(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層とを備えた圧電素子と、
前記第１電極と前記第２電極とに電圧を印加することによって前記圧電素子を駆動する駆動系とを有する圧電デバイスであって、
前記圧電素子は、前記圧電素子にプールフレンケル電流が発生し始める電圧が、トンネル電流が発生し始める電圧より高く、
前記駆動系は、前記圧電素子に前記プールフレンケル電流が発生し始める電圧よりも低く、前記トンネル電流が発生し始める電圧よりも高い最大電圧を印加して前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電デバイス。
【請求項２】
前記最大電圧とは、一方の電極に印加される電位を基準とした場合の、他方の電極に印加される電位の最大差であることを特徴とする請求項１に記載の圧電デバイス。
【請求項３】
前記圧電素子は酸化ジルコニウムの膜のある振動板を有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の圧電デバイス。
【請求項４】
第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層とを備えた圧電素子に電圧を印加することによって前記圧電素子を駆動する圧電デバイスの駆動方法であって、
前記圧電素子は、前記圧電素子にプールフレンケル電流が発生し始める電圧が、トンネル電流が発生し始める電圧より高く、
前記圧電素子に前記プールフレンケル電流が発生し始める電圧よりも低く、前記トンネル電流が発生し始める電圧よりも高い最大電圧を印加して前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電デバイスの駆動方法。
【請求項５】
前記最大電圧とは、一方の電極に印加される電位を基準とした場合の、他方の電極に印加される電位の最大差であることを特徴とする請求項４に記載の圧電デバイスの駆動方法。
【請求項６】
前記圧電素子は酸化ジルコニウムの膜のある振動板を有することを特徴とする請求項４又は５に記載の圧電デバイスの駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電デバイス及び圧電デバイスの駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
圧電素子は、一般に、電気機械変換特性を有する圧電体層と、圧電体層を挟持する２つの電極とを有している。近年、このような圧電素子を駆動源として用いたデバイス（圧電デバイス）の開発が盛んに行われている。圧電デバイスとしては、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、圧電ＭＥＭＳ素子に代表されるＭＥＭＳ要素、超音波センサー等に代表される超音波測定装置、更には、圧電アクチュエーター装置等がある。
【０００３】
圧電体層は、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３、以下「ＰＺＴ」と称する）やニオブ酸ナトリウムカリウム（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３、以下「ＫＮＮ」と称する）等の圧電材料が用いられている。このような圧電材料の１つであるＰＺＴには、圧電特性を確保するために、過剰に鉛（Ｐｂ）が添加されている。ところが、この過剰Ｐｂによって耐電圧特性が低下することが知られており、ＰＺＴの耐電圧特性を向上させるために、圧電デバイスの駆動方法や圧電素子の構造に工夫を凝らしている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、第１電極に供給される駆動波形が、中間電圧を基準として電圧を上昇又は下降する波形であり、第２電極に中間電圧より高い基準電圧が印加されることにより、圧力発生室とは反対側の共通電極に相対的に高い電圧を印加した状態で個別電極に相対的に低い中間電圧を有する駆動波形を印加する圧電デバイスの駆動方法が開示されている。また、特許文献２には、少なくとも圧電素子を構成する各層のパターン領域が、無機絶縁材料からなる絶縁膜によって覆われることにより、水分（湿気）等の外部環境に起因する圧電体層（圧電素子）の劣化（破壊）を長期に亘って確実に防止する圧電素子の構造が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１５９０８１号公報
【特許文献２】国際公開第２００５／０２８２０７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
一般に、圧電材料は経年劣化により耐電圧特性等が低下することが知られている。しかしながら、特許文献１，２には、圧電材料の耐電圧特性を向上させるための方法が開示されているに過ぎず、経年劣化による耐電圧特性の低下を抑制して耐用年数を延ばすことについては何ら言及されていない。
【０００７】
本発明は、上記実情に鑑みて提案されたものであり、経年劣化による耐電圧特性の低下を抑制し、耐用年数を延ばして長寿命化を図ることが可能な圧電デバイス及び圧電デバイスの駆動方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決する本発明に係る態様は、第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層とを備えた圧電素子と、前記第１電極と前記第２電極とに電圧を印加することによって前記圧電素子を駆動する駆動系とを有する圧電デバイスであって、前記駆動系は、前記圧電素子にトンネル電流又はプールフレンケル電流が発生し始める電圧よりも低い最大電圧で前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電デバイスにある。また、最大電圧とは、一方の電極に印加される電位を基準とした場合の、他方の電極に印加される電位の最大差である。
かかる態様によれば、圧電素子の駆動時におけるトンネル電流又はプールフレンケル電流の発生を抑制することができるので、圧電体層を破壊せずに圧電素子を駆動することができる。
【０００９】
また、上記課題を解決する本発明に係る他の態様は、第１電極と、第２電極と、これらの間に設けられた圧電体層とを備えた圧電素子に電圧を印加することによって前記圧電素子を駆動する圧電デバイスの駆動方法であって、前記圧電素子にトンネル電流又はプールフレンケル電流が発生し始める電圧よりも低い最大電圧を印加して前記圧電素子を駆動することを特徴とする圧電デバイスの駆動方法にある。
かかる他の態様によれば、予め圧電素子にトンネル電流又はプールフレンケル電流が発生し始める電圧より低い最大電圧で圧電素子を駆動させることができるので、圧電体層を破壊させることがない。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】インクジェット式記録装置の概略構成を示す図。
【図２】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。
【図３】インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す平面図。
【図４】インクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す断面図。
【図５】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図６】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図７】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図８】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図９】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図１０】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図１１】インクジェット式記録ヘッドの製造例を説明する図。
【図１２】インクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図。
【図１３】インクジェット式記録装置の駆動信号（駆動波形）例を示す図。
【図１４】インクジェット式記録装置の駆動信号（駆動波形）例を示す図。
【図１５】実施例及び比較例の圧電素子の概略構成を示す断面図。
【図１６】実施例及び比較例の圧電素子のＤＣ通電試験の結果を示す図。
【図１７】実施例及び比較例の圧電素子のＩ−Ｖ特性を測定した結果を示す図。
【図１８】Ｉ−Ｖ特性のデータに基づくＦＮプロットの結果を示す図。
【図１９】Ｉ−Ｖ特性のデータに基づくＰＦプロットの結果を示す図。
【図２０】ＦＮ電流モード及びＰＦ電流モードにおける開始電圧を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下の説明は、本発明の一態様を示すものであって、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で任意に変更可能である。なお、各図において同じ符号を付したものは同一の部材を示しており、適宜説明が省略されている。また、図２〜図１１において、Ｘ，Ｙ及びＺは、互いに直交する３つの空間軸を表している。本明細書では、これらの軸に沿った方向をそれぞれ第１の方向Ｘ（Ｘ方向）、第２の方向Ｙ（Ｙ方向）及び第３の方向Ｚ（Ｚ方向）として説明する。Ｘ方向及びＹ方向は、板、層及び膜の面内方向を表し、Ｚ方向は、板、層及び膜の厚み方向又は積層方向を表す。
【００１２】
（第１の実施形態）
まず、液体噴射装置の一例であるインクジェット式記録装置について、図１を参照して説明する。
【００１３】
図１は、インクジェット式記録装置の概略構成を示している。図示するように、インクジェット式記録装置（記録装置Ｉ）において、インクジェット式記録ヘッドユニット（ヘッドユニットＩＩ）が、カートリッジ２Ａ，２Ｂに着脱可能に設けられている。カートリッジ２Ａ，２Ｂは、インク供給手段を構成している。ヘッドユニットＩＩは、詳細は後述する複数のインクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド１）を有しており、キャリッジ３に搭載されている。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。これらのヘッドユニットＩＩやキャリッジ３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可能に構成されている。
【００１４】
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及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、ヘッドユニットＩＩを搭載したキャリッジ３が、キャリッジ軸５に沿って移動されるようになっている。一方、装置本体４には搬送手段としての搬送ローラー８が設けられており、紙等の記録媒体である記録シートＳが搬送ローラー８により搬送されるようになっている。なお、記録シートＳを搬送する搬送手段は、搬送ローラーに限られずベルトやドラム等であってもよい。
【００１５】
記録ヘッド１には、圧電アクチュエーター装置として、詳細は後述するが、本発明の実施形態に係る圧電素子３００が用いられている。圧電素子３００を用いることによって、記録装置Ｉにおける各種特性（耐久性やインク噴射特性等）の低下を回避することができる。
【００１６】
次に、液体噴射装置に搭載され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について、図２〜図４を参照して説明する。
【００１７】
図２は、インクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。図３は、流路形成基板の圧電素子側の平面図（圧電素子側から流路形成基板をみた平面図）であり、図４は、図３のＡ−Ａ′線に準ずる断面図である。
【００１８】
図示するように、流路形成基板１０（以下、「基板１０」と称する）には、圧力発生室１２が形成されている。そして、複数の隔壁１１によって区画された圧力発生室１２が、同じ色のインクを吐出する複数のノズル開口２１が並設される方向（Ｘ方向）に沿って並設されている。なお、基板１０としては、例えば、シリコン単結晶基板、ＳＯＩ基板、ガラスセラミックス、ステンレス鋼等の材料を用いることができる。
【００１９】
基板１０の圧力発生室１２のＹ方向の一端部側には、圧力発生室１２の片側をＸ方向から絞ることで開口面積を小さくしたインク供給路１３と、Ｘ方向において圧力発生室１２と略同じ幅を有する連通路１４とが、複数の隔壁１１によって区画されている。連通路１４の外側（Ｙ方向の圧力発生室１２とは反対側）には、各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００の一部を構成する連通部１５が形成されている。即ち、基板１０には、圧力発生室１２、インク供給路１３、連通路１４及び連通部１５からなる液体流路が形成されている。
【００２０】
基板１０の一方面側（−Ｚ方向側）、即ち、圧力発生室１２等の液体流路が開口する面には、各圧力発生室１２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接合されている。ノズルプレート２０には、Ｘ方向にノズル開口２１が並設されている。なお、ノズルプレート２０としては、例えば、ガラスセラミックス、シリコン単結晶基板、ステンレス鋼等の材料を用いることができる。
【００２１】
基板１０の一方面側に対向する他方面側（＋Ｚ方向側）には、振動板５０が形成されている。振動板５０は、例えば、基板１０上に設けられた弾性膜５１と、弾性膜５１上に設けられた絶縁体膜５２とにより構成することができる。弾性膜５１は、例えば、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなり、絶縁体膜５２は、例えば、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる。
【００２２】
弾性膜５１は、基板１０とは別部材でなくてもよい。基板１０の一部を薄く加工し、これを弾性膜５１として使用することも可能である。絶縁体膜５２は、詳細は後述する圧電体層７０を形成する際に、圧電体層７０の構成元素にカリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）が含まれている場合には、第１電極６０を透過して基板１０に到達するのを防ぐストッパーとしての機能を有する。
【００２３】
絶縁体膜５２上には、第１電極６０と、圧電体層７０と、第２電極８０とが順次積層されて構成される圧電素子３００が形成されている。また、図２〜図４では図示を省略しているが、絶縁体膜５２と第１電極６０との間の密着性を向上させるために、絶縁体膜５２と第１電極６０との間には、密着層５６（図５〜図１１参照）が設けられる。密着層５６は省略しても構わない。なお、圧電素子３００は、第１電極６０、圧電体層７０及び第２電極８０を有する部分だけでなく、少なくとも圧電体層７０を有する部分を含む。
【００２４】
本実施形態では、圧電素子３００と、圧電素子３００の駆動により変位が生じる振動板５０とを合わせてアクチュエーター装置と称する。より詳細には、電気機械変換特性を有する圧電体層７０の変位によって、振動板５０及び第１電極６０が変位する。つまり、アクチュエーター装置では、振動板５０及び第１電極６０が、実質的に振動板として作用するが、これに制限されない。弾性膜５１及び絶縁体膜５２の何れか一方又は両方を設けずに、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。基板１０上に第１電極６０を直接設ける場合には、第１電極６０及びインクが導通しないように、第１電極６０を絶縁性の保護膜等で保護することが好ましい。
【００２５】
このような圧電素子３００では、一般的には、何れか一方の電極が共通化された共通電極とされ、他方の電極が圧力発生室１２毎のパターニングにより個別の電極（以下、「個別電極」という）とされる。詳細は後述するが、本実施形態では、第１電極６０が個別電極とされ、第２電極８０が共通電極とされているが、駆動回路１２０や接続配線１２１の都合でこれらを逆にしても支障はない。なお、本実施形態では、第２電極８０を複数の圧力発生室１２に亘って連続して形成することで、共通電極としている。
【００２６】
圧電素子３００を構成する第１電極６０は、各圧力発生室１２に対向する領域毎に、圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられている。また、第１電極６０は、各圧力発生室１２の長手方向一端部側から周壁上まで延設されている。そして、第１電極６０には、圧力発生室１２の外側の領域で、例えば、金（Ａｕ）等からなるリード電極９０がそれぞれ接続され、このリード電極９０を介して各圧電素子３００に選択的に電圧が印加されるようになっている。即ち、第１電極６０は、上記の通り個別電極となる。一方、圧力発生室１２の長手方向他端部側の第１電極６０の端部は、圧力発生室１２に対向する領域内に位置している。
【００２７】
圧電体層７０は、第１電極６０の幅よりも広い幅で、且つ圧力発生室１２の幅よりも狭い幅で設けられている。圧力発生室１２の長手方向において、圧電体層７０の両端部は、圧力発生室１２の端部の外側まで延設されている。即ち、圧電体層７０は、圧力発生室１２に対向する領域の第１電極６０の上面及び端面を完全に覆うように設けられている。なお、圧力発生室１２の長手方向一端部側の圧電体層７０の端部は、圧力発生室１２の端部近傍に位置しており、その外側の領域には、第１電極６０が更に延設されている。
【００２８】
圧電体層７０は、一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物からなる圧電材料を用いて構成されている。一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物は、Ａサイトには酸素が１２配位しており、Ｂサイトには酸素が６配位して８面体（オクタヘドロン）をつくっている。
【００２９】
本実施形態において、圧電材料として使用可能な複合酸化物としては、例えば、下記式（１）で表されるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）がある。
【００３０】
Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３  ・・・  （１）
【００３１】
ＰＺＴでは、Ａサイトに鉛（Ｐｂ）が位置し、Ｂサイトにジルコニウム（Ｚｒ）及びチタン（Ｔｉ）が位置している。ＰＺＴは、圧電特性が比較的高いため、圧電体層７０の変位の向上を図るのに有利である。
【００３２】
また、圧電材料として使用可能な他の複合酸化物としては、例えば、下記式（２）〜式（４）で表される化合物がある。
【００３３】
（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３  ・・・  （２）
ＢｉＦｅＯ３  ・・・  （３）
（Ｂｉ，Ｂａ）（Ｆｅ，Ｔｉ）Ｏ３  ・・・  （４）
【００３４】
式（２）で表される複合酸化物（いわゆるＫＮＮ系の複合酸化物）では、Ａサイトにカリウム（Ｋ）及びナトリウム（Ｎａ）が位置し、Ｂサイトにニオブ（Ｎｂ）が位置している。式（３）で表される複合酸化物（いわゆるＢＦＯ系の複合酸化物）では、Ａサイトにビスマス（Ｂｉ）が位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）が位置している。式（４）で表される複合酸化物（いわゆるＢＦ−ＢＴ系の複合酸化物）では、Ａサイトにビスマス（Ｂｉ）及びバリウム（Ｂａ）が位置し、Ｂサイトに鉄（Ｆｅ）及びチタン（Ｔｉ）が位置している。
【００３５】
式（２）〜式（４）で表される複合酸化物からなる圧電体層７０は、Ｐｂの含有量を抑えた材料又はＰｂを使用しない材料（いわゆる非鉛系圧電材料）である。このため、主としてＰｂを含む圧電体層７０に比べ、環境負荷を低減することができる。
【００３６】
ただし、本実施形態において使用可能な圧電材料は、本発明の範囲で限定されない。式（１）〜式（４）で表される複合酸化物において、ＡサイトやＢサイトに、他の元素が含まれていてもよい。Ａサイトに含まれ得る元素としては、上記のＰｂ，Ｋ，Ｎａ，Ｂｉ及びＢａのほか、ランタン（Ｌａ）、サマリウム（Ｓｍ）及びセリウム（Ｃｅ）等が挙げられる。Ｂサイトに含まれ得る元素としては、上記のＺｒ，Ｔｉ，Ｎｂ及びＦｅのほか、マンガン（Ｍｎ）、アルミニウム（Ａｌ）及びコバルト（Ｃｏ）等が挙げられる。即ち、本発明の範囲であれば、圧電体層７０には、式（１）〜式（４）で表される複合酸化物以外の材料が含まれていてもよい。
【００３７】
つまり、圧電材料には、元素の一部欠損した組成を有する材料、元素の一部が過剰である組成を有する材料及び元素の一部が他の元素に置換された組成を有する材料も含まれる。また、圧電体層７０の基本的な特性が変わらない限り、欠損や過剰等により化学量論の組成比からずれた材料や、元素の一部が他の元素に置換された材料も、本実施形態の圧電材料に含まれる。
【００３８】
第２電極８０は、複数の圧力発生室１２に対向する領域に連続的に形成され、上記の通り共通電極となる。また、第２電極８０は、圧力発生室１２の長手方向他端部側から周壁上まで延設されている。即ち、第２電極８０は、圧力発生室１２に対向する領域の圧電体層７０の上面及び端面のほぼ全域を覆って設けられている。駆動時には、第１電極６０と第２電極８０が重なる領域の圧電体層７０に電圧が印加される。この領域（駆動部）の上面及び端面が第２電極に覆われていることから、駆動にかかわる圧電体層７０への大気中の水分（湿気）の浸透が防止される。従って、水分に起因する圧電素子３００の破壊を防止することができ、圧電素子３００の耐久性を著しく向上することができる。
【００３９】
なお、第１電極６０や第２電極８０の材料は、導電性を有する材料であれば特に限定されず、例えば、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）等の貴金属が好適に用いられる。
【００４０】
圧電素子３００が設けられた基板１０上、即ち、振動板５０、第１電極６０及びリード電極９０上には、マニホールド１００の少なくとも一部を構成するマニホールド部３２を有する保護基板３０が接着剤３５により接合されている。マニホールド部３２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、上記のように基板１０の連通部１５と連通されて各圧力発生室１２の共通のインク室となるマニホールド１００が構成されている。また、基板１０の連通部１５を圧力発生室１２毎に複数に分割して、マニホールド部３２のみをマニホールド１００としてもよい。更に、例えば、基板１０に圧力発生室１２のみを設け、基板１０及び保護基板３０の間に介在する弾性膜５１及び絶縁体膜５２に、マニホールド１００及び各圧力発生室１２を連通するインク供給路１３を設けるようにしてもよい。
【００４１】
保護基板３０には、圧電素子３００に対向する領域に、圧電素子３００の駆動を阻害しない程度の空間を有する圧電素子保持部３１が設けられている。なお、圧電素子保持部３１は、圧電素子３００の駆動を阻害しない程度の空間を有していればよく、該空間は密封されていても密封されていなくてもよい。保護基板３０上には、信号処理部として機能する駆動回路１２０が固定されている。駆動回路１２０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、プリンターコントローラー２００（図１参照）に接続されている。駆動回路１２０及びリード電極９０は、貫通孔３３を挿通させた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することができる。本実施形態では、このような駆動回路１２０がアクチュエーター装置（圧電素子３００）の制御手段として機能する。
【００４２】
なお、保護基板３０の材料としては、例えば、ガラス、セラミックス材料、金属、樹脂等が挙げられるが、基板１０の熱膨張率と略同一の材料で形成されていることがより好ましく、本実施形態では、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。
【００４３】
また、保護基板３０上には、封止膜４１及び固定板４２からなるコンプライアンス基板４０が接合されている。封止膜４１は、剛性が低い材料からなり、この封止膜４１によってマニホールド部３２の一方面が封止されている。また、固定板４２は、金属等の硬質の材料で構成することができる。この固定板４２のマニホールド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、マニホールド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。
【００４４】
上述した通りの構成を有するインクジェット式記録ヘッド（記録ヘッド１）では、図示しない外部インク供給手段からインクを取り込み、マニホールド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、図示しない駆動ＩＣ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圧電素子３００に電圧を印加し、圧電素子３００を撓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。
【００４５】
次に、インクジェット式記録ヘッドに搭載される圧電素子の製造方法の一例について、インクジェット式記録ヘッドの製造方法とあわせて、図５〜図１１を参照して説明する。
【００４６】
まず、図５に示すように、シリコン基板１１０（基板１０）を準備する。次に、シリコン基板１１０を熱酸化することによって、その表面に二酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５１を形成する。更に、弾性膜５１上にスパッタリング法でジルコニウム膜を形成し、これを熱酸化することによって、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５２を得る。このようにして、弾性膜５１と絶縁体膜５２とからなる振動板５０を形成する。
【００４７】
スパッタリング法でジルコニウム膜を形成する際の成膜条件は、基板温度を好ましくはＲＴ（室温）以上３５０℃以下、更に好ましくは２５０℃以上３５０℃以下とし、圧力を好ましくは０．０２Ｐａ以上１．０Ｐａ以下、更に好ましくは０．５Ｐａ以上０．８Ｐａ以下とする。また、形成されたジルコニウム膜を熱酸化する際の温度は、ジルコニウム膜を熱酸化して酸化ジルコニウムを得ることができれば特に限定されないが、好ましくは７００℃〜９００℃程度、更に好ましくは７００℃〜８００℃程度とする。
【００４８】
上記の成膜条件により成膜したジルコニウム膜を熱酸化して得られた絶縁体膜５２を含んでなる圧電素子３００は、詳細は後述するトンネル電流（ＦＮ：Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ、以下、「ＦＮ電流」という）が発生し始める電圧（以下、「ＦＮ電流開始電圧」という）が、例えば３８Ｖ又はプールフレンケル電流（ＰＦ：Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ、以下、「ＰＦ電流」という）が発生し始める電圧（以下、「ＰＦ電流開始電圧」という）が、例えば４５Ｖとなる。よって、圧電素子３００にＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧より低い最大電圧を印加すれば、トンネル電流又はプールフレンケル電流の発生を抑制することができる。その結果、長期に亘って圧電体層７０を破壊せずに圧電素子３００を駆動することができる。つまり、経年劣化による耐電圧特性の低下を抑制し、圧電デバイスの耐用年数を延ばして長寿命化を図ることが可能となる。なお、詳細は後述するが、最大電圧とは、第１電極６０又は第２電極８０に印加される電圧の最大値である。
【００４９】
次いで、絶縁体膜５２上に、酸化チタン（ＴｉＯｘ）からなる密着層５６を形成する。密着層５６は、スパッタリング法や熱酸化等により形成することができる。ただし、密着層５６は省略が可能である。次に、密着層５６上に、第１電極６０を形成する。第１電極６０は、例えば、スパッタリング法、真空蒸着法（ＰＶＤ法）、レーザーアブレーション法等の気相成膜、スピンコート法等の液相成膜等により形成することができる。
【００５０】
次いで、図６に示すように、密着層５６及び第１電極６０を、同時にパターニングする。密着層５６及び第１電極６０のパターニングは、例えば、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ）、イオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングにより行うことができる。なお、密着層５６及び第１電極６０のパターニングにおける形状は、特に限定されない。
【００５１】
次に、図７に示すように、圧電体層７０を形成する。圧電体層７０の形成方法は限定されない。例えば、金属錯体を含む溶液を塗布乾燥し、更に高温で焼成することで金属酸化物を得るＭＯＤ（Ｍｅｔａｌ−Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｄｅｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎ）法やゾル−ゲル法等の化学溶液法（湿式法）を用いることができる。その他、レーザーアブレーション法、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（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、エアロゾル・デポジション法等、液相法でも固相法でも、圧電体層７０を製造することができる。
【００５２】
湿式法によって形成された圧電体層７０は、前駆体溶液を塗布する工程（塗布工程）から前駆体膜を焼成する工程（焼成工程）までの一連の工程によって形成された圧電体膜７４を複数有する。即ち、圧電体層７０は、塗布工程から焼成工程までの一連の工程を複数回繰り返すことによって形成される。なお、塗布工程から焼成工程までの一連の工程において、塗布工程から脱脂工程までを複数回繰り返した後に、焼成工程を実施してもよい。
【００５３】
圧電体層７０を湿式法で形成する場合の具体的な形成手順の例は、次の通りである。まず、金属錯体を含むＭＯＤ溶液やゾルからなり、圧電体層７０を形成するための前駆体溶液を作成する。そして、この前駆体溶液を、第１電極６０上に、スピンコート法等を用いて塗布して前駆体膜を形成する（塗布工程）。次に、この前駆体膜を所定温度、例えば１３０℃〜２５０℃程度に加熱して一定時間乾燥させ（乾燥工程）、更に乾燥した前駆体膜を所定温度、例えば３００℃〜４５０℃程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）。更に、脱脂した前駆体膜をより高い温度、例えば６５０℃〜８００℃程度に加熱し、この温度で一定時間保持することによって結晶化させ、圧電体膜７４を形成する（焼成工程）。そして、上記の塗布工程、乾燥工程、脱脂工程及び焼成工程を複数回繰り返すことにより、図７に示す複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成する。
【００５４】
なお、上述の前駆体溶液は、焼成により一般式ＡＢＯ３で示されるペロブスカイト構造の複合酸化物を形成し得る金属錯体を、有機溶媒に溶解又は分散させたものである。このとき、ＡサイトやＢサイトに含まれ得る元素以外に、Ｍｎ，Ｍｇ等の添加物を含む金属錯体を更に混合してもよい。
【００５５】
ＡサイトやＢサイトに含まれ得る元素の金属錯体としては、例えば、アルコキシド、有機酸塩、β−ジケトン錯体等を用いることができる。なお、これらの金属錯体の混合割合は、各金属が所望のモル比となるように混合すればよい。
【００５６】
Ｐｂを含む金属錯体としては、例えば、酢酸鉛等を挙げることができる。Ｚｒを含む金属錯体としては、例えば、ジルコニウムアセチルアセトナート、ジルコニウムテトラアセチルアセトナート、ジルコニウムモノアセチルアセトナート、ジルコニウムビスアセチルアセトナート等が挙げられる。Ｔｉを含む金属錯体としては、例えば、チタニウムイソプロポキシド等のチタニウムアルコキシド等が挙げられる。Ｋを含む金属錯体としては、例えば、炭酸カリウム、酢酸カリウム等が挙げられる。Ｎａを含む金属錯体としては、例えば、炭酸ナトリウム、酢酸ナトリウムが挙げられる。Ｎｂを含む金属錯体としては、例えば、ペンタエトキシニオブ等が挙げられる。このとき、２種以上の金属錯体を併用してもよい。例えば、Ｋを含む金属錯体として、炭酸カリウムと酢酸カリウムとを併用してもよい。
【００５７】
金属錯体の溶媒としては、例えば、プロパノール、ブタノール、ペンタノール、ヘキサノール、オクタノール、エチレングリコール、プロピレングリコール、オクタン、デカン、シクロヘキサン、キシレン、トルエン、テトラヒドロフラン、酢酸、オクチル酸、２−ｎブトキシエタノール、ｎ−オクタン等又はこれらの混合溶媒等が挙げられる。前駆体溶液は、Ｐｂ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｋ，Ｎａ，Ｎｂを含む金属錯体の分散を安定化する添加剤を含んでもよい。このような添加剤としては、２−エチルヘキサン酸等が挙げられる。
【００５８】
また、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。
【００５９】
次いで、図８に示すように、複数の圧電体膜７４からなる圧電体層７０をパターニングする。パターニングは、いわゆる、反応性イオンエッチングやイオンミリング等のドライエッチングや、エッチング液を用いたウェットエッチングによって行うことができる。なお、圧電体層７０のパターニングにおける形状は、特に限定されない。その後、圧電体層７０上に第２電極８０を形成する。第２電極８０は、第１電極６０と同様の方法により形成することができる。以上の工程によって、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とを備えた圧電素子３００が完成する。言い換えると、第１電極６０と圧電体層７０と第２電極８０とが重なり合う部分が圧電素子３００となる。
【００６０】
次に、図９に示すように、シリコン基板１１０の圧電素子３００側の面に、図示しない接着剤を介して保護基板用ウェハー１３０（保護基板３０）を接合する。その後、保護基板用ウェハー１３０の表面を削って薄くする。また、保護基板用ウェハー１３０に、マニホールド部３２や図示しない貫通孔３３（図２参照）を形成する。次いで、図１０に示すように、シリコン基板１１０の圧電素子３００とは反対側の面に、マスク膜５３を形成し、これを所定形状にパターニングする。そして、図１１に示すように、マスク膜５３を介して、シリコン基板１１０に対してＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）を実施する。これにより、個々の圧電素子３００に対応する圧力発生室１２の他、図示しないインク供給路１３、連通路１４及び連通部１５（図２参照）を形成する。
【００６１】
次に、シリコン基板１１０及び保護基板用ウェハー１３０の外周縁部の不要部分をダイシング等により切断・除去する。更に、シリコン基板１１０の圧電素子３００とは反対側の面に、ノズルプレート２０を接合する（図２参照）。また、保護基板用ウェハー１３０にコンプライアンス基板４０を接合する（図２参照）。ここまでの工程によって、記録ヘッド１のチップの集合体が完成する。この集合体を個々のチップに分割することによって、記録ヘッド１（図２〜図４参照）が得られる。
【００６２】
次に、インクジェット式記録装置の制御について、図１２を参照して説明する。
【００６３】
図１２は、インクジェット式記録装置の制御構成例を示すブロック図である。図示するように、インクジェット式記録装置（記録装置Ｉ）は、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、記録ヘッド１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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
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、制御部５１６は、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。更に、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（不図示）等と共に駆動手段を構成する。また、記録ヘッド１を駆動する記録装置Ｉ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。
【００６８】
そして、記録ヘッド１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を通じて記録ヘッド１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。
【００６９】
プリントエンジン５１２は、記録ヘッド１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、紙送りモーターやプラテン等から構成してあり、記録シートＳ等の印刷記憶媒体を記録ヘッド１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。
【００７０】
キャリッジ機構５２５は、記録ヘッド１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記録ヘッド１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やタイミングベルト７等で構成されている。
【００７１】
記録ヘッド１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、このような記録ヘッド１の圧電素子３００には、外部配線（不図示）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（不図示）とが圧電素子３００に所定の駆動信号を印加する駆動手段（駆動系）となる。
【００７２】
なお、これらのシフトレジスター５３１（以下、「ＳＲ５３１」という）、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、記録ヘッド１のノズル開口２１毎に設けられており、これらのＳＲ５３１、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。
【００７３】
このような記録ヘッド１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ＳＲ５３１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。
【００７４】
そして、当該ビットの記録データの全ノズル分が各ＳＲ５３１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、ＳＲ５３１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。
【００７５】
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、例示した記録ヘッド１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。
【００７６】
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が電圧の印加に伴い電圧と垂直方向（圧電素子保持部３１方向）に縮むことで、圧電素子３００及び振動板５０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が圧電素子保持部３１方向に伸びることで、圧電素子３００及び振動板５０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。このような記録ヘッド１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。
【００７７】
次に、インクジェット式記録装置に搭載されるインクジェット式記録ヘッドの圧電素子に入力される駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形について、図１３，１４を用いて説明する。
【００７８】
図１３は、インクジェット式記録装置の駆動信号を表す駆動波形の一例である。図１３に示すように、駆動波形は、最小電圧Ｖｌと最大電圧Ｖｈとの間で変化する。共通電極（本実施形態の場合は第２電極８０）には、基準電圧Ｖ０が印加される。例えば、基準電圧Ｖ０を５Ｖとした場合、共通電極は、５Ｖの基準電位に保たれる。個別電極（本実施形態の場合は第１電極６０）には、中間電圧Ｖｍ、最小電圧Ｖｌ、最大電圧Ｖｈ、中間電圧Ｖｍよりも低く基準電圧Ｖ０よりも高いバッファー電圧Ｖｂの４種類が印加される。図１３には、各電圧の値の一例が示されている。最小電圧Ｖｌは２．５Ｖ、基準電圧Ｖ０は５Ｖ、バッファー電圧Ｖｂは７．５Ｖ、中間電圧Ｖｍは１３Ｖ、最大電圧Ｖｈは３５Ｖである。これらの値は、いずれもＧＮＤ（Ｖｇ）の電位０Ｖを基準としている。共通電極を基準電位に保ちつつ、個別電極に印加する電圧を変化させることで、図１３に示すような駆動波形によって、圧電素子３００を駆動することが可能となる。
【００７９】
図１３の駆動波形は、次のような工程Ｐ０〜Ｐ７を含む。工程Ｐ０は、圧電素子３００の駆動を待機させている状態（待機状態）である。このとき、個別電極には中間電圧Ｖｍが印加される。第１の電圧変化工程Ｐ１は、圧力発生室１２を膨張させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、中間電圧Ｖｍから最小電圧Ｖｌに変化する。第１のホールド工程Ｐ２は、第１の電圧変化工程Ｐ１による電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫く最小電圧Ｖｌのまま保持される。第２の電圧変化工程Ｐ３は、圧力発生室１２を収縮させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、最小電圧Ｖｌから最大電圧Ｖｈに変化する。第２のホールド工程Ｐ４は、第２の電圧変化工程Ｐ３による電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫く最大電圧Ｖｈのまま保持される。第３の電圧変化工程Ｐ５は、圧力発生室１２を膨張させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、最大電圧Ｖｈからバッファー電圧Ｖｂに変化する。第３のホールド工程Ｐ６は、第３の電圧変化工程Ｐ５による電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫くバッファー電圧Ｖｂのまま保持される。第４の電圧変化工程Ｐ７は、圧電素子３００を再び待機状態に戻すための工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、バッファー電圧Ｖｂから中間電圧Ｖｍに変化する。
【００８０】
図１３に示した駆動波形において、最大電圧Ｖｈは３５Ｖである。第１電極６０及び第２電極８０に印加される各電圧Ｖｌ、Ｖ０、Ｖｂ、Ｖｍ、Ｖｈは、最大電圧３５Ｖ以下である。圧電素子３００を最大電圧以下で駆動する、とは、このように、圧電素子３００が、最大電圧Ｖｈ以下で変化する駆動波形によって駆動されること、言い換えると、第１電極６０及び第２電極８０に最大電圧Ｖｈ以下の電圧を印加して圧電素子３００を駆動することを意味するものとする。なお、電圧の値は、ＧＮＤの電位０Ｖを基準とする。
【００８１】
一方、図１４は、インクジェット式記録装置の駆動信号を示す駆動波形の他の一例である。図１４に示した駆動波形は、図１３に示した駆動波形を、基準電圧Ｖ０を中心に反転させたものである。図１４の駆動波形は、最小電圧Ｖｌと最大電圧Ｖｈとの間で変化する。共通電極（本実施形態の場合は第２電極８０）には、基準電圧Ｖ０が印加される。例えば、基準電圧Ｖ０を３２．５Ｖとした場合、共通電極は、３２．５Ｖの基準電位に保たれる。個別電極（本実施形態の場合は第１電極６０）には、中間電圧Ｖｍ、最小電圧Ｖｌ、最大電圧Ｖｈ、中間電圧Ｖｍよりも高く基準電圧Ｖ０よりも低いバッファー電圧Ｖｂの４種類が印加される。図１４には、各電圧の値の一例が示されている。最小電圧Ｖｌは２．５Ｖ、基準電圧Ｖ０は３２．５Ｖ、バッファー電圧Ｖｂは３０Ｖ、中間電圧Ｖｍは２４．５Ｖ、最大電圧Ｖｈは３５Ｖである。これらの値は、いずれもＧＮＤ（Ｖｇ）の電位０Ｖを基準としている。共通電極を基準電位に保ちつつ、個別電極に印加する電圧を変化させることで、図１４に示すような駆動波形によって、圧電素子３００を駆動することが可能となる。
【００８２】
図１４の駆動波形は、次のような工程Ｐ０ａ〜Ｐ７ａを含む。工程Ｐ０ａは、圧電素子３００の駆動を待機させている状態（待機状態）である。このとき、個別電極には中間電圧Ｖｍが印加される。第１の電圧変化工程Ｐ１ａは、圧力発生室１２を収縮させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、中間電圧Ｖｍから最大電圧Ｖｈに変化する。第１のホールド工程Ｐ２ａは、第１の電圧変化工程Ｐ１ａによる電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫く最大電圧Ｖｈのまま保持される。第２の電圧変化工程Ｐ３ａは、圧力発生室１２を膨張させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、最大電圧Ｖｈから最小電圧Ｖｌに変化する。第２のホールド工程Ｐ４ａは、第２の電圧変化工程Ｐ３ａによる電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫く最小電圧Ｖｌのまま保持される。第３の電圧変化工程Ｐ５ａは、圧力発生室１２を収縮させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、最小電圧Ｖｌからバッファー電圧Ｖｂに変化する。第３のホールド工程Ｐ６ａは、第３の電圧変化工程Ｐ５ａによる電圧変化後の状態を暫く保持させる工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、暫くバッファー電圧Ｖｂのまま保持される。第４の電圧変化工程Ｐ７ａは、圧電素子３００を再び待機状態に戻すための工程である。このとき、個別電極に印加される電圧は、バッファー電圧Ｖｂから中間電圧Ｖｍに変化する。
【００８３】
図１４に示した駆動波形において、最大電圧Ｖｈは３５Ｖである。第１電極６０及び第２電極８０に印加される電圧Ｖｌ、Ｖ０、Ｖｂ、Ｖｍ、Ｖｈは、最大電圧３５Ｖ以下である。すなわち、図１４に示した駆動波形によっても、圧電素子３００は最大電圧以下で駆動される。
【００８４】
本実施形態では、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５２を形成する場合において、上述した通り、ジルコニウム膜の成膜条件のうち基板温度及び圧力を規定して、ＦＮ電流開始電圧が例えば３５Ｖ又はＰＦ電流開始電圧が例えば４５Ｖの圧電素子３００を作製する。そのような圧電素子３００を搭載した記録ヘッド１をＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧より低い最大電圧で駆動する場合に、ＦＮ電流又はＰＦ電流の発生を抑制することができる。その結果、圧電体層７０を破壊せずに圧電素子３００を駆動することができる。つまり、経年劣化による耐電圧特性の低下を抑制し、記録ヘッド１の耐用年数を延ばして長寿命化を図ることが可能となる。
【００８５】
このような長寿命の圧電デバイス（記録ヘッド１）を作製する場合には、圧電素子３００の製造後に、ＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧を測定する。測定した何れかの電圧、好ましくは両方の電圧に基づいて、その値より低い最大電圧の駆動波形を選択し、選択した波形で圧電素子３００を駆動するように駆動系を設定する。
【００８６】
ここで、ＦＮ電流とは、電位障害のトンネル（量子力学的トンネル放出）により電極から導電体へ電子が放出される場合において、電極界面に起因して発生する電流である。ＦＮ電流は、圧電素子３００の電圧−電流特性（Ｉ−Ｖ特性）のデータから下記式（５）に基づきプロットして得られる。また、ＰＦ電流とは、電位障壁の飛び越えにより不純物準位から導電体へ電子が放出（プールフレンケル効果）される場合において、主に圧電体層７０の結晶欠陥に起因して発生する電流である。ＰＦ電流は、圧電素子３００の電圧−電流特性（Ｉ−Ｖ特性）のデータから下記式（６）に基づきプロットして得られる。
【００８７】
【数１】
0006597959.tif 000002
【００８８】
つまり、換言すれば、ジルコニウム膜の成膜条件を上述の通り特定しなくとも、ＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧より小さい最大電圧で、圧電素子３００を搭載した記録ヘッド１を駆動すれば、圧電体層７０の破壊を抑制することができる。
【００８９】
本実施形態では、以下に示す手順で圧電素子３００に入力される駆動信号（ＣＯＭ）を表す駆動波形を作製する。まず、圧電素子３００の電圧−電流特性（Ｉ−Ｖ特性）のデータから式（５）又は（６）に基づきプロットした結果より、予めＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧を算出する（算出工程）。次に、算出工程で得られたＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧に基づき、これらの開始電圧よりも低い電圧を適宜決定し、圧電素子３００に入力される駆動波形を作製又は選択する（作製工程又は選択工程）。そして、上述した通り、作製工程又は選択工程で作製された駆動波形を有する駆動信号を駆動信号発生回路５１９から出力し、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（不図示）により、上記駆動信号を圧電素子３００に入力する。
【００９０】
なお、本実施形態では、制御部５１６が、ＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧を算出する算出手段や、圧電素子３００に入力される駆動波形を作製する作製手段として機能するように構成してもよい。あるいは、別の制御部により、駆動信号発生回路５１９を制御するように構成してもよい。また、算出工程及び作製工程又は選択工程は、装置（記録装置Ｉ）の組立工程前に実行してもよい。
【００９１】
従って、記録ヘッド１では、ジルコニウム膜の成膜条件を上述の通り特定した、ＦＮ電流開始電圧が３８Ｖ又はＰＦ電流開始電圧が４５Ｖと高い圧電素子３００を用いた場合には、最大電圧Ｖｈを、例えば３０Ｖ〜４０Ｖ程度として印加すれば、圧電体層７０を破壊せずに圧電素子３００を駆動することができるので、経年劣化による耐電圧特性の低下を抑制し、記録ヘッド１の耐用年数を延ばして長寿命化を図ることが可能となる。
【００９２】
即ち、３８Ｖより高く４５Ｖより低い最大電圧Ｖｈを印加した場合には、ＰＦ電流が流れないので、圧電体層７０を破壊せずに圧電素子３００を駆動することができ、圧電素子３００の長寿命化を図ることができると考えられる。また、３８Ｖより低い最大電圧Ｖｈを印加した場合には、ＦＮ電流及びＰＦ電流が共に流れないので、更に圧電素子３００の長寿命化を図ることができる。なお、ＦＮ電流開始電圧が３８Ｖより更に低い圧電素子３００を用いた場合には、その電圧より低い最大電圧Ｖｈの駆動波形とすればよい。
【実施例】
【００９３】
以下、実施例を示して本発明を更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ない。
【００９４】
＜基板の準備＞
図１５は、サンプル１〜サンプル３としてそれぞれ作製した圧電素子の概略構成を示す図である。図示するように、サンプル１では、シリコン基板１１０を酸化することで、シリコン基板１１０の表面に酸化シリコン（ＳｉＯ２）からなる弾性膜５１を形成した。次に、弾性膜５１上に、基板加熱温度３２２℃及び圧力０．８Ｐａの成膜条件で、ジルコニウム（Ｚｒ）膜をスパッターし、酸化炉にて７５０℃で酸化処理（アニール）を施して、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）からなる絶縁体膜５２を形成し、弾性膜５１と絶縁体膜５２とからなる振動板５０を作製した。その後、絶縁体膜５２上にスパッタリング法によってチタン（Ｔｉ）、白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）の順に膜を形成し、所定の形状にパターニングして第１電極６０を形成し、電極付基板とした。
【００９５】
＜圧電素子の作製＞
サンプル１では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電体層７０を形成するために、所定の金属錯体を含む圧電体層用溶液を別途調製した。この圧電体層用溶液を適量マイクロピペットに取り、スピンコーターにセットした上述の電極付基板に滴下した。スピンコーターで塗布して成膜した後、ホットプレート上でベークし、アモルファス膜を形成した。そして、ランプアニール炉を用いて焼成し、１層目の圧電体膜７４（不図示）とした。同様に、塗布から焼成までの工程を繰り返し、複数層の圧電体膜７４からなる圧電体層７０を形成し、所定の形状にパターニングした。その後、圧電体層７０上にスパッタリング法によってＩｒ膜を形成し、所定の形状にパターニングして第２電極８０を形成し、圧電素子３００とした。
【００９６】
次いで、シリコン基板１１０にマスク膜５３（不図示）を新たに成形し、所定形状にパターニングした。パターニング後のマスク膜５３を介してシリコン基板１１０を、アルカリ溶液（ＫＯＨ）を用いた異方性エッチング（ウェットエッチング）により、圧電素子３００に対応する圧力発生室１２を形成し、サンプル１とした。
【００９７】
サンプル２では、ジルコニウム膜の成膜条件を、基板加熱温度を室温に、圧力を０．５Ｐａにし、アニール条件を８５０℃にして、ＺｒＯ２からなる絶縁体膜５２を形成した以外はサンプル１と同様にして圧電素子３００を作製した。
【００９８】
サンプル３では、ジルコニウム膜の成膜条件を、基板加熱温度を室温に、圧力を０．０２３Ｐａにし、アニール条件を８５０℃にして、ＺｒＯ２からなる絶縁体膜５２を形成した以外はサンプル１と同様にして圧電素子３００を作製した。
【００９９】
サンプル１〜サンプル３におけるＺｒＯ２からなる絶縁体膜５２の成膜条件は、以下の表１に示した通りである。また、表１には、後述する耐電圧特性評価及び電気特性評価の結果も示した。
【０１００】
【表１】
0006597959.tif 000003
【０１０１】
（圧電素子の耐電圧特性評価）
サンプル１〜サンプル３について、印加電圧３５Ｖ及び５３ＶでＤＣ通電試験（Ｄ耐試験）を行った。印加電圧３５ＶのＤＣ通電試験では、表１に示した通り、サンプル２，３では、１００時間で８０％以上の圧電素子３００が破壊されたのに対し、サンプル１では、２７０時間通電しても圧電素子３００が破壊されていなかった。
【０１０２】
一方、印加電圧５３ＶのＤＣ通電試験では、図１６に各圧電素子３００の印加時間に対する累積破壊率を示し、２０％が破壊された時間を表１にまとめた。表１に示した通り、サンプル２，３では、短時間（１３０分、５０分）で圧電素子３００が破壊されたのに対し、サンプル１では、２９００分（４８時間以上）通電した後に圧電素子３００が破壊されていた。
【０１０３】
（圧電素子の電気特性評価）
サンプル１〜サンプル３について、電圧−電流特性（Ｉ−Ｖ特性）評価を行い（５０℃、遅延時間６０秒）、その結果を図１７に示した。また、図１７により得られたデータから、トンネル電流機構（ＦＮ：Ｆｏｗｌｅｒ−Ｎｏｒｄｈｅｉｍ）の下記式（７）及びプールフレンケル電流機構（ＰＦ：Ｐｏｏｌｅ−Ｆｒｅｎｋｅｌ）の下記式（８）に基づいてプロットした結果を図１８，１９にそれぞれ示した。また、図２０に、図１８，１９により得られたデータから算出したＦＮ電流開始電圧及びＰＦ電流開始電圧を示し、表１にまとめた。
【０１０４】
【数２】
0006597959.tif 000004
【０１０５】
図１８，１９に示した通り、サンプル１〜サンプル３では、高電界側で直線領域がみられ、ＦＮ電流及びＰＦ電流が流れていることがわかった。また、表１に示した通り、サンプル２，３では、ＦＮ電流開始電圧及びＰＦ電流開始電圧が低いのに対し、サンプル１では、ＦＮ電流開始電圧及びＰＦ電流開始電圧が高いことがわかった。つまり、図２０に示した通り、サンプル１は、ＦＮ電流開始電圧及びＰＦ電流開始電圧よりも低い３５Ｖの駆動電圧（最大電圧Ｖｈ）で駆動させるので、サンプル１（圧電素子３００）の劣化を抑制することができ、長期に亘って使用することができる。即ち、サンプル１を用いたデバイスは、最大電圧Ｖｈを３５Ｖとした場合に寿命が長いといえる。
【０１０６】
以上の結果より、ＺｒＯ２からなる絶縁体膜５２の成膜条件をサンプル１のように設定すると、得られる圧電素子３００の耐電圧特性を向上させることができると共に、圧電素子３００の寿命を延ばすことができる。
【０１０７】
一方、サンプル２，３は、ＦＮ電流開始電圧及びＰＦ電流開始電圧よりも高い３５Ｖの電圧を最大電圧Ｖｈとした波形で駆動させるので、劣化することが明らかとなった。しかしながら、サンプル２，３を用いたデバイスでは、最大電圧ＶｈがＦＮ電流開始電圧又はＰＦ電流開始電圧よりも低い電圧、例えば２０Ｖ〜２５Ｖ程度とする波形で駆動させれば劣化を抑制できることが示唆され、長期に亘って使用することができると考えられる。
【０１０８】
ただし、図１３，１４に示した駆動波形を、最大電位差が小さくなるように、第２のホールド工程Ｐ４，Ｐ４ａで印加される電位を小さく変更すると、変位効率が低下する可能がある。よって、サンプル２，３を用いたデバイスの場合には、共通電極に印加する電圧を、例えば５Ｖ〜１０Ｖ程度として、これを基準電位（０Ｖ）とし、駆動波形を図１３，１４と同様のものとすると、最大電位差は１５Ｖ〜２０Ｖ程度となり、変位効率を低下させることなく、寿命を向上させることができる。
【０１０９】
また、図１８，１９に示した通り、サンプル１は、サンプル２，３と比較して、電気特性が改善されていることから、ＺｒＯ２からなる絶縁体膜５２の機械的強度が増加したというより、圧電体層７０におけるＰＺＴが改質されたと考えられる。その理由の１つとして、ＰＺＴの結晶欠陥が多いと電気的に破壊されやすく、寿命が短いが、サンプル１の圧電体層７０におけるＰＺＴは、電気的な破壊が少ないことから、結晶欠陥が少ないと考えられる。
【０１１０】
なお、ＰＺＴの改質の他の理由として、絶縁体膜５２による、第１電極６０からの金属（Ｔｉ，Ｐｔ等）の拡散の低減やＣＡＶエッチング中に発生する水素に対するバリア性の向上、又は絶縁体膜５２におけるＺｒＯ２の結晶性の変化等も考えられる。
【０１１１】
（他の実施形態）
以上、液体噴射装置に搭載される液体噴射ヘッドの一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上記のものに限定されるものではない。
【０１１２】
上記の第１の実施形態のほか、ＺｒＯ２からなる絶縁膜の成膜条件を改良した圧電素子（以下、便宜的に「本発明の圧電素子」という）と、本発明の圧電素子により発信される超音波及び本発明の圧電素子により受信される超音波の少なくとも一方に基づく信号を利用して検出対象を測定する制御手段とを具備することで超音波測定装置を構成することもできる。
【０１１３】
このような超音波測定装置は、超音波を発信した時点から、その発信した超音波が測定対象物に反射されて戻ってくるエコー信号を受信する時点までの時間に基づいて、測定対象物の位置、形状及び速度等に関する情報を得るものであり、超音波を発生するための素子や、エコー信号を検知するための素子として圧電素子が用いられることがある。このような超音波発生素子やエコー信号検知素子として、耐用年数を延ばして長寿命化を図った本発明の圧電素子が用いられれば、長期に亘って使用することが可能な超音波測定装置を提供することができる。
【０１１４】
その他、上記第１の実施形態では、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。インク以外の液体を噴射する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、バイオチップの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。
【０１１５】
また、本発明の圧電デバイスは、超音波モーター、温度−電気変換器、圧力−電気変換器、圧電トランス、赤外線等の有害光線の遮断フィルター、量子ドット形成によるフォトニック結晶効果を使用した光学フィルター、薄膜の光干渉を利用した光学フィルター等のフィルター等であってもよい。また、超音波測定装置（超音波センサー）以外のセンサー、例えば、赤外線センサー、感熱センサー、圧力センサー、ジャイロセンサー（角速度センサー）であってもよい。
【０１１６】
その他、本発明の圧電素子は、強誘電体素子として好適に用いることもできる。好適に用いることができる強誘電体素子としては、強誘電体メモリー、強誘電体トランジスター（ＦｅＦＥＴ）、強誘電体演算回路（ＦｅＬｏｇｉｃ）、強誘電体キャパシター等が挙げられる。また、本発明の圧電素子は、良好な焦電特性を示すことから、焦電素子に好適に用いることができる。更に、本発明の圧電素子は、上述したモーターを駆動源として利用したロボット等にも適用することができる。
【符号の説明】
【０１１７】
Ｉ…記録装置、  ＩＩ…ヘッドユニット、  Ｓ…記録シート、  １…記録ヘッド、  ２Ａ，２Ｂ…カートリッジ、  ３…キャリッジ、  ４…装置本体、  ５…キャリッジ軸、  ６…駆動モーター、  ７…タイミングベルト、  ８…搬送ローラー、  １０…流路形成基板（基板）、  １１…隔壁、  １２…圧力発生室、  １３…インク供給路、  １４…連通路、  １５…連通部、  ２０…ノズルプレート、  ２１…ノズル開口、  ３０…保護基板、  ３１…圧電素子保持部、  ３２…マニホールド部、  ３３…貫通孔、  ３５…接着剤、  ４０…コンプライアンス基板、  ４１…封止膜、  ４２…固定板、  ４３…開口部、  ５０…振動板、  ５１…弾性膜、  ５２…絶縁体膜、  ５３…マスク膜、  ５６…密着層、  ６０…第１電極、  ７０…圧電体層、  ７４…圧電体膜、  ８０…第２電極、  ９０…リード電極、  １００…マニホールド、  １１０…シリコン基板、  １２０…駆動回路、  １２１…接続配線、  １３０…保護基板用ウェハー、  ２００，５１１…プリンターコントローラー、  ３００…圧電素子、  ５１２…プリントエンジン、  ５１３…外部インターフェース（外部Ｉ／Ｆ）、  ５１４…ＲＡＭ、  ５１５…ＲＯＭ、  ５１６…制御部、  ５１７…発振回路、  ５１９…駆動信号発生回路、  ５２０…内部インターフェース（内部Ｉ／Ｆ）、  ５２１…受信バッファー、  ５２２…中間バッファー、  ５２３…出力バッファー、  ５２４…紙送り機構、  ５２５…キャリッジ機構、  ５３１…シフトレジスター（ＳＲ）、  ５３２…ラッチ、  ５３３…レベルシフター、  ５３４…スイッチ
【図１】
0006597959.tif 000005
【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７】
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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１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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