(57)【要約】      （修正有）【課題】圧電素子の変位量の変動が確実に抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッド及びその製造方法を提供する。【解決手段】液体を噴射するノズル開口２１に連通する圧力発生室１２が形成された流路形成基板１０と、該流路形成基板１０の一方面側に設けられた下電極、圧電体層７０及び上電極からなる圧電素子３００とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造であり、飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造であり、飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッド。
【請求項２】
前記圧電体層は厚さが１〜５μｍの薄膜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】
液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、
前記流路形成基板上に（１００）面に優先配向し菱面体晶系構造又は単斜晶系構造である前記圧電体層を有する前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、該圧電素子形成工程により形成した前記圧電素子に駆動信号を入力し当該圧電素子を駆動して前記圧電体層の飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにするエージング工程と、前記流路形成基板に前記圧力発生室を形成する圧力発生室形成工程とを有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４】
前記エージング工程は、前記圧電素子の変位を実使用時よりも拘束する拘束部材を前記圧電素子に設けた拘束状態で行うことを特徴とする請求項３に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項５】
前記圧力発生室形成工程の前に前記エージング工程を行うと共に、当該エージング工程では、前記流路形成基板が前記拘束部材となることを特徴とする請求項４に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項６】
前記圧電素子形成工程の後に前記圧電素子を覆うように保護膜を設ける保護膜形成工程を有し、前記エージング工程では、前記保護膜が前記拘束部材となることを特徴とする請求項４又は５に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項７】
前記エージング工程の後に、前記保護膜の前記上電極に相対向する領域に凹部を形成する保護膜凹部形成工程を有することを特徴とする請求項６に記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項８】
前記エージング工程では、前記圧電素子に実使用時よりも低い駆動電圧となる駆動信号を入力することを特徴とする請求項４〜７の何れか一項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、液体を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法に関し、特に、インク滴を吐出するノズル開口と連通する圧力発生室に供給されたインクを圧電素子によって加圧することにより、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の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。そして、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しては、例えば、振動板の表面全体に亙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毎に独立するように圧電素子を形成したものが知られている（特許文献１参照）。この特許文献１では、圧電アクチュエータとして、圧電特性の良さの観点から、圧電材料層の結晶構造は、結晶方位が（１００）であることや、菱面体晶等であることが好ましいとされている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−１５０４９１号公報（段落［００１７］［００１８］［００２２］等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、このようなインクジェット式記録ヘッドでは圧電素子を繰り返し駆動することによって、圧電素子の変位量が変動し、インク吐出量、インク吐出速度等のインク吐出特性が安定せず、特に初期段階では、圧電素子の変位量が著しく低下してしまう場合があるという問題がある。圧電素子の変位量が低下することによって、印刷品質が低下してしまう。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おいても同様に存在する。
【０００５】
本発明はこのような事情に鑑み、圧電素子の変位量の変動が確実に抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッド及びその製造方法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】
【０００６】
上記課題を解決する本発明の態様は、液体を噴射するノズル開口に連通する圧力発生室が形成された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドであって、前記圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造であり、飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす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、チタン酸ジルコン酸鉛からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造の圧電体層が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たすので、実使用時の圧電素子の変位量の変動が確実に抑えられ、安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを提供することができる。
【０００７】
ここで、圧電体層は厚さが１〜５μｍの薄膜であることが好ましい。これによれば、薄膜の圧電体層を有する圧電素子の変位量の変動を抑制することができる。
【０００８】
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形成された流路形成基板と、該流路形成基板の一方面側に設けられた下電極、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層及び上電極からなる圧電素子とを具備する液体噴射ヘッドの製造方法であって、前記流路形成基板上に（１００）面に優先配向し菱面体晶系構造又は単斜晶系構造である前記圧電体層を有する前記圧電素子を形成する圧電素子形成工程と、該圧電素子形成工程により形成した前記圧電素子に駆動信号を入力し当該圧電素子を駆動して前記圧電体層の飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにするエージング工程と、前記流路形成基板に前記圧力発生室を形成する圧力発生室形成工程とを有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、チタン酸ジルコン酸鉛からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造の圧電体層を、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにエージング工程を行うことにより、実使用時の圧電素子の変位量の変動が確実に抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。
【０００９】
前記エージング工程は、前記圧電素子の変位を実使用時よりも拘束する拘束部材を前記圧電素子に設けた拘束状態で行ってもよい。これによれば、圧電素子の変位を実使用時よりも拘束した状態でエージング工程を行うので、圧電素子に実使用時よりも大きな応力が付与された状態でエージング工程が行われる。したがって、実使用時よりも高い負荷を与えることなく低い駆動電圧（電界強度）で圧電体層が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たして圧電素子の変位量の変動が抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。実使用時よりも低い電圧でエージング工程を行うと、エージング工程での圧電体層等の変形が実使用時よりも小さくなるため、エージング工程で圧電体層にクラックを発生させることない。また、低い電圧でエージング工程を行うことにより、過剰に圧電体層にダメージを与えることもない。
【００１０】
また、前記圧力発生室形成工程の前に前記エージング工程を行うと共に、当該エージング工程では、前記流路形成基板が前記拘束部材となることが好ましい。これによれば、液体噴射ヘッドの構成部材のみを用い、圧電体層が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにするエージング工程を圧力発生室形成工程の前に行うという簡便な方法で、エージング工程で実使用時よりも高い負荷を圧電素子等に与えることなく、圧電素子の変位量の変動が抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。
【００１１】
また、前記圧電素子形成工程の後に前記圧電素子を覆うように保護膜を設ける保護膜形成工程を有し、前記エージング工程では、前記保護膜が前記拘束部材となるようにしてもよい。これによれば、圧電体層が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにするエージング工程を、圧電素子を保護膜で覆って行うという簡便な方法で、エージング工程で実使用時よりも高い負荷を圧電素子等に与えることなく、圧電素子の変位量の変動が抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。
【００１２】
また、前記エージング工程の後に、前記保護膜の前記上電極に相対向する領域に凹部を形成する保護膜凹部形成工程を有してもよい。これによれば、上電極に相対向する領域に凹部を設けるため、圧電素子の変位を妨げることなく圧電素子を湿度から保護する膜として保護膜を残すことができる。
【００１３】
また、前記エージング工程では、前記圧電素子に実使用時よりも低い駆動電圧となる駆動信号を入力することが好ましい。これによれば、エージング工程でのクラックの発生を確実に抑制できる。また、低い電圧を印加するので、過剰に圧電体層にダメージを与えることもない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
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１の概略構成を示す分解斜視図であり、図２（ａ）は、インクジェット式記録ヘッド１の要部平面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ′断面図である。
【００１５】
図示するように、流路形成基板１０は、本実施形態では板厚方向の結晶面方位が（１１０）のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には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。この流路形成基板１０には、その他方面側から異方性エッチングすることにより、流路形成基板１０には、複数の隔壁１１によって区画された複数の圧力発生室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。
【００１６】
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。そして、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く圧力発生室１２と同等の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。
【００１７】
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、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。
【００１８】
一方、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、二酸化シリコンからなり厚さが例えば、約０．５〜２μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなり厚さが例えば、約０．３〜０．４μｍの絶縁体膜５５が積層形成されている。また、絶縁体膜５５上には、厚さが例えば約０．１〜０．５μｍの下電極膜６０と、例えば厚さが約１〜５μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり（１００）面が優先配向している菱面体晶系又は単斜晶系構造の圧電体層７０と、厚さが例えば約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述する成膜プロセスで積層形成されて、圧電素子３００が形成されている。そして、詳しくは後述するが、圧電体層７０の飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒが、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす。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３２０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。何れの場合においても、各圧力発生室１２毎に圧電体能動部３２０が形成されていることになる。なお、本実施形態では、下電極膜６０、圧電体層７０及び上電極膜８０が、図２（ｂ）に示すように、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面は傾斜面となっている。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。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、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。
【００１９】
下電極膜６０は、例えば、イリジウム（Ｉｒ）、白金（Ｐｔ）等の金属材料で形成されている。また、下電極膜６０は、これらの金属材料からなる複数の層を積層したものであってもよい。なお、積層した場合には、後のプロセスにより、結果的に混合層となってもよい。
【００２０】
この下電極膜６０上には、圧電材料からなる圧電体層７０が設けられている。本発明においては、圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造を有する。なお、優先配向とは、結晶の配向方向が無秩序ではなく、特定の結晶面がほぼ一定の方向に向いている状態をいう。具体的には、「（１００）面に優先配向する」とは、Ｘ線回折広角法によって圧電体膜を測定した際に生じる（１００）面、（１１０）面及び（１１１）面の回折強度の比率（１００）／（（１００）＋（１１０）＋（１１１））が０．５より大きいことを意味する。
【００２１】
また、圧電体層７０の飽和分極Ｐｍ及び残留分極Ｐｒは、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす。強誘電体であるチタン酸ジルコン酸鉛に外部電場の向きと値を変えながら分極の大きさを求めると、図３のようなヒステリシス曲線が得られる。電界強度（Ｅｍ）２００〜３００ｋＶ／ｃｍ程度の十分高い電圧のもとでの分極を飽和分極Ｐｍ、印加電圧を下げ０ボルトにしたときの分極を残留分極Ｐｒという。本発明は、チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層７０の飽和分極Ｐｍに対する残留分極Ｐｒの値を規定したものである。
【００２２】
このように、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造又は単斜晶系構造である圧電体層７０が、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たすことにより、実使用時の圧電素子３００の変位量の変動、すなわち、実使用時の駆動初期の圧電素子３００の変位に対して圧電素子３００を繰り返し駆動した一定の駆動後の圧電素子３００の変位の変化率が抑えられる。したがって、インクの吐出を繰り返し行ってもインク吐出特性の変動が抑えられ、安定したインク吐出特性にすることができる。
【００２３】
ここで、圧電体層７０の残留分極Ｐｒ及び飽和分極Ｐｍと、圧電素子３００の変位量の変動との関係について、以下に詳述する。圧電素子３００の変位量は、圧電素子３００に所定の駆動信号を入力した時の圧電素子３００の変位量（到達ひずみ）と、その駆動信号を０にした時の圧電素子３００の変位量（残留ひずみ）とで決まる。そして、この残留ひずみは圧電素子３００の駆動を繰り返すことにより増加するため、圧電素子３００の変位量は圧電素子３００の駆動により経時的に変動する。このように圧電素子３００の駆動により残留ひずみが増加する要因は、圧電素子３００の駆動を繰り返すことによって、圧電体層７０を構成する圧電材料の分極が一部固定されて残留分極Ｐｒが圧電素子３００内に生じるためである。
【００２４】
そして、残留ひずみは残留分極Ｐｒに反映され、到達ひずみは飽和分極Ｐｍに反映される。この残留分極Ｐｒは圧電素子３００を構成する各層の厚さや材質等で変化し、また、飽和分極Ｐｍも残留分極Ｐｒと同じ要因、すなわち、圧電素子３００を構成する各層の厚さや材質等で変化する。このため、飽和分極Ｐｍに対する相対的な値としての残留分極Ｐｒをみることにより、残留ひずみの増加による圧電素子３００の変位量の低下を判断することができる。具体的には、後述する試験例に示すように、実使用時の初めの段階で、圧電体層７０の飽和分極Ｐｍに対する残留分極Ｐｒの値である２Ｐｒ／２Ｐｍが３３％以上であると、残留ひずみの増加による圧電素子３００の変位量の低下を顕著に抑制できる。
【００２５】
本実施形態では、実使用時の初めの段階で圧電体層７０の２Ｐｒ／２Ｐｍが３３％以上を満たすようにする、すなわち、残留ひずみを予め増加させ大きくした状態の圧電体層７０とすることにより、実使用時の残留ひずみの増加を抑制し、圧電素子３００の変動を抑制する。なお、圧電素子３００の繰り返しの駆動による圧電材料の分極の固定はある程度で飽和するため、残留ひずみをある程度予め増加させることにより、以降の残留ひずみの変動を抑制できる。
【００２６】
また、圧電素子３００の変位量が変動する前のインク吐出特性に合わせてインクジェット式記録ヘッド１の駆動条件や印刷品質などを最適化している場合、圧電素子３００の変位量の変動によって、印刷品質が低下してしまう。例えば、実使用時に圧電素子３００の変位が低下するとインク吐出特性が変動し、一定印刷品質を保つことができない。なお、「実使用時」とはインクジェット式記録ヘッド１からインクを吐出させて記録用紙などに実際に印刷を行わせることを言う。これに対して、本発明では、所定の結晶構造で３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす圧電体層７０とすることにより、予めインクジェット式記録ヘッド１を最適化しておくことができるため、良好な印刷品質を保つことができる。
【００２７】
なお、圧電体層７０の２Ｐｒ／２Ｐｍが３３％より小さいと、圧電素子３００の変位量の変化が大きくなり、安定したインク吐出特性を得ることができない。また、圧電体層７０の２Ｐｒ／２Ｐｍが４６％より大きいと、所望のインク吐出特性でインクを吐出させるための圧電素子３００の変位量を得ることができない。なお、Ｐｍは、約１．２μｍの圧電体層７０の層厚に対して±３５Ｖの三角波で測定した時に、３８．０〜４９．６μＣ／ｃｍ２が好ましい。３８．０μＣ／ｃｍ２以上であると、ヘッドとしての十分な変位量３４０ｎｍ以上を確実に確保することができ、また、４９．６μＣ／ｃｍ２以下であると、変位量が大きすぎることによる振動板などの割れを防ぐことができる。
【００２８】
上電極膜８０は、下電極膜６０と同様に、白金（Ｐｔ）、又はイリジウム（Ｉｒ）、もしくはこれらの積層又は合金等の金属材料からなる。
【００２９】
そして、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。
【００３０】
さらに、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に対向する領域に、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を有する保護基板３０が、接着剤３５によって接合されている。なお、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。
【００３１】
また、保護基板３０には、連通部１３に対向する領域にリザーバ部３１が設けられており、このリザーバ部３１は、上述したように、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の圧電素子保持部３２とリザーバ部３１との間の領域には、保護基板３０を厚さ方向に貫通する貫通孔３３が設けられ、この貫通孔３３内に下電極膜６０の一部及びリード電極９０の先端部が露出されている。
【００３２】
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための図示しない駆動回路が固定されており、駆動回路とリード電極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を介して電気的に接続されている。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッド１では、図示しない外部インク供給手段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、絶縁体膜５５、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。
【００３６】
ここで、このようなインクジェット式記録ヘッド１の製造方法について、図４〜図６を参照して説明する。なお、図４〜図６は、圧力発生室の長手方向の断面図である。まず、図４（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の表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン膜５１を形成する。次に、図４（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。
【００３７】
次に、絶縁体膜５５上に圧電素子３００を形成する。具体的には、まず、図４（ｃ）に示すように、例えば、白金等からなる下電極膜６０を絶縁体膜５５の全面に形成後、所定形状にパターニングする。次に、図５（ａ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０と、例えば、白金等の金属からなる上電極膜８０とを順次積層し、図５（ｂ）に示すように、これらを同時にパターニングして圧電素子３００を形成する。次いで、図５（ｃ）に示すように、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０を流路形成基板用ウェハ１１０の全面に亘って形成すると共に、各圧電素子３００毎にパターニングする。以上が膜形成プロセスである。なお、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て圧電体前駆体膜を形成し、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。また、ゾル−ゲル法に限定されず、例えば、ＭＯＤ（Metal-Organic Decomposition）法やスパッタリング法等を用いてもよい。また、圧電体層７０と上電極膜８０とのパターニングでは、所定形状に形成したレジスト（図示なし）を介してドライエッチングすることにより一括して行うことができる。そして、このようなドライエッチングでは、レジストの側面を予め傾斜させておくと、圧電体層７０及び上電極膜８０が、上電極膜８０側の幅が狭くなるようにパターニングされ、その側面が傾斜面となる。
【００３８】
本実施形態では、このように圧電素子３００を形成した後で且つ圧力発生室１２を形成する前に、すなわち、図５（ｃ）の段階で、実使用時よりも低い駆動電圧となる駆動信号を圧電素子３００に入力してエージング工程を行う。そして、このエージング工程において、駆動電圧や駆動時間等のエージング条件を調整することにより、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たす圧電体層７０となるようにする。なお、圧電素子３００に高電圧を印加すると、圧電素子３００が変位しなくなったり、圧電体層７０等にクラックが発生するという問題が生じるため、実使用時には、当然、これらの問題が生じない条件で圧電素子３００を駆動して、圧電素子３００及び振動板を変形させて圧力発生室１２に充填したインクをノズル開口２１から吐出する。
【００３９】
本実施形態では、製造段階で圧電素子３００に駆動信号を入力して圧電素子３００を駆動するエージング工程を行って、あらかじめ圧電材料の分極を一部固定することにより、残留ひずみを大きくして圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにし、実使用時の圧電素子３００の変位量を安定した状態にした。なお、本実施形態では、エージング工程前の圧電体層７０の２Ｐｒ／２Ｐｍは３３％未満であったが、エージング工程を行うことにより、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％の範囲内になるようにした。
【００４０】
本実施形態では、上述したようにエージング工程を圧力発生室１２を形成する前に行う。すなわち、エージング工程を、流路形成基板１０（流路形成基板用ウェハ１１０）が圧電素子３００の下側の全面に接合されている状態で行う。なお、本実施形態では、圧力発生室１２が形成される前の流路形成基板１０が請求項１に記載する「拘束部材」に相当する。
【００４１】
このように、圧電素子３００が流路形成基板１０に固定された状態で圧電素子３００に駆動信号を入力して圧電素子３００を駆動させると、圧電体層７０は収縮しようとするが、圧電素子３００は流路形成基板１０に固定され動きが拘束されている。したがって、本実施形態のエージング工程では、実使用時よりも、すなわち、流路形成基板１０に圧力発生室１２が設けられ圧電素子３００等がたわみ変形できる場合よりも、圧電素子３００の変位が流路形成基板１０により拘束されている。その結果、本実施形態のエージング工程では、実使用時よりも大きな引張り応力が圧電素子３００に付与される。なお、このように拘束部材を圧電素子３００に設けることにより、圧電素子３００の変位が実使用時よりも拘束されている状態を拘束状態という。
【００４２】
実使用時よりも大きな引張り応力が圧電素子３００に付与された状態でエージング工程を行うことにより、圧電材料の分極を固定することができるので、エージング工程で圧電素子３００に印加する電圧が実使用時よりも低くても、十分なエージングをすることができる。
【００４３】
このように実使用時よりも低い電圧でエージング工程を行うと、エージング工程での圧電体層７０の変形が実使用時よりも小さくなるため、エージング工程で圧電体層７０にクラックを発生させることなく、実使用時に圧電素子３００の変位量の変動が抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。また、振動板の変形も実使用時よりも小さくなるため、エージング工程での振動板のクラックの発生が抑制できる。そして、低い電圧でエージング工程を行うことにより、過剰に圧電体層７０にダメージを与えて圧電素子３００が変位しなくなるという問題も生じない。さらに、エージング工程に必要な時間も短縮できるため、エージング工程を短時間にすることで、圧電素子３００への負荷をさらに低減することができる。また、圧力発生室１２が形成される前の流路形成基板１０といったインクジェット式記録ヘッド１を構成する部材をインクジェット式記録ヘッド１として利用する際の最終形状に加工する前に使用することで新たな部材を用意することなく、従来に比べ効率の良いエージングが行える。なお、圧電素子３００に入力する駆動信号は直流でも交流でもよく、パルス波でもよい。波形は、例えば、ｓｉｎ波、矩形波等の周波数が単一の波形であることが好ましい。いずれにしても、本実施形態では、圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるように、エージング条件を調整する。
【００４４】
このように、本実施形態では、流路形成基板１０に圧力発生室１２を形成する前にエージング工程を行うことで、エージング工程で流路形成基板１０が圧電素子３００に付与する引張り応力を利用できるため、実使用時よりも低い電圧で十分なエージングをすることができる。
【００４５】
エージング工程を実行した後、図６（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を介して接合し、次に流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚さとなるまで薄くする。その後、図６（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、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。
【００４６】
そして、図６（ｃ）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。
【００４７】
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、インクジェット式記録ヘッド１が形成される。
【００４８】
本実施形態では、圧力発生室１２を形成する前にエージング工程を行ったが、圧力発生室１２を形成した後に、圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにするエージング工程を行ってもよい。また、エージング工程を行うことにより、圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにしたが、勿論、エージングを行わない段階で、圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たすのであれば、勿論、エージング工程を行う必要はない。
【００４９】
また、本実施形態では、圧電素子３００を所定形状にパターニングした後にエージング工程を行ったが、圧電素子３００をパターニングする前にエージング工程を行ってもよい。圧電素子３００をパターニングした後にエージング工程を行うと、エージング工程で各圧電素子３００の電極毎に電圧を印加する必要があるが、パターニング前に行えば複数の圧電素子３００の各電極がつながっているため、エージング工程での電圧の印加を一括で行うことができる。また、圧電素子３００が他の圧電素子３００を拘束するかのような構造であるため、圧電素子３００への応力の付与がより顕著になる。また、本実施形態では、リード電極９０を形成後エージング工程を行い、その後保護基板３０を設けたが、リード電極９０の形成前にエージング工程を行ってもよく、また、保護基板３０を設けた後にエージング工程を行ってもよい。さらに、本実施形態では、エージング工程で実使用時よりも低い電圧を印加したが、実使用時と同じ又は実使用時よりも高い電圧を印加してエージング工程を行ってもよい。
【００５０】
（実施形態２）
図７は、本発明の実施形態２に係る製造方法によって製造され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断面図である。図７に示すように、本実施形態に係るインクジェット式記録ヘッド１Ａは、実施形態１のインクジェット式記録ヘッド１に、圧電素子３００を覆うように耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜２００を設けたものであり、圧電体層７０は実施形態１と同様に、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％を満たすものである。なお、図２（ｂ）と同じ部材には同じ符号を付してあり、また、実施形態１と重複する説明は省略する。
【００５１】
具体的には、本実施形態において、圧電素子３００は、耐湿性を有する絶縁材料からなる保護膜２００によって覆われている。本実施形態では、保護膜２００を圧電体層７０の側面と上電極膜８０の側面及び上面の周縁部を覆い、且つ複数の圧電素子３００に亘って連続して設けるようにした。すなわち、上電極膜８０の上面の略中心領域である主要部は、保護膜２００が設けられておらず、上電極膜８０の上面の主要部を開口する開口部２０１が設けられている。開口部２０１は、保護膜２００を厚さ方向に貫通して圧電素子３００の長手方向に沿って矩形状に開口するものである。
【００５２】
このように圧電素子３００を保護膜２００で覆うことにより、大気中の水分等に起因する圧電素子３００の破壊を防止する構造となっている。そして、圧電素子３００には、実質的に駆動しない非能動領域と実質的に駆動する能動領域（圧電体能動部３２０）とが存在し、圧電素子３００の駆動を過度に低下させないようにするために、保護膜２００の圧電素子３００の能動領域に対向する位置に開口部２０１を設けることにより、圧電素子３００の変位を阻害することなく、インク吐出特性が良好に保持されている。この場合、大気中の水分は圧電素子３００の側面から圧電素子３００内部に侵入しやすいので、上記側面を保護膜２００が覆うことで水分の侵入をほとんど防止できるため、圧電素子３００の上面の一部は保護膜２００で覆われている必要は無い。
【００５３】
保護膜２００の材料としては、例えば、無機アモルファス材料である、酸化シリコン（ＳｉＯｘ）、酸化タンタル（ＴａＯｘ）、酸化アルミニウム（ＡｌＯｘ）等の無機絶縁材料を用いるのが好ましい。
【００５４】
そして、この保護膜２００上には、リード電極９０が設けられている。リード電極９０は、一端部が上電極膜８０に接続されると共に、他端部が流路形成基板１０のインク供給路１４側まで延設され、延設された先端部は圧電素子３００を駆動する駆動回路と接続配線を介して接続されている。
【００５５】
このような、インクジェット式記録ヘッド１Ａの製造方法について、図８及び図９を参照して説明する。具体的には、実施形態１と同様に圧電素子３００を形成した後（図４（ａ）〜図５（ｂ））、図８（ａ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０全面に亘って保護膜２００を形成する。その後、図８（ｂ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０を所定の厚さに薄くした後、図８（ｃ）に示すように、流路形成基板用ウェハ１１０上に、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９（ａ）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。
【００５６】
その後、実施形態１と同様に、実使用時よりも低い駆動電圧となる駆動信号を圧電素子３００に入力して、圧電体層７０のｚが３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにエージング工程を行う。駆動電圧や駆動時間等のエージング条件や保護膜２００の膜厚等を調整して、圧電体層７０が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％となるようにエージング工程を行うことにより、実使用時の圧電素子３００の変位の低下を確実に抑制できる。なお、本実施形態でも、エージング工程前の圧電体層７０の２Ｐｒ／２Ｐｍは３３％未満であった。本実施形態では、圧電素子３００を覆うように保護膜２００を形成した後で且つ保護膜２００に開口部２０１を形成する前に、すなわち、図９（ａ）の段階で、エージング工程を行う。なお、本実施形態では、開口部２０１が形成される前の保護膜２００が請求項１に記載する「拘束部材」に相当する。
【００５７】
このように、圧電素子３００が保護膜２００に覆われた状態で圧電素子３００に駆動信号を入力して圧電素子３００を駆動させると、圧電体層７０は収縮しようとするが、圧電素子３００は保護膜２００により覆われ動きが拘束されている。したがって、本実施形態のエージング工程では、実使用時よりも、すなわち、保護膜２００の上電極膜８０に相対向する領域に開口部２０１が形成されている状態よりも、圧電素子３００の変位が保護膜２００により拘束されている。その結果、本実施形態のエージング工程では、実使用時よりも大きな引張り応力が圧電素子３００に付与される。このように、実使用時よりも大きな引張り応力が圧電素子３００に付与された状態でエージング工程を行うことにより、圧電材料の分極を固定することができるので、エージング工程で圧電素子３００に印加する電圧が実使用時よりも低くても、十分なエージングをすることができる。
【００５８】
このように実使用時よりも低い電圧でエージング工程を行うと、エージング工程での圧電体層７０の変形が実使用時よりも小さくなるため、エージング工程で圧電体層７０にクラックを発生させることなく、実使用時に圧電素子３００の変位量の変動が抑えられ安定したインク吐出特性を有する液体噴射ヘッドを製造することができる。また、振動板の変形も実使用時よりも小さくなるため、エージング工程での振動板のクラックの発生が抑制できる。そして、低い電圧でエージング工程を行うことにより、過剰に圧電体層７０にダメージを与えて圧電素子３００が変位しなくなるという問題も生じない。さらに、エージング工程に必要な時間も短縮できるため、エージング工程を短時間にすることで、圧電素子３００への負荷をさらに低減することができる。また、開口部２０１が形成される前の保護膜２００といったインクジェット式記録ヘッド１Ａを構成する部材をインクジェット式記録ヘッド１Ａとして利用する際の最終形状に加工する前に使用することで新たな部材を用意することなく、従来に比べ効率の良いエージングが行える。
【００５９】
エージング工程後、図９（ｂ）に示すように、保護膜２００の各圧電素子３００に対応する領域を選択的にイオンミリングや反応性ドライエッチングなどのドライエッチングをすることにより、保護膜２００の上電極膜８０に相対向する領域に開口部２０１を形成する。このように、開口部２０１を形成するため、保護膜２００は容易に除去できる材質であることが好ましい。
【００６０】
その後、図９（ｃ）に示すように、リード電極９０を形成した後、実施形態１と同様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。そして、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。その後、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、インクジェット式記録ヘッド１Ａが形成される。
【００６１】
なお、本実施形態では圧力発生室１２を形成した後にエージング工程を行ったが、圧力発生室１２を形成する前にエージング工程を行ってもよい。保護膜２００を形成し且つ圧力発生室１２を形成する工程の前にエージング工程を行うことにより、エージング工程でより大きな引張り応力を圧電素子３００に付与することができるため、より低い印加電圧で十分なエージングをすることができる。
【００６２】
また、本実施形態では保護膜２００を耐湿性材料としたが、エージング工程で圧電素子３００の変位を拘束できるものであれば、材質は特に限定されない。さらに、本実施形態では流路形成基板１０上の全面に亘って保護膜２００を設けた状態でエージング工程を行ったが、保護膜２００は圧電素子３００の少なくとも圧電体層７０の表面を覆うように設ければよく、各圧電素子３００毎に保護膜を設け、複数の圧電素子３００に亘って不連続となるようにした状態でエージング工程を行ってもよい。また、本実施形態ではエージング工程後、保護膜２００に開口部２０１を形成して耐湿性保護膜としたが、エージング工程後に保護膜２００を全て除去してもよい。なお、保護膜２００を除去した場合は、実施形態１と同様のインクジェット式記録ヘッド１Ａが製造されることになる。
【００６３】
ここで、試験例に基づき、本実施形態についてさらに詳述する。
【００６４】
（実施例）
実施形態２に基づき、インクジェット式記録ヘッドを８個作製した。具体的には、弾性膜（ＳｉＯ２）の厚さを２μｍ、絶縁体膜（ＺｒＯ２）の厚さを０．４μｍとし、イリジウムからなり厚さ０．２μｍの下電極膜、チタン酸ジルコン酸鉛からなり厚さ１．２μｍの圧電体層、及び白金からなり厚さ０．０５μｍの上電極膜を有する圧電素子を具備し、圧力発生室の長手方向の幅を表１の値としたインクジェット式記録ヘッドを、アルミナからなり厚さ１００ｎｍの保護膜を圧電素子を覆うように設けた状態で圧力発生室形成前にエージング工程を行って、作製した。なお、エージング工程で圧電体層や振動板にクラックが発生することもなかった。
【００６５】
各インクジェット式記録ヘッドは、（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造の圧電体層を有していた。また、各インクジェット式記録ヘッドの圧電素子にＤＣ３５Ｖを印加して残留分極Ｐｒ及び飽和分極Ｐｍを求めた結果を表１に示す。表１に示すように、各インクジェット式記録ヘッドの圧電体層は、３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％の範囲内であった。これらのインクジェット式記録ヘッドをそれぞれ実施例１〜８とした。
【００６６】
（比較例）
エージング工程を行わなかった以外は上記実施例と同様にして、インクジェット式記録ヘッドを９個作製した。各インクジェット式記録ヘッドは、（１００）面に優先配向している菱面体晶系構造の圧電体層を有していた。また、各インクジェット式記録ヘッドの圧電素子にＤＣ３５Ｖを印加して残留分極Ｐｒ及び飽和分極Ｐｍを求めた結果を表１に示す。表１に示すように、圧電体層の２Ｐｒ／２Ｐｍは３３％未満であった。これらのインクジェット式記録ヘッドをそれぞれ比較例１〜９とした。
【００６７】
（試験例）
実施例及び比較例のインクジェット式記録ヘッドに所定の駆動パルスを１９０億回連続的に印加する耐久試験を行って、印加前後の圧電素子の変位低下率を求めた。結果を表１及び図１０に示す。なお、耐久試験で圧電素子に印加した駆動パルスは、電圧５０Ｖ、周波数１００ｋＨｚのｓｉｎ波形であり、変位測定時に印加した駆動パルスは、電圧３０Ｖ、周波数８００Ｈｚの台形波形である。
【００６８】
【表１】
2008246797.tif 000003
【００６９】
表１及び図１０に示すように、耐久試験前に圧電体層が３３％≦２Ｐｒ／２Ｐｍ≦４６％の範囲内である実施例１〜８のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子の変位低下率が４％以内であった。また、耐久試験前の２Ｐｒ／２Ｐｍが３３％未満である比較例１〜９のインクジェット式記録ヘッドでは、圧電素子の変位低下率が１０％以上であり、実施例と比較して顕著に変位低下率が高かった。なお、実施例及び比較例ともに、耐久試験前の２Ｐｒ／２Ｐｍは４６％以下であり、また、インクジェット式記録ヘッドとして十分な３４０ｎｍ以上の変位を有していた。
【００７０】
（他の実施形態）
以上、本発明の実施形態について説明したが、勿論、本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施形態では、成膜及びリソグラフィプロセスを応用して製造される薄膜型のインクジェット式記録ヘッドを例にしたが、勿論これに限定されるものではなく、例えば、グリーンシートを貼付する等の方法により形成される厚膜型のインクジェット式記録ヘッドにも本発明を採用することができる。
【００７１】
なお、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドの一例として、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドについて説明したが、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る。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を挙げることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【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である。
【図２】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。
【図３】圧電体層のヒステリシス曲線を示す図である。
【図４】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。
【図５】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。
【図６】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。
【図７】実施形態２に係る記録ヘッドの断面図である。
【図８】実施形態２に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図９】実施形態２に係る記録ヘッドの製造方法を示す断面図である。
【図１０】試験例の結果を示す図である。
【符号の説明】
【００７３】
１、１Ａ  インクジェット式記録ヘッド（液体噴射ヘッド）、  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  圧電素子保持部、  ３２  リザーバ部、  ４０  コンプライアンス基板、  ５０  弾性膜、  ６０  下電極膜、  ７０  圧電体層、  ８０  上電極膜、  １００  リザーバ、  ２００  保護膜、  ２０１  開口部、  ３００  圧電素子
【図１】
2008246797.tif 000004
【図２】
2008246797.tif 000005
【図３】
2008246797.tif 000006
【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】
2008246797.tif 000011
【図９】
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【図１０】
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