JP6341446B2 - 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、液滴吐出装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(1)
|−EcP−(−Ec)|>0.15×EcPav ・・・(2)
を駆動パルス信号繰り返し印加前の97%以上に抑制することができる。
本発明に係る圧電体膜を有する電気機械変換素子は、液滴吐出ヘッド及びそれを使用した液滴吐出装置及び画像形成装置に適用することができる。この液滴吐出ヘッドを使用した画像形成装置は、一般的にはインクジェット記録装置と呼ばれている。インクジェット記録装置には、騒音が極めて小さくかつ高速印字が可能であり、更にはインクの自由度があり安価な普通紙を使用できるなど多くの利点があるために、プリンタ、ファクシミリ、複写装置等の画像形成装置(画像記録装置を含む)として広く展開されている。
(1)基板または下地膜上に第1の電極を形成するステップ
(2)第1の電極上に圧電体膜を形成するステップ
(3)圧電体膜上に第2の電極を形成するステップ
(4)圧電体膜の分極処理を行うステップ
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(1)
|−EcP−(−Ec)|>0.15×EcPav ・・・(2)
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(3)
|−EcP−(−Ec)|>0.26×EcPav ・・・(4)
図3は、本実施形態に係る電気機械変換素子の概略構成の一例を示す断面図である。図4は、同電気機械変換素子を備えた1ノズルタイプの液体吐出ヘッドの要部の概略構成の一例を示す断面図である。図5は、同電気機械変換素子を備えた複数ノズルタイプの液体吐出ヘッドの要部の概略構成の一例を示す断面図である。なお、図4及び図5において液体供給手段、流路、流体抵抗などについては図示を省略した。
電界印加の第1周期T1では、図7(a)に示すように、測定サンプルの圧電体膜204にはじめての電界を印加したとき、分極値は原点(図中の開始点)から出発し、正極性の最大印加電界(300[kV/cm])で分極値は最大になる。そして、電界強度0[kV/cm]において残留分極(+Pr)を示す。ここから負極性の電界強度を増していくと、分極値は0[μC/cm2]になり、このときの電界強度を抗電界(−Ec)と呼ぶ。その後、負の最大電界強度を経て、再び電界強度を0[kV/cm]にしたとき、分極値は残留分極(−Pr)をもち、原点には戻らない。
また、図9(a)及び(b)はそれぞれ、負極性の分極処理後の電界印加の第1周期(第1サイクル目)T1及び第2周期(第2サイクル目)T2におけるP−E曲線の一例を示すグラフである。
図8の正極性の分極処理後のP−E曲線測定(バイポーラ電界印加サイクル)では、第1周期T1における負極性の抗電界を「−EcP」と表記し、第2周期T2における正極性の抗電界を「EcP」と表記する。
また、図9の負極性の分極処理後のP−E曲線測定(バイポーラ電界印加サイクル)では、第1周期T1における正極性の抗電界を「EcP」と表記し、第2周期T2における負極性の抗電界を「−EcP」と表記する。
|−EcP−(−Ec)| ・・・(5)
(EcP−Ec) ・・・(6)
EcPav=(|−EcP|+EcP)/2 ・・・(7)
実施例1〜14では、シリコンウエハに熱酸化膜(膜厚[1μm])を形成した後、酸化チタン膜(例えば膜厚50[nm])と、第1の電極としての白金膜(例えば、膜厚100[nm])とを順次スパッタ成膜した。酸化チタン膜は、熱酸化膜と白金膜との間の密着層としての役割を持つ。スパッタ成膜時の基板201の加熱温度は550℃に設定した。
比較例1では、液室206を形成した後、分極処理を行わないで、電気機械変換素子とした。また、比較例2〜4では、液室206を形成した後、抗電界以上の電界(300[kV/cm])を印加して分極処理を施し、圧電体膜(PZT膜)の分極状態を、駆動電圧の方向に揃え、電気機械変換素子とした。ここで、比較例2〜4では、分極処理後の圧電体膜が前述の式(1)及び(2)の条件の条件を満たさない互いに異なる複数種類の分極特性(ヒステリシス特性)を有するように分極処理を行った。
駆動パルス信号Aを印加する場合は、下記の式(1)及び式(2)を満たすヒステリシス特性が得られるように分極処理を行う。これにより、圧電体膜の電圧印加時の表面変位量の経時的な低下を97[%]以上且つ103[%]以下の範囲内に抑制できる。
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(1)
|−EcP−(−Ec)|>0.15×EcPav ・・・(2)
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(3)
|−EcP−(−Ec)|>0.26×EcPav ・・・(4)
図14は、本実施形態に係るインクジェット記録装置の一例を示す斜視図であり、図15は、同インクジェット記録装置の機構部を側面から見た説明図である。本実施形態のインクジェット記録装置は、記録装置本体81の内部に印字機構部82等を収納している。印字機構部82は、主走査方向に移動可能なキャリッジ93と、キャリッジ93に搭載した液滴吐出ヘッド94へ画像形成用の液体であるインクを供給する液体カートリッジとしてのインクカートリッジ95等で構成されている。また、装置本体81の下方部には、前方側から多数枚の記録媒体としての用紙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る。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る。そして、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。
(態様A)
基板または下地膜上に下部電極203等の第1の電極を形成するステップと、第1の電極上にPZTからなる圧電体膜204を形成するステップと、圧電体膜204上に上部電極205等の第2の電極を形成するステップと、圧電体膜204の分極処理を行うステップと、を含む電気機械変換素子の製造方法であって、前記分極処理は、第1の電極を電位を基準にして正極性の電圧を、第2の電極に印加する処理であり、電気機械変換素子の初期の負極性側の抗電界を−Ecとし、正極性の電圧を印加する分極処理を行った後の負極性側の抗電界及び正極性側の抗電界をそれぞれ−EcP及びEcPとし、抗電界−EcP及びEcPそれぞれの絶対値の平均値をEcPav(=(|−EcP|+EcP)/2)としたとき、下記の式(1)及び式(2)を満たす。
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(1)
|−EcP−(−Ec)|>0.15×EcPav ・・・(2)
これによれば、上記実施形態における実施例1〜14の実験結果で説明したように、上記式(1)及び式(2)を満たす圧電体膜が得られるように分極処理を行うことにより、圧電体膜内の有効電荷を有する格子空孔を圧電体膜の厚さ方向の端部に移動させる。こように圧電体膜の厚さ方向の端部に移動した格子空孔の電荷により、圧電体膜のPZTの自発分極を促進させる向きの内部電界Eiを発生させ、圧電体膜の分極状態を安定化させることができる。これにより、上記所定の駆動パルス信号Aを3.6×108回繰り返し印加した後において、圧電体膜の電圧印加時の変形量(表面変位量)の低下を駆動パルス信号繰り返し印加前の97%以上に抑制することができる。
(態様B)
上記態様Aにおいて、下記の式(3)及び式(4)を満たす。
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(3)
|−EcP−(−Ec)|>0.26×EcPav ・・・(4)
これによれば、上記実施形態及び実施例8〜14について説明したように、上記駆動パルス信号Aよりも変形させやすいマイナーループ駆動の上記所定の駆動パルス信号Bを印加した場合でも、その駆動パルス信号Bを3.6×108回繰り返し印加した後において、圧電体膜の電圧印加時の変形量(表面変位量)の低下を駆動パルス信号繰り返し印加前の97%以上に抑制することができる。
(態様C)
上記態様A又はBにおいて、前記分極処理は、コンデンサを介して直流電源と電気機械変換素子とを直列接続した回路にて処理される。
これによれば、上記実施形態について説明したように、絶縁破壊を防ぎつつ高い電界強度にて分極処理を行うことができる。
(態様D)
基板または下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された第2の電極とを備えた電気機械変換素子であって、上記態様A乃至Cのいずれかの製造方法で製造されている。
これによれば、上記実施形態について説明したように、電気機械変換膜の電圧印加時の変形量の経時的な劣化を確実に抑制することができる。
(態様E)
上記態様A乃至Cのいずれかの製造方法で製造した電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッドである。これによれば、上記実施形態について説明したように、液滴吐出特性の経時的な劣化を確実に抑制することができる。
(態様F)
上記態様Eの液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置である。これによれば、上記実施形態について説明したように、液滴吐出特性の経時的な劣化を確実に抑制することができる。
(態様G)
上記態様Eの液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置である。これによれば、上記実施形態について説明したように、液滴吐出特性の経時的な劣化を確実に抑制することができる。
201 基板
202 振動板
203 第1の電極(下部電極)
204 圧電体膜(PZT膜)
205 第2の電極(上部電極)
206 液室(圧力室)
207a ノズル
207 ノズル板
Claims (6)
- 基板または下地膜上に第1の電極を形成するステップと、
前記第1の電極上にPZTからなる圧電体膜を形成するステップと、
前記圧電体膜上に第2の電極を形成するステップと、
前記圧電体膜の分極処理を行うステップと、を含む電気機械変換素子の製造方法であって、
前記分極処理は、前記第1の電極の電位を基準にして正極性の電圧を、前記第2の電極に印加する処理であり、
前記電気機械変換素子の初期の負極性側の抗電界を−Ecとし、前記正極性の電圧を印加する分極処理を行った後の負極性側の抗電界及び正極性側の抗電界をそれぞれ−EcP及びEcPとし、該抗電界−EcP及びEcPそれぞれの絶対値の平均値をEcPav(=(|−EcP|+EcP)/2)としたとき、下記の式(1)及び式(2)を満たし、
前記分極処理は、コンデンサを介して直流電源と電気機械変換素子とを直列接続した回路にて処理されることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(1)
|−EcP−(−Ec)|>0.15×EcPav ・・・(2) - 請求項1の電気機械変換素子の製造方法において、
下記の式(3)及び式(4)を満たすことを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。
−EcP−(−Ec)<0 ・・・(3)
|−EcP−(−Ec)|>0.26×EcPav ・・・(4) - 基板または下地膜上に形成された第1の電極と、前記第1の電極上に形成された圧電体膜と、前記圧電体膜上に形成された第2の電極とを備えた電気機械変換素子であって、
請求項1又は2の製造方法で製造されたことを特徴とする電気機械変換素子。 - 請求項1又は2の製造方法で製造した電気機械変換素子を備えた液滴吐出ヘッド。
- 請求項4の液滴吐出ヘッドを備える液滴吐出装置。
- 請求項4の液滴吐出ヘッドを備える画像形成装置。
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