JP2011018896A - 圧電素子及びそれを備えた圧電アクチュエータ、液体吐出装置、発電装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】圧電素子において、発信能および受信能が共に優れ、圧電アクチュエータ、センサ、更に、超音波センサ、発電素子として好適なものとする。
【解決手段】圧電素子1は、圧電性を有する圧電体13と、圧電体13に対して所定方向に電界を印加する1対の電極12、14とを備え、圧電体13の圧電歪定数d33(pm/V)と比誘電率ε33とが下記式(1)及び(2)を満足するものである。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
【選択図】図10
Description
前記圧電体の圧電歪定数d33(pm/V)と比誘電率ε33とが下記式(1)及び(2)を満足するものである。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
ここで、d33及びε33の添字表記は、直交する3つの軸1,2,3を規定した時、最初の添字が電界の印加方向、2番目の添字が歪みの方向を示しており、歪みまたは応力を取り出す方向が、電界を加えた方向に対して平行方向である縦振動モードであることを示している。従って、d33及びε33は縦振動モードの圧電歪定数及び誘電率を示している。
ここで、Aサイト元素AはBiを含むものであることが好ましく、また、下記一般式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい)ことが好ましい。かかる構成では、下記式(3)及び(4)を満足する圧電素子とすることができる。
100<d33(pm/V) ・・・(3)、
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4)
(式(P)中、Ba,Bi,及びAはAサイト元素、Ti,Fe,及びMはBサイト元素。A及びMは、Pbを除く各々1種又は複数種の金属元素である。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。また、式(4)中、g33は前記圧電体の電圧出力定数(圧電感度定数)である。)
上記一般式(P)において、下記式(5)を満足することが好ましく、また前記一般式(P)において、Aサイト元素AがBa及び/又はBiである場合、Bサイト元素MはTi及びFe以外の元素であり、Bサイト元素MがTi及び/又はFeである場合、Aサイト元素AはBa及びBi以外の元素であり、下記式(5)及び(6)を満足するものであることが好ましく、更に、下記式(7)を満足するものであることがより好ましい。
TF(BiFeO3)<TF(AMO3)<TF(BaTiO3)・・・(6)
0.97≦TF(AMO3)≦1.02・・・(7)
(式中、TF(P)は上記一般式(P)で表される酸化物の許容因子、TF(BiFeO3)、TF(AMO3)、及びTF(BaTiO3)はそれぞれ()内に記載の酸化物の許容因子である。)
また、前記圧電体が、異なる結晶系を有する複数の成分を有するものであることが好ましく、Pbを含まないことをことが好ましい。
TF=(rA+rO)/√2(rB+rO)
(式中、rAはAサイトの平均イオン半径、rBはBサイトの平均イオン半径、rOは酸素のイオン半径である。)
本明細書において、「イオン半径」は、いわゆるShannonのイオン半径を意味している(R. D. Shannon, Acta Crystallogr A32,751 (1976)を参照)。「平均イオン半径」は、格子サイト中のイオンのモル分率をC、イオン半径をRとしたときに、ΣCiRiで表される量である。ただし、12配位のBiのイオン半径に関しては、前記文献に記載が無く、また共有結合性が強いので、「共有結合半径」を用いる。
配向率Fは、下記式で表される。
F(%)=(P−P0)/(1−P0)×100・・・(i)
式(i)中、Pは、配向面からの反射強度の合計と全反射強度の合計の比である。(001)配向の場合、Pは、(00l)面からの反射強度I(00l)の合計ΣI(00l)と、各結晶面(hkl)からの反射強度I(hkl)の合計ΣI(hkl)との比({ΣI(00l)/ΣI(hkl)})である。例えば、ペロブスカイト結晶において(001)配向の場合、P=I(001)/[I(001)+I(100)+I(101)+I(110)+I(111)]である。
P0は、完全にランダムな配向をしている試料のPである。
完全にランダムな配向をしている場合(P=P0)にはF=0%であり、完全に配向をしている場合(P=1)にはF=100%である。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
背景技術の項において述べたように、これまで高いd33値と高いg33値を両立することは難しいとされていたが、上記構成の本発明により、はじめて、誘電率を高めることなく高いd33値を得ることに成功した。本発明の圧電素子では、従来の圧電体に比して低誘電率にて高いd33値を有する圧電体、つまり、d33値及び電圧出力定数g33が共に優れた圧電体を備えているため、発信能および受信能が共に優れた圧電素子となる。従って、本発明によれば、圧電アクチュエータ、センサ、更に、超音波センサ、発電素子として好適な圧電素子を得ることができる。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子、及びこれを備えた圧電アクチュエータ(圧電装置)、及びインクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)の構造について説明する。図1はインクジェット式記録ヘッドの要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
インクジェット式記録ヘッド3では、圧電素子1に印加する電界強度を増減させて圧電素子1を伸縮させ、これによってインク室21からのインクの吐出や吐出量の制御が行われる。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
(i)自発分極軸のベクトル成分と電界印加方向とが一致したときに、電界印加強度の増減によって電界印加方向に伸縮する通常の電界誘起圧電歪(真性圧電歪(intrinsic))、
(ii)電界印加強度の増減によって分極軸が可逆的に非180°回転することで生じる圧電歪、
(iii)電界印加強度の増減によって結晶を相転移させ、相転移による体積変化を利用する圧電歪、
(iv)電界印加により相転移する特性を有する材料を用い、自発分極軸方向とは異なる方向に結晶配向性を有する強誘電体相を含む結晶配向構造とすることで、より大きな歪が得られるエンジニアードドメイン効果を利用する圧電歪(エンジニアードドメイン効果を利用する場合には、相転移が起こる条件で駆動してもよいし、相転移が起こらない範囲で駆動してもよい)などが挙げられる。
従来、鉛系のペロブスカイト型酸化物のバルクセラミクスでは、MPB組成において、圧電性能と、Aサイト元素の平均原子量MAとBサイト元素の平均原子量MBとの差|MA−MB|とには相関があり、|MA−MB|が大きいほど電気機械結合係数k33が大きくなり、圧電性能が優れることが報告されている(東芝レビューVol.59, No. 10, p.41 (2004))。
(Ba,Bi,A)(Ti,Fe,M)O3・・・(P)
(式(P)中、Ba,Bi,及びAはAサイト元素、Ti,Fe,及びMはBサイト元素。A及びMは、Pbを除く各々1種又は複数種の金属元素である。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。)
0.97≦TF(P)≦1.02・・・(5)、
TF(BiFeO3)<TF(AMO3)<TF(BaTiO3)・・・(6)、
0.97≦TF(AMO3)≦1.02・・・(7)
(式中、TF(P)は上記一般式(P)で表される酸化物の許容因子、TF(BiFeO3)、TF(AMO3)、及びTF(BaTiO3)はそれぞれ()内に記載の酸化物の許容因子である。)
100<d33(pm/V) ・・・(3)
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4)
(式中、g33は前記圧電体の電圧出力定数(圧電感度定数)である。)
図3及び図4を参照して、上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3を備えたインクジェット式記録装置の構成例について説明する。図3は装置全体図であり、図4は部分上面図である。
ロール紙を使用する装置では、図3のように、デカール処理部120の後段に裁断用のカッター128が設けられ、このカッターによってロール紙は所望のサイズにカットされる。カッター128は、記録紙116の搬送路幅以上の長さを有する固定刃128Aと、該固定刃128Aに沿って移動する丸刃128Bとから構成されており、印字裏面側に固定刃128Aが設けられ、搬送路を挟んで印字面側に丸刃128Bが配置される。カット紙を使用する装置では、カッター128は不要である。
吸着ベルト搬送部122により形成される用紙搬送路上において印字部102の上流側に、加熱ファン140が設けられている。加熱ファン140は、印字前の記録紙116に加熱空気を吹き付け、記録紙116を加熱する。印字直前に記録紙116を加熱しておくことにより、インクが着弾後に乾きやすくなる。
印字検出部124の後段には、印字された画像面を乾燥させる加熱ファン等からなる後乾燥部142が設けられている。印字後のインクが乾燥するまでは印字面と接触することは避けた方が好ましいので、熱風を吹き付ける方式が好ましい。
大きめの用紙に本画像とテスト印字とを同時に並列にプリントする場合には、カッター148を設けて、テスト印字の部分を切り離す構成とすればよい。
インクジェット記記録装置100は、以上のように構成されている。
図面を参照して、本発明に係る実施形態の圧電素子、及びこれを備えた発電装置の構造について説明する。図5(A)は発電装置の上面図、図5(B)は要部断面図(圧電素子の厚み方向の断面図)である。視認しやすくするため、構成要素の縮尺は実際のものとは適宜異ならせてある。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2)
圧電素子において、これまで高いd33値と高いg33値を両立することは難しいとされていたが、本実施形態により、はじめて、誘電率を高めることなく高いd33値を得ることに成功した。圧電素子1では、従来の圧電体に比して低誘電率にて高いd33値を有する圧電体、つまり、d33値及び電圧出力定数g33が共に優れた圧電体13を備えているため、発信能および受信能が共に優れた圧電素子1となる。従って、圧電素子1は、圧電アクチュエータ及び発電素子として好適なものである。
上記実施形態では、圧電体13が、基板上に成膜された圧電膜である場合について説明したが、圧電体13はバルク体であってもよい。バルク体である場合も単結晶又は粒子配向性セラミクス焼結体であることが好ましい。粒子配向性セラミックス焼結体は、ホットプレス法、シート法、及びシート法で得られる複数のシートを積層プレスする積層プレス法等により、形成できる。
厚み500μmの(100)SrTiO3(STO)基板を用意し、パルスレーザデポジション法(PLD法)にて、その表面に膜厚約200nmのSrRuO3(SRO)下部電極を成膜した。その際、ターゲットは市販のSROターゲットを用い、成膜条件は基板温度700℃,酸素分圧10mmTorr(1.3Pa),レーザ強度300mJ,レーザパルス周波数5Hz,基板―ターゲット間距離50mm,ターゲット回転数9.7rpmとし、成膜時間は約10分間とした。
上部電極の表面に、AFMのプローブを接触させておき、電圧印加時の伸びをプローブの上下方向の移動量から求める。測定周波数は1kHzとした。本方法では、測定の精度を上げるため、サイドエッチングを行った。
厚み500μmの(100)Si基板を用意し、まず表面の自然酸化膜を除去した後にパルスレーザデポジション法(PLD法)にて、その表面に膜厚約20nmのMgOバッファ層及び膜厚約200nmのSrRuO3(SRO)下部電極を成膜した。その際、ターゲットは市販のMgメタルターゲット及びSROターゲットを用い、成膜条件は基板温度400℃(MgO)、700℃(SRO),酸素分圧1mTorr=0.13Pa(MgO)、10mTorr=1.3Pa(SRO),レーザ強度300mJ,レーザパルス周波数5Hz,基板―ターゲット間距離50mm,ターゲット回転数9.7rpmとし、成膜時間約2分(MgO)、約10分(SRO)とした。
実施例1と同じ基板、同じ方法にて、組成の異なる2つの膜(膜(3),膜(4))を作製した。組成はそれぞれ、(Ba0.15,Bi0.8,Sr0.05)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3((3)膜)及び、(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.15,Fe0.75,Nb0.05,Mn0.05)O3((4)膜 )とした。
実施例2と同じ基板、同じ方法にて、組成の異なる2つの膜(膜(3)’,膜(4)’)を作製した。組成はそれぞれ、(Ba0.15,Bi0.8,Sr0.05)(Ti0.19,Fe0.76,Mn0.05)O3((3)’膜)及び、(Ba0.2,Bi0.8)(Ti0.15,Fe0.75,Nb0.05,Mn0.05)O3((4)’膜 )とした。
上記実施例の圧電素子と、既存の鉛系、及び非鉛系材料の圧電素子の誘電率と圧電歪定数との関係を図10に示す。図10に示されるように、既存の鉛系材料及び非鉛系材料共に誘電率と圧電歪定数はほぼ比例関係になっているが、上記実施例のプロットはその直線から大きくはずれ、低い誘電率側で高いd33値を示していることがわかる。従って、上記実施例の圧電素子は、これまでにない高い電気機械結合係数k33を有する新規圧電素子であることが確認される。
表2に図10及び図11に示した各実施例のデータを示す。
2 圧電アクチュエータ(圧電装置)
3,3K,3C,3M,3Y インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
4 発電装置
12、14 電極
13 圧電体
15 駆動手段
16 振動板
20 インクノズル(インク貯留吐出部材)
21 インク室(液体貯留室)
22 インク吐出口(液体吐出口)
40,41,42 取り出し電極
100 インクジェット式記録装置
Claims (19)
- 圧電性を有する圧電体と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する1対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電体の圧電歪定数d33(pm/V)と比誘電率ε33とが下記式(1)及び(2)を満足することを特徴とする圧電素子。
100<ε33<1500 ・・・(1)、
d33(pm/V)>12√ε33 ・・・(2) - 前記圧電体の圧電歪定数d33と電圧出力定数g33とが下記式(3)及び(4)を満足するものであることを特徴とする請求項1に記載の圧電素子。
100<d33(pm/V) ・・・(3)、
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4) - 前記圧電体が、<100>又は<001>1軸配向性を有する多結晶又は単結晶であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電素子。
- 前記圧電体が、一般式ABO3で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい)ことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電素子。
(一般式ABO3において、AはAサイト元素、BはBサイト元素であり、各々1種又は複数種の金属元素、Oは酸素原子。Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。) - Aサイト元素Aが、Biを含むものであることを特徴とする請求項4に記載の圧電素子。
- 前記圧電体が、下記一般式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物からなる(不可避不純物を含んでいてもよい)ことを特徴とする請求項5に記載の圧電素子。
(Ba,Bi,A)(Ti,Fe,M)O3・・・(P)
(式(P)中、Ba,Bi,及びAはAサイト元素、Ti,Fe,及びMはBサイト元素。A及びMは、Pbを除く各々1種又は複数種の金属元素である。
Aサイト元素の総モル数及びBサイト元素の総モル数の、酸素原子のモル数に対する比は、それぞれ1:3が標準であるが、ペロブスカイト構造を取り得る範囲内で1:3からずれてもよい。) - 前記一般式(P)において、下記式(5)を満足することを特徴とする請求項6に記載の圧電素子。
0.97≦TF(P)≦1.02・・・(5)
(式中、TF(P)は上記一般式(P)で表される酸化物の許容因子である。) - 前記一般式(P)において、Aサイト元素AがBa及び/又はBiである場合、Bサイト元素MはTi及びFe以外の元素であり、Bサイト元素MがTi及び/又はFeである場合、Aサイト元素AはBa及びBi以外の元素であり、下記式(6)を満足するものであることを特徴とする請求項7に記載の圧電素子。
TF(BiFeO3)<TF(AMO3)<TF(BaTiO3)・・・(6)
(式中、TF(P)は上記一般式(P)で表される酸化物の許容因子、TF(BiFeO3)、TF(AMO3)、及びTF(BaTiO3)はそれぞれ()内に記載の酸化物の許容因子である。) - さらに下記式(7)を充足することを特徴とする請求項8に記載の圧電素子。
0.97≦TF(AMO3)≦1.02・・・(7) - 前記圧電体が、異なる結晶系を有する複数の成分を有するものであることを特徴とする請求項4〜9のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記圧電体が、Pbを含まないことを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記圧電体が、厚み1μm以上100μm以下の圧電膜であることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記圧電膜が、単結晶基板上に成膜されたものであることを特徴とする請求項12に記載の圧電素子。
- 前記圧電体が、粒子配向セラミックス焼結体からなることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の圧電素子。
- 圧電性を有する圧電体(但し、Pb系バルク単結晶を除く)と、該圧電体に対して所定方向に電界を印加する1対の電極とを備えた圧電素子において、
前記圧電体が下記式(4)を満足するものであることを特徴とする圧電素子。
80<g33(×10−3V・m/N) ・・・(4)
(式中、g33は前記圧電体の電圧出力定数である。) - 請求項1〜15のいずれかに記載の圧電素子と、該圧電素子の前記圧電体に電界を印加して前記圧電素子を駆動する駆動手段とを備えたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 前記圧電体の下層に、前記圧電素子を駆動することにより前記圧電体に生じる変位を外部に伝える振動板を備えたことを特徴とする請求項16に記載の圧電アクチュエータ。
- 請求項16又は17に記載の圧電アクチュエータと、
該圧電アクチュエータに隣接して設けられた液体吐出部材とを備え、
該液体吐出部材は、液体が貯留される液体貯留室と、前記圧電体に対する前記電界の印加に応じて該液体貯留室から外部に前記液体が吐出される液体吐出口とを有することを特徴とする液体吐出装置。 - 前記圧電体の下層に、外部からの力を前記圧電体に伝えて該圧電体を変位させる振動板を備えた請求項1〜15のいずれかに記載の圧電素子と、前記変位により該圧電体に生じる電荷を前記電極から外部に取り出す取り出し電極とを備えたことを特徴とする発電装置。
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