JP2008311634A - 圧電素子及びその駆動方法、圧電装置、液体吐出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】圧電素子において、大きな歪変位量が安定的に得られ、薄型化にも対応可能なものとする。
【解決手段】圧電素子１は、圧電体１３と、圧電体１３に対して所定方向に電界を印加する電極１２、１４とを備え、圧電体１３は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含んでいる。所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、下記式（１）を充足する条件で、駆動されるものである。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
（Ｅｍｉｎ：最小電界印加強度、Ｅｍａｘ：最大電界印加強度、Ｅ１：第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度）
【選択図】図１

Description

本発明は圧電素子及びその駆動方法に係り、特に圧電体の結晶構造と駆動条件とに関するものである。本発明はまた、圧電素子とこの駆動を制御する制御手段とを備えた圧電装置、及びこの圧電装置を用いた液体吐出装置に関するものである。

電界印加強度の増減に伴って伸縮する圧電性を有する圧電体と、圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子が、インクジェット式記録ヘッドに搭載されるアクチュエータ等として使用されている。

圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等のペロブスカイト構造を有する複合酸化物が知られている。かかる材料は電界無印加時において自発分極性を有する強誘電体であり、従来の圧電素子では、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、分極軸方向に伸びる「圧電効果」を利用することが一般的であった（従来技術１）。すなわち、従来は、電界印加方向と分極軸方向とが合うように、材料設計を行うことが重要とされてきた（分極軸＝電界印加方向）。
しかしながら、強誘電体の上記圧電効果を利用するだけでは歪変位量に限界があり、より大きな歪変位量が求められるようになってきている。

一方、電子機器の小型軽量化・高機能化に伴い、これに搭載される圧電素子においても小型軽量化・高機能化が進められるようになってきている。例えば、インクジェット式記録ヘッドでは、高画質化のために、圧電素子の高密度化が検討されており、それに伴って圧電素子の薄型化が検討されている。圧電素子を薄型化すると、従来と同様に電圧を印加しても圧電体にかかる電界印加強度は増すこととなり、従来と同じ材料設計をそのまま適用しても充分な圧電効果は得られない。

強誘電体の上記圧電効果による圧電特性（電界印加強度と歪変位量との関係）は概略、図６の曲線Ｑ（従来技術１）に示すような関係にあることが知られている。曲線Ｑには、ある電界印加強度Ｅｘまでは電界印加強度の増加に対して歪変位量が直線的に増加するが、電界印加強度Ｅｘを超えると、電界印加強度の増加に対する歪変位量の増加が著しく小さくなり、歪変位量がほぼ飽和することが示されている。

従来は、電界印加強度の増加に対して歪変位量が直線的に増加する電界印加強度０〜Ｅｘの範囲内で使用されてきた（材料にもよるが、例えば、Ｅｘ＝５〜１００ｋＶ／ｃｍ程度、最大電界印加強度＝０.１〜１０ｋＶ／ｃｍ程度）。しかしながら、圧電素子を薄型化すると、従来と同様に電圧を印加しても圧電体にかかる電界印加強度は増すから、例えば０〜Ｅｙ（Ｅｙ＞Ｅｘ）の範囲内で使用することになる。この場合の実質的な圧電定数は破線Ｑ’で示す傾きで示され、０〜Ｅｘの範囲内の圧電定数よりも小さく、本来素子が持っている圧電特性が充分に発揮されない。

特に、最小電界印加強度と最大電界印加強度との差を従来と同様レベルとする場合、例えばＥｘ〜Ｅｙの範囲内で使用する場合には、ほとんど歪変位のない範囲内で使用することとなり、圧電素子として充分な機能が得られない。

かかる背景下、特許文献１には、電界印加により圧電体を相転移させる圧電素子が提案されている（従来技術２）。該文献には、相転移膜と、電極と、相転移膜をキュリー点Ｔｃ付近の温度Ｔに調整する発熱体とを備える圧電素子が開示されている（請求項１参照）。相転移膜としては、正方晶系と菱面体晶系との間、又は菱面体晶系或いは正方晶系と立方晶系との間で転移する膜が挙げられている（請求項２参照）。
特許文献１に記載の圧電素子では、強誘電体の圧電効果と相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化とにより、従来よりも大きな歪変位量が得られるとされている。
特許第３５６８１０７号公報

特許文献１には、相転移膜として、いずれも強誘電体である正方晶系と菱面体晶系との間で相転移する膜と、強誘電体である菱面体晶系或いは正方晶系と常誘電体である立方晶系との間で転移する膜とが挙げられている。しかしながら、特許文献１に記載の圧電素子（従来技術２）は、キュリー点Ｔｃ付近で使用するものである。キュリー点Ｔｃは強誘電体と常誘電体との相転移温度に相当するものであるから、キュリー点Ｔｃ付近で使用する場合には、正方晶系と菱面体晶系との間で相転移する膜はあり得ない。したがって、特許文献１に記載の圧電素子は、強誘電体と常誘電体との間の相転移を利用するものにしかならない。かかる素子では、常誘電体が自発分極性を有しないので、相転移後には電界印加により分極軸方向に伸びる圧電効果は得られない。

特許文献１に記載の圧電素子の圧電特性は概略、図６の曲線Ｒ（従来技術２）に示すものとなる。ここでは、比較しやすいよう、相転移前の圧電特性は強誘電体の圧電効果のみを利用する上記従来技術１の曲線Ｑと同様としてある。曲線Ｒには、相転移前は強誘電体の圧電効果により電界印加強度の増加に対して歪変位量が直線的に増加し、相転移が開始する電界印加強度Ｅ１から相転移が略完了する電界印加強度Ｅ２までは、相転移に伴う結晶構造の変化によって歪変位量が増加し、常誘電体への相転移が略完了する電界印加強度Ｅ２を超えると、強誘電体の圧電効果が得られなくなるので、それ以上電界を印加しても、歪変位量は増加しないことが示されている。
強誘電体の圧電効果のみを利用する従来技術１と同様、圧電素子を薄型化すると、歪変位量のない電界印加強度の高い範囲を含めて使用することとなり、有効ではない。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、大きな歪変位量が安定的に得られ、薄型化にも対応可能な、圧電素子及びその駆動方法を提供することを目的とするものである。本発明はまた、上記圧電素子と、この駆動を制御する制御手段とを備えた圧電装置を提供することを目的とするものである。

本発明の圧電素子は、圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、該単結晶膜は電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、駆動されるものであることを特徴とするものである。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
（式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）

本発明の圧電素子において、前記圧電体は、電界無印加時において第１の強誘電体結晶のみからなる単結晶でもよいし、電界無印加時において第１の強誘電体結晶と結晶系の異なる他の強誘電体結晶とが混合した単結晶または多結晶でもよい。また、前記第１の強誘電体結晶は、電界無印加時において、分極軸方向の揃ったシングルドメイン構造を有していてもよいし、分極軸方向の異なる複数のドメインからなるマルチドメイン構造を有していてもよい。

本発明の圧電素子は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、駆動されるものであることが好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
（式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）

本明細書において、「第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度Ｅ２」とは、それ以上電界を印加してもそれ以上相転移が起こらない電界強度を意味している。Ｅ２以上の電界強度を印加しても、第１の強誘電体結晶の一部が相転移せずに残る場合がある。

本発明の圧電素子において、前記第１の強誘電体結晶の分極軸方向が、前記電極による電界印加方向とは異なる方向であることが好ましい。特に、前記電界印加方向が、前記第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しいことが好ましい。
本明細書において、「電界印加方向が、第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しい」とは、電界印加方向と第２の強誘電体結晶の分極軸方向とのずれが±２０°以内と定義する。

「背景技術」の項において、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（従来技術１）では、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することが重要とされてきたことを述べた。これをそのまま、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶に相転移させる本発明の系に適用すると、相転移前の第１の強誘電体結晶の分極軸に合わせて電界を印加することになる。

本発明の圧電素子では、従来技術１とは異なり、第１の強誘電体結晶の分極軸方向と電界印加方向とを変え、好ましくは電界印加方向を第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略一致させることで、「エンジニアードドメイン効果」等が得られ、好ましい。

「バルク単結晶体のエンジニアードドメイン効果」は、"Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals", S.E.Park et.al., JAP, 82, 1804(1997)に記載されている。

上記文献には、PZN-8%PT単結晶体について、第１の強誘電体結晶（菱面体晶系）の分極軸方向と電界印加方向とを変え、電界を印加することで、電界印加方向を第１の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせるよりも大きな変位量が得られることが、「エンジニアードドメイン効果」として記載されている。

また、上記文献図１７には、更に電圧を上げると、菱面体晶系から正方晶系に相転移することが記載されている。

ただし、上記文献には、相転移後の圧電特性については特に議論はなされていない。また、本発明で用いる基板上に形成した膜材料ついては一切言及がなされていない。また、最小電界印加強度と最大電界印加強度とを特定の範囲内に設定して駆動するようなことについても言及がなされていない。すなわち、上記文献には、「バルク単結晶体のエンジニアードドメイン効果」は報告されているが、単にその効果が報告されているだけで、膜材料への応用、圧電素子としての具体的な利用等については、言及されていない。

本発明の圧電素子において、前記第１の強誘電体結晶と前記第２の強誘電体結晶との組合せとしては、前記第１の強誘電体結晶が、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、単斜晶系結晶及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、前記第２の強誘電体結晶が、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、単斜晶系結晶及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、かつ前記第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系である組合せが挙げられる。

強誘電体結晶の分極軸は以下の通りである。
正方晶系：＜００１＞、斜方晶系：＜１１０＞、菱面体晶系：＜１１１＞
電界印加方向は通常、圧電体膜の厚み方向（圧電体膜の表面に対して垂直方向、すなわち配向方向）である。
上記分極軸を考慮すれば、電界印加方向（配向方向）が相転移後の第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しくなる、第１の強誘電体結晶と第２の強誘電体結晶との組合せとしては、
（１）前記第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶である組合せ、
（２）前記第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶である組合せ、
（３）前記第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶である組合せ、
（４）前記第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶である組合せ、
（５）前記第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶である組合せ、
（６）前記第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶である組合せが挙げられる。

本明細書において、第１の強誘電体結晶が略＜ａｂｃ＞方向に結晶配向性を有するとは、基板表面に対し＜ａｂｃ＞方向が略垂直であると定義する。

本発明の圧電素子において、前記圧電体としては、１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ものが挙げられる。

前記圧電体としては、下記一般式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ものが好ましい。
一般式ＡＢＯ_３
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子、
Ａサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比、および、Ｂサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比は、それぞれ１：３である場合が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１：３からずれてもよい。）

本発明の圧電素子において、前記圧電体の前記第１の強誘電体結晶から前記第２の強誘電体結晶への電界誘起による相転移が、−５０〜２００℃の範囲にて生じることが好ましい。
本発明の圧電素子において、前記圧電体は厚み２０μｍ以下の圧電膜であることが好ましい。

本発明の圧電素子において、前記無機化合物結晶は、前記第１の強誘電体結晶から前記第２の強誘電体結晶への相転移後、更に電界印加強度を増加させることにより、前記第２の強誘電体結晶の少なくとも一部が前記第２の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第３の強誘電体結晶に相転移する特性を有していてもよい。

本発明の圧電素子の駆動方法は、圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子の駆動方法において、
前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、駆動することを特徴とするものである。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
（式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）

本発明の圧電素子の駆動方法において、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、駆動することが好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
（式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）

本発明の圧電装置は、
圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子と、
該圧電素子の駆動を制御する制御手段とを備えた圧電装置において、
前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
前記制御手段は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、前記圧電素子を駆動するものであることを特徴とするものである。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
（式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）

本発明の圧電装置において、前記制御手段は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、前記圧電素子を駆動するものであることが好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
（式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）

本発明の液体吐出装置は、上記の本発明の圧電装置と、液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材とを備えたことを特徴とするものである。

本発明の圧電素子は、
圧電体として、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶を用い、
最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）、好ましくは下記式（２）を充足する条件で、駆動する構成としている。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
（式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）

本発明の圧電素子では、圧電体の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化が得られ、しかも、圧電体は相転移前後のいずれにおいても強誘電体結晶からなるので、相転移前後のいずれにおいても強誘電体の圧電効果が得られ、上記式（１）、（２）のいずれを充足する条件で駆動するにせよ、トータルとして大きな歪変位量が得られる。

本発明の圧電素子では、圧電体は基板上に形成された単結晶としているので、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が安定的に進行し、大きな歪変位量が安定的に得られる。

上記構成では、バルク単結晶を用いる場合に比して、材料組成の多様性、製造容易性、コスト、形状設計自由度等の点で有利である。

同じ化学式組成の圧電体で比較すれば、本発明の圧電素子は、最大電界印加強度Ｅｍａｘが、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（「背景技術」の従来技術１）の最大電界印加強度と同等又はそれよりも高い条件で駆動するものであり、従来と同様の電圧を印加しても高い電界印加強度となる薄型の圧電素子においてより効果が現れる。

本発明の圧電素子においては、第１の強誘電体結晶の分極軸方向が、電界印加方向とは異なる方向であることが好ましい。特に、電界印加方向が、第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しいことが好ましい。かかる構成とすることで、「エンジニアードドメイン効果」が発現し、また相転移が効率よく進行するので、より大きな歪変位量が安定的に得られ、好ましい。

「圧電素子」
「圧電素子、圧電アクチュエータ、及びインクジェット式記録ヘッド」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子、及びこれを備えた圧電アクチュエータ（圧電装置）、及びインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造について説明する。図１はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図（圧電素子の厚み方向の断面図）である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。

図１に示す圧電素子１は、基板１１の表面に、下部電極１２と圧電体１３と上部電極１４とが順次積層された素子である。圧電体１３は圧電性を有する無機化合物単結晶からなり、下部電極１２と上部電極１４とにより厚み方向に電界が印加されるようになっている。

基板１１としては、シリコン、ガリウム砒素、インジウムリンなどの半導体単結晶基板、マグネシア、マグネシアスピネル、サファイア、チタン酸ストロンチウム、アルミン酸ランタン、ガリウム酸ネオジウムなどの酸化物単結晶基板などが挙げられる。基板１１としては、シリコン基板上にＳｉＯ_２膜とＳｉ活性層とが順次積層されたＳＯＩ基板等の積層基板を用いてもよい。

下部電極１２の主成分としては、基板との格子整合性が良くエピタキシャル成長することが必要であり、Ｐｔ，Ｉｒ，ＬａＮｉＯ_３，及びＳｒＲｕＯ_３等の金属又は金属酸化物、及びこれらの組合せが挙げられる。上部電極１４の主成分としては特に制限なく、下部電極２０で例示した材料，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ，Ａｕ，ＲｕＯ_２，ＩｒＯ_２，ＩＴＯ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、及びこれらの組合せが挙げられる。下部電極１２と上部電極１４の厚みは特に制限なく、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。

圧電アクチュエータ（圧電装置）２は、圧電素子１の基板１１の裏面に、圧電体１３の伸縮により振動する振動板１６が取り付けられたものである。圧電アクチュエータ２には、圧電素子１を駆動する駆動回路等の制御手段１５も備えられている。

インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）３は、概略、圧電アクチュエータ２の裏面に、インクが貯留されるインク室（液体貯留室）２１及びインク室２１から外部にインクが吐出されるインク吐出口（液体吐出口）２２を有するインクノズル（インク貯留吐出部材）２０が取り付けられたものである。
インクジェット式記録ヘッド３では、圧電素子１に印加する電界強度を増減させて圧電素子１を伸縮させ、これによってインク室２１からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。

基板１１とは独立した部材の振動板１６及びインクノズル２０を取り付ける代わりに、基板１１の一部を振動板１６及びインクノズル２０に加工してもよい。例えば、基板１１がＳＯＩ基板等の積層基板からなる場合には、基板１１を裏面側からエッチングしてインク室２１を形成し、基板自体の加工により振動板１６とインクノズル２０とを形成することができる。

本実施形態において、圧電体１３は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶からなり、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶により、構成されている。

本実施形態における圧電体１３の圧電特性（電界印加強度と歪変位量との関係）は概略、図２の曲線Ｐに示すものとなる（図７（"Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals", S.E.Park et.al., JAP, 82, 1804(1997)、図１７）を参照）。

電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。通常はＥ１＜Ｅ２であるが、Ｅ１＝Ｅ２もあり得る。

図２に示す如く、圧電体１３は、電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ１（相転移前）では、第１の強誘電体結晶の圧電効果（エンジニアードドメイン効果）により、電界印加強度の増加に伴って歪変位量が直線的に増加し、電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２では、相転移に伴う結晶構造の変化により、Ｅ＝０〜Ｅ１の範囲内よりも大きい傾きで、電界印加強度の増加に伴って歪変位量が増加し、電界印加強度Ｅ≧Ｅ２（相転移後）では、第２の強誘電体結晶の圧電効果により、電界印加強度の増加に伴って歪変位量が直線的に増加する圧電特性を有するものである。

圧電体１３では、相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化（電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２の範囲）が起こり、しかも、圧電体１３は相転移前後のいずれにおいても強誘電体結晶からなるので、相転移前後のいずれにおいても強誘電体の圧電効果が得られ、電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ１、Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２、Ｅ≧Ｅ２のいずれの範囲内においても、大きい歪変位量が得られる。

本実施形態では、上記特性を有する圧電体１３を制御手段１５によって、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、駆動する構成としている。すなわち、最小電界印加強度Ｅｍｉｎは相転移が起こらない範囲内（０でもよい）とし、最大電界印加強度Ｅｍａｘは少なくとも一部が相転移する範囲内として、駆動する構成としている。かかる構成では、第１の強誘電体結晶の圧電効果と、圧電体１３の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化とが得られ、大きな歪変位量が得られる。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）

本実施形態では、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、駆動する構成とすることが好ましい。すなわち、最小電界印加強度Ｅｍｉｎは相転移が起こらない範囲内（０でもよい）とし、最大電界印加強度Ｅｍａｘは第１の強誘電体結晶が略完全に第２の強誘電体結晶に相転移する範囲内として、駆動する構成とすることが好ましい。かかる構成では、第１の強誘電体結晶の圧電効果と、圧電体１３の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化と、第２の強誘電体結晶の圧電効果とが得られ、大きな歪変位量が得られる。図２には、Ｅｍｉｎ及びＥｍａｘが下記式（２）を充足する場合について図示してある。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）

「背景技術」において、図６に示したように、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（従来技術１）では、ある電界印加強度Ｅｘまでは電界印加強度の増加に対して歪変位量が直線的に増加するが、電界印加強度Ｅｘを超えると、電界印加強度の増加に対する歪変位量の増加が著しく小さくなり、歪変位量がほぼ飽和するため、電界印加強度の増加に対して歪変位量が直線的に増加する電界印加強度０〜Ｅｘの範囲内で使用されてきたことを述べた。

同じ化学式組成の圧電体で比較すれば、圧電体１３では、従来技術１では歪変位量がほぼ飽和する前に相転移が開始する（Ｅ１≦Ｅｘ）。
本実施形態の圧電素子１は、最大電界印加強度Ｅｍａｘ（＞Ｅ１）が、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（従来技術１）の最大電界印加強度と同等又はそれよりも高い条件で、駆動するものであり、従来と同様の電界を印加しても高い電界印加強度となる薄型の圧電素子にも適用可能なものである。

圧電体１３は、第１の強誘電体結晶から前記第２の強誘電体結晶への相転移後、更に電界印加強度を増加させることにより、第２の強誘電体結晶の少なくとも一部が第２の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第３の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶により構成されていてもよい。かかる構成の圧電体１３においては、上記した強誘電体結晶から異なる結晶相の強誘電体結晶への相転移が２回起こるため、より大きな圧電歪を得ることができる。

圧電体１３の組成としては上記結晶条件を充足するものであれば特に制限されない。圧電体１３としては、１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ものが挙げられる。

圧電体１３としては、下記一般式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ものが好ましい。
一般式ＡＢＯ_３
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
Ｏ：酸素原子、
Ａサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比、および、Ｂサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比は、それぞれ１：３である場合が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１：３からずれてもよい。）

上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、
チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、アルミン酸ビスマス、ガリウム酸ビスマス、鉄酸ビスマス等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。

電気特性がより良好となることから、圧電体１３は、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｂｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，及びＬｎ（＝ランタニド元素（Ｌａ，Ｃｅ，Ｐｒ，Ｎｄ，Ｓｍ，Ｅｕ，Ｇｄ，Ｔｂ，Ｄｙ，Ｈｏ，Ｅｒ，Ｔｍ，Ｙｂ，及びＬｕ））等の金属イオンを、１種又は２種以上含むものであることが好ましい。

ＰＺＴ等では、立方晶系と正方晶系と菱面体晶系との３種の結晶系があり、チタン酸バリウム等では、立方晶系と正方晶系と斜方晶系と菱面体晶系との４種の結晶系がある。

立方晶系は常誘電体であるので、第１の強誘電体結晶は、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、第２の強誘電体結晶は、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、かつ第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系である。ＰＺＴ等では、上記のように斜方晶系がないので、第１の強誘電体結晶と第２の強誘電体結晶は、一方が正方晶系で他方が菱面体晶系となる。

一般に、強誘電体を含む誘電体全般のギブス自由エネルギーＧは下記式で表され、ある組成の誘電体の結晶系は、応力、電場、温度により一義的に決まる。
Ｇ＝Ｕ＋Ｘｉｘｉ−ＥｉＰｉ−ＴＳ
（Ｕ：内部エネルギー、Ｘｉ：応力、ｘｉ：歪、Ｅｉ：電場、Ｐｉ：分極、Ｔ：温度、Ｓ：エントロピー）

チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ_３）における温度Ｔとギブス自由エネルギーＧと結晶系との関係を図３に示す。菱面体晶系と斜方晶系との相転移温度は−８０℃程度、斜方晶系と正方晶系との相転移温度は１０℃程度、正方晶系と立方晶系との相転移温度は１２０℃程度である。ＰＺＴは、斜方晶系がないことを除けば、傾向としては同様である。

本実施形態の圧電素子１は、圧電体１３が厚み２０μｍ以下の薄い圧電膜である場合に有効である。

上記構成では、バルク単結晶を用いる場合に比して、材料の多様性、製造容易性、コスト、形状設計自由度等の点で有利である。「背景技術」の項において、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（従来技術１）では、強誘電体の分極軸に合わせた方向に電界を印加することが重要とされてきたことを述べた。これをそのまま、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶に相転移させる本実施形態の系に適用すると、相転移前の第１の強誘電体結晶の分極軸に合わせて電界を印加することになる。

本実施形態では、従来技術１の電界印加方向を採用するのではなく、第１の強誘電体結晶の分極軸方向を、電極１２、１４による電界印加方向と異なる方向とすることが好ましい。かかる構成とすることで、「エンジニアードドメイン効果」が得られ、好ましい。

「エンジニアードドメイン効果」は、第１の強誘電体結晶の分極軸方向と電界印加方向とを変えることにより、電界印加方向を第１の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせるよりも大きな変位量が安定的に得られる効果である。
すなわち、第１の強誘電体結晶の分極軸方向と電界印加方向とを変えた場合には、電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ１の範囲内において、電界印加強度の増加に対する歪変位量の増加の傾き（圧電定数）が、エンジニアードドメイン効果により、電界印加方向を第１の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせるよりも大きくなる。

また、第１の強誘電体結晶の分極軸方向が電界印加方向とは異なる方向である構成、特に、電界印加方向が第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しい構成では、「エンジニアードドメイン効果」に加えてさらなる効果も得られる。

本発明者は、電界印加方向を相転移後の第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しくすると、第１の強誘電体結晶から分極軸の異なる第２の強誘電体結晶への相転移が、最も効率よく進行することを見出している。これは、分極軸と電界印加方向とが合う方が結晶的に安定であり、第１の強誘電体結晶がより安定な第２の強誘電体結晶へ相転移しやすくなるためと推察される。

電界印加強度Ｅ２以上の電界を印加しても、第２の強誘電体結晶に相転移せずに第１の強誘電体結晶の一部が残る場合があるが、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が効率よく進行することで、電界印加強度Ｅ２以上の電界を印加した際に、第２の強誘電体結晶に相転移せずに残る第１の強誘電体結晶の割合を少なくすることができ、安定的にすべての第１の強誘電体結晶を第２の強誘電体結晶に相転移させることも可能である。この結果として、電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２の範囲内において、電界印加方向を第１の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせるよりも、大きな歪変位量が安定的に得られる。

また、第２の強誘電体結晶に相転移後は、電界印加方向と分極軸とが略一致することになるので、電界印加強度Ｅ≧Ｅ２において、第２の強誘電体結晶の圧電効果が効果的に発現し、電界印加方向を第１の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせるよりも、大きな歪変位量が安定的に得られる。

上記効果は、少なくとも第１の強誘電体結晶の分極軸方向が電界印加方向とは異なる方向であれば得られ、電界印加方向が相転移後の第２の強誘電体結晶の分極軸方向に近い程、顕著に発現する。

要約すれば、第１の強誘電体結晶の分極軸方向と電界印加方向とを変え、好ましくは電界印加方向を第２の強誘電体結晶の分極軸方向に合わせて相転移を行うことで、以下の効果が得られる。
（ａ）電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ１の範囲内において、「エンジニアードドメイン効果」により、より大きな歪変位量が安定的に得られる。
（ｂ）電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２の範囲内において、相転移が効率よく進行するため、より大きな歪変位量が安定的に得られる。
（ｃ）電界印加強度Ｅ≧Ｅ２の範囲内において、第２の強誘電体結晶の圧電効果が効果的に発現するため、より大きな歪変位量が安定的に得られる。
すなわち、いずれの電界印加強度の範囲内においても、より大きな歪変位量が安定的に得られる。

以下、電界印加方向が相転移後の第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しくなる、第１の強誘電体結晶と第２の強誘電体結晶との組合せについて、具体的に説明する。

強誘電体結晶の分極軸は以下の通りである。
正方晶系：＜００１＞、斜方晶系：＜１１０＞、菱面体晶系：＜１１１＞
電界印加方向は通常、圧電体１３の厚み方向（圧電体１３の表面に対して垂直方向、すなわち配向方向）である。
上記分極軸を考慮すれば、電界印加方向（配向方向）が相転移後の第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しくなる、第１の強誘電体結晶と第２の強誘電体結晶との組合せとしては、
（１）第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶である組合せ、
（２）第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶である組合せ、
（３）第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶である組合せ、
（４）第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶である組合せ、
（５）第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶である組合せ、
（６）第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶である組合せが挙げられる。

本実施形態の圧電素子１では、基本的には、圧電体１３の第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移は、電界印加強度を変化させるだけで実施されるように、設計を行うことが好ましい。すなわち、圧電体１３の組成及びいずれの結晶系間の相転移を採用するかは、使用環境温度にて電界誘起による相転移が生じる系となるよう、決定することが好ましい。ただし、必要に応じて、素子温度が相転移温度となるよう、調温することは差し支えない。いずれにせよ、相転移温度又はその近傍で駆動することで、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が効率よく起こり、好ましい。

従来は、圧電素子は常温で使用されることが一般的であり、常温での使用を前提に設計されてきたが、今後は、より高温の環境下（例えば、車のエンジン周り、ＣＰＵ周り等の用途では８０℃以上、インクジェット用途でもインク粘度低減のため４０〜８０℃になり得る）、より低温の環境下（例えば、冷蔵庫内等）でも、使用される可能性がある。具体的には、今後は−５０〜２００℃の使用環境温度を考慮して材料を設計していくことが好ましい。

本実施形態では、上記使用環境温度を考慮すれば、圧電体１３の第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移温度が、−５０〜２００℃の範囲にあることが好ましい。

使用環境温度が相転移温度である条件では、ＰＺＴでは、（１）第１の強誘電体結晶が略＜１００＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶である組合せの場合、組成や厚みにより異なるが、Ｅ１＝１０〜１５０ｋＶ／ｃｍ程度、Ｅ２＝３０〜３００ｋＶ／ｃｍ程度である。

同じ化学式組成の圧電体１３で比較すれば、本実施形態の圧電素子１は、最大電界印加強度Ｅｍａｘ（＞Ｅ１）が、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子（「背景技術」の従来技術１）の最大電界印加強度（通常０．１〜１０ｋＶ／ｃｍ程度）と同等又はそれよりも高い条件（例えば１００ｋＶ／ｃｍ以上）で、駆動するものであり、従来と同様の電圧を印加しても高い電界印加強度となる薄型の圧電素子にも適用可能なものである。

薄膜にかかる応力には、成膜時の内部応力に加え、基板との熱膨張係数差による応力があるが、一般的に−１０〜＋１０ＧＰａの範囲で材料設計すれば良い。

本実施形態の圧電素子１は、圧電体１３として、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶を用い、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが上記式（１）、好ましくは上記式（２）を充足する条件で、駆動する構成としている。

本実施形態の圧電素子１では、圧電体１３の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化が得られ、しかも、圧電体１３は相転移前後のいずれにおいても強誘電体結晶からなるので、相転移前後のいずれにおいても強誘電体の圧電効果が得られ、上記式（１）、（２）のいずれを充足する条件で駆動するにせよ、トータルとして大きな歪変位量が得られる。

上記構成では、バルク単結晶を用いる場合に比して、材料の多様性、製造容易性、コスト、形状設計自由度等の点で有利である。本実施形態の圧電素子１は、最大電界印加強度Ｅｍａｘが、強誘電体の圧電効果のみを利用する従来一般的な圧電素子の最大電界印加強度と同等又はそれよりも高い条件で、駆動するものであり、従来と同様の電界を印加しても高い電界印加強度となる薄型の圧電素子にも適用可能なものである。すなわち、本実施形態の圧電素子１は、薄型化にも対応可能なものである。

本実施形態の圧電素子１においては、第１の強誘電体結晶の分極軸方向が、電界印加方向とは異なる方向であることが好ましい。特に、電界印加方向が、第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しいことが好ましい。かかる構成とすることで、「エンジニアードドメイン効果」が発現し、また相転移が効率よく進行するので、より大きな歪変位量が安定的に得られ、好ましい。

「インクジェット式記録装置」
図４及び図５を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図４は装置全体図であり、図５は部分上面図である。

図示するインクジェット式記録装置１００は、インクの色ごとに設けられた複数のインクジェット式記録ヘッド（以下、単に「ヘッド」という）３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙを有する印字部１０２と、各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙに供給するインクを貯蔵しておくインク貯蔵／装填部１１４と、記録紙１１６を供給する給紙部１１８と、記録紙１１６のカールを除去するデカール処理部１２０と、印字部１０２のノズル面（インク吐出面）に対向して配置され、記録紙１１６の平面性を保持しながら記録紙１１６を搬送する吸着ベルト搬送部１２２と、印字部１０２による印字結果を読み取る印字検出部１２４と、印画済みの記録紙（プリント物）を外部に排紙する排紙部１２６とから概略構成されている。

印字部１０２をなすヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド３である。

デカール処理部１２０では、巻き癖方向と逆方向に加熱ドラム１３０により記録紙１１６に熱が与えられて、デカール処理が実施される。
ロール紙を使用する装置では、図４のように、デカール処理部１２０の後段に裁断用のカッター１２８が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター１２８は、記録紙１１６の搬送路幅以上の長さを有する固定刃１２８Ａと、該固定刃１２８Ａに沿って移動する丸刃１２８Ｂとから構成されており、印字裏面側に固定刃１２８Ａが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃１２８Ｂが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター１２８は不要である。

デカール処理され、カットされた記録紙１１６は、吸着ベルト搬送部１２２へと送られる。吸着ベルト搬送部１２２は、ローラ１３１、１３２間に無端状のベルト１３３が巻き掛けられた構造を有し、少なくとも印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する部分が水平面（フラット面）となるよう構成されている。

ベルト１３３は、記録紙１１６の幅よりも広い幅寸法を有しており、ベルト面には多数の吸引孔（図示略）が形成されている。ローラ１３１、１３２間に掛け渡されたベルト１３３の内側において印字部１０２のノズル面及び印字検出部１２４のセンサ面に対向する位置には吸着チャンバ１３４が設けられており、この吸着チャンバ１３４をファン１３５で吸引して負圧にすることによってベルト１３３上の記録紙１１６が吸着保持される。

ベルト１３３が巻かれているローラ１３１、１３２の少なくとも一方にモータ（図示略）の動力が伝達されることにより、ベルト１３３は図４上の時計回り方向に駆動され、ベルト１３３上に保持された記録紙１１６は図４の左から右へと搬送される。

縁無しプリント等を印字するとベルト１３３上にもインクが付着するので、ベルト１３３の外側の所定位置（印字領域以外の適当な位置）にベルト清掃部１３６が設けられている。
吸着ベルト搬送部１２２により形成される用紙搬送路上において印字部１０２の上流側に、加熱ファン１４０が設けられている。加熱ファン１４０は、印字前の記録紙１１６に加熱空気を吹き付け、記録紙１１６を加熱する。印字直前に記録紙１１６を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。

印字部１０２は、最大紙幅に対応する長さを有するライン型ヘッドを紙送り方向と直交方向（主走査方向）に配置した、いわゆるフルライン型のヘッドとなっている（図５を参照）。各印字ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙは、インクジェット式記録装置１００が対象とする最大サイズの記録紙１１６の少なくとも一辺を超える長さにわたってインク吐出口（ノズル）が複数配列されたライン型ヘッドで構成されている。

記録紙１１６の送り方向に沿って上流側から、黒（Ｋ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、イエロー（Ｙ）の順に各色インクに対応したヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙが配置されている。記録紙１１６を搬送しつつ各ヘッド３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙからそれぞれ色インクを吐出することにより、記録紙１１６上にカラー画像が記録される。

印字検出部１２４は、印字部１０２の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
印字検出部１２４の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部１４２が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。

後乾燥部１４２の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部１４４が設けられている。加熱・加圧部１４４では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ１４５で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。

こうして得られたプリント物は、排紙部１２６から排出される。本来プリントすべき本画像（目的の画像を印刷したもの）とテスト印字とは分けて排出することが好ましい。このインクジェット式記録装置１００では、本画像のプリント物と、テスト印字のプリント物とを選別してそれぞれの排出部１２６Ａ、１２６Ｂへと送るために排紙経路を切り替える選別手段（図示略）が設けられている。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター１４８を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置１００は、以上のように構成されている。

本発明に係る実施例及び比較例について説明する。

（実施例１）
（１００）ＳｒＴｉＯ_３基板の表面に、パルスレーザデポジッション法（ＰＬＤ法）にて厚み０．２μｍのＳｒＲｕＯ_３下部電極を基板温度７００℃にて形成した。ＳｒＲｕＯ_３膜がエピタキシャル成長していることは、ＲＨＥＥＤにより確認した。次いで、ＰＬＤ法にて、圧電体として厚み５μｍのＰｂＺｒ_０．５５Ｔｉ_０．４５Ｏ_３薄膜を形成した。ＰＺＴが単結晶であることは、Ｘ線回折の逆格子空間マッピングにより確認した。さらにその上に、厚み０．２μｍのＰｔ上部電極を形成して、本発明の圧電素子を得た。

上記圧電膜を成膜した時点で、得られた圧電膜の電界印加Ｘ線回折（電界印加ＸＲＤ）測定を行ったところ、電界無印加時に＜００１＞方向に配向性を有する菱面体晶系結晶（第１の強誘電体結晶）であり、＜００１＞方向に電界を印加することで、正方晶系結晶（第２の強誘電体結晶）に相転移することが確認された。本実施例では、電界印加方向は相転移後の結晶の分極軸に一致している。

第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度Ｅ１＝５０ｋＶ／ｃｍ、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度Ｅ２＝９０ｋＶ／ｃｍであった。

カンチレバーを用いて、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ＝２０ｋＶ／ｃｍ（＜Ｅ１）〜最大電界印加強度Ｅｍａｘ＝１５０ｋＶ／ｃｍ（＞Ｅ２）における圧電定数ｄ３１を求めたところ、２００ｐｍ／Ｖであった。本実施例の駆動条件は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが上記式（２）を充足する条件である。

（実施例２）
（１００）ＳｒＴｉＯ_３基板の表面に、ＰＬＤ法にて厚み０．２μｍのＳｒＲｕＯ_３下部電極を基板温度７００℃にて形成した。ＳｒＲｕＯ_３膜がエピタキシャル成長していることは、ＲＨＥＥＤにより確認した。次いで、ターゲットとして（Ｂｉ_０．８５，Ｌａ_０．１５）（Ｆｅ_０．４，Ａｌ_０．６）Ｏ_３を用い、ＰＬＤ法にて、レーザ強度３５０ｍＪ、レーザパルス周波数５Ｈｚ、酸素分圧５０ｍｍＴｏｒｒ、基板―ターゲット間距離５０ｍｍ、ターゲット回転数９．７ｒｐｍ、基板温度５８５℃の条件で、圧電体として厚み６００ｎｍの（Ｂｉ_０．８５，Ｌａ_０．１５）（Ｆｅ_０．４，Ａｌ_０．６）Ｏ_３薄膜を形成した。得られた薄膜に対してＸＲＤによる結晶構造解析を実施したところ、(００１)優先配向のペロブスカイト単相膜であることが確認された（図８）。

次いで、この（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜上に、１５０ｎｍ厚のＰｔ上部電極を蒸着し、（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜に対して電圧を印加してバイポーラ分極―電界特性（ＰＥヒステリシス特性）を測定した。測定は、周波数１０ｋＨｚ、最大印加電圧をＶ＝１２３ｋＶ／ｃｍの条件で行った。その結果、角形性の良好なＰＥヒステリシス特性が得られ、良好な強誘電性を有していることが確認された。

次に、この（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜について、断面ＴＥＭ像の観察、及びＴＥＭによる電子線回折測定を行った。その結果を図９、図１０に示す。

図１０に示されるように、得られた電子線回折図形（[100]入射、制限視野径〜２００ｎｍ）には明瞭な格子像が確認され、（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜が良好な単結晶膜であることが確認された。

次に、（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の電界印加Ｘ線回折（電界印加ＸＲＤ）測定を行った。測定には、ブルカーＡＸＳ社製Ｄ８ＤＩＳＣＯＶＥＲを使用した。照射Ｘ線径を３００μmとし、まずＤＣ１０Ｖを印加した後０Ｖに戻し、次にＤＣ９Ｖまで印加した後再び０Ｖに戻して初期ピーク位置の再現性を確認した。次にＤＣ９Ｖまで徐々に電圧印加してピークシフトを測定した（測定条件の詳細は表１を参照。）
その結果を図１１に示す。図１１には、電界無印加時、ＤＣ８Ｖ印加時及びＤＣ９Ｖ印加時のＸＲＤ結果のみを示してある。図１１に示されるように、ＤＣ０Ｖ〜ＤＣ８Ｖまでは、電圧に比例して若干のピークシフトが観察されたが（図には、ピークシフトが微量であるためＤＣ８ＶのＸＲＤ結果のみを示してある。）、ＤＣ９Ｖ印加時に、８Ｖまでのシフト量に比して大きくピークのシフトが観察された。これは、ＤＣ８Ｖまでは、圧電効果に起因する格子の変化によるピークシフトが観察され、ＤＣ９Ｖ印加時に相転移に起因する大きなピークシフトが観察されたものと考えられる。

更に、この（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の歪み(％)と印加電圧(Ｖ)との関係を、ＸＲＤの格子定数の変化から算出した。その結果を図１２に示す。図１２に示されるように、印加電圧８Ｖにおいて変曲点Ｅ１が存在することが確認され、Ｅ１の電界印加により相転移を生じていることが確認された。

上記結果より、この（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜は、電界無印加時に＜００１＞方向に配向性を有する菱面体晶系結晶（第１の強誘電体結晶）であり、＜００１＞方向に電界を印加することで、正方晶系結晶（第２の強誘電体結晶）に相転移することが確認された。本実施例では、電界印加方向は相転移後の結晶の分極軸に一致している。

（比較例１）
基板として（１１１）ＳｒＴｉＯ_３基板を用い、（１１１）ＳｒＲｕＯ_３下部電極を形成した以外は、実施例１と同様にして、比較用の圧電素子を得た。
得られた圧電膜に対して実施例１と同様に電界印加ＸＲＤ測定を行ったところ、電界無印加時に＜１１１＞方向に配向性を有する菱面体晶系結晶（分極軸方向に配向）であり、実施例１と同様に電界を印加しても相転移が起こらなかった。
実施例１と同様に、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ＝２０ｋＶ／ｃｍ〜最大電界印加強度Ｅｍａｘ＝１５０ｋＶ／ｃｍにおける圧電定数ｄ３１を求めたところ、１３０ｐｍ／Ｖであった。

本発明の圧電素子は、インクジェット式記録ヘッド，磁気記録再生ヘッド，ＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）デバイス，マイクロポンプ、及び超音波探触子等に搭載される圧電アクチュエータ、及び強誘電メモリ（ＦＲＡＭ）等に好ましく利用できる。

本発明に係る実施形態の圧電素子及びこれを備えたインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）の構造を示す要部断面図 図１の圧電素子における圧電体の圧電特性を示す図 チタン酸バリウムにおける温度ＴとギブスエネルギーＧと結晶系との関係を示す図 図１のインクジェット式記録ヘッドを備えたインクジェット式記録装置の構成例を示す図 図４のインクジェット式記録装置の部分上面図 従来の圧電素子における圧電体の圧電特性を示す図 PZN-8%PT単結晶体のエンジニアードドメイン効果を示す図 実施例２の（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜のＸＲＤ測定結果 実施例２の（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の断面ＴＥＭ像 実施例２の（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の電子線回折図形 実施例２の（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の電圧印加ＸＲＤ測定結果 実施例２の（Ｂｉ，Ｌａ）（Ｆｅ，Ａｌ）Ｏ_３薄膜の印加電圧と歪み変位量との関係を示す図

符号の説明

１ 圧電素子
２ 圧電アクチュエータ（圧電装置）
３，３Ｋ，３Ｃ，３Ｍ，３Ｙ インクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）
１２、１４ 電極
１３ 圧電体
１５ 制御手段
２０ インクノズル（インク貯留吐出部材）
２１ インク室（液体貯留室）
２２ インク吐出口（液体吐出口）
１００ インクジェット式記録装置

Claims (21)

1. 圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子において、
   前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、
   該単結晶膜は、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
   最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、駆動されるものであることを特徴とする圧電素子。
   Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
   （式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）
2. 最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、駆動されるものであることを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
   Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
   （式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）
3. 前記第１の強誘電体結晶の分極軸方向が、前記電極による電界印加方向とは異なる方向であることを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電素子。
4. 前記電界印加方向が、前記第２の強誘電体結晶の分極軸方向に略等しいことを特徴とする請求項３に記載の圧電素子。
5. 前記第１の強誘電体結晶が、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、単斜晶系結晶、及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、
   前記第２の強誘電体結晶が、正方晶系結晶、斜方晶系結晶、単斜晶系結晶、及び菱面体晶系結晶のうちいずれかであり、かつ前記第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の圧電素子。
6. 前記第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
7. 前記第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
8. 前記第１の強誘電体結晶が略＜００１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が正方晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
9. 前記第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する正方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
10. 前記第１の強誘電体結晶が略＜１１０＞方向に結晶配向性を有する菱面体晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が斜方晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
11. 前記第１の強誘電体結晶が略＜１１１＞方向に結晶配向性を有する斜方晶系結晶であり、前記第２の強誘電体結晶が菱面体晶系結晶であることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
12. 前記圧電体が、１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載の圧電素子。
13. 前記圧電体が、下記一般式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物からなる（不可避不純物を含んでいてもよい）ことを特徴とする請求項１２に記載の圧電素子。
    一般式ＡＢＯ_３
    （式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂ，Ｂａ，Ｌａ，Ｓｒ，Ｂｉ，Ｌｉ，Ｎａ，Ｃａ，Ｃｄ，Ｍｇ，Ｋ，及びランタニド元素からなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素、
    Ｏ：酸素原子、
    Ａサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比、および、Ｂサイト元素のモル数と酸素原子とのモル比は、それぞれ１：３である場合が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で１：３からずれてもよい。）
14. 前記圧電体の前記第１の強誘電体結晶から前記第２の強誘電体結晶への電界誘起による相転移が、−５０〜２００℃の範囲にて生じることを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の圧電素子。
15. 前記圧電体が、厚み２０μｍ以下の圧電膜であることを特徴とする請求項１〜１４のいずれかに記載の圧電素子。
16. 前記無機化合物結晶は、前記第１の強誘電体結晶から前記第２の強誘電体結晶への相転移後、更に電界印加強度を増加させることにより、前記第２の強誘電体結晶の少なくとも一部が前記第２の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第３の強誘電体結晶に相転移する特性を有することを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の圧電素子。
17. 圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子の駆動方法において、
    前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
    最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、駆動することを特徴とする圧電素子の駆動方法。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
    （式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）
18. 最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、駆動することを特徴とする請求項１７に記載の圧電素子の駆動方法。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
    （式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）
19. 圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する電極とを備えた圧電素子と、
    該圧電素子の駆動を制御する制御手段とを備えた圧電装置において、
    前記圧電体は、基板上に形成された単結晶膜であり、電界無印加時に結晶性を有する第１の強誘電体結晶を含み、所定の電界強度Ｅ１以上の電界印加により、前記第１の強誘電体結晶の少なくとも一部が該第１の強誘電体結晶とは異なる結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する特性を有する無機化合物結晶からなり、
    前記制御手段は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（１）を充足する条件で、前記圧電素子を駆動するものであることを特徴とする圧電装置。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
    （式中、電界強度Ｅ１は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が開始する最小の電界強度である。）
20. 前記制御手段は、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（２）を充足する条件で、前記圧電素子を駆動するものであることを特徴とする請求項１９に記載の圧電装置。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１≦Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
    （式中、電界強度Ｅ２は、第１の強誘電体結晶から第２の強誘電体結晶への相転移が略完全に終了する電界強度である。）
21. 請求項１９又は２０に記載の圧電装置と、
    液体が貯留される液体貯留室及び該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口を有する液体貯留吐出部材とを備えたことを特徴とする液体吐出装置。