−機械変換素子と対向する側の先端位置が揃っており、
    前記平板には、前記針電極の間に貫通孔が設けられていることを特徴とする、電気−機械変換素子の製造装置。
  2. 基板または下地膜上に第１の電極、電気−機械変換膜、第２の電極が積層された構造を有する電気−機械変換素子に対して、分極処理を行う電気−機械変換素子の製造装置であって、
    コロナ放電により電荷を発生させるコロナ電極と、
    前記電気−機械変換素子を設置するステージと、
    前記コロナ電極と前記ステージとの間に配置されたグリッド電極と、
    前記電気−機械変換素子を加熱する加熱機構と、を有し、
    前記コロナ電極は、面状形状を有する電極であって、前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の尖端突起部が形成された構造を有しており、
    前記ステージは、
    前記電気−機械変換素子を設置するステージ本体部と、前記加熱機構を備えたステージ加熱部と、
    前記ステージ本体部とステージ加熱部との距離を変位させる変位手段と、
    を有していることを特徴とする、電気−機械変換素子の製造装置。
  3. 前記コロナ電極は、
    前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の針電極を面方向に配置した構造を有し、
    前記複数の針電極は、前記電気−機械変換素子と対向する側の先端位置が揃っていることを特徴とする、請求項２に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  4. 前記コロナ電極は、
    前記電気−機械変換素子と対向する対向面に、複数の平板状の電極板が前記対向面と垂直に、且つ前記電極板同士を互いに平行に配置した構造を有し、
    前記電極板の前記電気−機械変換素子と対向する側の辺には、鋸刃形状の鋸刃電極を有し、隣接する電極板間における前記鋸刃電極の先端部は、互い違いで、且つ先端位置が揃っていることを特徴とする、請求項２に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  5. 前記コロナ電極は、正極であることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか一項に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  6. 前記電気−機械変換素子の製造装置は、
    前記コロナ電極を旋回させる旋回機構を有していることを特徴とする、請求項１に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  7. 前記コロナ電極は、電圧調整機構を有するコロナ電極用電源と接続されていることを特徴とする、請求項１乃至６の何れか一項に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  8. 前記グリッド電極は、メッシュ加工が施された面状電極であり、
    前記ステージは、前記グリッド電極と水平方向に移動可能な構成とされ、前記ステージの移動距離は前記グリッド電極のメッシュピッチ以上であることを特徴とする、請求項１に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  9. 前記ステージは、
    前記電気−機械変換素子を設置するステージ本体部と、前記加熱機構を備えたステージ加熱部と、
    前記ステージ本体部とステージ加熱部との距離を変位させる変位手段と、
    を有していることを特徴とする、請求項１に記載した電気−機械変換素子の製造装置。
  10. 請求項１乃至７何れか一項に記載の電気−機械変換素子の製造装置を使用し、
    前記電気−機械変換素子の分極処理を行う分極処理工程を有しており、
    前記電気−機械変換素子の製造装置の前記ステージは、
    前記電気−機械変換素子を設置するステージ本体部と、前記加熱機構を備えたステージ加熱部と、前記ステージ本体部とステージ加熱部との距離を変位させる変位手段と、を有し、
    前記分極処理工程において、
    前記変位手段により、前記ステージ加熱部と前記ステージ本体部との距離を離間させながら分極処理を行うことを特徴とする、電気−機械変換素子の製造方法。
  11. 前記電気−機械変換素子の製造装置の前記コロナ電極は、
    電圧調整機構を有するコロナ電極用電源と接続されており、
    前記分極処理工程において、
    前記コロナ電極用電源は、前記ステージ加熱部と前記ステージ本体部との距離を離間させながら分極処理を行うとき、前記電圧調整機構によって前記コロナ電極に印加する電圧を徐々に下げることを特徴とする、請求項１０に記載した電気−機械変換素子の製造方法。
  12. 前記電気−機械変換素子の製造装置の前記グリッド電極は、
    メッシュ加工が施された面状電極とされ、
    前記ステージは、前記グリッド電極に対して水平方向に移動可能な構成とされており、
    前記分極処理工程において、
    前記ステージは、前記電気−機械変換素子を前記グリッド電極のメッシュピッチより大きく水平方向に移動させることを特徴とする、請求項１０又は１１の何れか一項に記載した電気−機械変換素子の製造方法に適用される電気−機械変換素子の処理方法。
  13. 請求項１乃至９の何れか一項記載の電気−機械変換素子の製造装置により分極処理が施された圧電素子。
  14. 請求項１３記載の圧電素子を備えた液滴吐出ヘッド。
  15. 請求項１４記載の液滴吐出ヘッドを備えたインクジェット記録装置。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6080870A (ja) * 1983-10-12 1985-05-08 Fuji Xerox Co Ltd コロナ放電装置
US4863648A (en) * 1986-07-03 1989-09-05 Rutgers, The State University Of New Jersey Process for making polarized material
JPH06332287A (ja) * 1993-05-25 1994-12-02 Ricoh Co Ltd 転写装置
JP3074095B2 (ja) * 1993-06-18 2000-08-07 シャープ株式会社 コロナ放電装置
JPH08180959A (ja) * 1994-12-20 1996-07-12 Ulvac Japan Ltd コロナ分極処理方法およびコロナ分極装置
JPH0992440A (ja) * 1995-09-25 1997-04-04 Konica Corp コロナ放電電極及びこれを用いたコロナ帯電装置
JP2009007203A (ja) * 2007-06-28 2009-01-15 Sumitomo Metal Mining Co Ltd 酸化物単結晶育成装置及びそれを用いた酸化物単結晶の製造方法
US8135309B2 (en) * 2009-05-27 2012-03-13 Xerox Corporation Compact, long life charging device
JP2011181554A (ja) * 2010-02-26 2011-09-15 Daikin Industries Ltd 分極処理方法、および分極処理装置
JP5836755B2 (ja) * 2011-10-04 2015-12-24 富士フイルム株式会社 圧電体素子及び液体吐出ヘッド

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