(57)【要約】【課題】  長期に亘り優れた変位特性を維持できる液体噴射ヘッドを提供する。【解決手段】  圧電素子３００の初期状態の分極−電界ヒステリシス特性において、正方向の電界及び負方向の電界をこの順で圧電素子３００に印加したとき、該正方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して１．５倍以内で正側に増加したものとなり、負方向の電界及び正方向の電界をこの順で圧電素子３００に印加したとき、該負方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して、２．０倍以上５．０倍以下の範囲内で負側に増加したものとなる。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に変位可能に設けられた圧電体層と、を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドであって、
前記圧電素子の初期状態の分極−電界ヒステリシス特性において、
正方向の電界及び負方向の電界をこの順で前記圧電素子に印加したとき、該正方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して１．５倍以内で正側に増加したものとなり、
負方向の電界及び正方向の電界をこの順で前記圧電素子に印加したとき、該負方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して、２．０倍以上５．０倍以下の範囲内で負側に増加したものとなることを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記正方向の電界及び前記負方向の電界をこの順で印加したとき、前記負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流量は、前記負方向の電界及び前記正方向の電界をこの順で印加したとき、前記正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流量に対して、１．５倍以上５．０倍以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項１に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項３】
前記圧電体層の膜厚が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内の値であることを特徴とする請求項１又は２に記載の液体噴射ヘッド。
【請求項４】
請求項１〜３の何れか１項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５】
第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に変位可能に設けられた圧電体層と、を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
パターニングした前記第１電極上に前記圧電体層を積層し、前記圧電体層上に前記第２電極の少なくとも一部を積層した後、前記圧電体層及び前記第２電極をエッチングするエッチング工程と、
前記エッチング工程の後、所定温度以上でアニール処理するアニール工程と、を具備することを特徴とする液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記アニール工程の後、前記第２電極の残りを積層する工程をさらに具備することを特徴とする請求項５に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記圧電素子の分極方向を揃えるための分極処理工程を有しないことを特徴とする請求項５又は６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びに液体噴射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液体噴射ヘッドに用いられる圧電素子としては、電気的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２つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、撓み振動モードのアクチュエーター装置等として液体噴射ヘッドに搭載される。ここで、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に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って変位させることにより、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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。
【０００３】
このような記録ヘッドに用いられる圧電素子には高い圧電特性が求められており、所定の駆動電圧の信号波形（駆動波形）に対して大きな変位を得るための方法が種々提案されている。例えば、下部電極上に、所定の含有量のジルコニウムを含む強誘電体により下層側圧電体層を形成する工程と、前記下層側圧電体層上に、当該下層側圧電体層より多い含有量のジルコニウムを含む上層側圧電体層を形成する工程と、を備えることにより、正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエーターの製造方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。また、膜厚が２μｍ超であり、ヒステリシス特性における２つの坑電界が、いずれも正である鉛含有ペロブスカイト型酸化物膜を製造するに際し、成膜時の前記酸化物に含有される鉛量を制御する上記酸化物膜の製造方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−２４３７４１号公報
【特許文献２】特開２０１０−８４１８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１や特許文献２のような圧電素子には、一般に、長期間の使用により駆動波形が繰り返し入力されることで変位特性が経時的に低下するおそれがあった。また、圧電材料の種類や組成によっては、分極方向を揃えるために高温下で高電圧を印加するような分極処理が必要となることがあるが、このような分極処理によっても圧電素子の変位特性に悪影響が生じるおそれがあった。
【０００６】
このような問題は、液体噴射ヘッド以外に用いられる圧電素子や、インク以外の液滴を吐出する他の液体噴射ヘッドにおいても同様に存在するものである。
【０００７】
本発明はこのような事情に鑑み、長期に亘り優れた変位特性を維持できる液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びに液体噴射装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明の態様は、第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に変位可能に設けられた圧電体層と、を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドであって、前記圧電素子の初期状態の分極−電界ヒステリシス特性において、正方向の電界及び負方向の電界をこの順で前記圧電素子に印加したとき、該正方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して１．５倍以内で正側に増加したものとなり、負方向の電界及び正方向の電界をこの順で前記圧電素子に印加したとき、該負方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流は、該正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流に対して、２．０倍以上５．０倍以下の範囲内で負側に増加したものとな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、初期状態の分極が正方向の電界の向きにほぼ揃った圧電素子となる。よって、圧電素子の初期状態の分極方向と、圧電素子に印加する電界の方向とが一致するように液体噴射ヘッドを構成して、長期間の使用による分極方向の固定化を防止し、長期に亘り優れた変位特性を維持できるようになる。
【０００９】
ここで、前記正方向の電界及び前記負方向の電界をこの順で印加したとき、前記負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流量は、前記負方向の電界及び前記正方向の電界をこの順で印加したとき、前記正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流量に対して１．５倍以上５．０倍以下の範囲内の値であることが好ましい。
これによれば、長期間の使用による分極方向の固定化を防止しやすくなり、長期に亘り優れた変位特性をさらに維持できるようになる。
【００１０】
また、前記圧電体層の膜厚が３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内の値であることが好ましい。
これによれば、圧電体層の膜厚が上記範囲内の値で選択可能であるため、長期に亘り優れた変位特性を維持できる液体噴射ヘッドを、高い設計自由度で得ることができる。
【００１１】
また、上記課題を解決する本発明の他の態様は、上記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にある。
かかる態様では、長期に亘り優れた変位特性を維持できる液体噴射装置となる。
【００１２】
また、上記課題を解決する本発明のさらに他の態様は、第１電極及び第２電極と、前記第１電極及び前記第２電極の間に変位可能に設けられた圧電体層と、を備えた圧電素子を具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、パターニングした前記第１電極上に前記圧電体層を積層し、前記圧電体層上に前記第２電極の少なくとも一部を積層した後、前記圧電体層及び前記第２電極をエッチングするエッチング工程と、前記エッチング工程の後、所定温度以上でアニール処理するアニール工程と、を具備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、初期状態の分極が正方向の電界の向きにほぼ揃った圧電素子を得ることができる。これにより、圧電素子の初期状態の分極方向と、圧電素子に印加する電界の方向とが一致するように液体噴射ヘッドを駆動して、長期間の使用による分極方向の固定化を防止し、長期に亘り優れた変位特性を維持できるようになる。
【００１３】
ここで、前記アニール工程の後、前記第２電極の残りを積層する工程をさらに具備することが好ましい。
これによれば、第２電極が共通電極として機能する液体噴射ヘッドを実現しやすくなり、この液体噴射ヘッドについて長期に亘り優れた変位特性を維持できるようになる。
【００１４】
また、前記圧電素子の分極方向を揃えるための分極処理工程を有しないことが好ましい。
これによれば、圧電素子の変位特性に悪影響が生じることを回避できるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】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。
【図２】実施形態１に係る記録ヘッドの流路形成基板の平面図。
【図３】実施形態１に係る記録ヘッドの断面図。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの駆動波形と電界方向との関係を示す模式図。
【図５】圧電素子の分極特性を得るための電圧波形を説明するための図。
【図６】圧電素子の分極−電界特性を説明するための図。
【図７】圧電素子の電流−電圧特性を説明するための図。
【図８】実施形態１に係る記録ヘッドの製造例を説明するための図。
【図９】実施形態１に係る記録ヘッドの製造例を説明するための図。
【図１０】実施形態１に係る記録ヘッドの製造例を説明するための図。
【図１１】実施例に係る記録ヘッドの変位特性を説明するための図。
【図１２】本発明の一実施形態に係る記録装置の概略構成を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（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Ｉの分解斜視図であり、図２はその流路形成基板の平面図である。また、図３（ａ）は図２のＡ−Ａ′線に準ずる断面図であり、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ′線に準ずる断面図である。
【００１７】
記録ヘッドＩは、第１電極６０及び第２電極８０と、第１電極６０及び第２電極８０の間に変位可能に設けられた圧電体層７０と、を備えた圧電素子３００を具備し、圧電素子３００が、初期状態で所定の分極−電界ヒステリシス特性を有するものである。
【００１８】
本実施形態は、所定の製造方法を用いることにより、正方向の電界が印加されたことによる分極反転に基づいて流れる電流よりも、負方向の電界が印加されたことによる分極反転に基づいて流れる電流が少ない、すなわち、初期状態の分極が正方向の電界の向きにほぼ揃った圧電素子３００を得ることができることに着目し、圧電素子３００の初期状態の分極方向と、圧電素子３００への電界の方向とが一致するように、記録ヘッドＩを構成したものである。これによれば、長期間の使用によって圧電素子３００の分極方向が負方向に固定化されることを防止し、長期に亘って優れた変位特性を維持できるようになる。
【００１９】
図示するように、記録ヘッドＩが備える流路形成基板１０には、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向に沿って並設されている。以降、この方向を圧力発生室１２の並設方向、又は第１の方向Ｘと称し、第１の方向Ｘと直交する方向を第２の方向Ｙと称する。
【００２０】
流路形成基板１０における圧力発生室１２の第２の方向Ｙの一端部側には、インク供給路１３と連通路１４とが複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（第２の方向Ｙにおける圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５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、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が設けられている。
【００２１】
流路形成基板１０の一方面側、すなわち圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２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接合されている。ノズルプレート２０には、第１の方向Ｘにノズル開口２１が並設されている。
【００２２】
流路形成基板１０の他方面側には、振動板５０が形成されている。振動板５０は、例えば流路形成基板１０上に形成された弾性膜５１と、弾性膜５１上に形成された絶縁体膜５２とで構成することができるが、前記の例に制限されない。
【００２３】
絶縁体膜５２上には、例えばチタンからなる密着層５３を介して、厚さが約０．２μｍの第１電極６０と、厚さが約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが約０．０５μｍの第２電極８０と、で構成される圧電素子３００が形成されている。この基板（流路形成基板１０）に設けられた圧電素子３００がアクチュエーター装置となる。
【００２４】
ただし、上記した例において、密着層５３は省略されても構わない。上記した例では、振動板５０及び第１電極６０が振動板として作用し得るが、これに限定されず、弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方又は両方を設けずに、第１電極６０のみが振動板として作用し得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。流路形成基板１０上に直接第１電極６０を設ける場合には、第１電極６０とインクとが導通しないように、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。
【００２５】
圧電素子３００を構成する第１電極６０は、圧力発生室１２毎に切り分けられており、後述する能動部毎に独立する個別電極として構成されている。この第１電極６０は、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいては、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で形成されている。すなわち、圧力発生室１２の第１の方向Ｘにおいて、第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対抗する領域の内側に位置している。また、第２の方向Ｙにおいて、第１電極６０の両端部は、それぞれ圧力発生室１２の外側まで延設されている。尚、第１電極６０の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適に用いられる。
【００２６】
圧電体層７０は、その第２の方向Ｙの幅が、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの長さよりも広いものとなるように、第１の方向Ｘに亘って連続して設けられている。この圧電体層７０は、圧力発生室１２の第２の方向Ｙの外側まで設けられている。
【００２７】
圧力発生室１２の第２の方向Ｙにおいて、圧電体層７０のインク供給路１３側の端部は、第１電極６０の端部よりも外側に位置している。すなわち、第１電極６０の端部は圧電体層７０によって覆われている。また、圧電体層７０のノズル開口２１側の端部（図３（ａ）における左方向の端部）は、第１電極６０の端部よりも短く形成されており、第１電極６０のノズル開口２１側の端部は、圧電体層７０に覆われていない。
【００２８】
圧電体層７０は、第１電極６０上に形成される電気機械変換作用を示す強誘電性セラミックス材料からなるペロブスカイト構造の結晶膜（ペロブスカイト型結晶）を用いることができ、例えば、ビスマス（Ｂｉ）、ランタン（Ｌａ）、鉄（Ｆｅ）及びマンガン（Ｍｎ）を含むペロブスカイト構造を有する複合酸化物として構成することができる。これによれば、鉛を含まない圧電素子３００を構成できるようになり、環境への負荷を低減できる。このような複合酸化物は、鉄酸マンガン酸ビスマスランタン（ＢＬＦＭ）と称され、組成式（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ｍｎ）Ｏ３で表される。
【００２９】
ただし、圧電体層７０は、圧電性を有する材料であれば前記の材料に限定されず、例えばチタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ３）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）、タンタル酸ナトリウム（ＮａＴａＯ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、タンタル酸カリウム（ＫＴａＯ３）、チタン酸ビスマスナトリウム（（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３）、チタン酸ビスマスカリウム（（Ｂｉ１／２Ｋ１／２）ＴｉＯ３）、鉄酸ビスマス（ＢｉＦｅＯ３）、タンタル酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｔａ２Ｏ９）、ニオブ酸ストロンチウムビスマス（ＳｒＢｉ２Ｎｂ２Ｏ９）、チタン酸ビスマス（Ｂｉ４Ｔｉ３Ｏ１２）及びこれらのうち少なくとも一つを成分として有する固溶体を用いることもできる。
【００３０】
このような圧電体層７０には、各隔壁１１に対応する凹部７１が形成されている。この凹部７１の第１の方向Ｘの幅は、各隔壁１１の第１の方向の幅と略同一、もしくはそれよりも広くなっている。これにより、振動板５０の圧力発生室１２の第２の方向Ｙの端部に対向する部分（いわゆる振動板５０の腕部）の剛性が押さえられるため、圧電素子３００を良好に変位させることができる。
【００３１】
第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側に設けられており、複数の能動部３１０に共通する共通電極として構成されている。第２電極８０は、圧電体層７０の第１電極６０とは反対面側に設けられており、複数の能動部３１０に共通する共通電極を構成する。本実施形態では、第２電極８０は、圧電体層７０側に設けられた第１層８１と、第１層８１の圧電体層７０とは反対側に設けられた第２層８２と、を具備する。ただし、第２層８２は省略してもかまわない。
【００３２】
第１層８１は、本実施形態ではイリジウム層等からなり、圧電体層７０の表面（第２電極８０側）の過剰な成分、例えば、鉛を含む圧電体層７０の場合には、圧電体層７０の表面の過剰鉛を吸着して、圧電体層７０の圧電特性を向上する機能を有する。このような第１層８１は、圧電体層７０上のみ、すなわち、圧電体層７０の流路形成基板１０とは反対側の表面上のみに形成されている。
【００３３】
また、第２電極８０を構成する第２層８２は、導電性を有する材料、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）等の金属材料を用いることができる。もちろん、第２層８２は、上記金属材料の単一材料であっても、複数の材料が混合した複数材料であってもよい。第２層８２は、本実施形態では、第１層８１上と、第１層８１が設けられていない圧電体層７０の側面上と、第１電極６０上と、に亘って連続して設けられている。
【００３４】
圧電素子３００の第１電極６０と第２電極８０とには、リード電極９０が接続されている。このようなリード電極９０は、流路形成基板１０の一方面の全面に亘って形成した後、所定の形状にパターニングされて形成することができる。
【００３５】
このような圧電素子３００では、第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加することで変位が生じる。すなわち両電極の間に電圧を印加することで、第１電極６０と第２電極８０とで挟まれている圧電体層７０に圧電歪みが生じる。そして、第１電極６０及び第２電極８０に電圧を印加した際に、圧電体層７０に圧電歪みが生じる部分を能動部３１０と称する。
【００３６】
圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上には、圧電素子３００を保護する保護基板３０が接着剤３５によって接合されている。保護基板３０には、圧電素子３００を収容する空間を画成する凹部である圧電素子保持部３１が設けられている。また保護基板３０には、マニホールド１００の一部を構成するマニホールド部３２が設けられている。マニホールド部３２は、保護基板３０を厚さ方向（第１の方向Ｘ及び第２の方向Ｙに垂直な方向）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、上記のように流路形成基板１０の連通部１５と連通している。
【００３７】
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。各能動部３１０の第１電極６０に接続されたリード電極９０は、この貫通孔３３内に露出するように設けられている。
【００３８】
保護基板３０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が接合されており、封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２のマニホールド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となっており、マニホールド１００の一方面は封止膜４１のみで封止されている。
【００３９】
上記のような本実施形態の記録ヘッドＩの構成について、その動作や圧電素子３００の分極特性等とあわせて、以下、さらに詳述する。図４は、記録ヘッドＩの駆動に際し圧電素子３００に入力される駆動波形の一例と、圧電素子３００に印加される電界の方向と、の関係を示す模式図である。
【００４０】
圧電素子３００に入力される駆動波形は、共通電極（第１電極６０）を基準電位（図４に示すＶｂｓ）として、個別電極（第２電極８０）に印加されるものである。すなわち、駆動波形によって個別電極（第２電極８０）に印加される電圧は、基準電位Ｖｂｓを基準としての電位として示される。
【００４１】
従って、図示するように、本実施形態では、第２電極８０から第１電極６０に向かう電界の方向（図４の上方向）が正方向となり、その反対方向（図４の下方向）が負方向となる。
【００４２】
駆動波形は、図４に示すように、駆動待機状態となると、例えば抗電圧より高い中間電位Ｖｍが印加される状態となる。この中間電位Ｖｍが印加される工程Ｐ０１に続いて、中間電位Ｖｍを維持した状態から中間電位Ｖｍとは逆極性の第１電位Ｖ１まで駆動電位Ｖを降下させる工程Ｐ０２と、第１電位Ｖ１を一定時間維持する工程Ｐ０３と、第１電位Ｖ１から中間電位Ｖｍより大きい第２電位Ｖ２まで駆動電位Ｖを上昇させる工程Ｐ０４と、第２電位Ｖ２を一定時間維持する工程Ｐ０５と、第２電位Ｖ２から中間電位Ｖｍより小さく、かつ基準電位Ｖｂｓより大きい第３電位Ｖ３まで駆動電位Ｖを下降させる工程Ｐ０６と、第３電位Ｖ３を一定時間維持する工程Ｐ０７と、第３電位Ｖ３から中間電位Ｖｍまで駆動電位Ｖを上昇させる工程Ｐ０８と、で構成されている。
【００４３】
このような駆動波形が記録ヘッドＩに入力されると、上記工程Ｐ０２等において圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を膨張させる方向に変位し、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。そして、上記工程Ｐ０４等において圧電素子３００が圧力発生室１２の容積を収縮させる方向に変位し、ノズル開口２１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、この駆動波形は、いわゆる押し打ち式のものである。
【００４４】
ここで、駆動波形は、工程Ｐ０３と、工程Ｐ０２及び工程Ｐ０４の一部とを除き、基準電位Ｖｂｓよりも高い駆動電位Ｖを有している。すなわち、駆動波形は、基準電位Ｖｂｓよりも高い駆動電位Ｖが主となるように構成されており、記録ヘッドＩでは、正方向の電界が主として圧電素子３００に印加されるモードが採用されている。
【００４５】
次に、圧電素子３００の初期状態の分極方向について詳述する。図５（ａ）〜（ｂ）は、圧電素子３００の初期状態の分極特性を測定するために圧電素子３００に入力される駆動電圧の信号波形（測定波形）の一例を示しており、図６（ａ）〜（ｂ）は、図５（ａ）〜（ｂ）の測定波形が入力されたときの分極−電界ヒステリシス特性を示している。また、図７（ａ）〜（ｂ）は、図６（ａ）〜（ｂ）の時間微分である電流−電圧ヒステリシス特性を示している。
【００４６】
図中、実線により本実施形態の圧電素子３００の分極特性が表され、点線により従来の圧電素子の分極特性が表されている。尚、従来の圧電素子にあっては、分極方向を揃えるための分極処理が施されたものが用いられている。
【００４７】
本実施形態において、初期状態とは、圧電素子３００の分極方向を揃えるための分極処理が施されていない状態を言う。分極処理が施された後、キュリー温度以上にして残留分極を消失させた状態も、本実施形態の初期状態に含まれる。よって、一般には、分極処理が施された上で圧電素子が商品として出荷されることが多いが、このような圧電素子に対しても、キュリー温度以上にして残留分極を消失させることで、本実施形態の分極特性を有するか否かを確かめることが可能である。
【００４８】
圧電素子３００の初期状態の分極特性を得るための上記測定波形としては、例えば、正方向の電界及び負方向の電界をこの順で圧電素子３００に印加する図５（ａ）に示す三角波形や、負方向の電界及び正方向の電界をこの順で圧電素子３００に印加する図５（ｂ）に示す三角波形が挙げられる。このような測定波形は、本発明の要旨を変更しない範囲において前記の例に制限されないが、圧電素子３００に電界を連続的に印加すると、分極状態の緩和が生じる前に次回の電界が印加されることとなり、分極特性が良好に得られなくなる。よって、測定波形は、例えば１パルスごとに所定の間隔をあけて入力されるように構成することが好ましい。
【００４９】
圧電素子３００において、図６（ａ）では図５（ａ）に示す測定波形、図６（ｂ）では図５（ｂ）に示す測定波形が入力されると、その駆動電圧の印加終了直後において分極成分が残存し、初期状態の分極方向に戻る緩和現象が観測される。図５（ａ）に示す測定波形を入力したとき、負方向の電界印加終了後に流れる図６（ａ）に示す本実施形態の緩和電流量（図中の矢印範囲Ａ）は、従来の圧電素子の緩和電流量（図中の矢印範囲ａ）よりも大きい。また、図５（ｂ）に示す測定波形を入力したとき、図６（ｂ）に示す本実施形態の緩和電流量（図中の矢印範囲Ｂ）は、従来の圧電素子の緩和電流量（図中の矢印範囲ｂ）よりも小さい。これらのことは、本実施形態の圧電素子３００は、図５（ｂ）の測定波形の入力後に正方向から負方向に戻る緩和成分よりも、図５（ａ）の測定波形の入力後に負方向から正方向に戻る緩和成分の方が多いものとなっているためである。
【００５０】
ここで、上記緩和電流量Ａは、上記緩和電流量Ｂに対して２．０倍以上５．０倍以下の範囲内の値であることが好ましく、２．５倍以上４．０倍以下の範囲内の値であることがより好ましい。これによれば、負方向からの緩和成分が、正方向からの緩和成分よりもさらに多いものとなり、長期間の使用により駆動波形が繰り返し入力されたとしても、圧電素子３００の分極が負方向に固定化されにくくなる。
【００５１】
このように、本実施形態の圧電素子３００は、初期状態の分極が、正方向にほぼ揃った状態となっている。圧電素子３００に正方向の電界を印加すると、負方向に分極していた領域が正方向に反転する。ただし、圧電素子３００の初期状態において、負方向に分極している領域は少なく、分極反転に基づいて流れる電流の最大値である分極反転電流Ｉｍａｘは、比較的小さな値となる。
【００５２】
かかる分極反転電流Ｉｍａｘは、図５（ａ）の測定波形を入力した図７（ａ）に示すように、負方向の電界印加終了後に流れる緩和電流Ｉｍに対して、正側に１．５倍以内の範囲内の値となる。
【００５３】
一方、圧電素子３００に負方向の電界を印加すると、正方向に分極していた領域が負方向に反転する。圧電素子３００は、初期状態では分極が正方向にほぼ揃った状態となっているため、分極反転に基づいて流れる電流の最小値である分極反転電流Ｉｍｉｎの絶対値は、比較的大きな値となる。
【００５４】
かかる分極反転電流Ｉｍｉｎは、図５（ｂ）の測定波形を入力した図７（ｂ）に示すように、正方向の電界印加終了後に流れる緩和電流Ｉｐに対して、負側に１．５倍以上２．５倍以下の範囲内の値となる。
【００５５】
このように、本実施形態では、所定の製造方法を用いることにより、図５（ａ）に示す測定波形の正方向の電界が印加されたことによる分極反転電流Ｉｍａｘよりも、図５（ｂ）に示す測定波形の負方向の電界が印加されたことによる分極反転電流Ｉｍｉｎが少ない、すなわち、初期状態の分極が正方向の電界の向きにほぼ揃った圧電素子３００を得ることができ、長期間の使用による分極方向の固定化を防止できるようになる。
【００５６】
次に、本実施形態の記録ヘッドＩの製造方法の一例について、図８〜図１０を参照して説明する。尚、図８〜図１０は、第２の方向Ｙの断面図である。
【００５７】
本実施形態の記録ヘッドＩの製造方法は、第１電極６０及び第２電極８０と、第１電極６０及び第２電極８０の間に変位可能に設けられた圧電体層７０と、を備えた圧電素子３００を具備する記録ヘッドＩの製造方法である。以下、第１電極６０が個別電極とされ、第２電極８０が共通電極とされた記録ヘッドＩの場合を例にとり、本実施形態の製造方法について詳述する。
【００５８】
まず、図８（ａ）に示すように、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー１１０の表面に振動板５０を形成し、この振動板５０上に、例えばチタンからなる密着層５３を形成する。本実施形態では、振動板５０は、流路形成基板用ウェハー１１０を熱酸化することによって形成した二酸化シリコン（弾性膜５１）と、スパッタリング法で成膜後、熱酸化することによって形成した酸化ジルコニウム（絶縁体膜５２）との積層からなる振動板５０を形成した。ただし、弾性膜５１や絶縁体膜５２の材料は前記に制限されず、弾性膜５１及び絶縁体膜５２の一方のみを設けるようにしてもよい。また、密着層５３は設けなくてもよい。
【００５９】
次いで、図８（ｂ）に示すように、密着層５３上の全面に第１電極６０を形成する。この第１電極６０は、例えば、スパッタリング法やＰＶＤ法（物理蒸着法）、レーザーアブレーション法などの気相成膜、スピンコート法などの液相成膜などにより形成することができる。
【００６０】
次に、図８（ｃ）に示すように、第１電極６０上に所定形状のレジスト（図示なし）をマスクとして、密着層５３及び第１電極６０の側面が傾斜するように同時にパターニングする。
【００６１】
次に、レジストを剥離した後、第１電極６０上に圧電体層７０を積層する。圧電体層７０の製造方法は限定されないが、例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、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（圧電体膜）を得るＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法を用いて圧電体層７０を製造できる。その他、レーザーアブレーション法、スパッタリング法、パルス・レーザー・デポジション法（ＰＬＤ法）、ＣＶＤ法、エアロゾル・デポジション法など、液相法でも固相法でも圧電体層７０を製造することもできる。
【００６２】
圧電体層７０を化学溶液法で形成する場合の具体的な形成手順例は、以下のとおりである。すなわち、図８（ｄ）に示すように、金属錯体を含むＭＯＤ溶液やゾルからなり、圧電体層７０を形成するための前駆体溶液を作成する。そして、この前駆体溶液を、第１電極６０上に、スピンコート法などを用いて塗布して前駆体膜７２を形成する（塗布工程）。この前駆体膜７２を所定温度（例えば、１５０〜２００℃）に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した前駆体膜７２を所定温度（例えば、３５０〜４５０℃）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）。前駆体膜７２を所定温度、例えば６００〜８５０℃程度に加熱し、一定時間、例えば１〜１０分間保持することによって結晶化させ、圧電体層７０を形成する（焼成工程）。
【００６３】
次に、図８（ｅ）に示すように、圧電体層７０上に第１層８１を形成する。圧電体層７０は、例えば、イリジウムを有するイリジウム層と、イリジウム層上にチタンを有するチタン層とを積層することにより形成される。尚、このイリジウム層及びチタン層は、スパッタリング法やＣＶＤ法等によって形成することができる。
【００６４】
次に、図９（ａ）に示すように、第１層８１及び圧電体層７０を各圧力発生室１２に対応してパターニングする。本実施形態では、第１層８１上に所定形状に形成したマスク（図示なし）を設け、このマスクを介して第１層８１及び圧電体層７０をエッチングする、いわゆるフォトリソグラフィー法によってパターニングした。尚、圧電体層７０のパターニングは、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やウェットエッチング等が挙げられる。
【００６５】
ここまでで、パターニングした第１電極６０上に圧電体層７０を積層し、圧電体層７０上に第２電極の少なくとも一部（第１層８１）を積層した後、圧電体層７０及び第１層８１をエッチングするエッチング工程が行われたこととなる。
【００６６】
ここで、本実施形態では、このエッチング工程の後、所定温度以上で圧電体層７０及び第１層８１をアニール処理するアニール工程を具備する。すなわち、このように加熱処理することで、圧電体層７０と第１電極６０や第１層８１との良好な界面を形成することができ、かつ、特有の結晶性が得られるようになる。これにより、初期状態の分極が正方向の電界の向きにほぼ揃った圧電素子３００を得ることができるようになる。
【００６７】
このように、本実施形態では、前記アニール工程の後、圧電体層７０及び第１層８１をエッチングする上記エッチング工程の前にアニール処理を施さず、上記エッチング工程の後にアニール処理を施しており、これにより、従来にはない、圧電素子３００の分極特性が得られるようになっている。
【００６８】
アニール処理を行う温度は、良好な分極特性を得る観点から、圧電素子３００の分極特性が圧電体層７０の焼成温度（前駆体膜１を加熱して結晶化する温度）の−１０℃以上、＋５０℃以下であるのが好ましいが、本実施形態の要旨を変更しない限りにおいて制限されない。
【００６９】
次に、図９（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の一方面側（圧電体層７０が形成された面側）に亘って、すなわち、第１層８１上、圧電体層７０のパターニングした側面上、絶縁体膜５２上、及び第１電極６０上等に亘って、例えば、イリジウム（Ｉｒ）からなる第２層８２を形成すると共にパターニングすることで、第２電極８０を形成する。
【００７０】
本実施形態では、上記アニール工程の後、第２電極８０の残り（第２層８２）を形成する工程をさらに具備することにより、第２電極８０が共通電極とされる記録ヘッドＩの製造が容易となっている。尚、第２層８２を形成した後、さらに加熱処理（ポストアニール）を行ってもよい。
【００７１】
次に、図９（ｃ）に示すように、第１電極６０、第１層８１及び第２層８２の必要箇所をパターニングして除去部８３を形成するとともに、例えばスパッタリング法によってリード電極９０を形成する。ただし、リード電極９０の形成方法は制限されない。
【００７２】
次に、図１０（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０の圧電素子３００側に、シリコンウェハーであり複数の保護基板３０となる保護基板用ウェハー１３０を接着剤３５を介して接合した後に、流路形成基板用ウェハー１１０を所定の厚さに薄くする。
【００７３】
そして、図１０（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０上に、マスク膜５４を新たに形成し、所定形状にパターニングする。さらに、図１０（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハー１１０をマスク膜５４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１５、インク供給路１３及び連通路１４等を形成する。
【００７４】
その後は、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とは反対側の面のマスク膜５４を除去した後にノズル開口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等に分割することによって、本実施形態の記録ヘッドＩとする。
【００７５】
以上説明した記録ヘッドＩの製造方法では、圧電素子３００の分極方向を揃えるための分極処理工程を有しないことが好ましい。
【００７６】
これは、圧電素子３００の分極方向が初期状態においてほぼ同様の向きに揃っているため、分極方向を揃えるための分極処理を施す必要がなくなり、この工程を省略できるようになるためである。また、分極処理を施した場合であっても、従来の圧電素子と比較して、変位特性に悪影響が生じることを抑え、優れた変位特性を維持できるようになるためである。
【００７７】
さらに、本実施形態では、記録ヘッドＩを製造する工程において、例えばヒステリシス特性を偏らせるための所定の添加量を添加する工程や、その添加量を調節する工程を必須としないため、工程の複雑化を防止することもできる。幅広い圧電素子３００の膜厚範囲に対して適用可能であり、用途が限定されたりすることもない。
【実施例】
【００７８】
（実施例１）
上述した製造方法によって実施例１の記録ヘッドＩを製造した。この記録ヘッドＩは、正方向の電界及び負方向の電界をこの順で圧電素子３００に印加したとき、該正方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流Ｉｍａｘは、該負方向の電界印加終了時後に流れる緩和電流Ｉｍに対して１．５倍以内で正側に増加したものとなり、負方向の電界及び正方向の電界をこの順で前記圧電素子３００に印加したとき、該負方向の電界によって分極が反転することにより発生する分極反転電流Ｉｍｉｎは、該正方向の電界印加終了後時に流れる緩和電流Ｉｐに対して、２．０倍以上５．０倍以下の範囲内で負側に増加したものとなるものである。尚、圧電体層７０の膜厚は７００ｎｍとした。ただし、膜厚は、本発明の要旨を変更しない限りにおいて前記の例に制限されず、例えば３００ｎｍ以上２０００ｎｍ以下の範囲内の値で選択可能であり、高い設計自由度で記録ヘッド得ることができる。
【００７９】
（比較例１）
実施例１と同様の手法により圧電体層７０上に第２電極８０の第１層８１を形成した後、圧電体層７０及び第１層８１をエッチングする上記エッチング工程の前にアニール処理を行って、第１電極６０と、圧電体層７０と、第１層及び第２層からなる第２電極８０と、を積層した圧電素子３００を形成した。さらに、分極方向を揃えるための分極処理を圧電素子に施して、比較例１の記録ヘッドを製造した。
【００８０】
＜変位特性＞
実施例１及び比較例１の記録ヘッドを駆動させるため、図４に示す駆動波形を圧電素子に入力した。ここで、最大電位（第２電位Ｖ２）を３２．５Ｖ、最低電位（第１電位Ｖ１）を−２．５Ｖとし、圧電素子に駆動波形を繰り返し与え、変位低下率を観測した。測定結果を図１１に示す。
【００８１】
以上の測定結果から、実施例１の記録ヘッドＩでは、長期間の使用により駆動波形が繰り返し入力されたとしても、初期の変位特性を基準として、比較例１の液体噴射ヘッドと比べて１０％以上の変位低下を防止することができ、長期に亘り優れた変位特性を維持できることが分かった。
【００８２】
＜ヒステリシス特性＞
実施例１及び比較例１の記録ヘッドの圧電素子に、図５（ａ）〜（ｂ）に示す測定波形を入力して、図６（ａ）〜（ｂ）及び図７（ａ）〜（ｂ）に示す特性を観測し、分極反転電流Ｉｍａｘと分極反転電流Ｉｍｉｎとを得た。結果を表１に示す。図５（ａ）〜（ｂ）に示す測定波形としては、最高電位を３５Ｖ、最低電位を−３５Ｖとする５００ｋＶ／ｃｍの三角波形を、６６Ｈｚで入力した。
【００８３】
【表１】
2015046527.tif 000003
【００８４】
表１に示すように、実施例１の記録ヘッドＩの圧電素子３００は、図５（ａ）に示す測定波形の正方向の電界による分極反転電流Ｉｍａｘよりも、図５（ｂ）に示す測定波形の負方向の電界による分極反転電流Ｉｍｉｎが少ないものとなった。また、緩和電流量Ａは、緩和電流量Ｂに対して２．０倍以上５．０倍以下の範囲内、さらには、２．５倍以上４．０倍以下の範囲内の値となった。
【００８５】
（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、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
【００８６】
さらに、上述した実施形態では、基板（流路形成基板１０）上に第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を順次積層した圧電素子３００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にも本発明を適用することができる。
【００８７】
また、これら実施形態のインクジェット式記録ヘッドは、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、液体噴射装置（インクジェット式記録装置）に搭載される。図１２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。
【００８８】
図１２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。
【００８９】
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。
【００９０】
尚、上述した実施形態では、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、液晶ディスプレイ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ディスプレイ、ＦＥＤ（電界放出ディスプレイ）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。
【００９１】
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に限られず、超音波発信機等の超音波デバイス、超音波モーター、圧力センサー、ＩＲセンサー等の焦電素子等他の装置に搭載される圧電素子にも適用することができる。また、本発明は強誘電体メモリー等の強誘電体素子にも同様に適用することができる。
【産業上の利用可能性】
【００９２】
本発明は、液体噴射ヘッド及びその製造方法、並びに液体噴射装置の産業分野で利用することができる。本発明によれば、長期に亘り優れた変位特性を維持できるようになり、鉛を含有しない圧電材料を用いれば、環境への負荷を低減することもできる。
【符号の説明】
【００９３】
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  インク供給路、  １４  連通路、  １５  連通部、  ２０  ノズルプレート、  ２１  ノズル開口、  ３０  保護基板、  ３１  圧電素子保持部、  ３２  マニホールド部、  ３３  貫通孔、  ３５  接着剤、  ４０  コンプライアンス基板、  ４１  封止膜、  ４２  固定板、  ４３  開口部、  ５０  振動板、  ５１  弾性膜、  ５２  絶縁体膜、  ５３  密着層、  ５４  マスク膜、  ６０  第１電極、  ７０  圧電体層、  ７１  凹部、  ８０  第２電極、  ８１  第１層、  ８２  第２層、  ９０  リード電極、  １００  マニホールド、  ３００  圧電素子、  ３１０  能動部
【図１】
2015046527.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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