(57)【特許請求の範囲】
【請求項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１対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電体が、下記一般式（Ｐ）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り（不可避不純物を含んでいてもよい）、
（Ｂａ，Ｂｉ，Ａ）（Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍ）Ｏ３・・・（Ｐ）
（式（Ｐ）中、Ｂａ，Ｂｉ，及びＡはＡサイト元素、Ｔｉ，Ｆｅ，及びＭはＢサイト元素。Ａ及びＭは、Ｐｂを除く各々１種又は複数種の金属元素である。）
前記圧電体の圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３と電圧出力定数ｇ３３が下記式（１），（２），及び（４）を満足し、
前記一般式（Ｐ）において、
前記Ａサイト元素ＡがＢａ又はＢｉであり、前記Ｂサイト元素ＭがＭｎ、又はＭｎ及びＮｂであることを特徴とする圧電素子。
１００＜ε３３＜１５００  ・・・（１）、
ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）＞１２√ε３３  ・・・（２）、
８０＜ｇ３３（×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎ）  ・・・（４）
【請求項２】
前記Ａサイト元素において、ＢｉとＢａの合計含量が９５モル％以上である請求項１記載の圧電素子。
【請求項３】
前記Ｂサイト元素において、ＴｉとＦｅの合計含量が９０モル％以上である請求項１又は２いずれか１項記載の圧電素子。
【請求項４】
前記圧電体が、＜１００＞又は＜００１＞1軸配向性を有する多結晶又は単結晶であることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項５】
前記一般式（Ｐ）において、下記式（５）を満足することを特徴とする請求項１〜４いずれか１項に記載の圧電素子。
０．９７≦ＴＦ（Ｐ）≦１．０２・・・（５）
（式中、ＴＦ（Ｐ）は上記一般式（Ｐ）で表される酸化物の許容因子である。）
【請求項６】
前記一般式（Ｐ）において、Ａサイト元素ＡがＢａ及び／又はＢｉである場合、Ｂサイト元素ＭはＴｉ及びＦｅ以外の元素であり、Ｂサイト元素ＭがＴｉ及び／又はＦｅである場合、Ａサイト元素ＡはＢａ及びＢｉ以外の元素であり、下記式（６）を満足するものであることを特徴とする請求項５に記載の圧電素子。
ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）＜ＴＦ（ＡＭＯ３）＜ＴＦ（ＢａＴｉＯ３）・・・（６）
（式中、ＴＦ（Ｐ）は上記一般式（Ｐ）で表される酸化物の許容因子、ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）、ＴＦ（ＡＭＯ３）、及びＴＦ（ＢａＴｉＯ３）はそれぞれ（）内に記載の酸化物の許容因子である。）
【請求項７】
さらに下記式（７）を充足することを特徴とする請求項６に記載の圧電素子。
０．９７≦ＴＦ（ＡＭＯ３）≦１．０２・・・（７）
【請求項８】
前記圧電体が、異なる結晶系を有する複数の成分を有するものであることを特徴とする請求項１〜７いずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項９】
前記圧電体が、厚み1μm以上１００μｍ以下の圧電膜であることを特徴とする請求項１〜８いずれか１項に記載の圧電素子。
【請求項１０】
前記圧電膜が、単結晶基板上に成膜されたものであることを特徴とする請求項９に記載の圧電素子。
【請求項１１】
前記圧電体が、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１〜８いずれか１項記載の圧電素子。
【請求項１２】
請求項１〜１１いずれか１項に記載の圧電素子と、該圧電素子の前記圧電体に電界を印加して前記圧電素子を駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項１３】
前記圧電体の下層に、前記圧電素子を駆動することにより前記圧電体に生じる変位を外部に伝える振動板を備えたことを特徴とする請求項１２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１４】
請求項１２又は１３に記載の圧電アクチュエータと、
該圧電アクチュエータに隣接して設けられた液体吐出部材とを備え、
該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電体に対する前記電界の印加に応じて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とを有することを特徴とする液体吐出装置。
【請求項１５】
前記圧電体の下層に、外部からの力を前記圧電体に伝えて該圧電体を変位させる振動板を備えた請求項１〜１１いずれか１項に記載の圧電素子と、前記変位により該圧電体に生じる電荷を前記電極から外部に取り出す取り出し電極とを備えたことを特徴とする発電装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電素子と、該圧電素子を駆動する駆動ドライバとを備えた圧電アクチュエータ及び液体吐出装置、また、圧電素子を備えた発電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
圧電材料はそれ自身の内的機能（物性）により、電気エネルギーと機械エネルギーの相互変換を行うことができる。圧電材料は、この電気機械相互変換機能と機械的振動体としての優れた特性とにより、周波数フィルター等の周波数制御、電気通信用のエレクトロニクス部品へ幅広く応用されている。また、メカトロニクス分野においては、集積化、微小化技術と併せて、圧電材料の電気機械相互変換機能のセンサやアクチュエータ等への応用が重要視されている。
【０００３】
圧電材料の性能（以下、圧電性能とする。）を示す指標は、一般に、圧電歪定数（圧電ｄ定数）、及び電圧出力定数（圧電ｇ定数）で主に表される。ｄ定数は、単位電界あたりの歪量（発信能）の指標であり、ｄ定数が高いほど、インクジェット式記録ヘッド等に用いられるアクチュエータとしての性能が高くなる。また、ｇ定数は、単位応力あたりの発生電界強度（受信能）の指標であり、ｇ定数が高いほど、センサとしての性能が高くなる。
【０００４】
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通常の電界誘起圧電歪においては、ｄ＝ｋ√ε０√ε・√ｓ、ｇ＝ｄ／ε０εで算出される（ｋは電気機械結合係数、ε０は真空の誘電率、εは比誘電率、ｓは弾性コンプライアンス）。従って、通常の電界誘起圧電歪に関しては、いずれの定数も電気機械結合係数ｋが大きいほど高くなることから、アクチュエータ、センサいずれの分野においても高い電気機械結合係数を有する材料が求められている。
【０００５】
電気機械結合係数を高める試みとして、非特許文献１には、ポリマーの中にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の棒状のバルク体を複数平行に並べて配した複合構造体とすることにより、樹脂の可撓性により機械的拘束を和らげて厚み方向に有効に振動を取り出す超音波センサ用の複合圧電材料が記載されている。しかしながら、非特許文献１のように、複合構造体を作製する方法では、製造プロセスが複雑化する上、ポリマー部分による圧電性能の低下も考えられる。従って、圧電材料自体の電気機械結合係数が高いことが好ましい。
【０００６】
非特許文献２では、Pb(Zn,Nb)O3とPbTiO3（PT）の固溶体（PZN-PT）をバルク単結晶化することにより、高電気機械結合係数化に成功している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】仲前和夫他、高分解能，広帯域複合圧電材料の開発、新素材、SEIテクニカルレビュー、2003年9月、第163号、p. 48-52.
【非特許文献２】松下三芳他、大口径高変換効率圧電単結晶PMT-PT、JFE技法  2005年6月、No.8、p. 43-48.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
一方、ｄ定数とｇ定数の両方が高い材料もまた、超音波センサや発電素子等への応用が期待されている。超音波センサでは、発信能と受信能のバランスのよい圧電材料が好ましく、また、発電素子では、圧電材料のｄ定数とｇ定数との積がその性能の指標となる。しかしながら、上記式に示されるように、ｄ定数は誘電率が大きいほど高い値に、ｇ定数は誘電率が大きいほど低い値となるために、電気機械結合係数と共に誘電率も高い非特許文献２の材料（PZN-PT）では、高いｄ定数は得られるものの、ｇ定数は低い値となってしまう。
【０００９】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、発信能および受信能が共に優れ、圧電アクチュエータ、センサ、更に、超音波センサ、発電素子として好適な圧電素子を提供することを目的とするものである。本発明はまた、上記圧電素子を備えた圧電アクチュエータ、液体吐出装置、及び発電装置を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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１対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電体の圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３とが下記式（１）及び（２）を満足するものである。  
１００＜ε３３＜１５００  ・・・（１）、
ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）＞１２√ε３３  ・・・（２）
ここで、ｄ３３及びε３３の添字表記は、直交する３つの軸１，２，３を規定した時、最初の添字が電界の印加方向、２番目の添字が歪みの方向を示しており、歪みまたは応力を取り出す方向が、電界を加えた方向に対して平行方向である縦振動モードであることを示している。従って、ｄ３３及びε３３は縦振動モードの圧電歪定数及び誘電率を示している。
【００１１】
本発明の圧電素子において、前記圧電体は、一般式ＡＢＯ３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）ことが好ましい（一般式ＡＢＯ３において、ＡはＡサイト元素、ＢはＢサイト元素であり、各々１種又は複数種の金属元素、Ｏは酸素原子。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。）。  
ここで、Ａサイト元素ＡはＢｉを含むものであることが好ましく、また、下記一般式（Ｐ）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）ことが好ましい。かかる構成では、下記式（３）及び（４）を満足する圧電素子とすることができる。
【００１２】
（Ｂａ，Ｂｉ，Ａ）（Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍ）Ｏ３・・・（Ｐ）、
１００＜ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）  ・・・（３）、
８０＜ｇ３３（×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎ）  ・・・（４）
（式（Ｐ）中、Ｂａ，Ｂｉ，及びＡはＡサイト元素、Ｔｉ，Ｆｅ，及びＭはＢサイト元素。Ａ及びＭは、Ｐｂを除く各々１種又は複数種の金属元素である。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。また、式（４）中、ｇ３３は前記圧電体の電圧出力定数（圧電感度定数）である。）
上記一般式（Ｐ）において、下記式（５）を満足することが好ましく、また前記一般式（Ｐ）において、Ａサイト元素ＡがＢａ及び／又はＢｉである場合、Ｂサイト元素ＭはＴｉ及びＦｅ以外の元素であり、Ｂサイト元素ＭがＴｉ及び／又はＦｅである場合、Ａサイト元素ＡはＢａ及びＢｉ以外の元素であり、下記式（５）及び（６）を満足するものであることが好ましく、更に、下記式（７）を満足するものであることがより好ましい。
【００１３】
０．９７≦ＴＦ（Ｐ）≦１．０２・・・（５）
ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）＜ＴＦ（ＡＭＯ３）＜ＴＦ（ＢａＴｉＯ３）・・・（６）
０．９７≦ＴＦ（ＡＭＯ３）≦１．０２・・・（７）
（式中、ＴＦ（Ｐ）は上記一般式（Ｐ）で表される酸化物の許容因子、ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）、ＴＦ（ＡＭＯ３）、及びＴＦ（ＢａＴｉＯ３）はそれぞれ（）内に記載の酸化物の許容因子である。）
また、前記圧電体が、異なる結晶系を有する複数の成分を有するものであることが好ましく、Ｐｂを含まないことをことが好ましい。
【００１４】
本明細書において、「許容因子ＴＦ」は下記式で表されるファクターである。  
ＴＦ＝（ｒＡ＋ｒＯ）／√２（ｒＢ＋ｒＯ）
（式中、ｒＡはＡサイトの平均イオン半径、ｒＢはＢサイトの平均イオン半径、ｒＯは酸素のイオン半径である。）
本明細書において、「イオン半径」は、いわゆるＳｈａｎｎｏｎのイオン半径を意味している（R. D. Shannon, Acta Crystallogr A32，751 (1976)を参照）。「平均イオン半径」は、格子サイト中のイオンのモル分率をＣ、イオン半径をＲとしたときに、ΣＣｉＲｉで表される量である。ただし、１２配位のＢｉのイオン半径に関しては、前記文献に記載が無く、また共有結合性が強いので、「共有結合半径」を用いる。
【００１５】
Ａサイト元素Ａは、Ｓｒであることが好ましい。Ｂサイト元素ＭがＴｉ及びＦｅ以外の元素である場合は、Ａサイト元素Ａは、Ｂｉ又はＢａ，及びＢｉとＢａが固溶したものであってもよい。また、Ａサイト元素ＡがＢａ及びＢｉ以外の元素である場合は、Ｂサイト元素Ｍは、Ｔｉ又はＦｅ，及びＴｉとＦｅが固溶したものであってもよい。
【００１６】
ＢａＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、ＡＭＯ３、及び上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物について、各々理論的に許容因子を求める（ＴＦ（ＢａＴｉＯ３）＝１．０６２、ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）＝０．９８９）。この際、実際には単独でペロブスカイト型酸化物にならないものでも許容因子を理論的に求める。そして、上記規定の関係となるように、上記一般式（Ｐ）の組成を決定することが好ましい。
【００１７】
また、本発明の圧電素子において、前記圧電体が、＜１００＞又は＜００１＞1軸配向性を有する多結晶又は単結晶であることが好ましい。ここで、「１軸配向性を有する」とは、厚み方向に単一の結晶方位を持つ結晶を意味し、結晶の面内方位は特に問うものではない。また、「単結晶」とは、厚み方向及び面内方向に単一の結晶方位を有する結晶を意味する。圧電体が圧電膜である場合、３軸配向性のエピタキシャル膜も単結晶に含むものとする。ここで単一の結晶方位とは、Ｌｏｔｇｅｒｌｉｎｇ法により測定される配向率Ｆが、８０％以上であることと定義する。  
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。
【００１８】
前記圧電体が、基板上に成膜された圧電膜である場合は、厚み1μm以上１００μｍ以下の圧電膜であることが好ましい。この場合、単結晶基板であることがより好ましい。
【００１９】
また、前記圧電体がバルク体である場合は、Ｐｂを含まない粒子配向セラミックス焼結体からなるものであってもよい。
【００２０】
本発明の圧電アクチュエータは、上記本発明の圧電素子と、該圧電素子の前記圧電体に電界を印加して前記圧電素子を駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の液体吐出装置は、上記本発明の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータの前記基板に一体的にまたは別体として設けられた液体吐出部材とを備え、該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、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とを有するものであることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の発電装置は、前記圧電体の下層に、外部からの力を前記圧電体に伝えて該圧電体を変位させる振動板を備えた上記本発明の圧電素子と、前記変位により該圧電体に生じる電荷を前記電極から外部に取り出す取り出し電極とを備えたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の圧電素子は、圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３とが下記式（１）及び（２）を満足する圧電体を備えた構成としている。  
１００＜ε３３＜１５００  ・・・（１）、
ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）＞１２√ε３３  ・・・（２）
背景技術の項において述べたように、これまで高いｄ３３値と高いｇ３３値を両立することは難しいとされていたが、上記構成の本発明により、はじめて、誘電率を高めることなく高いｄ３３値を得ることに成功した。本発明の圧電素子では、従来の圧電体に比して低誘電率にて高いｄ３３値を有する圧電体、つまり、ｄ３３値及び電圧出力定数ｇ３３が共に優れた圧電体を備えているため、発信能および受信能が共に優れた圧電素子となる。従って、本発明によれば、圧電アクチュエータ、センサ、更に、超音波センサ、発電素子として好適な圧電素子を得ることができる。
【００２４】
また、圧電素子は、その消費電力は誘電率が低いほど、圧電定数が高いほど小さくなる。従って、本発明によれば、高性能かつ高効率な圧電素子を提供することができる。
【００２５】
更に、本発明の圧電素子では、Ｐｂを含まないペロブスカイト型酸化物からなる圧電体を備えた構成とすることが可能である。Ｐｂは、その有害性により電気電子機器等においてもできるだけ含まれないことが好ましいとされていることから、かかる構成は、環境負荷の低減の観点からも好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】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２】種々のペロブスカイト型酸化物について、Ａサイト元素のイオン半径と、Ｂサイト元素のイオン半径と、許容因子ＴＦと、結晶系との関係を示す図
【図３】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】図２のインクジェット式記録装置の部分上面図
【図５】（Ａ）は本発明に係る実施形態の発電装置の要部上面図、（Ｂ）は（Ａ）の発電装置のＡ−Ａ’断面図。
【図６】実施例１の圧電体のＸＲＤ結果を示す図
【図７】実施例１の圧電体のTEM像及び電子線回折結果を示す図
【図８】ＡＦＭによる圧電特性の誤差に対するサイドエッチングの効果を示す図（非特許文献３Ｆｉｇ．１より）
【図９】実施例２の圧電体のＸＲＤ結果を示す図
【図１０】実施例の圧電素子及び既存の鉛系、非鉛系材料を用いた圧電素子の誘電率と圧電歪定数との関係を示す図
【図１１】実施例の圧電素子及び既存の鉛系、非鉛系材料を用いた圧電素子の圧電歪定数と電圧出力定数との関係を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２７】
「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。
【００２８】
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。
【００２９】
基板１１としては特に制限されないが、圧電体１３が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。）場合、積層される圧電体１３等の各層と格子整合性が良好で、且つ配向を制御しやすいことから、チタン酸ストロンチウム等のペロブスカイト型単結晶基板であることが好ましい。基板１１としては、その他、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ＳｉＯ２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。
【００３０】
下部電極１２の主成分としては特に制限なく、Ａｕ，Ｐｔ，Ｉｒ，ＩｒＯ２，ＲｕＯ２，ＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３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、基板と同様、積層される各層と格子整合性が良好で、且つ配向を制御しやすいことからペロブスカイト構造を有するＬａＮｉＯ３，及びＳｒＲｕＯ３等金属酸化物電極が好ましい。本実施形態では後記する圧電アクチュエータに振動板１６を備えた構成としているが、下部電極１２に振動板としての機能を兼ね備えさせることもできる。
【００３１】
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。
【００３２】
下部電極１２と上部電極１４の厚みは特に制限なく、電極として圧電体１３に実効的に電界を加えるために必要な導電性を有するための最低の厚みが必要である。その厚みは電極材料の導電率や圧電素子１全体の大きさによって決めることができ、例えば、５０〜５００ｎｍであることが好ましい。また、各電極は多層構造であってもよい。
【００３３】
また、圧電素子１では、圧電体１３の結晶性や配向性を制御するためや、各層の密着性等を良好にするために、各種バッファ層を備えた構成としてもよい。バッファ層としては、基板及び下地の格子定数と８％以下の違いの範囲で一致していることが好ましい。
【００３４】
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１４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駆動手段１５も備えられている。圧電体１３の駆動手段１５による駆動条件は制限されない。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
圧電体１３は、厚み1μm以上１０μｍ以下の圧電膜であることが好ましい。アクチュエータ用途では、かかる膜厚の場合はアクチュエータを駆動させる実効電界を特殊な駆動電源を用いることなく設定することができる。
【００３８】
圧電体１３の配向性は特に制限されないが、特性が良好になることから、＜１００＞又は＜００１＞の1軸配向性を有する多結晶、又は単結晶（エピタキシャル膜を含む）であることが好ましい。
【００３９】
圧電体１３が１軸配向性を有するかどうかは、Ｘ線回折を用いて確認することができる。例えば、＜１００＞単結晶（エピタキシャル膜）である場合は、Ｘ線回折の２θ／θ測定での圧電体に起因するピークは、｛１００｝，｛２００｝等の｛Ｌ００｝面（Ｌは１，２，３・・・ｎ，ｎは整数）のピークのみが検出される。更に、｛１１０｝非対称面の極点測定をした際に、中心から約４５度の傾きを表す同じ半径位置に９０°毎に４回対称のスポット状のパターンが得られる。
【００４０】
また、＜１００＞1軸配向性の圧電体１３において、｛１１０｝非対称面の極点測定をした際に、中心から約４５°の傾きを表す同じ半径位置に８回対称や１２回対称のパターンが得られる結晶や、パターンが楕円状のスポットである結晶もありえる。これらの結晶も本実施形態の結晶の単結晶と１軸配向結晶の中間の対称性を有するものであるため、広義に単結晶及び１軸配向結晶とみなす。また、結晶相については複数の結晶層が混在していても、双晶に起因する結晶が混在する場合や、転移や欠陥等がある場合も、広義に単結晶及び１軸配向結晶とみなす。
【００４１】
上記のように圧電体１３は配向性を有することが好ましいため、後記する圧電体１３の組成制御が可能であり、配向制御が可能な成膜方法であれば、圧電体１３の成膜方法は特に制限されない。かかる膜を成膜可能な成膜方法としては、例えば、スパッタ法、ＭＯＣＶＤ法、ＣＶＤ法、ＭＢＥ法、及びパルスレーザデポジション（ＰＬＤ）法等の気相法；ゾルゲル法、水熱合成法、及び有機金属分解法等の液相法など公知の薄膜形成方法が挙げられる。圧電体１３を良好に配向制御して一軸配向性結晶やエピタキシャル膜とする場合は、上記したように、基板１１及び下部電極１２に圧電体１３と格子整合性が良く配向性の良好なものを用いるが好ましい。例えば、エピタキシャル膜を形成可能な下部電極／基板の好適な組合せとしては、ＳｒＲｕＯ３/ＳｒＴｉＯ３、及びＰｔ／ＭｇＯ、ＳＲＯ／ＭｇＯ／Ｓｉ等が挙げられる。
【００４２】
本実施形態において、圧電体１３は、圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３とが下記式（１）及び（２）を満足する圧電体を備えた構成としている。  
１００＜ε３３＜１５００  ・・・（１）、
ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）＞１２√ε３３  ・・・（２）
【００４３】
圧電歪には、
(i)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通常の電界誘起圧電歪（真性圧電歪（intrinsic））、
(ii)電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非１８０°回転することで生じる圧電歪、
(iii)電界印加強度の増減によって結晶を相転移させ、相転移による体積変化を利用する圧電歪、
(iv)電界印加により相転移する特性を有する材料を用い、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する強誘電体相を含む結晶配向構造とすることで、より大きな歪が得られるエンジニアードドメイン効果を利用する圧電歪（エンジニアードドメイン効果を利用する場合には、相転移が起こる条件で駆動してもよいし、相転移が起こらない範囲で駆動してもよい）などが挙げられる。
【００４４】
上記(i)の圧電歪は真性（intrinsic）圧電歪、(ii)〜(iv)はいずれも外因性（extrinsic）の圧電歪であり、(i)〜(iv)はそれぞれの歪発生の原理に応じた組成や結晶配向構造とすることにより大きな圧電歪が得られる。圧電歪(i)〜(iv)は単独で又は組み合わせて利用することができる。
【００４５】
背景技術の項において述べたように、圧電素子において、ｄ定数は、単位電界あたりの歪量（発信能）の指標であり、また、ｇ定数は、単位応力あたりの発生電界強度（受信能）の指標となる。
【００４６】
一般に、上記(i)の通常の電界誘起圧電歪（intrinsicな圧電歪：真性圧電歪）の縦振動モードの圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３とはｄ３３＝ｋ３３√ｓ√ε０√ε３３の関係にあり、ｇ３３＝ｄ３３／ε０ε３３で算出されることが知られている。つまり、intrinsicな圧電歪において、α＝ｋ３３√ｓ√ε０とした時、ｄ３３は√ε３３に比例し、ｇ３３は反比例することが知られている（ｋ３３は電気機械結合係数、ε０は真空の誘電率（Ｎ／Ｖ２）、ｓは弾性コンプライアンス（ｍ２／Ｎ））。
【００４７】
また、これまで開発されている公知材料、及び本発明者らが発明し開示してきた高いintrinsicな圧電歪が得られる材料は、鉛系（Ｐｂ系）、非鉛系材料共に、√ε３３に対してｄ３３はほぼ比例することが確認されている（後記実施例の図１０を参照）。
【００４８】
しかしながら、本発明者らが上記目的を達成するために材料設計及びその製造方法、配向性等を検討した結果、図１０に示される直線上から大きくはずれる、同じ誘電率ε３３を有しながらｄ３３値がこれまでの材料に比して大きい圧電体、即ち、上記式（１）及び（２）を満足する圧電体１３とすることにより、後記実施例に示されるように、ｄ３３値及びｇ３３が共に優れ、発信能および受信能が共に優れた圧電素子１を得ることに成功した（後記実施例の図１０、図１１参照）。
【００４９】
また、圧電素子の消費電力は比誘電率ε３３が低いほど、圧電定数ｄ３３が高いほど小さくなる。従って、圧電素子１は、高性能かつ高効率な圧電素子となることが可能である。
【００５０】
以下に上記式（１）及び（２）を満足する圧電体１３の材料設計の一例について説明する。  
従来、鉛系のペロブスカイト型酸化物のバルクセラミクスでは、ＭＰＢ組成において、圧電性能と、Ａサイト元素の平均原子量ＭＡとＢサイト元素の平均原子量ＭＢとの差｜ＭＡ−ＭＢ｜とには相関があり、｜ＭＡ−ＭＢ｜が大きいほど電気機械結合係数ｋ３３が大きくなり、圧電性能が優れることが報告されている（東芝レビューVol.59, No. 10, p.41 (2004)）。
【００５１】
一方、ｓ３３値はヤング率の逆数であるため、比較的低いヤング率も材料を選定することによりある程度特性を高めることは可能であるが、ある程度材料によって範囲が固定される値である。従って、比誘電率を高くすることなくｄ３３値を高くするには、ｋ３３値を高くすることが好ましい。
【００５２】
本発明者らは、非鉛系のペロブスカイト型酸化物においても同様の相関があることを見出し、｜ＭＡ−ＭＢ｜が大きくなるように、Ａサイト元素とＢサイト元素とを選択することにより、より優れた圧電性能を得ることができると考え、特開2008-195603において、ＡサイトがＢｉ（原子量２０９．０）を主成分とする３３系ペロブスカイト型酸化物において、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）及びその近傍となるように、組成を設計することにより、高い電気機械結合係数ｋ３３値及び優れた圧電性能を、非鉛系ペロブスカイト型酸化物において達成したことを報告している。ここで、「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。
【００５３】
圧電体１３においても、圧電体１３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）場合は、特開２００８−１９５６０３と同様に、ＭＰＢ組成において｜ＭＡ−ＭＢ｜が大きくなるように、Ａサイト元素とＢサイト元素とを選択することにより、電気機械結合係数ｋ３３を高いものとすることができる。
【００５４】
圧電体１３としては、鉛系、非鉛系の制限はないが、環境負荷の点から非鉛系であることが好ましい。本発明者らは、特開２００８−１９５６０３と同様の手法により、非鉛系において上記式（１）及び（２）を満足する圧電体１３の材料設計を行ったところ、下記一般式（Ｐ）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が圧電体１３として好適であることを見いだし、更に、一般式（Ｐ）において、Ａサイト元素ＡがＢａ及び／又はＢｉである場合、Ｂサイト元素ＭはＴｉ及びＦｅ以外の元素であり、Ｂサイト元素ＭがＴｉ及び／又はＦｅである場合、Ａサイト元素ＡはＢａ及びＢｉ以外の元素であり、下記式（５）及び（６）を満足するものであることがより好ましく、下記式（７）を満足するものであることが更に好ましいことを見いだした。  
（Ｂａ，Ｂｉ，Ａ）（Ｔｉ，Ｆｅ，Ｍ）Ｏ３・・・（Ｐ）
（式（Ｐ）中、Ｂａ，Ｂｉ，及びＡはＡサイト元素、Ｔｉ，Ｆｅ，及びＭはＢサイト元素。Ａ及びＭは、Ｐｂを除く各々１種又は複数種の金属元素である。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。）
０．９７≦ＴＦ（Ｐ）≦１．０２・・・（５）、
ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）＜ＴＦ（ＡＭＯ３）＜ＴＦ（ＢａＴｉＯ３）・・・（６）、
０．９７≦ＴＦ（ＡＭＯ３）≦１．０２・・・（７）
（式中、ＴＦ（Ｐ）は上記一般式（Ｐ）で表される酸化物の許容因子、ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）、ＴＦ（ＡＭＯ３）、及びＴＦ（ＢａＴｉＯ３）はそれぞれ（）内に記載の酸化物の許容因子である。）
【００５５】
上記材料設計において、本発明者らは、ＢａＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、ＡＭＯ３、及び上記一般式（Ｐ）で表されるペロブスカイト型酸化物について、各々理論的に許容因子を求める（ＴＦ（ＢａＴｉＯ３）＝１．０５９、ＴＦ（ＢｉＦｅＯ３）＝０．９８９）。この際、実際には単独でペロブスカイト型酸化物にならないものでも許容因子を理論的に求める。そして、上記規定の関係となるように、上記一般式（Ｐ）の組成を決定している。
【００５６】
図２は、１個又は２個の元素によりＡサイトが構成され、１個又は２個の元素によりＢサイト元素が構成された種々のペロブスカイト型酸化物について、Ａサイト元素の平均イオン半径と、Ｂサイト元素の平均イオン半径と、許容因子ＴＦと、結晶系との関係を示す図である。図中、結晶系を示す符号は各々、Ｃ：立方晶（cubic crystal）、Ｍ：単斜晶（monoclinic crystal）、ＰＣ：疑立方晶（pseudocubic crystal）、Ｒ：菱面体晶（rhombohedral crystal）、Ｔ：正方晶（tetragonal crystal）、Ｔｒ：三方晶（trigonal crystal）である。図２中にＭｎが２つ記載されているが、０．６４Åは３価のＭｎのイオン半径であり、０．６７Åは２価のＭｎのイオン半径である。
【００５７】
ＴＦ＝１．０のとき、ペロブスカイト構造の結晶格子は最密充填となる。この条件では、Ｂサイト元素は結晶格子内でほとんど動かず安定した構造を取りやすい。この組成では、立方晶又は疑立方晶などの結晶構造を取りやすく、強誘電性を示さない、あるいは強誘電性を示してもそのレベルは極めて小さい。
【００５８】
ＴＦ＞１．０のとき、Ａサイト元素に対してＢサイト元素が小さい。この条件では、結晶格子が歪まなくてもＢサイト元素は結晶格子内に入りやすく、かつＢサイト元素は結晶格子内で動きやすい。この組成では、正方晶（自発分極軸＜００１＞方向）などの結晶構造を取りやすく、強誘電性を有する。ＴＦの値が１．０から離れる程、強誘電性は高くなる傾向がある。
【００５９】
ＴＦ＜１．０のとき、Ａサイト元素に対してＢサイト元素が大きい。この条件では、結晶格子が歪まなければＢサイト元素が結晶格子内に入らない。この組成では、斜方晶（自発分極軸＜１１０＞方向）又は菱面体晶（自発分極軸＜１１１＞方向）などの結晶構造を取りやすく、強誘電性を有する。ＴＦの値が１．０から離れる程、強誘電性は高くなる傾向がある。
【００６０】
表１は、ＴＦ＞１．０の第１成分とＴＦ＜１．０の第２成分との既存の種々の混晶について、各成分単独の結晶系／Ａサイトイオン半径／Ｂサイトイオン半径／ＴＦ、モルフォトロピック相境界（ＭＰＢ）となる第１成分と第２成分との割合（モル比）、及びＭＰＢ組成の第１成分と第２成分との混晶のＡサイト平均イオン半径／Ｂサイト平均イオン半径／ＴＦをまとめたものである。表１中、結晶系を示す符号は各々、Ｔ：正方晶（tetragonal crystal）、Ｏ：斜方晶（orthorhombic crystal）、Ｒ：菱面体晶（rhombohedral crystal）である。
【００６１】
表１から分かるように、ＭＰＢ組成のＴＦは０．９７〜１．０２に収まっている。従って、０．９７≦ＴＦ（Ｐ）≦１．０２・・・（５）を満足する組成とすることにより、圧電体１３は、ＭＰＢ又はその近傍の組成を有するものとすることができる。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
一般式（Ｐ）であらわされるペロブスカイト型酸化物では、ＴＦ＞１．０の第１成分ＢａＴｉＯ３（ＴＦ＝１．０５９）と、ＴＦ＜１．０の第２成分ＢｉＦｅＯ３（ＴＦ＝０．９８９）を含んでおり、ＭＰＢを構成することができる。従って、一般式（Ｐ）において、全体のＴＦが０．９７〜１．０２となるように、添加元素Ａ，Ｍを選定することで、上記式（５）〜（６）、好ましくは上記式（５）〜（７）を満足するペロブスカイト型酸化物を設計することができる。
【００６４】
具体的には、Ａサイト元素Ａとしては、Ｌａ，Ｃａ，Ｓｂ，Ｂｉ，Ｓｉ，Ｓｒ等が、挙げられ、非鉛系ではなくなるが、Ｐｂも選択することができる。また、Ｂサイト元素Ｂとしては、Ｎｄ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｃｒ，Ｆｅ，Ｓｃ等が挙げられる。
【００６５】
例えば、第三成分にＳｒＴｉＯ３を選択した場合、ＳｒＴｉＯ３はＴＦ＝１．００２でほぼ１．０（０．９７〜１．０１の範囲内）にあるので、ＢａＴｉＯ３とＢｉＦｅＯ３とにＳｒＴｉＯ３を添加することで、添加後の全体のＴＦを０．９７〜１．０１とすることができる。このときの組成は（Ｂａ，Ｂｉ，Ｓｒ）（Ｔｉ，Ｆｅ）Ｏ３である。
【００６６】
また、上記式（５）中のＡＭＯ３においてＡ又はＭが複数元素からなる場合は、各元素の混合量は(５)式を満たす範囲で任意である。その場合、Ａ及びＭの一部がドーパントとして機能してもよい。
【００６７】
Ａサイト及びＢサイトにドーパントを添加することにより、電気特性が良好になることが知られている。ドーパントとして好ましい元素としては、Ｍｇ，Ｃａ，Ｓｒ，Ｂａ，Ｂｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｗ，Ｍｎ，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））等の金属イオンが挙げられる。
【００６８】
また、ＢｉＦｅＯ３はキュリー温度の高い材料として知られている。従って、一般式（Ｐ）において、ＢｉＦｅＯ３の組成が多くなればなるほど、圧電体１３のキュリー温度の高くなる。従って、高温雰囲気下での使用の可能性も高くなる。
【００６９】
上記ペロブスカイト型酸化物の相構造は、ＢａＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、及びＡＭＯ３の３成分が共存した３相混晶構造になる場合もあるし、ＢａＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、及びＡＭＯ３が完全固溶して１つの相になる場合もあるし、その他の構造もあり得る。
【００７０】
ただし、一般式（Ｐ）で示されるペロブスカイト型酸化物は、ＴＦ＞１．０の第１成分ＢａＴｉＯ３と、ＴＦ＜１．０の第２成分ＢｉＦｅＯ３と、ＴＦが１．０に近い第３成分ＡＭＯ３とを含むことが好ましい（各成分において、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。）。
【００７１】
また、第１成分ＢａＴｉＯ３と第２成分ＢｉＦｅＯ３と第３成分ＡＭＯ３とは結晶系が異なっていることが特に好ましい。例えば、第１成分ＢａＴｉＯ３の結晶系は、正方晶系であり、第２成分ＢｉＦｅＯ３の結晶系は、菱面体晶であり、第３成分ＡＭＯ３の結晶系が立方晶系又は疑立方晶系である態様が挙げられる。圧電体１３が、上記第１〜第３成分（ＢａＴｉＯ３、ＢｉＦｅＯ３、ＡＭＯ３）の３相混晶構造であるペロブスカイト型酸化物は、発明者が特開2007-116091号にて提案している電界誘起相転移の系に有効な材料であり、高い圧電性能が得られることを見出している。
【００７２】
本実施形態の圧電素子１において、上記材料設計の圧電体１３とすることにより、下記式（３）及び式（４）を満足する、定数及び定数が両方高い圧電素子とすることができる。  
１００＜ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）  ・・・（３）
８０＜ｇ３３（×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎ）  ・・・（４）
（式中、ｇ３３は前記圧電体の電圧出力定数（圧電感度定数）である。）
【００７３】
後記実施例の図１０に示されるように、圧電素子１において、約２００ｐｍ／Ｖのｄ３３値を達成している。このｄ３３値は、非鉛系では本願出願時までに報告された中で世界最高レベルである。圧電体１３を上記材料設計に基づいて設計された上記ペロブスカイト型酸化物とすることで、ＭＰＢ又はその近傍の組成を有し、且つ電気機械結合係数が高く、圧電性能の高い圧電素子１とすることができる。
【００７４】
以上、圧電体１３について、非鉛系で特に好ましい材料について説明したが、圧電体１３としてはこれらの材料に限られるものではない。上記したペロブスカイト型酸化物の組成を設計する方法は、上記材料に限らず、また鉛系、非鉛系に限らず適用することができる。より良好な圧電特性を有することから、ＭＰＢ組成を有するものであることが好ましいが、電気機械結合係数ｋ３３を良好に高めることにより、ＭＰＢ組成以外であっても圧電体１３を形成することができる。また、既に述べた(i)〜(iv)の圧電歪みを好適に組み合わせることにより、更に高特性化をすることが可能である。
【００７５】
「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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
「発電装置」
図面を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子、及びこれを備えた発電装置の構造について説明する。図５（Ａ）は発電装置の上面図、図５（Ｂ）は要部断面図（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。
【００８９】
図５（Ｂ）に示す発電装置４は、圧電素子１の裏面に外部からの力を圧電体１３に伝えて該圧電体を変位させる振動板１６を備え、変位により圧電体１３に生じる電荷を電極（下部電極１２、上部電極１４）から外部に取り出す取り出し電極４０（４１，４２）を備えた構成としている。本実施形態において圧電素子１は片持ち梁態様に支持された構成としており（図５（Ａ））、支持されている端部は外部からの力を発生させる発生源（図示略）に接続されている。発電装置４の表面（上面）は、取り出し電極４０の表面を除きＳｉＯ２等の絶縁性の保護膜４３で覆われている。片持ち梁態様は、外力が加わった際に圧電体１３が大きく変位しやすいため好ましい。
【００９０】
外力が加わって圧電体１３が変位すると、圧電素子１には引っ張り応力と圧縮応力が発生する。圧電体１３は振動板１６に固着されていることから、固着面が伸び縮みできずに圧電体１３には上記応力が加わることになり、その結果下部電極１２及び上部電極１４には電荷が生じる。
【００９１】
振動板１６としては、良好な弾性を有しているものであれば特に制限されず、樹脂、金属、セラミックス等様々な材料を用いることができ、ステンレス鋼やリン青銅などの耐腐食性が良く弾性の大きいものが特に好ましい。
【００９２】
取り出し電極４０としては特に制限されないが、導電性の良好なＡｕ等の金属電極であることが好ましい。
【００９３】
発電装置４は、例えば、基板１１としてＳＯＩ基板を用いる場合、基板１１上に下部電極１２，圧電体１３、上部電極を順次形成した後、上記インクジェット式記録ヘッド３と同様に、基板１１の裏面側から、基板の一部をエッチングにより加工して振動板１６を備えた片持ち梁態様を形成し、次いで、保護膜４３、取り出し電極４０を形成し、最後にドライエッチングにより加工して製造することができる。
【００９４】
圧電素子１は、上記インクジェット式記録ヘッドの圧電素子１と同様の構成としているが、アクチュエータ用途においてはｄ定数がその性能の指標となるが、発電装置としての用途においては、背景技術の項において記載したように、発電効率はｄ×ｇがその指標となることから、ｄ定数だけでなくｇ定数も高いことが必要となる。
【００９５】
上記インクジェット式記録ヘッド３の実施形態においては、ｄ定数についてのみ説明をしたが、上記したように、上記実施形態の圧電素子１は、低誘電率且つ高い電気機械結合係数ｋ３３を有する圧電体１３を備えた構成としている。従って、上記実施形態で説明した圧電素子１は、ｄ定数及びｇ定数が両方高い素子である。
【００９６】
例えば、後記実施例では、図１０、図１１に示されるように低い誘電率において高いｄ３３値、ｇ３３値を達成している（ｄ３３≧２００ｐｍ／Ｖ、ｇ３３≧１２０×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎ）。既に述べたように、発電効率は圧電材料のｄ定数とｇ定数との積（ｄ３３×ｇ３３）がその指標となる。実施例では、ｄ３３×ｇ３３≧２４×１０−１２（ｍ２／Ｎ）と高いｄ３３×ｇ３３値が得られていることから、本実施形態の発電装置４によれば、高いｄ３３×ｇ３３値を有し、発電効率に優れた発電装置を得ることが可能となる。
【００９７】
圧電素子１は、圧電歪定数ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）と比誘電率ε３３とが下記式（１）及び（２）を満足する圧電体１３を備えた構成としている。  
１００＜ε３３＜１５００  ・・・（１）、
ｄ３３（ｐｍ／Ｖ）＞１２√ε３３  ・・・（２）
圧電素子において、これまで高いｄ３３値と高いｇ３３値を両立することは難しいとされていたが、本実施形態により、はじめて、誘電率を高めることなく高いｄ３３値を得ることに成功した。圧電素子１では、従来の圧電体に比して低誘電率にて高いｄ３３値を有する圧電体、つまり、ｄ３３値及び電圧出力定数ｇ３３が共に優れた圧電体１３を備えているため、発信能および受信能が共に優れた圧電素子１となる。従って、圧電素子１は、圧電アクチュエータ及び発電素子として好適なものである。
【００９８】
また、圧電素子は、その消費電力は誘電率が低いほど、圧電定数が高いほど小さくなる。従って、圧電素子１は、高性能かつ高効率な圧電素子となる。
【００９９】
更に、圧電素子１では、Ｐｂを含まないペロブスカイト型酸化物からなる圧電体１３を備えた構成とすることが可能である。Ｐｂは、その有害性により電気電子機器等においてもできるだけ含まれないことが好ましいとされていることから、かかる構成は、環境負荷の低減の観点からも好ましい。
【０１００】
「設計変更」
上記実施形態では、圧電体１３が、基板上に成膜された圧電膜である場合について説明したが、圧電体１３はバルク体であってもよい。バルク体である場合も単結晶又は粒子配向性セラミクス焼結体であることが好ましい。粒子配向性セラミックス焼結体は、ホットプレス法、シート法、及びシート法で得られる複数のシートを積層プレスする積層プレス法等により、形成できる。
【０１０１】
上記実施形態では、圧電素子１は、インクジェット式記録ヘッドに用いられるアクチュエータ用途及び発電装置で用いられる場合について説明したがこれらの用途に制限されるものではない。圧電素子１は、受信性能及び発信性能共に良好なものであることから、いずれの特性を必要とする場合にでも良好に適用することができる。従って、センサや、超音波センサ等、圧電素子の受信能及び発信能のいずれの特性を要求されるものにおいても高性能なものとなる。
【０１０２】
また、用途に応じて圧電体の厚み等の好適な態様は異なる。例えば、超音波センサ用途では、圧電膜の膜厚は１０〜１００μｍ程度有していることが好ましい。従って、本発明の圧電素子において、適宜大きさや膜厚は用途に応じて設計されることが好ましい。
【実施例】
【０１０３】
本発明に係る実施例及び比較例について説明する。
【０１０４】
（実施例１）
厚み５００μｍの（１００）ＳｒＴｉＯ３（ＳＴＯ）基板を用意し、パルスレーザデポジション法（ＰＬＤ法）にて、その表面に膜厚約２００ｎｍのＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）下部電極を成膜した。その際、ターゲットは市販のＳＲＯターゲットを用い、成膜条件は基板温度７００℃，酸素分圧１０ｍｍＴｏｒｒ（１．３Ｐａ），レーザ強度３００ｍＪ，レーザパルス周波数５Ｈｚ，基板―ターゲット間距離５０ｍｍ，ターゲット回転数９．７ｒｐｍとし、成膜時間は約１０分間とした。
【０１０５】
次いで、基板温度を５８０℃，酸素分圧５０ｍＴｏｒｒとし、ＳＲＯ下部電極上に、同じくＰＬＤ法により膜厚が１２００ｎｍの、組成の異なる２種類の(Ba,Bi)(Ti,Fe,Mn)O3 膜を形成した。組成はそれぞれ、(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3(（１）膜)及び、(Ba0.3,Bi0.7)(Ti0.29,Fe0.66,Mn0.05)O3(（２）膜)とし、これらの組成が得られるようにターゲットを作製して成膜を行った。成膜時に用いたターゲットは、以下の方法により作製したものを使用した。
【０１０６】
まず、市販のＢａＴｉＯ３，ＢｉＦｅＯ３，及びＭｎ２Ｏ３の粉末を用意し、それぞれ所望の組成となるように計量してボールミルと乳鉢とを用いて均一になるまで混合した。ＢｉＦｅＯ３の粉末は、蒸気圧が高いため揮発しやすいＢｉの揮発分を補うために、Ｂｉの組成が１０％過剰に含まれる組成のものを用いた。
【０１０７】
得られた圧電膜についてＸＲＤ及び電子線回折により結晶構造解析を行った。その結果を図６及び７にそれぞれ示す。図７は圧電素子のＴＥＭ像と電子線回折による測定結果を併せて示したものであり、［１００］入射の回折パターンのみが観察されている。従って、図６及び図７より、結晶方位の良くそろった（００１）エピタキシャル膜であることが確認された。なお、図６及び図７は、Ｂａ組成が０．３である（２）膜についての測定結果である。（１）膜についても同様の結果が得られたが、ここでは省略する。
【０１０８】
また、得られたターゲット組成が(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3である圧電膜（１）の誘導結合プラズマ（Inductively Coupled Plasma、略称ＩＣＰ）による組成分析を行ったところ、(Ba0.22,Bi0.78)(Ti0.17,Fe0.79,Mn0.04)O3であり、ターゲットとの組成のずれは５％以下であることが確認された。
【０１０９】
次に、圧電膜の特性評価のために、圧電膜の上に、直径１０μｍと１００μｍ，厚み１００ｎｍのＰｔ上部電極をスパッタ法により形成して、本発明の圧電素子を作製した。評価として誘電率ε３３測定及び圧電定数ｄ３３測定を実施するために、上部電極は２カ所に形成した。
【０１１０】
得られた圧電素子の誘電率ε３３の測定は、１００μｍの電極にて東陽テクニカ社製インピーダンスアナライザを使用し、圧電定数ｄ３３の測定は１０μｍの上部電極を備えた圧電膜をサイドエッチングした後にＡＦＭにより実施した。
【０１１１】
ＡＦＭによるｄ３３の測定は、以下のようにして実施した。  
上部電極の表面に、ＡＦＭのプローブを接触させておき、電圧印加時の伸びをプローブの上下方向の移動量から求める。測定周波数は１ｋＨｚとした。本方法では、測定の精度を上げるため、サイドエッチングを行った。
【０１１２】
ＡＦＭによる圧電特性の測定については、非特許文献３「H. Okino et al, “Electric-Field-Induced displacements in Pt/PZT/Pt/SiO2/Si System Investigated by Finite Element Method: Material-Constant Dependences.”, Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 902E, T03-49.1, 2006.」に、その測定誤差及びサイドエッチングによる高精度測定について記載されている。
【０１１３】
上記文献には、基板／下部電極／圧電体膜／上部電極（ドット状）の順に積層された圧電素子において、膜の形状(サイドエッチングの有無)や上部電極のサイズ(結局は上部電極サイズ/膜の厚み)の違いにより、AFMで得られる値の精度について論じている。文献のＦｉｇ．１（本明細書図８）に示されるように、基板や積層膜に圧電膜が拘束されていることによる制約により、本来の圧電素子の圧電特性よりも小さな特性が検出されるが、拘束されている部分にサイドエッチングを施すことにより（図中×印及びエッチング部）、拘束から解放され圧電体本来の特性が測定できることが示されている。
【０１１４】
作製した２つの組成の圧電素子について誘電率及び圧電特性（ｄ３３値、ｇ３３値）を測定した結果、組成が(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3（（１）膜）では、ε３３＝１１５，ｄ３３＝１８３ｐｍ／Ｖであり、ｇ３３＝１８０×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎであった。
【０１１５】
また、(Ba0.3,Bi0.7)(Ti0.29,Fe0.66,Mn0.05)O3（（２）膜）では、ε３３＝１４０，ｄ３３＝１７１ｐｍ／Ｖであり、ｇ３３＝１３８×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎであった。
【０１１６】
（実施例２）
厚み５００μｍの（１００）Ｓｉ基板を用意し、まず表面の自然酸化膜を除去した後にパルスレーザデポジション法（ＰＬＤ法）にて、その表面に膜厚約２０nmのＭｇＯバッファ層及び膜厚約２００ｎｍのＳｒＲｕＯ３（ＳＲＯ）下部電極を成膜した。その際、ターゲットは市販のＭｇメタルターゲット及びＳＲＯターゲットを用い、成膜条件は基板温度４００℃(ＭｇＯ)、７００℃(ＳＲＯ)，酸素分圧１ｍTorr=0.13Pa（MgO）、１０ｍＴｏｒｒ＝1.3Pa（SRO），レーザ強度３００ｍＪ，レーザパルス周波数５Ｈｚ，基板―ターゲット間距離５０ｍｍ，ターゲット回転数９．７ｒｐｍとし、成膜時間約２分（ＭｇＯ）、約１０分（ＳＲＯ）とした。
【０１１７】
次いで、実施例１と同様にして、ＳＲＯ下部電極上に、ＰＬＤ法により、膜厚が１２００ｎｍの、組成の異なる２種類の(Ba,Bi)(Ti,Fe,Mn)O3 膜を形成した（ （１）’膜及び、（２）’膜）。
【０１１８】
得られた圧電膜の結晶構造解析を行ったところ、（００１）エピタキシャル膜であることが確認された（図９）。
【０１１９】
また、実施例２では、実施例１において組成ズレは殆どないことが確認されたため、ＩＣＰによる組成分析は省略した。
【０１２０】
次に、実施例１と同様にして、本発明の圧電素子を作製し、誘電率及び圧電特性（ｄ３３値、ｇ３３値）を測定した結果、（１）’膜では、ε３３＝２５０，ｄ３３＝２４４ｐｍ／Ｖであり、ｇ３３＝１１０×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎであった。
【０１２１】
また、（２）’膜では、ε３３＝３００，ｄ３３＝２２０ｐｍ／Ｖであり、ｇ３３＝８３×１０−３Ｖ・ｍ／Ｎであった。
【０１２２】
（実施例3）
実施例１と同じ基板、同じ方法にて、組成の異なる２つの膜（膜（３），膜（４））を作製した。組成はそれぞれ、(Ba0.15,Bi0.8,Sr0.05)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3(（３）膜)及び、(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.15,Fe0.75,Nb0.05,Mn0.05)O3(（４）膜 )とした。
【０１２３】
ターゲットはこれまでのものにSrTiO3,BaNbO3を加えて作製した。
【０１２４】
（実施例４）
実施例２と同じ基板、同じ方法にて、組成の異なる２つの膜（膜（３）’，膜（４）’）を作製した。組成はそれぞれ、(Ba0.15,Bi0.8,Sr0.05)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3(（３）’膜)及び、(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.15,Fe0.75,Nb0.05,Mn0.05)O3(（４）’膜 )とした。
【０１２５】
（既存値と実施例との比較）
上記実施例の圧電素子と、既存の鉛系、及び非鉛系材料の圧電素子の誘電率と圧電歪定数との関係を図１０に示す。図１０に示されるように、既存の鉛系材料及び非鉛系材料共に誘電率と圧電歪定数はほぼ比例関係になっているが、上記実施例のプロットはその直線から大きくはずれ、低い誘電率側で高いｄ３３値を示していることがわかる。従って、上記実施例の圧電素子は、これまでにない高い電気機械結合係数ｋ３３を有する新規圧電素子であることが確認される。
【０１２６】
また、得られたｇ３３値をｄ３３値に対してプロットした結果を図１１に示す。図１１に示されるように、上記実施例の圧電素子は、アクチュエータ等に必要な高い発信能と、センサ等に必要な高い受信能とを兼ね備えた圧電素子であることが確認された。  
表２に図１０及び図１１に示した各実施例のデータを示す。
【表２】
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【産業上の利用可能性】
【０１２７】
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、センサ、超音波センサ及び強誘電メモリ（ＦＲＡＭ）等に好ましく利用できる。
【符号の説明】
【０１２８】
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）
４  発電装置
１２、１４  電極
１３  圧電体
１５  駆動手段
１６  振動板
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）
４０，４１，４２  取り出し電極
１００  インクジェット式記録装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図７】
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