CN109983592A - 压电功能膜、致动器以及喷墨头 - Google Patents
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Abstract
压电功能膜包含基底层和压电体层。压电体层包含添加铌的锆钛酸铅。基底层包含：添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
Description
技术领域
本公开涉及具备包含添加铌的锆钛酸铅的压电体层的压电功能膜、致动器以及喷墨头。
背景技术
近年来，向封装体、纺织物、产品装饰等的印刷需要正在扩大。喷墨方式相比于有版印刷方式，具有能够对应小批量并且加工期间短的优点。因此，作为向封装体、纺织物、产品装饰等的印刷手法，研究喷墨方式。
另外，喷墨方式的印刷机具有用于喷出墨水的致动器。致动器作为驱动单元，使用在以锆钛酸铅为主成分的压电膜的两主面配置有电极的压电元件。
封装体、纺织物、产品装饰等印刷对象相比于打印纸等印刷对象，印刷面不平坦。此外，在封装体、纺织物、产品装饰等印刷对象中，相比于打印纸等印刷对象，可使用各种种类的墨水。
因此，对压电元件，为了将各种种类的墨水高速并且高精细地印刷于印刷面不平坦的印刷对象，要求更高的压电性能。以往，作为提高锆钛酸铅的压电常量的手法，已知将压电膜设为(001)优先取向并且向锆钛酸铅添加10摩尔％以上且40摩尔％以下的铌的手法。
专利文献1～6公开了上述领域的现有技术。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP专利第4142705号公报
专利文献2：JP专利第4142706号公报
专利文献3：JP专利第4246227号公报
专利文献4：JP专利第5367242号公报
专利文献5：JP专利第4505492号公报
专利文献6：JP专利第4452752号公报
非专利文献
非专利文献1：R.Ramesh，Appl.Phys.Lett.(1993)Vol.63，No.1p.27-29
发明内容
在向锆钛酸铅添加铌的情况下，存在压电元件中产生内部电场的课题。
通常，驱动单元以基板、下部电极、压电膜和上部电极被依次层叠的致动器的方式而被使用。在将该致动器的压电层膜设为添加铌的锆钛酸铅的情况下，在从下部电极向上部电极的方向，产生内部电场。例如，从专利文献4的图7中公开的极化-电场曲线(P-E曲线)读取的内部电场的值是18kv/cm。
另外，在非专利文献1中，记载了具有10-15kV/cm的内部电场的样品相比于不具有内部电场的样品，连续驱动时的极化劣化早期产生。在锆钛酸铅这样的具有强介电性的压电膜中，极化与压电性能相关联。因此，假定将压电膜设为添加铌的锆钛酸铅的致动器在连续驱动时，压电膜的压电性能的劣化早期产生。
另一方面，在专利文献4、专利文献5中，公开了通过将铅离子以铋离子置换，使压电膜的内部电场降低的手法。但是，在该手法中，压电膜中的添加物的量增加，压电膜的组成控制变得复杂，因此在量产的观点上并不期望。
此外，在专利文献6中，公开了将铅相对于铅以外的阳离子的摩尔比设为1.03以下的压电膜。但是，由于同时导致强介电性的降低，因此并不期望。
本公开的压电功能膜设为如下结构：具备基底层和压电体层，压电体层是添加铌的锆钛酸铅，基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
本公开的一方式中的致动器设为如下结构：具备基板、配置于基板之上的下部电极、配置于下部电极之上的压电功能膜、配置于压电功能膜之上的上部电极，压电体膜压电功能膜具备基底层、和设置于基底层上的压电体层，压电体层是添加铌的锆钛酸铅，基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
本公开的一方式中的喷墨头设为如下结构：具备流路、与流路连接的压力室、与压力室连接的喷嘴，压力室具有对压力室内的压力进行控制的致动器，致动器具备基板、配置于基板之上的下部电极、配置于下部电极之上的压电功能膜、配置于压电功能膜之上的上部电极，压电功能膜具备基底层、设置于基底层上的压电体层，压电体层是添加铌的锆钛酸铅，基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
通过该结构，能够降低由于使用添加铌的锆钛酸铅而产生的压电元件的内部电场。
附图说明
图1是本公开的一实施方式中的具备压电功能膜的致动器的剖视图。
图2是本公开的使用一实施方式中的致动器的喷墨头的剖视图。
图3是表示实施例1中的压电元件的PE曲线的图。
图4是表示实施例2中的压电元件的PE曲线的图。
图5是表示实施例3中的压电元件的PE曲线的图。
图6是表示比较例1中的压电元件的PE曲线的图。
具体实施方式
以下，使用附图来对本公开的实施方式所涉及的具备压电功能膜的致动器进行说明。另外，以下说明的实施方式均表示本公开的优选的一具体例。因此，以下的实施方式所示的形状、结构要素、结构要素的配置以及连接方式等是一个例子，并不是限定本公开的主旨。因此，以下的实施方式中的结构要素之中，关于表示本发明的最上位概念的独立权利要求中未记载的结构要素，被说明为任意的结构要素。
此外，各图是示意图，不必严密地图示。各图中，针对实质相同的构造赋予相同的符号，重复的说明被省略或者简单化。
以下，使用附图来对本公开的一方式的压电功能膜进行说明。图1是表示具备压电功能膜5的致动器100的剖视图。该致动器100在振动板1之上配置压电元件4。压电元件4是下部电极8、压电功能膜5、上部电极9被依次层叠的构造体。另外，下部电极8被配置于振动板1之上。
振动板1能够由在硅基板2的表面具有包含二氧化硅的绝缘体膜3的双层基板构成。压电功能膜5具备被配置于下部电极8之上的基底层6和被配置于基底层6之上的压电体层7。基底层6能够包含添加有铌的钛酸铅(添加铌的钛酸铅或者添加Nb的PT)、添加有铌和镧的钛酸铅(添加(铌、镧)的钛酸铅或者添加Nb的PLT)、添加有铌、镧和镁的钛酸铅(添加(铌、镧、镁)的钛酸铅或者添加Nb的PLMT)的任意一种。压电体层7是(001)优先取向，能够包含添加有的锆钛酸铅(添加Nb的PZT)。在振动板1与基底层6之间，配置下部电极8。下部电极8包含铂、铱等金属。在压电功能膜5之上，配置上部电极9。上部电极9包含铂、金等金属。
致动器100通过向上部电极9与下部电极8之间施加控制电压，能够使振动板1振动。若向上部电极9与下部电极8施加控制电压，则通过压电体层7的逆压电效应，可激励压电体层7的厚度方向(图中的上下方向)的振动。
这样，通过将压电体层7设为包含添加Nb的PZT的压电体层7，将基底层6设为添加Nb的PT、添加Nb的PLT、添加Nb的PLMT的任意一种，能够降低压电功能膜5的内部电场。此外，通过降低压电功能膜5的内部电场，可抑制致动器100中的连续驱动时的压电性能的劣化。
此外，形成压电体层7的添加Nb的PZT通过铌的添加比例设为10摩尔％以上并且40摩尔％以下的范围内，能够高效地提高压电体特性。另外，所谓铌的添加比例，是指包含添加Nb的PZT的压电体层7中的铌相对于锆、钛以及铌的总和的摩尔比。
特别地，在将压电功能膜5用于致动器100的驱动单元的情况下，由于向压电功能膜5施加的驱动电压变大，因此基于内部电场的降低的效果变大。此外，通过将致动器100用作为喷墨头的墨水的喷出单元，能够更加显著地得到基于内部电场的降低的效果。
接下来，对将本公开中的致动器100用于喷墨头时的作用效果进行叙述。图2中表示喷墨头200的结构。喷墨头200具备：喷出墨水的喷嘴11、对用于使墨水喷出的压力进行控制的压力室12、向压力室12导入墨水的流路13。压力室12具有本公开中的致动器100。致动器100将压力室12的顶板部分作为振动板1，在该振动板1之上配置压电元件4而构成。通过向致动器100施加驱动信号，振动板1根据位移来向压力室12内的墨水赋予喷出压力，成为经由喷嘴11而喷出墨水的构造。换句话说，致动器100必须向粘性较高的墨水赋予喷出压力，需要更大的压电特性。换句话说，本公开中的基于内部电场的降低的效果更加显著地表现。
以下，举例作为本公开的一实施方式的实施例和作为实施例的比较对象的比较例来进行说明。实施例以及比较例是具备压电元件4的致动器100，该压电元件4具备下部电极8、压电功能膜5、上部电极9。针对内部电场，根据图3至图6所示的压电元件4的P-E曲线来判定。实施例1、实施例2、实施例3的压电体层7是添加Nb的PZT，基底层6是添加Nb的PLMT，铌的添加比例不同。比较例1的压电体层7是添加Nb的PZT，但基底层6是添加有镧和镁的钛酸铅(PLMT)。未向该PLMT添加铌。
另外，将压电元件的内部电场为10kV/cm以下设为效果的判定基准。
(实施例1)
对实施例1的致动器100的构造进行说明。振动板1由在硅基板2上配置有包含二氧化硅的绝缘体膜3的双层基板构成。硅基板2的厚度是525μm，绝缘体膜3的厚度是70nm。下部电极8包含铂，厚度是0.4μm。压电功能膜5具有：包含添加Nb的PLMT的基底层6、包含添加Nb的PZT的压电体层7。基底层6的厚度是60nm。压电体层7的厚度是3.5μm。上部电极9包含金，厚度是0.3μm。
下部电极8通过溅射而被形成于绝缘体膜3之上。
基底层6通过溅射而被形成于下部电极8之上。包含添加Nb的PLMT的基底层6中的铌的添加比例是8摩尔％。另外，这里所谓的铌的添加比例，是指包含添加Nb的PLMT的基底层6中的铌相对于铌与钛的总和的摩尔比。添加Nb的PLMT层的组成能够通过X射线光电子分光法(XPS)以及能量分散型线段光法(SEM-EDX)等来确认。
压电体层7通过溅射而形成于基底层6之上。添加Nb的PZT中的铌的添加比例是10摩尔％。包含添加Nb的PZT的压电体层7的组成能够通过X射线光电子分光法(XPS)以及能量分散型线段光法(SEM-EDX)等来确认。
图3中表示实施例1中的压电元件4的P-E曲线。内部电场是7.2kV/cm。另外，内部电场是在P-E曲线中，将低电场侧的矫顽电场Ec1与高电场侧的矫顽电场Ec2相加的值除以2而得到的值。
(实施例2)
对实施例2的致动器100进行说明。另外，实施例2的致动器100中的与实施例1的致动器100的不同在于，使用将基底层6中的铌的添加比例设为12％的添加Nb的PLMT、和使用将压电体层7中的铌的添加比例设为15％的添加Nb的PZT。其他条件与实施例1的致动器100相同。
对实施例2的致动器100的构造进行说明。振动板1由在硅基板2上配置有包含二氧化硅层的绝缘体膜3的双层基板构成。硅基板2的厚度是525μm，绝缘体膜3的厚度是70nm。下部电极8包含铂，厚度是0.4μm。压电功能膜5具有：包含PLMT的基底层6、包含添加Nb的PZT的压电体层7。基底层6的厚度是60nm。压电体层7的厚度是3.5μm。上部电极9包含金，厚度是0.3μm。
下部电极8通过溅射而形成于绝缘体膜3之上。添加Nb的PLMT中的铌的添加比例是12摩尔％。
压电体层7通过溅射而形成于基底层6之上。添加Nb的PZT中的铌的添加比例是15摩尔％。
图4中表示实施例2中的压电元件4的P-E曲线。内部电场是4.7kV/cm。
(实施例3)
对实施例3的致动器100进行说明。另外，实施例3的致动器100中的与实施例1的致动器100的不同在于，使用将基底层6中的铌的添加比例设为16％的添加Nb的PLMT、和使用将压电体层7中的铌的添加比例设为20％的添加Nb的PZT。其他条件与实施例1的致动器100相同。
对实施例3的致动器100的构造进行说明。振动板1由在硅基板2上配置有包含二氧化硅层的绝缘体膜3的双层基板构成。硅基板2的厚度是525μm，绝缘体膜3的厚度是70nm。下部电极8包含铂，厚度是0.4μm。压电功能膜5具有：包含PLMT的基底层6、和包含添加Nb的PZT的压电体层7。基底层6的厚度是60nm。压电体层7的厚度是3.5μm。上部电极9包含金，厚度是0.3μm。
下部电极8通过溅射而形成于绝缘体膜3之上。添加Nb的PLMT中的铌的添加比例是16摩尔％。
压电体层7通过溅射而形成于基底层6之上。添加Nb的PZT中的铌的添加比例是20摩尔％。
图5中表示实施例3中的压电元件4的P-E曲线。内部电场是3.1kV/cm。
(比较例1)
对比较例1的致动器100进行说明。另外，比较例1的致动器100中的与实施例1的致动器100的不同在于，基底层6中使用未添加铌的PLMT。其他条件与实施例1的致动器100相同。
对比较例1的致动器100的构造进行说明。振动板1由在硅基板2上配置有包含二氧化硅层的绝缘体膜3的双层基板构成。硅基板2的厚度是525μm，绝缘体膜3的厚度是70nm。下部电极8包含铂，厚度是0.4μm。压电功能膜5具有：包含PLMT的基底层6、和包含添加Nb的PZT的压电体层7。基底层6的厚度是60nm。压电体层7的厚度是3.5μm。上部电极9包含金，厚度是0.3μm。
下部电极8通过溅射而形成于绝缘体膜3之上。
压电体层7通过溅射而形成于基底层6之上。该添加Nb的PZT中的铌的添加比例是10摩尔％。
图6中表示比较例1中的压电元件4的P-E曲线。内部电场是27.8kV/cm。
以上，根据实施例1、实施例2、实施例3和比较例1的结果也可知，通过使用添加Nb的PLMT作为添加Nb的PZT的基底层6，压电元件4中的内部电场降低。
另外，在上述的实施方式中，将包含添加Nb的PZT的压电体层7的基底层6设为添加Nb的PLMT，但本发明并不限定于该方式。实施例1中的添加Nb的PLMT是以压电体层7的结晶性提高为目的的成分。因此，相比于作为压电体层7的成分的锆酸铅，结晶化容易的钛酸铅是主成分即可。换句话说，本公开中的基底层6即使将以钛酸铅为主成分的添加Nb的PLT或者添加Nb的PT设为基底层6，也能够得到与上述的添加Nb的PLMT相同的效果。
此外，以包含硅基板2和具有二氧化硅层的绝缘体膜3的双层构成说明了振动板1，但也可以设为二氧化硅层的单层结构。
此外，将压电体层7中的铌的添加比例说明为10摩尔％，但铌的添加比例只要是10摩尔％以上并且40摩尔％以下就能够得到较高的压电性能。其中，在压电体层7中的铌的添加比例是25摩尔％以上的情况下，存在可抑制内部电场的趋势。因此，在使用添加有铌的基底层6的情况下，压电体层7中的铌的添加比例是10摩尔％以上并且25摩尔％以下的范围特别有效。
这样，在实施例的致动器中，能够改善添加铌的锆钛酸铅的滞后。
此外，基底层6中的铌的添加比例优选是8摩尔％以上并且16摩尔％以下的范围。在铌的添加比例小于8摩尔％的情况下，内部电场的值变大，在铌的添加比例大于16摩尔％的情况下，不能得到压电体层7中的(001)/(100)优先取向。另外，所谓基底层6中的铌的添加比例，表示基底层6中的钛与铌的摩尔数的合计之中、铌的摩尔数所占的比例。若是实施例1的基底层6(添加Nb的PT)，则表示添加Nb的PT中的钛的摩尔数与铌的摩尔数的合计之中、铌的摩尔数所占的比例。若是实施例2的基底层6(添加Nb的PLT)，则表示添加Nb的PLT中的钛的摩尔数与铌的摩尔数的合计之中、铌的摩尔数所占的比例。若是实施例3的基底层6(添加Nb的PLMT)，则表示添加Nb的PLMT中的钛的摩尔数与铌的摩尔数的合计之中、铌的摩尔数所占的比例。
产业上的可利用性
本公开中的压电功能膜特别是在驱动电压较大的喷墨头用途中有效。
-符号说明-
1 振动板
5 压电功能膜
6 基底层
7 压电体层
8 下部电极
9 上部电极
11 喷嘴
12 压力室
13 流路
100 致动器
200 喷墨头。
Claims (5)
1.一种压电功能膜，具备：
基底层；和
压电体层，被设置于所述基底层上，
所述压电体层是添加铌的锆钛酸铅，
所述基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
2.根据权利要求1所述的压电功能膜，其中，
所述基底层中的所述钛的摩尔数与所述铌的摩尔数的合计之中、所述铌的摩尔数所占的比例是8摩尔％以上且16摩尔％以下。
3.根据权利要求1所述的压电功能膜，其中，
所述压电体层中的钛的摩尔数、锆的摩尔数和铌的摩尔数的合计之中、所述铌的摩尔数所占的比例是10摩尔％以上且40摩尔％以下。
4.一种致动器，具备：
振动板；
下部电极，被配置于所述振动板之上；
压电功能膜，被配置于所述下部电极之上；和
上部电极，被配置于所述压电功能膜之上，
所述压电功能膜具备：
基底层；和
压电体层，被设置于基底层上，
所述压电体层是添加铌的锆钛酸铅，
所述基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
5.一种喷墨头，具备：
流路；
压力室，与所述流路连接；和
喷嘴，与所述压力室连接，
所述压力室具有对所述压力室内的压力进行控制的致动器，
所述致动器具备：
振动板；
下部电极，被配置于所述振动板之上；
压电功能膜，被配置于所述下部电极之上；和
上部电极，被配置于所述压电功能膜之上，
所述压电功能膜具备：
基底层；和
压电体层，被设置于基底层上，
所述压电体层是添加铌的锆钛酸铅，
所述基底层是添加铌的钛酸铅、或者添加(铌、镧)的钛酸铅、或者添加(铌、镧、镁)的钛酸铅的任意一种。
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