JP2007088441A - 圧電体、圧電素子、液体吐出ヘッド、液体吐出装置及び圧電体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一般式ABO3で表される特定のペロブスカイト型酸化物を含む積層構造を有する圧電体であって、該積層構造は、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶および単斜晶のいずれかから選択された結晶相を有する層状の第1の結晶相と、これと異なる結晶相で上記結晶相のいずれかから選択された結晶相を有する層状の第2の結晶相と、第1の結晶相と前記第2の結晶相の間に、結晶相が層の厚さ方向において漸次に変化する境界相とを有し、全体として単結晶構造または一軸配向結晶構造を有する。
【選択図】図1
Description
また、グリーンシートを焼結することにより形成されたセラミックス圧電体膜は、その厚さが薄くなるにしたがって、結晶粒界の影響が無視できないようになり、良好な圧電特性を得ることができない。その結果、グリーンシートを焼結して10μm以下の圧電体膜を作製しても、かかる圧電体膜においては記録液を吐出させるための十分な圧電特性を得ることができないという問題点がある。
また、スパッタ法やCVD法、MBE法、ゾルゲル法などによって、10μm以下の薄膜を得ることができる。しかし、これらの方法によって作製した圧電体膜は、その密度が高いために、膜の面内応力が非常に高くなり、その下層の下部電極との密着性が悪くなるという問題がある。インクジェットヘッドの圧電体素子として、繰返し駆動で発生する応力に耐え得るには、圧電体膜とその下層の下部電極間に高い密着性を有することが必要である。
MPB)近傍に位置するため、単結晶構造または一軸配向結晶構造の中に、複数の結晶相を有することができると考えられる。この結果、境界層の形成が可能となり、膜の均一性がよく、圧電特性が高く、高い比誘電率を有するものとなる。
[圧電体素子]
本実施形態の圧電体素子は、上記本実施形態の圧電体と、該圧電体に接して設けられた一対の電極とを有するものであれば、特に制限されるものではない。本実施形態の圧電体素子の一例として、図3に示すように、基体41、振動板42、バッファ層43、下部電極44、圧電体45および上部電極46が順次積層された積層構造を有する圧電体素子51を挙げることができる。
例1:
Pt/Ti//PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3//Pt/Ti// YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例2:
Pt/Ti//PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例3:
Pt/Ti//PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3//Pt/Ti//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例4:
Pt/Ti//PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例5:
Pt/Ti//PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3//Pt/Ti//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例6:
Pt/Ti//PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例9:
Pt/Ti//PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3//Pt/Ti//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例10:Pt/Ti//PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例11:
Pt/Ti//PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3//Pt/Ti//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例12:
Pt/Ti//PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbYbNbO3-PbTiO3/PbInNbO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例13:
Pt/Ti//PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3/PbMgNbO3-PbTiO3/PbNiNbO3-PbTiO3//Pt/Ti//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
例14:
Pt/Ti//PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3/PbZnNbO3-PbTiO3/PbScTaO3-PbTiO3//SrRuO3/Pt//YSZ(Y2O3-ZrO2)/Si
[液体吐出ヘッド]
本実施形態の液体吐出ヘッドは、吐出口と、吐出口に連通する個別液室と、個別液室に対応して設けられた本実施形態の圧電体素子と、個別液室と圧電体素子との間に設けられた振動板とを有するものであれば、特に制限されない。本実施形態の液体吐出ヘッドの一例として、図3に示すインクジェットヘッドを挙げることができる。かかるインクジェットヘッドには、基体41と、基体に並列して設けられる複数の個別液室である圧力室61とが設けられる。各圧力室には液吐出口(吐出口)53および圧電体素子51が設けられ、圧力室と圧電体素子との間には振動板42が設けられる。このインクジェットヘッドにおいては吐出口53は、基体41の下側に設けられるノズルプレート52に所定の間隔をもって形成されているが、側面側に設けることもできる。
[液体吐出装置]
本実施形態の液体吐出装置は、上記本実施形態の液体吐出ヘッドを有するものである。
[圧電体の製造方法]
本実施形態の圧電体の製造は、正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶および単斜晶のいずれかの結晶相の層をスパッタリングにより成膜し、異なる複数の結晶相の層を積層する方法によることができる。これは、複数の圧電体材料をそれぞれ異なる領域に配置したターゲットを設ける工程と、スパッタを行うターゲットの領域を変化させつつスパッタリングを行う工程とを有することで達成できる。
上記本実施形態の圧電体素子の製造方法としては、薄膜成膜技術を使用する方法を挙げることができる。上記構成の圧電体素子の製造において、振動板42の作製方法としては、スパッタ法、CVD法、レーザーアブレーション法、MBE法等の薄膜作製方法を用いることができる。特に、スパッタ法では、加熱中に十分成膜基板を加熱することによって、基体41に対してエピタキシャル成長した酸化物薄膜を得ることができる。
本実施形態の液体吐出ヘッドの製造方法としては、薄膜成膜技術を使用する方法を挙げることができる。本実施形態の液体吐出ヘッドを製造するには、上記構成の圧電体素子の基体41に個別液室(圧力室)61を設ける方法と、別の基体に個別液室を設け、これと圧電体素子とを接合する方法などによることができる。
[実施例1]
以下の方法により液体吐出ヘッドを作製した。
(1) (Pbkmαlm)xm(MgmmNbnmTiomβpm)ymO3において、1≦xm/ym<1.2、 km+lm=1、km=1、l=0、mm+nm+om+pm=1、mm=0.22、nm=0.44、 om=0.33、pm=0
(2) (Pbkzαlz)xz(ZnmzNbnzTiozβpz)yzO3において、1≦xz/yz<1.2、kz+lz=1、kz=1、lz=0、mz+nz+oz+pz=1、mz=0.30、nz=0.61、oz=0.09、pz=0
その後、上部電極を、上記下部電極の作製方法と同様の方法により作製した。
[実施例2]
圧電体作製のターゲット組成を以下のものとし、図6に示すターゲットを使用した他は実施例1と同様の方法により液体吐出ヘッドを作製した。3分割したターゲット領域にそれぞれ圧電体材料としてターゲット組成(1)〜(3)を配置した。各々の組成領域のスパッタリング時間は各々15min、13min、11minとし、シャッターの開口の移動時間を2minとした。正方晶、擬似立方晶、単斜晶各結晶相の膜厚50nmとし各々20層と、その混相の境界層からなる膜厚3000nmの圧電体を得た。各結晶相の成膜時間を異ならせることで、図2に示すような各結晶相の膜厚の異なる圧電体を形成することができた。
(1) (Pbkmαlm)xm(MgmmNbnmTiomβpm)ymO3において、1≦xm/ym<1.2、 km+lm=1、km=1、l=0、mm+nm+om+pm=1、mm=0.22、nm=0.44、 om=0.33、pm=0
(2) (Pbkzαlz)xz(ZnmzNbnzTiozβpz)yzO3において、1≦xz/yz<1.2、kz+lz=1、kz=1、lz=0、mz+nz+oz+pz=1、mz=0.30、nz=0.61、oz=0.09、pz=0
(3)(Pbkyαly)xy(YbmyNbnyTioyβpy)yyO3において、1≦xy/yy<1.2、ky+ly=1、ky=1、ly=0、my+ny+oy+py=1、my=0.25、ny=0.25、oy=0.50、py=0
得られた圧電体素子と液体吐出ヘッドについて、実施例1と同様にして変位量と液滴吐出量と吐出速度を測定した。結果を表1、2に示す。
[実施例3]
圧電体作製のターゲット組成として以下(1)〜(4)を用い、4分割したターゲット領域に圧電体材料をそれぞれ配置したターゲットを使用した他は実施例1、2と同様の方法により液体吐出ヘッドを作製した。各々の組成領域のスパッタリング時間は各々20min、18min、16min、14minとし、シャッターの開口の移動時間を4minとした。正方晶、擬似立方晶、正方晶、菱面体晶の膜厚を各々15層と、境界層からなる膜厚3000nmの圧電体を得た。ターゲットの分割領域と、スパッタ時間を適宜変更して、目的の膜厚を有する複数の結晶相が積層された圧電体を形成することができた。
(1) (Pbknαln)xn(NimnNbnnTionβpn)ynO3
(式中、1≦xn/yn<1.5、kn+ln=1、kn=0.9、ln=0.1、mn+nn+on+pn=1、mn=0.2、nn=0.4、on=0.35、pn=0.05を満たし、且つαがLa、βがIn。
(2) (Pbktαlt)xt(ScmtTantTiotβpt)ytO3
(式中、1≦xt/yt<1.5、kt+lt=1、kt=0.9、lt=0.1、mt+nt+ot+pt=1、mt=0.28、nt=0.28、ot=0.40、pt=0.04を満たし、且つαがLa、βがNb。
(3) (Pbkiαli)xi(InmiNbniTioiβpi)yiO3
(式中、1≦xi/yi<1.5、ki+li=1、ki=0.9、li=0.1、mi+ni+oi+pi=1、mi=0.23、ni=0.23、oi=0.50、pi=0.04を満たし、且つαがLa、βがMg。
(4) (Pbksαls)xs(ScmsNbnsTiosβps)ysO3
(式中、1≦xs/ys<1.5、ks+ls=1、ks=0.9、ls=0.1、ms+ns+os+ps=1、ms=0.25、ns=0.25、os=0.43、ps=0.07を満たし、且つαがLa、βがIn。
圧電体作製のターゲット組成を(Pb1-xMx)(ZryTi1-y)O3 式中、x=0、y=0.50焼結体とし、基板の加熱温度を600℃とする他は実施例1と同様の方法により液体吐出ヘッドを作製した。圧電体として正方晶から一層構造を得た。
42 振動板
43 バッファ層
44 下部電極
45 圧電体
46 上部電極
51 圧電体素子
52 ノズルプレート
53 吐出口
61 圧力室(個別液室)
Claims (12)
- 一般式ABO3で記述されるペロブスカイト型酸化物(式中、Aサイトの主成分がPbであり、Bサイトの主成分がMg、Zn、Sc、In、Yb、Ni、Nb、Ti及びTaから選ばれる少なくとも3種類の元素を含む。)を含む積層構造の圧電体であって、
該積層構造は、
正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶または単斜晶のいずれかから選択された結晶相を有する層状の第1の結晶相と、
正方晶、菱面体晶、擬似立方晶、斜方晶または単斜晶のいずれかから選択され、かつ前記第1の結晶相の結晶相と異なる結晶相を有する層状の第2の結晶相と、
前記第1の結晶相と前記第2の結晶相との間に、結晶相が層の厚さ方向において漸次に変化する境界層とを有し、
積層構造全体として単結晶構造または一軸配向結晶構造を有することを特徴とする圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbkmαlm)xm(MgmmNbnmTiomβpm)ymO3
(式中、1≦xm/ym<1.5、km+lm=1、0.7 ≦km≦1、0≦lm≦0.3、mm+nm+om+pm=1、0.1<mm<0.3、0.3<nm<0.5、0.2<om<0.4、0≦pm<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Sc、In、Yb、Ni、Ta、Co、W、Fe、Sn、またはZnのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbkzαlz)xz(ZnmzNbnzTiozβpz)yzO3
(式中、1≦xz/yz<1.5、kz+lz=1、0.7 ≦kz≦1、0≦lz≦0.3、mz+nz+oz+pz=1、0.2<mz<0.4、0.5<nz<0.7、0.05<oz<0.20、0≦pz<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Sc、In、Yb、Mg、Ta、Co、W、Fe、Sn、またはNiのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbknαln)xn(NimnNbnnTionβpn)ynO3
(式中、1≦xn/yn<1.5、kn+ln=1、0.7 ≦kn≦1、0≦ln≦0.3、mn+nn+on+pn=1、0.1<mn<0.3、0.3<nn<0.5、0.3<on<0.5、0≦pn<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Sc、In、Yb、Mg、Ta、Co、W、Fe、Sn、またはZnのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbktαlt)xt(ScmtTantTiotβpt)ytO3
(式中、1≦xt/yt<1.5、kt+lt=1、0.7 ≦kt≦1、0≦lt≦0.3、mt+nt+ot+pt=1、0.1<mt<0.4、0.1<nt<0.4、0.3<ot<0.5、0≦pt<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Nb、In、Yb、Mg、Ni、Co、W、Fe、Sn、またはZnのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbksαls)xs(ScmsNbnsTiosβps)ysO3
(式中、1≦xs/ys<1.5、ks+ls=1、0.7 ≦ks≦1、0≦ls≦0.3、ms+ns+os+ps=1、0.1<ms<0.4、0.1<ns<0.4、0.3<os<0.5、0≦ps<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Ta、In、Yb、Mg、Ni、Co、W、Fe、Sn、またはZnのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbkyαly)xy(YbmyNbnyTioyβpy)yyO3
(式中、1≦xy/yy<1.5、ky+ly=1、0.7 ≦ky≦1、0≦ly≦0.3、my+ny+oy+py=1、0.1<my<0.4、0.1<ny<0.4、0.4<oy<0.6、0≦py<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Sc、In、Ta、Mg、Ni、Co、W、Fe、Sn、またはZnのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - ペロブスカイト型酸化物ABO3が、
(Pbkiαli)xi(InmiNbniTioiβpi)yiO3
(式中、1≦xi/yi<1.5、ki+li=1、0.7 ≦ki≦1、0≦li≦0.3、mi+ni+oi+pi=1、0.2<mi<0.4、0.2<ni<0.4、0.2<oi<0.5、0≦pi<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、またはSbのいずれかの元素を示し、βがPb、Sc、In、Yb、Mg、Ni、Co、W、Fe、Sn、Znのいずれかの元素を示す。)で表されることを特徴とする請求項1記載の圧電体。 - 請求項1から8のいずれか記載の圧電体と、該圧電体に接して設けられた1対の電極とを有することを特徴とする圧電体素子。
- 吐出口に連通する個別液室と、該個別液室に対応して設けられた圧電体素子とを有し、前記個別液室内の液体を前記吐出口から吐出する液体吐出ヘッドであって、前記圧電体素子として請求項9に記載の圧電体素子を用いることを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項10に記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする液体吐出装置。
- 一般式ABO3で記述されるペロブスカイト型酸化物の単結晶構造または一軸配向結晶構造の圧電体を、スパッタリングによって製造する方法であって、
複数の圧電体材料をそれぞれ異なる領域に配置したターゲットを設ける工程と、
スパッタを行うターゲットの領域を変化させつつスパッタリングを行う工程とを有することを特徴とする圧電体の製造方法。
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