JP2011187817A - Liquid ejecting head, liquid ejecting apparatus, and piezoelectric element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、液体噴射ヘッド、液体噴射装置および圧電素子に関する。 The present invention relates to a liquid ejecting head, a liquid ejecting apparatus, and a piezoelectric element.
液体噴射ヘッドは、液体噴射装置の構成として、例えば、インクジェットプリンター等に用いられる。この場合、液体噴射ヘッドは、インクの小滴を吐出して飛翔させるために用いられ、これによりインクジェットプリンターは、当該インクを紙等の媒体に付着させて印刷を行うことができる。 The liquid ejecting head is used in, for example, an ink jet printer as a configuration of the liquid ejecting apparatus. In this case, the liquid ejecting head is used to eject and eject a small droplet of ink, whereby the ink jet printer can perform printing by attaching the ink to a medium such as paper.
液体噴射ヘッドは、一般に、ノズルから液体を吐出するために液体に圧力を加えるアクチュエーターを有している。このようなアクチュエーターは、例えば、圧電素子を備えたものがある。アクチュエーターが備える圧電素子としては、電気機械変換機能を呈する圧電材料、例えば、結晶化した圧電性セラミックス等からなる圧電体を、2つの電極で挟んで構成されたものがある。このような圧電素子は、2つの電極によって電圧が印加されることによって変形することができ、この変形を利用して、アクチュエーターを、例えば、撓み振動モードで動作させることができる。 The liquid ejecting head generally includes an actuator that applies pressure to the liquid in order to eject the liquid from the nozzle. Such an actuator includes, for example, a piezoelectric element. As a piezoelectric element provided in the actuator, there is a piezoelectric element having an electromechanical conversion function, for example, a piezoelectric body made of crystallized piezoelectric ceramic or the like sandwiched between two electrodes. Such a piezoelectric element can be deformed when a voltage is applied by two electrodes, and the actuator can be operated in, for example, a flexural vibration mode using the deformation.
このような用途に用いられる圧電材料としては、電気機械変換効率などの圧電特性が高いことが望ましく、該特性が他の材料に比較して優れていることから、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)系の材料の研究開発が行われてきた。しかし、近年、圧電材料の圧電特性をさらに向上する要求が強まるとともに、環境負荷のより小さい材料を用いることが求められるようになり、PZT系の材料では、これらの要求に応えることが困難となってきており、例えば、鉛の含有量の少ないペロブスカイト型酸化物の圧電材料の開発が進められるようになった。 The piezoelectric material used for such applications preferably has high piezoelectric properties such as electromechanical conversion efficiency, and the properties are superior to other materials. Therefore, lead zirconate titanate (PZT) Research and development of materials of the system has been carried out. However, in recent years, demands for further improving the piezoelectric characteristics of piezoelectric materials have increased, and it has become necessary to use materials with a smaller environmental load. With PZT materials, it is difficult to meet these demands. For example, a perovskite oxide piezoelectric material with a low lead content has been developed.
例えば、鉛を含有せず、理論上圧電特性が高いと考えられているセラミックス材料の中には、例えば、Bi系酸化物があり、現状では、BiFeO3のみが、バルク状態において常圧にて焼成することで、ペロブスカイト型の結晶構造を形成することが知られている。他のBi系酸化物の多くは、焼成時の雰囲気が常圧ではペロブスカイト型の結晶構造を形成せず、数GPaを超える高圧でペロブスカイト型の結晶構造を形成する。例えば、Bi(Zn0.5,Ti0.5)O3(BZT)は、高圧(6ギガパスカル程度)で焼成しなければ、ペロブスカイト型の結晶構造を形成できないことが知られている。 For example, among ceramic materials that do not contain lead and are theoretically considered to have high piezoelectric properties, there are, for example, Bi-based oxides. Currently, only BiFeO 3 is present in the bulk state at normal pressure. It is known to form a perovskite crystal structure by firing. Many other Bi-based oxides do not form a perovskite-type crystal structure at an atmospheric pressure during firing, but form a perovskite-type crystal structure at a high pressure exceeding several GPa. For example, it is known that Bi (Zn 0.5 , Ti 0.5 ) O 3 (BZT) cannot form a perovskite crystal structure unless it is fired at a high pressure (about 6 gigapascal).
特許文献1には、アルカリ金属および鉛を含まない複合酸化物が開示されている。同文献には、特定の組成を有する酸化物についてキューリー温度等が評価され、圧電特性に優れた高いキューリー温度を有する圧電材料を提供できる等の記載がある。
一方、ペロブスカイト型の結晶構造をとりうる酸化物を圧電素子の圧電体として用いる場合には、電界の印加される方向および結晶軸の方向が特定の関係にあるときに、優れた圧電特性を示すことが分かっている。したがって、圧電素子の圧電特性を高めるためには、圧電体の結晶の配向を制御することが重要である。また、圧電体の結晶の配向は、少なくとも、圧電体の材質および圧電体が結晶化する際に接する物体の材質の影響を受けることが分かっている。 On the other hand, when an oxide having a perovskite crystal structure is used as a piezoelectric body of a piezoelectric element, excellent piezoelectric characteristics are exhibited when the direction in which the electric field is applied and the direction of the crystal axis are in a specific relationship. I know that. Therefore, in order to improve the piezoelectric characteristics of the piezoelectric element, it is important to control the crystal orientation of the piezoelectric body. Further, it has been found that the crystal orientation of the piezoelectric body is affected at least by the material of the piezoelectric body and the material of the object that comes into contact when the piezoelectric body crystallizes.
しかしながら、圧電体の結晶の配向は、圧電体の材質および圧電体が結晶化する際に接する物体の材質のそれぞれの組成のわずかな変化によって大きく影響されるため、両者のそれぞれの材質ごとに最適化されることになる。そのため、例えばビスマス系の複合酸化物において、例えばPZTの結晶の配向制御の手法をそのまま適用しても、所望の結晶の配向を得ることは難しい。 However, the crystal orientation of the piezoelectric body is greatly affected by slight changes in the composition of the piezoelectric material and the material of the object that comes into contact when the piezoelectric body crystallizes, so it is optimal for each material. Will be converted. Therefore, for example, in a bismuth-based complex oxide, it is difficult to obtain a desired crystal orientation even if a method for controlling the orientation of a PZT crystal is applied as it is.
本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、PZTよりも小さい鉛含有量で、変位量の大きいアクチュエーターおよび液体噴射ヘッドを提供することにある。また、本発明のいくつかの態様にかかる目的の一つは、PZTよりも小さい鉛含有量で、変位量の大きい圧電体を含む圧電素子を提供することにある。 An object of some embodiments of the present invention is to provide an actuator and a liquid ejecting head having a lead content smaller than that of PZT and a large amount of displacement. Another object of some embodiments of the present invention is to provide a piezoelectric element including a piezoelectric body having a lead content smaller than PZT and a large displacement.
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.
[適用例1]
<111>に優先配向した白金電極および前記白金電極に接して形成された圧電体を有する圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体を含み、
前記圧電体は、<100>に優先配向している、液体噴射ヘッド。
[Application Example 1]
A liquid ejecting head comprising a platinum electrode preferentially oriented to <111> and a piezoelectric actuator having a piezoelectric body formed in contact with the platinum electrode,
The piezoelectric body includes a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The piezoelectric body is a liquid ejecting head in which <100> is preferentially oriented.
本適用例の液体噴射ヘッドは、結晶の配向性が良好な圧電体を含む。そのため、圧電アクチュエーターの変位量が大きく、例えば、液体を噴射する能力が高い。 The liquid jet head according to this application example includes a piezoelectric body having good crystal orientation. Therefore, the displacement amount of the piezoelectric actuator is large, for example, the ability to eject liquid is high.
[適用例2]
適用例1において、
前記白金電極は、前記圧電体と反対側の面で酸化イリジウムに接していることができる。
[Application Example 2]
In application example 1,
The platinum electrode may be in contact with iridium oxide on the surface opposite to the piezoelectric body.
本適用例の液体噴射ヘッドによれば、圧電体の結晶の配向性がさらに良好となり、圧電アクチュエーターの変位量が大きく、例えば、液体を噴射する能力がさらに高い。 According to the liquid ejecting head of this application example, the orientation of the crystal of the piezoelectric body is further improved, the displacement amount of the piezoelectric actuator is large, and, for example, the ability to eject liquid is further enhanced.
[適用例3]
適用例1または適用例2において、
前記圧電体の<100>優先配向度は、50%以上であることができる。
[Application Example 3]
In application example 1 or application example 2,
The <100> preferred orientation degree of the piezoelectric body may be 50% or more.
本適用例の液体噴射ヘッドは、圧電体の結晶の配向性が良好であり、圧電アクチュエーターの変位量が大きく、例えば、液体を噴射する能力が高い。 The liquid jet head of this application example has good orientation of the crystal of the piezoelectric body, the displacement amount of the piezoelectric actuator is large, for example, the ability to eject liquid is high.
[適用例4]
適用例1ないし適用例3のいずれか一項において、
前記白金電極のX線回折パターンの(111)ピークのロッキングカーブの半値幅は、10度以下であることができる。
[Application Example 4]
In any one of the application examples 1 to 3,
The half width of the rocking curve of the (111) peak of the X-ray diffraction pattern of the platinum electrode may be 10 degrees or less.
本適用例の液体噴射ヘッドは、結晶の配向性が良好な圧電体を含む。そのため、圧電アクチュエーターの変位量が大きく、例えば、液体を噴射する能力が高い。 The liquid jet head according to this application example includes a piezoelectric body having good crystal orientation. Therefore, the displacement amount of the piezoelectric actuator is large, for example, the ability to eject liquid is high.
[適用例5]
本発明にかかる液体噴射装置の一態様は、
適用例1ないし適用例4のいずれか一例に記載された液体噴射ヘッドを備える。
[Application Example 5]
One aspect of the liquid ejecting apparatus according to the invention is as follows.
The liquid ejecting head described in any one of Application Examples 1 to 4 is provided.
本適用例の液体噴射装置は、PZTに比較して、鉛含有量の小さいビスマス系の複合酸化物からなる圧電体を含み変位量の大きい液体噴射ヘッドを有している。これにより、環境負荷を低減することができるとともに、例えば、インクジェット印刷におけるインクの吐出性能が高い。 The liquid ejecting apparatus according to this application example includes a liquid ejecting head including a piezoelectric body made of a bismuth-based composite oxide having a small lead content, as compared with PZT. Thereby, the environmental load can be reduced and, for example, the ink ejection performance in ink jet printing is high.
[適用例6]
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
<111>に優先配向した白金電極と、
前記白金電極に接して配置された圧電体と、
を含み、
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体を含み、
前記圧電体は、<100>に優先配向している。
[Application Example 6]
One aspect of the piezoelectric element according to the present invention is:
A platinum electrode preferentially oriented to <111>;
A piezoelectric body disposed in contact with the platinum electrode;
Including
The piezoelectric body includes a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The piezoelectric body is preferentially oriented in <100>.
本適用例の圧電素子は、結晶の配向性が良好な圧電体を含む。これにより、圧電特性が良好である。 The piezoelectric element of this application example includes a piezoelectric body having good crystal orientation. Thereby, the piezoelectric characteristics are good.
[適用例7]
本発明にかかる液体噴射ヘッドの一態様は、
<111>に優先配向した白金電極、前記白金電極に接して形成されたニッケル酸ランタン層および前記ニッケル酸ランタン層に接し前記白金電極とは反対側に形成された圧電体を有する圧電アクチュエーターを備えた液体噴射ヘッドであって、
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体であり、
前記固溶体は、<100>に優先配向している。
[Application Example 7]
One aspect of the liquid jet head according to the present invention is as follows.
A platinum electrode having a preferential orientation of <111>, a lanthanum nickelate layer formed in contact with the platinum electrode, and a piezoelectric actuator in contact with the lanthanum nickelate layer and formed on the opposite side of the platinum electrode A liquid jet head,
The piezoelectric body is a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The solid solution is preferentially oriented to <100>.
本適用例の液体噴射ヘッドは、結晶の配向性が良好な圧電体を含む。そのため、圧電アクチュエーターの変位量が大きく、例えば、液体を噴射する能力が高い。 The liquid jet head according to this application example includes a piezoelectric body having good crystal orientation. Therefore, the displacement amount of the piezoelectric actuator is large, for example, the ability to eject liquid is high.
[適用例8]
本発明にかかる圧電素子の一態様は、
<111>に優先配向した白金電極と、
前記白金電極に接して配置されたニッケル酸ランタン層と、
前記ニッケル酸ランタン層に接し、前記白金電極とは反対側に配置された圧電体と、
を含み、
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体であり、
前記固溶体は、<100>に優先配向している、圧電素子。
[Application Example 8]
One aspect of the piezoelectric element according to the present invention is:
A platinum electrode preferentially oriented to <111>;
A lanthanum nickelate layer disposed in contact with the platinum electrode;
A piezoelectric body in contact with the lanthanum nickelate layer and disposed on the opposite side of the platinum electrode;
Including
The piezoelectric body is a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The piezoelectric element, wherein the solid solution is preferentially oriented to <100>.
本適用例の圧電素子は、結晶の配向性が良好な圧電体を含む。これにより、圧電特性が良好である。 The piezoelectric element of this application example includes a piezoelectric body having good crystal orientation. Thereby, the piezoelectric characteristics are good.
以下に本発明の好適な実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお以下の実施形態は、本発明の一例を説明するものである。そのため、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、要旨を変更しない範囲で実施される各種の変形例も含む。なお、下記の実施形態で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。 Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, the following embodiment demonstrates an example of this invention. Therefore, this invention is not limited to the following embodiment, The various modifications implemented in the range which does not change a summary are also included. Note that not all the configurations described in the following embodiments are essential constituent requirements of the present invention.
1.圧電素子および圧電アクチュエーター
図1は、本実施形態にかかる圧電素子100の断面の模式図である。
1. Piezoelectric Element and Piezoelectric Actuator FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a
本実施形態にかかる圧電素子100は、白金電極10と、導電層20と、圧電体30と、を含む。
The
1.1.白金電極
白金電極10は、例えば、基板1の上方に形成される。基板1は、例えば、導電体、半導体、絶縁体で形成された平板とすることができる。基板1は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。また、基板1は、上面が平面的な形状であれば内部の構造は限定されず、例えば、内部に空間等が形成された構造であってもよい。また、例えば、後述する液体噴射ヘッドのように、基板1の下方に圧力室等が形成されているような場合においては、基板1より下方に形成される複数の構成をまとめて一つの基板1とみなしてもよい。また、白金電極10と基板1との間には、例えば、両者の密着性を付与する層や、強度や導電性を付与する層が形成されてもよい。このような層の例としては、例えば、チタン、ニッケル、イリジウムなどの各種の金属、それらの酸化物の層を例示することができる。
1.1. Platinum electrode The
白金電極10は、少なくとも後述の圧電体30に接する面が、白金を主成分とする材質で形成される。白金電極10は、単層構造でもよいし、他の複数の材料を積層した構造としてもよい。白金電極10が単層構造である場合には、白金電極10の全体が白金を主成分とする材質で形成される。本実施形態の白金電極10は、<111>に優先配向している。白金電極10の配向性については「1.4.結晶の配向」の項で詳述する。
The
白金電極10の形状は、導電層20と対向できるかぎり限定されないが、本実施形態では、圧電体30が、薄膜状に形成されるため、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。白金電極10の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下とすることができる。また、白金電極10の平面的な形状についても、導電層20が対向して配置されたときに両者の間に圧電体30を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。
The shape of the
白金電極10の機能の一つとしては、導電層20と一対になって、圧電体30に電圧を印加するための一方の電極(例えば、圧電体30の下方に形成された下部電極)となることが挙げられる。
One of the functions of the
白金電極10は、スパッタ法(DCスパッタ、イオンスパッタ、マグネトロンスパッタを含む)、蒸着法、MOCVD(Metal−Organic Chemical Vapor Deposition)法などにより形成される。
The
基板1は、可撓性を有し、圧電体30の動作によって変形(屈曲)することのできる振動板であってもよい。この場合、圧電素子100は、振動板と、白金電極10と、圧電体30と、導電層20と、を含む圧電アクチュエーター102となる。ここで、基板1が可撓性を有するとは、基板1がたわむことができることを指す。基板1を振動板とした場合、基板1のたわみは、圧電アクチュエーター102を液体噴射ヘッドに使用する場合、吐出させる液体の体積と同程度に圧力室の容積を変化させうる程度であれば十分である。
The
基板1が振動板である場合は、基板1の材質としては、例えば、酸化ジルコニウム(ZrO2)、窒化シリコン、酸化シリコンなどの無機酸化物、ステンレス鋼などの合金を例示することができる。これらのうち、基板1(振動板)の材質としては、化学的安定性および剛性の点で、酸化ジルコニウムが特に好適である。この場合においても基板1は、例示した物質の2種以上の積層構造であってもよい。
When the
本実施形態では、以下、基板1が振動板であって、酸化ジルコニウムによって形成されている場合を例示する。したがって、圧電素子100は、可撓性を有し、圧電体30の動作によって変形(屈曲)することができる振動板を備えた圧電アクチュエーター102と実質的に同一である。以下の説明においては、圧電素子100および圧電アクチュエーター102は、相互に読み替えることができる。
In the present embodiment, the case where the
1.2.導電層
導電層20は、白金電極10に対向して配置される。導電層20は、全体が白金電極10と対向していてもよいし、一部が白金電極10に対向していてもよい。導電層20の形状は、白金電極10と対向できるかぎり限定されないが、本実施形態では、圧電体30が、薄膜状に形成されるため、層状あるいは薄膜状の形状が好ましい。導電層20の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下とすることができる。また、導電層20の平面的な形状についても、白金電極10に対向して配置されたときに両者の間に圧電体30を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。
1.2. Conductive Layer The
導電層20の機能の一つとしては、圧電体30に電圧を印加するための一方の電極(例えば、圧電体30の上に形成された上部電極)となることが挙げられる。導電層20の材質は、例えば、ニッケル、イリジウム、白金などの各種の金属、それらの導電性酸化物(例えば酸化イリジウムなど)、ストロンチウムとルテニウムの複合酸化物(SrRuOx:SRO)、ランタンとニッケルの複合酸化物(LaNiOx:LNO)などを例示することができる。第1導電層10は、例示した材料の単層構造でもよいし、複数の材料を積層した構造であってもよい。
One of the functions of the
図1は、白金電極10が導電層20よりも平面的に大きく形成された例を示しているが、導電層20のほうが白金電極10よりも平面的に大きく形成されてもよい。この場合は、導電層20は、圧電体30の側面に形成されてもよく、導電層20に、水分や水素等から圧電体30を保護する機能を兼ねさせることができる。
Although FIG. 1 shows an example in which the
1.3.圧電体
本実施形態では、圧電体30は、少なくとも白金電極10に接し、白金電極10および導電層20の間に配置される。圧電体30は、導電層20に接していてもよい。図1の例では、圧電体30は、導電層20にも接して設けられている。
1.3. Piezoelectric Body In the present embodiment, the
圧電体30は、薄膜法により形成される。ここで、薄膜法とは、スパッタ法(DCスパッタ、イオンスパッタ、マグネトロンスパッタを含む)、蒸着法、MOCVD法、MOD(Metal−Organic Decomposition)法、PLD(Pulsed Laser Deposition)(レーザーアブレーション)法、ミスト成膜法、およびゾルゲル法の少なくとも一種の方法を指す。すなわち、本実施形態の圧電体30は、バルク状態で形成されたものではなく、例えば、バルク状態で形成されたあとに、研磨等により薄膜化されたものではない。
The
圧電体30の厚さは、薄膜法によって形成される限り限定されず、例えば、100nm以上3000nm以下とすることができる。薄膜法によって、厚みの大きい圧電体30を形成する場合には、例えば、スパッタ法、蒸着法、MOCVD法などの物質を堆積させる種の方法では堆積時間を長くすることにより形成することができ、また例えば、MOD法やゾルゲル法などのコーティング−焼成を行う種の方法では、該方法を繰り返して積層することにより形成することができる。さらに、積層する場合には、各層毎に異なる薄膜法を用いて積層してもよい。
The thickness of the
本実施形態の圧電体30は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体である。
The
より具体的には、圧電体30は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタン(Bi,La)(Zn,Ti)O3)(以下これを「BLZT」と略記することがある)、およびチタン酸鉛PbTiO3(以下これを「PT」と略記することがある)の固溶体(以下これを「PT−BLZT」と略記することがある)であり、例えば、
(1−u)Pb(1+v)TiO3−u(Bi(1−w)Law)(Zn(1−x)Tix)O3・・・(式I)
として表記することができる。
More specifically, the
(1-u) Pb (1 + v) TiO 3 -u (Bi (1-w) La w) (Zn (1-x) Ti x) O 3 ··· ( Formula I)
Can be expressed as:
このPT−BLZTは、一般式としては、ABO3で示される複合酸化物であり、いわゆるペロブスカイト型酸化物に分類され、結晶化により、ペロブスカイト型の結晶構造をとることができる。PT−BLZTは、結晶化されて、ペロブスカイト型の結晶構造をとることにより、圧電性を呈することができる。これにより、圧電体30は、白金電極10および導電層20によって電界が印加されることで変形することができる(電気機械変換)。この変形によって、例えば基板1をたわませたり振動させたりすることができ、圧電アクチュエーター102を構成することができる。
This PT-BLZT is a complex oxide represented by ABO 3 as a general formula, and is classified into a so-called perovskite oxide, and can have a perovskite crystal structure by crystallization. PT-BLZT can exhibit piezoelectricity by being crystallized and taking a perovskite crystal structure. Accordingly, the
本実施形態の圧電体30の固溶体を、上記(式I)の型式で表記した場合、u、v、wおよびxは、いずれも0以上1以下の値をとりうる。これらの値は、圧電体30を形成するときの原料の仕込量が表現されていてもよく、また、形成後の圧電体30の組成が表現されていてもよい。例えば、式中「v」は、PbTiO3の化学量論比よりも過剰に仕込まれた鉛原料の量を表現しているものとすることができる。したがって、当該化学式の電荷の中性が、見かけ上満足されない表記となる場合があり、その場合は仕込の値、または、結晶の欠陥の程度が示されていると解するものとする。
When the solid solution of the
本実施形態の圧電体30は、<100>に優先配向している。圧電体30の配向性については「1.4.結晶の配向」の項で詳述する。
The
本実施形態の圧電体30は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体であり、当該固溶体における、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンのチタン酸鉛に対するモル比(BLZT/PT)は、例えば、0.38以上38/0.61以下とすることができる。すなわち、本実施形態の圧電体30の固溶体を、上記(式I)の型式で表記した場合、0.28≦u≦0.38となるようにすることができる。
The
圧電体30の固溶体の、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンのチタン酸鉛に対するモル比(BLZT/PT)が、この範囲にあれば、圧電素子100の耐電圧を非常に良好にすることができる。これにより、圧電素子100に印加する電圧を高めることができ、例えば、圧電アクチュエーター102の変位を大きくすることができる。そして、このような圧電体30は、例えば、インクジェット印刷におけるインクの吐出性能を高めることができる。なおBLZT/PT比は、より好ましくは、0.39以上0.49以下である。
If the molar ratio (BLZT / PT) of the solid solution of the
本実施形態の圧電体30の固溶体において、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンにおけるビスマスのランタンに対するモル比(Bi/La)は、1.00以上2.33以下としてもよい。すなわち、本実施形態の圧電体30の固溶体を、上記(式I)の型式で表記した場合、0.3≦w≦0.5とすることができる。このようにすれば、圧電素子100のヒステリシスループの形状をさらに良好にすることができる。すなわち、Bi/La比が、1.00以上2.33以下であると、ヒステリシスループをより開いた形状にすることができる。また、Bi/La比は、より好ましくは1.5以上2.33以下である。
In the solid solution of the
本実施形態の圧電体30の固溶体において、チタン酸鉛における、鉛のチタンに対するモル比(鉛/チタン)は、1.0より大きく1.1以下とすることができる。また、圧電体30において、固溶体となっているチタン酸鉛の鉛は、化学量論組成のチタン酸鉛の鉛量よりも10%以下過剰であるようにしてもよい。すなわち、本実施形態の圧電体30の固溶体を、上記(式I)の型式で表記した場合、0≦v≦0.1とすることができる。このようにすれば、固溶体の結晶における異相の量を減少させることができる。例えば、圧電体30が結晶化された際に、立方晶、正方晶、菱面体晶などの結晶構造の相が現れる場合があるが、チタン酸鉛における鉛のチタンに対するモル比(鉛/チタン)は、1.0より大きく1.1以下とすることにより、例えば、圧電体30において、正方晶の割合を高め、他の結晶構造の相(異相)の存在量を減少させることができる。このようにすれば、圧電素子100の圧電特性をさらに良好にすることができる。
In the solid solution of the
本実施形態の圧電体30の固溶体において、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンにおける亜鉛のチタンに対するモル比(Zn/Ti)は、0.92以上1.08以下としてもよい。すなわち、本実施形態の圧電体30の固溶体を、上記(式I)の型式で表記した場合、0.48≦x≦0.5とすることができる。このようにすれば、圧電素子100の耐電圧をさらに良好とすることができる。これにより、圧電素子100に印加する電圧をさらに高めることができ、例えば、圧電アクチュエーター102の変位をさらに大きくすることができる。そして、このような圧電体30は、例えば、インクジェット印刷におけるインクの吐出性能をさらに高めることができる。なおZn/Ti比は、より好ましくは、0.96以上1.04以下であり、ビスマス、亜鉛およびチタンの価数のバランスの点で、特に好ましくは0.5である。
In the solid solution of the
1.4.結晶の配向および結晶性
1.4.1.白金電極
一般に白金属の元素は、スパッタ法(DCスパッタ、イオンスパッタを含む)、蒸着法、MOCVD法などによって基板等の上に成膜されるとき、結晶の特定の軸が自発的に特定の方向に配向する性質を有している(本明細書では、このような性質を自己配向性ということがある。)。特に白金は、自己配向性が強い。すなわち、白金は、白金電極10として成膜される過程において、結晶構造を採る場合に、形成される膜面の法線方向に、結晶の<111>方向が自発的に配向しやすい。本明細書では、このような配向状態のことを「<111>優先配向」という場合がある。したがって、上述の白金電極10は、スパッタ法等により基板1等の表面に成膜される際に、<111>に優先配向することができる。
1.4. Crystal orientation and crystallinity 1.4.1. Platinum electrode Generally, when a metal element is formed on a substrate or the like by sputtering (including DC sputtering, ion sputtering), vapor deposition, MOCVD, etc., a specific axis of the crystal is spontaneously specified. It has the property of being oriented in the direction (in this specification, this property is sometimes referred to as self-orientation). Platinum in particular has a strong self-orientation property. That is, in the process in which platinum is formed as the
白金電極10の優先配向の程度は、例えば、X線回折の(111)面のピークのロッキングカーブによって評価されることができる。このようなロッキングカーブを用いると、白金電極10の優先配向の程度は、当該ピークの半値幅によって評価されることができる。本実施形態に白金電極10は、X線回折の(111)面のピークのロッキングカーブの半値幅が、20°以下となっている。また、白金電極10のX線回折の(111)面のピークのロッキングカーブの半値幅は、10°以下であることがより好ましい。
The degree of preferential orientation of the
本実施形態の圧電素子100は、白金電極10の圧電体30と反対側の面に酸化イリジウムまたは酸化チタンの層を有することができる。このような層を有することにより、白金電極10の<111>優先配向をより良好とすることができるとともに、白金電極10と基板1等の下地との密着性を高めることができる。
The
1.4.2.圧電体
一方、圧電性を呈するセラミックスは、一般に、薄膜法によって形成されるとき、結晶化させてペロブスカイト型の結晶構造をとらせるが、このときのセラミックスの結晶の配向性や結晶性は、結晶化の際に当該セラミックスが接している物体の表面の影響を強く受ける。例えば、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)を圧電素子の圧電体として用いる場合には、圧電素子の電極の表面の性質や材質が、PZTの結晶の配向に影響することになる。
1.4.2. Piezoelectric body On the other hand, ceramics exhibiting piezoelectricity are generally crystallized to form a perovskite-type crystal structure when formed by a thin film method. During the conversion, the surface of the object in contact with the ceramic is strongly affected. For example, when PZT (lead zirconate titanate) is used as the piezoelectric body of the piezoelectric element, the properties and materials of the electrodes of the piezoelectric element affect the orientation of the PZT crystal.
また、セラミックスのペロブスカイト型の結晶の配向が、所定の方向に優先配向している場合に、圧電素子の変位が大きくなることが分かっている。そのため、例えば、圧電体がPZTである場合には、PZTを<100>に優先配向させるために、電極の材質、配向、表面の改質などを行って、PZTが自発的に<100>に優先配向させるようにすることが多い。例えば白金薄膜の上にセラミックスを<100>に優先配向するように形成するときには、白金薄膜が<111>に優先配向しているため、白金薄膜の表面にバッファー層などの結晶配向を制御するような層を形成するなどして、セラミックスを<100>に優先配向させることが行われる。 It has also been found that the displacement of the piezoelectric element increases when the orientation of the ceramic perovskite crystal is preferentially oriented in a predetermined direction. Therefore, for example, when the piezoelectric body is PZT, in order to preferentially orient PZT to <100>, the material, orientation, surface modification, etc. of the electrode are performed, and PZT spontaneously becomes <100>. In many cases, the preferred orientation is used. For example, when the ceramic is formed on the platinum thin film so as to be preferentially oriented to <100>, the platinum thin film is preferentially oriented to <111>, so that the crystal orientation of the buffer layer or the like is controlled on the surface of the platinum thin film. The ceramic is preferentially oriented to <100> by forming a thick layer.
本実施形態の圧電体30は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体(PT−BLZT)を用いている。そのため、圧電体30のPT−BLZTは、白金電極10上に直接、薄膜法によって形成されることにより、<100>に優先配向することができる。すなわち、本実施形態の圧電体30は、白金電極10の表面を改質したり、白金電極10と圧電体30との間に、結晶の配向を制御するための層を配置することなく、結晶を<100>に優先配向させることができる。本実施形態の圧電体30のこのような自発配向性は、PT−BLZTを結晶化させる際の、PT−BLZTおよび白金電極10の相互作用によって生じているものと考えられる。
The
これにより、本実施形態の圧電素子100は、圧電体30がPT−BLZTがペロブスカイト型の結晶構造をとり、高い結晶性を有し、かつ、結晶の配向性が、<100>優先配向となるため、例えば、良好なヒステリシス特性を有する等の、良好な強誘電特性を呈し、例えば、印加される電界の強度あたりの変位量を大きくする等の、良好な圧電特性を呈することができる。
Accordingly, in the
圧電体30の<100>優先配向度は、50%以上とすることができる。<100>優先配向度とは、圧電体30のX線回折パターンを測定したときに、(100)面の回折ピークの強度I(100)、(110)面の回折ピークの強度I(110)、および(111)面の回折ピークの強度I(111)を用いて、I(100)/[I(100)+I(110)+I(111)]で表される。なおこの回折ピークの強度は、ピークの面積であってもよい。圧電体30のPT−BLZTの<100>優先配向度が、50%以上であると、圧電特性をさらに向上させることができる。圧電体30の優先配向度は、例えば、PT−BLZTの組成を変化させること、白金電極10の組成を変化させること、PT−BLZTの結晶化の際の温度や環境の条件を変化させること、の少なくとも一種により変化させることができる。
The <100> preferred orientation degree of the
1.4.3.結晶性
本実施形態の圧電体30は、上述のように、結晶の良好な配向性を有しているが、本実施形態の圧電体30は、結晶性も良好である。ここでいう結晶性とは、例えば、結晶の質や量のことを指す。このような圧電体30の結晶性は、例えば、XRDパターンのピークの高さやピーク幅に基づいて評価することができる。
1.4.3. Crystallinity As described above, the
なお、本実施形態の圧電素子100は、白金電極10および圧電体30が直接接している点に特徴の一つを有するが、白金電極10と圧電体30との間に、結晶の配向性を制御する層を介在させてもよい。このような層としては、例えば、チタン、LNO(ニッケル酸ランタン)からなる層が挙げられる。本実施形態の圧電体30は、このような結晶の配向性を制御する層を介して、白金電極10上に形成される場合でも、<100>に優先配向することができる。
The
1.5.作用効果等
本実施形態にかかる圧電素子100(圧電アクチュエーター102)は、上述の圧電体30を含むため、少なくとも、印加される電界あたりの変位量を大きくすることができる。後述の実験例によってさらに説明するが、本実施形態の圧電素子100は、白金電極10が<111>に優先配向するとともに、圧電体30が<100>に優先配向している。
1.5. Operational Effects, etc. Since the piezoelectric element 100 (piezoelectric actuator 102) according to the present embodiment includes the
本実施形態の圧電素子100は、広範な用途に用いることができる。圧電アクチュエーター102の用途としては、例えば、液体噴射ヘッド、インクジェットプリンターなどの液体噴射装置などがあり、圧電素子100の用途としては、ジャイロセンサー、加速度センサーなどの各種のセンサー類、音叉型振動子などのタイミングデバイス類、超音波モーターなどの超音波デバイス類に好適に用いることができる。
The
2.圧電素子の製造方法
本発明の圧電素子100は、例えば、以下のように製造することができる。
2. Piezoelectric Element Manufacturing Method The
まず、基板1を準備し、基板1上に白金電極10を形成する。白金電極10は、上述の通り、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成されることができる。白金電極10は、必要に応じてパターニングされることができる。
First, the
次に、第1導電層20の上に、圧電体30を形成する。圧電体30は、上述の通り、例えば、スパッタ法、蒸着法、MOCVD法、MOD法、PLD(レーザーアブレーション)法、ミスト成膜法、およびゾルゲル法の少なくとも一種の方法あるいはこれら複数の方法の組合せにより形成されることができる。圧電体30の結晶化は、例えば、500℃以上800℃以下において、酸素雰囲気で行うことができる。これにより、圧電体30を結晶化することができる。なお、結晶化は、圧電体30をパターニングした後に行ってもよい。そして、必要に応じて、上記操作を複数回繰り返して、所望の厚みの圧電体30を得ることができる。
Next, the
次に、圧電体30の上に導電層20を形成する。導電層20は、例えば、スパッタ法、めっき法、真空蒸着法などにより形成されることができる。そして、所望の形状に導電層20および圧電体30をパターニングして、圧電素子を形成する。なお導電層20および圧電体30は、必要に応じて同時にパターニングされることができる。以上例示した工程により、本実施形態の圧電素子100を製造することができる。
Next, the
3.液体噴射ヘッド
次に、本実施形態にかかる圧電素子(圧電アクチュエーター)の用途の一例として、これらを有する液体噴射ヘッド600について、図面を参照しながら説明する。図2は、液体噴射ヘッド600の要部を模式的に示す断面図である。図3は、液体噴射ヘッド600の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
3. Liquid Ejecting Head Next, as an example of the use of the piezoelectric element (piezoelectric actuator) according to the present embodiment, a
液体噴射ヘッド600は、上述の圧電素子(圧電アクチュエーター)を有することができる。以下では、基板1(上部に振動板1aを含む構造体)の上に圧電素子100が形成され、圧電素子100と振動板1aとが圧電アクチュエーター102を構成している液体噴射ヘッド600を例示して説明する。
The
液体噴射ヘッド600は、図2および図3に示すように、ノズル孔612を有するノズル板610と、圧力室622を形成するための圧力室基板620と、圧電素子100と、を含む。さらに、液体噴射ヘッド600は、図3に示すように、筐体630を有することができる。なお、図3では、圧電素子100を簡略化して図示している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
ノズル板610は、図2および図3に示すように、ノズル孔612を有する。ノズル孔612からは、インクが吐出されることができる。ノズル板610には、例えば、多数のノズル孔612が一列に設けられている。ノズル板620の材質としては、例えば、シリコン、ステンレス鋼(SUS)などを挙げることができる。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
圧力室基板620は、ノズル板610上(図3の例では下)に設けられている。圧力室基板620の材質としては、例えば、シリコンなどを例示することができる。圧力室基板620がノズル板610と振動板1aとの間の空間を区画することにより、図3に示すように、リザーバー(液体貯留部)624と、リザーバー624と連通する供給口626と、供給口626と連通する圧力室622と、が設けられている。この例では、リザーバー624と、供給口626と、圧力室622とを区別して説明するが、これらはいずれも液体の流路であって、このような流路はどのように設計されても構わない。また例えば、供給口626は、図示の例では流路の一部が狭窄された形状を有しているが、設計にしたがって任意に形成することができ、必ずしも必須の構成ではない。リザーバー624、供給口626および圧力室622は、ノズル板610と圧力室基板620と振動板1aとによって区画されている。リザーバー624は、外部(例えばインクカートリッジ)から、振動板1aに設けられた貫通孔628を通じて供給されるインクを一時貯留することができる。リザーバー624内のインクは、供給口626を介して、圧力室622に供給されることができる。圧力室622は、振動板1aの変形により容積が変化する。圧力室622はノズル孔612と連通しており、圧力室622の容積が変化することによって、ノズル孔612からインク等が吐出される。
The
圧電素子100は、圧力室基板620上(図3の例では下)に設けられている。圧電素子100は、圧電素子駆動回路(図示せず)に電気的に接続され、圧電素子駆動回路の信号に基づいて動作(振動、変形)することができる。振動板1aは、圧電体30の動作によって変形し、圧力室622の内部圧力を適宜変化させることができる。
The
筐体630は、図3に示すように、ノズル板610、圧力室基板620および圧電素子100を収納することができる。筐体630の材質としては、例えば、樹脂、金属などを挙げることができる。
As shown in FIG. 3, the
液体噴射ヘッド600は、上述した少なくとも<100>優先配向した圧電素子100を含んでいる。したがって液体噴射ヘッド600は、変位が大きく、液体等の吐出能力が高いものとなっている。
The
なお、ここでは、液体噴射ヘッド600がインクジェット式記録ヘッドである場合について説明した。しかしながら、本実施形態の液体噴射ヘッドは、例えば、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射ヘッド、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)等の電極形成に用いられる電極材料噴射ヘッド、バイオチップ製造に用いられる生体有機物噴射ヘッドなどとして用いられることもできる。
Here, the case where the
4.液体噴射装置
次に、本実施形態にかかる液体噴射装置について、図面を参照しながら説明する。液体噴射装置は、上述の液体噴射ヘッドを有する。以下では、液体噴射装置が上述の液体噴射ヘッドを有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図4は、本実施形態にかかる液体噴射装置700を模式的に示す斜視図である。
4). Next, the liquid ejecting apparatus according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. The liquid ejecting apparatus includes the above-described liquid ejecting head. Hereinafter, a case where the liquid ejecting apparatus is an ink jet printer having the above-described liquid ejecting head will be described. FIG. 4 is a perspective view schematically showing the
液体噴射装置700は、図4に示すように、ヘッドユニット730と、駆動部710と、制御部760と、を含む。液体噴射装置700は、さらに、液体噴射装置700は、装置本体720と、給紙部750と、記録用紙Pを設置するトレイ721と、記録用紙Pを排出する排出口722と、装置本体720の上面に配置された操作パネル770と、を含むことができる。
As illustrated in FIG. 4, the
ヘッドユニット730は、上述した液体噴射ヘッド600から構成されるインクジェット式記録ヘッド(以下単に「ヘッド」ともいう)を有する。ヘッドユニット730は、さらに、ヘッドにインクを供給するインクカートリッジ731と、ヘッドおよびインクカートリッジ731を搭載した運搬部(キャリッジ)732と、を備える。
The
駆動部710は、ヘッドユニット730を往復動させることができる。駆動部710は、ヘッドユニット730の駆動源となるキャリッジモーター741と、キャリッジモーター741の回転を受けて、ヘッドユニット730を往復動させる往復動機構742と、を有する。
The
往復動機構742は、その両端がフレーム(図示せず)に支持されたキャリッジガイド軸744と、キャリッジガイド軸744と平行に延在するタイミングベルト743と、を備える。キャリッジガイド軸744は、キャリッジ732が自在に往復動できるようにしながら、キャリッジ732を支持している。さらに、キャリッジ732は、タイミングベルト743の一部に固定されている。キャリッジモーター741の作動により、タイミングベルト743を走行させると、キャリッジガイド軸744に導かれて、ヘッドユニット730が往復動する。この往復動の際に、ヘッドから適宜インクが吐出され、記録用紙Pへの印刷が行われる。
The
なお、本実施形態では、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pがいずれも移動しながら印刷が行われる液体噴射装置の例を示しているが、本発明の液体噴射装置は、液体噴射ヘッド600および記録用紙Pが互いに相対的に位置を変えて記録用紙Pに印刷される機構であればよい。また、本実施形態では、記録用紙Pに印刷が行われる例を示しているが、本発明の液体噴射装置によって印刷を施すことができる記録媒体としては、紙に限定されず、布、フィルム、金属など、広範な媒体を挙げることができ、適宜構成を変更することができる。
In the present embodiment, an example of a liquid ejecting apparatus that performs printing while both the
制御部760は、ヘッドユニット730、駆動部710および給紙部750を制御することができる。
The
給紙部750は、記録用紙Pをトレイ721からヘッドユニット730側へ送り込むことができる。給紙部750は、その駆動源となる給紙モーター751と、給紙モーター751の作動により回転する給紙ローラー752と、を備える。給紙ローラー752は、記録用紙Pの送り経路を挟んで上下に対向する従動ローラー752aおよび駆動ローラー752bを備える。駆動ローラー752bは、給紙モーター751に連結されている。制御部760によって供紙部750が駆動されると、記録用紙Pは、ヘッドユニット730の下方を通過するように送られる。
The
ヘッドユニット730、駆動部710、制御部760および給紙部750は、装置本体720の内部に設けられている。
The
液体噴射装置700は、耐圧の高い液体噴射ヘッド600を有する。したがって液体噴射装置700の液体の吐出能力は高いものとなっている。
The
なお、上記例示した液体噴射装置700は、1つの液体噴射ヘッド600を有し、この液体噴射ヘッド600によって、記録媒体に印刷を行うことができるものであるが、複数の液体噴射ヘッドを有してもよい。液体噴射装置が複数の液体噴射ヘッドを有する場合には、複数の液体噴射ヘッドは、それぞれ独立して上述のように動作されてもよいし、複数の液体噴射ヘッドが互いに連結されて、1つの集合したヘッドとなっていてもよい。このような集合となったヘッドとしては、例えば、複数のヘッドのそれぞれのノズル孔が全体として均一な間隔を有するような、ライン型のヘッドを挙げることができる。
Note that the
以上、本発明にかかる液体噴射装置の一例として、インクジェットプリンターとしての液体噴射装置700を説明したが、本発明にかかる液体噴射装置は、工業的にも利用することができる。この場合に吐出される液体(液状材料)としては、各種の機能性材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液体噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
As described above, the
5.実験例、参考例および比較例
以下に実験例、参考例および比較例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例等によってなんら限定されるものではない。
5. Experimental Examples, Reference Examples, and Comparative Examples Experimental examples, reference examples, and comparative examples are shown below to describe the present invention more specifically. In addition, this invention is not limited at all by the following experiment examples.
5.1.圧電素子の作製
実験例1、実験例2、参考例および比較例の圧電素子は、以下のように作製した。これらの例は、PT−BLZTからなる圧電体が接する電極の材質がそれぞれ異なっている。
5.1. Production of Piezoelectric Element The piezoelectric elements of Experimental Example 1, Experimental Example 2, Reference Example, and Comparative Example were produced as follows. In these examples, the materials of the electrodes in contact with the piezoelectric body made of PT-BLZT are different.
まず、いずれの例においても、共通の基板を準備した。各例の基板は、単結晶シリコン基板であり、単結晶シリコン基板上に絶縁膜として二酸化シリコンを熱酸化にて作製したものを用いた。 First, a common substrate was prepared in each example. The substrate in each example was a single crystal silicon substrate, and a silicon dioxide produced by thermal oxidation as an insulating film on the single crystal silicon substrate was used.
実験例1では、上記基板の二酸化シリコン上に酸化ジルコニウム等からなる絶縁体膜を、反応性スパッタ法や熱酸化等で形成する。次に、チタンをDCスパッタ法によりやイオンスパッタ法等で成膜し、その上に白金をDCスパッタ法等によって成膜したものとした。したがって、実験例1では、PT−BLZTは、白金電極に直接接して成膜されることになる。 In Experimental Example 1, an insulator film made of zirconium oxide or the like is formed on the silicon dioxide of the substrate by a reactive sputtering method, thermal oxidation, or the like. Next, titanium was formed by a DC sputtering method or an ion sputtering method, and platinum was formed thereon by a DC sputtering method or the like. Therefore, in Experimental Example 1, PT-BLZT is formed in direct contact with the platinum electrode.
実験例2では、膜厚が50nmの窒化チタンアルミ膜(TiAlN)と、膜厚が100nmのイリジウム(Ir)と、膜厚が30nmの酸化イリジウム(IrOx)膜と、膜厚が150nmの白金(Pt)膜をRFマグネトロンスパッタ法等にて順次積層した。したがって、実験例2では、PT−BLZTは、白金電極に直接接して成膜されることになる。 In Experimental Example 2, a titanium aluminum nitride film (TiAlN) with a thickness of 50 nm, iridium (Ir) with a thickness of 100 nm, an iridium oxide (IrOx) film with a thickness of 30 nm, and platinum ( Pt) films were sequentially laminated by RF magnetron sputtering or the like. Therefore, in Experimental Example 2, PT-BLZT is formed in direct contact with the platinum electrode.
参考例では、実験例1の基板を作製した後に、さらに、白金膜上に、ニッケル酸ランタン(LNO)をDCスパッタ法等で40nmの厚みに成膜したものとした。したがって、参考例では、PT−BLZTは、白金電極の上に形成されたLNOの薄膜に接して成膜されることになる。 In the reference example, after the substrate of Experimental Example 1 was fabricated, lanthanum nickelate (LNO) was further formed on the platinum film to a thickness of 40 nm by a DC sputtering method or the like. Therefore, in the reference example, PT-BLZT is formed in contact with the LNO thin film formed on the platinum electrode.
比較例では、実験例1の基板を作製した後に、さらに、白金膜上に、イリジウムをDCスパッタ法等で10nmの厚みに成膜したものとした。したがって、比較例では、PT−BLZTは、白金電極の上に形成されたイリジウムの薄膜に接して成膜されることになる。 In the comparative example, after the substrate of Experimental Example 1 was fabricated, iridium was further formed on the platinum film to a thickness of 10 nm by a DC sputtering method or the like. Therefore, in the comparative example, PT-BLZT is formed in contact with the iridium thin film formed on the platinum electrode.
各実験例、参考例および比較例の圧電体は、いずれも化学溶液法によって作製した。上記の薄膜が形成された基板上に、スピンコート法によって、PT−BLZTの前駆体溶液を塗布した。この前駆体溶液は、各例において同じものを用いた。具体的には、元素のモル分率が、それぞれ、Pb=35.6mol%、Ti=40.4mol%、Bi=11.2mol%、La=4.8mol%、Zn=8.0mol%となるように、各元素の金属アルコキシドもしくは有機酸金属塩を、溶媒(n−ブタノール)に混合したものを用いた。これを、上記式(1)すなわち、(1−u)Pb(1+v)TiO3−u(Bi(1−w)Law)(Zn(1−x)Tix)O3の型式で表記すると、u=0.33、v=0.1、x=0.5、w=0.3である。スピンコートにおける回転速度および時間は、最初は500rpm・5sec、次に3000rpm・30secとした。 The piezoelectric bodies of each experimental example, reference example and comparative example were all produced by the chemical solution method. A PT-BLZT precursor solution was applied onto the substrate on which the thin film was formed by spin coating. The same precursor solution was used in each example. Specifically, the molar fractions of the elements are Pb = 35.6 mol%, Ti = 40.4 mol%, Bi = 11.2 mol%, La = 4.8 mol%, and Zn = 8.0 mol%, respectively. Thus, what mixed the metal alkoxide or organic acid metal salt of each element with the solvent (n-butanol) was used. This is expressed by the above formula (1), that is, (1-u) Pb (1 + v) TiO 3 -u (Bi (1-w) La w ) (Zn (1-x) Ti x ) O 3. , U = 0.33, v = 0.1, x = 0.5, w = 0.3. The rotation speed and time in the spin coating were initially 500 rpm · 5 sec, and then 3000 rpm · 30 sec.
次に、塗布された前駆体膜を大気中、150℃で2分間乾燥させ、溶媒を除去した。次いで、大気中、400℃で4分間熱処理して、前駆体膜中の有機成分を除去した(脱脂)。各実験例、参考例および比較例につき、いずれも、前駆体溶液の塗布、乾燥、脱脂の組を3回繰り返して行った。次いで、焼成炉(Rapid Thermal Annealing(RTA))に導入し、0.5L/minの酸素フローを行いながら、700℃で、2分間焼成した。 Next, the applied precursor film was dried in air at 150 ° C. for 2 minutes to remove the solvent. Subsequently, it heat-processed for 4 minutes at 400 degreeC in air | atmosphere, and removed the organic component in a precursor film | membrane (degreasing | defatting). For each experimental example, reference example, and comparative example, the combination of the precursor solution, drying, and degreasing was repeated three times. Subsequently, it introduce | transduced into the baking furnace (Rapid Thermal Annealing (RTA)), and baked at 700 degreeC for 2 minutes, performing oxygen flow of 0.5 L / min.
さらに各実験例、参考例および比較例につき、いずれも、原料溶液の塗布、乾燥、脱脂の組を3回、焼成を2回繰り返し、その後、0.5L/minの酸素フローを行いながら、700℃で、5分間焼成した。ここで、いずれの試料も、PT−BLZT層の一層あたりの厚みは、100nmとしたため、結果として600nmの厚みの圧電体が得られた。 Furthermore, for each experimental example, reference example, and comparative example, each of the group consisting of application of the raw material solution, drying, and degreasing was repeated 3 times, and firing was repeated twice, and thereafter, while oxygen flow of 0.5 L / min was performed, 700 Baked at 5 ° C. for 5 minutes. Here, in any sample, the thickness per layer of the PT-BLZT layer was 100 nm, and as a result, a piezoelectric body having a thickness of 600 nm was obtained.
さらにその上に導電層20としてDCスパッタ法にて膜厚100nmのPT膜を作製した。その後、RTA炉に導入し、炉内を0.5L/分の流量の酸素でフローして、650℃で5分間、導電層20の焼付けを行い、各実験例、参考例および比較例の圧電素子をそれぞれ作製した。
Furthermore, a PT film having a film thickness of 100 nm was formed thereon as a
5.2.圧電素子の評価
5.2.1.X線回折(XRD)
X線回折(XRD)パターンは、各実験例、参考例および比較例ともに、各試料の圧電素子をパターニングすることなく、Bruker AXS社製の型番D8 Discoverに導入し、X線源としてCu−Kα線を使用して、室温で測定した。また、ロッキングカーブについても同装置を用いて測定した。
5.2. Evaluation of piezoelectric element 5.2.1. X-ray diffraction (XRD)
The X-ray diffraction (XRD) pattern was introduced into the model number D8 Discover manufactured by Bruker AXS without patterning the piezoelectric element of each sample in each experimental example, reference example, and comparative example, and Cu-Kα was used as the X-ray source. Measurements were made at room temperature using a wire. The rocking curve was also measured using the same device.
5.2.2.ヒステリシスの評価
ヒステリシスの評価は、東陽テクニカ社製、FCE−1Aを用い、ヒステリシスループを測定し、その形状を評価して行った。ヒステリシスは、各試料の圧電素子を500μmφの円形のパターンにパターニングし、2つの電極をそれぞれ装置に接続して採取した。
5.2.2. Evaluation of hysteresis Hysteresis was evaluated by measuring a hysteresis loop using Toyo Technica FCE-1A and evaluating its shape. Hysteresis was collected by patterning the piezoelectric elements of each sample into a circular pattern of 500 μmφ and connecting the two electrodes to the apparatus.
5.3.評価結果
図5は、各実験例、参考例および比較例のXRDパターンを示している。図5をみると、各実験例および参考例のパターンは、PT−BLZTの(100)面に帰属される回折ピークに比較して、(110)面に帰属される回折ピークが小さくなっている。これらの試料につき、<100>優先配向度を算出した結果、いずれも、およそ60%であった。これに対して、比較例の圧電素子では、PT−BLZTの(100)面に帰属される回折ピークに比較して、(110)面に帰属される回折ピークが大きくなっていた。
5.3. Evaluation Results FIG. 5 shows XRD patterns of each experimental example, reference example, and comparative example. Referring to FIG. 5, in the patterns of each experimental example and reference example, the diffraction peak attributed to the (110) plane is smaller than the diffraction peak attributed to the (100) plane of PT-BLZT. . As a result of calculating the degree of <100> preferential orientation for these samples, all were about 60%. In contrast, in the piezoelectric element of the comparative example, the diffraction peak attributed to the (110) plane was larger than the diffraction peak attributed to the (100) plane of PT-BLZT.
また、参考例の圧電素子では、<100>優先配向はしているものの、ピーク強度は実験例に比較してやや小さかった。そのため、実験例に比較して、参考例では、結晶性がやや低くなっていることが判明した。 Further, in the piezoelectric element of the reference example, although <100> preferential orientation was performed, the peak intensity was slightly smaller than that of the experimental example. Therefore, it was found that the crystallinity was slightly lower in the reference example than in the experimental example.
図6および図7には、実験例1および実験例2の圧電素子のXRDパターンにおける白金(111)面に帰属されるピークについてロッキングカーブを測定した結果を示す。実験例1の圧電素子では、白金(111)面のピークの半値幅は14.285°と比較的ブロードであるのに対し、実験例2では5.786°と比較的尖鋭であり、実験例2の圧電素子における白金電極の方が<111>優先配向度がより優れていることが判明した。
6 and 7 show the results of measuring rocking curves for the peaks attributed to the platinum (111) plane in the XRD patterns of the piezoelectric elements of Experimental Examples 1 and 2. FIG. In the piezoelectric element of Experimental Example 1, the half-value width of the peak of the platinum (111) surface is 14.285 °, which is relatively broad, whereas in Experimental Example 2, the peak is 5.786 °, which is relatively sharp. It was found that the platinum electrode in the
図8ないし図11は、それぞれ、実施例1、実施例2、参考例、および比較例の圧電素子のヒステリシスループを示している。図8ないし図10をみると、実施例1、実施例2および参考例の圧電素子は、いずれもヒステリシスループが、所謂、開いた形状となっており、良好な圧電特性を呈することが判明した。図11に示した比較例の圧電素子のヒステリシスループは、丸みを帯びており、比較例の圧電素子がリークを起こしているものと考えられる。 8 to 11 show hysteresis loops of the piezoelectric elements of Example 1, Example 2, Reference Example, and Comparative Example, respectively. 8 to 10, it was found that the piezoelectric elements of Example 1, Example 2 and Reference Example all have a so-called open shape of hysteresis loops and exhibit good piezoelectric characteristics. . The hysteresis loop of the piezoelectric element of the comparative example shown in FIG. 11 is rounded, and it is considered that the piezoelectric element of the comparative example is leaking.
以上のことから、実験例1、実験例2の圧電素子は、<111>に優先配向している白金電極に接して形成されたPT−BLZTの圧電体が、<100>に優先配向していることが判明した。また、実験例1、実験例2の圧電素子は、良好なヒステリシス特性を呈することが判明した。そのため、実験例1および実験例2の圧電素子は、電界が印加されたときに変位量が大きいものと考えられる。また、参考例の圧電素子は、<111>に優先配向している白金電極上のLNOに接して形成されたPT−BLZTの圧電体が、<100>に優先配向していることが判明した。また、参考例の圧電素子は、良好なヒステリシス特性を呈することが判明した。そのため、参考例の圧電素子についても、電界が印加されたときに変位量が大きいものと考えられる。これに対して、比較例の圧電素子は、<111>に優先配向している白金電極上のイリジウムに接して形成されたPT−BLZTの圧電体が<100>に優先配向していないことが判明した。また、参考例の圧電素子は、リーキーなヒステリシス特性を呈することが判明した。そのため、参考例の圧電素子は、電界が印加されたときに十分な信頼性が得られないものと考えられる。 From the above, in the piezoelectric elements of Experimental Example 1 and Experimental Example 2, the PT-BLZT piezoelectric material formed in contact with the platinum electrode preferentially oriented in <111> is preferentially oriented in <100>. Turned out to be. Further, it was found that the piezoelectric elements of Experimental Example 1 and Experimental Example 2 exhibited good hysteresis characteristics. Therefore, the piezoelectric elements of Experimental Example 1 and Experimental Example 2 are considered to have a large displacement when an electric field is applied. In addition, it was found that the piezoelectric element of the reference example had a PT-BLZT piezoelectric body formed in contact with LNO on the platinum electrode preferentially oriented in <111> and preferentially oriented in <100>. . Further, it was found that the piezoelectric element of the reference example exhibits good hysteresis characteristics. Therefore, it is considered that the displacement amount of the piezoelectric element of the reference example is large when an electric field is applied. In contrast, in the piezoelectric element of the comparative example, the PT-BLZT piezoelectric body formed in contact with iridium on the platinum electrode preferentially oriented to <111> is not preferentially oriented to <100>. found. Further, it has been found that the piezoelectric element of the reference example exhibits a leaky hysteresis characteristic. Therefore, it is considered that the piezoelectric element of the reference example cannot obtain sufficient reliability when an electric field is applied.
以上に述べた実施形態および変形実施形態は、任意の複数の形態を適宜組み合わせることが可能である。これにより、組み合わされた実施形態は、それぞれの実施形態が有する効果または相乗的な効果を奏することができる。 The embodiments and modified embodiments described above can be arbitrarily combined with a plurality of forms. Thereby, combined embodiment can have an effect which each embodiment has, or a synergistic effect.
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。 The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method, and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that achieves the same effect as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.
1…基板、1a…振動板、10…白金電極、20…導電層、30…圧電体、100…圧電素子、102…圧電アクチュエーター、600…液体噴射ヘッド、610…ノズル板、612…ノズル孔、620…圧力室基板、622…圧力室、624…リザーバー、626…供給口、628…貫通孔、630…筐体、700…液体噴射装置、710…駆動部、720…装置本体、721…トレイ、722…排出口、730…ヘッドユニット、731…インクカートリッジ、732…キャリッジ、741…キャリッジモーター、742…往復動機構、743…タイミングベルト、744…キャリッジガイド軸、750…給紙部、751…給紙モーター、752…給紙ローラー、752a…従動ローラー、752b…駆動ローラー、760…制御部、770…操作パネル
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体を含み、
前記圧電体は、<100>に優先配向している、液体噴射ヘッド。 A liquid ejecting head comprising a platinum electrode preferentially oriented to <111> and a piezoelectric actuator having a piezoelectric body formed in contact with the platinum electrode,
The piezoelectric body includes a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The piezoelectric body is a liquid ejecting head in which <100> is preferentially oriented.
前記白金電極は、前記圧電体と反対側の面で酸化イリジウムに接している、液体噴射ヘッド。 In claim 1,
The platinum electrode is a liquid ejecting head in contact with iridium oxide on a surface opposite to the piezoelectric body.
前記圧電体の<100>優先配向度は、50%以上である、液体噴射ヘッド。 In claim 1 or claim 2,
The liquid ejecting head, wherein a <100> preferential orientation degree of the piezoelectric body is 50% or more.
前記白金電極のX線回折パターンの(111)ピークのロッキングカーブの半値幅は、10度以下である、液体噴射ヘッド。 In any one of Claims 1 to 3,
The liquid jet head, wherein a half width of a rocking curve of a (111) peak of the X-ray diffraction pattern of the platinum electrode is 10 degrees or less.
前記白金電極に接して配置された圧電体と、
を含み、
前記圧電体は、チタン酸亜鉛酸ビスマスランタンおよびチタン酸鉛の固溶体を含み、
前記圧電体は、<100>に優先配向している、圧電素子。 A platinum electrode preferentially oriented to <111>;
A piezoelectric body disposed in contact with the platinum electrode;
Including
The piezoelectric body includes a solid solution of bismuth lanthanum zinc titanate and lead titanate,
The piezoelectric element is a piezoelectric element preferentially oriented to <100>.
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JP2015012125A (en) * | 2013-06-28 | 2015-01-19 | 株式会社リコー | Electromechanical conversion film, electromechanical conversion element, droplet discharge head, and ink jet recording device |
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2010
- 2010-03-10 JP JP2010053219A patent/JP2011187817A/en not_active Withdrawn
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