压电元件及其驱动方法、压电装置、液体排出装置
阅读：147发布：2023-03-08
专利汇可以提供压电元件及其驱动方法、压电装置、液体排出装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种压电元件，具备压电体和对压电体在给定方向施加 电场 的 电极 ，压电体是在 基板 上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有结晶性的第1强 电介质 结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场施加下，第1强电介质结晶的至少一部分向与第1强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生 相变 的特性的无机化合物结晶组成，在满足下式(1)的条件下被驱动。Emin＜E1＜Emax…(1)(Emin：最小电场施加强度，Emax：最大电场施加强度，E1：从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变开始的最小的电场强度)。，下面是压电元件及其驱动方法、压电装置、液体排出装置专利的具体信息内容。
1.一种压电元件，具备具有压电性的压电体和对该压电体在给定 方向施加电场的电极，其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，
该单结晶膜包含不施加电场时具有结晶性的第1强电介质结晶， 由具有在给定的电场强度E1以上的电场施加下，上述第1强电介质结 晶的至少一部分向与该第1强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介 质结晶发生相变的特性的无机化合物结晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下被驱动，
Emin＜E1＜Emax…(1)
式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变开始的最小的电场强度。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其特征在于，在最小电场施 加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条件下被驱动，
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变大致完全结束的电场强度。
3.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，上述第1 强电介质结晶的极化轴方向相对于上述电极所引起的电场施加方向是 不同的方向。
4.根据权利要求3所述的压电元件，其特征在于，上述电场施加 方向与上述第2强电介质结晶的极化轴方向大致相同。
5.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，
上述第1强电介质结晶是正方晶系结晶、斜方晶系结晶、单斜晶 系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，
上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶、斜方晶系结晶、单斜晶 系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，且是与上述第1强电介质结 晶不同的结晶系。
6.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强电 介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的菱面体晶系结晶，上述 第2强电介质结晶是正方晶系结晶。
7.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强电 介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的正方晶系结晶，上述第 2强电介质结晶是菱面体晶系结晶。
8.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强电 介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的斜方晶系结晶，上述第 2强电介质结晶是正方晶系结晶。
9.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强电 介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的正方晶系结晶，上述第 2强电介质结晶是斜方晶系结晶。
10.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强 电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的菱面体晶系结晶，上 述第2强电介质结晶是斜方晶系结晶。
11.根据权利要求5所述的压电元件，其特征在于，上述第1强 电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的斜方晶系结晶，上述 第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶。
12.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，上述压 电体是由1种或2种以上的钙钛矿型氧化物组成的，可以包含不可避 免杂质。
13.根据权利要求12所述的压电元件，其特征在于，上述压电体 是由下列通式所表示的1种或2种以上的钙钛矿型氧化物组成的，可 以包含不可避免杂质，
通式ABO3
式中，A：是A位置的元素，是选自由Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、 Na、Ca、Cd、Mg、K及镧系元素组成的群中的至少1种元素，B： 是B位置的元素，是选自由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、W、Mn、 Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe及Ni组成的群中的至少1种 元素，
O：氧原子，
A位置元素的克分子数为1.0，且B位置元素的克分子数为1.0的 情况是标准的，不过，A位置元素和B位置元素的克分子数在能取得 钙钛矿构造的范围内可以偏离1.0。
14.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，上述压 电体的从上述第1强电介质结晶向上述第2强电介质结晶的电场感应 所引起的相变在-50～200℃的范围产生。
15.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，上述压 电体是厚度20μm以下的压电膜。
16.根据权利要求1或2所述的压电元件，其特征在于，上述无 机化合物结晶具有在从上述第1强电介质结晶向上述第2强电介质结 晶的相变后，通过进一步增加电场施加强度，从而使上述第2强电介 质结晶的至少一部分向与上述第2强电介质结晶不同的结晶系的第3 强电介质结晶发生相变的特性。
17.一种压电元件的驱动方法，是具备具有压电性的压电体和对 该压电体在给定方向施加电场的电极的压电元件的驱动方法，其特征 在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下驱动，
Emin＜E1＜Emax…(1)
式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变开始的最小的电场强度。
18.根据权利要求17所述的压电元件的驱动方法，其特征在于， 在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条 件下驱动，
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变大致完全结束的电场强度。
19.一种压电装置，具备：
具备具有压电性的压电体和对该压电体在给定方向施加电场的电 极的压电元件；以及
对该压电元件的驱动进行控制的控制装置，
其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
上述控制装置在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度 Emax满足下式(1)的条件下驱动上述压电元件，
Emin＜E1＜Emax…(1)
式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变开始的最小的电场强度。
20.根据权利要求19所述的压电装置，其特征在于，上述控制装 置在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2) 的条件下驱动上述压电元件，
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的 相变大致完全结束的电场强度。
21.一种液体排出装置，其特征在于具备：
权利要求19或20所述的压电装置；以及
具有存积液体的液体存积室及把上述液体从上述液体存积室排出 到外部的液体排出口的液体存积排出部件。
技术领域
本发明涉及压电元件及其驱动方法，特别是涉及压电体的结晶构 造和驱动条件。本发明还涉及具备压电元件和控制其驱动的控制装置 的压电装置及使用了该压电装置的液体排出装置。
背景技术
具备具有随着电场施加强度的增减而伸缩的压电性的压电体和在 给定方向对压电体施加电场的电极的压电元件是用作喷墨式记录头上 搭载的作动器等。
作为压电材料，公知的是采用具有锆钛酸铅(PZT)等钙钛矿构造的 复合氧化物。这种压电材料是在不施加电场时具有自发极化性的强电 介质，以前的压电元件一般是在与强电介质的极化轴一致的方向施加 电场，从而利用在极化轴方向伸长的「压电效应」(现有技术1)。即， 以前重要的是按电场施加方向和极化轴方向一致的方式进行材料设计 (极化轴＝电场施加方向)。
然而，仅仅利用强电介质的上述压电效应，应变变位量是有限的， 而现在要求更大的应变变位量。
另一方面，随着电子设备的小型轻量化·高功能化，对于其上搭 载的压电元件也在推进小型轻量化·高功能化。例如，对于喷墨式记 录头，为了高画质化而研究了压电元件的高密度化，与其伴随，研究 了压电元件的薄型化。若使压电元件薄型化，则即使与以前同样施加 电压，压电体上的电场施加强度也会增加，原样采用与以前同样的材 料设计不能得到充分的压电效应。
公知的是，强电介质的上述压电效应所涉及的压电特性(电场施加 强度和应变变位量的关系)大致具有图6的曲线Q(现有技术1)所示的关 系。曲线Q表明，到某电场施加强度Ex为止，相对于电场施加强度的 增加，应变变位量直线地增加，而超过电场施加强度Ex的话，相对于 电场施加强度的增加的应变变位量的增加会显著变小，应变变位量大 致饱和。
以前是在相对于电场施加强度的增加而应变变位量直线地增加的 电场施加强度0～Ex的范围内使用(也基于材料，例如，Ex＝5～ 100kV/cm的程度，最大电场施加强度＝0.1～10kV/cm的程度)。然而， 若使压电元件薄型化，则即使与以前同样施加电压，压电体上的电场 施加强度也会增加，所以例如会在0～Ey(Ey＞Ex)的范围内使用。该场 合的实质上的压电常数由虚线Q′所示的倾斜度表明，比0～Ex的范围 内的压电常数小，元件本来具有的压电特性不能充分发挥。
特别是在把最小电场施加强度和最大电场施加强度的差设为与以 前同样水平的场合，例如在Ex～Ey的范围内使用的场合，就会在几乎 没有应变变位的范围内使用，作为压电元件不能充分发挥作用。
在这种背景下，专利文献1提出了通过施加电场而使压电体发生 相变的压电元件(现有技术2)。该文献披露了具备相变膜、电极、按 居里点Tc附近的温度T调整相变膜的发热体的压电元件(参照权利要求 1)。作为相变膜可以列举在正方晶系和菱面体晶系之间，或者在菱面体 晶系或正方晶系和立方晶系之间转变的膜(参照权利要求2)。
专利文献1记载的压电元件借助于强电介质的压电效应和与相变 伴随的结晶构造的变化所引起的体积变化，能获得比以前大的应变变 位量。
作为压电材料，公知的是采用具有锆钛酸铅(PZT)等钙钛矿构造的 复合氧化物。这种压电材料是在不施加电场时具有自发极化性的强电 介质，以前的压电元件一般是在与强电介质的极化轴一致的方向施加 电场，从而利用在极化轴方向伸长的「压电效应」(现有技术1)。即， 以前重要的是按电场施加方向和极化轴方向一致的方式进行材料设计 (极化轴＝电场施加方向)。
然而，仅仅利用强电介质的上述压电效应，应变变位量是有限的， 而现在要求更大的应变变位量。
另一方面，随着电子设备的小型轻量化·高功能化，对于其上搭 载的压电元件也在推进小型轻量化·高功能化。例如，对于喷墨式记 录头，为了高画质化而研究了压电元件的高密度化，与其伴随，研究 了压电元件的薄型化。若使压电元件薄型化，则即使与以前同样施加 电压，压电体上的电场施加强度也会增加，原样采用与以前同样的材 料设计不能得到充分的压电效应。
公知的是，强电介质的上述压电效应所涉及的压电特性(电场施加 强度和应变变位量的关系)大致具有图6的曲线Q(现有技术1)所示的关 系。曲线Q表明，到某电场施加强度Ex为止，相对于电场施加强度的 增加，应变变位量直线地增加，而超过电场施加强度Ex的话，相对于 电场施加强度的增加的应变变位量的增加会显著变小，应变变位量大 致饱和。
以前是在相对于电场施加强度的增加而应变变位量直线地增加的 电场施加强度0～Ex的范围内使用(也基于材料，例如，Ex＝5～ 100kV/cm的程度，最大电场施加强度＝0.1～10kV/cm的程度)。然而， 若使压电元件薄型化，则即使与以前同样施加电压，压电体上的电场 施加强度也会增加，所以例如会在0～Ey(Ey＞Ex)的范围内使用。该场 合的实质上的压电常数由虚线Q′所示的倾斜度表明，比0～Ex的范围 内的压电常数小，元件本来具有的压电特性不能充分发挥。
特别是在把最小电场施加强度和最大电场施加强度的差设为与以 前同样水平的场合，例如在Ex～Ey的范围内使用的场合，就会在几乎 没有应变变位的范围内使用，作为压电元件不能充分发挥作用。
在这种背景下，专利文献1提出了通过施加电场而使压电体发生 相变的压电元件(现有技术2)。该文献披露了具备相变膜、电极、按 居里点Tc附近的温度T调整相变膜的发热体的压电元件(参照权利要求 1)。作为相变膜可以列举在正方晶系和菱面体晶系之间，或者在菱面体 晶系或正方晶系和立方晶系之间转变的膜(参照权利要求2)。
专利文献1记载的压电元件借助于强电介质的压电效应和与相变 伴随的结晶构造的变化所引起的体积变化，能获得比以前大的应变变 位量。
发明内容
发明打算解决的课题
在专利文献1中，作为相变膜，列举的都是在作为强电介质的正 方晶系和菱面体晶系之间发生相变的膜和在作为强电介质的菱面体晶 系或正方晶系和作为通常电介质的立方晶系之间发生转变的膜。然而， 专利文献1记载的压电元件(现有技术2)是在居里点Tc附近使用的东 西。居里点Tc相当于强电介质和通常电介质的相变温度，所以在居里 点Tc附近使用的场合，不可能得到在正方晶系和菱面体晶系之间发生 相变的膜。因此，专利文献1记载的压电元件只能是利用强电介质和 通常电介质之间的相变的东西。这种元件因为通常电介质不具有自发 极化性，所以不能得到在相变后通过施加电场而在极化轴方向伸长的 压电效应。
专利文献1记载的压电元件的压电特性大致如图6的曲线R(现有 技术2)所示。在这里，为容易比较，相变前的压电特性与只利用强电 介质的压电效应的上述现有技术1的曲线Q相同。曲线R表明，相变 前由于强电介质的压电效应，相对于电场施加强度的增加，应变变位 量直线地增加，从相变开始的电场施加强度E1到相变大致完成的电场 施加强度E2，由于伴随相变的结晶构造的变化，应变变位量增加，若 超过向通常电介质的相变大致完成的电场施加强度E2的话，则不能获 得强电介质的压电效应，因而施加其以上电场，应变变位量也不增加。
与只利用强电介质的压电效应的现有技术1同样，若使压电元件 薄型化，则会包含没有应变变位量的电场施加强度高的范围来使用， 不是有效的。
本发明是鉴于上述情况而提出的，目的在于提供一种能稳定地得 到大的应变变位量，也能对应薄型化的压电元件及其驱动方法。本发 明的目的还在于提供一种具备上述压电元件和控制其驱动的控制装置 的压电装置。
解决课题的方案
本发明的压电元件，具备具有压电性的压电体和对该压电体在给 定方向施加电场的电极，其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，该单结晶膜包含不施加 电场时具有结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1 以上的电场施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1 强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无 机化合物结晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下被驱动。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电元件中，上述压电体可以是在不施加电场时只由 第1强电介质结晶组成的单结晶，也可以是在不施加电场时由第1强 电介质结晶和结晶系不同的其他强电介质结晶混合而成的单结晶或者 多结晶。还有，上述第1强电介质结晶可以是在不施加电场时具有极 化轴方向统一了的单一畴构造，也可以是具有由极化轴方向不同的多 个畴组成的多畴构造。
本发明的压电元件优选的是在最小电场施加强度Emin及最大电 场施加强度Emax满足下式(2)的条件下被驱动。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
在本说明书中，「从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变 大致完全结束的电场强度E2」是指即使施加其以上的电场，也不发生 其以上的相变的电场强度。即使施加E2以上的电场强度，第1强电介 质结晶的一部分也不发生相变而是维持原样。
在本发明的压电元件中，优选的是，上述第1强电介质结晶的极 化轴方向相对于上述电极所引起的电场施加方向是不同的方向。特别 优选的是，上述电场施加方向与上述第2强电介质结晶的极化轴方向 大致相同。
在本说明书中，「电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方 向大致相同」定义为电场施加方向和第2强电介质结晶的极化轴方向 的偏差在±20°以内。
在「背景技术」一项中叙述了对于只利用强电介质的压电效应的 以前一般的压电元件(现有技术1)而言，重要的是在与强电介质的极化 轴一致的方向施加电场。若原样将其适用于从第1强电介质结晶向第2 强电介质结晶发生相变的本发明的系，则是与相变前的第1强电介质 结晶的极化轴一致而施加电场。
本发明的压电元件，与现有技术1不同，改变了第1强电介质结 晶的极化轴方向和电场施加方向，优选的是使电场施加方向与第2强 电介质结晶的极化轴方向大致一致，从而得到「工程畴效应」等，是 优选的。
「块状单结晶体的工程畴效应」记载于″Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals″， S.E.Park et.al.，JAP，82，1804(1997)。
上述文献记载了对于PZN-8％PT单结晶体，改变第1强电介质 结晶(菱面体晶系)的极化轴方向和电场施加方向而施加电场，从而得到 比使电场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致的情况大的 变位量，将此作为「工程畴效应」。
还有，上述文献的图17中记载了进一步提高电压而从菱面体晶系 向正方晶系发生相变的情况。
但是，上述文献对于相变后的压电特性没有特别议论。还有，对 于在本发明中使用的基板上形成的薄膜材料完全没有提到。还有，对 于把最小电场施加强度和最大电场施加强度设定在特定的范围内而进 行驱动的情况也没有提到。即，上述文献虽然报告了「块状单结晶体 的工程畴效应」，但只是报告了该效应，对于薄膜材料的应用、作为压 电元件的具体利用等则没有提到。
在本发明的压电元件中，作为上述第1强电介质结晶和上述第2 强电介质结晶的组合，可以列举上述第1强电介质结晶是正方晶系结 晶、斜方晶系结晶、单斜晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种， 上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶、斜方晶系结晶、单斜晶系结 晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，且是与上述第1强电介质结晶不 同的结晶系的组合。
强电介质结晶的极化轴如下。
正方晶系：<001>，斜方晶系：<110>，菱面体晶系：<111>
电场施加方向通常是压电体膜的厚度方向(相对于压电体膜的表 面垂直的方向，即取向方向)。
如果考虑上述极化轴，作为电场施加方向(取向方向)与相变后的第 2强电介质结晶的极化轴方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2 强电介质结晶的组合，可以列举，
(1)上述第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的 菱面体晶系结晶，上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(2)上述第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的 正方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合，
(3)上述第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的 斜方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(4)上述第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的 正方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(5)上述第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的 菱面体晶系结晶，上述第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(6)上述第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的 斜方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合。
在本说明书中，第1强电介质结晶在大致方向具有结晶取向 性定义为方向相对于基板表面大致垂直。
在本发明的压电元件中，作为上述压电体，可以列举由1种或2 种以上的钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
作为上述压电体，优选的是由下列通式所表示的1种或2种以上 的钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
通式ABO3
(式中，A：是A位置的元素，是选自由Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、 Na、Ca、Cd、Mg、K及镧系元素组成的群中的至少1种元素，
B：是B位置的元素，是选自由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、 W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe及Ni组成的群中的 至少1种元素，
O：氧原子，
A位置元素的克分子数为1.0，且B位置元素的克分子数为1.0的 情况是标准的，不过，A位置元素和B位置元素的克分子数在能取得 钙钛矿构造的范围内可以偏离1.0。)
在本发明的压电元件中，优选的是，上述压电体的从上述第1强 电介质结晶向上述第2强电介质结晶的电场感应所引起的相变在- 50～200℃的范围产生。
在本发明的压电元件中，优选的是，上述压电体为厚度20μm以 下的压电膜。
在本发明的压电元件中，也可以是，上述无机化合物结晶具有在 从上述第1强电介质结晶向上述第2强电介质结晶的相变后，通过进 一步增加电场施加强度，从而使上述第2强电介质结晶的至少一部分 向与上述第2强电介质结晶不同的结晶系的第3强电介质结晶发生相 变的特性。
本发明的压电元件的驱动方法是具备具有压电性的压电体和对该 压电体在给定方向施加电场的电极的压电元件的驱动方法，其特征在 于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下驱动。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电元件的驱动方法中，优选的是，在最小电场施加 强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条件下驱动。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
本发明的压电装置，具备：
具备具有压电性的压电体和对该压电体在给定方向施加电场的电 极的压电元件；以及
对该压电元件的驱动进行控制的控制装置，
其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
上述控制装置在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度 Emax满足下式(1)的条件下驱动上述压电元件。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电装置中，优选的是，上述控制装置在最小电场施 加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条件下驱动上述 压电元件。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
本发明的液体排出装置，其特征在于具备：上述本发明的压电装 置；以及具有存积液体的液体存积室及把上述液体从上述液体存积室 排出到外部的液体排出口的液体存积排出部件。
发明的效果
本发明的压电装置的构成是，
作为压电体，是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具 有结晶性的第1强电介质结晶，采用具有在给定的电场强度E1以上的 电场施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介 质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合 物结晶，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式 (1)，优选的是满足下式(2)的条件下驱动。
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。电场强度E2是从第1强电介质结晶向 第2强电介质结晶的相变大致完全结束的电场强度。)
在本发明的压电元件中，能得到压电体的与相变伴随的结晶构造 的变化所引起的体积变化，而且，压电体在相变前后都是由强电介质 结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电效应，在满足 上述式(1)、(2)中的任意一个条件下驱动，总体上都能得到大的应变变 位量。
在本发明的压电元件中，压电体是在基板上形成的单结晶，因而 从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变能稳定地进行，能稳 定地得到大的应变变位量。
在上述构成中，与采用块状单结晶的场合相比，在材料组成的多 样性、制造容易性、成本、形状设计自由度等方面是有利的。
如果以相同化学式组成的压电体进行比较，本发明的压电元件是 在最大电场施加强度Emax与只利用强电介质的压电效应的以前一般 的压电元件(「背景技术」的现有技术1)的最大电场施加强度同等或比 其高的条件下驱动的东西，即使施加与以前同样的电压，在成为高的 电场施加强度的薄型的压电元件中会进一步发挥效应。
在本发明的压电元件中，优选的是，第1强电介质结晶的极化轴 方向为与电场施加方向不同的方向。特别优选的是，电场施加方向与 第2强电介质结晶的极化轴方向大致相同。这种构成能发挥「工程畴 效应」，并且相变能效率很好地进行，能稳定地得到大的应变变位量， 是优选的。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的实施方式的压电元件及具备它的喷墨 式记录头(液体排出装置)的构造的主要部分断面图。
图2是表示图1的压电元件上的压电体的压电特性的图。
图3是表示钛酸钡的温度T、吉布斯能G、结晶系的关系的图。
图4是表示具备图1的喷墨式记录头的喷墨式记录装置的构成例 的图。
图5是图4的喷墨式记录装置的局部俯视图。
图6是表示现有压电元件上的压电体的压电特性的图。
图7是表示PZN-8％PT单结晶体的工程畴效应的图。
图8是表示对实施例2的压电体膜实施XRD测量所得的结果的 图。
图9是表示实施例2的压电体膜的断面TEM像的结果的图。
图10是表示实施例2的压电体膜的电子束衍射图形的结果的图。
图11是表示对实施例2的压电体膜通过改变施加在该压电体膜上 的电场而进行XRD测量所观察到的峰值移动的图。
图12是表示施加在实施例2的压电体膜上的电场和压电体膜的应 变(％)的关系。
符号说明
1压电元件
2压电作动器(压电装置)
3、3K、3C、3M、3Y喷墨式记录头(液体排出装置)
12、14电极
13压电体
15控制装置
20油墨喷嘴(液体存积排出部件)
21油墨室(液体存积室)
22油墨排出口(液体排出口)
100喷墨式记录装置
在专利文献1中，作为相变膜，列举的都是在作为强电介质的正 方晶系和菱面体晶系之间发生相变的膜和在作为强电介质的菱面体晶 系或正方晶系和作为通常电介质的立方晶系之间发生转变的膜。然而， 专利文献1记载的压电元件(现有技术2)是在居里点Tc附近使用的东 西。居里点Tc相当于强电介质和通常电介质的相变温度，所以在居里 点Tc附近使用的场合，不可能得到在正方晶系和菱面体晶系之间发生 相变的膜。因此，专利文献1记载的压电元件只能是利用强电介质和 通常电介质之间的相变的东西。这种元件因为通常电介质不具有自发 极化性，所以不能得到在相变后通过施加电场而在极化轴方向伸长的 压电效应。
专利文献1记载的压电元件的压电特性大致如图6的曲线R(现有 技术2)所示。在这里，为容易比较，相变前的压电特性与只利用强电 介质的压电效应的上述现有技术1的曲线Q相同。曲线R表明，相变 前由于强电介质的压电效应，相对于电场施加强度的增加，应变变位 量直线地增加，从相变开始的电场施加强度E1到相变大致完成的电场 施加强度E2，由于伴随相变的结晶构造的变化，应变变位量增加，若 超过向通常电介质的相变大致完成的电场施加强度E2的话，则不能获 得强电介质的压电效应，因而施加其以上电场，应变变位量也不增加。
与只利用强电介质的压电效应的现有技术1同样，若使压电元件 薄型化，则会包含没有应变变位量的电场施加强度高的范围来使用， 不是有效的。
本发明是鉴于上述情况而提出的，目的在于提供一种能稳定地得 到大的应变变位量，也能对应薄型化的压电元件及其驱动方法。本发 明的目的还在于提供一种具备上述压电元件和控制其驱动的控制装置 的压电装置。
解决课题的方案
本发明的压电元件，具备具有压电性的压电体和对该压电体在给 定方向施加电场的电极，其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，该单结晶膜包含不施加 电场时具有结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1 以上的电场施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1 强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无 机化合物结晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下被驱动。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电元件中，上述压电体可以是在不施加电场时只由 第1强电介质结晶组成的单结晶，也可以是在不施加电场时由第1强 电介质结晶和结晶系不同的其他强电介质结晶混合而成的单结晶或者 多结晶。还有，上述第1强电介质结晶可以是在不施加电场时具有极 化轴方向统一了的单一畴构造，也可以是具有由极化轴方向不同的多 个畴组成的多畴构造。
本发明的压电元件优选的是在最小电场施加强度Emin及最大电 场施加强度Emax满足下式(2)的条件下被驱动。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
在本说明书中，「从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变 大致完全结束的电场强度E2」是指即使施加其以上的电场，也不发生 其以上的相变的电场强度。即使施加E2以上的电场强度，第1强电介 质结晶的一部分也不发生相变而是维持原样。
在本发明的压电元件中，优选的是，上述第1强电介质结晶的极 化轴方向相对于上述电极所引起的电场施加方向是不同的方向。特别 优选的是，上述电场施加方向与上述第2强电介质结晶的极化轴方向 大致相同。
在本说明书中，「电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方 向大致相同」定义为电场施加方向和第2强电介质结晶的极化轴方向 的偏差在±20°以内。
在「背景技术」一项中叙述了对于只利用强电介质的压电效应的 以前一般的压电元件(现有技术1)而言，重要的是在与强电介质的极化 轴一致的方向施加电场。若原样将其适用于从第1强电介质结晶向第2 强电介质结晶发生相变的本发明的系，则是与相变前的第1强电介质 结晶的极化轴一致而施加电场。
本发明的压电元件，与现有技术1不同，改变了第1强电介质结 晶的极化轴方向和电场施加方向，优选的是使电场施加方向与第2强 电介质结晶的极化轴方向大致一致，从而得到「工程畴效应」等，是 优选的。
「块状单结晶体的工程畴效应」记载于″Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals″， S.E.Park et.al.，JAP，82，1804(1997)。
上述文献记载了对于PZN-8％PT单结晶体，改变第1强电介质 结晶(菱面体晶系)的极化轴方向和电场施加方向而施加电场，从而得到 比使电场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致的情况大的 变位量，将此作为「工程畴效应」。
还有，上述文献的图17中记载了进一步提高电压而从菱面体晶系 向正方晶系发生相变的情况。
但是，上述文献对于相变后的压电特性没有特别议论。还有，对 于在本发明中使用的基板上形成的薄膜材料完全没有提到。还有，对 于把最小电场施加强度和最大电场施加强度设定在特定的范围内而进 行驱动的情况也没有提到。即，上述文献虽然报告了「块状单结晶体 的工程畴效应」，但只是报告了该效应，对于薄膜材料的应用、作为压 电元件的具体利用等则没有提到。
在本发明的压电元件中，作为上述第1强电介质结晶和上述第2 强电介质结晶的组合，可以列举上述第1强电介质结晶是正方晶系结 晶、斜方晶系结晶、单斜晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种， 上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶、斜方晶系结晶、单斜晶系结 晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，且是与上述第1强电介质结晶不 同的结晶系的组合。
强电介质结晶的极化轴如下。
正方晶系：<001>，斜方晶系：<110>，菱面体晶系：<111>
电场施加方向通常是压电体膜的厚度方向(相对于压电体膜的表 面垂直的方向，即取向方向)。
如果考虑上述极化轴，作为电场施加方向(取向方向)与相变后的第 2强电介质结晶的极化轴方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2 强电介质结晶的组合，可以列举，
(1)上述第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的 菱面体晶系结晶，上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(2)上述第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的 正方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合，
(3)上述第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的 斜方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(4)上述第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的 正方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(5)上述第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的 菱面体晶系结晶，上述第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(6)上述第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的 斜方晶系结晶，上述第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合。
在本说明书中，第1强电介质结晶在大致
在本发明的压电元件中，作为上述压电体，可以列举由1种或2 种以上的钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
作为上述压电体，优选的是由下列通式所表示的1种或2种以上 的钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
通式ABO3
(式中，A：是A位置的元素，是选自由Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、 Na、Ca、Cd、Mg、K及镧系元素组成的群中的至少1种元素，
B：是B位置的元素，是选自由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、 W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe及Ni组成的群中的 至少1种元素，
O：氧原子，
A位置元素的克分子数为1.0，且B位置元素的克分子数为1.0的 情况是标准的，不过，A位置元素和B位置元素的克分子数在能取得 钙钛矿构造的范围内可以偏离1.0。)
在本发明的压电元件中，优选的是，上述压电体的从上述第1强 电介质结晶向上述第2强电介质结晶的电场感应所引起的相变在- 50～200℃的范围产生。
在本发明的压电元件中，优选的是，上述压电体为厚度20μm以 下的压电膜。
在本发明的压电元件中，也可以是，上述无机化合物结晶具有在 从上述第1强电介质结晶向上述第2强电介质结晶的相变后，通过进 一步增加电场施加强度，从而使上述第2强电介质结晶的至少一部分 向与上述第2强电介质结晶不同的结晶系的第3强电介质结晶发生相 变的特性。
本发明的压电元件的驱动方法是具备具有压电性的压电体和对该 压电体在给定方向施加电场的电极的压电元件的驱动方法，其特征在 于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(1) 的条件下驱动。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电元件的驱动方法中，优选的是，在最小电场施加 强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条件下驱动。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
本发明的压电装置，具备：
具备具有压电性的压电体和对该压电体在给定方向施加电场的电 极的压电元件；以及
对该压电元件的驱动进行控制的控制装置，
其特征在于，
上述压电体是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有 结晶性的第1强电介质结晶，由具有在给定的电场强度E1以上的电场 施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介质结 晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合物结 晶组成，
上述控制装置在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度 Emax满足下式(1)的条件下驱动上述压电元件。
Emin＜E1＜Emax…(1)
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。)
在本发明的压电装置中，优选的是，上述控制装置在最小电场施 加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式(2)的条件下驱动上述 压电元件。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
(式中，电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变大致完全结束的电场强度。)
本发明的液体排出装置，其特征在于具备：上述本发明的压电装 置；以及具有存积液体的液体存积室及把上述液体从上述液体存积室 排出到外部的液体排出口的液体存积排出部件。
发明的效果
本发明的压电装置的构成是，
作为压电体，是在基板上形成的单结晶膜，包含不施加电场时具 有结晶性的第1强电介质结晶，采用具有在给定的电场强度E1以上的 电场施加下，上述第1强电介质结晶的至少一部分向与该第1强电介 质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无机化合 物结晶，
在最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax满足下式 (1)，优选的是满足下式(2)的条件下驱动。
(式中，电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变开始的最小的电场强度。电场强度E2是从第1强电介质结晶向 第2强电介质结晶的相变大致完全结束的电场强度。)
在本发明的压电元件中，能得到压电体的与相变伴随的结晶构造 的变化所引起的体积变化，而且，压电体在相变前后都是由强电介质 结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电效应，在满足 上述式(1)、(2)中的任意一个条件下驱动，总体上都能得到大的应变变 位量。
在本发明的压电元件中，压电体是在基板上形成的单结晶，因而 从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变能稳定地进行，能稳 定地得到大的应变变位量。
在上述构成中，与采用块状单结晶的场合相比，在材料组成的多 样性、制造容易性、成本、形状设计自由度等方面是有利的。
如果以相同化学式组成的压电体进行比较，本发明的压电元件是 在最大电场施加强度Emax与只利用强电介质的压电效应的以前一般 的压电元件(「背景技术」的现有技术1)的最大电场施加强度同等或比 其高的条件下驱动的东西，即使施加与以前同样的电压，在成为高的 电场施加强度的薄型的压电元件中会进一步发挥效应。
在本发明的压电元件中，优选的是，第1强电介质结晶的极化轴 方向为与电场施加方向不同的方向。特别优选的是，电场施加方向与 第2强电介质结晶的极化轴方向大致相同。这种构成能发挥「工程畴 效应」，并且相变能效率很好地进行，能稳定地得到大的应变变位量， 是优选的。
附图说明
图1是表示本发明所涉及的实施方式的压电元件及具备它的喷墨 式记录头(液体排出装置)的构造的主要部分断面图。
图2是表示图1的压电元件上的压电体的压电特性的图。
图3是表示钛酸钡的温度T、吉布斯能G、结晶系的关系的图。
图4是表示具备图1的喷墨式记录头的喷墨式记录装置的构成例 的图。
图5是图4的喷墨式记录装置的局部俯视图。
图6是表示现有压电元件上的压电体的压电特性的图。
图7是表示PZN-8％PT单结晶体的工程畴效应的图。
图8是表示对实施例2的压电体膜实施XRD测量所得的结果的 图。
图9是表示实施例2的压电体膜的断面TEM像的结果的图。
图10是表示实施例2的压电体膜的电子束衍射图形的结果的图。
图11是表示对实施例2的压电体膜通过改变施加在该压电体膜上 的电场而进行XRD测量所观察到的峰值移动的图。
图12是表示施加在实施例2的压电体膜上的电场和压电体膜的应 变(％)的关系。
符号说明
1压电元件
2压电作动器(压电装置)
3、3K、3C、3M、3Y喷墨式记录头(液体排出装置)
12、14电极
13压电体
15控制装置
20油墨喷嘴(液体存积排出部件)
21油墨室(液体存积室)
22油墨排出口(液体排出口)
100喷墨式记录装置
具体实施方式
「压电元件」
「压电元件、压电作动器及喷墨式记录头」
参照附图，对于本发明所涉及的实施方式的压电元件、具备它的 压电作动器(压电装置)及喷墨式记录头(液体排出装置)的构造进行说 明。图1是喷墨式记录头的主要部分断面图(压电元件的厚度方向的断 面图)。为便于观看，构成要素的比例与实际东西有所不同。
图1所示的压电元件1是在基板11的表面上依次积层下部电极 12、压电体13和上部电极14而成的元件。压电体13由具有压电性的 无机化合物单结晶组成，由下部电极12和上部电极14在厚度方向施 加电场。
作为基板11，可以列举硅、镓砷、铟磷等半导体单结晶基板、氧 化镁、氧化镁尖晶石、蓝宝石、钛酸锶、铝酸镧、镓酸钕等氧化物单 结晶基板等。作为基板11，可以使用在硅基板上依次积层SiO2膜和Si 活性层而成的SOI基板等积层基板。
作为下部电极12的主要成分，需要能与基板的晶格对齐性很好地 进行外延生长，可以列举Pt、Ir、LaNiO3及SrRuO3等金属或金属氧化 物及它们的组合。作为上部电极14的主要成分，没有特别限制，可以 列举对下部电极20列举的材料、Al、Ta、Cr、Cu、Au、RuO2、IrO2、 ITO等一般在半导体工艺中使用的电极材料及它们的组合。下部电极 12和上部电极14的厚度没有特别限制，优选的是50～500nm。
压电作动器(压电装置)2是在压电元件1的基板11的背面上安装 借助于压电体14的伸缩而振动的振动板16而成的东西。在压电作动 器2上还具备驱动压电元件1的驱动电路等控制装置15。
喷墨式记录头(液体排出装置)3大致是在压电作动器2的背面上安 装具有存积油墨的油墨室(液体存积室)21及从油墨室21向外部排出油 墨的油墨排出口(液体排出口)22的油墨喷嘴(液体存积排出部件)20而 成的东西。
喷墨式记录头3是使压电元件1上施加的电场强度增减，从而使 压电元件1伸缩，由此进行油墨从油墨室21的排出、排出量的控制。
也可以不是安装相对于基板11独立的部件的振动板16及油墨喷 嘴20，而是把基板11的一部分加工成振动板16及油墨喷嘴20。例如， 在基板11由SOI基板等积层基板组成的场合，可以对基板11从背面 侧进行蚀刻而形成油墨室21，通过基板本身的加工而形成振动板16和 油墨喷嘴20。
在本实施方式中，压电体13是在基板上形成的单结晶膜，由不施 加电场时具有结晶性的第1强电介质结晶组成，由具有在给定的电场 强度E1以上的电场施加下，第1强电介质结晶的至少一部分向与第1 强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无 机化合物结晶构成。
本实施方式中的压电体13的压电特性(电场施加强度和应变变位 量的关系)大致如图2的曲线P所示(参照图7(″Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals″， S.E.Park et.al.，JAP，82，1804(1997)，图17))。
电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变开 始的最小的电场强度。电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电 介质结晶的相变大致完全结束的电场强度。通常是E1＜E2，也可以是 E1＝E2。
如图2所示，压电体13具有以下压电特性：在电场施加强度E＝0～ E1时(相变前)，由于第1强电介质结晶的压电效应(工程畴效应)，应变 变位量随着电场施加强度的增加而直线地增加，在电场施加强度 E＝E1～E2时，由于与相变伴随的结晶构造的变化，应变变位量以比在 E＝0～E1范围内大的倾斜度，随着电场施加强度的增加而增加，在电 场施加强度E≥E2时(相变后)，由于第2强电介质结晶的压电效应，应 变变位量随着电场施加强度的增加而直线地增加。
压电体13会发生与相变伴随的结晶构造的变化所引起的体积变 化(电场施加强度E＝E1～E2的范围)，而且，压电体13在相变前后都 是由强电介质结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电 效应，在电场施加强度E＝0～E1、E＝E1～E2、E≥E2中的任一范围内 都能得到大的应变变位量。
在本实施方式中是由控制装置15在最小电场施加强度Emin及最 大电场施加强度Emax满足下式(1)的条件下驱动具有上述特性的压电 体13的构成。即，最小电场施加强度Emin处于不发生相变的范围内(可 以是0)，最大电场施加强度Emax处于至少一部分发生相变的范围内进 行驱动的构成。这种构成能得到第1强电介质结晶的压电效应和与压 电体13的相变伴随的结晶构造的变化所引起的体积变化，能得到大的 应变变位量。
Emin＜E1＜Emax…(1)
在本实施方式中，优选的是，在最小电场施加强度Emin及最大电 场施加强度Emax满足下式(2)的条件下进行驱动的构成。即，优选的 是，在最小电场施加强度Emin处于不发生相变的范围内(可以是0)， 最大电场施加强度Emax处于第1强电介质结晶大致完全向第2强电介 质结晶发生相变的范围内进行驱动的构成。这种构成能得到第1强电 介质结晶的压电效应、与压电体13的相变伴随的结晶构造的变化所引 起的体积变化和第2强电介质结晶的压电效应，能得到大的应变变位 量。图2中表示Emin及Emax满足下式(2)的情况。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
在「背景技术」中，如图6所示，叙述了对于只利用强电介质的 压电效应的以前一般的压电元件(现有技术1)而言，到某电场施加强度 Ex为止，相对于电场施加强度的增加，应变变位量直线地增加，而超 过电场施加强度Ex的话，相对于电场施加强度的增加的应变变位量的 增加会显著变小，应变变位量大致饱和，因而是在应变变位量相对于 电场施加强度的增加而直线地增加的电场施加强度0～Ex的范围内使 用。
如果以相同化学式组成的压电体进行比较，压电体13是按现有技 术1在应变变位量大致饱和之前开始发生相变(E1≤Ex)。
本实施方式的压电元件1是在最大电场施加强度Emax(＞E1)与只 利用强电介质的压电效应的以前一般的压电元件(现有技术1)的最大电 场施加强度同等或比其高的条件下驱动的东西，即使施加与以前同样 的电场，在成为高的电场施加强度的薄型的压电元件中也会更有效果。
压电体13也可以由具有在第1强电介质结晶向上述第2强电介质 结晶的相变后，进一步增加电场施加强度，从而使第2强电介质结晶 的至少一部分向与第2强电介质结晶不同的结晶系的第3强电介质结 晶发生相变的特性的无机化合物结晶构成。在这种构成的压电体13中， 上述从强电介质结晶向不同的结晶相的强电介质结晶的相变发生2次， 所以能得到大的压电应变。
作为压电体13的组成，只要满足上述结晶条件即可，没有特别限 制。作为压电体13，可以列举由1种或2种以上的钙钛矿型氧化物组 成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
作为压电体13，优选的是由下列通式所表示的1种或2种以上的 钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
通式ABO3
(式中，A：是A位置的元素，是选自由Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、 Na、Ca、Cd、Mg、K及镧系元素组成的群中的至少1种元素，
B：是B位置的元素，是选自由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、 W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe及Ni组成的群中的 至少1种元素，
O：氧原子，
A位置元素的克分子数为1.0，且B位置元素的克分子数为1.0的 情况是标准的，不过，A位置元素和B位置元素的克分子数在能取得 钙钛矿构造的范围内可以偏离1.0。)
作为以上述通式表示的钙钛矿型氧化物，可以列举：
钛酸铅、钛锆酸铅(PZT)、锆酸铅、钛酸铅镧、锆钛酸铅镧、铌镁 酸铅-锆钛酸铅、铌镍酸铅-锆钛酸铅、铌锌酸铅-锆钛酸铅等含铅 化合物及它们的混晶系；
钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸钠、铌酸钾、铌 酸锂、铝酸铋、镓酸铋、铁酸铋等非含铅化合物及它们的混晶系。
为使电特性变得更好，压电体13优选的是包含Mg、Ca、Sr、Ba、 Bi、Nb、Ta、W及Ln(＝镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、 Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu))等金属离子中的1种或2种以上。
PZT等有立方晶系、正方晶系和菱面体晶系3种结晶系，钛酸钡 等有立方晶系、正方晶系、斜方晶系和菱面体晶系4种结晶系。
立方晶系是通常电介质，因而第1强电介质结晶是正方晶系结晶、 斜方晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，第2强电介质结晶是 正方晶系结晶、斜方晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，且是 与第1强电介质结晶不同的结晶系。PZT等如上所述没有斜方晶系， 因而第1强电介质结晶和第2强电介质结晶中，一方是正方晶系，另 一方是菱面体晶系。
一般而言，包括强电介质的所有电介质的吉布斯自由能G以下式 表示，某种组成的电介质的结晶系由应力、电场、温度单意地决定。
G＝U+Xixi-EiPi-TS
(U：内能，Xi：应力，xi：应变，Ei：电场，Pi：极化，T：温度， S：熵)
图3表示钛酸钡(BaTiO3)的温度T、吉布斯自由能G、结晶系的关 系。菱面体晶系和斜方晶系的相变温度为-80℃的程度，斜方晶系和 正方晶系的相变温度为10℃的程度，正方晶系和立方晶系的相变温度 为120℃的程度。PZT，除了没有斜方晶系以外，在倾向上是同样的。
本实施方式的压电元件1在压电体13为厚度20μm以下的薄的 压电膜的场合有效。
上述构成与采用块状单结晶的场合相比，在材料的多样性、制造 容易性、成本、形状设计自由度等方面有利。在「背景技术」一项中 叙述了对于只利用强电介质的压电效应的以前一般的压电元件(现有技 术1)而言，重要的是在与强电介质的极化轴一致的方向施加电场。若 原样将其适用于从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶发生相变的 本实施方式的系，则是与相变前的第1强电介质结晶的极化轴一致而 施加电场。
在本实施方式中，优选的是，不采用现有技术1的电场施加方向， 而是把第1强电介质结晶的极化轴方向设为与电极12、14所进行的电 场施加方向不同的方向。这种构成能得到「工程畴效应」，是优选的。
「工程畴效应」是通过改变第1强电介质结晶的极化轴方向和电 场施加方向而使电场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致， 从而能稳定地得到大的变位量的效应。
即，在改变了第1强电介质结晶的极化轴方向和电场施加方向的 场合，在电场施加强度E＝0～E1的范围内，相对于电场施加强度的增 加的应变变位量的增加的倾斜度(压电常数)，由于工程畴效应，与使电 场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致的情况相比，会变 大。
还有，第1强电介质结晶的极化轴方向是与电场施加方向不同的 方向的构成，特别是电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方向 大致相同的构成，除了能得到「工程畴效应」之外，还能得到新的效 应。
本发明者发现，若使电场施加方向和相变后的第2强电介质结晶 的极化轴方向大致相同，则从第1强电介质结晶向极化轴不同的第2 强电介质结晶的相变会效率最好地进行。可以推断，这是因为若极化 轴和电场施加方向一致，则在结晶上是稳定的，第1强电介质结晶相 容易向更稳定的第2强电介质结晶发生相变。
有时即使施加电场施加强度E2以上的电场，也不向第2强电介质 结晶发生相变，而是会有第1强电介质结晶的一部分残留，不过，若 从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变效率很好地进行，则 在施加了电场施加强度E2以上的电场时，能减小不向第2强电介质结 晶发生相变而残留的第1强电介质结晶的比例，也可以稳定地使所有 第1强电介质结晶向第2强电介质结晶发生相变。结果，在电场施加 强度E＝E1～E2的范围内，与使电场施加方向与第1强电介质结晶的极 化轴方向一致的情况相比，能稳定地得到大的应变变位量。
还有，在向第2强电介质结晶发生相变后，电场施加方向和极化 轴大致一致，因而在电场施加强度E≥E2的情况下，第2强电介质结 晶的压电效应会有效地发挥，与使电场施加方向与第1强电介质结晶 的极化轴方向一致的情况相比，能稳定地得到大的应变变位量。
上述效果至少能在第1强电介质结晶的极化轴方向是与电场施加 方向不同的方向的情况下得到，电场施加方向越接近相变后的第2强 电介质结晶的极化轴方向，越会显著地发挥。
归纳起来，改变第1强电介质结晶的极化轴方向和电场施加方向， 优选的是使电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方向一致而进 行相变，能得到以下的效果。
(a)在电场施加强度E＝0～E1的范围内，由于「工程畴效应」，能 稳定地得到较大的应变变位量。
(b)在电场施加强度E＝E1～E2的范围内，相变效率会很好地进行， 所以能稳定地得到较大的应变变位量。
(c)在电场施加强度E≥E2的范围内，第2强电介质结晶的压电效 应会有效地发挥，所以能稳定地得到较大的应变变位量。
即，不论在哪一电场施加强度的范围内，都能稳定地得到较大的 应变变位量。
以下，对于电场施加方向与相变后的第2强电介质结晶的极化轴 方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2强电介质结晶的组合进 行具体说明。
强电介质结晶的极化轴如下。
正方晶系：<001>，斜方晶系：<110>，菱面体晶系：<111>
电场施加方向通常是压电体13的厚度方向(相对于压电体13的表 面垂直的方向，即取向方向)。
如果考虑上述极化轴，作为电场施加方向(取向方向)与相变后的第 2强电介质结晶的极化轴方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2 强电介质结晶的组合，可以列举，
(1)第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的菱面 体晶系结晶，第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(2)第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的正方 晶系结晶，第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合，
(3)第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的斜方 晶系结晶，第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(4)第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的正方 晶系结晶，第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(5)第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的菱面 体晶系结晶，第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(6)第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的斜方 晶系结晶，第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合。
对于本实施方式的压电元件1而言，优选的是基本上按只改变电 场施加强度而实施压电体13从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变的方式进行设计。即，优选的是，压电体13的组成及采用哪个 结晶系间的相变要按成为在使用环境温度下电场感应所引起的相变能 发生的系的方式来决定。不过，根据需要，也可以按元件温度成为相 变温度的方式进行调温。总之，优选的是，在相变温度或其附近进行 驱动，使得从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变能效率很 好地发生。
以前，一般是在常温下使用压电元件，以常温下的使用为前提进 行设计，不过，今后在更高温的环境下(例如在汽车的发动机周围、CPU 周围等用途方面会在80℃以上，在喷墨式用途方面也会因油墨粘度降 低而成为40～80℃)、更低温的环境下(例如冰箱内等)也有可能使用。 具体而言，今后优选的是考虑-50～200℃的使用环境温度来设计材 料。
在本实施方式中，如果考虑上述使用环境温度，则压电体13的从 第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变温度优选的是-50～200 ℃的范围。
在使用环境温度为相变温度的条件下，对于PZT而言，在(1)第1 强电介质结晶是在大致<100>方向具有结晶取向性的菱面体晶系结晶， 第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合的场合，随组成、厚度而有 所不同，为E1＝10～150kV/cm的程度，E2＝30～300kV/cm的程度。
如果以相同化学式组成的压电体13进行比较，本实施方式的压电 元件1是在最大电场施加强度Emax(＞E1)与只利用强电介质的压电效 应的以前一般的压电元件(「背景技术」的现有技术1)的最大电场施加 强度(通常为0.1～10kV/cm的程度)同等或比其高(例如100kV/cm以上) 的条件下驱动的东西，还可以适用于即使施加与以前同样的电压也会 成为高的电场施加强度的薄型的压电元件。
薄膜上的应力除了有成膜时的内部应力之外，还有与基板的热膨 胀系数差所引起的应力，不过，一般在-10～+10GPa的范围进行材料 设计即可。
本实施方式的压电元件1的构成是，作为压电体13，是在基板上 形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有结晶性的第1强电介质结晶， 采用具有在给定的电场强度E1以上的电场施加下，第1强电介质结晶 的至少一部分向与第1强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结 晶发生相变的特性的无机化合物结晶，在最小电场施加强度Emin及最 大电场施加强度Emax满足上述式(1)，优选的是满足上述式(2)的条件 下驱动。
在本实施方式的压电元件1中，能得到压电体13的与相变伴随的 结晶构造的变化所引起的体积变化，而且，压电体13在相变前后都是 由强电介质结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电效 应，在满足上述式(1)、(2)中的任意一个条件下驱动，总体上都能得到 大的应变变位量。
上述构成与采用块状单结晶的场合相比，在材料的多样性、制造 容易性、成本、形状设计自由度等方面有利。本实施方式的压电元件1 是在最大电场施加强度Emax与只利用强电介质的压电效应的以前一 般的压电元件的最大电场施加强度同等或比其高的条件下驱动的东 西，还可以适用于即使施加与以前同样的电压也会成为高的电场施加 强度的薄型的压电元件。
在本实施方式的压电元件1中，优选的是，第1强电介质结晶的 极化轴方向为与电场施加方向不同的方向。特别优选的是电场施加方 向与第2强电介质结晶的极化轴方向大致相同。这种构成能发挥「工 程畴效应」，并且相变能效率很好地进行，因而能稳定地得到大的应变 变位量，是优选的。
「喷墨式记录装置」
参照图4及图5，对于具备上述实施方式的喷墨式记录头3的喷 墨式记录装置的构成例进行说明。图4是装置整体图，图5是局部俯 视图。
图示的喷墨式记录装置100大致由以下部分构成：具有按每种油 墨的颜色设置的多个喷墨式记录头(以下简称「头」)3K、3C、3M、3Y 的印字部102；预先储藏向各头3K、3C、3M、3Y供给的油墨的油墨 储藏/装填部114；供给记录纸116的给纸部118；除去记录纸116的卷 曲的去卷曲处理部120；与印字部102的喷嘴面(油墨排出面)对着配置 的，一边保持记录纸116的平面性一边输送记录纸116的吸附皮带输送 部122；读取印字部102的印字结果的印字检测部124；以及把印刷完 毕的记录纸(印刷物)向外部排出的排纸部126。
构成印字部102的头3K、3C、3M、3Y均是上述实施方式的喷墨 式记录头3。
去卷曲处理部120在与卷曲方向相反的方向用加热鼓130对记录 纸116进行加热，实施去卷曲处理。
在使用卷纸的装置中，如图4所示，在去卷曲处理部120的后段 设有裁断用的切割器128，用该切割器把卷纸剪切成希望的尺寸。切割 器128由具有记录纸116的输送路宽度以上的长度的固定刀128A和沿 着该固定刀128A移动的圆刀128B构成，在印字背面侧设有固定刀 128A，夹隔输送路在印字面侧配置有圆刀128B。在使用切好的纸的装 置中，不需要切割器128。
去卷曲处理、剪切后的记录纸116被送至吸附皮带输送部122。吸 附皮带输送部122具有在辊131、132间卷挂无端状的皮带133的构造， 至少与印字部102的喷嘴面及印字检测部124的传感器面对着的部分 为水平面(平面)。
皮带133具有比记录纸116的宽度宽的宽度尺寸，在皮带面上形 成了许多抽吸孔(图示省略)。在辊131、132间架设的皮带133的内侧， 在与印字部102的喷嘴面及印字检测部124的传感器面对着的位置设 有吸附室134，用风扇135抽吸该吸附室134而使其成为负压，从而吸 附、保持皮带133上的记录纸116。
向其上卷挂皮带133的辊131、132中的至少一方传递马达(图示 省略)的动力，从而在图4上的顺时针方向驱动皮带133，把皮带133 上保持的记录纸116从图4的左面向右面输送。
在进行无边印刷等时，皮带133上也会附着油墨，因而在皮带133 的外侧的给定位置(印字区域以外的恰当位置)设有皮带清扫部136。
在由吸附皮带输送部122形成的纸张输送路上，在印字部102的 上游侧，设有加热风扇140。加热风扇140向印字前的记录纸116吹送 加热空气而加热记录纸116。在印字之前预先加热记录纸116，使油墨 在印刷后容易变干。
印字部102是把具有与最大纸宽度对应的长度的线型头配置在与 送纸方向正交的方向(水平扫描方向)的所谓完全线型的头(参照图5)。 各印字头3K、3C、3M、3Y由跨越超过以喷墨式记录装置100为对象 的最大尺寸的记录纸116的至少一边的长度而排列多个油墨排出口(喷 嘴)所得的线型头构成。
沿着记录纸116的输送方向从上游侧起按黑(K)、青(C)、品红(M)、 黄(Y)的顺序配置与各颜色油墨对应的头3K、3C、3M、3Y。一边输送 记录纸116一边从各头3K、3C、3M、3Y分别排出颜色油墨，从而在 记录纸116上记录彩色图像。
印字检测部124由拍摄印字部102的打印结果的线传感器等构成， 从由线传感器读取的打印图像中检测喷嘴的堵孔等排出不良。
在印字检测部124的后段，设有由使印字后的图像面干燥的加热 风扇等构成的后干燥部142。在印字后的油墨干燥之前最好避免与印字 面接触，因而优选的是吹送热风的方式。
在后干燥部142的后段，为了控制图像表面的光泽度而设有加 热·加压部144。加热·加压部144一边加热图像面，一边以具有给定 的表面凹凸形状的加压辊145对图像面进行加压，在图像面上转印凹 凸形状。
从排纸部126排出这样得到的印刷物。优选的是，把本来应该印 刷的本图像(印有目的图像的东西)和试验印字分开排出。在该喷墨式记 录装置100中，为了区分本图像的印刷物和试验印字的印刷物并将其 送至各自的排出部126A、126B，设有切换排纸路径的区分装置(图示 省略)。
在大一点的纸张上并列打印本图像和试验印字的场合，可以是设 置切割器148来切掉试验印字的部分的构成。
喷墨式记记录装置100按以上方式构成。
实施例
对于本发明所涉及的实施例及比较例进行说明。
(实施例1)
在(100)SrTiO3基板的表面上，采用脉冲激光定位法在基板温度700 ℃下形成了厚度0.2μm的SrRuO3下部电极。SrRuO3膜的外延生长的 情况通过RHEED进行了确认。其次，采用脉冲激光定位法，形成了厚 度5μm的PbZr0.55Ti0.45O3薄膜作为压电体。通过X线衍射的逆晶格空 间映射确认了PZT为单结晶。再在其上形成厚度0.2μm的Pt上部电 极，得到本发明的压电元件。
在生成了上述压电膜的时点，对所得到的压电膜进行电场施加X 线衍射(电场施加XRD)测量后确认，不施加电场时是在<001>方向具有 取向性的菱面体晶系结晶(第1强电介质结晶)，在<001>方向施加电场 则向正方晶系结晶(第2强电介质结晶)发生相变。在本实施例中，电场 施加方向与相变后的结晶的极化轴一致。
从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变开始的最小的电 场强度为E1＝50kV/cm，从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相 变大致完全结束的电场强度为E2＝90kV/cm。
用悬臂求出了最小电场施加强度Emin＝20kV/cm(＜E1)～最大电场 施加强度Emax＝150kV/cm(＞E2)下的压电常数d31，为200pm/V。本实 施例的驱动条件是最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax 满足上述式(2)的条件。
(实施例2)
在(100)SrTiO3基板的表面上，采用PLD法在基板温度700℃下形 成了厚度0.2μm的SrRuO3下部电极。SrRuO3膜的外延生长的情况通 过RHEED进行了确认。其次，用(Bi0.85，La0.15)(Fe0.4，Al0.6)O3作为靶， 采用PLD法，在激光强度350mJ、激光脉冲频率5Hz、氧分压50mmTorr、 基板-靶间距离50mm、靶转数9.7rpm、基板温度585℃的条件下形成 了厚度600nm的(Bi0.85，La0.15)(Fe0.4，Al0.6)O3薄膜作为压电体。对所获 得的薄膜实施XRD下的结晶构造解析后，确认了是(001)优先取向的钙 钛矿单相膜(图8)。
其次，在该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜上蒸镀150nm厚的Pt上部电 极，对(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜施加电压而测量了双极极化-电场特性 (PE滞后特性)。测量是在频率10kHz、最大施加电压为V＝123kV/cm 的条件下进行的。可确认，结果获得了矩形性良好的PE滞后特性，具 有良好的强感应性。
其次，对该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜进行了断面TEM像的观察和 TEM下的电子束衍射测量，图9、图10表示其结果。
如图10所示，在所获得的电子束衍射图形([100]入射，限制视野 直径～200nm)上确认了清晰的晶格像，确认了(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜 是良好的单结晶膜。
其次，进行了(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜的电场施加X线衍射(电场 施加XRD)测量。在测量中使用了布鲁克(ブルカ一；BRUKER)公司制 D8DISCOVER。照射X线直径设为300μm，先施加DC10V，然后回 到0V，其次施加至9V，然后再回到0V，确认了初始峰值位置的再现 性。其次，缓慢施加电压至DC9V，测量了峰值移动(测量条件的详细 情况参照表1)。
图11表示其结果，图11中只表示了不施加电场时、施加DC8V 及施加DC9V时的XRD结果。如图11所示，在DC0V～DC8V时，与 电压成比例而观察到一些峰值移动(图中，峰值移动是微量的，所以表 示了DC8V的XRD结果)，在施加DC9V时，与到8V为止的移动量相 比，显著地观察到峰值的移动。可以认为，这是到8V为止，观察到反 压电效应所引起的晶格的变化所造成的峰值移动，在施加DC9V时， 观察到相变所引起的大的峰值移动。
进而，根据XRD的晶格常数的变化而算出了该(Bi，La)(Fe，Al)O3 薄膜的应变(％)和施加电压(V)的关系。图12表示其结果，如图12所示， 确认了在施加电压8V处存在变曲点E1，确认了是由于E1的电场施加 而发生了相变。
根据上述结果，确认了该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜是不施加电场时 在<001>方向具有取向性的菱面体晶系结晶(第1强电介质结晶)，在 <001>方向施加电场则向正方晶系结晶(第2强电介质结晶)发生相变。 在本实施例中，电场施加方向与相变后的结晶的极化轴一致。
表1
测角器 布鲁克(ブルカ一；BRUKER)公司制 D8DISCOVER 附加装置 薄膜试料台和电压施加探头 扫描方式 2维检测器固定，入射角固定 X线 45kV/110mA CuKa(单色绘图仪) 衰减器 无 准直管直径 0.3mm 照相机长度 30cm 取样步长 0.02度 曝光时间 外延膜：5～10秒，单轴取向膜：1～3分钟。
(比较例1)
采用(111)SrTiO3基板作为基板，除了形成(111)SrRuO3下部电极以 外，与实施例1同样，得到比较用的压电元件。
对所得到的压电膜与实施例1同样地进行电场施加XRD测量，结 果，不施加电场时是在<111>方向具有取向性的菱面体晶系结晶(在极化 轴方向取向)，即使与实施例1同样地施加电场，相变也不发生。
与实施例1同样，求出了最小电场施加强度Emin＝20kV/cm～最大 电场施加强度Emax＝150kV/cm下的压电常数d31，为130pm/V。
工业实用性
本发明的压电元件适用于喷墨式记录头、磁记录再生头、 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)设备、微泵及超声波探头等 上搭载的压电作动器、铁电存储器(FRAM)等。
专利文献1：特许第3568107号公报
「压电元件、压电作动器及喷墨式记录头」
参照附图，对于本发明所涉及的实施方式的压电元件、具备它的 压电作动器(压电装置)及喷墨式记录头(液体排出装置)的构造进行说 明。图1是喷墨式记录头的主要部分断面图(压电元件的厚度方向的断 面图)。为便于观看，构成要素的比例与实际东西有所不同。
图1所示的压电元件1是在基板11的表面上依次积层下部电极 12、压电体13和上部电极14而成的元件。压电体13由具有压电性的 无机化合物单结晶组成，由下部电极12和上部电极14在厚度方向施 加电场。
作为基板11，可以列举硅、镓砷、铟磷等半导体单结晶基板、氧 化镁、氧化镁尖晶石、蓝宝石、钛酸锶、铝酸镧、镓酸钕等氧化物单 结晶基板等。作为基板11，可以使用在硅基板上依次积层SiO2膜和Si 活性层而成的SOI基板等积层基板。
作为下部电极12的主要成分，需要能与基板的晶格对齐性很好地 进行外延生长，可以列举Pt、Ir、LaNiO3及SrRuO3等金属或金属氧化 物及它们的组合。作为上部电极14的主要成分，没有特别限制，可以 列举对下部电极20列举的材料、Al、Ta、Cr、Cu、Au、RuO2、IrO2、 ITO等一般在半导体工艺中使用的电极材料及它们的组合。下部电极 12和上部电极14的厚度没有特别限制，优选的是50～500nm。
压电作动器(压电装置)2是在压电元件1的基板11的背面上安装 借助于压电体14的伸缩而振动的振动板16而成的东西。在压电作动 器2上还具备驱动压电元件1的驱动电路等控制装置15。
喷墨式记录头(液体排出装置)3大致是在压电作动器2的背面上安 装具有存积油墨的油墨室(液体存积室)21及从油墨室21向外部排出油 墨的油墨排出口(液体排出口)22的油墨喷嘴(液体存积排出部件)20而 成的东西。
喷墨式记录头3是使压电元件1上施加的电场强度增减，从而使 压电元件1伸缩，由此进行油墨从油墨室21的排出、排出量的控制。
也可以不是安装相对于基板11独立的部件的振动板16及油墨喷 嘴20，而是把基板11的一部分加工成振动板16及油墨喷嘴20。例如， 在基板11由SOI基板等积层基板组成的场合，可以对基板11从背面 侧进行蚀刻而形成油墨室21，通过基板本身的加工而形成振动板16和 油墨喷嘴20。
在本实施方式中，压电体13是在基板上形成的单结晶膜，由不施 加电场时具有结晶性的第1强电介质结晶组成，由具有在给定的电场 强度E1以上的电场施加下，第1强电介质结晶的至少一部分向与第1 强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结晶发生相变的特性的无 机化合物结晶构成。
本实施方式中的压电体13的压电特性(电场施加强度和应变变位 量的关系)大致如图2的曲线P所示(参照图7(″Ultrahigh strain and piezoelectric behavior in relaxor based ferroelectric single crystals″， S.E.Park et.al.，JAP，82，1804(1997)，图17))。
电场强度E1是从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变开 始的最小的电场强度。电场强度E2是从第1强电介质结晶向第2强电 介质结晶的相变大致完全结束的电场强度。通常是E1＜E2，也可以是 E1＝E2。
如图2所示，压电体13具有以下压电特性：在电场施加强度E＝0～ E1时(相变前)，由于第1强电介质结晶的压电效应(工程畴效应)，应变 变位量随着电场施加强度的增加而直线地增加，在电场施加强度 E＝E1～E2时，由于与相变伴随的结晶构造的变化，应变变位量以比在 E＝0～E1范围内大的倾斜度，随着电场施加强度的增加而增加，在电 场施加强度E≥E2时(相变后)，由于第2强电介质结晶的压电效应，应 变变位量随着电场施加强度的增加而直线地增加。
压电体13会发生与相变伴随的结晶构造的变化所引起的体积变 化(电场施加强度E＝E1～E2的范围)，而且，压电体13在相变前后都 是由强电介质结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电 效应，在电场施加强度E＝0～E1、E＝E1～E2、E≥E2中的任一范围内 都能得到大的应变变位量。
在本实施方式中是由控制装置15在最小电场施加强度Emin及最 大电场施加强度Emax满足下式(1)的条件下驱动具有上述特性的压电 体13的构成。即，最小电场施加强度Emin处于不发生相变的范围内(可 以是0)，最大电场施加强度Emax处于至少一部分发生相变的范围内进 行驱动的构成。这种构成能得到第1强电介质结晶的压电效应和与压 电体13的相变伴随的结晶构造的变化所引起的体积变化，能得到大的 应变变位量。
Emin＜E1＜Emax…(1)
在本实施方式中，优选的是，在最小电场施加强度Emin及最大电 场施加强度Emax满足下式(2)的条件下进行驱动的构成。即，优选的 是，在最小电场施加强度Emin处于不发生相变的范围内(可以是0)， 最大电场施加强度Emax处于第1强电介质结晶大致完全向第2强电介 质结晶发生相变的范围内进行驱动的构成。这种构成能得到第1强电 介质结晶的压电效应、与压电体13的相变伴随的结晶构造的变化所引 起的体积变化和第2强电介质结晶的压电效应，能得到大的应变变位 量。图2中表示Emin及Emax满足下式(2)的情况。
Emin＜E1≤E2＜Emax…(2)
在「背景技术」中，如图6所示，叙述了对于只利用强电介质的 压电效应的以前一般的压电元件(现有技术1)而言，到某电场施加强度 Ex为止，相对于电场施加强度的增加，应变变位量直线地增加，而超 过电场施加强度Ex的话，相对于电场施加强度的增加的应变变位量的 增加会显著变小，应变变位量大致饱和，因而是在应变变位量相对于 电场施加强度的增加而直线地增加的电场施加强度0～Ex的范围内使 用。
如果以相同化学式组成的压电体进行比较，压电体13是按现有技 术1在应变变位量大致饱和之前开始发生相变(E1≤Ex)。
本实施方式的压电元件1是在最大电场施加强度Emax(＞E1)与只 利用强电介质的压电效应的以前一般的压电元件(现有技术1)的最大电 场施加强度同等或比其高的条件下驱动的东西，即使施加与以前同样 的电场，在成为高的电场施加强度的薄型的压电元件中也会更有效果。
压电体13也可以由具有在第1强电介质结晶向上述第2强电介质 结晶的相变后，进一步增加电场施加强度，从而使第2强电介质结晶 的至少一部分向与第2强电介质结晶不同的结晶系的第3强电介质结 晶发生相变的特性的无机化合物结晶构成。在这种构成的压电体13中， 上述从强电介质结晶向不同的结晶相的强电介质结晶的相变发生2次， 所以能得到大的压电应变。
作为压电体13的组成，只要满足上述结晶条件即可，没有特别限 制。作为压电体13，可以列举由1种或2种以上的钙钛矿型氧化物组 成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
作为压电体13，优选的是由下列通式所表示的1种或2种以上的 钙钛矿型氧化物组成(也可以包含不可避免杂质)的东西。
通式ABO3
(式中，A：是A位置的元素，是选自由Pb、Ba、La、Sr、Bi、Li、 Na、Ca、Cd、Mg、K及镧系元素组成的群中的至少1种元素，
B：是B位置的元素，是选自由Ti、Zr、V、Nb、Ta、Cr、Mo、 W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe及Ni组成的群中的 至少1种元素，
O：氧原子，
A位置元素的克分子数为1.0，且B位置元素的克分子数为1.0的 情况是标准的，不过，A位置元素和B位置元素的克分子数在能取得 钙钛矿构造的范围内可以偏离1.0。)
作为以上述通式表示的钙钛矿型氧化物，可以列举：
钛酸铅、钛锆酸铅(PZT)、锆酸铅、钛酸铅镧、锆钛酸铅镧、铌镁 酸铅-锆钛酸铅、铌镍酸铅-锆钛酸铅、铌锌酸铅-锆钛酸铅等含铅 化合物及它们的混晶系；
钛酸钡、钛酸锶钡、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸钠、铌酸钾、铌 酸锂、铝酸铋、镓酸铋、铁酸铋等非含铅化合物及它们的混晶系。
为使电特性变得更好，压电体13优选的是包含Mg、Ca、Sr、Ba、 Bi、Nb、Ta、W及Ln(＝镧系元素(La、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、 Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu))等金属离子中的1种或2种以上。
PZT等有立方晶系、正方晶系和菱面体晶系3种结晶系，钛酸钡 等有立方晶系、正方晶系、斜方晶系和菱面体晶系4种结晶系。
立方晶系是通常电介质，因而第1强电介质结晶是正方晶系结晶、 斜方晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，第2强电介质结晶是 正方晶系结晶、斜方晶系结晶及菱面体晶系结晶中的任意一种，且是 与第1强电介质结晶不同的结晶系。PZT等如上所述没有斜方晶系， 因而第1强电介质结晶和第2强电介质结晶中，一方是正方晶系，另 一方是菱面体晶系。
一般而言，包括强电介质的所有电介质的吉布斯自由能G以下式 表示，某种组成的电介质的结晶系由应力、电场、温度单意地决定。
G＝U+Xixi-EiPi-TS
(U：内能，Xi：应力，xi：应变，Ei：电场，Pi：极化，T：温度， S：熵)
图3表示钛酸钡(BaTiO3)的温度T、吉布斯自由能G、结晶系的关 系。菱面体晶系和斜方晶系的相变温度为-80℃的程度，斜方晶系和 正方晶系的相变温度为10℃的程度，正方晶系和立方晶系的相变温度 为120℃的程度。PZT，除了没有斜方晶系以外，在倾向上是同样的。
本实施方式的压电元件1在压电体13为厚度20μm以下的薄的 压电膜的场合有效。
上述构成与采用块状单结晶的场合相比，在材料的多样性、制造 容易性、成本、形状设计自由度等方面有利。在「背景技术」一项中 叙述了对于只利用强电介质的压电效应的以前一般的压电元件(现有技 术1)而言，重要的是在与强电介质的极化轴一致的方向施加电场。若 原样将其适用于从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶发生相变的 本实施方式的系，则是与相变前的第1强电介质结晶的极化轴一致而 施加电场。
在本实施方式中，优选的是，不采用现有技术1的电场施加方向， 而是把第1强电介质结晶的极化轴方向设为与电极12、14所进行的电 场施加方向不同的方向。这种构成能得到「工程畴效应」，是优选的。
「工程畴效应」是通过改变第1强电介质结晶的极化轴方向和电 场施加方向而使电场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致， 从而能稳定地得到大的变位量的效应。
即，在改变了第1强电介质结晶的极化轴方向和电场施加方向的 场合，在电场施加强度E＝0～E1的范围内，相对于电场施加强度的增 加的应变变位量的增加的倾斜度(压电常数)，由于工程畴效应，与使电 场施加方向与第1强电介质结晶的极化轴方向一致的情况相比，会变 大。
还有，第1强电介质结晶的极化轴方向是与电场施加方向不同的 方向的构成，特别是电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方向 大致相同的构成，除了能得到「工程畴效应」之外，还能得到新的效 应。
本发明者发现，若使电场施加方向和相变后的第2强电介质结晶 的极化轴方向大致相同，则从第1强电介质结晶向极化轴不同的第2 强电介质结晶的相变会效率最好地进行。可以推断，这是因为若极化 轴和电场施加方向一致，则在结晶上是稳定的，第1强电介质结晶相 容易向更稳定的第2强电介质结晶发生相变。
有时即使施加电场施加强度E2以上的电场，也不向第2强电介质 结晶发生相变，而是会有第1强电介质结晶的一部分残留，不过，若 从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变效率很好地进行，则 在施加了电场施加强度E2以上的电场时，能减小不向第2强电介质结 晶发生相变而残留的第1强电介质结晶的比例，也可以稳定地使所有 第1强电介质结晶向第2强电介质结晶发生相变。结果，在电场施加 强度E＝E1～E2的范围内，与使电场施加方向与第1强电介质结晶的极 化轴方向一致的情况相比，能稳定地得到大的应变变位量。
还有，在向第2强电介质结晶发生相变后，电场施加方向和极化 轴大致一致，因而在电场施加强度E≥E2的情况下，第2强电介质结 晶的压电效应会有效地发挥，与使电场施加方向与第1强电介质结晶 的极化轴方向一致的情况相比，能稳定地得到大的应变变位量。
上述效果至少能在第1强电介质结晶的极化轴方向是与电场施加 方向不同的方向的情况下得到，电场施加方向越接近相变后的第2强 电介质结晶的极化轴方向，越会显著地发挥。
归纳起来，改变第1强电介质结晶的极化轴方向和电场施加方向， 优选的是使电场施加方向与第2强电介质结晶的极化轴方向一致而进 行相变，能得到以下的效果。
(a)在电场施加强度E＝0～E1的范围内，由于「工程畴效应」，能 稳定地得到较大的应变变位量。
(b)在电场施加强度E＝E1～E2的范围内，相变效率会很好地进行， 所以能稳定地得到较大的应变变位量。
(c)在电场施加强度E≥E2的范围内，第2强电介质结晶的压电效 应会有效地发挥，所以能稳定地得到较大的应变变位量。
即，不论在哪一电场施加强度的范围内，都能稳定地得到较大的 应变变位量。
以下，对于电场施加方向与相变后的第2强电介质结晶的极化轴 方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2强电介质结晶的组合进 行具体说明。
强电介质结晶的极化轴如下。
正方晶系：<001>，斜方晶系：<110>，菱面体晶系：<111>
电场施加方向通常是压电体13的厚度方向(相对于压电体13的表 面垂直的方向，即取向方向)。
如果考虑上述极化轴，作为电场施加方向(取向方向)与相变后的第 2强电介质结晶的极化轴方向变得大致相同的第1强电介质结晶和第2 强电介质结晶的组合，可以列举，
(1)第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的菱面 体晶系结晶，第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(2)第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的正方 晶系结晶，第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合，
(3)第1强电介质结晶是在大致<001>方向具有结晶取向性的斜方 晶系结晶，第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合，
(4)第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的正方 晶系结晶，第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(5)第1强电介质结晶是在大致<110>方向具有结晶取向性的菱面 体晶系结晶，第2强电介质结晶是斜方晶系结晶的组合，
(6)第1强电介质结晶是在大致<111>方向具有结晶取向性的斜方 晶系结晶，第2强电介质结晶是菱面体晶系结晶的组合。
对于本实施方式的压电元件1而言，优选的是基本上按只改变电 场施加强度而实施压电体13从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶 的相变的方式进行设计。即，优选的是，压电体13的组成及采用哪个 结晶系间的相变要按成为在使用环境温度下电场感应所引起的相变能 发生的系的方式来决定。不过，根据需要，也可以按元件温度成为相 变温度的方式进行调温。总之，优选的是，在相变温度或其附近进行 驱动，使得从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变能效率很 好地发生。
以前，一般是在常温下使用压电元件，以常温下的使用为前提进 行设计，不过，今后在更高温的环境下(例如在汽车的发动机周围、CPU 周围等用途方面会在80℃以上，在喷墨式用途方面也会因油墨粘度降 低而成为40～80℃)、更低温的环境下(例如冰箱内等)也有可能使用。 具体而言，今后优选的是考虑-50～200℃的使用环境温度来设计材 料。
在本实施方式中，如果考虑上述使用环境温度，则压电体13的从 第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变温度优选的是-50～200 ℃的范围。
在使用环境温度为相变温度的条件下，对于PZT而言，在(1)第1 强电介质结晶是在大致<100>方向具有结晶取向性的菱面体晶系结晶， 第2强电介质结晶是正方晶系结晶的组合的场合，随组成、厚度而有 所不同，为E1＝10～150kV/cm的程度，E2＝30～300kV/cm的程度。
如果以相同化学式组成的压电体13进行比较，本实施方式的压电 元件1是在最大电场施加强度Emax(＞E1)与只利用强电介质的压电效 应的以前一般的压电元件(「背景技术」的现有技术1)的最大电场施加 强度(通常为0.1～10kV/cm的程度)同等或比其高(例如100kV/cm以上) 的条件下驱动的东西，还可以适用于即使施加与以前同样的电压也会 成为高的电场施加强度的薄型的压电元件。
薄膜上的应力除了有成膜时的内部应力之外，还有与基板的热膨 胀系数差所引起的应力，不过，一般在-10～+10GPa的范围进行材料 设计即可。
本实施方式的压电元件1的构成是，作为压电体13，是在基板上 形成的单结晶膜，包含不施加电场时具有结晶性的第1强电介质结晶， 采用具有在给定的电场强度E1以上的电场施加下，第1强电介质结晶 的至少一部分向与第1强电介质结晶不同的结晶系的第2强电介质结 晶发生相变的特性的无机化合物结晶，在最小电场施加强度Emin及最 大电场施加强度Emax满足上述式(1)，优选的是满足上述式(2)的条件 下驱动。
在本实施方式的压电元件1中，能得到压电体13的与相变伴随的 结晶构造的变化所引起的体积变化，而且，压电体13在相变前后都是 由强电介质结晶组成的，因而在相变前后都能得到强电介质的压电效 应，在满足上述式(1)、(2)中的任意一个条件下驱动，总体上都能得到 大的应变变位量。
上述构成与采用块状单结晶的场合相比，在材料的多样性、制造 容易性、成本、形状设计自由度等方面有利。本实施方式的压电元件1 是在最大电场施加强度Emax与只利用强电介质的压电效应的以前一 般的压电元件的最大电场施加强度同等或比其高的条件下驱动的东 西，还可以适用于即使施加与以前同样的电压也会成为高的电场施加 强度的薄型的压电元件。
在本实施方式的压电元件1中，优选的是，第1强电介质结晶的 极化轴方向为与电场施加方向不同的方向。特别优选的是电场施加方 向与第2强电介质结晶的极化轴方向大致相同。这种构成能发挥「工 程畴效应」，并且相变能效率很好地进行，因而能稳定地得到大的应变 变位量，是优选的。
「喷墨式记录装置」
参照图4及图5，对于具备上述实施方式的喷墨式记录头3的喷 墨式记录装置的构成例进行说明。图4是装置整体图，图5是局部俯 视图。
图示的喷墨式记录装置100大致由以下部分构成：具有按每种油 墨的颜色设置的多个喷墨式记录头(以下简称「头」)3K、3C、3M、3Y 的印字部102；预先储藏向各头3K、3C、3M、3Y供给的油墨的油墨 储藏/装填部114；供给记录纸116的给纸部118；除去记录纸116的卷 曲的去卷曲处理部120；与印字部102的喷嘴面(油墨排出面)对着配置 的，一边保持记录纸116的平面性一边输送记录纸116的吸附皮带输送 部122；读取印字部102的印字结果的印字检测部124；以及把印刷完 毕的记录纸(印刷物)向外部排出的排纸部126。
构成印字部102的头3K、3C、3M、3Y均是上述实施方式的喷墨 式记录头3。
去卷曲处理部120在与卷曲方向相反的方向用加热鼓130对记录 纸116进行加热，实施去卷曲处理。
在使用卷纸的装置中，如图4所示，在去卷曲处理部120的后段 设有裁断用的切割器128，用该切割器把卷纸剪切成希望的尺寸。切割 器128由具有记录纸116的输送路宽度以上的长度的固定刀128A和沿 着该固定刀128A移动的圆刀128B构成，在印字背面侧设有固定刀 128A，夹隔输送路在印字面侧配置有圆刀128B。在使用切好的纸的装 置中，不需要切割器128。
去卷曲处理、剪切后的记录纸116被送至吸附皮带输送部122。吸 附皮带输送部122具有在辊131、132间卷挂无端状的皮带133的构造， 至少与印字部102的喷嘴面及印字检测部124的传感器面对着的部分 为水平面(平面)。
皮带133具有比记录纸116的宽度宽的宽度尺寸，在皮带面上形 成了许多抽吸孔(图示省略)。在辊131、132间架设的皮带133的内侧， 在与印字部102的喷嘴面及印字检测部124的传感器面对着的位置设 有吸附室134，用风扇135抽吸该吸附室134而使其成为负压，从而吸 附、保持皮带133上的记录纸116。
向其上卷挂皮带133的辊131、132中的至少一方传递马达(图示 省略)的动力，从而在图4上的顺时针方向驱动皮带133，把皮带133 上保持的记录纸116从图4的左面向右面输送。
在进行无边印刷等时，皮带133上也会附着油墨，因而在皮带133 的外侧的给定位置(印字区域以外的恰当位置)设有皮带清扫部136。
在由吸附皮带输送部122形成的纸张输送路上，在印字部102的 上游侧，设有加热风扇140。加热风扇140向印字前的记录纸116吹送 加热空气而加热记录纸116。在印字之前预先加热记录纸116，使油墨 在印刷后容易变干。
印字部102是把具有与最大纸宽度对应的长度的线型头配置在与 送纸方向正交的方向(水平扫描方向)的所谓完全线型的头(参照图5)。 各印字头3K、3C、3M、3Y由跨越超过以喷墨式记录装置100为对象 的最大尺寸的记录纸116的至少一边的长度而排列多个油墨排出口(喷 嘴)所得的线型头构成。
沿着记录纸116的输送方向从上游侧起按黑(K)、青(C)、品红(M)、 黄(Y)的顺序配置与各颜色油墨对应的头3K、3C、3M、3Y。一边输送 记录纸116一边从各头3K、3C、3M、3Y分别排出颜色油墨，从而在 记录纸116上记录彩色图像。
印字检测部124由拍摄印字部102的打印结果的线传感器等构成， 从由线传感器读取的打印图像中检测喷嘴的堵孔等排出不良。
在印字检测部124的后段，设有由使印字后的图像面干燥的加热 风扇等构成的后干燥部142。在印字后的油墨干燥之前最好避免与印字 面接触，因而优选的是吹送热风的方式。
在后干燥部142的后段，为了控制图像表面的光泽度而设有加 热·加压部144。加热·加压部144一边加热图像面，一边以具有给定 的表面凹凸形状的加压辊145对图像面进行加压，在图像面上转印凹 凸形状。
从排纸部126排出这样得到的印刷物。优选的是，把本来应该印 刷的本图像(印有目的图像的东西)和试验印字分开排出。在该喷墨式记 录装置100中，为了区分本图像的印刷物和试验印字的印刷物并将其 送至各自的排出部126A、126B，设有切换排纸路径的区分装置(图示 省略)。
在大一点的纸张上并列打印本图像和试验印字的场合，可以是设 置切割器148来切掉试验印字的部分的构成。
喷墨式记记录装置100按以上方式构成。
实施例
对于本发明所涉及的实施例及比较例进行说明。
(实施例1)
在(100)SrTiO3基板的表面上，采用脉冲激光定位法在基板温度700 ℃下形成了厚度0.2μm的SrRuO3下部电极。SrRuO3膜的外延生长的 情况通过RHEED进行了确认。其次，采用脉冲激光定位法，形成了厚 度5μm的PbZr0.55Ti0.45O3薄膜作为压电体。通过X线衍射的逆晶格空 间映射确认了PZT为单结晶。再在其上形成厚度0.2μm的Pt上部电 极，得到本发明的压电元件。
在生成了上述压电膜的时点，对所得到的压电膜进行电场施加X 线衍射(电场施加XRD)测量后确认，不施加电场时是在<001>方向具有 取向性的菱面体晶系结晶(第1强电介质结晶)，在<001>方向施加电场 则向正方晶系结晶(第2强电介质结晶)发生相变。在本实施例中，电场 施加方向与相变后的结晶的极化轴一致。
从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相变开始的最小的电 场强度为E1＝50kV/cm，从第1强电介质结晶向第2强电介质结晶的相 变大致完全结束的电场强度为E2＝90kV/cm。
用悬臂求出了最小电场施加强度Emin＝20kV/cm(＜E1)～最大电场 施加强度Emax＝150kV/cm(＞E2)下的压电常数d31，为200pm/V。本实 施例的驱动条件是最小电场施加强度Emin及最大电场施加强度Emax 满足上述式(2)的条件。
(实施例2)
在(100)SrTiO3基板的表面上，采用PLD法在基板温度700℃下形 成了厚度0.2μm的SrRuO3下部电极。SrRuO3膜的外延生长的情况通 过RHEED进行了确认。其次，用(Bi0.85，La0.15)(Fe0.4，Al0.6)O3作为靶， 采用PLD法，在激光强度350mJ、激光脉冲频率5Hz、氧分压50mmTorr、 基板-靶间距离50mm、靶转数9.7rpm、基板温度585℃的条件下形成 了厚度600nm的(Bi0.85，La0.15)(Fe0.4，Al0.6)O3薄膜作为压电体。对所获 得的薄膜实施XRD下的结晶构造解析后，确认了是(001)优先取向的钙 钛矿单相膜(图8)。
其次，在该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜上蒸镀150nm厚的Pt上部电 极，对(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜施加电压而测量了双极极化-电场特性 (PE滞后特性)。测量是在频率10kHz、最大施加电压为V＝123kV/cm 的条件下进行的。可确认，结果获得了矩形性良好的PE滞后特性，具 有良好的强感应性。
其次，对该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜进行了断面TEM像的观察和 TEM下的电子束衍射测量，图9、图10表示其结果。
如图10所示，在所获得的电子束衍射图形([100]入射，限制视野 直径～200nm)上确认了清晰的晶格像，确认了(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜 是良好的单结晶膜。
其次，进行了(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜的电场施加X线衍射(电场 施加XRD)测量。在测量中使用了布鲁克(ブルカ一；BRUKER)公司制 D8DISCOVER。照射X线直径设为300μm，先施加DC10V，然后回 到0V，其次施加至9V，然后再回到0V，确认了初始峰值位置的再现 性。其次，缓慢施加电压至DC9V，测量了峰值移动(测量条件的详细 情况参照表1)。
图11表示其结果，图11中只表示了不施加电场时、施加DC8V 及施加DC9V时的XRD结果。如图11所示，在DC0V～DC8V时，与 电压成比例而观察到一些峰值移动(图中，峰值移动是微量的，所以表 示了DC8V的XRD结果)，在施加DC9V时，与到8V为止的移动量相 比，显著地观察到峰值的移动。可以认为，这是到8V为止，观察到反 压电效应所引起的晶格的变化所造成的峰值移动，在施加DC9V时， 观察到相变所引起的大的峰值移动。
进而，根据XRD的晶格常数的变化而算出了该(Bi，La)(Fe，Al)O3 薄膜的应变(％)和施加电压(V)的关系。图12表示其结果，如图12所示， 确认了在施加电压8V处存在变曲点E1，确认了是由于E1的电场施加 而发生了相变。
根据上述结果，确认了该(Bi，La)(Fe，Al)O3薄膜是不施加电场时 在<001>方向具有取向性的菱面体晶系结晶(第1强电介质结晶)，在 <001>方向施加电场则向正方晶系结晶(第2强电介质结晶)发生相变。 在本实施例中，电场施加方向与相变后的结晶的极化轴一致。
表1
测角器 布鲁克(ブルカ一；BRUKER)公司制 D8DISCOVER 附加装置 薄膜试料台和电压施加探头 扫描方式 2维检测器固定，入射角固定 X线 45kV/110mA CuKa(单色绘图仪) 衰减器 无 准直管直径 0.3mm 照相机长度 30cm 取样步长 0.02度 曝光时间 外延膜：5～10秒，单轴取向膜：1～3分钟。
(比较例1)
采用(111)SrTiO3基板作为基板，除了形成(111)SrRuO3下部电极以 外，与实施例1同样，得到比较用的压电元件。
对所得到的压电膜与实施例1同样地进行电场施加XRD测量，结 果，不施加电场时是在<111>方向具有取向性的菱面体晶系结晶(在极化 轴方向取向)，即使与实施例1同样地施加电场，相变也不发生。
与实施例1同样，求出了最小电场施加强度Emin＝20kV/cm～最大 电场施加强度Emax＝150kV/cm下的压电常数d31，为130pm/V。
工业实用性
本发明的压电元件适用于喷墨式记录头、磁记录再生头、 MEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)设备、微泵及超声波探头等 上搭载的压电作动器、铁电存储器(FRAM)等。
专利文献1：特许第3568107号公报
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 钙钛矿晶体的制备方法 | 2020-05-12 | 51 |
| 混合阳离子钙钛矿 | 2020-05-12 | 873 |
| 钙钛矿材料及太阳电池 | 2020-05-12 | 302 |
| 一种钙钛矿太阳能电池 | 2020-05-12 | 673 |
| 一种杂化钙钛矿材料 | 2020-05-12 | 883 |
| 稀土钙钛矿型耐火材料 | 2020-05-12 | 779 |
| 混合钙钛矿材料加工 | 2020-05-11 | 658 |
| 具有钙钛矿覆层的焊丝 | 2020-05-13 | 826 |
| 钙钛矿陶瓷的合成方法 | 2020-05-13 | 326 |
| 一种喷涂制备钙钛矿薄膜的方法及钙钛矿薄膜 | 2020-05-13 | 513 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈