JP2011096969A - 圧電体膜とその成膜方法、圧電素子、液体吐出装置、及び圧電型超音波振動子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明の圧電体膜は、基板上に成膜されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜であり、膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足することを特徴とするものである。1.05≦Emax/Emin≦1.20であることが好ましい。Eminが30〜150GPaの範囲内にあることが好ましい。
【選択図】なし
Description
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足することを特徴とするものである。
基板上に成膜されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい)の成膜方法において、
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足するように、成膜を行うことを特徴とするものである。
本発明者は、気相成膜の成膜条件を工夫することにより、膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足する圧電体膜を実現した。
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足することを特徴とするものである。
基板上に成膜されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい)の成膜方法において、
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足するように、成膜を行うことを特徴とするものである。
ナノインデンターを用いた測定条件は、圧子:Berkovich、荷重1.0mN、荷重を印加する時間は1.0mNまで10秒以上とし、荷重除荷曲線の接続の傾きから接触剛性を求める。このとき傾きは、荷重除荷曲線の最大値の95%と65%の荷重値での値を用いて求める。また、圧子形状に起因する定数は0.75を用い、ヤング率を求めるための材料パラメータであるポアソン比は0.3とする。ナノインデンターを用いた測定法については、KOBE STEEL ENGINEERING REPORTS, Vol.52, No.2 p.74-77を参照されたい。ピコデンターの測定条件も同等である。上記の方法で測定する限りは、大きな誤差を含むことなく再現性よく測定できる。
圧電歪には、
(1)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圧電歪(電界誘起歪)、
(2)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、
(3)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、
(4)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。
本発明の圧電体膜の組成としては、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)を含むものが挙げられる。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;
チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mは1種又は2種以上の金属元素を示す。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナイオンを添加したPZTでは、真性PZTよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Mは、4価のZr,Tiよりも価数の大きい1種又は2種以上のドナイオンであることが好ましい。かかるドナイオンとしては、V5+,Nb5+,Ta5+,Sb5+,Mo6+,及びW6+等が挙げられる。本発明の圧電体膜は、ペロブスカイト型酸化物(PX)の中でも、0<b−x−yであり、MがV,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素を含むペロブスカイト型酸化物を含むことが好ましい。
図1を参照して、本発明に係る一実施形態の圧電素子及びこれを備えた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(圧電素子の膜厚方向の断面図)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。
なお、本実施形態の圧電素子1では、応力緩和層が必須ではないが、必要に応じて、別途応力緩和層を設けることは差し支えない。
図2及び図3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2は装置全体図であり、図3は部分上面図である。
印字部102をなすヘッド3K,3C,3M,3Yが、各々上記実施形態のインクジェット式記録ヘッド3である。
ロール紙を使用する装置では、図2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は、印字部102の打滴結果を撮像するラインセンサ等からなり、ラインセンサによって読み取った打滴画像からノズルの目詰まり等の吐出不良を検出する。
後乾燥部142の後段には、画像表面の光沢度を制御するために、加熱・加圧部144が設けられている。加熱・加圧部144では、画像面を加熱しながら、所定の表面凹凸形状を有する加圧ローラ145で画像面を加圧し、画像面に凹凸形状を転写する。
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4を参照して、本発明に係る一実施形態の圧電型超音波振動子の構造について説明する。図4は圧電型超音波振動子の要部断面図である。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。
本実施形態の圧電型超音波振動子5は、超音波モータ等に使用できる。
本実施形態の圧電型超音波振動子5はまた、特定周波数の超音波を発生し、対象物より反響して戻ってきた超音波を検知するセンサ等として使用でき、超音波探触子等に使用できる。対象物より反響して戻ってきた超音波を受けて振動板82が振動すれば、その応力に応じて圧電体膜72が変位し、圧電素子4にはその変位量に応じた電圧が生じる。これを検出することで、対象物の形状等を検出することができる。
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において、適宜設計変更可能である。
Siウエハ上にスパッタ法により、基板温度350℃にて、下部電極として20nm厚のTi膜と150nm厚のIr膜とを順次成膜した。この下部電極上に、4.0μm厚のNbドープPZT圧電体膜を成膜した。
成膜装置:Rfスパッタ装置、
ターゲット:150mmφのPb1.3(Zr0.46Ti0.42Nb0.12)O3焼結体、
基板温度:475℃、
基板―ターゲット間距離(T−S距離):60mm、
成膜圧力:0.5Pa、
成膜ガス:Ar/O2=30sccm/0.8sccm、
成膜時間:計90分間、
投入電力(成膜パワー):500W(比較例1)、700W(比較例2)。
圧電体膜の成膜条件を途中で変更して成膜を実施した以外は、比較例1,2と同様にして、本発明の圧電素子を得た。圧電体膜の成膜条件は以下の通りとした。
成膜装置:比較例1,2と同じ、
ターゲット:比較例1,2と同じ、
基板温度:比較例1,2と同じ、
基板―ターゲット間距離(T−S距離):比較例1,2と同じ、
成膜圧力:比較例1,2と同じ、
成膜ガス:比較例1,2と同じ、
投入電力:成膜開始〜60分間は500W、その後の30分間は700W、
成膜時間:計90分間。
比較例1,2と同様に耐電圧を測定したところ、圧電体膜の耐電圧は550kV/cmであった。
圧電体膜の成膜条件を途中で変更して成膜を実施した以外は、比較例1,2と同様にして、本発明の圧電素子を得た。圧電体膜の成膜条件は以下の通りとした。
成膜装置:比較例1,2と同じ、
ターゲット:比較例1,2と同じ、
基板温度:比較例1,2と同じ、
基板―ターゲット間距離(T−S距離):比較例1,2と同じ、
成膜圧力:比較例1,2と同じ、
成膜ガス:比較例1,2と同じ、
投入電力:成膜開始〜60分間は700W、その後の30分間は500W、
成膜時間:計90分間。
比較例1,2と同様に耐電圧を測定したところ、圧電体膜の耐電圧は350kV/cmであった。
3、3K,3C,3M,3Y インクジェット式記録ヘッド(液体吐出装置)
10 基板
20、40 電極
30 圧電体膜
60 インクノズル(液体貯留吐出部材)
61 インク室(液体貯留室)
62 インク吐出口(液体吐出口)
100 インクジェット式記録装置
4 圧電素子
5 圧電型超音波振動子(超音波トランスデューサ)
71、73 電極
72 圧電体膜
82 振動板
90 Rf電源(高周波交流電源)
Claims (23)
- 基板上に成膜されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい)において、
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足することを特徴とする圧電体膜。 - 1.05≦Emax/Emin≦1.20であることを特徴とする請求項1に記載の圧電体膜。
- Eminが30〜150GPaの範囲内にあることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体膜。
- ヤング率が膜厚方向に連続的に変化していることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の圧電体膜。
- 膜厚方向に見たときに、前記基板側の面のヤング率が最も大きく、前記基板と反対側の面のヤング率が最も小さいことを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の圧電体膜。
- 前記基板の基板面に対して非平行方向に延びる多数の柱状体からなる柱状構造膜であることを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の圧電体膜。
- 気相成長法により成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の圧電体膜。
- プラズマを用いる気相成長法により成膜されたものであることを特徴とする請求項7に記載の圧電体膜。
- 成膜途中に少なくとも1つの成膜条件を1回以上変えて成膜されたものであることを特徴とする請求項1〜8のいずれかに記載の圧電体膜。
- 電流値が1μA以上となる印加電圧により定義される絶縁破壊電圧が350kV/cm以上であることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の圧電体膜。
- 膜厚が20.0μm以下であることを特徴とする請求項1〜10のいずれかに記載の圧電体膜。
- 下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の圧電体膜。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(PX)を含むことを特徴とする請求項12に記載の圧電体膜。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mは1種又は2種以上の金属元素を示す。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 0<b−x−yであり、ペロブスカイト型酸化物(PX)のMが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素であることを特徴とする請求項13に記載の圧電体膜。
- 基板上に成膜されたペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜(不可避不純物を含んでいてもよい)の成膜方法において、
膜厚方向に見たときのヤング率の最大値をEmaxとし、最小値をEminとしたとき、1.05≦Emax/Eminを充足するように、成膜を行うことを特徴とする圧電体膜の成膜方法。 - 1.05≦Emax/Emin≦1.20を充足するように、前記成膜を行うことを特徴とする請求項15に記載の圧電体膜の成膜方法。
- 気相成長法により前記成膜を行うことを特徴とする請求項15又は16に記載の圧電体膜の成膜方法。
- プラズマを用いる気相成長法により前記成膜を行うことを特徴とする請求項17に記載の圧電体膜の成膜方法。
- Emax/Eminが前記関係を充足するように、成膜途中に少なくとも1つの成膜条件を1回以上変えて、前記成膜を行うことを特徴とする請求項15〜18のいずれかに記載の圧電体膜の成膜方法。
- Emax/Eminが前記関係を充足するように、成膜途中に、成膜パワー、成膜温度、成膜圧力、ガス流量、ガス組成、基板―ターゲット間距離、ターゲット組成、及び基板電位のうち少なくとも1つの成膜条件を1回以上変えて、前記成膜を行うことを特徴とする請求項18に記載の圧電体膜の成膜方法。
- 請求項1〜14のいずれかに記載の圧電体膜と、該圧電体膜に対して電界を印加する電極とを備えたことを特徴とする圧電素子。
- 請求項21に記載の圧電素子と、該圧電素子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、前記圧電体膜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。
- 請求項21に記載の圧電素子と、
前記電極に交流電流を印加する交流電源と、
前記圧電体膜の伸縮により振動する振動板とを備えたことを特徴とする圧電型超音波振動子。
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