JP4266036B2 - 圧電体、圧電素子、及び液体吐出装置 - Google Patents

Description

本発明は、電界印加により相転移する特性を有する強誘電体相を含む圧電体と、これを備えた圧電素子及び液体吐出装置と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圧電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型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を有する強誘電体である。従来の圧電素子では、強誘電体の自発分極軸に合わせた方向に電界を印加することで、自発分極軸方向に伸びる通常の電界誘起歪を利用することが一般的であった。すなわち、従来は、電界印加方向と自発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（自発分極軸＝電界印加方向）。しかしながら、強誘電体のかかる圧電効果を利用するだけでは歪変位に限界があり、より大きな歪変位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。

強誘電体の上記通常の電界誘起歪による電界−歪特性は概略、図１３の曲線ＩＶに示すような関係にあることが知られている。曲線ＩＶ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の増加が著しく小さくなり、歪変位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ＩＶ’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。

かかる背景下、特許文献１には、電界印加により相転移する特性を有する圧電体を用いた圧電素子が提案されている。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が得られるとされている。

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電界−歪特性は概略、図１３の曲線ＩＩＩ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通常の電界誘起歪のみを利用する場合の曲線ＩＶと同様としてある。曲線ＩＩＩ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が直線的に増加し、相転移が開始する電界印加強度Ｅ４から相転移が略完了する電界印加強度Ｅ５までは、相転移に伴う結晶構造の変化によって歪変位が増加し、常誘電体への相転移が略完了する電界印加強度Ｅ５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、歪変位は増加しないことが示されている。強誘電体の通常の電界誘起歪のみを利用する圧電素子と同様、圧電素子を薄型化すると、歪変位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。

本発明者は先に、特許文献２において、電界印加により少なくとも一部が他の結晶系の第２の強誘電体結晶に相転移する第１の強誘電体結晶を含む多結晶構造の圧電体を備え、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、駆動される圧電素子を出願している（請求項１，２）。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ４＜Ｅｍａｘ・・・（１）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ４≦Ｅ５＜Ｅｍａｘ・・・（２）
（式中、電界強度Ｅ４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Ｅ５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。）

特許文献２に記載の圧電体の電界−歪特性は概略、図１３の曲線ＩＩに示すものとなる。図示するように、特許文献２に記載の圧電体においては、電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ４（相転移前）では第１の強誘電体結晶の圧電効果による圧電歪が得られ、電界印加強度Ｅ＝Ｅ４〜Ｅ５では相転移による圧電歪が得られ、電界印加強度Ｅ≧Ｅ５（相転移後）では第２の強誘電体結晶の圧電効果による圧電歪が得られる。このように、特許文献２に記載の圧電素子では、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、特許文献１に記載の圧電素子よりも大きな歪変位が得られる。

本発明者は、特許文献２において、相転移前の第１の強誘電体結晶の自発分極軸方向は電界印加方向とは異なる方向であることが好ましく、電界印加方向は相転移後の第２の強誘電体結晶の自発分極軸方向に略等しいことが特に好ましいことを述べている（請求項３，４）。かかる構成では、エンジニアードドメイン効果が得られ、また相転移が効率よく進行するので、より大きな歪変位が安定的に得られ、好ましい。
特許第3568107号公報 特願2006-188765号

本発明は、より高圧電性能を得ることが可能な圧電体、及びこれを備えた圧電素子を提供することを目的とするものである。

本発明の圧電体は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むことを特徴とするものである。

前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１とし、２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２とし、２回目の相転移が略完全に終了する電界強度をＥ３としたとき、
本発明の圧電体は、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）を充足する条件で駆動されることが好ましく、下記式（２）を充足する条件で駆動されることがより好ましく、下記式（３）を充足する条件で駆動されることが特に好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）

本明細書において、「強誘電体相の２回目の相転移が略完全に終了する電界強度Ｅ３」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。Ｅ３以上の電界強度を印加しても、上記強誘電体相の一部が相転移せずに残る場合がある。

本発明の圧電体は、エピタキシャル膜、結晶配向膜、又は粒子配向セラミックス焼結体からなることが好ましい。
前記強誘電体相は、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有することが好ましい。前記強誘電体相は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有することが特に好ましい。

本明細書において、「結晶配向性」は、Ｌｏｔｇｅｒｌｉｎｇ法により測定される配向率Ｆにより規定するものとする。
配向率Ｆは、下記式で表される。
Ｆ（％）＝（Ｐ−Ｐ０）／（１−Ｐ０）×１００・・・（ｉ）
式（ｉ）中、Ｐは、配向面からの反射強度の合計と全反射強度の合計の比である。（００１）配向の場合、Ｐは、（００ｌ）面からの反射強度Ｉ（００ｌ）の合計ΣＩ（００ｌ）と、各結晶面（ｈｋｌ）からの反射強度Ｉ（ｈｋｌ）の合計ΣＩ（ｈｋｌ）との比（｛ΣＩ（００ｌ）／ΣＩ（ｈｋｌ）｝）である。例えば、ペロブスカイト結晶において（００１）配向の場合、Ｐ＝Ｉ（００１）／［Ｉ（００１）＋Ｉ（１００）＋Ｉ（１０１）＋Ｉ（１１０）＋Ｉ（１１１）］である。
Ｐ０は、完全にランダムな配向をしている試料のＰである。
完全にランダムな配向をしている場合（Ｐ＝Ｐ０）にはＦ＝０％であり、完全に配向をしている場合（Ｐ＝１）にはＦ＝１００％である。

主な強誘電体結晶の自発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＞。
本明細書において、強誘電体相が自発分極軸＜ａｂｃ＞方向に略等しい方向に結晶配向性を有するとは、（ａｂｃ）配向の配向率Ｆが８０％以上と定義する。

前記強誘電体相としては、電界無印加時において（１００）配向の正方晶相であり、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、菱面体晶相、（００１）配向の正方晶相に順次相転移する特性を有するものが挙げられる。
本発明の圧電体は、電界無印加状態において、結晶系の異なる複数の強誘電体相を含むことが好ましい。
本発明の圧電体は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、相転移が起こらない強誘電体相、及び／又は他の結晶系の強誘電体相への相転移が１回のみ起こる強誘電体相を含むことが好ましい。
本発明の圧電体の好適な態様としては、電界無印加状態において、（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）、（１００）配向の菱面体晶相Ｒ、及び（１００）配向の正方晶相Ｔ（ａ）を含むものが挙げられる。

本発明の圧電体は、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）ことが好ましい。

本発明の圧電体は、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）ことが特に好ましい。
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：酸素元素、
Ａサイト元素の総モル数及びＢサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ１：３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。）
本発明の圧電体の好適な組成としては例えば、Ｎｂドープチタン酸ジルコン酸鉛を含むものが挙げられる。

本発明の圧電体において、前記強誘電体相の１回目及び２回目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。

本発明の圧電素子は、上記の本発明の圧電体と、該圧電体に対して電界を印加する電極とを備えたことを特徴とするものである。
本発明の圧電素子の駆動方法は、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、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものであり、
前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１としたとき、
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。
本発明の圧電素子の駆動方法において、前記強誘電体相の２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２としたとき、
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く、下記式（３）を充足する条件で駆動することがより好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）
本発明の圧電装置は、
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、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものであり、
前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１としたとき、
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。
前記制御手段は、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く、下記式（３）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より好ましい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）
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。

本発明の圧電体は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移（電界誘起相転移）が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものである。

本発明の圧電体は、強誘電体相−強誘電体相の相転移が起こる特性を有するものであるので、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する強誘電体の通常の電界誘起圧電歪と、相転移による圧電歪とが得られる。

本発明の圧電体は、強誘電体相−強誘電体相の相転移が２回起こる特性を有するものであるので、強誘電体相−常誘電体相の相転移が１回起こる特許文献１に記載の圧電体、及び強誘電体相−強誘電体相の相転移が１回起こる特許文献２に記載の圧電体よりも、相転移による圧電歪がより大きく得られる。したがって、本発明によれば、特許文献１及び２に記載の圧電体よりも、高圧電性能を得ることが可能である。

本発明の圧電体において、上記強誘電体相は結晶配向性を有することが好ましい。かかる構成では、所望の電界誘起圧電歪及び相転移による圧電歪が安定的に得られ、好ましい。

上記強誘電体相は、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有することが好ましい。上記強誘電体相は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有することが特に好ましい。かかる構成では相転移が起こりやすく、しかも、通常の電界誘起圧電歪及び相転移による圧電歪に加えて、エンジニアードドメイン効果等による圧電歪が得られ、より高圧電性能が得られる。

「圧電体、圧電素子、及びインクジェット式記録ヘッド（液体吐出装置）」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の圧電体、これを備えた圧電素子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には、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としては特に制限なく、シリコン，ガラス，ステンレス（ＳＵＳ），イットリウム安定化ジルコニア（ＹＳＺ），アルミナ，サファイヤ，シリコンカーバイド等の基板が挙げられる。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の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ_２，ＲｕＯ_２，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１２で例示した材料，Ａｌ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｃｕ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。
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（液体貯留吐出部材）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、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移（電界誘起相転移）が少なくとも２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものである。

以下、圧電体１３が、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相のみからなる場合を例として、その圧電特性について説明する。図２に、かかる圧電体の電界−歪特性の一例を示す（曲線Ｉ）。ここでは、上記強誘電体相が、初期状態において自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致している場合について説明する。

上記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１とし、２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２とし、２回目の相転移が略完全に終了する電界強度をＥ３とする。Ｅ２＜Ｅ３の場合もあるし、Ｅ２＝Ｅ３の場合もある。

図２に示す特性の圧電体１３においては、電界印加強度Ｅ＝０〜Ｅ１（１回目の相転移前）では相転移前の初期の強誘電体相の通常の電界誘起歪が得られ、電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２では１回目の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化による圧電歪が得られ、電界印加強度Ｅ＝Ｅ２〜Ｅ３では主に２回目の相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化による圧電歪が得られ、電界印加強度Ｅ≧Ｅ３（２回目の相転移後）では、２回目の相転移後の強誘電体相の通常の電界誘起歪が得られる。

相転移による圧電歪では結晶構造の変化による体積変化が起こるので、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する強誘電体の通常の電界誘起歪よりも大きい圧電歪が得られる。

図２に示す特性の圧電体１３では、相転移に伴う結晶構造の変化による体積変化が２回起こり、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〜Ｅ３、Ｅ≧Ｅ３のいずれの範囲内においても、大きい歪変位が得られる。

圧電体１３は、駆動回路等からなる制御手段１５によって、その駆動が制御される。圧電体１３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）を充足する条件で駆動されることが好ましく、下記式（２）を充足する条件で駆動されることがより好ましく、下記式（３）を充足する条件で駆動されることが特に好ましい。図２では、圧電体１３が下記式（３）を充足する条件で駆動される場合について図示してある。また、最小電界印加強度Ｅｍｉｎが０〜Ｅ１の間である場合について図示してあるが、Ｅｍｉｎ＝０でもよい。
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）、
Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）

「背景技術」の項において、図１３の曲線ＩＶに示したように、相転移を利用せず強誘電体の通常の電界誘起歪のみを利用する従来一般的な圧電素子では、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の増加が著しく小さくなり、歪変位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、上記従来の圧電素子では歪変位がほぼ飽和する前に１回目の相転移が開始する（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、相転移を利用せず強誘電体の通常の電界誘起歪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。

圧電体１３は、強誘電体相−強誘電体相の相転移が起こる特性を有するものであるので、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する強誘電体の通常の電界誘起圧電歪と、相転移による圧電歪とが得られる。

強誘電体相−常誘電体相の相転移が起こる特許文献１に記載の圧電体では、常誘電体相への相転移後には通常の電界誘起圧電歪が得られないが、圧電体１３では強誘電体相−強誘電体相の相転移を利用しているので、相転移後にも通常の電界誘起圧電歪が得られる。

なお、圧電体１３は、強誘電体相−強誘電体相の相転移が少なくとも２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものであれば、該強誘電体相による圧電歪が得られるので、相転移が起こらない強誘電体相、又は強誘電体相−強誘電体相の相転移が１回のみ起こる強誘電体相を含むものであってもよい。また、圧電体１３は、常誘電体相を含むものであってもよい。

圧電体１３は、強誘電体相−強誘電体相の相転移が少なくとも２回起こる特性を有するものであるので、強誘電体相−常誘電体相の相転移が１回起こる特許文献１に記載の圧電体、及び強誘電体相−強誘電体相の相転移が１回起こる特許文献２に記載の圧電体よりも、相転移による圧電歪がより大きく得られる。

圧電体１３において、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が少なくとも２回起こる特性を有する上記強誘電体相は、結晶配向性を有することが好ましい。すなわち、圧電体１３は、エピタキシャル膜、結晶配向膜、又は粒子配向セラミックス焼結体からなることが好ましい。かかる構成では、所望の電界誘起圧電歪及び相転移による圧電歪が安定的に得られ、好ましい。圧電素子１の薄型化を考慮すれば、圧電体１３は、エピタキシャル膜又は結晶配向膜からなることが好ましい。圧電体１３の膜厚は特に制限されず、圧電体１３の薄膜化、成膜安定性、及び圧電性能等を考慮すれば、圧電体１３の膜厚は１０ｎｍ〜１００μｍが好ましく、１００ｎｍ〜２０μｍが特に好ましい。

圧電体１３において、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が少なくとも２回起こる特性を有する上記強誘電体相は、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有することが好ましい。電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が少なくとも２回起こる特性を有する上記強誘電体相は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有することが特に好ましい。かかる構成では相転移が起こりやすく、しかも通常の電界誘起圧電歪及び相転移による圧電歪に加えて、エンジニアードドメイン効果等による圧電歪が得られ、より高圧電性能が得られる。

以下、圧電体１３が図２に示した特性を有する場合（電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相のみからなる場合）を例として、エンジニアードドメイン効果等による圧電歪について、説明する。

「エンジニアードドメイン効果」は、相転移前の強誘電体相の自発分極軸方向と電界印加方向とを変えることにより、電界印加方向を相転移前の自発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。「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。

すなわち、相転移前の強誘電体相が自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する構成、特に好ましくは相転移前の強誘電体相が電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有する構成では、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が、エンジニアードドメイン効果により、電界印加方向を相転移前の強誘電体相の自発分極軸方向に合わせるよりも大きくなる。

上記結晶配向構造では、エンジニアードドメイン効果に加えて、以下のようなさらなる効果も得られる。
相転移前の強誘電体相が電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有する構成では、相転移が最も効率よく進行する。そのため、１回目及び２回目の相転移がより低電界で開始する。また、電界印加強度Ｅ３以上（最後の相転移が略完全に終了する電界強度以上）の電界を印加しても、本来相転移可能な強誘電体相が一部相転移せずに残る場合もあるが、相転移が効率よく進行することで、電界印加強度Ｅ３以上の電界を印加した際に、本来相転移可能でありながら相転移せずに残る強誘電体相の割合を少なくすることができる。この結果として、電界印加強度Ｅ＝Ｅ１〜Ｅ２、及びＥ＝Ｅ２〜Ｅ３の範囲内において、電界印加方向を相転移前の強誘電体相の自発分極軸方向に合わせるよりも大きな歪変位が安定的に得られる。
最後の相転移後は、電界印加方向と自発分極軸とが略一致することになるので、電界印加強度Ｅ≧Ｅ３（最後の相転移が略完全に終了する電界強度以上）において、最後の相転移後の強誘電体相の通常の電界誘起歪が効果的に発現し、電界印加方向を相転移前の強誘電体相の自発分極軸方向に合わせるよりも大きな歪変位が安定的に得られる。
以上の効果は、少なくとも相転移前の強誘電体相の自発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、電界印加方向が最後の相転移後の強誘電体相の自発分極軸方向に近い程、顕著に発現する。

本発明者は、初期状態（電界無印加状態）において、自発分極軸が電界印加方向に対して垂直な（１００）配向の正方晶相Ｔ（ａ）と、自発分極軸が電界印加方向に対して斜めの菱面体晶相Ｒと、自発分極軸が電界印加方向に対して平行な（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）とが混在した結晶相構造を有し、正方晶相Ｔ（ａ）の一部が比較的低い強度の電界印加によって菱面体晶相Ｒに相転移し、さらに比較的高い強度の電界印加によって（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）に相転移する圧電体膜を実際に調製している（後記実施例１を参照）。

この圧電体膜では、電界印加によって相転移する特性を有する正方晶相Ｔ（ａ）は自発分極軸が電界印加方向に対して垂直であり、自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致していないので、相転移前には正方晶相Ｔ（ａ）の通常の電界誘起歪効果は得られない。また、相転移前には菱面体晶相Ｒのエンジニアードドメイン効果による圧電歪、及び（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）の通常の電界誘起歪効果が得られる。

圧電体１３の組成は特に制限されず、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：酸素元素、
Ａサイト元素の総モル数及びＢサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ１：３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、ビスマスフェライト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。

相転移が起こりやすいことから、圧電体１３は、ＭＰＢ（Morphotropic Phase Boundary）又はその近傍の組成とすることが好ましい。「ＭＰＢの近傍」とは、電界をかけた時に相転移する領域のことである。ちなみにこのＭＰＢ組成は温度により変化することが一般的である。

本実施形態の圧電素子１では、基本的には、圧電体１３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の組成は、使用環境温度にてＭＰＢ組成となるよう、決定することが好ましい。ただし、必要に応じて、ＭＰＢ近傍となるよう素子を調温することは差し支えない。いずれにせよ、ＭＰＢ又はその近傍で駆動することで、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１回目及び２回目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。

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、相転移を利用せず強誘電体の通常の電界誘起歪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（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。

以上詳細に説明したように、本実施形態の圧電体１３は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が少なくとも２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものである。本実施形態によれば、特許文献１及び２に記載の圧電体よりも、高圧電性能を得ることが可能である。

「インクジェット式記録装置」
図３及び図４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３は装置全体図であり、図４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３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３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３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４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）
基板としてＳｉウエハを用意し、その表面に、スパッタ法により、厚み１５０ｎｍのＩｒ下部電極と、厚み５．０μｍのＮｂドープＰＺＴ圧電体膜と、厚み１５０ｎｍのＰｔ上部電極とを順次積層して、本発明の圧電素子を得た。下部電極と圧電体膜と上部電極とはいずれも、全面蒸着とした。圧電体膜の組成は、Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）モル比＝０．５２、Ｂサイト中のＮｂドープ量＝１３モル％とした。

上記圧電体膜について、シンクロトロンＸ線回折（ＸＲＤ）測定を実施した。初期状態（電界無印加状態）、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した状態、及び１００ｋＶ／ｃｍの電界を印加した状態におけるＸＲＤパターンを図５に示す。

ＰＺＴの相図に本実施例及び後記比較例１，２におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）（モル％）をプロットしたものを図１２に示しておく。ＰＺＴの相図から分かるように、本実施例の圧電体膜は、菱面体晶相と正方晶相とのＭＰＢ組成である。

初期状態（電界無印加状態）のＸＲＤパターンには、２θ＝３２．２°、３２．４°、３２．６°において計３個の回折ピークが観測された。これら回折ピークは小角側からそれぞれ、（００１）配向（ｃ軸配向）の正方晶相Ｔ（ｃ）、（１００）配向の菱面体晶相Ｒ、（１００）配向（ａ軸配向）の正方晶相Ｔ（ａ）に由来するものと推察された。すなわち、本実施例の圧電体膜は、初期状態（電界無印加状態）においてこれら３つの結晶相が混在した状態にあると推定された。電界を印加すると、ＸＲＤパターンが大きく変化し、相転移が２回起こることが明らかとなった。

Ｔ（ｃ）、Ｒ、及びＴ（ａ）の存在比を定量化するため、初期状態（電界無印加状態）、５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加した状態、及び１００ｋＶ／ｃｍの電界を印加した状態におけるＸＲＤパターンをそれぞれピーク分離し、各回折ピークの積分強度を求めた。代表として、初期状態（電界無印加状態）のＸＲＤパターンのピーク分離結果を図６に示しておく。電界印加強度と各回折ピークの積分強度との関係を図７に示す。

図５及び図７に示す結果から、初期状態（電界無印加状態）では、Ｔ（ｃ）、Ｒ、及びＴ（ａ）は概ね同じような比率で存在しているが、５０ｋＶ／ｃｍの低電界印加では、正方晶相Ｔ（ｃ）及びＴ（ａ）が減少して菱面体晶相Ｒが主となり、１００ｋＶ／ｃｍの高電界印加では、菱面体晶相Ｒが減少して（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）が主となることが明らかとなった。なお、電界印加しても全積分強度は殆ど変化していないことから、上記３相以外の相への変化は起こっていないと言える。これらの結果から、（１００）配向の正方晶相Ｔ（ａ）→菱面体晶相Ｒ→（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）という２回の相転移が起こっていることが明らかとなった。

図８に、相転移の様子を模式的に示す。図８は、結晶格子の形と自発分極軸とを模式的に示す図である。この図には、初期状態（電界無印加状態）では、自発分極軸が電界印加方向に対して垂直な正方晶相Ｔ（ａ）が、電界印加によって、自発分極軸が電界印加方向に対して斜めの菱面体晶相Ｒを経て、自発分極軸が電界印加方向に対して平行な正方晶相Ｔ（ｃ）に相転移する様子が示されている。

また、図５に示したＸＲＤパターンでは、電界印加後の正方晶相Ｔ（ｃ）の回折ピークは初期状態の同ピークよりも若干小角側にシフトしている。これは、正方晶相Ｔ（ｃ）の電界印加方向への伸張によるものと考えられる。

＜分極−電界特性、圧電性能＞
本実施例の圧電体膜の最大印加電界Ｅｍａｘを変化させたときのユニポーラ分極−電界曲線を図９に示す。
最大印加電界Ｅｍａｘ＝１９５ｋＶ／ｃｍのユニポーラ分極−電界曲線には、１回目の相転移が開始する電界印加強度Ｅ１と２回目の相転移が開始する電界印加強度Ｅ２とにおいて、分極−電界曲線の傾きが大きく変化する変曲点が見られた。１回目の相転移が開始する電界印加強度Ｅ１＝２０ｋＶ／ｃｍ、２回目の相転移が開始する電界印加強度Ｅ２＝６０ｋＶ／ｃｍであった。
誘電率ε＝１３３０、残留分極値Ｐｒ＝１１μＣ／ｃｍ^２、正電界側の抗電界Ｅｃ＝３５ｋＶ／ｃｍであった。また、最小電界印加強度Ｅｍｉｎ＝０ｋＶ／ｃｍ〜最大電界印加強度Ｅｍａｘ＝１００ｋＶ／ｃｍにおける圧電定数ｄ_３１＝２７０ｐｍ／Ｖであった。

本実施例の圧電体膜では、５０ｋＶ／ｃｍの低電界印加でも相転移が起こっており、かつトータルで２回の相転移が起こっている。本実施例の圧電体膜では、これら相転移による圧電歪、エンジニアードドメイン効果による圧電歪、及び正方晶相Ｔ（ｃ）の電界印加方向への伸張による圧電歪等によって、高圧電定数が得られる結果となった。

（比較例１）
圧電体膜の組成を下記のように変更した以外は実施例１と同様にして、比較用の圧電素子を得た。
圧電体膜の組成：Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）モル比＝０．５４、Ｂサイト中のＮｂドープ量＝１３モル％。

実施例１と同様に、シンクロトロンＸＲＤ測定を実施した。ＸＲＤパターンを図１０に示す。初期状態（電界無印加状態）のＸＲＤパターンには、２θ＝３２．３°にのみ回折ピークが観測された。図１２に示したＰＺＴの相図から、この回折ピークは（１００）配向の菱面体晶相Ｒに由来するものと推察された。１００ｋＶ／ｃｍの電界を印加してもＸＲＤパターンの変化はなく、相転移は起こらなかった。
最小電界印加強度Ｅｍｉｎ＝０ｋＶ／ｃｍ〜最大電界印加強度Ｅｍａｘ＝１００ｋＶ／ｃｍにおける圧電定数ｄ_３１を求めたところ、１４０ｐｍ／Ｖであった。

（比較例２）
圧電体膜の組成を下記のように変更した以外は実施例１と同様にして、比較用の圧電素子を得た。
圧電体膜の組成：Ｚｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）モル比＝０．４５、Ｂサイト中のＮｂドープ量＝１３モル％。

実施例１と同様に、シンクロトロンＸＲＤ測定を実施した。ＸＲＤパターンを図１１に示す。初期状態（電界無印加状態）のＸＲＤパターンには、２θ＝３２．０°、３２．７°において回折ピークが観測された。図１２に示したＰＺＴの相図から、これら回折ピークは小角側からそれぞれ、（００１）配向（ｃ軸配向）の正方晶相Ｔ（ｃ）、（１００）配向（ａ軸配向）の正方晶相Ｔ（ａ）に由来するものと推察された。すなわち、本実施例の圧電体膜はこれら２つの結晶相が混在した状態にあると推定された。５０ｋＶ／ｃｍの電界を印加してもＸＲＤパターンの変化はなく、相転移は起こらなかった。１００ｋＶ／ｃｍの電界印加では、（１００）配向の菱面体晶相Ｒの回折ピークが小さいながらも観測され（２θ＝３２．４°）、僅かではあるが（１００）配向の正方晶相Ｔ（ａ）の一部の菱面体晶相Ｒへの相転移が見られた。
最小電界印加強度Ｅｍｉｎ＝０ｋＶ／ｃｍ〜最大電界印加強度Ｅｍａｘ＝１００ｋＶ／ｃｍにおける圧電定数ｄ_３１を求めたところ、１８０ｐｍ／Ｖであった。

本発明の圧電体は、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 本発明の圧電体の電界−歪特性の一例を示す図 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３のインクジェット式記録装置の部分上面図 実施例１の圧電体膜のシンクロトロンＸＲＤ測定結果を示す図 実施例１の圧電体膜の初期状態のＸＲＤパターンのピーク分離結果を示す図 実施例１の圧電体膜の電界印加強度と各ＸＲＤピークの積分強度との関係を示す図 実施例１の圧電体膜の相転移の様子を模式的に示す図 実施例１の圧電体膜のユニポーラ分極−電界曲線 比較例１の圧電体膜のシンクロトロンＸＲＤ測定結果を示す図 比較例２の圧電体膜のシンクロトロンＸＲＤ測定結果を示す図 ＰＺＴの相図に実施例１及び比較例１，２におけるＺｒ／（Ｚｒ＋Ｔｉ）モル比をプロットした図 従来の圧電体の電界−歪特性を示す図

符号の説明

１ 圧電素子
２ 圧電アクチュエータ
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（液体貯留吐出部材）
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 (23)

1. 電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むことを特徴とする圧電体。
2. 前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１としたとき、
   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請求項１に記載の圧電体。
   Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅｍａｘ・・・（１）
3. 前記強誘電体相の２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２としたとき、
   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２に記載の圧電体。
   Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
4. 前記強誘電体相の２回目の相転移が略完全に終了する電界強度をＥ３としたとき、
   最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（３）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３に記載の圧電体。
   Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）
5. エピタキシャル膜、結晶配向膜、又は粒子配向セラミックス焼結体からな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体。
6. 前記強誘電体相は、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有することを特徴とする請求項５に記載の圧電体。
7. 前記強誘電体相は、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときの最後の相転移後の自発分極軸方向に略等しい方向に結晶配向性を有することを特徴とする請求項６に記載の圧電体。
8. 前記強誘電体相は電界無印加時において（１００）配向の正方晶相であり、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、菱面体晶相、（００１）配向の正方晶相に順次相転移する特性を有することを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載の圧電体。
9. 電界無印加状態において、結晶系の異なる複数の強誘電体相を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれかに記載の圧電体。
10. 電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、相転移が起こらない強誘電体相、及び／又は他の結晶系の強誘電体相への相転移が１回のみ起こる強誘電体相を含むことを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の圧電体。
11. 電界無印加状態において、（００１）配向の正方晶相Ｔ（ｃ）、（１００）配向の菱面体晶相Ｒ、及び（１００）配向の正方晶相Ｔ（ａ）を含むことを特徴とする請求項９に記載の圧電体。
12. 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体。
13. 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に記載の圧電体。
    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：酸素元素、
    Ａサイト元素の総モル数及びＢサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ１：３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. Ｎｂドープチタン酸ジルコン酸鉛を含むことを特徴とする請求項１３に記載の圧電体。
15. 前記強誘電体相の１回目及び２回目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１〜１４のいずれかに記載の圧電体。
16. 請求項１〜１５のいずれかに記載の圧電体と、該圧電体に対して電界を印加する電極とを備えたことを特徴とする圧電素子。
17. 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、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものであり、
    前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１としたとき、
    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）
18. 前記強誘電体相の２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２としたとき、
    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）
19. 前記強誘電体相の２回目の相転移が略完全に終了する電界強度をＥ３としたとき、
    最小電界印加強度Ｅｍｉｎ及び最大電界印加強度Ｅｍａｘが下記式（３）を充足する条件で、駆動することを特徴とする請求項１８に記載の圧電素子の駆動方法。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）
20. 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、電界無印加時から電界印加強度を増加させたときに、他の結晶系の強誘電体相への相転移が２回起こる特性を有する強誘電体相を含むものであり、
    前記強誘電体相の１回目の相転移が開始する電界強度をＥ１としたとき、
    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）
21. 前記強誘電体相の２回目の相転移が開始する電界強度をＥ２としたとき、
    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２０に記載の圧電装置。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２＜Ｅｍａｘ・・・（２）
22. 前記強誘電体相の２回目の相転移が略完全に終了する電界強度をＥ３としたとき、
    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（３）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２１に記載の圧電装置。
    Ｅｍｉｎ＜Ｅ１＜Ｅ２≦Ｅ３＜Ｅｍａｘ・・・（３）
23. 請求項２０〜２３のいずれか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。

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