JP5288530B2

JP5288530B2 - 圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法

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Inventors: 竜児塚本
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Description

本発明は圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法に係り、特にスパッタ法などの手法により成膜された配向性を有する圧電素子の製造技術に関する。

一般に、汎用の画像形成装置として、インクジェットヘッドから記録媒体上にインク液滴を吐出して所望の画像を形成するインクジェット記録装置が広く用いられている。インクジェット記録装置では、インクジェットヘッドからインク液滴を吐出させるための圧力付与手段として圧電素子（圧電アクチュエータ）が好適に用いられる。

インクジェットヘッドには、印字性能の向上、特に、高解像度化及び印字速度の高速化が求められている。そのために、ノズルを微細化するとともに高密度に配置したマルチノズルヘッド構造を用いて、高解像度化及び印字速度の高速化が試みられている。ノズルの高密度配置化を実現するために圧電素子の小型化が強く求められ
ている。

圧電素子の小型化のためには、その厚みを薄くすることが有効であり、圧電素子の薄膜化を実現するために、例えば、特許文献１にはスパッタ法により膜厚３μｍの鉛誘電体層（圧電体膜）を形成する技術が開示されている。
特開平１０−２８６９５３号公報

インクジェットヘッドに用いられる圧電素子は、上部電極をアドレス電極（個別電極）とし下部電極をグランド電極（共通電極）として、下部電極をグランドとして上部電極にプラス電圧を印加するように構成すると、配線の容易性やスイッチＩＣなどのデバイスのコスト面の点で有利であり、このような配線構造が好適に用いられる。したがって、一般に、下部電極をグランドとして上部電極にプラス電圧を印加したときに、圧電素子が液体を吐出させる方向に変形するように圧電素子に分極処理が施される。

しかしながら、特許文献１に記載された発明では、スパッタ法により下部電極上に圧電体膜を成膜するので、当該圧電体膜の分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となる。即ち、図１０に図示した圧電素子１０２をスパッタ法によって成膜すると、成膜時の分極方向が下部電極１１０から上部電極１１４に向かう方向（図１０に矢印線Ｂで図示する、図１０における上方向）となり、このように構成された圧電素子１０２に分極方向と同一方向の電界を印加して駆動し、ノズル１０８から液体を吐出させるには、上部電極１１４をグランドとして下部電極１１０に駆動源１１５から正電圧を印加する方法があるが、上部電極１１４をグランド電極とし下部電極１１０をアドレス電極とすると、配線構造が複雑になるので、構造上及び製造上の観点から好ましくない。

また、一般的な圧電素子は、上部電極から下部電極に向く方向に電界（電圧）を印加しても、下部電極から上部電極に向く方向に電界を印加しても、電界の方向に関係なく同一の電界強度（電圧）を印加すれば、同一の変位量を得ることができるが、スパッタ法で作製した圧電体膜は、成膜の時点で決まった配向方向（分極方向）を持ち、印加される電界の向きによって変位量が異なるという現象が発生する。

図１１に示すように、電界強度が０（ｋＶ／ｍｍ）から−６．０（ｋＶ／ｍｍ）の範囲では、電界強度と圧電素子１０２の変位量（μｍ）は比例関係を示すが（符号１２０で図示する特性）、電界強度が０（ｋＶ／ｍｍ）から６．０（ｋＶ／ｍｍ）の範囲では、比例関係でなくなるだけでなく、変位方向が反転する現象も見られる（符号１２２で図示する特性参照）。

このような問題の回避方法として、シリコン（Ｓｉ）や酸化マグネシウム（ＭｇＯ）などの単結晶基板（いわゆる、ダミー基板）上に上部電極（図１０の符号１１４）、圧電体膜（図１０の符号１１２）及び下部電極（図１０の符号１１０）をスパッタ法により順に成膜し、下部電極上に振動板となる薄膜を成膜した圧電素子構造体を作製した後に、当該圧電素子構造体を機械的に反転してシリコン基板やガラス基板で形成した圧力室（図１０の圧力室１１６が形成されたシリコン基材１０６Ａ）に転写（接着）して、インクジェットヘッドを作製する方法がある。

また、他の回避方法として、上部電極をグランド電極とし、下部電極をアドレス電極とする方法や、上部電極をアドレス電極とし、下部電極をグランド電極として、上部電極に負方向の電界（図１０の矢印線Ｃで示す方向の電界）を印加する方法が考えられる。

しかし、予め作製された圧電素子構造体を機械的に表裏反転させて圧力室に転写する方法では、単結晶基板を使い捨てで用いるのでコスト高となる。また、転写接着法を用いるために圧電素子構造体と圧力室との正確な位置決めが必要であるが、圧電素子構造体と圧力室との正確な位置決めは非常に困難である。圧電素子構造体と圧力室との位置決め精度は吐出性能に影響し、複数のノズルを備えるインクジェットヘッドにおいて、各ノズルの吐出性能が一定であるヘッドを作製することは非常に難しい。

下部電極１１０をアドレス電極とする方法では、図１２に示すように、振動板がシリコンの場合、リーク電流１４０が生じてしまい、電界を印加していない圧電素子にも変位が発生する電気的クロストークによって、本来インク滴を吐出しないノズルからインクが吐出されてしまうといった問題点がある。

更にまた、上部電極をアドレス電極として、上部電極に負方向の電界を印加する方法では、マイナス電圧用の駆動ＩＣや電源装置がプラス電圧用のものと比べてコスト高（おおよそ、数倍〜数十倍）になる。

上述した配向性を有する圧電体膜（スパッタ法によって成膜された圧電体膜）の課題をまとめると、圧電素子を機械的に反転して圧力室に接合する方法は、接合時の位置決め精度が問題となり、下部電極をアドレス電極とする方法は、リーク電流による電気的クロストークの発生が問題となる。また、印加電界をマイナス方向の電界とする方法は、ＩＣなどのコスト高が問題となる（図１３参照）。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、スパッタ法などのエピタキシャル成長法或いは配向成長法よって好ましい圧電素子を作製する圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る圧電素子製造方法は、基板に下部電極を形成する下部電極形成工程と、前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、前記上部電極形成工程の後に、前記上部電極と前記下部電極との間に、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、を含み、成膜時の分極方向を反転させた状態で使用される圧電素子の製造方法において、前記分極反転工程は、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加したときに、前記圧電体膜の分極方向の反転が生じる温度範囲内の第１の温度に環境温度を設定する工程と、前記設定された第１の温度を維持した状態で、前記上部電極と前記下部電極との間に、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加する工程と、前記設定された第１の温度を維持し、かつ、前記電界の印加を所定時間保持する工程と、前記電界の印加開始から前記所定時間経過後に、環境温度を前記第１の温度よりも低く、使用時の性能劣化が生じない前記電界の印加解除時の温度範囲内の第２の温度に変更する工程と、環境温度が前記第２の温度に変更された状態で、前記電界の印加を解除する工程と、を含むことを特徴とする。

本発明によれば、エピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜では、成膜時の分極方向は成長方向（配向方向）となり、下部電極から圧電体膜を成長させると分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となるので、この分極方向を上部電極から下部電極に向かう方向に反転させて上部電極から下部電極に向かう方向の電界を印加して当該圧電体を動作させたときに、下部電極をグランド電極とし上部電極をアドレス電極として上部電極に正電圧を印加して、当該圧電体の変位量及び変位方向の制御が可能となる。

上部電極及び圧電体膜、下部電極を所定の形状にパターニングするパターニング工程を含む態様が好ましい。なお、上部電極と圧電体膜とを共通のパターニング工程で一度にパターニングする態様も好ましい。

複数の圧電体膜（圧電素子）を同一基板上に形成する場合には、基板上に形成される下部電極をグランド電極（共通電極）とし、露出している側の上部電極をアドレス電極（個別電極）として、上部電極に正電圧を印加する態様が好ましい。

また、配線パターンを外部に引き出す配線部材を接合する工程を備える態様も好ましい。

上部電極、圧電体膜、下部電極を含む構成を圧電素子という概念で表すことができる。また、圧電素子を動作させて圧電素子と接合される他の部材を変形させる構造を圧電アクチュエータと呼ぶことができる。圧電アクチュエータに含まれる前記他の部材の一例として基板（振動板）が挙げられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記第１の温度は１００℃以上キュリー点以下の温度であるとともに、前記所定時間は１分間以上であり、前記第２の温度は７０℃以下であることを特徴とする。

請求項２に記載の発明によれば、第１の温度を１００℃以上とすることで、基板が加熱されることで基板からのストレスが緩和されて分極反転し易い状態になり、第２の温度を７０℃以下とすることで、反転させた分極が拘束される。また、第１の温度をキュリー点以下の温度とすることで、圧電体膜の絶縁破壊を防止できる。なお、第２の温度を１０℃未満とすると環境温度の管理が難しくなるので、第２の温度は１０℃以上とする態様が好ましい。

請求項３に記載の発明は、請求項１又は２記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記分極反転工程の後に、１５０℃以上キュリー点以下の温度で行われる処理工程を含む場合には、前記処理工程の後に、常温において前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に電界を印加する分極処理を施す再分極工程を含むことを特徴とする。

分極反転させた後に、１５０℃以上キュリー点以下の温度環境下で行われる後工程を経ると当該圧電体膜の分極方向が再び反転して、成膜時の分極方向に戻ってしまい、当該圧電素子の所定の性能を得られなくなる。請求項３に記載の発明によれば、当該後工程の後に、常温において再分極処理を施すことで所定の性能を回復させることができる。

ここでいう「常温」には、一般的に言われる２５℃だけでなく、本願発明によって製造された圧電素子や、当該圧電素子が搭載された構造物が保存される保存環境の温度範囲を含んでいる。保存環境の温度範囲の一例として、１０℃（例えば、冷暗所）〜５０℃（例えば、高温地帯における気温の最大値）が上げられる。

なお、ここでいう後工程には、複数の工程が含まれていてもよい。請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記分極反転工程の後に、１３０℃以上キュリー点以下の温度で行われる前記上部電極及び前記下部電極に配線部材を接合させる配線工程を含み、前記再分極工程は、前記配線工程によって接合させた配線部材を用いて前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に電界を印加することを特徴とする。請求項５に記載の発明は、請求項４に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記配線部材は、前記上部電極、前記下部電極及び前記圧電体膜を具備する圧電素子の駆動回路を構成するＩＣが搭載されるフレキシブルケーブルであることを特徴とする。請求項６に記載の発明は、請求項３から５のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記再分極工程は、１０℃以上５０℃以下の温度で行われることを特徴とする。請求項７に記載の発明は、請求項３から６のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記再分極工程は、前記分極反転工程と同一の電界強度、及び前記分極反転工程と同一の電界の印加方向で行われることを特徴とする。

請求項８に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記分極反転工程における印加電界は、５．０ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする。

請求項８に記載の発明によれば、分極反転前の性能が維持された好ましい圧電素子が製造される。なお、前記分極反転工程における印加電界は圧電素子（圧電体膜）の最大定格未満の強度とする。

請求項９に記載の発明は、請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法の一態様に係り、前記圧電体膜成膜工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか１つの手法を用いて圧電体膜を成膜することを特徴とする。

請求項９に記載の発明によれば、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法を用いることで、
膜厚が非常に薄く小型化された好ましい圧電体膜を成膜することができる。

また、上記目的を達成するために、請求項１０に記載の発明に係る液体吐出ヘッド製造方法は、液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通する吐出側流路と、前記吐出側流路と連通し、前記ノズルから吐出される液体を収容する圧力室と、前記圧力室に収容される液体を加圧する圧電素子と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法によって前記圧電素子を製造する工程と、前記基板の前記圧電素子と反対側に前記圧力室を形成する圧力室形成工程と、前記吐出側流路と前記圧力室との位置合わせをして、前記吐出側流路が形成された流路基板を前記圧力室が形成される前記基板と接合する流路基板接合工程と、前記ノズルと前記吐出側流路との位置合わせをして、前記ノズルが形成された吐出口基板を前記流路基板と接合する吐出口基板接合工程と、を含むことを特徴とする。

請求項１０に記載の発明によれば、上部電極をアドレス電極、下部電極をグランド電極として、上部電極に正電圧を印加して（圧電素子の分極方向と同じ方向の電界を当該圧電素子に印加して）圧電素子を動作させることで、吐出口から液体を吐出させることができる好ましい液体吐出ヘッドが製造される。

本発明によれば、エピタキシャル成長或いは配向成長させた圧電体膜では、膜成膜時の分極方向が成長方向（配向方向）となり、下部電極から圧電体膜を成長させると分極方向は下部電極から上部電極に向かう方向となるので、この分極方向を上部電極から下部電極に向かう方向に反転させて、上部電極から下部電極に向かう方向の電界を印加して当該圧電体を動作させたときに、当該圧電体の変位量及び変位方向の制御が可能となる。

また、上部電極をアドレス電極、下部電極をグランド電極として、上部電極に正電圧を印加して圧電素子を動作させることで、吐出口から液体を吐出させることができる好ましい液体吐出ヘッドが製造される。

以下添付図面に従って本発明の好ましい実施の形態について詳説する。

〔液体吐出ヘッドの製造方法の説明〕
図１(a)〜(h)を用いて、本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッドの製造方法（圧電素子の製造方法）を説明する。

（１）下部電極形成工程
図１(a)に示すように、表面絶縁基板であるＳＯＩ基板（SiO₂の絶縁膜を備えたシリコン基板、以下、基板と記載する。）１０を準備する。図１(a)に示す基板１０は、シリコン基材１０Ａと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｂと、シリコン基材１０Ｃと、シリコン酸化膜からなる絶縁層１０Ｄと、を順位に積層した構造を有している。

基板１０の上面（絶縁層１０Ｄが形成されている面）１２に、スパッタ、蒸着等の手法を用いて下部電極１４が成膜される（図１(b)）。下部電極１４には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）などが好適に用いられる。

（２）圧電体膜成膜工程
下部電極１４が成膜されると、下部電極１４の上側（下部電極１４の絶縁層１０Ｄと反対側）の面には、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法等のエピタキシャル成長法による薄膜形成プロセスを用いて、所定の配向性を持つ圧電体膜１６が成膜される（図１(c)）。圧電体膜１６には、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛、Pb(Zr,Ti)O₃）が好適に用いられる。

（３）上部電極成膜工程
圧電体膜１６が成膜されると、圧電体膜１６の上側（圧電体膜１６の下部電極１４と反対側）の面には、スパッタ等の手法を用いて上部電極１８が成膜される（図１(d)）。上部電極１８には、イリジウム（Ｉｒ）、プラチナ（Ｐｔ）、チタン（Ｔｉ）、金（Ａｕ）、タングステン（Ｗ）などが好適に用いられる。

本明細書では、下部電極１４と上部電極１８に圧電体膜１６がはさまれた構造体を圧電素子２０と呼び、圧電素子２０を駆動して他の部材を変形（振動）させる構成を圧電アクチュエータと呼ぶことにする。圧電アクチュエータの一例を挙げると、圧電素子２０と振動板（詳細は後述する。）を変形させる構造が挙げられる。

（４）分極反転処理工程
図１(d)に示す基板１０上に下部電極１４、圧電体膜１６及び上部電極１８が成膜された状態では、圧電体膜１６は下部電極１４から上部電極１８に向かう方向（図１(d)における上向き方向）の配向方向（分極方向）を有している。分極反転工程では、成膜時の圧電体膜１６の分極方向を反転させる処理が施される。

具体的には、環境温度を１００℃以上、かつ、キュリー点以下の第１の温度Ｔ_１とし、この第１の温度Ｔ_１を保持した状態で、電界発生装置２１から分極方向と反対方向の電界Ｅ_１を下部電極１４及び上部電極１８間に印加するとともに、第１の温度Ｔ_１及び電界Ｅ_１を１分間以上（好ましくは１０分以上６０分未満）保持する。

第１の温度Ｔ_１及び電界Ｅ_１を保持した状態が１分間以上経過した後に、電界Ｅ_１を保持したまま環境温度を第２の温度Ｔ_２まで下げ、第２の温度Ｔ_２が７０℃になったところで電界Ｅ_１を解除する。このように、加熱、逆電圧印加、加熱及び逆電圧印加の保持、加熱解除、逆電圧解除の工程を経ることで、圧電体膜１６の分極方向は反転し、上部電極１８から下部電極１４へ向かう方向となる（図２に符号Ａ’で図示）。なお、第２の温度Ｔ_２は、１０℃以上７０℃以下とすることが可能である。

第１の温度Ｔ_１を維持する理由（常温で分極が反転しない理由）は、次のとおりである。１００℃以下の温度で分極反転が生じない理由として、圧電体の界面付近の分極方向が基板から受けるストレスによって拘束されることが挙げられる。即ち、例えば、常温では線膨張によって圧電体膜１６と基板１０との間にストレスが生まれ、このストレスによって圧電体の分極が拘束され、分極反転が生じない。一方、高温環境下（本例では１００℃以上、かつ、キュリー点以下）では、圧電体膜１６と基板１０との間のストレスが緩和され、この状態で分極方向と逆方向の電圧を圧電体膜１６に印加することで、圧電体膜１６の分極が反転しやすい状態となる。

なお、第１の温度Ｔ_１をキュリー点以上の温度として電界Ｅ_１を印加すると、圧電体膜１６が絶縁破壊を起こす可能性が高くなるので、第１の温度Ｔ_１はキュリー点以下の温度としている。

（５）圧電素子パターニング工程
分極反転処理が行われた後に、下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６を所定の形状に加工する処理が行われ、圧電体膜１６の上面に上部電極１８を備えるとともに下面に下部電極１４を備えた所定の形状を有する圧電素子２０が形成される（図１(e)）。

下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６の加工処理にはエッチングが好適に用いられ、当該加工処理は１５０℃程度の高温環境化で行われる。なお、下部電極１４及び上部電極１８、圧電体膜１６をそれぞれ別工程（別手法）で加工してもよいし、同一工程（同一手法）でまとめて加工してもよい。

（６）圧力室形成工程
次に、エッチング等の手法を用いて、シリコン基材１０Ａに圧力室となる開口２２が形成される（図１(f)）。なお、絶縁層１０Ｂ及びシリコン基材１０Ｃ、絶縁層１０Ｄは、振動板として機能する。

（７）流路プレート接合工程、ノズルプレート接合工程
図１(f)に示すように、基板１０（シリコン基材１０Ａ）に圧力室２２が形成されると、共通液室及び供給絞りとなる凹部２４及び圧力室２２と連通する吐出側流路となる開口部２６が形成された流路プレート２８を圧力室２２の開口側面（基板１０の圧電素子２０が配設される面と反対側の面）に接合する。基板１０と流路プレート２８とを接合する際には、共通液室、供給絞り、吐出側流路と圧力室２２が正確に位置合わせされる。

更に、ノズルとなる微細孔３０が形成されたノズルプレート３２を流路プレート２８の基板１０と反対側に接合する。ノズルプレート３２と流路プレート２８とを接合する際には、ノズル３０と吐出側流路が正確に位置合わせされる（図１(g)）。

（８）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程
図１(g)に示すように、ノズルプレート３２、流路プレート２８、圧力室２２が形成された基板１０、圧電素子２０が順に積層された構造を有する構造体が形成されると、圧電素子２０に印加される駆動電圧の配線が形成されたフレキシブルケーブル（ＦＰＣ）３４が上記（５）で形成された上部電極１８と導通するように接合される（図１(h)）。なお、ＦＰＣ３４にスイッチＩＣやドライブＩＣなどの駆動回路の一部又は全部が搭載される態様も可能である。また、ＦＰＣ３４の接合にコネクタを用いる態様も好ましい。

ＦＰＣ３４の接合には、導電性接着剤が好適に用いられる。ＦＰＣ接合工程は、１３０℃〜１５０℃の高温環境下で行われる。

上述した（１）〜（８）の工程を経て作製された液体吐出ヘッド１を図２に示す。なお、図２中、図１(a)〜(j)と同一または類似する部分には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図２では、図１(j)に図示したＦＰＣ３４は省略されている。

図２に示すヘッド１は、スパッタ法を用いて下部電極１４からエピタキシャル成長させた圧電体膜１６を有する圧電素子２０を備え、上部電極１８をアドレス電極とし下部電極１４をグランド電極として、駆動電圧供給部３８から上部電極１８にプラスの駆動電圧を印加して、圧電素子２０及び振動板１０Ｅが圧力室２２の体積を減少させるように変形する（図２に矢印線Ｂで示す方向に変形する）ことで、ノズル３０から液滴が吐出される。

圧電体膜１６（圧電素子２０）の成膜時の分極方向を反転させることで、下部電極１４をグランドとして上部電極１８にプラス電圧を印加するときの電界方向（図２に矢印線Ｃ’で示す方向）と、圧電素子２０の分極方向（図２に矢印線Ａ’で示す方向）は同一方向となる。

図３は、分極反転前の圧電素子２０の特性と分極反転後の圧電素子２０の特性を示すグラフである。図３に示すグラフのたて軸は圧電素子２０の変位量（ｎｍ）を表し、横軸は圧電素子２０に印加される電圧（Ｖ）を示す。なお、以下の説明では「電界」という用語と「電圧」という用語は特に断らない限り相互に読み替えてもよいこととする。

図３に示す符号１２０及び１２２は、分極反転前の圧電素子２０（従来技術に係る圧電素子１０２）の特性を示している（図１１参照）。

下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加し、このときに上部電極１８から下部電極１４に向かう方向を電界のプラス方向（図１０に符号Ｃで示す方向と反対方向）とする。したがって、圧電素子１０２の分極方向（図１０に符号Ｂで示す方向）は電圧のプラス方向と反対方向となる。

マイナス方向（図１０に符号Ｃで示す方向）の電圧を圧電素子１０２に印加すると（即ち、圧電素子１０２の分極方向と同じ方向の電圧を圧電素子１０２に印加すると）、圧電素子１０２は液体を吐出させる方向に変形し、この方向を圧電素子１０２の変位量のプラス方向としている。なお、分極反転前の圧電素子２０（圧電素子１０２）の特性の詳細な説明は、先に説明した従来技術に係る説明の際にしたので、ここでは省略する。

一方、符号４０で示す特性は、分極反転後の圧電素子２０（本発明に係る圧電素子製造法により製造された圧電素子２０）の電圧と変位量の特性を示している。なお、符号４０で示す特性では、下部電極１４をグランドとして上部電極１８に正電圧を印加し、このときに上部電極１８から下部電極１４に向かう方向を電圧の方向をプラス方向（図２に符号Ｃ’で示す方向）とする。したがって、圧電素子２０の分極方向（図２に符号Ａ’で示す方向）は電圧のプラス方向と同一方向となる。

プラス方向の電圧を圧電素子２０に印加すると、圧電素子２０は液体を吐出させる方向（図２における下方向）に変形し、この方向を圧電素子２０の変位量のプラス方向としている。

分極反転処理を行った結果、液体吐出のための圧電素子２０の駆動に圧電素子２０の電圧と変位量が比例関係を有する部分の特性を用いることができる。また、分極反転前のピークの変位量（電圧−４０（Ｖ）における変位量）１１００（ｎｍ）と分極後のピークの変位量（電圧４０（Ｖ）における変位量）１１００（ｎｍ）は一致しているので、分極反転処理による性能劣化も見られない。

図４には、各温度（第１の温度Ｔ_１）で分極反転した（成膜時の分極方向と逆方向の分極方向を有した）圧電素子の分極反転時の印加電界強度Ｅ_１と分極度との関係を示す。即ち、図４は、分極反転工程における環境温度（分極温度）の違いによる分極反転の効果の違いを示している。図４の横軸は分極反転工程時の分極温度であり、図４の縦軸は（分極後の変位量）／（分極前の変位量）で表される分極度であり、ある電界（電圧）が印加されたときに分極反転前と分極反転後変位量が同一になるときの分極度を「１」と定義する。

図４に示す特性曲線は、以下の手順で求めたものである。

サンプルとなる厚さ４μｍの圧電素子をホットプレートの上におき、ホットプレートの温度を１０分間（３０℃／分）で３００℃（＝第１の温度Ｔ_１）まで上昇させる。

３００℃の温度を維持したまま圧電素子に対して直流電圧３０Ｖ（＝Ｅ_１）を１０分間印加する。

圧電素子に電圧を印加した状態を維持したまま、ホットプレートの温度を２０分間（１３℃／分）で７０℃まで保持し、ホットプレートの温度が７０℃（＝第２の温度Ｔ_２）になったところで、電圧印加をやめ、圧電素子をホットプレートから外す。

このようにして、温度、印加電界Ｅ_１の条件を変えて、図４に示す分極温度（℃、即ち、第１の温度Ｔ_１）と分極度との関係を求めた。分極温度は、２５℃、１００℃、２００℃、２５０℃、３００℃の５種類とし、印加する電界強度は、２．５（ｋＶ／ｍｍ）、５．０（ｋＶ／ｍｍ）、７．５（ｋＶ／ｍｍ）の３種類とした。

図４の符号５０で示す特性曲線は、圧電素子に印加した電界強度が２．５（ｋＶ／ｍｍ）のときの特性であり、符号５２で示す特性曲線及び符号５４で示す特性曲線は、それぞれ圧電素子に印加した電界強度が５．０（ｋＶ／ｍｍ）、７．５（ｋＶ／ｍｍ）のときの特性である。

図４に示すように、分極温度が２５℃の場合には、印加する電界強度によらず分極度はマイナスの値となる。即ち、分極前と分極後では、同じ電界をかけても変形方向が反転する現象が起きる。即ち、分極温度が２５℃の場合には、分極方向は反転しない。

圧電素子に印加した電界の強度が２．５（ｋＶ／ｍｍ）の場合には、分極温度が１００℃になると、分極度が正の値（即ち、分極反転前と分極反転後の変位方向が同一）となる。更に、分極温度を１００℃、２００℃、２５０℃、３００℃と上げてゆくと、分極度は大きくなり、分極温度が３００℃のときに分極度は最大値（０．６）となった。

圧電素子に印加した電界の強度が５．０（ｋＶ／ｍｍ）及び７．５（ｋＶ／ｍｍ）の場合には、ほぼ同じ特性を示す。分極温度が１００℃では、分極度が正の値（即ち、分極反転前と分極反転後の変位方向が同一）となり、分極温度を２００℃、２５０℃、３００℃と上げてゆくと分極度は大きくなり、分極温度が３００℃のときに分極度は最大値（１．０）となった。

即ち、分極温度は１００℃以上とすることが好ましく、更に、できる限り高い温度とする態様が好ましい。また、分極時に印加する電界強度Ｅ_１は、当該圧電体膜の最大定格を超えない範囲で５．０（ｋＶ／ｍｍ）以上とすることが好ましい。

図５には、上述した条件で分極反転処理を行った後に、７０℃〜３５０℃の温度（第２の温度Ｔ_２）を１５分間印加した後に（電界開放時の温度（開放温度）の条件を変えて）、圧電素子の変位量を求めた結果を示す。

図５における横軸は、電界開放時の圧電素子を変形させるときの印加電圧（Ｖ）であり、０Ｖから４０Ｖまで１０Ｖおきに変位量の測定を行った。図５の符号６０は、分極後の特性であり、符号６２は開放温度が７０℃のときの特性を示す。また、符号６２、６４、６６、６８、７０は、それぞれ開放温度が１００℃、２００℃、３００℃（分極温度から温度を下げずに維持した状態で電界を開放）、３５０℃（分極温度から更に温度を上げた状態で電界を開放）のときの特性である。

図５に示すように、１００℃以上の温度で印加電界を開放すると（第２の温度Ｔ_２を１００℃以上とすると）、当該圧電体膜には分極の劣化が見られ、所定の電圧を印加しても、本来得られるべき変位を得ることができない。一方、７０℃以下の温度で印加電界を開放すると、図５の符号６０、６２に示すように、当該圧電体膜に分極の劣化は見られない。したがって、分極反転工程における印加電界を解除する温度（開放温度、第２の温度Ｔ_２）は７０℃以下と規定した。なお、開放温度を１０℃未満とすると温度管理が困難になるので、第２の温度Ｔ_２は１０℃と以上する。

上記の如く構成された圧電素子製造方法（液体吐出ヘッド製造方法）は、スパッタ法などのエピタキシャル成長または配向成長した圧電体膜に対して、１００℃以上キュリー点以下の第１の温度Ｔ_１を維持しながら配向方向と逆方向の電界Ｅ_１を印加し、第１の温度Ｔ_１及び電界Ｅ_１の印加を所定時間維持した後に、第２の温度Ｔ_２（７０℃以下）まで温度を下げてから電界Ｅ_１を解除する分極反転処理が施されるので、配向性圧電体膜の変位量及び変位方向の制御が可能である。

スパッタ法を用いて下部電極上に成膜され、成膜時に下部電極から上部電極に向かう分極方向を有する圧電体膜の分極方向を反転させる処理を施すので、下部電極を基準電位（グランド）として上部電極にプラス方向の電圧を印加して、分極反転後の圧電素子を液体吐出方向に変形させることができる。更に、当該圧電素子の変位量を好適に制御可能である。

本発明は、複数のノズル（圧電素子）を有するヘッドに特に効果を発揮する。ここで、図６(a)〜(c)に複数のノズルを有するヘッドの一例を示す。

図６(a)に示すヘッド１は、液体の吐出をうける媒体の最大紙幅に対応する長さを有し、そのノズル面には最大サイズの媒体の少なくとも一辺を超える長さ（液体を受容する範囲の全幅）にわたりノズル３０が複数配列されたフルライン型のヘッドとなっている。

図６(b)は図２(a)の一部の拡大図であり、図６(c)はヘッド１の他の構造例を示す平面透視図である。本例のヘッド１は、図６(a),(b)に示すように、液体の吐出孔であるノズル３０と、各ノズル３０に対応する圧力室２２、供給口２３等からなる複数のインク室ユニット２５を千鳥でマトリクス状に（２次元的に）配置させた構造を有し、これにより、ヘッド長手方向（媒体送り方向と直交する副走査方向）に沿って並ぶように投影される実質的なノズル間隔（投影ノズルピッチ）の高密度化を達成している。

なお、被吐出媒体の送り方向と略直交する方向に被吐出媒体の全幅に対応する長さにわたり１列以上のノズル列を構成する形態は本例に限定されない。例えば、図６(a)の構成に代えて、図６(c)に示すように、複数のノズル３０が２次元に配列された短尺のヘッドブロック１’を千鳥状に配列して繋ぎ合わせることで被吐出媒体の全幅に対応する長さのノズル列を有するラインヘッドを構成してもよい。また、図示は省略するが、短尺のヘッドを一列に並べてラインヘッドを構成してもよい。

なお、本発明の実施に際してノズルの配置構造は図示の例に限定されず、副走査方向に１列のノズル列を有する配置構造など、様々なノズル配置構造を適用できる。

また、本発明の適用範囲はライン型ヘッドによる吐出方式に限定されず、被記録媒体の幅方向の長さに満たない短尺のヘッドを被記録媒体の幅方向に走査させて当該幅方向に対する液体吐出を行い、１回の幅方向の液体吐出が終わると被記録媒体を幅方向と直交する方向に所定量だけ移動させて、次の吐出領域の被記録媒体の幅方向に対する液体吐出を行い、この動作を繰り返して被吐出媒体の吐出を受ける領域の全面にわたって液体吐出を行うシリアル方式を適用してもよい。

〔第２実施形態〕
次に、本発明の第２実施形態に係る圧電素子製造方法及び液体吐出ヘッド製造方法について説明する。

図１を用いて説明したヘッドの製造プロセスにおいて、上記（５）圧電素子パターニング工程ではエッチングが用いられ、エッチング工程では、圧電素子２０が局所的に１５０℃以上の高温になることもある。また、上記（８）のＦＰＣ接着工程では、１３０℃〜１５０℃の高温環境下で行われる場合もある。

即ち、上記（４）の分極反転処理工程の後の工程において、１３０℃〜３５０℃の高温環境下において行われるプロセスを含む場合がある。分極反転後に１３０℃〜３５０℃温度環境下で行われるプロセスを経ることによって、圧電素子２０の分極度が落ちてしまうといった問題がある。

本例に示す圧電素子製造方法では、上記（８）のＦＰＣ接合工程後に再分極工程が行われる。即ち、ＦＰＣ接合工程の後の最終製品（ＦＰＣ接合工程の後ヘッド１）は、スイッチＩＣなどの高温をかけることができない部品が存在するので、当該再分極工程は常温環境下（例えば、１０℃〜５０℃）において、分極反転後の分極方向と同一方向、かつ、分極反転工程時と同一強度の電界を印加して行われる。再分極工程における電界の印加時間は、分極反転工程と同様に１分以上、好ましくは１０分以上６０分未満とする。

図７に符号４０で示す特性は、先に説明した図３に示す分極反転後の圧電体膜（圧電素子）の特性である。このような特性を得られた圧電素子を、例えば４００℃（キュリー点以上の温度）に加熱すると、当該圧電素子は図７に符号７０で示す特性となり、変位量の減少という性能劣化がみられる。

符号７０で示す特性は、印加される電圧が０（Ｖ）〜４０（Ｖ）の領域において、符号４０で示す加熱しない特性に比べて変位量の減少が見られ、更に、０（Ｖ）〜１０（Ｖ）の領域では変位方向が反転する現象が見られる。図７に符号７０で示す特性となった圧電素子は、常温で再度分極処理を施すことで、符号４０で示す特性に戻すことが可能となる。

一度高温で分極反転処理を行った配向性を有する圧電素子は、キュリー点以上の温度をかけた後でも分極反転しやすくなる（分極反転後は再分極処理が容易である）ことを見出した。なお、通常の圧電バルク体ではこのような現象は見られない。

このような現象が起こる理由としては、分極反転後に常温に戻すため、圧電素子にストレスがかかり、このストレスが分極反転処理を施した圧電素子の再分極反転を防止することが考えられる。

本発明の第２実施形態によれば、第１実施形態に示した分極反転処理後に１００℃以上の温度にさらされた圧電体膜（配向性膜）に対して、分極反転処理時の温度よりも低い温度（例えば、常温）で、成膜時の分極方向と反対方向の電界を印加して再分極処理を行うので、当該圧電体膜の製造工程（当該圧電体膜を含む圧電素子を備えたヘッドの製造工程）において高温プロセスを通っても（高温環境下で行われる処理を経ても）、当該圧電体素子の変位量及び変位方向の制御が可能である。

言い換えると、分極反転後の高温プロセスによって性能が劣化した圧電素子に対して、常温で再分極処理を施すことで、劣化した性能を回復することができる。

〔第３実施形態〕
次に、本発明に係る第３実施形態について説明する。

図１(a)〜(h)に示すヘッドの製造工程において、最終製品にはスイッチＩＣなどの高い温度をかけることが困難な部品や、接着剤などの高い温度をかけられない部材が存在するので、プロセスの制約上、高い温度をかけて分極反転処理を施すことが難しい。また、高い温度をかけることができたとしても、スイッチＩＣなどの電子部品には最大定格を超える高い電圧をかけることができない。しかし、上記第１実施形態及び第２実施形態で説明した高温環境下において高電圧を用いて行われる分極反転工程に代わり、抗電界以上の交流電圧を圧電素子に印加する交流印加工程を行うことで、常温環境下において分極反転処理を行うことができるとともに、スイッチＩＣなどの定格を超えない範囲の低い電圧を用いた分極反転処理が可能となる。したがって、最終製品において（ＦＰＣやスイッチＩＣが搭載された状態で）分極反転処理（分極処理）を行うことが可能となる。

具体的には、図１(h)に示すヘッド１（（８）フレキシブルケーブル（ＦＰＣ）接着工程の後）に、上部電極１８及び下部電極１４間に抗電界以上のＡＣ電界が印加され（ＡＣ電界印加工程）、その後、所定の温度環境下（例えば、１０℃〜７０℃）において、上部電極１８から下部電極１４へ向かう方向に１（ｋＶ／ｍｍ）以上１０（ｋＶ／ｍｍ）以下の強度の電界が印加される（分極反転処理工程）。

次に、圧電素子２０が分極反転に至るメカニズムについて説明する。図８(a),(b)には、ヘッド１（基板１０’上）に搭載された圧電素子２０を模式的に図示する。図８(a)は成膜直後の圧電素子２０を示しており、矢印線Ｂで示す方向が分極方向である。成膜後に分極反転し難い原因の１つとして、空間電荷による自発分極の拘束が挙げられる。即ち、図８(b)に示すように、空間電界８０が圧電素子２０の成膜時の分極方向を固定して、分極反転を困難にしている。

本例では、抗電界以上のＡＣ電界（抗電界以上の電圧自発分極）を圧電素子２０に印加して、空間電荷を除去し、分極反転を起こりやすくする。なお、抗電界とは、圧電体の分極を変えることができる電界の強さであり、圧電体のヒステリシス曲線において、ｘ軸を電界強度とし、ｙ軸を残留分極としたときのｘ軸とヒステリシス曲線の交点をいう。

ＡＣ電界の具体的な一例を挙げると、厚み４μｍの圧電体膜１６（圧電素子２０）に、ｓｉｎ波、１ＭＨｚ、４０Ｖの交流電界を１時間加えた。なお、波形、印加時間は適宜変更してもよい。

図９に実線で図示する符号９０で示す特性が圧電体膜１６の成膜直後のヒステリシス特性である。このような特性を有する圧電体膜１６（圧電素子２０）に対して、上に例示した抗電界以上のＡＣ電界を印加すると、破線で図示する符号９２で示す特性となる。なお、図９の横軸は電界強度（ｋＶ／ｍｍ）であり、縦軸は残留分極（μＣ／ｃｍ^２）である。

図９に示すように、抗電界以上のＡＣ電界を印加した後は抗電界が減少していることがわかる。これは、分極方向が反転する電界強度が低くなっていることを示し、分極反転が容易になることを意味している。なお、抗電界以上のＡＣ電界を印加しても、飽和分極Ｐｍと残留分極Ｐｒは変化しない。即ち、高温環境下とすることなく、且つ、高電圧を用いることなく分極反転処理を施すことができ、図１(h)に示すヘッド１（最終製品）に対して分極処理を施すことが可能となる。

上述した第１〜第３実施形態では、スパッタ法を用いて圧電体膜１６を成膜する態様を例示したが、圧電体膜１６の成膜にはゾルゲル法やＣＶＤ法などの他の手法を用いることも可能である。

また、圧電素子２０の支持基板の材料としてシリコンや酸化マグネシウムを例示したが、ＳＵＳなどの材料を用いてもよい。

本例には、１層の圧電体膜を有する単層圧電素子例示したが、本発明は、複数の圧電体膜と複数の電極が交互に積層された多層圧電素子にも適用可能である。

本発明の適用例として、ノズルからインクを吐出するインクジェットヘッドを製造する方法が挙げられる。なお、本発明は液体吐出ヘッドにおいて圧力発生素子として機能する圧電素子の製造方法及び、該圧電素子を備えた液体吐出ヘッドの製造方法に広く適用可能である。

本発明の実施形態に係る液体吐出ヘッド製造方法（圧電素子製造方法）の工程を説明する図図１に示す製造工程によって製造された液体吐出ヘッドの構造例を示す断面図図１に示す製造工程によって製造された圧電素子の特性を示す図図１に示す分極工程における分極温度と分極度の関係を示す図図１に示す分極工程における開放温度を説明する図図１に示す製造工程によって製造された液体吐ヘッドの一態様を示す平面透視図本発明の第２実施形態に係る液体吐出ヘッド製造方法（圧電素子製造方法）によって製造された圧電素子の特性を示す図抗電界を説明する図本発明の第３実施形態に係る液体吐出ヘッド製造方法（圧電素子製造方法によって製造された圧電素子の特性を示す図。従来技術に係る体吐出ヘッド製造方法（圧電素子製造方法）によって製造されたインクジェットヘッドの構造例を示す断面図従来技術に係る体吐出ヘッド製造方法（圧電素子製造方法）によって製造された圧電素子の特性を示す図リーク電流を説明する図従来技術の課題を説明する図

符号の説明

１，１００…液体吐出ヘッド、１４，１１０…下部電極、１６，１１２…圧電体膜、１８，１１４…上部電極、２０，１０２…圧電素子

Claims

基板に下部電極を形成する下部電極形成工程と、
前記下部電極の前記基板と反対側の面にエピタキシャル成長させた圧電体膜を成膜する圧電体膜成膜工程と、
前記圧電体膜の前記下部電極と反対側の面に上部電極を形成する上部電極形成工程と、
前記上部電極形成工程の後に、前記上部電極と前記下部電極との間に、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加して、前記圧電体膜の成膜時の分極方向を反転させる分極反転工程と、
を含み、成膜時の分極方向を反転させた状態で使用される圧電素子の製造方法において、
前記分極反転工程は、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加したときに、前記圧電体膜の分極方向の反転が生じる温度範囲内の第１の温度に環境温度を設定する工程と、
前記設定された第１の温度を維持した状態で、前記上部電極と前記下部電極との間に、前記圧電体膜の成膜時の分極方向と反対向きの電界を印加する工程と、
前記設定された第１の温度を維持し、かつ、前記電界の印加を所定時間保持する工程と、
前記電界の印加開始から前記所定時間経過後に、環境温度を前記第１の温度よりも低く、使用時の性能劣化が生じない前記電界の印加解除時の温度範囲内の第２の温度に変更する工程と、
環境温度が前記第２の温度に変更された状態で、前記電界の印加を解除する工程と、
を含むことを特徴とする圧電素子製造方法。
前記第１の温度は１００℃以上キュリー点以下の温度であるとともに、前記所定時間は１分間以上であり、前記第２の温度は１０℃以上７０℃以下であることを特徴とする請求項１記載の圧電素子製造方法。
前記分極反転工程の後に、１３０℃以上キュリー点以下の温度で行われる処理工程を含む場合には、前記処理工程の後に、常温において前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に電界を印加する分極処理を施す再分極工程を含むことを特徴とする請求項１又は２記載の圧電素子製造方法。
前記分極反転工程の後に、１３０℃以上キュリー点以下の温度で行われる前記上部電極及び前記下部電極に配線部材を接合させる配線工程を含み、
前記再分極工程は、前記配線工程によって接合させた配線部材を用いて前記上部電極から前記下部電極に向かう方向に電界を印加することを特徴とする請求項３記載の圧電素子製造方法。
前記配線部材は、前記上部電極、前記下部電極及び前記圧電体膜を具備する圧電素子の駆動回路を構成するＩＣが搭載されるフレキシブルケーブルであることを特徴とする請求項４記載の圧電素子製造方法。
前記再分極工程は、１０℃以上５０℃以下の温度で行われることを特徴とする請求項３から５のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法。
前記再分極工程は、前記分極反転工程と同一の電界強度、及び前記分極反転工程と同一の電界の印加方向で行われることを特徴とする請求項３から６のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法。
前記分極反転工程における印加電界は、５．０ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法。
前記圧電体膜成膜工程は、スパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法のうち少なくとも何れか１つの手法を用いて圧電体膜を成膜することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法。
液体を吐出するノズルと、前記ノズルと連通する吐出側流路と、前記吐出側流路と連通し、前記ノズルから吐出される液体を収容する圧力室と、前記圧力室に収容される液体を加圧する圧電素子と、を備えた液体吐出ヘッドの製造方法であって、
請求項１から９のいずれか１項に記載の圧電素子製造方法によって前記圧電素子を製造
する工程と、
前記基板の前記圧電素子と反対側に前記圧力室を形成する圧力室形成工程と、
前記吐出側流路と前記圧力室との位置合わせをして、前記吐出側流路が形成された流路基板を前記圧力室が形成される前記基板と接合する流路基板接合工程と、
前記ノズルと前記吐出側流路との位置合わせをして、前記ノズルが形成された吐出口基板を前記流路基板と接合する吐出口基板接合工程と、
を含むことを特徴とする液体吐出ヘッド製造方法。