液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ装置の製造方法
【課題】個々に駆動信号の電圧値を設定することなく所望の特性を得ることができる液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ装置の製造方法を提供する。
【解決手段】アクチュエータ装置の製造方法は、基板１０上に設けられる下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０をこの順で積層してなる薄膜型の圧電素子３００を有し、下電極及び上電極間に電圧を印加することにより、圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、圧電素子に、電圧を印加して圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有する。
【解決手段】アクチュエータ装置の製造方法は、基板１０上に設けられる下電極６０、圧電体層７０及び上電極８０をこの順で積層してなる薄膜型の圧電素子３００を有し、下電極及び上電極間に電圧を印加することにより、圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、圧電素子に、電圧を印加して圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気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、下電極と上電極との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を有するアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。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等がある。このようなインクジェット式記録ヘッドのアクチュエータ装置（圧電素子）は、例えば、振動板の表面全体に亘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圧力発生室毎に独立するように形成される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２７３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、液体噴射ヘッドに用いられるアクチュエータ装置においては、圧電素子を駆動すると所望の特性が得られないことがあるという問題がある。これは、以下のような理由による。即ち、圧電素子の変位は、通常、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧よりも高い電圧領域では徐々に増加し、その後ある一定の電圧まで直線的に増加する。圧電素子を駆動する駆動信号は、この特性を利用して、圧電素子の分極方向が同一で、かつ、変位を大きくとることができるように、分極反転電圧よりも高い最低電圧から最高電圧の範囲で設定されている。しかし、圧電素子を構成する圧電体層の結晶配向や、振動板からの応力等のわずかな違いによって、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性が変化してしまう。この特性が変化した圧電素子に駆動信号が印加されると、例えば圧電素子の所望の変位方向に対して逆方向の変位が生じるので、所望の電圧対変位特性を得ることができない。他方で、アクチュエータ装置毎に、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を調べて異なる駆動信号の電圧値を設定するとなると、アクチュエータ装置の製作工程が煩雑となってしまう。
【０００４】
このような問題は液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置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てなされたものであり、個々に駆動信号の電圧値を設定することなく所望の特性を得ることができる液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ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】
【０００６】
液体噴射ヘッドの製造方法は、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る流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子とを具備し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させて圧力発生室に圧力を発生させて液体を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法において、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法によれば、加熱工程を有することで、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させるので、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧よりも高い電圧領域において逆変位が発生するのを防止することができる。これにより、液体噴射ヘッドの吐出特性の劣化を防止することができる。なお、ここで圧電素子の厚さは、５μｍ以下であり、圧電素子がこの厚さの範囲であれば、４０〜１００℃という低温加熱で、圧電素子の特性を変化させることが可能である。
【０００８】
この場合、かかる逆方向への変位を効果的に防止するためには、前記分極工程後に加熱工程を行うか、又は、前記加熱工程中に、分極工程を行うことが好ましい。
【０００９】
本発明のアクチュエータ装置の製造方法は、基板上に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子を有し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、前記圧電素子に、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とする。
本発明のアクチュエータ装置の製造方法では、加熱工程において圧電素子を加熱することで、圧電素子の特性、即ち、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させることができ、その結果、分極反転電圧よりも高い電圧領域において所望の変位方向に対して逆方向への変位が発生するのを防止することができる。なお、ここで圧電素子の厚さは、５μｍ以下であり、圧電素子がこの厚さの範囲であれば、４０〜１００℃という低温加熱で、圧電素子の特性を変化させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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の分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。流路形成基板１０は、表面の結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。
【００１１】
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室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。
【００１２】
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。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００１３】
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い断面積を有する連通路１５とからなる液体流路が複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
【００１４】
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、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００１５】
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。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を含む部分をいい、圧電体層７０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる。なお、この圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に限定されるものではなく、ペロブスカイト型構造のものであればよい。また、この場合では圧電体層７０の厚さは、約１．０μｍであるが、５μｍ以下であれば、後述する本発明の加熱工程による電圧対変位特性変化を生じさせることが可能である。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。また、各圧電素子３００の上電極膜８０には、流路形成基板１０のインク供給路１４とは反対側の端部近傍まで延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加され、圧電素子３００が変位するように構成されている。この圧電素子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たものがアクチュエータ装置である。なお、流路形成基板１０に振動板となる弾性膜５０や絶縁体膜５５を形成せずに、直接下電極６０を形成してもよく、「基板上」という表現は、弾性膜５０や絶縁体膜５５を形成するものと、当該膜を形成せずに下電極６０を直接形成するものの両者の概念を意味するものである。
【００１６】
流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、保護基板３０が接着剤等の接着層を介して接合されている。保護基板３０には、連通部１３に対向する領域に連通部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を構成するリザーバ部３１が設けられている。
【００１７】
また、保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３２が設けられている。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。
【００１８】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０の連通部１３と保護基板３０のリザーバ部３１とがリザーバ１００を構成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。また、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路を設けるようにしてもよい。
【００１９】
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０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１２１を介して電気的に接続されている。
【００２０】
また、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。
【００２１】
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１２０からの駆動信号Ｓ１に従い、圧電素子３００を駆動させ、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される。
【００２２】
ここで、駆動回路１２０から送出される駆動信号Ｓ１について説明する。図３に示すように、駆動信号Ｓ１は、いわゆる台形波であり、予め平均的な圧電素子３００の電圧対変位特性から、分極反転電圧よりも高い温度範囲で、最高電圧ＶＨ、最低電圧ＶＬ、及び中間電圧ＶＭが設定されている。即ち、駆動信号Ｓ１は、中間電圧ＶＭを維持した状態から、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２で最低電圧ＶＬまで降下された後に、時刻ｔ＝ｔ２〜ｔ３で最低電圧ＶＬを維持し、その後、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４で最低電圧ＶＬから最高電圧ＶＨまで上昇され、次いで、時刻ｔ＝ｔ４〜ｔ５で最高電圧を維持し、最後に、時刻ｔ＝ｔ５〜ｔ６で最高電圧ＶＨから中間電圧ＶＭまで降下される。この駆動信号Ｓ１が圧電素子３００、具体的には、下電極膜６０と上電極膜８０との間に印加されると、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において、駆動信号Ｓ１が中間電圧ＶＭから最低電圧ＶＬまで降下することにより、圧力発生室１２が膨張され、次いで、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４において、駆動信号Ｓ１が最低電圧ＶＬから最高電圧ＶＨまで上昇することにより、圧力発生室１２が収縮され、その結果、インク滴が吐出される。この時刻ｔ１〜ｔ６における電圧や時間の長さは圧電体層の厚みなどの様々な条件に応じて変更されるものであり、この駆動信号Ｓ１が変更されたとしても、後述する４０〜１００℃で加熱する加熱工程を行うことで、本発明の目的は達成される。
【００２３】
以下、図４及び図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。図４及び図５は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための要部断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０を形成し、この弾性膜５０の圧電素子形成面側に、絶縁体膜５５を形成する。次に、図４（ｂ）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４（ｃ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属、あるいは導電性酸化物等からなる上電極膜８０とを順次積層し、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４（ｄ）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１０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。
【００２４】
次に、図５（ａ）に示すように予めリザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が形成された保護基板３０を、上記膜形成プロセス終了後の流路形成基板１０上に接着剤によって接着する。次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０を所望の厚さにし、その後、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０の異方性エッチングを行い、図５（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５を形成する。
【００２５】
圧力発生室１２を形成後、所定の電圧である分極信号を圧電素子３００に所定時間印加して圧電素子３００を構成する圧電体層７０を分極させる分極工程を行う。分極工程は、具体的には、電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍである直流電圧の分極信号を５〜１００分印加することで圧電体層７０を分極させる。例えば、５５Ｖの直流電圧である分極信号を８０分、圧電素子３００に印加して圧電体層７０を分極させる。
【００２６】
ところで、この分極工程を経た圧電素子３００の印加電圧に対する変位特性を調べてみると、図６（圧電素子の電圧対変位特性を示すグラフ）に点線で示すように、予め設定されている駆動信号Ｓ１（図３参照）の最低電圧ＶＬを圧電素子３００に印加すると、マイナスに変位するものがある。図６の縦軸における圧電素子の変位量においてプラスが所望の変位方向を意味しているので、変位量がマイナスとは、所望の変位方向に対して逆方向への変位（以下、逆変位という）していることを示す。従って、この場合、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４での最高電圧ＶＨから最低電圧ＶＬへの電圧変化時における圧電素子３００は逆変位した後に所望の変位方向に変位することになり、このことがインクジェット式記録ヘッド１のインク吐出特性の劣化を引き起こしてしまうことがある。従って、このような特性変化を防止する必要がある。
【００２７】
そこで、本実施形態においては、分極工程実施後、加熱炉で加熱して、圧電素子３００の特性、即ち分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させる加熱工程を行う。加熱することで、圧電素子３００の変位量は、図６に実線で示すように抗電界に対応する電圧Ｖｃ以上の電圧領域において徐々に増加し、その後、電圧上昇に伴いある一定の電圧まで直線的に増加するようになり、逆変位が生じていない。この結果、駆動信号Ｓ１を印加した場合に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４での最高電圧ＶＨから最低電圧ＶＬへの電圧変化時における圧電素子３００は、所望の変位方向のみで変位するので、インクジェット式記録ヘッド１のインク吐出特性劣化を引き起こしてしまうことがない。
【００２８】
この圧電素子３００の加熱温度は、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下であれば、４０〜１００℃であり、好ましくは５０〜６０℃である。この範囲であれば、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させて逆変位を防止することができる。このような低温での加熱により所定の効果を得ることができるので、特別な装置を用いることなく、かつ、大きなエネルギーを必要とすることもない。通常のバルクの場合には分極反転電圧がこのような低温では変化しないが、本実施の形態でこのように低温で分極反転電圧を変化させることができるのは、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下だからである。また、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下であるので、この範囲の温度であっても加熱による応力が発生して、この応力がさらに特性変化に寄与することができる。
【００２９】
さらにまた、加熱時間は０．５〜２４時間である。０．５時間より短いと、加熱の効果を得ることができず、２４時間を超えて加熱すると製造時間がかかりすぎてしまう。好ましい加熱時間は、０．５〜５時間、特に４時間程度である。
【００３０】
即ち、分極工程だけでは圧電素子３００が逆変位し、所望の電圧対変位特性とならないものもあるなど特性のばらつきが生じるが、本実施形態ではこのような特性のばらつきを、加熱工程により簡易に抑えることができる。これにより、インクジェット式記録ヘッド毎にそれぞれ駆動信号Ｓ１の最低電圧ＶＬ及び最高電圧ＶＨを設定しなくても、所望の特性を得ることができ、インクジェット式記録ヘッドが特性劣化しにくくなる。
【００３１】
また、加熱工程を行うことで、実使用時及び搬送時における温度による特性変化がインクジェット式記録ヘッドの製造時に行うこともできるので、劣化を低減することも可能である。
【００３２】
この分極工程及び加熱工程を実行した後は、流路形成基板１０の保護基板３０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３０上にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板１０、保護基板３０等の各基板をチップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００３３】
（他の実施形態）
上記実施形態においては、分極工程及び加熱工程を別工程として行ったが、分極工程及び加熱工程を同時に行ってもよい。即ち、加熱工程を行いながら分極工程を実施することも可能である。
【００３４】
なお、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドの製造方法の一例として、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法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】
【００３５】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【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】駆動信号を説明するための模式図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。
【図６】圧電素子の電圧対変位特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１ 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、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板（結晶基板）、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ装置の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
アクチュエータ装置に用いられる圧電素子としては、電気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、下電極と上電極との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を有するアクチュエータ装置は、一般的に、撓み振動モードのアクチュエータ装置と呼ばれ、例えば、液体噴射ヘッド等に搭載されて使用されている。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等がある。このようなインクジェット式記録ヘッドのアクチュエータ装置（圧電素子）は、例えば、振動板の表面全体に亘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圧力発生室毎に独立するように形成される（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００３−１２７３６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
例えば、液体噴射ヘッドに用いられるアクチュエータ装置においては、圧電素子を駆動すると所望の特性が得られないことがあるという問題がある。これは、以下のような理由による。即ち、圧電素子の変位は、通常、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧よりも高い電圧領域では徐々に増加し、その後ある一定の電圧まで直線的に増加する。圧電素子を駆動する駆動信号は、この特性を利用して、圧電素子の分極方向が同一で、かつ、変位を大きくとることができるように、分極反転電圧よりも高い最低電圧から最高電圧の範囲で設定されている。しかし、圧電素子を構成する圧電体層の結晶配向や、振動板からの応力等のわずかな違いによって、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性が変化してしまう。この特性が変化した圧電素子に駆動信号が印加されると、例えば圧電素子の所望の変位方向に対して逆方向の変位が生じるので、所望の電圧対変位特性を得ることができない。他方で、アクチュエータ装置毎に、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を調べて異なる駆動信号の電圧値を設定するとなると、アクチュエータ装置の製作工程が煩雑となってしまう。
【０００４】
このような問題は液体噴射ヘッドに搭載されるアクチュエータ装置だけなく、他の装置に搭載されるアクチュエータ装置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てなされたものであり、個々に駆動信号の電圧値を設定することなく所望の特性を得ることができる液体噴射ヘッドの製造方法及びアクチュエータ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】
【０００６】
液体噴射ヘッドの製造方法は、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る流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子とを具備し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させて圧力発生室に圧力を発生させて液体を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法において、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とする。
【０００７】
本発明の液体噴射ヘッドの製造方法によれば、加熱工程を有することで、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させるので、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧よりも高い電圧領域において逆変位が発生するのを防止することができる。これにより、液体噴射ヘッドの吐出特性の劣化を防止することができる。なお、ここで圧電素子の厚さは、５μｍ以下であり、圧電素子がこの厚さの範囲であれば、４０〜１００℃という低温加熱で、圧電素子の特性を変化させることが可能である。
【０００８】
この場合、かかる逆方向への変位を効果的に防止するためには、前記分極工程後に加熱工程を行うか、又は、前記加熱工程中に、分極工程を行うことが好ましい。
【０００９】
本発明のアクチュエータ装置の製造方法は、基板上に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子を有し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、前記圧電素子に、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とする。
本発明のアクチュエータ装置の製造方法では、加熱工程において圧電素子を加熱することで、圧電素子の特性、即ち、抗電界に対応する電圧である分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させることができ、その結果、分極反転電圧よりも高い電圧領域において所望の変位方向に対して逆方向への変位が発生するのを防止することができる。なお、ここで圧電素子の厚さは、５μｍ以下であり、圧電素子がこの厚さの範囲であれば、４０〜１００℃という低温加熱で、圧電素子の特性を変化させることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
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の分解斜視図であり、図２は、図１の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。流路形成基板１０は、表面の結晶面方位が（１１０）面のシリコン単結晶基板からなり、その一方の面には酸化膜からなる弾性膜５０が形成されている。
【００１１】
流路形成基板１０には、他方面側から異方性エッチングすることにより、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室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。
【００１２】
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。例えば、本実施形態では、インク供給路１４は、リザーバ１００と各圧力発生室１２との間の圧力発生室１２側の流路を幅方向に絞ることで、圧力発生室１２の幅より小さい幅で形成されており、連通部１３から圧力発生室１２に流入するインクの流路抵抗を一定に保持している。
【００１３】
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い断面積を有する連通路１５とからなる液体流路が複数の隔壁１１により区画されて設けられている。
【００１４】
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、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等からなる。
【００１５】
一方、このような流路形成基板１０のノズルプレート２０とは反対側の面には、上述したように、厚さが例えば約１．０μｍの弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、厚さが例えば、約０．４μｍの絶縁体膜５５が形成されている。さらに、この絶縁体膜５５上には、厚さが例えば、約０．２μｍの下電極膜６０と、厚さが例えば、約１．０μｍの圧電体層７０と、厚さが例えば、約０．０５μｍの上電極膜８０とが、後述するプロセスで積層形成されて、圧電素子３００を構成している。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を含む部分をいい、圧電体層７０は、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる。なお、この圧電体層７０は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）に限定されるものではなく、ペロブスカイト型構造のものであればよい。また、この場合では圧電体層７０の厚さは、約１．０μｍであるが、５μｍ以下であれば、後述する本発明の加熱工程による電圧対変位特性変化を生じさせることが可能である。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。また、各圧電素子３００の上電極膜８０には、流路形成基板１０のインク供給路１４とは反対側の端部近傍まで延設された金（Ａｕ）等のリード電極９０がそれぞれ接続されている。このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加され、圧電素子３００が変位するように構成されている。この圧電素子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たものがアクチュエータ装置である。なお、流路形成基板１０に振動板となる弾性膜５０や絶縁体膜５５を形成せずに、直接下電極６０を形成してもよく、「基板上」という表現は、弾性膜５０や絶縁体膜５５を形成するものと、当該膜を形成せずに下電極６０を直接形成するものの両者の概念を意味するものである。
【００１６】
流路形成基板１０の圧電素子３００側の面には、保護基板３０が接着剤等の接着層を介して接合されている。保護基板３０には、連通部１３に対向する領域に連通部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を構成するリザーバ部３１が設けられている。
【００１７】
また、保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００を保護するための圧電素子保持部３２が設けられている。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。
【００１８】
なお、本実施形態では、流路形成基板１０の連通部１３と保護基板３０のリザーバ部３１とがリザーバ１００を構成するようにしたが、特にこれに限定されず、例えば、流路形成基板１０の連通部１３を圧力発生室１２毎に複数に分割して、リザーバ部３１のみをリザーバとしてもよい。また、例えば、流路形成基板１０に圧力発生室１２のみを設け、流路形成基板１０と保護基板３０との間に介在する部材（例えば、弾性膜５０、絶縁体膜５５等）にリザーバと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路を設けるようにしてもよい。
【００１９】
また、保護基板３０上には、圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が実装されている。この駆動回路１２０としては、例えば、回路基板や半導体集積回路（ＩＣ）等を用いることができる。そして、駆動回路１２０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１２１を介して電気的に接続されている。
【００２０】
また、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。
【００２１】
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１２０からの駆動信号Ｓ１に従い、圧電素子３００を駆動させ、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される。
【００２２】
ここで、駆動回路１２０から送出される駆動信号Ｓ１について説明する。図３に示すように、駆動信号Ｓ１は、いわゆる台形波であり、予め平均的な圧電素子３００の電圧対変位特性から、分極反転電圧よりも高い温度範囲で、最高電圧ＶＨ、最低電圧ＶＬ、及び中間電圧ＶＭが設定されている。即ち、駆動信号Ｓ１は、中間電圧ＶＭを維持した状態から、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２で最低電圧ＶＬまで降下された後に、時刻ｔ＝ｔ２〜ｔ３で最低電圧ＶＬを維持し、その後、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４で最低電圧ＶＬから最高電圧ＶＨまで上昇され、次いで、時刻ｔ＝ｔ４〜ｔ５で最高電圧を維持し、最後に、時刻ｔ＝ｔ５〜ｔ６で最高電圧ＶＨから中間電圧ＶＭまで降下される。この駆動信号Ｓ１が圧電素子３００、具体的には、下電極膜６０と上電極膜８０との間に印加されると、時刻ｔ＝ｔ１〜ｔ２において、駆動信号Ｓ１が中間電圧ＶＭから最低電圧ＶＬまで降下することにより、圧力発生室１２が膨張され、次いで、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４において、駆動信号Ｓ１が最低電圧ＶＬから最高電圧ＶＨまで上昇することにより、圧力発生室１２が収縮され、その結果、インク滴が吐出される。この時刻ｔ１〜ｔ６における電圧や時間の長さは圧電体層の厚みなどの様々な条件に応じて変更されるものであり、この駆動信号Ｓ１が変更されたとしても、後述する４０〜１００℃で加熱する加熱工程を行うことで、本発明の目的は達成される。
【００２３】
以下、図４及び図５を参照して、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法について説明する。図４及び図５は、本実施形態のインクジェット式記録ヘッドの製造方法を説明するための要部断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、流路形成基板１０となるシリコン単結晶基板のウェハを約１１００℃の拡散炉で熱酸化し、流路形成基板１０の表面に弾性膜５０を形成し、この弾性膜５０の圧電素子形成面側に、絶縁体膜５５を形成する。次に、図４（ｂ）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４（ｃ）に示すように、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層７０と、例えば、アルミニウム、金、ニッケル、白金等の多くの金属、あるいは導電性酸化物等からなる上電極膜８０とを順次積層し、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４（ｄ）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１０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。
【００２４】
次に、図５（ａ）に示すように予めリザーバ部３１、圧電素子保持部３２等が形成された保護基板３０を、上記膜形成プロセス終了後の流路形成基板１０上に接着剤によって接着する。次いで、図５（ｂ）に示すように、流路形成基板１０を所望の厚さにし、その後、シリコン単結晶基板である流路形成基板１０の異方性エッチングを行い、図５（ｃ）に示すように、圧力発生室１２、連通部１３、インク供給路１４及び連通路１５を形成する。
【００２５】
圧力発生室１２を形成後、所定の電圧である分極信号を圧電素子３００に所定時間印加して圧電素子３００を構成する圧電体層７０を分極させる分極工程を行う。分極工程は、具体的には、電界強度が１００〜５００ｋＶ／ｃｍである直流電圧の分極信号を５〜１００分印加することで圧電体層７０を分極させる。例えば、５５Ｖの直流電圧である分極信号を８０分、圧電素子３００に印加して圧電体層７０を分極させる。
【００２６】
ところで、この分極工程を経た圧電素子３００の印加電圧に対する変位特性を調べてみると、図６（圧電素子の電圧対変位特性を示すグラフ）に点線で示すように、予め設定されている駆動信号Ｓ１（図３参照）の最低電圧ＶＬを圧電素子３００に印加すると、マイナスに変位するものがある。図６の縦軸における圧電素子の変位量においてプラスが所望の変位方向を意味しているので、変位量がマイナスとは、所望の変位方向に対して逆方向への変位（以下、逆変位という）していることを示す。従って、この場合、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４での最高電圧ＶＨから最低電圧ＶＬへの電圧変化時における圧電素子３００は逆変位した後に所望の変位方向に変位することになり、このことがインクジェット式記録ヘッド１のインク吐出特性の劣化を引き起こしてしまうことがある。従って、このような特性変化を防止する必要がある。
【００２７】
そこで、本実施形態においては、分極工程実施後、加熱炉で加熱して、圧電素子３００の特性、即ち分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させる加熱工程を行う。加熱することで、圧電素子３００の変位量は、図６に実線で示すように抗電界に対応する電圧Ｖｃ以上の電圧領域において徐々に増加し、その後、電圧上昇に伴いある一定の電圧まで直線的に増加するようになり、逆変位が生じていない。この結果、駆動信号Ｓ１を印加した場合に、時刻ｔ＝ｔ３〜ｔ４での最高電圧ＶＨから最低電圧ＶＬへの電圧変化時における圧電素子３００は、所望の変位方向のみで変位するので、インクジェット式記録ヘッド１のインク吐出特性劣化を引き起こしてしまうことがない。
【００２８】
この圧電素子３００の加熱温度は、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下であれば、４０〜１００℃であり、好ましくは５０〜６０℃である。この範囲であれば、分極反転電圧及びこれに起因した電圧対変位特性を変化させて逆変位を防止することができる。このような低温での加熱により所定の効果を得ることができるので、特別な装置を用いることなく、かつ、大きなエネルギーを必要とすることもない。通常のバルクの場合には分極反転電圧がこのような低温では変化しないが、本実施の形態でこのように低温で分極反転電圧を変化させることができるのは、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下だからである。また、圧電体層７０の厚さが５μｍ以下であるので、この範囲の温度であっても加熱による応力が発生して、この応力がさらに特性変化に寄与することができる。
【００２９】
さらにまた、加熱時間は０．５〜２４時間である。０．５時間より短いと、加熱の効果を得ることができず、２４時間を超えて加熱すると製造時間がかかりすぎてしまう。好ましい加熱時間は、０．５〜５時間、特に４時間程度である。
【００３０】
即ち、分極工程だけでは圧電素子３００が逆変位し、所望の電圧対変位特性とならないものもあるなど特性のばらつきが生じるが、本実施形態ではこのような特性のばらつきを、加熱工程により簡易に抑えることができる。これにより、インクジェット式記録ヘッド毎にそれぞれ駆動信号Ｓ１の最低電圧ＶＬ及び最高電圧ＶＨを設定しなくても、所望の特性を得ることができ、インクジェット式記録ヘッドが特性劣化しにくくなる。
【００３１】
また、加熱工程を行うことで、実使用時及び搬送時における温度による特性変化がインクジェット式記録ヘッドの製造時に行うこともできるので、劣化を低減することも可能である。
【００３２】
この分極工程及び加熱工程を実行した後は、流路形成基板１０の保護基板３０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３０上にコンプライアンス基板４０を接合し、流路形成基板１０、保護基板３０等の各基板をチップサイズに分割することにより、図１に示すような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドとする。
【００３３】
（他の実施形態）
上記実施形態においては、分極工程及び加熱工程を別工程として行ったが、分極工程及び加熱工程を同時に行ってもよい。即ち、加熱工程を行いながら分極工程を実施することも可能である。
【００３４】
なお、上述の実施形態では、液体噴射ヘッドの製造方法の一例として、インクを吐出するインクジェット式記録ヘッドの製造方法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】
【００３５】
【図１】実施形態１に係る記録ヘッドの分解斜視図である。
【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】駆動信号を説明するための模式図である。
【図４】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。
【図５】実施形態１に係る記録ヘッドの製造工程を示す模式的要部断面図である。
【図６】圧電素子の電圧対変位特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３６】
１ 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、 １５ 連通路、 ２０ ノズルプレート、 ２１ ノズル開口、 ３０ 保護基板（結晶基板）、 ３１ リザーバ部、 ４０ コンプライアンス基板、 ５０ 弾性膜、 ５５ 絶縁体膜、 ６０ 下電極膜、 ７０ 圧電体層、 ８０ 上電極膜、 ９０ リード電極、 １００ リザーバ、 １２０ 駆動回路、 ３００ 圧電素子
【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る流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子とを具備し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させて圧力発生室に圧力を発生させて液体を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法において、
電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱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２】
前記分極工程後に加熱工程を行うことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記加熱工程中に分極工程を行うことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項４】
基板上に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子を有し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、
前記圧電素子に、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【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る流路形成基板と、前記流路形成基板の一方面側に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子とを具備し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させて圧力発生室に圧力を発生させて液体を吐出する液体噴射ヘッドの製造方法において、
電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱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２】
前記分極工程後に加熱工程を行うことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項３】
前記加熱工程中に分極工程を行うことを特徴とする請求項１記載の液体噴射ヘッドの製造方法。
【請求項４】
基板上に設けられる下電極、厚さが５μｍ以下である圧電体層及び上電極をこの順で積層してなる圧電素子を有し、前記下電極及び前記上電極間に電圧を印加することにより、前記圧電素子を撓み変形させるアクチュエータ装置の製造方法であって、
前記圧電素子に、電圧を印加して前記圧電体層を分極させる分極工程と、圧電素子を４０〜１００℃で加熱する加熱工程とを有することを特徴とするアクチュエータ装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２００９−１９０３５０（Ｐ２００９−１９０３５０Ａ）
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−３５６５１（Ｐ２００８−３５６５１）
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年８月２７日（２００９．８．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月１８日（２００８．２．１８）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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