(57)【要約】【課題】  駆動特性劣化を低減可能な圧電素子を提供する。【解決手段】本発明の圧電素子は、ニオビウム（Ｎｂ）を添加したチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子薄膜層８と圧電素子薄膜層８の両面に配置された電極層９、１０とからなる圧電素子体６と、圧電素子体６の両電極層間に正負交互に駆動パルスを印加して前記圧電素子を駆動する電圧印加回路１１とからなる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ニオビウム（Ｎｂ）を添加したチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子薄膜層と前記圧電素子薄膜層の両面に配置された電極層とからなる圧電素子体と、
該圧電素子体の前記両電極層間に正負交互に駆動パルスを印加して前記圧電素子を駆動する電圧印加回路と、からなることを特徴とする圧電素子。
【請求項２】
前記電極層を酸化物により構成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項３】
前記酸化物がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）又はルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）物質であることを特徴とする請求項２に記載の圧電素子。
【請求項４】
前記電極層をイリジウム（Ｉｒ）により構成したことを特徴とする請求項１に記載の圧電素子。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を備えたインクジェットヘッド。
【請求項６】
請求項５に記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェットヘッドプリンター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電素子及びこの圧電素子を用いたインクジェットヘッド及びこのインクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンターの改良に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、圧電素子は、電圧が印加されると圧電素子が伸張する性質、あるいは、圧電素子に力が加えられると、圧電素子に電圧が発生する性質を有するため、 アクチュエータ、センサ、回路素子等に使用されている。
【０００３】
例えば、インクや有機半導体材料等の液体を吐出する液体噴射ヘッド（インクジェットヘッド）には圧電素子が用いられ、ノズル開口と連通する圧力発生室に供給された液体を圧電素子によって加圧することにより、ノズル開口から液体を吐出させるようになっている。
【０００４】
その圧電素子としては、例えば、三元系金属酸化物であるチタン酸鉛とジルコン酸鉛の混晶であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：lead zirconium titanate）等があることが、すでに知られている（特許文献１参照、特許文献２参照）。
【０００５】
特許文献１には、圧電素子の変位量変化を低減する目的で、エージング電圧の波形が誘電体層の抗電界に相当する電圧から駆動パルス電圧を超える高電圧に立ち上がり、高電圧から抗電界に相当する電圧まで立ち下がることを繰り返すというエージング処理方法が開示されている。
【０００６】
このものによれば、誘電体層に対して比較的に分極量変化の大きい範囲でエージング処理を行うことができ、駆動時における分極反転に伴う劣化に対してもエージングの段階で安定化させることができるので、圧電素子の経時変化（動作量変化）がより少ないエージング効果を得ることができる。
【０００７】
また、特許文献２には、強誘電体メモリの特性劣化（変位量劣化）を低減する目的で、ペロブスカイト構造強誘電体の信頼性を決める要因の一つである酸素欠損を防止するため、ＮｂとともにＳｉをペロブスカイト構造強誘電体中に添加することにより、Ｂサイトに対して十分な量のＮｂを固溶させるというPZTの添加物の構成が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところが、これまでの圧電素子は、主に１８０度ドメインの分極反転による歪みを用いて圧力を発生させてインクを吐出させる方法が採用され、より大きな変位を期待できる９０度ドメインの分極反転による歪みが積極的に活用されていない。
【０００９】
また、９０度ドメインはユニポーラ駆動では酸素欠損等によりピニングされ易く、変位の経時劣化が大きく、恒常的に使うことが困難であるという問題もある。
【００１０】
特許文献１によれば、圧電素子の経時変化を少なくでき、特許文献２によれば、酸素欠損を防止できるが、いずれの技術も、９０度ドメインの分極反転による歪みが積極的に活用されておらず、かつ、変位の経時劣化が大きいという問題がある。
【００１１】
本発明は、上記の事情に鑑みて為されたもので、９０度ドメインの分極反転による歪みを積極的に活用して、かつ、変位の経時劣化を防止できる圧電素子、この圧電素子を用いたインクジェットヘッド及びこのインクジェットヘッドを用いたインクジェットプリンター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】
【００１２】
請求項１に記載の圧電素子は、ニオビウム（Ｎｂ）を添加したチタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電素子薄膜層と前記圧電素子薄膜層の両面に配置された電極層とからなる圧電素子体と、
該圧電素子体の前記両電極層間に正負交互に駆動パルスを印加して前記圧電素子体を駆動する電圧印加回路と、からなることを特徴とする。
請求項２に記載の圧電素子は、前記電極層を酸化物により構成したことを特徴とする。
【００１３】
請求項３に記載の圧電素子は、前記酸化物がニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）又はルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）物質であることを特徴とする。
請求項４に記載の圧電素子は、前記電極層をイリジウム（Ｉｒ）により構成したことを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載のインクジェットヘッドは、請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の圧電素子を備えていることを特徴とする。
請求項６に記載のインクジェットヘッドプリンターは、請求項５に記載のインクジェットヘッドを備えていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１に記載の発明によれば、チタン酸ジルコン酸鉛にニオビウム（Ｎｂ）を添加して圧電素子薄膜層を形成し、かつ、圧電素子の駆動をバイポーラにより駆動したので、９０度ドメインを積極的に活用しつつ、駆動特性劣化を低減できる。
【００１６】
請求項２、請求項３に記載の発明によれば、酸素欠損の低減を図ることができるという効果を奏する。
請求項４、５に記載の発明によれば、インクジェットヘッドの長寿命化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は本発明に係る圧電素子をインクジェットヘッドに適用した実施例を示す説明図である。
【図２】図２は図１に示す圧電体の駆動電圧の波形図である。
【図３】図３は図１に示す圧電体の特性評価グラフであり、図３（ａ）に示すグラフは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層を用いて圧電素子体を形成し、印加電界を±150kV/cmでバイポーラ駆動による疲労試験を行った場合の測定結果としての分極ヒステリシスループを示し、図３（ｂ）に示すグラフは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてマンガン（Ｍｎ）を加えた圧電素子薄膜層を用いて圧電素子体を形成し、印加電界を±150kV/cmでバイポーラ駆動による疲労試験を行った場合の測定結果としての分極ヒステリシスを示す。
【図４】図４は、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層を用いて形成された圧電素子体をユニポーラ駆動した場合とバイポーラ駆動した場合との分極量の推移比率を示すグラフである。
【図５】図５はユニポーラ駆動による圧電素子体のP-Eヒステリシスを測定した結果を示すグラフである。
【図６】図６は図１に示す圧電素子からなるインクジェットヘッドが搭載されたインクジェットヘッドプリンタを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例】
【００１８】
図１はインクジェットヘッドの集積体を示す断面図である。この図１において、１はセルであり、セル１内に圧力室２が形成されている。セル１の下面にはノズル板３が設けられ、ノズル板３にはノズル４が形成されている。その圧力室２にはインクが充填される。
【００１９】
セル１の上面には振動板５が設けられ、振動板５の上部には圧電素子体６が密着層７を介して設けられている。圧電素子体６は、圧電素子薄膜層８とこの上面に設けられた上部電極層９とこの圧電素子薄膜層８の下面に設けられた下部電極層１０とから構成されている。
【００２０】
その圧電素子薄膜層８は、チタン酸ジルコン酸鉛にニオビウム（Ｎｂ）を添加して構成される。その上部電極層９、下部電極層１０には、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）又はルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）物質又はイリジウム（Ｉｒ）金属物質により構成されている。
【００２１】
その上部電極層９と下部電極層１０とには、電圧印加回路１１により電圧が印加される。この電圧印加回路１１は、正負交互に駆動パルスを印加して圧電素子体６をそれぞれ駆動する役割を果たす。図２は、その圧電素子体６の駆動電圧Ｖの駆動波形ＰＷを示すもので、この駆動電圧ＶをグランドレベルＧＮＤを境に正負交互に上部電極層９と下部電極層１０とに加えることにより、振動板５が変位されて、ノズル４から液滴４ａが外部に吐出される。
【００２２】
ここで、チタン酸ジルコン酸鉛の添加物のドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を用いた理由を説明する。
チタン酸ジルコン酸鉛の添加物には、例えば、ドナーとして、Nb、Ta、W、アクセプターとしてMn、Cr、Coなどが挙げられる。
【００２３】
このなかで、実験計画法を用いて添加物の特性を測定して評価した結果、ニオビウム（Nb）とマンガン（Mn）が候補として挙がった。
さらに、特性劣化に対してこの２つの添加物を加えた圧電素子（PZT）を評価した。
【００２４】
その結果、図３（ａ）、（ｂ）に示す特性評価グラフが得られた。
図３（ａ）に示すグラフは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成し、印加電界を±150kV/cmでバイポーラ駆動による疲労試験を行った場合の分極ヒステリシスループである。
【００２５】
図３（ｂ）に示すグラフは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてマンガン（Ｍｎ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成し、印加電界を±150kV/cmでバイポーラ駆動による疲労試験を行った場合の分極ヒステリシスである。
右枠内の「１、１Ｅ３−１Ｅ８」は、それぞれ、１、１０の３乗−１０の８乗を意味し、駆動電圧Ｖの印加回数を示している。
【００２６】
この図３では、全てのヒステリシスループが黒い線で示されているが、実際には、駆動電圧Ｖの印加回数毎に色分けがされ、駆動電圧Ｖの回数によるヒステリシスの変化が、グラフ上で視覚的に認識し易くされている。
【００２７】
図３（ａ）に示すグラフは、１０の８乗回、繰り返し、駆動電圧Ｖにより印加電界を加えたにもかかわらず、分極値（ポラリゼーション）が一定であることを示しており、これは、分極特性に変化がないことを意味する。
【００２８】
図３（ｂ）に示すグラフは、１０の６乗から１０の７乗回の間を境に、分極値が変化していることを示しており、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてマンガン（Ｍｎ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成したものでは、分極特性に変化が生じたことを意味する。
【００２９】
この図３（ａ）、図３（ｂ）から明らかなように、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成したものは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてマンガン（Ｍｎ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成したものよりも、分極特性に関して劣化が少ない。
【００３０】
次に、バイポーラ駆動を採用した理由について説明する。
図４に示すグラフは、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて形成された圧電素子体６をユニポーラ駆動した場合とバイポーラ駆動した場合との分極量の推移比率を示している。
【００３１】
駆動電圧Ｖによる印加電界はユニポーラ駆動の場合、０から＋１５０ＫＶ／ｃｍまでの範囲であり、バイポーラ駆動の場合、±１５０ＫＶ／ｃｍである。この図４において、横軸は駆動回数を示している。また、「１．Ｅ＋００−１．Ｅ＋０８」は、１０の０乗回（繰り返し回数が１回）から１０の８乗回（繰り返し回数が１億回）を意味している。なお、黒丸印はユニポーラ駆動を示しており、黒四角印はバイポーラ駆動を示している。
【００３２】
この図４から明らかなように、バイポーラ駆動の場合、分極量に何ら変化が見られないのに対して、ユニポーラ駆動の場合、分極量が駆動回数と共に減少している。
これは、ユニポーラ駆動の場合、一方向にのみ電界が印加され続けることによるポーリング効果と、ピニングによる劣化が合さった結果、分極量の減少が起きていると考えられるからである。なお、ユニポーラ駆動後の圧電素子体６については、逆バイアスに印加しても分極量の回復が起きるものはなかった。
【００３３】
一方、バイポーラ駆動の場合、このように良好な駆動耐久性が認められる理由は、正、負交互に電圧が印加されることにより、電極層９、１０の界面で起こる酸素欠損の発生を抑えることができるためと考えられる。
【００３４】
その結果、チタン酸ジルコン酸鉛にドナーとしてニオビウム（Ｎｂ）を加えた圧電素子薄膜層８を用いて圧電素子体６を形成したものでは、バイポーラ駆動により駆動を行なう方が、圧電素子体６の作製直後からエージング処理のような慣らしを行なわずに常に同じ特性を得ることができる。
【００３５】
図５はそのユニポーラ駆動による圧電素子体６のP-Eヒステリシスを示す説明図である。
横軸は、印加電界であり、縦軸は分極量である。右枠内の「１、１Ｅ３−１Ｅ８」は、それぞれ、１、１０の３乗−１０の８乗を意味し、印加電圧Ｖの印加回数を示している。
【００３６】
駆動電圧Ｖによる印加電界の印加回数（圧電素子体６の駆動回数）が１０倍増える毎に、最大分極値が減少している。その理由は、９０度ドメインのピニングに起因するものと、一方向に印加され続けることによるポーリング効果による。
なお、９０度ドメインとは、分極方向が９０度変化している物質の境界領域をいう。
【００３７】
９０度ドメインの影響は、電界強度５０ＫＶ／ｃｍ近傍に着目すると（符号Ｘ参照）、ヒステリシスの形状が大きく変化しており、これは９０度ドメインがピニングされているために起きていると考えられる。一度、酸素欠損によりピニングされてしまったドメインは回復が困難であり、特性の回復は見込めないと思われる。
【００３８】
従来、インク吐出のための駆動波形ＰＷは、グランドレベルGNDもしくは非常に小さなバイアス電圧から電圧を印加し、インクのメニスカスを振動させてインクを吐出させている。この吐出パルスはユニポーラ駆動のため、駆動を繰り返すなか、圧電素子体６が酸素欠損やピニングが促進されて、圧電素子薄膜層８の特性が劣化していた。
【００３９】
しかし、この実施例によれば、図２に示すように駆動電圧Ｖの駆動波形ＰＷのパルスを正負交互に両電極層９、１０に印加するので、実験結果により得られたバイポーラ駆動の効果が再現され、特性劣化の少ない圧電素子体６を提供でき、ひいては、図１に示すインクジェットヘッドの提供をできる。
【００４０】
このインクジェットヘッドは、例えば、図６に示すインクジェットプリンターに用いられる。
図６は、インクジェットヘッドを搭載したインクジェットプリンターの一例を示す斜視図である。この図において、２０は記録装置本体である。記録装置本体２０は印字機構部２１を有し、印字機構部２１は、主ガイドロッド２２、従ガイドロッド２３、タイミングベルト２４、主走査モータ２５、キャリッジ２６等を有する。
【００４１】
キャリッジ２６には、イエロー（Ｙ）、シアン（Ｃ）、マゼンタ（Ｍ）、ブラック（Ｂｋ）の各色のインク滴を吐出するインクジェットヘッドが設けられていると共に、インクカートリッジ（図示を略す）が設けられている。
【００４２】
印字用紙（図示を略す）は主走査方向と直交する副走査方向に搬送され、印字機構部２１を制御駆動すること等により、印字用紙に画像・文字等が記録される。
【符号の説明】
【００４３】
６…圧電素子体
８…圧電素子薄膜層
９…上部電極層（電極層）
１０…下部電極層（電極層）
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特許４１７１９０８号
【特許文献２】特開２０１０−０３４１５４号公報
【図１】
2012124190.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2012124190.tif 000006
【図５】
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【図６】
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