JP5888344B2 - 圧電素子の駆動方法、及び圧電デバイス - Google Patents

圧電素子の駆動方法、及び圧電デバイス Download PDF

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Description

本発明は、ノズル開口に連通する圧力発生室に圧力変化を生じさせる第１電極、圧電体層及び第２電極からなる圧電素子を具備する液体噴射装置に関する。
液体噴射装置に搭載され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として吐出させるインクジェット式記録ヘッドがある。このようなインクジェット式記録ヘッドに搭載さ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り、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ー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圧電素子を形成したものがある。
このような圧電素子に用いられる圧電材料には高い圧電特性（歪み量）が求められており、代表例として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられる（特許文献１参照）。
特開２００１−２２３４０４号公報
しかしながら、前述したチタン酸ジルコン酸鉛には鉛が含まれており、環境問題の観点から、鉛の含有量を抑えた圧電材料が求められている。そして、鉛を含有しない圧電材料としては、例えばＡＢＯ3で示されるペロブスカイト構造を有するＢｉＦｅＯ3など種々あるが、チタン酸ジルコン酸鉛と比較して、歪み量が小さいという問題がある。
そこで、ＰＺＴ等の強誘電体ではなく、電界誘起相転移を示すため歪み量が大きくなる反強誘電体を用いることが考えられるが、反強誘電体は一定電圧以下では駆動せず歪み量が電圧に対し直線性がないため小振幅振動が難しい等、反強誘電体を用いた圧電素子の挙動は強誘電体を用いた場合とは異なるため、従来のインクジェット式記録装置では、所望の振幅を発生し難いという問題がある。
本発明はこのような事情に鑑み、電界誘起相転移を示す圧電材料を用いた圧電素子を有し所望の振幅で駆動することができる液体噴射装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の態様は、圧力発生室と、第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号を前記圧電素子に供給することにより、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法にある。
また、本発明の態様は、圧力発生室と、第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号、及び、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号を前記圧電素子に供給することにより、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法にある。
また、本発明の態様は、圧力発生室と、第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号と、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし、該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号とを、選択的に前記圧電素子に供給する駆動信号制御部を有することを特徴とする圧電素子の駆動方法にある。
また、本発明の態様は、圧力発生室と、第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号を、前記圧電素子に供給することにより前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法にある。
また、前記圧電体層は、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むペロブスカイト型複合酸化物であることが好ましく、特に下記一般式（１）表される複合酸化物からなることが好ましい。
（Ｂｉ１−ｘ，Ｌａｘ）（Ｆｅ１−ｙ，Ｍｎｙ）Ｏ３ （１）
（０．２１≦ｘ≦０．３８，０．０１≦ｙ≦０．０９）
本発明の実施形態１に係る記録装置の概略構成を示す図である。 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。 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。 反強誘電体のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例１のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例２のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例３のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例４のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例５のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例６のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例７のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例８のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例９のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例１０のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例１１のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 比較例１のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 比較例２のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 比較例３のＰ−Ｖ曲線を表す図である。 試験例２のＸ線回折パターンを表す図である。 試験例２のＸ線回折パターンを表す図である。 実施例７のＳ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例６のＳ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例３のＳ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例６の１５ＶでのＳ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例６の３０ＶでのＳ−Ｖ曲線を表す図である。 強誘電体の３０ＶでのＳ−Ｖ曲線を表す図である。 実施例６のＰ−Ｖ曲線及びＳ−Ｖ曲線を併記した図である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（１ｋＨｚ）である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（１０ｋＨｚ）である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（２０ｋＨｚ）である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（３０ｋＨｚ）である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（４０ｋＨｚ）である。 実施例６の周波数追従性を測定した図（５０ｋＨｚ）である。 反強誘電体の３０Ｖでの電圧−時間プロットと電界誘起歪−時間プロットである。 反強誘電体の１５Ｖでの電圧−時間プロットと電界誘起歪−時間プロットである。 強誘電体の３０Ｖでの電圧−時間プロットと電界誘起歪−時間プロットである。 インクジェット式記録装置の制御構成を示すブロック図である。 反強誘電体を用いた圧電素子に高電圧を印加した際の変位の挙動を示す図である。 反強誘電体を用いた圧電素子に低電圧を印加した際の変位の挙動を示す図である。 小振幅の駆動波形を示す図である。 小振幅の駆動波形を示す図である。 大振幅の駆動波形を示す図である。 小振幅と大振幅を組み合わせた駆動波形を示す図である。 小振幅と大振幅を組み合わせた駆動波形を示す図である。
（実施形態１）
図１は、本発明に係る液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置を示す概略図である。図１に示すように、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。
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。
ここで、このようなインクジェット式記録装置ＩＩに搭載されるインクジェット式記録ヘッドについて、図２及び図３を参照して説明する。なお、図２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概略構成を示す分解斜視図であり、図３は、図２の平面図及びそのＡ−Ａ′断面図である。
図２及び図３に示すように、本実施形態の流路形成基板１０は、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弾性膜５０が形成されている。
流路形成基板１０には、複数の圧力発生室１２がその幅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の長手方向外側の領域には連通部１３が形成され、連通部１３と各圧力発生室１２とが、各圧力発生室１２毎に設けられたインク供給路１４及び連通路１５を介して連通されている。連通部１３は、後述する保護基板のリザーバー部３１と連通して各圧力発生室１２の共通のインク室となるリザーバーの一部を構成する。インク供給路１４は、圧力発生室１２よりも狭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。なお、本実施形態では、流路の幅を片側から絞ることでインク供給路１４を形成したが、流路の幅を両側から絞ることでインク供給路を形成してもよい。また、流路の幅を絞るのではなく、厚さ方向から絞ることでインク供給路を形成してもよい。本実施形態では、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ことになる。
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。
一方、このような流路形成基板１０の開口面とは反対側には、上述したように弾性膜５０が形成され、この弾性膜５０上には、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５が形成されている。
さらに、この絶縁体膜５５上には、第１電極６０と、厚さが２μｍ以下、好ましくは０．３〜１．５μｍの薄膜の圧電体層７０と、第２電極８０とが、積層形成されて、圧電素子３００を構成している。なお、圧電素子３００と絶縁体膜５５の密着性を向上させる等のために、絶縁体膜５５と圧電素子３００との間に酸化チタンからなる層を設けるようにしてもよい。ここで、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極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。本実施形態では、第１電極６０を圧電素子３００の共通電極とし、第２電極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。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ー装置と称する。なお、上述した例では、弾性膜５０、絶縁体膜５５及び第１電極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及び絶縁体膜５５を設けずに、第１電極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。
そして、本実施形態においては、圧電体層７０は、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むペロブスカイト型複合酸化物であって電界誘起相転移を示すもの等の、電界誘起相転移を示す圧電材料である。具体的には、例えば下記一般式（１）で表されるＡＢＯ3型の複合酸化物である。なお、後述する実施例に示すが、下記一般式（１）で表されるＡＢＯ3型の複合酸化物は、電界誘起相転移を示す。そして、後述する実施例及び比較例で示すが、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むＡＢＯ3型の複合酸化物は、その組成比によって、強誘電体となったり、反強誘電体となったりするものである。
（Ｂｉ1-x，Ｌａx）（Ｆｅ1-y，Ｍｎy）Ｏ3 （１）
（０．２１≦ｘ≦０．３８，０．０１≦ｙ≦０．０９）
なお、ＡＢＯ3型構造、すなわち、ペロブスカイト構造のＡサイトは酸素が１２配位しており、また、Ｂサイトは酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。そして、ＡサイトにＢｉ及びＬａが、ＢサイトにＦｅ及びＭｎが位置している。
ここで、電界誘起相転移とは、電場によって起こる相転移であり、反強誘電相から強誘電相への相転移や、強誘電相から反強誘電相への相転移を意味する。なお、強誘電相とは分極軸が同一方向に並んでいる状態であり、反強誘電相とは分極軸が互い違いに並んでいる状態である。例えば、反強誘電相から強誘電相への相転移は、反強誘電相の互い違いに並んでいる分極軸が１８０度回転することにより分極軸が同一方向になって強誘電相になることであり、このような電界誘起相転移によって格子が膨張又は伸縮して生じる歪みが、電界誘起相転移により生じる電界誘起相転移歪みである。
このような電界誘起相転移を示すものが反強誘電体であり、換言すると、電場のない状態では分極軸が互い違いに並んでおり、電場により分極軸が回転して同一方向に並ぶものが反強誘電体である。このような反強誘電体は、反強誘電体の分極量Ｐと電圧Ｖの関係を示すＰ−Ｖ曲線の一例である図４に示すように、正の電界方向と負の電界方向で２つのヒステリシスループ形状を持つダブルヒステリシスとなる。そして、図４において、分極量が急激に変化している領域ＶF及びＶAFが、強誘電相から反強誘電相への相転移や、強誘電相から反強誘電相への相転移している箇所である。なお、強誘電体は、反強誘電体とは異なり、Ｐ−Ｖ曲線においてヒステリシス曲線を示し、分極方向を一方向に揃えることで歪み量が印加電圧に対して直線的に変化するものである。
このように、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むＡＢＯ3型の複合酸化物であって電界誘起相転移を示すもの等の電界誘起相転移を示す圧電材料を圧電体層とすると、電界誘起相転移の領域で分極量が大きく変化して電界誘起相転移歪みが生じるため、鉛の含有量が少なく環境への負荷を低減でき、且つ歪み量が大きい圧電素子となる。
そして、圧電体層７０は、上記一般式（１）において、０．２４≦ｘ≦０．３３であると、歪み量がより大きい圧電素子とすることができる。さらに、０．２７≦ｘ≦０．２９であると、圧電体層７０が電界誘起相転移を示す電圧が安定するため、圧電素子の歪み量を制御しやすくなる。また、０．０１≦ｙ≦０．０５であると、リーク特性にも優れる。
このような圧電素子３００を流路形成基板１０上に形成する方法は特に限定されないが、例えば、以下の方法で製造することができる。まず、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハーの表面に弾性膜５０を構成する二酸化シリコン（ＳｉＯ2）等からなる二酸化シリコン膜を形成する。次いで、弾性膜５０（二酸化シリコン膜）上に、酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜５５を形成する。
次に、絶縁体膜５５上に、必要に応じて酸化チタンからなる層を設けた後、白金やイリジウム等からなる第１電極６０をスパッタリング法等により全面に形成した後パターニングする。
次いで、圧電体層７０を積層する。圧電体層７０の製造方法は特に限定されないが、例えば、有機金属化合物を溶媒に溶解・分散した溶液を塗布乾燥し、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７０を得る、ＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法を用いて圧電体層７０を形成できる。なお、圧電体層７０の製造方法は、ＭＯＤ法に限定されず、例えば、ゾル−ゲル法や、レーザアブレーション法、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を用いてもよい。
例えば、第１電極６０上に、有機金属化合物、具体的には、ビスマス、ランタン、鉄、マンガンを含有する有機金属化合物を、目的とする組成比になる割合で含むゾルやＭＯＤ溶液（前駆体溶液）をスピンコート法などを用いて、塗布して圧電体前駆体膜を形成する（塗布工程）。
塗布する前駆体溶液は、ビスマス、ランタン、鉄、マンガンをそれぞれ含む有機金属化合物を、各金属が所望のモル比となるように混合し、該混合物をアルコールなどの有機溶媒を用いて溶解または分散させたものである。ビスマス、ランタン、鉄、マンガンをそれぞれ含む有機金属化合物としては、例えば、金属アルコキシド、有機酸塩、βジケトン錯体などを用いることができる。ビスマスを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸ビスマスなどが挙げられる。ランタンを含む有機金属化合物としては、２−エチルヘキサン酸ランタンなどが挙げられる。鉄を含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸鉄などが挙げられる。マンガンを含む有機金属化合物としては、例えば２−エチルヘキサン酸マンガンなどが挙げられる。
次いで、この圧電体前駆体膜を所定温度に加熱して一定時間乾燥させる（乾燥工程）。次に、乾燥した圧電体前駆体膜を所定温度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）。なお、ここで言う脱脂とは、圧電体前駆体膜に含まれる有機成分を、例えば、ＮＯ2、ＣＯ2、Ｈ2Ｏ等として離脱させることである。
次に、圧電体前駆体膜を所定温度、例えば６００〜７００℃程度に加熱して一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜を形成する（焼成工程）。なお、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程で用いられる加熱装置としては、例えば、赤外線ランプの照射により加熱するＲＴＡ（Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ）装置やホットプレート等が挙げられる。
なお、上述した塗布工程、乾燥工程及び脱脂工程や、塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を所望の膜厚等に応じて複数回繰り返すことにより、複数層の圧電体膜からなる圧電体層を形成してもよい。
圧電体層７０を形成した後は、圧電体層７０上に、例えば、白金等の金属からなる第２電極８０を積層し、圧電体層７０及び第２電極８０を同時にパターニングして圧電素子３００を形成する。
その後、必要に応じて、６００℃〜７００℃の温度域でポストアニールを行ってもよい。これにより、圧電体層７０と第１電極６０や第２電極８０との良好な界面を形成することができ、かつ、圧電体層７０の結晶性を改善することができる。
以下、実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。なお、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
まず、（１００）に配向したシリコン基板の表面に熱酸化により膜厚４００ｎｍの二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上にＲＦスパッタ法により膜厚４０ｎｍのチタン膜を形成し、熱酸化することで酸化チタン膜を形成した。次に、酸化チタン膜上にイオンスパッタと蒸着法の２段階で膜厚１５０ｎｍの白金膜形成し、（１１１）に配向した第１電極６０とした。
次いで、第１電極６０上に圧電体層をスピンコート法により形成した。その手法は以下のとおりである。まず、２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ランタン、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガンのキシレンおよびオクタン溶液を所定の割合で混合して、前駆体溶液を調製した。そしてこの前駆体溶液を酸化チタン膜及び第１電極が形成された上記基板上に滴下し、１５００ｒｐｍで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した（塗布工程）。次に３５０℃で３分間乾燥・脱脂を行った（乾燥及び脱脂工程）。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を３回繰り返した後に、Ｒａｐｉｄ Ｔｈｅｒｍａｌ Ａｎｎｅａｌｉｎｇ（ＲＴＡ）で６５０℃、１分間焼成を行った（焼成工程）。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を３回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を４回繰り返し、ＲＴＡで６５０℃、１０分間焼成を行うことで、計１２回の塗布により全体で厚さ３５０ｎｍの圧電体層７０を形成した。
その後、圧電体層７０上に、第２電極８０としてＤＣスパッタ法により膜厚１００ｎｍの白金膜を形成した後、ＲＴＡを用いて６５０℃、１０分間焼成を行うことで、ｘ＝０．２１、ｙ＝０．０３の上記一般式（１）で表されるＡＢＯ3型の複合酸化物を圧電体層７０とする圧電素子３００を形成した。
（実施例２〜１１及び比較例１〜６）
２−エチルヘキサン酸ビスマス、２−エチルヘキサン酸ランタン、２−エチルヘキサン酸鉄、２−エチルヘキサン酸マンガンのキシレンおよびオクタン溶液の混合割合を変更し、表１に示すｘ及びｙの上記一般式（１）で表される複合酸化物を圧電体層７０とした以外は、実施例１と同様にして、圧電素子３００を形成した。
Figure 0005888344
（試験例１）
実施例１〜１１及び比較例１〜６の各圧電素子３００について、東陽テクニカ社製「ＦＣＥ−１Ａ」で、φ＝４００μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚの三角波を印加して、Ｐ（分極量）−Ｖ（電圧）の関係を求めた。結果をそれぞれ図５〜１８に示す。なお、比較例４〜６はリークが大きすぎて測定することができず、圧電材料としては使用できないものであった。
図５〜１５に示すように、実施例１〜１１では、ダブルヒステリシス曲線であり、電圧印加に伴いある閾値を境に分極量を持ち、電圧を零にすることで分極量が極端に減少する電界誘起相転移を示す材料、すなわち反強誘電体であることが分かった。したがって、実施例１〜１１は、電界誘起相転移を示す領域で大きな歪を示す圧電材料となる。
また、上記一般式（１）において０．２７≦ｘ≦０．２９である実施例４〜９では電界誘起相転移を示す電圧が特に安定していることがわかった。さらに、上記一般式（１）において０．０１≦ｙ≦０．０５の範囲内である実施例１〜７及び１０〜１１では、特にリーク特性に優れていることが分かった。
一方、上記一般式（１）において０．２１≦ｘ≦０．３８，０．０１≦ｙ≦０．０９の範囲外である比較例１及び２は強誘電体特有の自発分極をもつヒステリシスを示しているため強誘電体であり、比較例３は常誘電体であり、また、比較例４〜６は上述したようにリークが大きすぎで圧電材料としては使用できないものであり、いずれの比較例も電界誘起相転移を示す反強誘電体ではないことが分かった。
（試験例２）
実施例１〜１１及び比較例１〜６の各圧電素子３００について、Ｂｒｕｋｅｒ ＡＸＳ社製の「Ｄ８ Ｄｉｓｃｏｖｅｒ」を用い、Ｘ線源にＣｕＫα線を使用し、室温で粉末Ｘ線回折パターンを求めた。その結果、実施例１〜１１及び比較例１〜６すべてにおいて、ＡＢＯ3由来の回折ピーク、Ｐｔ（１１１）由来のピーク、およびＰｔ（１１１）のＣｕＫβ線の回折に由来するピークが観測された。以上の結果から、実施例１〜１１及び比較例１〜６の圧電体層はＡＢＯ3型構造を形成していることがわかる。結果の一例として、回折強度−回折角２θの相関関係を示す図であるＸ線回折パターンを、実施例５，７，８，９及び比較例４について図１９に、また、実施例７，１１及び比較例２について図２０に示す。
（試験例３）
実施例１〜１１の各圧電素子３００について、アグザクト社製の変位測定装置（ＤＢＬＩ）を用い室温で、φ＝５００μｍの電極パターンを使用し、周波数１ｋＨｚの電圧を印加して、電圧印加方向と平行な方位（３３方向）におけるＳ（電界誘起歪）−Ｖ（電圧）の関係を求めた。その結果、実施例１〜１１すべてにおいて、図５〜１５のＰ−Ｖヒステリシス同様、閾値電圧以上で大きな歪率の変化を示し、３０Ｖ印加で０．３％以上の巨大な圧電歪みを観測した。結果の一例として、実施例７，６及び３を図２１〜２３に示す。
このような圧電素子３００の個別電極である各第２電極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。
このような圧電素子３００が形成された流路形成基板１０上、すなわち、第１電極６０、絶縁体膜５５及びリード電極９０上には、リザーバー１００の少なくとも一部を構成するリザーバー部３１を有する保護基板３０が接着剤３５を介して接合されている。このリザーバー部３１は、本実施形態では、保護基板３０を厚さ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、上述の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ー１００を構成している。また、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、リザーバー部３１のみをリザーバーとしてもよい。さらに、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）にリザーバーと各圧力発生室１２とを連通するインク供給路１４を設けるようにしてもよい。
また、保護基板３０の圧電素子３００に対向する領域には、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が設けられている。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。
このような保護基板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。
また、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。そして、各圧電素子３００から引き出されたリード電極９０の端部近傍は、貫通孔３３内に露出するように設けられている。
また、保護基板３０上には、並設された圧電素子３００を駆動するための駆動回路１２０が固定されている。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ー等の導電性ワイヤーからなる接続配線１２１を介して電気的に接続されている。
また、このような保護基板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によってリザーバー部３１の一方面が封止されている。また、固定板４２は、比較的硬質の材料で形成されている。この固定板４２のリザーバー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、リザーバー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。
このような本実施形態のインクジェット式記録ヘッドＩでは、図示しない外部のインク供給手段と接続したインク導入口からインクを取り込み、リザーバー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からの記録信号に従い、圧力発生室１２に対応するそれぞれの第１電極６０と第２電極８０との間に電圧を印加し、弾性膜５０、絶縁体膜５５、第１電極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。
上記のインクジェット式記録装置の圧電体層７０として用いた電界誘起相転移を示す圧電材料（反強誘電体）は、強誘電体とは異なる挙動を示すため、このインクジェット式記録装置を所望の振幅で駆動するためには、従来の強誘電体を用いた場合とは異なる駆動信号を圧電素子に供給する駆動手段を有する構成にする必要がある。上記実施例６の圧電素子３００を用いた場合を例として、具体的に以下に示す。
まず、実施例６について、ＤＢＬＩにおいてユニポーラで測定した時の電界誘起歪−電圧プロットを図２４及び図２５に示す。なお、図２４は１５Ｖの電圧を印加したものであり、図２５は３０Ｖの電圧を印加したものである。併せて強誘電体に同様に３０Ｖを印加した場合の電界誘起歪−電圧プロットを図２６に示す。図２６に示すように、強誘電体の場合、電界誘起歪が電圧変化に対し直線的に変化する。一方、図２４に示すように、反強誘電体である実施例６では、１５Ｖの三角波を印加することにより、１０〜１５Ｖの間で非線形な電界誘起歪が観測され、０．８９ｎｍの変位が観測された。これは歪率に換算すると０．２６％という非常に大きな歪である。この歪は反強誘電相から強誘電相への電界誘起相転移に由来している。それに加え、図２５に示すように、３０Ｖの三角波を印加することにより、前述した電界誘起相転移に起因する歪の他に、１５〜３０Ｖの間で印加電圧に対して直線的に変化する領域が新たに観測された。この歪は強誘電体の逆圧電効果に由来している。そのため、３０Ｖにおいては電界誘起相転移の歪と逆圧電効果の歪の総和として、１．４７ｎｍの変位が観測された。これは歪率に換算すると０．４３％という非常に大きな歪である。図２５に示すように、電界誘起相転移に由来する歪をＳAF、逆圧電効果に由来する歪をＳFとする。
また、図２４及び図２５に示すように、電界誘起相転移により反強誘電相から強誘電相へ相転移するとき、この相転移は一次相転移であるため、電界に対しヒステリシスを持つ。図２５に示すようにそれぞれの歪量の外挿線の交点における電圧を絶対値が大きいほうをＶF、絶対値が小さいほうをＶAFとすると、ＶF〜ＶAFの領域で逆圧電効果による歪が観測されることがわかる。
さらに、実施例６のＰ−Ｖ曲線及びＤＢＬＩにおいてＳ−Ｖプロットを併記した図２７に示すように、ＶFとＶAFは、Ｐ−Ｖ曲線の電荷量の変極点と一致する。そのため、駆動波形を検討する上では、電荷量の測定から電圧印加による電界誘起歪のパターンを類推することが可能であることがわかる。
なお、Ｐ−Ｖ曲線の周波数追従性を、アグザクト社製のＴＦＡ２０００ＨＳを使用し、φ＝５００μｍの電極パターンで１ｋＨｚ、１０ｋＨｚ、２０ｋＨｚ、３０ｋＨｚ、４０ｋＨｚ、５０ｋＨｚについて測定したところ、順に図２８〜３３に示すように、１ｋＨｚ〜５０ｋＨｚの全てで反強誘電体に特徴的なダブルヒステリシスのＰ−Ｖ曲線が観測された。なお、図２８〜３３を比較すると、周波数の増加に伴いヒステリシスが太くなっている傾向が見られるが、これは測定装置の問題であり、材料固有の問題ではない。以上の結果から、反強誘電性を示す圧電材料（実施例）は、少なくとも５０ｋＨｚまでは追従可能であることがわかった。
次に、実施例６等の反強誘電体について、電圧及び変位量を時間に対しプロットした図を図３４及び図３５に示す。なお、図３４は３０Ｖの電圧を印加したものであり、図３５は１５Ｖの電圧を印加したものである。併せて強誘電体に同様に３０Ｖを印加した場合の電圧及び変位量を時間に対しプロットした図を図３６に示す。図３６に示すように、強誘電体では電圧−時間プロットと電界誘起歪−時間プロットの形状は一致する。一方、反強誘電体では図３４に示すように、ＶFよりも十分大きな電圧を印加したときの電圧−時間プロットは、強誘電体とは異なり電界誘起歪が折れ曲がる。この折れ曲がりは電界誘起歪−電圧プロットにおけるＶFおよびＶAFに対応しており、低電界側の急峻な立ち上がりはＳAFに、高電界側の直線的な歪はＳFに対応する。このため、ＶF近傍までしか電圧を上げていない図３５においては、電圧を上げていったときはＳAFのみの歪が観測されるが、電圧を下げていったときはＳFとＳAFの両方が観測される。
上記のように、反強誘電体では電圧に対する圧電応答が強誘電体と異なるため、圧電素子として駆動させるためには反強誘電体に最適化した波形を使用する必要がある。
図３７は、インクジェット式記録装置の制御構成を示すブロック図である。図３７を参照して、本実施形態のインクジェット式記録装置の制御について説明する。本実施形態のインクジェット式記録装置は、図３７に示すように、プリンターコントローラー５１１とプリントエンジン５１２とから概略構成されている。プリンターコントローラー５１１は、外部インターフェース５１３（以下、外部Ｉ／Ｆ５１３という）と、各種データを一時的に記憶するＲＡＭ５１４と、制御プログラム等を記憶したＲＯＭ５１５と、ＣＰＵ等を含んで構成した制御部５１６と、クロック信号を発生する発振回路５１７と、インクジェット式記録ヘッドＩへ供給するための駆動信号を発生する駆動信号発生回路５１９と、駆動信号や印刷データに基づいて展開されたドットパターンデータ（ビットマップデータ）等をプリントエンジン５１２に送信する内部インターフェース５２０（以下、内部Ｉ／Ｆ５２０という）とを備えている。
外部Ｉ／Ｆ５１３は、例えば、キャラクターコード、グラフィック関数、イメージデータ等によって構成される印刷データを、図示しないホストコンピューター等から受信する。また、この外部Ｉ／Ｆ５１３を通じてビジー信号（ＢＵＳＹ）やアクノレッジ信号（ＡＣＫ）が、ホストコンピューター等に対して出力される。ＲＡＭ５１４は、受信バッファー５２１、中間バッファー５２２、出力バッファー５２３、及び、図示しないワークメモリーとして機能する。そして、受信バッファー５２１は外部Ｉ／Ｆ５１３によって受信された印刷データを一時的に記憶し、中間バッファー５２２は制御部５１６が変換した中間コードデータを記憶し、出力バッファー５２３はドットパターンデータを記憶する。なお、このドットパターンデータは、階調データをデコード（翻訳）することにより得られる印字データによって構成してある。
また、ＲＯＭ５１５には、各種データ処理を行わせるための制御プログラム（制御ルーチン）の他に、フォントデータ、グラフィック関数等を記憶させてある。
制御部５１６は、受信バッファー５２１内の印刷データを読み出すと共に、この印刷データを変換して得た中間コードデータを中間バッファー５２２に記憶させる。また、中間バッファー５２２から読み出した中間コードデータを解析し、ＲＯＭ５１５に記憶させているフォントデータ及びグラフィック関数等を参照して、中間コードデータをドットパターンデータに展開する。そして、制御部５１６は、必要な装飾処理を施した後に、この展開したドットパターンデータを出力バッファー５２３に記憶させる。さらに、制御部５１６は、波形設定手段としても機能し、駆動信号発生回路５１９を制御することにより、この駆動信号発生回路５１９から発生される駆動信号の波形形状を設定する。かかる制御部５１６は、後述する駆動回路（図示なし）などと共に本発明の駆動手段を構成する。また、インクジェット式記録ヘッドＩを駆動する液体噴射駆動装置としては、この駆動手段を少なくとも具備するものであればよく、本実施形態では、プリンターコントローラー５１１を含むものとして例示してある。
そして、インクジェット式記録ヘッドＩの１行分に相当するドットパターンデータが得られたならば、この１行分のドットパターンデータは、内部Ｉ／Ｆ５２０を通じてインクジェット式記録ヘッドＩに出力される。また、出力バッファー５２３から１行分のドットパターンデータが出力されると、展開済みの中間コードデータは中間バッファー５２２から消去され、次の中間コードデータについての展開処理が行われる。
プリントエンジン５１２は、インクジェット式記録ヘッドＩと、紙送り機構５２４と、キャリッジ機構５２５とを含んで構成してある。紙送り機構５２４は、紙送りモーターとプラテン８等から構成してあり、記録紙等の印刷記憶媒体をインクジェット式記録ヘッドＩの記録動作に連動させて順次送り出す。即ち、この紙送り機構５２４は、印刷記憶媒体を副走査方向に相対移動させる。
キャリッジ機構５２５は、インクジェット式記録ヘッドＩを搭載可能なキャリッジ３と、このキャリッジ３を主走査方向に沿って走行させるキャリッジ駆動部とから構成してあり、キャリッジ３を走行させることによりインクジェット式記録ヘッドＩを主走査方向に移動させる。なお、キャリッジ駆動部は、上述したように駆動モーター６及びタイミングベルト７等で構成されている。
インクジェット式記録ヘッドＩは、副走査方向に沿って多数のノズル開口２１を有し、ドットパターンデータ等によって規定されるタイミングで各ノズル開口２１から液滴を吐出する。そして、このようなインクジェット式記録ヘッドＩの圧電素子３００には、図示しない外部配線を介して電気信号、例えば、後述する駆動信号（ＣＯＭ）や記録データ（ＳＩ）等が供給される。このように構成されるプリンターコントローラー５１１及びプリントエンジン５１２では、プリンターコントローラー５１１と、駆動信号発生回路５１９から出力された所定の駆動波形を有する駆動信号を選択的に圧電素子３００に入力するラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４等を有する駆動回路（図示なし）とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段となる。
なお、これらのシフトレジスター（ＳＲ）５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３、スイッチ５３４及び圧電素子３００は、それぞれ、インクジェット式記録ヘッドＩの各ノズル開口２１毎に設けられており、これらのシフトレジスター５３１、ラッチ５３２、レベルシフター５３３及びスイッチ５３４は、駆動信号発生回路５１９が発生した吐出駆動信号や緩和駆動信号から駆動パルスを生成する。ここで、駆動パルスとは実際に圧電素子３００に印加される印加パルスのことである。
このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、最初に発振回路５１７からのクロック信号（ＣＫ）に同期して、ドットパターンデータを構成する記録データ（ＳＩ）が出力バッファー５２３からシフトレジスター５３１へシリアル伝送され、順次セットされる。この場合、まず、全ノズル開口２１の印字データにおける最上位ビットのデータがシリアル伝送され、この最上位ビットのデータシリアル伝送が終了したならば、上位から２番目のビットのデータがシリアル伝送される。以下同様に、下位ビットのデータが順次シリアル伝送される。
そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各シフトレジスター５３１にセットされたならば、制御部５１６は、所定のタイミングでラッチ５３２へラッチ信号（ＬＡＴ）を出力させる。このラッチ信号により、ラッチ５３２は、シフトレジスター５３１にセットされた印字データをラッチする。このラッチ５３２がラッチした記録データ（ＬＡＴｏｕｔ）は、電圧増幅器であるレベルシフター５３３に印加される。このレベルシフター５３３は、記録データが例えば「１」の場合に、スイッチ５３４が駆動可能な電圧値、例えば、数十ボルトまでこの記録データを昇圧する。そして、この昇圧された記録データは各スイッチ５３４に印加され、各スイッチ５３４は、当該記録データにより接続状態になる。
そして、各スイッチ５３４には、駆動信号発生回路５１９が発生した駆動信号（ＣＯＭ）も印加されており、スイッチ５３４が選択的に接続状態になると、このスイッチ５３４に接続された圧電素子３００に選択的に駆動信号が印加される。このように、例示したインクジェット式記録ヘッドＩでは、記録データによって圧電素子３００に吐出駆動信号を印加するか否かを制御することができる。例えば、記録データが「１」の期間においてはラッチ信号（ＬＡＴ）によりスイッチ５３４が接続状態となるので、駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）を圧電素子３００に供給することができ、この供給された駆動信号（ＣＯＭｏｕｔ）により圧電素子３００が変位（変形）する。また、記録データが「０」の期間においてはスイッチ５３４が非接続状態となるので、圧電素子３００への駆動信号の供給は遮断される。この記録データが「０」の期間において、各圧電素子３００は直前の電位を保持するので、直前の変位状態が維持される。
なお、上記の圧電素子３００は、撓み振動モードの圧電素子３００である。この、撓み振動モードの圧電素子３００を用いると、圧電体層７０が電圧印加に伴い電圧と垂直方向（３１方向）に縮むことで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２側に撓み、これにより圧力発生室１２を収縮させる。一方電圧を減少させることにより圧電体層７０が３１方向に伸びることで、圧電素子３００および振動板が圧力発生室１２の逆側に撓み、これにより圧力発生室１２を膨張させる。このようなインクジェット式記録ヘッドＩでは、圧電素子３００に対する充放電に伴って対応する圧力発生室１２の容積が変化するので、圧力発生室１２の圧力変動を利用してノズル開口２１から液滴を吐出させることができる。
ここで、圧電素子３００に入力される本実施形態の駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について説明する。まず、撓み振動モードに係る３１方向の変位は、ＤＢＬＩで求めた３３方向の変位に対し、一次の相関を持つ。具体的には、３３方向の変位にマイナスの定数をかけることで撓み変位の変位量に近似することが出来る。このことから、反強誘電体を用いた圧電素子に単純に零ボルトから電圧を印加していった際の、変位の挙動について、電圧−時間プロット、３３方向の電界誘起歪−時間プロット、および振動板の変位−時間プロットを示す図３８及び図３９を用いて説明する。
図３８に示すように、３３方向の変位は、電圧増加工程ａ1において、電圧がＶFに対し十分小さいときは変位せず、ＶF近傍の狭い電圧範囲で、ＳAFにより大きく変位する。電圧がＶFより大きいときはＳFにより電圧の増加に従い単調に変位量が増加する。次いで、ホールド工程ｂ1を経て、電圧減少工程ｃ1において、ＶAF手前まではＳFに対応する形で電圧の減少に従い単調に変位量が減少し、ＶAF近傍でＳAFに対応する形で、狭い電圧範囲で大きく変位する。なお、図３８において、基点電圧＝０，最大電圧＝３０Ｖ、ホールド工程ｂ1＝２５０μｓｅｃ，最小電圧＝０としたときの実測値が図３４に対応する。振動板の変位は、これに対応し電圧増加工程ａ1において、電圧がＶFに対し十分小さいときは変位せず、ＶF近傍の狭い電圧範囲で、圧力発生室１２を収縮させる形で大きく変位する。電圧がＶFより大きいときは電圧の増加に従い振動板の変位は単調に増加し、圧力発生室１２を収縮させる。次いで、ホールド工程ｂ1を経て、電圧減少工程ｃ1において、ＶAF手前までは電圧の減少に従い圧力発生室１２を膨張させる形で振動板が単調に変位し、ＶAF近傍で圧力発生室１２を膨張させる形で振動板が大きく変位する。
また、図３９に示すように、３３方向の変位は、電圧増加工程ａ2において、電圧がＶFに対し十分小さいときは変位せず、ＶF近傍の狭い電圧範囲で、ＳAFにより大きく変位する。次いで、ホールド工程ｂ2を経て、電圧減少工程ｃ2において、ＶAF手前まではＳFに対応する形で電圧の減少に従い単調に変位量が減少し、ＶAF近傍でＳAFに対応する形で、狭い電圧範囲で大きく変位する。なお、図３９において、基点電圧＝０，最大電圧＝１５Ｖ、ホールド工程ｂ2＝２５０μｓｅｃ，最小電圧＝０としたときの実測値が図３５に対応する。振動板の変位は、これに対応し電圧増加工程ａ2において、電圧がＶFに対し十分小さいときは変位せず、ＶF近傍の狭い電圧範囲で、圧力発生室１２を収縮させる形で大きく変位する。次いで、ホールド工程ｂ2を経て、電圧減少工程ｃ2において、ＶAF手前までは電圧の減少に従い圧力発生室１２を膨張させる形で振動板が単調に変位し、ＶAF近傍で圧力発生室１２を膨張させる形で振動板が大きく変位する。
このように、反強誘電体では、電圧の変化に従い単調に変位量が増加又は減少する強誘電相の領域（逆圧電効果）と、狭い電圧範囲で大きく変位する反強誘電相の領域（電界誘起相転移歪）とが混在するため、通常の強誘電体と同様の駆動信号で駆動させても所望の振幅とすることはできない。
しかしながら、強誘電相の領域、すなわち、変位量が直線的に変化する領域で駆動すれば、印加電圧を小さくすることで小振幅（微振動）を発生させることが出来る。換言すれば、圧電体層に電圧を印加してＶFを経た後の電圧であって絶対値がＶAF以上の電圧を基点とし、絶対値がＶAF以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号を圧電素子に供給することにより、小振幅を発生させることができる。具体的には例えば、図２５において、（ｉ）で示す領域内で駆動させればよい。なお、図２５中、Ｐmは飽和分極を示す。
小振幅の駆動波形の具体例としては、例えば、図４０が挙げられる。まず、ＶFよりも高い電圧を印加した後、所定の電圧を維持する電圧を印加して、ＶFを経た状態、すなわち、図２５において（ｉ）の領域で待機させる。この待機電圧Ｖmが、図４０における基点であり、図４０においては、基点はＶFよりも大きな値に設定している。その後、増加させて収縮工程ａ3とする。この収縮工程ａ3により液滴が吐出されるが、このとき変位量は電圧変化に対し直線的に変化するため、印加電圧を小さくすることで小振幅を発生させることが出来る。その後、ホールド工程ｂ3を経て、電圧を減少させて膨張工程ｃ3とし、待機状態に戻す。
また、小振幅を発生させる駆動波形の別の例として、図４１が挙げられる。まず、ＶFよりも高い電圧を印加した後、所定の電圧を維持する電圧を印加して、ＶFを経た状態、すなわち、図２５において（ｉ）の領域で待機させる。この待機電圧Ｖmが、図４１における基点であり、図４１においては、基点はＶFよりも大きな値に設定している。その後、基点から電圧をＶAFまでの範囲内で減少させて膨張工程ａ4とし、ホールド工程ｂ4を経て、電圧を待機状態まで増加させて収縮工程ｃ4とする。この収縮工程ｃ4により液滴が吐出されるが、このとき変位量は電圧変化に対し直線的に変化するため、印加電圧を小さくすることで小振幅を発生させることが出来る。
なお、図４０及び図４１に示すように、基点をＶFよりも大きな値に設定すると、基点から電圧を増加させることも減少させることもできるため、これらを組み合わせた駆動波形とすることにより、変位量、即ち、吐出する液滴サイズの制御がより精密にできることになる。
一方、反強誘電相の領域、すなわち、電界誘起相転移により狭い電圧範囲で大きく歪む領域を挟んで駆動することで、大振幅を発生させることが出来る。換言すれば、圧電体層に電圧を印加してＶFを経た後の電圧であってＶAFよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶAFよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号、又は、圧電体層に電圧を印加してＶFを経る前の電圧であってＶFよりも絶対値が小さい電圧を基点とし該ＶFよりも絶対値が大きい電圧まで変化させる駆動信号を圧電素子に供給することにより、大振幅を発生させることができる。
大振幅の駆動波形の具体例としては、例えば、図４２が挙げられる。まず、ＶFよりも高い電圧を印加した後、所定の電圧を維持する電圧を印加して、ＶFを経た状態、すなわち、図２５において（ｉ）の領域で待機させる。この待機電圧Ｖmが、図４２における基点であり、図４２においては、基点はＶFよりも大きな値に設定している。その後、基点からＶAFよりも低い値まで電圧を減少させて膨張工程ａ5とし、ホールド工程ｂ5を経て、電圧を待機状態まで増加させて収縮工程ｃ5とする。この収縮工程ｃ5により液滴が吐出されるが、このとき反強誘電体としての電界誘起相転移により歪み量が大きくなる、すなわち大振幅を発生させることが出来る。
また、上記図４２ではＶAFを挟んだ領域で駆動させる駆動信号について説明したが、ＶFを挟んだ領域で駆動させても、大振幅を発生させることができる。具体的には、ＶFを経る前の電圧であってＶFよりも絶対値が小さい電圧を基点とし、基点からＶFよりも絶対値が大きい電圧まで増加させて収縮工程とする。この収縮工程により液滴が吐出されるが、このとき反強誘電体としての電界誘起相転移により歪み量が大きくなる、すなわち大振幅を発生させることが出来る。その後は、ホールド工程を経て、電圧を減少させて膨張工程とし、待機状態に戻せばよい。
さらに、上記小振幅を発生させる駆動波形と大振幅を発生させる駆動波形とを組み合わせることにより、様々な大きさの振幅を発生させることができる。具体例として、図４３及び図４４が挙げられる。図４３においては、まず、ＶFよりも高い電圧を印加した後、所定の電圧を維持する電圧を印加して、ＶFを経た状態、すなわち、図２５において（ｉ）の領域で待機させる。この待機電圧Ｖmが、図４３における基点であり、図４３においては、基点はＶFよりも大きな値に設定している。その後、基点からＶAFよりも低い値まで電圧を減少させて膨張工程ａ6とし、ホールド工程ｂ6を経て、ＶFよりも大きな値まで電圧を増加させて収縮工程ｃ6とする。この収縮工程ｃ6により液滴が吐出されるが、これにより、大振幅を発生させた図４２の収縮工程ｃ5に加えて、図４０における収縮工程ａ3の分も収縮させるため、より大きな振幅を発生させることができる。その後、ホールド工程ｄ6を経て、電圧を減少させて膨張工程ｅ6とし、待機状態に戻す。
また、図４４においては、まず、ＶFよりも高い電圧を印加した後、所定の電圧を維持する電圧を印加して、ＶFを経た状態、すなわち、図２５において（ｉ）の領域で待機させる。この待機電圧Ｖmが、図４４における基点であり、図４４においては、基点はＶFよりも大きな値に設定している。その後、基点からＶAFよりも低い値まで電圧を減少させて膨張工程ａ7とし、ホールド工程ｂ7を経て、ＶFよりも大きな値まで電圧を増加させて収縮工程ｃ7とする。この収縮工程ｃ7により液滴が吐出されるが、これにより、大振幅を発生させた図４２の収縮工程ｃ5に加えて、図４０における収縮工程ａ3の分も収縮させるため、より大きな振幅を発生させることができる。その後、ホールド工程ｄ7を経て、ＶAFよりも大きな値に電圧を減少させて膨張工程ｅ7とする。そして、ホールド工程ｆ7を経て、電圧を増加させて収縮工程ｇ7とし、待機状態に戻す。このホールド工程ｆ7及び収縮工程ｇ7により、振動を吸収できるため、早く待機状態に戻すことができる。
さらに、小振幅振動のための駆動信号と大振幅振動のための駆動信号とを、駆動手段の駆動信号制御部により選択的に圧電素子に供給することで、所望の振動を生じさせることができる。
（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、金属元素として、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎのみを含有するＡＢＯ3型の複合酸化物について記載したが、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むＡＢＯ3型の複合酸化物で電界誘起相転移を示していればよく、圧電特性を良好にする等のために、他の金属を添加してもよい。
また、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。
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。
なお、上述した実施形態１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。
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、強誘電体メモリー等の圧電素子にも同様に適用することができる。
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 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 リザーバー部、 ３２ 圧電素子保持部、 ４０ コンプライアンス基板、 ６０ 第１電極、 ７０ 圧電体層、 ８０ 第２電極、 ９０ リード電極、 １００ リザーバー、 １２０ 駆動回路、 １２１ 接続配線、 ３００ 圧電素子、 ５１１ プリンターコントローラー、 ５１２ プリントエンジン、 ５１６ 制御部、 ５１９ 駆動信号発生回路、 ５３１ シフトレジスター、 ５３２ ラッチ、 ５３３ レベルシフター、 ５３４ スイッチ。

Claims (10)

  1. 圧力発生室と、
    第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、
    前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、
    前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、
    前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号を前記圧電素子に供給することにより、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
  2. 圧力発生室と、
    第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、
    前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、
    前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、
    前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号、及び、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号を
    前記圧電素子に供給することにより、前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
  3. 圧力発生室と、
    第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、
    前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、
    前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、
    前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧を変化させる駆動信号と、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし、該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号とを、選択的に前記圧電素子に供給する駆動信号制御部を有することを特徴とする圧電素子の駆動方法。
  4. 圧力発生室と、
    第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、
    前記圧力発生室に圧力変化を生じさせる駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、を有する圧電素子の駆動方法であって、
    前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、
    前記駆動手段は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧まで変化させる駆動信号を、
    前記圧電素子に供給することにより前記圧力発生室に圧力変化を生じさせることを特徴とする圧電素子の駆動方法。
  5. 前記圧電体層は、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むペロブスカイト型複合酸化物であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の圧電素子の駆動方法。
  6. 前記圧電体層は、下記一般式（１）で表される複合酸化物からなることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電素子の駆動方法。
    （Ｂｉ１−ｘ，Ｌａｘ）（Ｆｅ１−ｙ，Ｍｎｙ）Ｏ３ （１）
    （０．２１≦ｘ≦０．３８，０．０１≦ｙ≦０．０９）
  7. 第１電極と、該第１電極に形成された圧電体層と、該圧電体層に形成された第２電極と、を備えた圧電素子と、
    駆動信号を前記圧電素子に供給する駆動手段と、
    を備え、
    前記圧電体層は、反強誘電相から強誘電相、又は強誘電相から反強誘電相への電界誘起相転移を示し、
    前記駆動信号は、前記圧電体層が前記電界誘起相転移する電圧のうち絶対値が大きい電圧をＶＦ、絶対値が小さい電圧をＶＡＦとしたとき、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧が変化する波形形状、及び、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧範囲まで電圧が変化する波形形状、の少なくとも一方の波形形状を含むことを特徴とする圧電デバイス。
  8. 前記駆動手段は、
    前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であって絶対値がＶＡＦ以上の電圧を基点とし、絶対値がＶＡＦ以上の範囲内で電圧が変化する波形形状の前記駆動信号と、前記圧電体層に電圧を印加してＶＦを経た後の電圧であってＶＡＦよりも絶対値が大きい電圧を基点とし、該ＶＡＦよりも絶対値が小さい電圧範囲まで電圧が変化する波形形状の前記駆動信号とを、選択的に前記圧電素子に供給する駆動信号制御部を有することを特徴とする請求項７に記載の圧電デバイス。
  9. 前記圧電体層は、Ｂｉ、Ｌａ、Ｆｅ及びＭｎを含むペロブスカイト型複合酸化物であることを特徴とする請求項７又は請求項８に記載の圧電デバイス。
  10. 前記圧電体層は、下記一般式（１）で表される複合酸化物からなることを特徴とする請求項７〜９のいずれか一項に記載の圧電デバイス。
    （Ｂｉ１−ｘ，Ｌａｘ）（Ｆｅ１−ｙ，Ｍｎｙ）Ｏ３ （１）
    （０．２１≦ｘ≦０．３８，０．０１≦ｙ≦０．０９）
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