压电设备以及压电设备的驱动方法与流程
本发明涉及压电设备以及压电设备的驱动方法。
背景技术：
压电元件一般包含具有电气机械转换特性的压电体层、和夹持压电体层的两个电极。近几年，将这样的压电元件作为驱动源使用的设备(压电设备)的开发在积极地进行。作为压电设备，存在以喷墨式记录头为代表的液体喷射头、以压电mems元件为代表的mems要素、以超声波传感器等为代表的超声波测定装置以及压电促动器装置等。
压电体层使用锆钛酸铅(pb(zr，ti)o3，以下称为“pzt”)、铌酸钾钠((k，na)nbo3，以下称为“knn”)等压电材料。为了确保压电特性，向作为这样的压电材料的一种的pzt过剩地添加铅(pb)。然而，公知该过剩pb会使耐压特性降低，为了提高pzt的耐压特性而在压电设备的驱动方法、压电元件的构造上下工夫。
例如，专利文献1公开了一种压电设备的驱动方法：供给至第一电极的驱动波形是以中间电压为基准使电压上升或者下降的波形，对第二电极施加比中间电压高的基准电压，由此对与压力产生室相反的一侧的共用电极施加相对高的电压的状态下对个别电极施加具有相对低的中间电压的驱动波形。另外，专利文献2公开了一种压电元件的构造：至少构成压电元件的各层的图案区域被由无机绝缘材料构成的绝缘膜覆盖，由此长期可靠地防止因水分(湿气)等外部环境引起的压电体层(压电元件)的恶化(破坏)。
专利文献1：日本特开2013-159081号公报
专利文献2：国际公开第2005/028207号手册
一般公知压电材料因老化恶化而耐压特性等降低。然而，专利文献1、2仅公开了用于提高压电材料的耐压特性的方法，而没有丝毫提到抑制老化恶化引起的耐压特性的降低来延长耐用年数。
技术实现要素：
本发明是鉴于上述实际情况而提出的，目的在于提供能够抑制因老化恶化引起的耐压特性的降低、延长耐用年数来实现长寿命化的压电设备以及压电设备的驱动方法。
解决上述课题的本发明的实施方式是一种压电设备，其特征在于，具有：压电元件，该压电元件具备第一电极、第二电极、以及设置于上述第一电极与上述第二电极间的压电体层；和驱动系统，该驱动系统通过对上述第一电极和上述第二电极施加电压来驱动上述压电元件，上述驱动系统以比在上述压电元件开始产生隧穿电流或者蒲尔弗朗克电流的电压低的最大电压来驱动上述压电元件。另外，最大电压是指以施加于一方的电极的电位为基准的情况下的施加于另一方的电极的电位的最大差。
根据上述实施方式，能够抑制压电元件的驱动时的隧穿电流或者蒲尔弗朗克电流的产生，所以能够不破坏压电体层地驱动压电元件。
另外，解决上述课题的本发明的其它实施方式是一种压电设备的驱动方法，其特征在于，是对压电元件施加电压来驱动上述压电元件的压电设备的驱动方法，上述压电元件具备第一电极、第二电极、以及设置于上述第一电极与上述第二电极间的压电体层，上述压电设备的驱动方法施加比在上述压电元件开始产生隧穿电流或者蒲尔弗朗克电流的电压低的最大电压来驱动上述压电元件。
根据上述其它实施方式，能够预先以比压电元件开始产生隧穿电流或者蒲尔弗朗克电流的电压低的最大电压来驱动压电元件，所以不会破坏压电体层。
附图说明
图1是表示喷墨式记录装置的简要结构的图。
图2是表示喷墨式记录头的简要结构的分解立体图。
图3是表示喷墨式记录头的简要结构的俯视图。
图4是表示喷墨式记录头的简要结构的剖视图。
图5是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图6是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图7是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图8是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图9是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图10是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图11是说明喷墨式记录头的制造例的图。
图12是表示喷墨式记录装置的控制构成例的框图。
图13是表示喷墨式记录装置的驱动信号(驱动波形)例的图。
图14是表示喷墨式记录装置的驱动信号(驱动波形)例的图。
图15是表示实施例以及比较例的压电元件的简要结构的剖视图。
图16是表示实施例以及比较例的压电元件的dc通电试验的结果的图。
图17是表示测定实施例以及比较例的压电元件的i-v特性的结果的图。
图18是表示基于i-v特性的数据的fn曲线的结果的图。
图19是表示基于i-v特性的数据pf曲线的结果的图。
图20是表示fn电流模式以及pf电流模式的开始电压的图。
具体实施方式
以下参照附图来说明本发明的实施方式。以下的说明示出了本发明的一实施方式，在不脱离本发明的宗旨的范围内可以任意改变。此外，各图中标注相同附图标记的表示同一部件，适当地省略说明。另外，在图2～图11中，x、y以及z表示相互正交的3个空间轴。在本说明书中，将沿上述轴的方向分别设为第一方向x(x方向)、第二方向y(y方向)以及第三方向z(z方向)来说明。x方向以及y方向表示板、层以及膜的面内方向，z方向表示板、层以及膜的厚度方向或者层叠方向。
第一实施方式
首先，参照图1说明作为液体喷射装置的一个例子的喷墨式记录装置。
图1示出了喷墨式记录装置的简要结构。如图所示，在喷墨式记录装置(记录装置i)中，喷墨式记录头单元(头单元ii)以能够装卸的方式设置于盒2a、2b。盒2a、2b构成墨水供给机构。头单元ii具有详细后述的多个喷墨式记录头(记录头1)，并搭载于托架3。托架3在安装于装置主体4的托架轴5上被设置为能够沿轴向移动。上述头单元ii、托架3构成为例如能够分别排出黑色墨水组成物以及彩色墨水组成物。
而且，驱动马达6的驱动力经由未图示的多个齿轮以及正时皮带7传递至托架3，搭载有头单元ii的托架3沿托架轴5移动。另一方面，在装置主体4设置有作为输送机构的输送辊8，纸等作为记录介质的记录片s由输送辊8输送。此外，输送记录片s的输送机构不限于输送辊，也可以是带、鼓等。
在记录头1中，使用本发明的实施方式的压电元件300作为压电促动器装置，详细后述。通过使用压电元件300，能够避免记录装置i的各种特性(耐久性、喷墨特性等)的降低。
接下来，参照图2～图4来说明作为搭载于液体喷射装置的液体喷射头的一个例子的喷墨式记录头。
图2是喷墨式记录头的分解立体图。图3是流路形成基板的压电元件侧的俯视图(从压电元件侧观察流路形成基板的俯视图)，图4是沿图3的a-a′线的剖视图。
如图所示，在流路形成基板10(以下称为“基板10”)形成有压力产生室12。而且，被多个隔壁11划分而成的压力产生室12沿排出相同颜色的墨水的多个喷嘴开口21排列设置的方向(x方向)而排列设置。此外，基板10可以使用例如硅单晶基板、soi基板、玻璃陶瓷、不锈钢等材料。
在基板10的压力产生室12的y方向的一端部侧由多个隔壁11划分出从x方向挤压力产生室12的一侧来减小开口面积而形成的墨水供给路13、和在x方向具有与压力产生室12大致相同的宽度的连通路14。在连通路14的外侧(与y方向的压力产生室12相反的一侧)形成有作为各压力产生室12的共用的墨水室且构成歧管100的一部分的连通部15。即，在基板10形成有由压力产生室12、墨水供给路13、连通路14以及连通部15构成的液体流路。
在基板10的一方面侧(-z方向侧)即压力产生室12等液体流路开口的面通过粘合剂、热熔敷膜等接合有喷嘴板20，在该喷嘴板20上贯穿设置有与各压力产生室12连通的喷嘴开口21。喷嘴开口21在喷嘴板20上沿x方向排列设置。此外，喷嘴板20例如可以使用玻璃陶瓷、硅单晶基板、不锈钢等材料。
在基板10的与一方面侧对置的另一方面侧(+z方向侧)形成有振动板50。振动板50例如也可以由设置于基板10上的弹性膜51、和设置于弹性膜51上的绝缘体膜52构成。弹性膜51例如由二氧化硅(sio2)构成，绝缘体膜52例如由氧化锆(zro2)构成。
弹性膜51也可以相对于基板10是不同的部件。也可以将基板10的一部分加工为较薄，将其作为弹性膜51使用。绝缘体膜52具有在形成详细后述的压电体层70时压电体层70的结构元素中包含钾(k)以及钠(na)的情况下作为防止它们透过第一电极60到达基板10的限位器的功能。
在绝缘体膜52上形成有压电元件300，该压电元件300由第一电极60、压电体层70、第二电极80依次层叠而构成。另外，在图2～图4中省略了图示，但为了提高绝缘体膜52与第一电极60之间的紧贴性，在绝缘体膜52与第一电极60之间设置有紧贴层56(参照图5～图11)。也可以省略紧贴层56。此外，压电元件300不仅是具有第一电极60、压电体层70以及第二电极80的部分，还包含至少具有压电体层70的部分。
在本实施方式中，将压电元件300和因压电元件300的驱动而产生位移的振动板50一起称为促动器装置。更详细地说，通过具有电气机械转换特性的压电体层70的位移，振动板50以及第一电极60移位。即，在促动器装置中，振动板50以及第一电极60实际作为振动板发挥作用，但不限定于此。也可以不设置弹性膜51以及绝缘体膜52的任意一方或者双方，使第一电极60作为振动板发挥作用。另外，压电元件300本身实际也可以兼作振动板。在基板10上直接设置第一电极60的情况下，优选利用绝缘性的保护膜等保护第一电极60以使第一电极60和墨水不导通。
在这样的压电元件300中，一般任一方的电极作为共用化的共用电极，另一方的电极通过每一压力产生室12的刻画图案而成为个别的电极(以下，“个别电极”)。详细内容后述，在本实施方式中，第一电极60作为个别电极，第二电极80作为共用电极，但根据驱动电路120、连接布线121的情况也可以使它们相反。此外，在本实施方式中，使第二电极80遍及多个压力产生室12连续地形成，从而作为共用电极。
构成压电元件300的第一电极60在与各压力产生室12对置的区域，以比压力产生室12的宽度窄的宽度设置。另外，第一电极60从各压力产生室12的长边方向一端部侧延伸配置到周壁上。而且，在第一电极60且在压力产生室12的外侧的区域，分别连接例如由金(au)等构成的导线电极90，经由该导线电极90对各压电元件300选择性地施加电压。即，第一电极60如上所述作为个别电极。另一方面，压力产生室12的长边方向另一端部侧的第一电极60的端部位于与压力产生室12对置的区域内。
压电体层70以比第一电极60的宽度大的宽度且比压力产生室12的宽度窄的宽度设置。在压力产生室12的长边方向，压电体层70的两端部延伸配置到压力产生室12的端部的外侧。即，压电体层70以完全覆盖与压力产生室12对置的区域的第一电极60的上表面以及端面的方式设置。此外，压力产生室12的长边方向一端部侧的压电体层70的端部位于压力产生室12的端部附近，在其外侧的区域还延伸配置有第一电极60。
压电体层70使用由通式abo3所表示的钙钛矿构造的复合氧化物构成的压电材料构成。通式abo3所表示的钙钛矿构造的复合氧化物在a位进行氧的12配位，在b位进行氧的6配位来形成8面体(八面石)。
在本实施方式中，能够作为压电材料使用的复合氧化物例如有下述式(1)表示的锆钛酸铅(pzt)。
pb(zr，ti)o3···(1)
在pzt中，铅(pb)位于a位，锆(zr)以及钛(ti)位于b位。pzt的压电特性比较高，所以有利于实现提高压电体层70的位移。
另外，能够作为压电材料使用的其它复合氧化物例如有下述式(2)～式(4)表示的化合物。
(k，na)nbo3···(2)
bifeo3···(3)
(bi，ba)(fe，ti)o3···(4)
在式(2)表示的复合氧化物(所谓的knn系的复合氧化物)中，钾(k)以及钠(na)位于a位，铌(nb)位于b位。在式(3)表示的复合氧化物(所谓的bfo系的复合氧化物)中，铋(bi)位于a位，铁(fe)位于b位。在式(4)表示的复合氧化物(所谓的bf-bt系的复合氧化物)中，铋(bi)以及钡(ba)位于a位，铁(fe)以及钛(ti)位于b位。
式(2)～式(4)表示的复合氧化物构成的压电体层70是限制pb的含有量的材料或者不使用pb的材料(所谓的非铅系压电材料)。因此，与主要包含pb的压电体层70相比，能够减少环境负荷。
但是，能够在本实施方式中使用的压电材料不被本发明的范围限定。在式(1)～式(4)表示的复合氧化物中，a位、b位也可以包含其它元素。作为a位可以含有的元素除了上述pb、k、na、bi以及ba之外，还能举出镧(la)、钐(sm)以及铈(ce)等。作为b位可以含有的元素除了上述zr、ti、nb以及fe之外，还能举出锰(mn)、铝(al)以及钴(co)等。即，只要在本发明的范围内，压电体层70也可以包含式(1)～式(4)表示的复合氧化物以外的材料。
即，压电材料也包括具有元素的一部分欠缺的组成的材料、具有元素的一部分过剩的组成的材料以及具有将元素的一部分置换为其它元素的组成的材料。另外，只要压电体层70的基本特性不变，因欠缺、过剩等而偏离化学计量的组成比的材料、元素的一部分置换为其它元素的材料也包含在本实施方式的压电材料中。
第二电极80在与多个压力产生室12对置的区域连续形成，如上所述成为共用电极。另外，第二电极80从压力产生室12的长边方向另一端部侧延伸配置到周壁上。即，第二电极80以覆盖与压力产生室12对置的区域的压电体层70的上表面以及端面的大致整个区域的方式设置。驱动时对第一电极60与第二电极80重叠的区域的压电体层70施加电压。该区域(驱动部)的上表面以及端面被第二电极覆盖，所以防止大气中的水分(湿气)向与驱动有关的压电体层70浸透。因此，能够防止因水分引起的压电元件300的破坏，能够显著提高压电元件300的耐久性。
此外，第一电极60、第二电极80的材料只要是具有导电性的材料则没有特别限定，优选使用例如铂(pt)、铱(ir)等贵金属。
在设置有压电元件300的基板10上，即振动板50、第一电极60以及导线电极90上通过粘合剂35接合具有构成歧管100的至少一部分的歧管部32的保护基板30。歧管部32在本实施方式中以沿厚度方向贯通保护基板30并遍及压力产生室12的宽度方向的方式形成，构成如上述那样与基板10的连通部15连通并作为各压力产生室12的共用的墨水室的歧管100。另外，也可以按照每一压力产生室12将基板10的连通部15分割为多个，仅将歧管部32作为歧管100。而且，例如，也可以仅在基板10设置压力产生室12，在夹装在基板10以及保护基板30之间的弹性膜51以及绝缘体膜52设置将歧管100以及各压力产生室12连通的墨水供给路13。
在保护基板30且在与压电元件300对置的区域，设置有具有不阻碍压电元件300的驱动的左右的空间的压电元件保持部31。此外，压电元件保持部31具有不阻碍压电元件300的驱动的空间即可，该空间可以是密封的也可以不是密封的。在保护基板30上固定有作为信号处理部发挥功能的驱动电路120。驱动电路120例如可以使用电路基板、半导体集成电路(ic)等，与打印机控制器200(参照图1)连接。驱动电路120以及导线电极90能够经由插通贯通孔33的焊线等导电性线构成的连接布线121电连接。在本实施方式中，这样的驱动电路120作为促动器装置(压电元件300)的控制机构发挥功能。
此外，作为保护基板30的材料例如能举出玻璃、陶瓷材料、金属、树脂等，更优选由与基板10的热膨胀率大致相同的材料形成，在本实施方式中，使用与基板10相同的材料的硅单晶基板形成。
另外，在保护基板30上接合有由密封膜41以及固定板42构成的柔性基板40。密封膜41由刚性低的材料构成，利用该密封膜41密封歧管部32的一个面。另外，固定板42可以由金属等硬质的材料构成。该固定板42的与歧管100对置的区域成为沿厚度方向完全被除去的开口部43，所以歧管100的一个面仅被具有挠性的密封膜41密封。
在具有上述的结构的喷墨式记录头(记录头1)中，从未图示的外部墨水供给机构获取墨水，在从歧管100到喷嘴开口21将内部用墨水填满后，根据来自未图示的驱动ic的记录信号，对与压力产生室12对应的各压电元件300施加电压，使压电元件300弯曲变形，由此各压力产生室12内的压力变高，墨水滴从喷嘴开口21排出。
接下来，参照图5～图11说明搭载于喷墨式记录头的压电元件的制造方法的一个例子、以及喷墨式记录头的制造方法。
首先，如图5所示，准备硅基板110(基板10)。接下来，使硅基板110热氧化，从而在其表面形成由二氧化硅(sio2)构成的弹性膜51。而且，在弹性膜51上通过溅射法形成锆膜并将其热氧化，从而得到由氧化锆(zro2)构成的绝缘体膜52。这样，形成由弹性膜51和绝缘体膜52构成的振动板50。
在通过溅射法形成锆膜时的成膜条件是基板温度优选为rt(室温)以上、350℃以下，更优选为250℃以上、350℃以下，压力优选为0.02pa以上、1.0pa以下，更优选为0.5pa以上、0.8pa以下。另外，使形成的锆膜热氧化时的温度只要能够将锆膜热氧化而得到氧化锆则没有特别限定，优选为700℃～900℃左右，更优选为700℃～800℃左右。
包含将通过上述成膜条件成膜的锆膜热氧化而得到的绝缘体膜52的压电元件300中，开始产生详细后述的隧穿电流(fn：fowler-nordheim，以下称为“fn电流”)的电压(以下称为“fn电流开始电压”)例如为38v或者开始产生蒲尔弗朗克电流(pf：poole-frenkel，以下称为“pf电流”)的电压(以下称为“pf电流开始电压”)例如为45v。因此，若对压电元件300施加比fn电流开始电压或者pf电流开始电压低的最大电压，则能够抑制隧穿电流或者蒲尔弗朗克电流的产生。其结果是，能够长期不破坏压电体层70地驱动压电元件300。即，能够抑制因老化恶化引起的耐压特性的降低，能够延长压电设备的延长耐用年数实现长寿命化。此外，最大电压是指施加于第一电极60或者第二电极80的电压的最大值，详细后述。
接着，绝缘体膜52上形成由氧化钛(tiox)构成的紧贴层56。
紧贴层56可以通过溅射法、热氧化等形成。但是，紧贴层56可以省略。接下来，在紧贴层56上形成第一电极60。第一电极60例如可以通过溅射法、真空蒸镀法(pvd法)、激光烧蚀法等气相成膜、旋涂法等液相成膜等形成。
接着，如图6所示，同时对紧贴层56以及第一电极60刻画图案。紧贴层56以及第一电极60的刻画图案例如可以通过反应离子蚀刻(rie：reactiveionetching)、离子铣削等干式蚀刻、使用蚀刻液的湿式蚀刻进行。此外，紧贴层56以及第一电极60的刻画图案的形状没有特别限定。
接下来，如图7所示，形成压电体层70。压电体层70的形成方法没有限定。例如，可以使用将包含金属络化物的溶液涂覆干燥并进一步在高温下烧制而得到金属氧化物的mod(metal-organicdecomposition)法、溶胶-凝胶法等化学溶液法(湿式法)。此外，也可以通过激光烧蚀法、溅射法，脉冲·激光·沉积法(pld法)、cvd(chemicalvapordeposition)法、空气溶胶·沉积法等液相法或固相法来制造压电体层70。
通过湿式法形成的压电体层70具有多个通过从涂覆前驱体溶液的工序(涂覆工序)到烧制前驱体膜的工序(烧制工序)的一系列的工序形成的压电体膜74。即，压电体层70通过多次反复从涂覆工序到烧制工序的一系列的工序而形成。此外，在从涂覆工序到烧制工序的一系列工序中，也可以多次反复从涂覆工序到脱脂工序后，实施烧制工序。
通过湿式法形成压电体层70的情况下的具体形成顺序的例子如下所述。首先，制作由包含金属络化物的mod溶液、溶胶构成、用于形成压电体层70的前驱体溶液。然后，使用旋涂法等将该前驱体溶液涂覆于第一电极60上，形成前驱体膜(涂覆工序)。接下来，将该前驱体膜加热到规定温度例如130℃～250℃左右并使其干燥一定时间(干燥工序)，而且将干燥的前驱体膜加热到规定温度例如300℃～450℃左右并保持一定时间来进行脱脂(脱脂工序)。进一步，将脱脂的前驱体膜加热到更高温度例如650℃～800℃左右，并在该温度下保持一定时间从而使其结晶化，形成压电体膜74(烧制工序)。而且，多次反复上述涂覆工序、干燥工序、脱脂工序以及烧制工序，由此形成图7所示的由多层的压电体膜74构成的压电体层70。
此外，上述前驱体溶液是将能够通过烧制而形成通式abo3所表示的钙钛矿构造的复合氧化物的金属络化物溶解或者分散于有机溶剂而成的。此时，除了a位、b位所能含有的元素以外，还可以混合包含mn、mg等添加物的金属络化物。
作为a位、b位所能含有的元素的金属络化物例如可以使用醇盐、有机酸盐、β-二酮络合物等。此外，上述金属络化物的混合比例只要使各金属达到所希望的摩尔比来混合即可。
作为包含pb的金属络化物例如能举出醋酸铅等。作为含有zr的金属络化物例如能举出乙酰丙酮锆、四乙酰丙酮锆、单乙酰丙酮锆、二乙酰丙酮锆等。作为包含ti的金属络化物例如能举出异丙醇钛等钛醇盐等。作为包含k的金属络化物例如能举出二氧化碳钾、醋酸钾等。作为包含na的金属络化物例如能举出碳酸钠、醋酸钠。作为包含nb的金属络化物例如能举出五乙氧基铌等。此时，也可以同时采用2种以上的金属络化物。例如，作为包含k的金属络化物，可以同时采用碳酸钾和醋酸钾。
作为金属络化物的溶剂例如能举出丙醇、丁醇、戊醇、己醇、正辛醇、乙二醇、丙二醇、辛烷、癸烷、环己烷、二甲苯、甲苯、四氢呋喃、醋酸、辛酸、2-丁氧基乙醇、正辛烷等或者它们的混合溶剂等。前驱体溶液可以含有使包含pb、zr、ti、k、na、nb的金属络化物的分散稳定化的添加剂。作为这样的添加剂能举出2-乙基己酸等。
另外，作为在干燥工序、脱脂工序以及烧制工序中使用的加热装置例如能举出利用红外灯的照射来加热的rta(rapidthermalannealing)装置、加热板等。
接着，如图8所示，将由多个压电体膜74构成的压电体层70刻画图案。刻画图案可以通过所谓的反应离子蚀刻、离子铣削等干式蚀刻、使用蚀刻液的湿式蚀刻进行。此外，压电体层70的刻画图案的形状没有特别限定。然后，在压电体层70上形成第二电极80。第二电极80可以通过与第一电极60相同的方法形成。通过以上的工序，具备第一电极60、压电体层70以及第二电极80的压电元件300完成。换言之，第一电极60、压电体层70以及第二电极80重合的部分成为压电元件300。
接下来，如图9所示，在硅基板110的压电元件300侧的面，经由未图示的粘合剂接合保护基板用晶圆130(保护基板30)。然后，将保护基板用晶圆130的表面削薄。另外，在保护基板用晶圆130形成歧管部32、未图示的贯通孔33(参照图2)。接着，如图10所示，在硅基板110的与压电元件300相反的一侧的面形成掩模53，将其刻画为规定形状的图案。而且，如图11所示，经由掩模53，对硅基板110实施使用koh等碱性溶液的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)。由此，除了形成与各个压电元件300对应的压力产生室12之外，还形成未图示的墨水供给路13、连通路14以及连通部15(参照图2)。
接下来，通过切割等将硅基板110以及保护基板用晶圆130的外周缘部的不要部分切断·除去。而且，在硅基板110的与压电元件300相反的一侧的面接合喷嘴板20(参照图2)。另外，在保护基板用晶圆130接合柔性基板40(参照图2)。通过上述工序，记录头1的芯片的集合体完成。将该集合体分割为各个芯片，从而得到记录头1(参照图2～图4)。
接下来，参照图12来说明喷墨式记录装置的控制。
图12是表示喷墨式记录装置的控制构成例的框图。如图所示，喷墨式记录装置(记录装置i)大致由打印机控制器511和打印引擎512构成。打印机控制器511具备外部接口513(以下称为“外部i/f513”)、暂时存储各种数据的ram514、存储有控制程序等的rom515、含有cpu等而构成的控制部516、产生时钟信号的振荡电路517、产生用于供给至记录头1的驱动信号的驱动信号产生电路519、将根据驱动信号、印刷数据展开的点阵图案数据(位图数据)等发送至打印引擎512的内部接口520(以下称为“内部i/f520”)。
外部i/f513从未图示的主机等接收例如由字符编码、图解函数、影像数据等构成的印刷数据。另外，忙信号(busy)、应答信号(ack)通过该外部i/f513向主机等输出。
ram514作为接收缓冲521、中间缓冲522、输出缓冲523以及未图示的工作存储器发挥功能。而且，接收缓冲521暂时存储由外部i/f513接收的印刷数据，中间缓冲522存储控制部516转换的中间编码数据，输出缓冲523存储点阵图案数据。此外，该点阵图案数据由解码(翻译)灰度数据而得的印字数据构成。
另外，rom515除了存储用于进行各种数据处理的控制程序(控制程序)之外，还存储字体数据、图解函数等。
控制部516读出接收缓冲521内的印刷数据，并且将转换该印刷数据所得到的中间编码数据存储于中间缓冲522。另外，控制部516将从中间缓冲522读出的中间编码数据解析，参照存储于rom515的字体数据以及图解函数等，将中间编码数据展开为点阵图案数据。而且，控制部516在进行了需要的装饰处理后，将该展开的点阵图案数据存储于输出缓冲523。而且，控制部516还作为波形设定机构发挥功能，控制驱动信号产生电路519，由此设定从该驱动信号产生电路519产生的驱动信号的波形形状。上述控制部516与后述的驱动电路(未图示)等一起构成驱动机构。另外，作为驱动记录头1的记录装置i只要是至少具备该驱动机构的装置即可，在本实施方式中，例示出包含打印机控制器511的装置。
而且，若得到相当于记录头1的一行的点阵图案数据，则该一行的点阵图案数据通过内部i/f520输出至记录头1。另外，若从输出缓冲523输出一行点阵图案数据，则展开完毕的中间编码数据从中间缓冲522被消除，进行下一中间编码数据的展开处理。
打印引擎512包含记录头1、送纸机构524、托架机构525而构成。送纸机构524由送纸马达、滚筒等构成，将记录片s等印刷存储介质以与记录头1的记录动作联动的方式依次送出。即，该送纸机构524使印刷存储介质沿副扫描方向相对移动。
托架机构525由能够搭载记录头1的托架3、和使该托架3沿主扫描方向行驶的托架驱动部构成，使托架3行驶由此使记录头1沿主扫描方向移动。此外，托架驱动部如上所述由驱动马达6、正时皮带7等构成。
记录头1沿副扫描方向具有多个喷嘴开口21，在由点阵图案数据等规定的时刻从各喷嘴开口21排出液滴。而且，经由外部布线(未图示)向这样的记录头1的压电元件300供给电信号，例如后述的驱动信号(com)、记录数据(si)等。在这样构成的打印机控制器511以及打印引擎512中，打印机控制器511和驱动电路(未图示)形成对压电元件300施加规定的驱动信号的驱动机构(驱动系)，上述驱动电路具有将从驱动信号产生电路519输出的具有规定的驱动波形的驱动信号选择性地输入至压电元件300的锁存532、电平转换器533以及开关534等。
此外，它们的移位寄存器531(以下称为“sr531”)、锁存532、电平转换器533、开关534以及压电元件300分别在每一记录头1的喷嘴开口21设置，上述sr531、锁存532、电平转换器533以及开关534根据驱动信号产生电路519产生的排出驱动信号、缓和驱动信号生成驱动脉冲。这里，驱动脉冲是指实际对压电元件300施加的施加脉冲。
在这样的记录头1中，最初与来自振荡电路517的时钟信号(ck)同步，构成点阵图案数据的记录数据(si)从输出缓冲523向sr531被串行传送并依次设置(set)。在该情况下，首先，全喷嘴开口21的印字数据的最高位比特的数据被串行传送，若该最高位比特的数据串行传送结束，则从上位数第二位的数据被串行传送。以下，下位的数据依次同样地被串行传送。
而且，若该位的记录数据的全部喷嘴量设置于各sr531，则控制部516在规定的时刻使锁存信号(lat)输出至锁存532。利用该锁存信号，锁存532将被设置为sr531的印字数据锁存。该锁存532锁存的记录数据(latout)被施加于作为电压增幅器的电平转换器533。该电平转换器533在记录数据例如为“1”的情况下，使该记录数据升压到开关534能够驱动的电压值，例如数十伏特。而且，该升压的记录数据被施加于各开关534，各开关534通过该记录数据成为连接状态。
然后，还对各开关534施加驱动信号产生电路519产生的驱动信号(com)，若开关534选择性地成为连接状态，则对与该开关534连接的压电元件300选择性地施加驱动信号。这样，在例示的记录头1中，能够根据记录数据控制是否对压电元件300施加排出驱动信号。例如，在记录数据为“1”的期间，通过锁存信号(lat)而使开关534成为连接状态，所以能够将驱动信号(comout)供给至压电元件300，通过该供给的驱动信号(comout)使压电元件300移位(变形)。另外，在记录数据为“0”的期间，开关534成为非连接状态，所以驱动信号向压电元件300的供给被切断。在该记录数据为“0”的期间，各压电元件300保持之前的电位，所以维持之前的移位状态。
此外，上述压电元件300是弯曲振动模式压电元件300。若使用该弯曲振动模式压电元件300，则压电体层70随着电压的施加朝与电压垂直的方向(压电元件保持部31方向)收收缩，从而压电元件300以及振动板50向压力产生室12侧弯曲，由此使压力产生室12收缩。另一方面，通过减小电压使压电体层70朝压电元件保持部31方向延伸，从而压电元件300以及振动板50向压力产生室12的反侧弯曲，由此使压力产生室12膨胀。在这样的记录头1中，伴随着对压电元件300的充放电，对应的压力产生室12的容积变化，所以能够利用压力产生室12的压力变动从喷嘴开口21排出液滴。
接下来，使用图13、图14说明表示向搭载于喷墨式记录装置的喷墨式记录头的压电元件输入的驱动信号(com)的驱动波形。
图13是表示喷墨式记录装置的驱动信号的驱动波形的一个例子。如图13所示，驱动波形在最小电压vl与最大电压vh之间变化。对共用电极(本实施方式的情况下为第二电极80)施加基准电压v0。例如，在将基准电压v0设为5v的情况下，共用电极保持5v的基准电位。个别电极(本实施方式的情况下为第一电极60)施加中间电压vm、最小电压vl、最大电压vh、低于中间电压vm而高于基准电压v0的缓冲电压vb四种。图13示出了各电压的值的一个例子。最小电压vl为2.5v，基准电压v0为5v，缓冲电压vb为7.5v，中间电压vm为13v，最大电压vh为35v。上述值都是以gnd(vg)的电位0v为基准。保持共用电极为基准电位并且使施加于个别电极的电压变化，从而能够利用图13所示那样的驱动波形，驱动压电元件300。
图13的驱动波形包含如下的工序p0～p7。工序p0是使压电元件300的驱动待机的状态(待机状态)。此时，对个别电极施加中间电压vm。第一电压变化工序p1是使压力产生室12膨胀的工序。此时，施加于个别电极的电压从中间电压vm变化为最小电压vl。第一保持(hold)工序p2是暂时保持第一电压变化工序p1的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持最小电压vl不变。第二电压变化工序p3是使压力产生室12收缩的工序。此时，施加于个别电极的电压从最小电压vl变化为最大电压vh。第二保持工序p4是暂时保持第二电压变化工序p3的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持最大电压vh不变。第三电压变化工序p5是使压力产生室12膨胀的工序。此时，施加于个别电极的电压从最大电压vh变化为缓冲电压vb。第三保持工序p6是暂时保持第三电压变化工序p5的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持缓冲电压vb不变。第四电压变化工序p7是用于使压电元件300再次返回待机状态的工序。此时，施加于个别电极的电压从缓冲电压vb变化为中间电压vm。
在图13所示的驱动波形中，最大电压vh为35v。施加于第一电极60以及第二电极80的各电压vl、v0、vb、vm、vh在最大电压35v以下。在最大电压以下驱动压电元件300是指这样利用在被最大电压vh以下变化的驱动波形驱动压电元件300，换言之是指对第一电极60以及第二电极80施加最大电压vh以下的电压来驱动压电元件300。此外，电压的值以gnd的电位0v为基准。
另一方面，图14是表示喷墨式记录装置的驱动信号的驱动波形的另一个例子。图14所示的驱动波形是使图13所示的驱动波形以基准电压v0为中心反转的情况。图14的驱动波形在最小电压vl与最大电压vh之间变化。对共用电极(本实施方式的情况下为第二电极80)施加基准电压v0。例如，在将基准电压v0设为32.5v的情况下，共用电极保持在32.5v的基准电位。对个别电极(本实施方式的情况下为第一电极60)施加中间电压vm、最小电压vl、最大电压vh、高于中间电压vm而低于基准电压v0的缓冲电压vb四种。图14示出了各电压的值的一个例子。最小电压vl为2.5v，基准电压v0为32.5v，缓冲电压vb为30v，中间电压vm为24.5v，最大电压vh为35v。上述值都是以gnd(vg)的电位0v为基准。保持共用电极为基准电位并且使施加于个别电极的电压变化，从而能够利用图14所示那样的驱动波形，驱动压电元件300。
图14的驱动波形包含如下的工序p0a～p7a。工序p0a是使压电元件300的驱动待机的状态(待机状态)。此时，对个别电极施加中间电压vm。第一电压变化工序p1a是使压力产生室12收缩的工序。此时，施加于个别电极的电压从中间电压vm变化为最大电压vh。第一保持工序p2a是暂时保持第一电压变化工序p1a的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持最大电压vh不变。第二电压变化工序p3a是使压力产生室12膨胀的工序。此时，施加于个别电极的电压从最大电压vh变化为最小电压vl。第二保持工序p4a是暂时保持第二电压变化工序p3a的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持最小电压vl不变。第三电压变化工序p5a是使压力产生室12收缩的工序。此时，施加于个别电极的电压从最小电压vl变化为缓冲电压vb。第三保持工序p6a是暂时保持第三电压变化工序p5a的电压变化后的状态的工序。此时，施加于个别电极的电压暂时保持缓冲电压vb不变。第四电压变化工序p7a是用于使压电元件300再次返回待机状态的工序。此时，施加于个别电极的电压从缓冲电压vb变化为中间电压vm。
在图14所示的驱动波形中，最大电压vh为35v。施加于第一电极60以及第二电极80的电压vl、v0、vb、vm、vh为最大电压35v以下。即，利用图14所示的驱动波形，压电元件300也在最大电压以下被驱动。
在本实施方式中，在形成由氧化锆(zro2)构成的绝缘体膜52的情况下，如上所述，规定锆膜的成膜条件中的基板温度以及压力，制作fn电流开始电压例如为35v或者pf电流开始电压例如为45v的压电元件300。在利用比fn电流开始电压或者pf电流开始电压低的最大电压驱动搭载有这样的压电元件300的记录头1的情况下，能够抑制fn电流或者pf电流的产生。其结果是，能够不破坏压电体层70地驱动压电元件300。即，能够抑制因老化恶化引起的耐压特性的降低，能够延长记录头1的延长耐用年数而实现长寿命化。
在制作这样的长寿命的压电设备(记录头1)的情况下，在压电元件300的制造后，测定fn电流开始电压或者pf电流开始电压。测定出的任意电压优选根据双方的电压，选择比其值低的最大电压的驱动波形，以按照选择出的波形驱动压电元件300的方式设定驱动系统。
这里，fn电流是指在通过电位障碍的隧道(量子力学的隧道释放)从电极向导电体释放电子的情况下因电极界面产生的电流。fn电流根据下述式(5)并由压电元件300的电压-电流特性(i-v特性)的数据标绘而得。另外，pf电流是在由于越过势垒而从杂质能级向导电体释放(蒲尔弗朗克效果)电子的情况下因主要压电体层70的结晶缺陷产生的电流。pf电流根据下述式(6)并由压电元件300的电压-电流特性(i-v特性)的数据标绘而得。
[数学式1]
其中，式中，j＝电流密度，ε＝电场，mφ＝有效质量，q＝电荷，φb＝障碍高度，
即，换言之，也可以不如上所述那样特定锆膜的成膜条件，只要利用比fn电流开始电压或者pf电流开始电压小的最大电压，驱动搭载有压电元件300的记录头1，就能够抑制压电体层70的毁坏。
在本实施方式中，按照以下所示的顺序制作表示输入压电元件300的驱动信号(com)的驱动波形。首先，通过根据式(5)或者(6)并由压电元件300的电压-电流特性(i-v特性)的数据标绘出的结果，预先计算fn电流开始电压或者pf电流开始电压(计算工序)。接下来，根据在计算工序中得到的fn电流开始电压或者pf电流开始电压，适当地决定比上述开始电压低的电压，制作或者选择向压电元件300输入的驱动波形(制作工序或者选择工序)。而且，从驱动信号产生电路519输出具有如上所述在制作工序或者选择工序中制作出的驱动波形的驱动信号，利用具有锁存532、电平转换器533以及开关534等的驱动电路(未图示)，将上述驱动信号输入至压电元件300。
此外，在本实施方式中，控制部516作为计算fn电流开始电压或者pf电流开始电压的计算机构、制作向压电元件300输入的驱动波形的制作机构发挥功能而构成。或者也可以利用其它控制部控制驱动信号产生电路519而构成。另外，计算工序以及制作工序或者选择工序可以在装置(记录装置i)的组装工序前执行。
因此，在记录头1中，在如上所述特定锆膜的成膜条件的使用fn电流开始电压为38v或者pf电流开始电压为45v那样高的压电元件300的情况下，若使最大电压vh例如为30v～40v左右来施加，则能够不破坏压电体层70地驱动压电元件300，所以能够抑制老化恶化的耐压特性的降低，能够延长记录头1的延长耐用年数而实现长寿命化。
即，在施加高于38v而低于45v的最大电压vh的情况下，pf电流不流动，所以能够不破坏压电体层70地驱动压电元件300，认为能够实现压电元件300的长寿命化。另外，在施加低于38v的最大电压vh的情况下，fn电流以及pf电流都不流动，所以能够进一步实现压电元件300的长寿命化。此外，在使用fn电流开始电压比38v更低的压电元件300的情况下，只要是比该电压低的最大电压vh的驱动波形即可。
实施例
以下，通过实施例更具体地说明本发明。此外，本发明不限定于以下的实施例。
＜基板的准备＞
图15是表示作为样本1～样本3而分别制作的压电元件的简要结构的图。如图所示，在样本1中，将硅基板110氧化，从而在硅基板110的表面形成由氧化硅(sio2)构成的弹性膜51。接下来，在弹性膜51上，在基板加热温度为322℃以及压力为0.8pa的成膜条件下，溅射锆(zr)膜，利用氧化炉在750℃下进行氧化处理(退火)，形成由氧化锆(zro2)构成的绝缘体膜52，制作由弹性膜51和绝缘体膜52构成的振动板50。然后，在绝缘体膜52上通过溅射法并按钛(ti)、铂(pt)、铱(ir)的顺序形成膜，刻画为规定形状的图案而形成第一电极60，作为带电极的基板。
＜压电元件的制作＞
在样本1中，为了形成由锆钛酸铅(pzt)构成的压电体层70，另外调制含有规定的金属络化物的压电体层用溶液。用微量移液管适量取得该压电体层用溶液，向放置于旋涂器的上述带电极的基板滴下。在利用旋涂器涂覆并成膜后，在加热板上烘烤，形成非晶体膜。而且，使用灯退火炉烧制，作为第一层压电体膜74(未图示)。同样，反复从涂覆到烧制的工序，形成由多层压电体膜74构成的压电体层70，并刻画为规定形状的图案。然后，在压电体层70上通过溅射法形成ir膜，刻画为规定形状的图案而形成第二电极80作为压电元件300。
接着，在硅基板110重新成型掩模53(未图示)，刻画为规定形状的图案。经由刻画图案后的掩模53在硅基板110通过使用碱性溶液(koh)的各向异性蚀刻(湿式蚀刻)，形成与压电元件300对应的压力产生室12，作为样本1。
在样本2中，除了将锆膜的成膜条件设为基板加热温度为室温、压力为0.5pa、退火条件为850℃，形成由zro2构成的绝缘体膜52以外，其它与样本1相同来制作压电元件300。
在样本3中，除了将锆膜的成膜条件设为基板加热温度为室温、压力为0.023pa、退火条件为850℃，形成由zro2构成的绝缘体膜52以外，其它与样本1相同来制作压电元件300。
样本1～样本3的由zro2构成的绝缘体膜52的成膜条件如以下的表1所示。另外，表1还示出了后述的耐压特性评价以及电气特性评价的结果。
[表1]
表1
※试样2与试样3中没有显著差异
(压电元件的耐压特性评价)
对样本1～样本3进行施加电压为35v以及53v的dc通电试验(d耐试验)。在施加电压为35v的dc通电试验中，如表1所示，在样本2、3中，100小时内80％以上的压电元件300被破坏，而在样本1中，即使通电270小时压电元件300也没有被破坏。
另一方面，在施加电压为53v的dc通电试验中，图16示出了各压电元件300相对于施加时间的累积破坏率，表1总结出有20％被破坏的时间。如表1所示，在样本2、3中，在短时间(130分钟、50分钟)内压电元件300被破坏，而在样本1中，在通电2900分钟(48小时以上)后压电元件300被破坏。
(压电元件的电气特性评价)
对样本1～样本3进行电压-电流特性(i-v特性)评价(50℃，延迟时间60秒)，其结果是如图17所示。另外，根据由图17得到的数据，并根据隧穿电流机构(fn：fowler-nordheim)的下述式(7)以及蒲尔弗朗克电流机构(pf：poole-frenkel)的下述式(8)标绘出的结果分别如图18、19所示。另外，图20示出了根据由图18、19得到的数据计算出的fn电流开始电压以及pf电流开始电压，并在表1中总结。
[数学式2]
其中，式中，j＝电流密度，ε＝电场，mφ＝有效质量，q＝电荷，φb＝障碍高度，
如图18、19所示，在样本1～样本3中可知在高电场侧出现直线区域，fn电流以及pf电流流动。另外，如表1所示可知，在样本2、3中，fn电流开始电压以及pf电流开始电压较低，而在样本1中，fn电流开始电压以及pf电流开始电压较高。即，如图20所示，样本1在比fn电流开始电压以及pf电流开始电压低的35v的驱动电压(最大电压vh)下驱动，所以能够抑制样本1(压电元件300)的恶化，能够长期使用。即，认为使用样本1的设备在最大电压vh为35v的情况下寿命很长。
通过以上的结果，若如样本1那样设定由zro2构成的绝缘体膜52的成膜条件，则能够提高得到的压电元件300的耐压特性，并且能够延长压电元件300的寿命。
另一方面，样本2、3中利用将比fn电流开始电压以及pf电流开始电压高的35v的电压作为最大电压vh的波形来驱动，所以恶化变得很明显。然而，在使用样本2、3的设备中，启示利用最大电压vh是比fn电流开始电压或者pf电流开始电压低的电压例如20v～25v左右的波形来驱动，能够抑制恶化，认为能够长期使用。
但是，若以使图13、14所示的驱动波形的最大电位差变小的方式，将在第二保持工序p4、p4a中施加的电位变小，则位移效率能够降低。因此，在使用样本2、3的设备的情况下，若使施加于共用电极的电压例如为5v～10v左右并将其作为基准电位(0v)，使驱动波形与图13、14相同，则最大电位差为15v～20v左右，不会使位移效率降低，能够提高寿命。
另外，如图18、19所示，样本1与样本2、3比较，认为电气特性有所改善，所以由zro2构成的绝缘体膜52的机械强度增加，压电体层70的pzt被改质。考虑其理由之一是由于pzt的结晶缺陷多则容易被电破坏而寿命短，但样本1的压电体层70的pzt的电破坏较少，结晶缺陷少。
此外，作为pzt改质的其它理由，还考虑因绝缘体膜52引起的金属(ti，pt等)从第一电极60扩散的减少、对cav蚀刻中产生的氢的障碍性的提高或者绝缘体膜52的zro2的结晶性的变化等。
其它实施方式
以上说明了搭载于液体喷射装置的液体喷射头的一实施方式，但本发明的基本结构不限定于上述情况。
除了上述第一实施方式之外，也可以具备改进由zro2构成的绝缘膜的成膜条件的压电元件(以下方便起见称为“本发明的压电元件”)、和利用基于通过本发明的压电元件发信的超声波以及通过本发明的压电元件接收的超声波的至少一方的信号测定检测对象的控制机构来构成超声波测定装置。
这样的超声波测定装置根据从发送超声波的时刻，到接收该发送的超声波被测定对象物反射而返回的回波信号的时刻的时间，得到与测定对象物的位置、形状以及速度等有关的信息，使用压电元件作为用于产生超声波的元件、用于探测回波信号的元件。若使用延长耐用年数并实现了长寿命化的本发明的压电元件作为这样的超声波产生源件、回波信号探测元件，则能够提供可长期使用的超声波测定装置。
此外，在上述第一实施方式中，作为液体喷射头的一个例子列举喷墨式记录头进行了说明，但本发明广泛地将液体喷射头全都作为对象，当然也能够适用于喷射墨水以外的液体的液体喷射头。作为喷射墨水以外的液体的液体喷射头例如能举出在打印机等图像记录装置中使用的各种记录头、在液晶显示器等彩色滤光片的制造中使用的色材喷射头、在有机el显示器、fed(电场释放显示器)等的电极形成中使用的电极材料喷射头、生物芯片的制造中使用的生物体有机物喷射头等。
另外，本发明的压电设备也可以是超声波马达、温度-电气转换器、压力-电气转换器、压电变压器、红外线等有害光线的截止滤光片、使用因量子点形成带来的光刻痕结晶效果的光学滤光片、利用薄膜的光干涉的光学滤光片等滤光片等。另外，超声波测定装置(超声波传感器)以外的传感器例如也可以是红外线传感器、热敏传感器、压力传感器、陀螺仪传感器(角速度传感器)。
此外，本发明的压电元件适用于铁电元件。作为可利用的铁电元件可举出铁电存储器、铁电晶体管(fefet)、铁电运算电路(felogic)、铁电电容器等。另外，本发明的压电元件表现出良好的热电特性，所以优选使用热电元件。而且，本发明的压电元件也适用于将上述马达作为驱动源使用的机器人等。
附图标记的说明：i…记录装置，ii…头单元，s…记录片，1…记录头，2a、2b…盒，3…托架，4…装置主体，5…托架轴，6…驱动马达，7…正时皮带，8…输送辊，10…流路形成基板(基板)，11…隔壁，12…压力产生室，13…墨水供给路，14…连通路，15…连通部，20…喷嘴板，21…喷嘴开口，30…保护基板，31…压电元件保持部，32…歧管部，33…贯通孔，35…粘合剂，40…柔性基板，41…密封膜，42…固定板，43…开口部，50…振动板，51…弹性膜，52…绝缘体膜，53…掩模，56…紧贴层，60…第一电极，70…压电体层，74…压电体膜，80…第二电极，90…导线电极，100…歧管，110…硅基板，120…驱动电路，121…连接布线，130…保护基板用晶圆，200，511…打印机控制器，300…压电元件，512…打印引擎，513…外部接口(外部i/f)，514…ram，515…rom，516…控制部，517…振荡电路，519…驱动信号产生电路，520…内部接口(内部i/f)，521…接收缓冲，522…中间缓冲，523…输出缓冲，524…送纸机构，525…托架机构，531…移位寄存器(sr)，532…锁存，533…电平转换器，534…开关。
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