(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータであって、
前記圧電体層は非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備え、当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置している圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記圧電体層は正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項３】
前記圧電体層は、
ジルコニウムを含む強誘電体を備える下層側圧電体層と、
前記下層側圧電体層上に形成される、ジルコニウムを含む強誘電体を備える上層側圧電体層と、を備え、
前記上層側圧電体層に含まれるジルコニウムの含有量が前記下層側圧電体層に含まれるジルコニウムの含有量より多い、請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項４】
前記下層側圧電体層および前記上層側圧電体層を構成する前記強誘電体はジルコン酸チタン酸鉛である、請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項５】
前記下層側圧電体層は、５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲の厚みを備える、請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項６】
前記圧電体層は負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える、請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記圧電体層を構成する前記強誘電体はジルコン酸チタン酸鉛である、請求項６に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項８】
前記強誘電体は、鉛の一部がカルシウムで置換されて構成されている、請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記強誘電体は、マンガンが添加されて構成されている、請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項１０】
強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータの駆動方法であって、
当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置している非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備える圧電体層に対し、当該同一の電界極性の駆動電界を印加して、当該圧電体層を駆動する圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１１】
前記ヒステリシス特性における抗電界以上の領域で電界を変化させて前記圧電体層を駆動する、請求項１０に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１２】
前記圧電体層は正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備え、正の電界極性で当該圧電体層を駆動する、請求項１０に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１３】
前記圧電体層は負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備え、負の電界極性で当該圧電体層を駆動する、請求項１０に記載の圧電アクチュエータの駆動方法。
【請求項１４】
強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
下部電極上に、所定の含有量のジルコニウムを含む強誘電体により下層側圧電体層を形成する工程と、
前記下層側圧電体層上に、当該下層側圧電体層より多い含有量のジルコニウムを含む上層側圧電体層を形成する工程と、を備えることにより、
正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータを製造する圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１５】
強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、
圧電体層を形成する工程と、
前記圧電体層に使用時の電界よりも大きい電界を加えながらキュリー温度以上の温度から冷却する工程と、を備えることにより、
負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータを製造する圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１６】
前記圧電体層を形成する工程においてカルシウムを添加し、鉛の一部を当該カルシウムで置換する、請求項１５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１７】
前記圧電体層を形成する工程においてマンガンを添加する、請求項１５に記載の圧電アクチュエータの製造方法。
【請求項１８】
請求項１に記載の圧電アクチュエータを液滴噴射ヘッドに備える液滴噴射装置であって、
前記液滴噴射ヘッドに備えられた各前記圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路を備える液滴噴射装置。
【請求項１９】
前記駆動回路は、前記ヒステリシス特性における抗電界以上の領域で電界を変化させて前記圧電体層を駆動する、請求項１８に記載の液滴噴射装置。
【請求項２０】
前記駆動回路は、正の電界極性で前記圧電アクチュエータを駆動する、請求項１８に記載の液滴噴射装置。
【請求項２１】
前記駆動回路は、負の電界極性で前記圧電アクチュエータを駆動する、請求項１８に記載の液滴噴射装置。
【請求項２２】
前記駆動回路は、±７００kV/cmの範囲内で前記圧電アクチュエータを駆動する、請求項１８に記載の液滴噴射装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は強誘電体材料を結晶させて形成された圧電体層を備える圧電アクチュエータに係り、特に、印加電圧の極性を変化させずに圧電アクチュエータの変位量を増加させるための効率のよい駆動を可能にするための圧電アクチュエータ、その駆動方法、圧電アクチュエータの製造方法および液滴噴射装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
インクジェット記録ヘッド等の液滴噴射ヘッドに利用される圧電アクチュエータは、印加電圧に対応じて変位量が増加する。このため、電圧極性が上下に変化する駆動パルスを利用して圧電アクチュエータを駆動する方法が考案されている。
【０００３】
例えば、特開平１１−９７７５５には、圧電体を挟む一対の電極間の印加電圧に、電界極性の符号が入れ替わる駆動パルスを利用するパルス駆動方法が記載されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、印加電圧の極性を反転させるような駆動回路は複雑な構成となりコストアップにつながっていた。例えば、プリンタ等の液滴噴射装置における通常の駆動回路や制御回路は単極性の電源で動作可能であるところ、駆動回路のためだけに正負の電源電圧を供給可能な電源装置を用意する必要があった。
【０００５】
一方で、通常の圧電体層を構成する強誘電体は、分極処理をしたとしても、分極―電界ヒステリシス特性の電界軸を中心にあまり偏っていないヒステリシスループを備える。このため、印加電圧の極性を一方に限って駆動したとすれば、正負双方の電界変化に対応して変化可能な変位量の半分しか変位量が得られなくなる。したがって圧電アクチュエータが十分な変位を得るためには、上記したような公報に記載されいる技術が必要になる。
【０００６】
そこで本発明の目的は、一方の駆動電界の極性であっても変位量の大きな圧電アクチュエータ、その駆動方法、その圧電アクチュエータの製造方法およびその圧電アクチュエータを備えるプリンタを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータであって、圧電体層は非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備え、当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置している圧電アクチュエータである。
【０００８】
このようなヒステリシス特性を備えていれば、抗電界を超える電界から生じる大きな変位を一方の電界の極性を印加するだけで得ることができ、単極性の駆動回路で大きな変位量を出力することが可能になる。
【０００９】
なお本発明において「圧電アクチュエータ」とは、強誘電体のような物質の結晶表面に圧力を加えると結晶の表面に正負の電荷を生じたり（正効果）、結晶に電界を加えると歪が発生したり（逆効果）という圧電性を利用した素子である。圧電体素子ともいう。圧電アクチュエータは、通常強誘電体等を含む圧電体層を電極膜で挟んだ構造を備えている。
【００１０】
また「強誘電体」とは、結晶内に自発分極が存在し、外部電界によってその分極方向を人為的に変化させることが可能な物質であって、外部電界をゼロにした場合に分極が残留分極として残るような物質をいう。このような強誘電体としては、ペロブスカイト型結晶構造を有し化学式ＡＢＯ３で示すことのできる複合酸化物が知られ、例えばＡには鉛（Ｐｂ）、Ｂにジルコニウム（Ｚｒ）とチタン（Ｔｉ）の混合を適用したチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が有名であるが、これに限定されない。
【００１１】
また「抗電界点」は強誘電体におけるドメインの分極方向が変化するドメインスイッチングが生ずるようなヒステリシス上の点をいう。二つの抗電界点が同一の電界極性に位置するとは、一方の抗電界点が電界ゼロの位置にあることも含むものとする。
【００１２】
本発明の圧電アクチュエータは、例えば、圧電体層が正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える。このようなヒステリシス特性を有する圧電体層は、例えば、ジルコニウムを含む強誘電体を備える下層側圧電体層と、下層側圧電体層上に形成される、ジルコニウムを含む強誘電体を備える上層側圧電体層と、を備え、上層側圧電体層に含まれるジルコニウムの含有量が下層側圧電体層に含まれるジルコニウムの含有量より多い圧電アクチュエータが挙げられる。例えば双方の圧電体層がジルコン酸チタン酸鉛で構成され、下層側圧電体層がＰｂＺｒｘＴｉ（１−ｘ）Ｏ３、上層側圧電体層がＰｂＺｒｙＴｉ（１−ｙ）Ｏ３という組成を備える場合、ｙ＞ｘ（１≧ｘ、ｙ≧０）である。
【００１３】
例えば、これら下層側圧電体層および上層側圧電体層を構成する強誘電体はジルコン酸チタン酸鉛である。また下層側圧電体層は、おおよそ５０ｎｍ以上で２００ｎｍ以下の厚みを備えることが好ましい。
【００１４】
また、本発明の圧電アクチュエータは、例えば、圧電体層が負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える。このようなヒステリシス特性を有する圧電体層は、例えば圧電体層を構成する強誘電体がジルコン酸チタン酸鉛である。このとき強誘電体は、鉛の一部がカルシウムで置換されて構成されていることが好ましい。さらに、強誘電体は、マンガンが添加されて構成されているてもよい。
【００１５】
本発明は、強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータの駆動方法であって、当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置している非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備える圧電体層に対し、当該同一の電界極性の駆動電界を印加して、当該圧電体層を駆動する圧電アクチュエータの駆動方法である。
【００１６】
特に、ヒステリシス特性における抗電界以上の領域で電界を変化させて圧電体層を駆動することが好ましい。また同一の電界極性としては、正の電界極性でも負の電界極性でもよい。
【００１７】
本発明は、強誘電体を含む圧電体層を備えた圧電アクチュエータの製造方法であって、下部電極上に、所定の含有量のジルコニウムを含む強誘電体により下層側圧電体層を形成する工程と、下層側圧電体層上に、当該下層側圧電体層より多い含有量のジルコニウムを含む上層側圧電体層を形成する工程と、を備える。これにより、正の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータを製造することができる。
【００１８】
また本発明は、圧電体層を形成する工程と、圧電体層に使用時の電界よりも大きい電界を加えながらキュリー温度以上の温度から冷却する工程と、を備える。これにより、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータを製造することができる。
【００１９】
ここで圧電体層を形成する工程においてカルシウムを添加し、鉛の一部を当該カルシウムで置換したりマンガンを添加したりすることが好ましい。
【００２０】
本発明は、上述したような圧電アクチュエータを液滴噴射ヘッドに備える液滴噴射装置であって、液滴噴射ヘッドに備えられた各圧電アクチュエータを駆動するための駆動回路を備える。ここで液滴噴射ヘッドは、微細な液滴を噴射して所定の目的を達成するための装置であり、インクジェット式記録ヘッドの他に、工業用液体材料を噴射させて何らかの処理をする工業上の用途に用いられる装置をも含む。また液滴噴射装置は、このような液滴噴射ヘッドを備えた装置であって、プリンタなどの印刷装置の他に、工業用液体材料を表示装置や基板など噴射するための装置をも含む。
【００２１】
ここで駆動回路は、ヒステリシス特性における抗電界以上の領域で電界を変化させて圧電体層を駆動することが好ましい。つまり、駆動回路は二つの抗電界点間で駆動しても、いずれか一方の抗電界に拘束されずその一方の抗電界を超えた電界領域で駆動してもよい。また、駆動回路は、正または負のいずれか一方の電界極性で圧電アクチュエータを駆動する。駆動回路は、±７００kV/cmの範囲内で前記圧電アクチュエータを駆動することが好ましい。
【００２２】
【発明の実施の形態】
次に本発明の好適な実施の形態を、図面を参照して説明する。
【００２３】
（実施形態１）
本発明の実施形態１は、正の電界極性側に二つの抗電界点が位置する非対称なヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータ、その駆動方法、およびその製造方法に関する。
【００２４】
図２に、本実施形態１の圧電アクチュエータの層構造を説明する部分断面図を示す。図２は、当該圧電アクチュエータ４０が駆動手段として設けられたインクジェット式記録ヘッド（図１０参照）の一つのインク吐出要素の拡大断面図でもある。
【００２５】
図２に示すように、圧電アクチュエータ４０は、下部電極４１、下層側圧電体層４２、上層側圧電体層４３、および上部電極４４を積層して構成されている。
【００２６】
下部電極４１および上部電極４４は、下層側圧電体層４２および上層側圧電体層４３に電界を印加するものであり、公知の材料、例えば白金等で構成可能である。複数の圧電アクチュエータが存在する場合には下部電極または上部電極のいずれか一方が複数の圧電アクチュエータの共通電極として構成される。図２では下部電極４１が共通電極として示されている。
【００２７】
下層側圧電体層４２および上層側圧電体層４３はともにジルコニウムを含む強誘電体を備える。ただし、このような強誘電体はペロブスカイト型結晶構造を備えていればよく、その組成に限定はない。このような強誘電体として、例えばジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）が挙げられる。その他、例えば、強誘電体の材料としてＰＺＴＳ、ＰＮＮ−ＰＺＴ，ＰＭＮ−ＰＺＴ、ＰＬＺＴ等も適用可能である。本実施形態では下層側圧電体層４２と上層側圧電体層４３とは同じＰＺＴを用いるものとして説明するが、同じ強誘電体材料を用いなくてもよい。このような強誘電体材料を結晶化させてから分極処理を行うことによって、圧電アクチュエータ用の圧電体層として利用することができるようになる。後述する格子定数の不整合による歪みにより非対称なヒステリシス特性を全体として示すような組み合わせであればよい。
【００２８】
特に本発明の圧電アクチュエータは、下層側圧電体層４２に上層側圧電体層４３を重ねることによって、結晶格子の不整合による歪みを生じさせて、圧電アクチュエータ全体として非対称な分極−電界ヒステリシス特性を備え、当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置しているように構成されている。このようなヒステリシス特性が生じる理由を説明する。
【００２９】
ＰＺＴ等の強誘電体の結晶は一般式がＡＢＯ３という化学式で示されるペロブスカイト型結晶構造を備える。Ａサイトを占めるイオンとＯサイトを占める酸素イオンはイオン半径が大きく結晶の骨格となるのに対し、Ｂサイトを占める金属陽イオンはイオン半径が小さく外部電界により容易に変位する。この陽イオンの変位により結晶内部に分極が生ずる。圧電アクチュエータの圧電体層のように下部電極や基板上に成長した薄膜状の結晶では、結晶の変位が拘束されるために常に二次元的な応力が加えられた状態となる。強誘電体が二次元的な圧縮応力を受けた場合に、応力を加えた方向には結晶が縮む一方、応力を垂直な方向には自由に変位して結晶が延びる。このために二次元的な応力を強くするほど自発分極Ｐｓが大きくなる。
【００３０】
すなわち、図３に示すように、基板の結晶格子の格子定数がｄ１、強誘電体結晶の格子定数がｄ２（ｄ２＞ｄ１）である場合に、基板から強誘電体の結晶を成長させると基板の格子定数に強誘電体の結晶が整合するために歪みを生じ、膜厚方向に歪みδを生じ、これが自発分極の大きさに対応するのである。この歪みを生ずる方向は結晶のＣ軸（３軸）方向である。
【００３１】
ここで基板と強誘電体の結晶との間に格子不整合があると、その結果強誘電体の結晶格子が歪み、分極−電界ヒステリシス特性が分極軸に対して非対称になることが論文に報告されている（「応力による格子歪みと強誘電性発現のメカニズム」、阿部和秀、表面技術  Ｖｏｌ．５１、Ｎｏ．７、２０００、ｐ６８４−ｐ６８８）。この論文ではＳｒＴｉＯ３の単結晶基板上にＡサイトイオンであるＳｒをＢａに異なる組成比で置換させた強誘電体薄膜の結晶をエピタキシャル成長させた場合の格子不整合について開示されている。この論文で開示される実験によれば、組成比ｘ＝Ｂａ／（Ｂａ＋Ｓｒ）を変化させると、Ｂａの組成比が高くなるものほどＣ軸方向の歪みが大きくなり最大５％の伸びを示すことが示されている。このときヒステリシス特性が正の電界極性側にシフトすることが報告されている。この理由は、圧電正効果により薄膜にC軸の負方向の分極が生じ、正電界の効果を弱める反面、負電界の効果を強くしていることが考えられる。分極を負から正に反転させる時にはより大きな正電界が必要とされる。分極を正から負に反転させる時には比較的絶対値の小さい負電界で反転されることができる。
【００３２】
本発明ではこの現象を利用する。すなわち、ペロブスカイト結晶構造のＡサイトイオンの含有量が異なる圧電体層を積層し、後に結晶成長させる圧電体層に格子歪みを生じさせ、もって全体のヒステリシス特性を非対称にするのである。具体的には、上層側圧電体層４３に含まれるジルコニウムの含有量を下層側圧電体層４２に含まれるジルコニウムの含有量より多くして、上層側圧電体層４３に格子歪みを生じさせる。
【００３３】
図１に、このようにして形成された圧電アクチュエータ４０の分極−電界ヒステリシス特性を示す。図１に示すように、このようにして構成されている圧電アクチュエータ４０は、分極―電界ヒステリシス特性が大きく正の電界極性方向にシフトしており、正の電界極性側に二つの抗電界点（Ｅｃ１、Ｅｃ２）が位置するようになっている。本発明においては、抗電界Ｅｃ１以上であって飽和分極点Ｐｓが生じる電界Ｅｓまでの電界で圧電体層を駆動するようになっている。
【００３４】
なお、下層側圧電体層４２の厚みは、その組成や上層側圧電体層４３との兼ね合いで定める。
【００３５】
また下層側圧電体層４２と上層側圧電体層４３とを併せた圧電体層全体の厚みは通常の圧電アクチュエータの厚み、例えば５００ｎｍ〜２０００ｎｍに収まるようにする。この全体の厚みが薄すぎれば変位量が少なくなり、厚くなり過ぎると成膜時の熱応力によりクラックが発生する危険があるからである。
【００３６】
次にこのような圧電アクチュエータの駆動方法を説明する。本実施形態の圧電アクチュエータ４０のようにヒステリシス特性における二つの抗電界点Ｅｃ１、Ｅｃ２がいずれも同一の電界極性に位置している非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備える場合、この圧電アクチュエータには同一の電界極性、ここでは正の電界極性の駆動電界を印加する。ただし電界がゼロの状態、すなわち下部電極と上部電極との間の印加電圧がゼロの場合があってもよい。
【００３７】
図４に、本実施形態１の圧電アクチュエータ４０に印加可能な駆動パルスの波形図を示す。本駆動パルスは下部電極４１を基準電位として上部電極４４に印加される。図４に示すように、当該駆動パルスの一周期は、時刻ｔ１からｔ２へかけての電圧維持期ｄ１、時刻ｔ２からｔ３にかけての電圧上昇期ｄ２、時刻ｔ３からｔ４にかけての電圧維持期ｄ３、時刻ｔ４からｔ５にかけての電圧下降期ｄ４の各サイクルで構成される。
【００３８】
駆動電圧の立ち上げ前の期間ｄ１において電圧Ｖ１が印加され、立ち上げ後の期間ｄ３において電圧Ｖ２が印加されている。電圧Ｖ１の印加時に圧電体層に加えられる電界強度がＥｃ１に相当する。電圧Ｖ２は、印加時に圧電体層に加えられる電界強度が図１のヒステリシス特性における抗電界Ｅｃ１以上の領域に対応するような電圧である。すなわち、図１で電界軸上の太線で示すようなこの抗電界Ｅｃ１以上の範囲で電界を変化させる。例えばＶ２に対応する電界は、図１におけるＥ１であったりＥ２であったりする。この印加電圧Ｖ２に対応する電界は最大で飽和分極Ｐｓを供給する電界Ｅｓより低いように調整する。圧電体における逆圧電効果において電界Ｅとそれに応じて生じる歪みＳとの関係はＳ＝ｄＥであるから、この領域における電界の範囲で電界を変化させると、圧電アクチュエータは大きな変位を生ずるのである。飽和分極Ｐｓを提供する電界Ｅｓに上限の電界が近い方が大きな変位を得られることになる。変化させる電界の範囲を大きくすればそれに対応して発生する圧電体層の変位も大きくできる。圧電体に加えるべき電界の範囲は±７００kV/cmの範囲内で収まるようにする。圧電体の破壊を生じさせないためである。
【００３９】
次に本実施形態１における圧電アクチュエータの製造方法を説明する。図５に圧電アクチュエータの製造工程断面図を示す。
【００４０】
基板及び絶縁膜の形成工程では、図５（ＳＴ１）に示すように、圧力室基板２０に振動板としての絶縁膜３１を成膜する。圧力室基板２０として、例えば、直径１００ｍｍ、厚さ２００μｍの（１１０）配向シリコン単結晶基板を用いる。絶縁膜３１は、シリコン基板の表面を熱酸化して形成する。例えば、１１００℃程度の炉の中で、乾燥酸素を流して２２時間程度熱酸化させることで、厚さ２μｍ以下、好ましくは約１μｍの膜厚の非晶質熱酸化膜が形成される。この方法ではＳｉＯ２からなる絶縁膜３１がシリコン基板の両面に形成される。そのうち一方の絶縁膜３１が振動板として使用される。
【００４１】
なお、熱酸化法による他、ＣＶＤ法等の成膜法を適宜選択して成膜してもよい。また絶縁膜３１は、二酸化珪素に限られず、酸化ジルコニウム、または、酸化ジルコニウムと二酸化珪素との積層膜により形成されていてもよい。
【００４２】
下部電極の形成工程では、図５（ＳＴ２）に示すように、絶縁膜３１の上に下部電極４１を成膜する。下部電極４１としては所定の金属、例えばＰｔを所定の厚さ、例えば約５００ｎｍに成膜する。成膜方法としては例えばスパッタリング、レーザアブレーション法、ＭＯＣＶＤ法など公知の薄膜作製法を利用する。
【００４３】
下層側圧電体層４２の形成工程では、図５（ＳＴ３）に示すように、下部電極４１上に、下層側圧電体層４２を成膜する。本実施形態では、強誘電体材料としてＰＺＴを利用する。下層側圧電体層のＰＺＴにおけるジルコニウムの組成比ｘをＰｂＺｒｘＴｉ（１−ｘ）Ｏ３（１≧ｘ）と表さすものとする。成膜法としては塗布熱分解法（ＭＯＤ法）やゾル・ゲル法等公知の誘電体薄膜形成技術を利用することができる。その厚みは、上述したように、５０ｎｍ乃至２００ｎｍの範囲になるように積層する薄膜数を調整する。
【００４４】
例えばＭＯＤ法を適用する具体例としては、まず有機金属アルコキシド溶液からなるゾルをスピンコート等の塗布法にて下部電極４１上に塗布する。ＰＺＴを形成するならＰｂＺｒＯ３とＰｂＴｉＯ３との二元固溶体を利用する。次いで塗布したゾルを一定温度で一定時間乾燥させ、溶媒を蒸発させる。ゾルの乾燥後、さらに大気雰囲気下において所定の高温で一定時間脱脂し、金属に配位している有機の配位子を熱分解させて金属酸化物とする。この塗布→乾燥→脱脂の各工程を所定回数繰り返して複数層の圧電体前駆体膜を積層する。これらの乾燥と脱脂処理により溶液中の金属アルコキシドと酢酸塩とは配位子の熱分解を経て金属−酸素−金属のネットワークを形成する。次いでこの圧電体前駆体膜を所定の温度で焼成し結晶化させる。この熱処理により、アモルファス状態の前駆体からＰＺＴのペロブスカイト結晶構造が、下部電極の結晶構造の影響を受けながら結晶成長する。
【００４５】
上層側圧電体層４３の形成工程では、図５（ＳＴ４）に示すように、下層側圧電体層４２上に下層側圧電体層と同様な形成方法で上層側圧電体層４３を形成する。本実施形態では、下層側圧電体層と同様に強誘電体材料としてＰＺＴを利用する。上層側圧電体層４３のＰＺＴにおける組成比ｙをＰｂＺｒｙＴｉ（１−ｙ）Ｏ３（ｙ≧０）で表わす場合、上層側圧電体層４３におけるジルコニウムの組成比ｙは下層側圧電体層４２におけるジルコニウムの組成比ｘより大きくする（ｙ＞ｘ）である。このように上層側圧電体層におけるジルコニウムの含有量を多くすることで、上層側圧電体層の結晶時に格子歪みを生じ、全体として非対称な分極―電極ヒステリシス特性が得られるのである。
【００４６】
上部電極の形成工程は、図５（ＳＴ５）に示すように、上層側圧電体層４３上に上部電極４４を形成する工程である。具体的には、導電性を有する材料、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、アルミニウム（Ａｌ）等をスパッタ法で成膜する。アルミニウムを用いる場には合、電蝕対策のため更にイリジウム等を積層することが好ましい。上部電極は、例えば１００ｎｍの膜厚に成膜する。
【００４７】
上記の各工程によって、圧電アクチュエータの層構造が形成される。下部電極４１と上部電極４４との間に所定の電圧を印加することで両電極間に電界が生じ、この電極により圧電体層４４中の結晶構造が圧電定数に応じたひずみを生ずる。これが全体として圧電アクチュエータの体積変化となる。
【００４８】
本実施形態１によれば、圧電体層が非対称の分極―電界ヒステリシス特性を備え、抗電界が同一の電界極性であるため、一方の電界極性（本実施形態では正極性）を印加するだけでも大きな分極の変化を圧電アクチュエータに生じさせることができる。
【００４９】
したがって、単一電源の比較的簡単な駆動回路であっても大きな変形を圧電アクチュエータに生じさせることができる。
【００５０】
（実施形態２）
本発明の実施形態２は、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置する非対称なヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータ、その駆動方法、およびその製造方法に関する。
【００５１】
図７に、本実施形態２の圧電アクチュエータの層構造を説明する部分断面図を示す。図７は、当該圧電アクチュエータ４０ｂが駆動手段として設けられたインクジェット式記録ヘッド（図１０参照）の一インク吐出要素の拡大断面図でもある。
【００５２】
図７に示すように、圧電アクチュエータ４０ｂは、下部電極４１、圧電体層４５、および上部電極４４を積層して構成されている。
【００５３】
下部電極４１および上部電極４４は、実施形態１と同様であるので、その説明を省略する。ただし、下部電極４１と上部電極４４とにおける組成を異ならせることは好ましい。このように構成することで、圧電体層における分極―電界ヒステリシス特性の非対称性を強めることができるからである。
【００５４】
圧電体層４５は強誘電体で構成されている。強誘電体はペロブスカイト型結晶構造を備えていればよく、その組成に限定はない。例えば実施形態１と同様の誘電体材料を利用することが可能である。ただし、この圧電体層４５は後述する製造方法により、二つの抗電界点が負の電界極性側に存在するような、非対象な分極―電界ヒステリシス特性を備えている（図６参照）。圧電体層全体の厚みは通常の圧電アクチュエータの厚み、例えば５００ｎｍ〜２０００ｎｍに収まるようにする。この全体の厚みが薄すぎれば変位量が少なくなり、厚くなり過ぎると成膜時の熱応力によりクラックが発生する危険があるからである。
【００５５】
なお、この圧電体層４５の強誘電体は、鉛の一部がカルシウムで置換されて構成されているか、マンガンが添加されて構成されているてもよい。このような添加物を入れることで、圧電体層における分極―電界ヒステリシス特性をより強めることが可能だからである。
【００５６】
特に本発明の圧電アクチュエータは、圧電体層の成膜後にキュリー温度以上の温度から駆動電圧よりも大きな電圧を印加しながら冷却することによって、負の電界極性方向にシフトした非対称な分極−電界ヒステリシス特性を備える。そして、当該ヒステリシス特性における二つの抗電界点がいずれも同一の電界極性に位置しているように構成されている。ただし、いずれか一方の抗電界がゼロである場合も含む。このようなヒステリシス特性が生じる理由を説明する。
【００５７】
一般にペロブスカイト型強誘電性結晶は、高温では立方晶系、室温では正方晶系の結晶構造を持つものが多い。キュリー温度以上の高温では立方晶系であるため自発分極を持たずに常誘電相を呈する。しかし結晶の温度が下がると相転移点を通過して正方晶系になり自発分極を生じ強誘電相に移行する。この相移転時において強い電界が加えられていると、強誘電体を構成している各ドメインの方向がほぼ均一に一方方向に揃う。この均一性は通常の分極処理時よりも強いものとなる。このようにして分極処理を行った圧電体層は、通常のドメインスイッチング時に印加する電界よりも強い電界下で分極しているため、通常より非対称な分極―電界ヒステリシス特性を示すのである。例えば特開平２−１９８０９４には、ＰＺＴの組成をＰｂＺｒｚＴｉ（１−ｚ）Ｏ３（０．７≧ｚ≧０．３）とした場合に、ＰＺＴの成膜後、キュリー温度以上の温度から使用電圧より大きな電圧を印加しながらゆっくり冷却することにより負の電界極性側にシフトした非対称な分極―電界ヒステリシス特性が得られることが記載されている。
【００５８】
図６に、このようにして形成された圧電アクチュエータ４０ｂの分極−電界ヒステリシス特性を示す。図６に示すように、このようにして構成されている圧電アクチュエータ４０ｂは、分極―電界ヒステリシス特性が大きく負の電界極性方向にシフトしており、負の電界極性側に二つの抗電界点（Ｅｃ１、Ｅｃ２）が位置するようになっている。
【００５９】
次にこのような圧電アクチュエータの駆動方法を説明する。本実施形態２の圧電アクチュエータ４０ｂのようにヒステリシス特性における二つの抗電界点Ｅｃ１、Ｅｃ２がいずれも同一の電界極性に位置している非対称の分極−電界ヒステリシス特性を備える場合、この圧電アクチュエータには同一の電界極性の駆動電界を印加する。本実施形態では単一電源極性の駆動パルスを用いるとの前提があるため、印加する電界の上限はゼロである。
【００６０】
図８に、本実施形態２の圧電アクチュエータ４０ｂに印加可能な駆動パルスの波形図を示す。本駆動パルスは下部電極４１を基準電位として上部電極４４に印加される。図８に示すように、当該駆動パルスの一周期は、時刻ｔ１からｔ２へかけての電圧維持期ｄ１、時刻ｔ２からｔ３にかけての電圧上昇期ｄ２、時刻ｔ３からｔ４にかけての電圧維持期ｄ３、時刻ｔ４からｔ５にかけての電圧下降期ｄ４の各サイクルで構成される。
【００６１】
駆動電圧の立ち上げ前の期間ｄ１において電圧Ｖ１が印加され、立ち上げ後の期間ｄ３において電圧Ｖ２が印加されている。電圧Ｖ１の印加時に圧電体層に加えられる電界強度がＥｃ１に相当する。電圧Ｖ２は、印加時に圧電体層に加えられる電界強度が図６のヒステリシス特性における抗電界Ｅｃ１以上の領域に対応するような電圧である。すなわち、図６で電界軸上の太線で示すようなこの抗電界Ｅｃ１以上の範囲で電界を変化させる。例えばＶ２に対応する電界は、図６におけるＥ１であったりＥ２であったりする。この印加電圧Ｖ２に対応する電界は最大で無電界以下になるように調整する。圧電体における逆圧電効果において電界Ｅとそれに応じて生じる歪みＳとの関係はＳ＝ｄＥであるから、この領域における電界の範囲で電界を変化させると、圧電アクチュエータは大きな変位を生ずるのである。
【００６２】
次に本実施形態２における圧電アクチュエータの製造方法を説明する。当該製造方法は圧電体層４５の形成工程を除きほぼ実施形態１と同様である。
【００６３】
圧電体層４５の形成工程では、実施形態１における下層側圧電体層４２や上層側圧電体層４３と同様に、下部電極４１上に圧電体層４５を成膜する。本実施形態でも強誘電体材料としてＰＺＴを利用する。圧電体層４５のＰＺＴにおけるジルコニウムの組成比ｚをＰｂＺｒｚＴｉ（１−ｚ）Ｏ３（０．７≧ｚ≧０．３）とする。成膜法としては塗布熱分解法（ＭＯＤ法）やゾル・ゲル法等公知の誘電体薄膜形成技術を利用することができる。結晶化までの工程は、実施形態１と同様なので省略する。ただし、ヒステリシス特性の非対称性を強めるため強誘電体にカルシウムまたはマンガンを添加したりすることが好ましい。
【００６４】
特に本実施形態の製造方法では、所望の圧電体層の特性を得るために、圧電体層の結晶後、圧電体層に使用時の電界よりも大きい電界を加えながらキュリー温度以上の温度から冷却する工程を備える。これにより、負の電界極性側に二つの抗電界点が位置するヒステリシス特性を備える圧電アクチュエータを製造することができる。
【００６５】
なお、下部電極と上部電極の形成工程は実施形態１と同様であるが、両電極の組成を異ならせることは好ましい。両電極の組成を異ならせることで、圧電体層における分極―電界ヒステリシス特性の非対称性を増大させることが可能だからである。
【００６６】
本実施形態２によれば、圧電体層が非対称の分極―電界ヒステリシス特性を備え、抗電界が同一の電界極性であるため、一方の電界極性（本実施形態では負極性）を印加するだけでも大きな分極の変化を圧電アクチュエータに生じさせることができる。
【００６７】
したがって、単一電源の比較的簡単な駆動回路であっても大きな変形を圧電アクチュエータに生じさせることができる。
【００６８】
（実施形態３）
本発明の実施形態３は、実施形態１や実施形態２において説明した圧電アクチュエータおよびその駆動方法によりインクジェット式記録ヘッドを駆動可能に構成されたプリンタに関する。
【００６９】
図９に、本実施形態３におけるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図を示す。この工程は、図５に示す圧電アクチュエータの各製造工程に引き続き実施されるものである。圧電アクチュエータとしては実施形態１のものまたは実施形態２のもののいずれを適用してもよい。図９では実施形態１の圧電アクチュエータ４０を利用している。
【００７０】
圧電アクチュエータとしての層構造を形成後（図５（ＳＴ５）参照）、図９（ＳＴ６）に示すように、下層側圧電体層４２および上層側圧電体層４３（実施形態２の圧電アクチュエータ４０ｂでは圧電体層４５）並びに上部電極４４を所定形状にエッチングして個々の圧電アクチュエータ４０（実施形態２では４０ｂ）を形成する。エッチングには、例えばフォトリソグラフィ法を適用する。まず上部電極４４上にレジストをスピンコートした後、圧力室が形成されるべき位置に合わせて露光・現像してパターニングする。不要なレジストを洗浄した後に残ったレジストをマスクとして上部電極４３、圧電体層４４をイオンミリング等の公知の方法でエッチングする。以上の工程により、圧電アクチュエータ４０（４０ｂ）が形成される。
【００７１】
次に図９（ＳＴ７）に示すように、圧力室基板２０をエッチングして圧力室２１を形成する。本実施形態では圧力室基板２０として（１００）配向または（１１０）配向のシリコン基板を用いているので、圧力室２１の形成方法としては異方性エッチングを用いる。エッチングされずに残った部分が個々のユニットを隔てる側壁２２となる。
【００７２】
最後に図９（ＳＴ８）に示すように、樹脂等を用いてノズルプレート１０を圧力室基板２０に接合する。ノズルプレート１０を圧力室基板２０に接合する際には、ノズル１１が圧力室２１の各々の空間に対応して配置されるよう位置合せする。以上の工程により、インクジェット式記録ヘッドが形成される。
【００７３】
図１０に上記工程で形成された圧力室基板を含むインクジェット式記録ヘッド１の全体を示す分解斜視図を示す。
【００７４】
図１０に示すように、ノズルプレート１０、振動板３０、圧電アクチュエータ４０を備えた圧力室基板２０を筐体２５に収めてインクジェット式記録ヘッド１は構成されている。
【００７５】
上記した製造工程で形成された圧力室基板２０は、圧力室（キャビティ、圧力室）２１、側壁（隔壁）２２、リザーバ２３および供給口２４が形成されている。圧力室２１は、吐出されるべきインクを貯蔵する空間となっている。側壁２２は複数の圧力室２１の間を仕切るよう形成されている。リザーバ２３は、インクを共通して各圧力室２１に補充するためのインクの一時的貯蔵部となっている。リザーバ２３には、筐体２５を介して図示しない外部のインクカートリッジからインクが供給されるようになっている。供給口２４は、リザーバ２３から各圧力室２１にインクを導入する供給口として形成されている。圧電アクチュエータの下部電極４１と個々の上部電極４４との間には、図示しない配線により、実施形態１の圧電アクチュエータ４０であれば図４の、実施形態２の圧電アクチュエータ４０ｂであれば図８のような駆動パルスを供給することが可能になっている。
【００７６】
図１１に本実施形態のプリンタの構造を説明する斜視図を示す。また図１２に駆動回路２とインクジェット式記録ヘッド１の電気的接続を示すブロック図を示す。
【００７７】
本プリンタは、インクジェット式記録ヘッド１、駆動回路２、トレイ３、排出口４、給紙機構６、ヘッド駆動機構７および操作パネル９を本体８に備えて構成されている。
【００７８】
給紙機構６は、モータ６００、ローラ６０１および６０２を備え、駆動回路２からの制御信号に応じてトレイ３に載置された用紙５を本体８内部に導入できるようになっている。
【００７９】
ヘッド駆動機構７は、モータおよび図示しない機構要素を備え、駆動回路２からの制御信号に応じて、供給された用紙５の位置に対応させてヘッド１を図面矢印方向に適宜移動させ駆動回路２から供給される駆動信号Ｓｐに対応させたタイミングでヘッド１から対応する色のインクを吐出させることが可能に構成されている。
【００８０】
排出口４からは、給紙機構６により供給されヘッド駆動機構７により印字が施された用紙５が排出されるようになっている。
【００８１】
本プリンタでは、フルカラー印刷が可能なようにインクの色に応じたインクジェット式記録ヘッド１が複数一体化されている。具体的には、イエロー、マゼンダ、シアン、ブラックの計４色のインクカートリッジに対応してそれぞれのヘッド１ｙ、１ｍ、１ｃ、１ｙが設けられている。
【００８２】
図１２に示すように、インクジェット式記録ヘッド１はさらに駆動パルス選択回路１００を備えている。駆動パルス選択回路１００は、駆動回路２から供給される駆動パルスＳｐを印字データＳｃに応じて対応する圧電アクチュエータに振り分ける。
【００８３】
駆動回路２は、本発明の圧電アクチュエータの駆動方法に基づいてインクジェット式記録ヘッドの各圧電アクチュエータ４０を駆動するものであり、駆動パルス制御回路２０１、駆動パルス発生回路２０２を備えている。
【００８４】
駆動パルス制御回路２０１は、外部のコンピュータ等から供給される印字信号Ｓｄおよびパルス幅を規定するために回路内に設定されているテーブルを参照して、図２に示すような各期間のパルス幅ｄ１、ｄ２、ｄ３、ｄ４をもつパルス制御信号ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｄ４を駆動パルス発生回路２０２に出力するよう構成されている。また、外部からの印字信号Ｓｄにもとづき印字データＳｃを駆動ノズル選択回路１００に出力するようになっている。
【００８５】
駆動パルス発生回路２０１は駆動パルス制御回路２０１から送られた複数のパルス制御信号ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｄ４に基づいて図４または図８に示すような波形の駆動パルスＳｐを発生させるようになっている。
【００８６】
また図示しないが、駆動回路２は、インクジェット式記録ヘッド１の制御の他、給紙機構６やヘッド駆動機構７への制御信号を出力するようになっている。
【００８７】
特に本実施形態では、駆動回路２には単一極性の電源が供給されている。実施形態１の圧電アクチュエータ４０を使用する場合には正極性の電源＋Ｖｃｃが供給され、上部電極４４には下部電極４１から見て正の電圧が印加されるようになっている。実施形態２の圧電アクチュエータ４０ｂを使用する場合には負極性の電源−Ｖｃｃが供給され、上部電極４４には下部電極４１から見て負の電圧が印加されるようになっている。
【００８８】
上記のような構成において、駆動回路２から出力された駆動信号Ｓｐは、駆動パルス選択回路１００により選択されて印字データＳｃがドットを形成すべきことを示しているノズルに属する圧電アクチュエータ４０（４０ｂ）に送られる。選択された圧電アクチュエータ４０（４０ｂ）では駆動信号の電圧波形に応じて歪みを生じる。
【００８９】
具体的な動作を図４または図８に示す駆動パルスの一周期に対応させて説明する。図４または図８における電圧維持期ｄ１では第１電圧が供給されている初期状態であるため、圧力室２１の体積が膨張しておりインクがインクタンクやリザーバ２３からから各圧力室２１に充填される。圧力室２１の圧力は高まっていないため、この段階ではノズル１１からインクの液滴は吐出されない。
【００９０】
一方、電圧上昇期ｄ２に入ると電極間の電圧が図４または図８に示す駆動パルス波形の変化に対応して上昇していきく。両電極間にはこの電圧の変化に応じた電界が生じ、圧電体層４２は変形を始める。そして電圧維持期ｄ３において最大電圧である第２電圧に達すると、圧電アクチュエータ４０の体積変化が最も大きくなるため、圧力室２１の圧力が高まり、対応するノズル１１から圧力を受けたインクの液滴が吐出される。このインク液滴により、任意の文字や図形を印刷させることができる。
【００９１】
本発明によれば、圧電アクチュエータにおける分極―電界ヒステリシス特性が非対称であり、抗電界が同一の電界極性側に位置するため、単一極性の電源を用いる駆動回路２を利用していても、大きな圧電アクチュエータの変位を生じさせることができる。これによりインクの吐出性能を向上させることができる。
【００９２】
【発明の効果】
本発明によれば、単一極性の駆動パルスを用いても大きな変位を圧電アクチュエータに生じさせることができる。このため駆動回路の構成を簡単にすることができ、コストダウンが図れる。
【００９３】
また従来同様に正負の極性で変化する駆動パルスを用いた場合には、従来よりも大きな変位で圧電アクチュエータを駆動することができる。
【００９４】
このため本発明によれば、吐出されるインクの量を大きくしたり速度を大きくしたりすることができるため、吐出効率のよいプリンタを提供可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の圧電アクチュエータにおける分極―電界ヒステリシス特性図である。
【図２】実施形態１の圧電アクチュエータの断面図である。
【図３】格子歪みに伴なう強誘電体の分極の発生を説明する図である。
【図４】実施形態１における駆動パルスの波形例である。
【図５】実施形態１における圧電アクチュエータの製造工程断面図である。
【図６】実施形態２の圧電アクチュエータにおける分極―電界ヒステリシス特性図である。
【図７】実施形態２の圧電アクチュエータの断面図である。
【図８】実施形態２における駆動パルスの波形例である。
【図９】実施形態３におけるインクジェット式記録ヘッドの製造工程断面図である。
【図１０】実施形態３のインクジェット式記録ヘッドの分解斜視図である。
【図１１】実施形態３のプリンタの全体斜視図である。
【図１２】実施形態３における駆動回路の一例を示すブロック図である。
【符号の説明】
１…インクジェット式記録ヘッド
２…駆動回路
Ｓｐ…駆動パルス
４０、４０ｂ…圧電アクチュエータ
４１…下部電極
４２…下層側圧電体層
４３…上層側圧電体層
４４…上部電極
４５…圧電体層
【図１】
0004114363.tif 000002
【図２】
0004114363.tif 000003
【図３】
0004114363.tif 000004
【図４】
0004114363.tif 000005
【図５】
0004114363.tif 000006
【図６】
0004114363.tif 000007
【図７】
0004114363.tif 000008
【図８】
0004114363.tif 000009
【図９】
0004114363.tif 000010
【図１０】
0004114363.tif 000011
【図１１】
0004114363.tif 000012
【図１２】
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