JP2014179549A - 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、及び電気機械変換素子の製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第2の駆動電極35に配線43を介して接続される第2の端子電極47に対応した接触部49を有する導電性部材20を用いる。その導電性部材20の接触部49を第2の端子電極47に接触させて、導電性部材20にコロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷を注入することにより、電気機械変換膜34を分極処理する。
【選択図】図6
Description
本実施形態では、本発明の電気機械変換素子の製造方法の一例及びそれにより得られる電気機械変換素子について説明する。
図4は、本実施形態に係る電気機械変換素子を模式的に示した断面図である。図4に示すように、電気機械変換素子(圧電素子)30は、基板31、成膜振動板(下地膜)32上に、第1の駆動電極33、電気機械変換膜34、第2の駆動電極35が積層された構造となっている。
基板31としてはその材質は特に限定されるものではないが、シリコン単結晶基板を用いることが好ましい。そして、その厚さとしては、100〜600[μm]の厚みを持つことが好ましい。
図1に示すように電気機械変換膜13によって発生した力を受けて、下地膜(振動板)17が変形変位して、圧力室12のインク滴を吐出させる。そのため、下地膜17としては所定の強度を有したものであることが好ましい。
例えば図1に示す、第1の駆動電極15としては特に限定されるものではないが、金属または金属と酸化物とからなっていることが好ましい。具体的には、第1の駆動電極15としては例えば、金属電極膜から構成することができる。また、金属電極膜と酸化物電極膜とから構成することもできる。
電気機械変換膜34としては、圧電性を有する材料であれば使用することができ、特に限定されるものではない。例えば、広く用いられているPZTを好ましく使用することができる。なお、PZTとはジルコン酸鉛(PbZrO3)とチタン酸鉛(PbTiO3)の固溶体で、その比率により特性が異なるが、その比率についても限定されるものではなく、要求される圧電性能等に応じて選択することができる。中でもPbZrO3とPbTiO3の比率(モル比)が53:47の割合で、化学式で示すとPb(Zr0.53,Ti0.47)O3で表わされるPZT(PZT(53/47)とも示される)は、特に優れた圧電特性を示すことから好ましく用いることができる。
酢酸鉛、ジルコニウムアルコキシド、チタンアルコキシド化合物を出発材料とし、共通溶媒としてメトキシエタノールを用い、上記出発原料が所定比になるように共通溶液に溶解させ均一溶液とすることで、PZT前駆体溶液を作製する。なお、金属アルコキシド化合物は大気中の水分により容易に加水分解してしまうので、前駆体溶液に安定剤としてアセチルアセトン、酢酸、ジエタノールアミンなどの安定化剤を適量、添加しておくこともできる。また、鉛成分は成膜工程で熱処理を行う際などに蒸発することがあるので、量論比よりも多めに添加しておくこともできる。
第2の駆動電極35としては特に限定されるものではないが、金属または酸化物と金属からなっていることが好ましい。具体的には、第2の駆動電極35としては例えば、金属電極膜から構成することができる。また、金属電極膜と酸化物電極膜から構成することもできる。
酸化物電極膜の材料等については、第1の駆動電極の酸化物電極膜で説明したものと同様である。酸化物電極膜の膜厚としては、20[nm]以上、80[nm]以下が好ましく、40[nm]以上、60[nm]以下がより好ましい。これは、この膜厚範囲よりも薄いと初期変位や変位劣化特性については十分な特性が得られない場合があり、この範囲を超えると、電気機械変換膜の絶縁耐圧が非常に悪くなり、リークしやすくなる場合があるためである。
第1の絶縁保護膜41は、成膜・エッチングの工程による圧電素子へのダメージを防ぐとともに、大気中の水分が透過することを防止する機能を有することが好ましい。このため、その材料としては緻密な無機材料とすることが好ましい。有機材料の場合、十分な保護性能を得るためには膜厚を厚くする必要があるが、絶縁膜を厚い膜とした場合、振動板の振動変位を阻害し、吐出性能の低い液滴吐出ヘッドとなる場合があるためである。
第1の配線42、第2の配線43は、第1の駆動電極33、前記第2の駆動電極35にそれぞれ電気的に接続されており、第1の絶縁保護膜41上に形成されている。
第2の絶縁保護膜44は個別電極配線や共通電極配線の保護層の機能を有するパッシベーション層として機能するものである。
導体プレート20はコロナ放電またはグロー放電により発生した電荷を電気機械変換素子30に注入する機能を有するものである。
以下に電気機械変換素子のより具体的な製造方法について実施例を挙げて説明する。ただし、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
コロナ帯電処理において導体プレート20を用いずにサンプルに対して電圧を印可したこと以外は、実施例1と同様にして電気機械変換素子を作製した。ただし、比較例1では、導体プレート20を用いないため、6インチウェハ内の30[mm]×10[mm]四方の25個のエリアの中の個別電極パッド全てにタングステンワイヤーでコロナ帯電処理を行う必要がある。このため、コロナ帯電処理を列ごとに行わなければならず、9回の処理を行う必要がある。
(態様A)
基板31または下地膜32上に第1の駆動電極33を形成するステップと、第1の駆動電極33上に電気機械変換膜34とその電気機械変換膜34上に位置する第2の駆動電極35とを形成するステップと、第2の駆動電極35上に第1の絶縁保護膜41を形成するステップと、第2の駆動電極35に電気的に接続された配線43を第1の絶縁保護膜41上に形成するステップと、配線43上に形成される膜であり配線43に接続される個別電極用パッド47などの端子電極を露出する第2の絶縁保護膜44を形成するステップと、、端子電極に対応した接触部20bを有する導体プレート20などの導電性部材を用い、その導電性部材の接触部20bを端子電極に接触させて、導電性部材にコロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷を注入することにより、電気機械変換膜34を分極処理するステップと、を有する。
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34の分極処理を行うときに、導電性部材の接触部20bを、第2の絶縁保護膜44に形成された開口部49から端子電極に接触させるので、コロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が確実に注入され、電気機械変換膜34の分極処理を行うことができる。また、分極処理は高温の熱が加わる第2の絶縁保護膜44の形成後に行われるので、分極処理後に熱が加わらない。これにより、電気機械変換膜34の分極処理後の脱分極を防ぐことができる。以上により、電気機械変換膜34の分極処理を確実に行うことができるとともに、分極処理後の脱分極を防ぐことができる。
なお、導電性部材が複数の接触部20bを有する場合は、複数の端子電極に導通した複数の電気機械変換膜を一括して分極処理することができ、製造効率を向上させることができる。
(態様B)
上記態様Aにおいて、導電性部材の面積は、基板31の面積以上の面積である。
これによれば、上記実施形態について説明したように、導電性部材の面積が基板31の面積よりも小さいと、コロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が、第2の駆動電極35以外の電極に注入されてしまい、分極処理における所望の効果が得られないおそれがある。態様Bでは、導電性部材の面積が、基板31の面積以上の面積であるので、第2の駆動電極35以外の電極への電荷注入を抑制することができ、分極処理における所望の効果が得られる。
(態様C)
上記態様A又はBにおいて、分極処理を行うステップにおいて、コロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が正帯電している。
これによれば、上記実施形態について説明したように、コロナ放電もしくはグロー放電により大気中の分子をイオン化させることで、正帯電した電荷を有する陽イオンを容易に発生させることができる。この陽イオンが、配線43と接続したパッド47を介して電気機械変換素子30に流れ込むことにより、正帯電した電荷を電気機械変換素子30に容易に蓄積させることができる。従って、電気機械変換膜の分極処理を安定して行うことができる。
(態様D)
上記態様A乃至Cのいずれかにおいて、分極処理を行うステップにおいて、コロナ放電もしくはグロー放電により、1.0×10−8[C]以上の電荷量を発生させる。
これによれば、上記実施形態について説明したように、コロナ放電もしくはグロー放電による電荷量が1.0×10−8[C]に満たない場合は、分極処理が十分に行えない場合があり、電気機械変換膜34をPZTなどの圧電アクチュエータとして使用した場合に連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない場合がある。本態様Dは、コロナ放電もしくはグロー放電による電荷量が1.0×10−8[C]以上の電荷量を発生させるので、分極処理が十分に行うことができ、電気機械変換膜34を圧電アクチュエータとして使用した場合に連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られる。
(態様E)
上記態様A乃至Dのいずれかにおいて、前記導電性部材の材料は、前記端子電極の材料と同じである。
これによれば、上記実施形態について説明したように、導電性部材の接触部20bと端子電極との接触抵抗を小さくすることができ、端子電極を介した電荷の注入効率を高めることができる。
(態様F)
上記態様A乃至Eのいずれかにより得られる電気機械変換素子であって、電気機械変換膜34の分極が、±150[kV/cm]の電界強度かけてヒステリシスループを測定する際、測定開始時の0[kV/cm]における分極をPiniとし、+150[kV/cm]の電圧印加後、0[kV/cm]まで戻した際の0[kV/cm]時の分極をPrとした場合に、PrとPiniの差が10[μC/cm2]以下である。
これによれば、上記実施形態について説明したように、PrとPiniの差が10[μC/cm2]より大きい場合、電気機械変換膜34を圧電アクチュエータとして使用した場合に連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない場合があるためである。本態様Fでは、PrとPiniの差が10[μC/cm2]以下なので、電気機械変換膜34を圧電アクチュエータとして使用した場合に連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られる。
(態様G)
上記態様Fにおいて、電気機械変換膜34の比誘電率が、600以上、2000以下である。
これによれば、上記実施形態について説明したように、比誘電率が600より小さいと、電気機械変換膜34を圧電アクチュエータとして使用する際に十分な変位特性が得られない場合がある。また、比誘電率が2000より大きくなると、分極処理が十分行われず、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られないといった不具合が発生する場合がある。本態様Fでは、電気機械変換膜34の比誘電率が、600以上、2000以下なので、電気機械変換膜34を圧電アクチュエータとして使用する際に十分な変位特性が得られる。また、分極処理が十分に行われ、連続駆動後の変位劣化についても十分な特性が得られる。
(態様H)
上記態様F又はGにおいて、前記端子電極の面積が2500[μm2]以上である。
これによれば、上記実施形態について説明したように、端子電極の面積が2500[μm2]に満たない場合は、十分な分極処理ができなくなる場合や、連続駆動後の変位劣化については十分な特性が得られない場合がある。本態様Hでは、端子電極の面積が2500[μm2]以上なので、分極処理が十分に行われ、連続駆動後の変位劣化について十分な特性が得られる。
(態様I)
液滴を吐出するノズル11と、ノズル11が連通する加圧室12と、加圧室12内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッド10において、前記吐出駆動手段として、加圧室12の壁の一部を振動板17で構成し、振動板17に上記態様F乃至Hのいずれかの電気機械変換素子を配置した。
これによれば、上記実施形態について説明したように、脱分極のない分極処理が確実に行われた電気機械変換素子によって加圧室12内の液体を昇圧させることができるので、安定した液滴吐出特性が得られる。
(態様J)
上記態様Iの液滴吐出ヘッドを備えた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、安定した液滴吐出特性が得られる。
(態様K)
基板31または下地膜32上に第1の駆動電極33と電気機械変換膜34と第2の電極35とが積層された構造を有する電気機械変換素子に対して、分極処理を行う電気機械変換素子の製造装置であって、コロナ放電又はグロー放電により電荷を発生させるコロナワイヤ52などの放電電極と、電気機械変換素子34を設置するステージ53と、ステージ53に設置された電気機械変換素子の第2の駆動電極に接続される個別電極用パッド47などの端子電極と接触する接触部20aを有する導電性部材でありコロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が注入される導体プレート20などの導電性部材と、を備える。
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34の分極処理を確実に行うことができるとともに、分極処理後の脱分極を防ぐことができる。
(態様L)
上記態様Kにおいて、前記導電性部材の面積は、前記基板の面積以上の面積である。
これによれば、上記実施形態について説明したように、第2の駆動電極35以外の電極への電荷注入を抑制することができ、分極処理における所望の効果が得られる。
(態様M)
上記態様K又はLにおいて、前記導電性部材の材料は、前記端子電極の材料と同じである。
これによれば、上記実施形態について説明したように、導電性部材の接触部20bと端子電極との接触抵抗を小さくすることができ、端子電極を介した電荷の注入効率を高めることができる。
11 ノズル
12 加圧室
13 電気機械変換膜
14 上部電極
15 下部電極
16 電気機械変換素子
17 下地膜(振動板)
20 導体プレート
30 電気機械変換素子
31 基板
33 第1の駆動電極
34 電気機械変換膜
35 第2の駆動電極
41 第1の絶縁保護膜
42 第1の配線
43 第2の配線
44 第2の絶縁保護膜
45 コンタクトホール
46 共通電極用パッド
47 個別電極用パッド
61 (インクジェット)記録装置本体
Claims (13)
- 基板または下地膜上に第1の駆動電極を形成するステップと、
前記第1の駆動電極上に電気機械変換膜と該電気機械変換膜上に位置する第2の駆動電極とを形成するステップと、
前記第2の駆動電極上に第1の絶縁保護膜を形成するステップと、
前記第2の駆動電極に電気的に接続された配線を前記第1の絶縁保護膜上に形成するステップと、
前記配線上に形成される膜であり前記配線に接続される端子電極を露出する第2の絶縁保護膜を形成するステップと、
前記端子電極に対応した接触部を有する導電性部材を用い、該導電性部材の接触部を該端子電極に接触させて、該導電性部材にコロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷を注入することにより、前記電気機械変換膜を分極処理するステップと、を有することを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 請求項1の電気機械変換素子の製造方法において、
前記導電性部材の面積は、前記基板の面積以上の面積であることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 請求項1又は2の電気機械変換素子の製造方法において、
前記分極処理を行うステップにおいて、コロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が正帯電していることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 請求項1乃至3のいずれかの電気機械変換素子の製造方法において、
前記分極処理を行うステップにおいて、コロナ放電もしくはグロー放電により、1.0×10−8[C]以上の電荷量を発生させることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 請求項1乃至4のいずれかの電気機械変換素子の製造方法において、
前記導電性部材の材料は、前記端子電極の材料と同じであることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 請求項1乃至5のいずれかの電気機械交換素子の製造方法により得られた電気機械交換素子であって、
前記電気機械変換膜の分極が、±150[kV/cm]の電界強度かけてヒステリシスループを測定する際、測定開始時の0[kV/cm]における分極をPiniとし、+150[kV/cm]の電圧印加後、0[kV/cm]まで戻した際の0[kV/cm]時の分極をPrとした場合に、PrとPiniの差が10[μC/cm2]以下であることを特徴とする電気機械変換素子。 - 請求項6の電気機械変換素子において、
前記電気機械変換膜の比誘電率が、600以上、2000以下であることを特徴とする電気機械変換素子。 - 請求項6又は7の電気機械変換素子において、
前記端子電極の面積が2500[μm2]以上であることを特徴とする電気機械変換素子の製造方法。 - 液滴を吐出するノズルと、該ノズルが連通する加圧室と、該加圧室内の液体を昇圧させる吐出駆動手段とを備えた液滴吐出ヘッドにおいて、
前記吐出駆動手段として、前記加圧室の壁の一部を振動板で構成し、該振動板に請求項6乃至8のいずれかの電気機械変換素子を配置したことを特徴とする液滴吐出ヘッド。 - 請求項9の液滴吐出ヘッドを備えた液滴吐出装置。
- 基板または下地膜上に第1の駆動電極と電気機械変換膜と第2の駆動電極とが積層された構造を有する電気機械変換素子に対して、分極処理を行う電気機械変換素子の製造装置であって、
コロナ放電又はグロー放電により電荷を発生させる放電電極と、
前記電気機械変換素子を設置するステージと、
前記ステージに設置された電気機械変換素子の前記第2の駆動電極に接続される端子電極と接触する接触部を有する導電性部材でありコロナ放電もしくはグロー放電により発生した電荷が注入される導電性部材と、
を備えたことを特徴とする電気機械変換素子の製造装置。 - 請求項11の電気機械変換素子の製造装置において、
前記導電性部材の面積は、前記基板の面積以上の面積であることを特徴とする電気機械変換素子の製造装置。 - 請求項11又は12の電気機械変換素子の製造装置において、
前記導電性部材の材料は、前記端子電極の材料と同じであることを特徴とする電気機械変換素子の製造装置。
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