JP2014135504A - 圧電素子、圧電アクチュエータおよびインクジェット式記録ヘッド - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 一般式ABO3で表現されるペロブスカイト構造を持ち、Aサイトにアルカリ金属を含む圧電体と、該圧電体を挟持する一対の金属酸化物電極とを有する圧電素子において、該金属酸化物電極がアルカリ金属を含有している圧電素子。アルカリ金属を含む圧電体前駆体と該圧電体前駆体を挟持する一対の電極前駆体との積層体を、圧電体の結晶化温度以上で焼成して圧電素子を得る圧電素子の製造方法であって、圧電体前駆体に対して、少なくとも1つの電極前駆体をゾルゲル法により圧電体の結晶化温度以下で積層して積層体を得て、該積層体を焼成する圧電素子の製造方法。
【選択図】 図1
Description
また、本発明の圧電体3は、少なくともいずれか一方の電極との接触界面近傍において、圧電体3の平均組成より多くアルカリ金属成分を有していると、より好ましい。圧電体3が電極との接触界面近傍で平均値より高いアルカリ金属濃度を有していると、本発明の圧電素子を駆動させた時にアルカリ金属成分の欠乏を抑止できるので、圧電素子の耐久性向上が期待できる。
(SrRuO3塗布液の製造例)――A1液
SrRuO3に相当する組成のストロンチウム−2,4−ペンタンジオナートとルテニウム−2,4−ペンタンジオナートを2−メトキシエタノール中で加熱溶解した。この溶液を希塩酸で加水分解して10質量%(酸化物換算濃度)のSRO電極前駆体塗布液(A1)を得た。
(K、NaドープSrRuO3塗布液の製造例)――A2液
前記A1液にSr/K/Na=1/0.1/0.04の金属組成となるようにカリウムエトキシドとナトリウムエトキシドを加え、常温で2時間撹拌してK、NaドープSRO電極前駆体溶液(A2)を得た。
(LaNiO3塗布液の製造例)――B1液
LaNiO3に相当する組成の硝酸ランタン六水和物と硝酸ニッケル四水和物を2−メトキシエタノールと2−アミノエタノールの等重量混合溶媒中で加熱溶解した。この溶液を110℃で30分間還流して10質量%(酸化物換算濃度)のLNO電極前駆体塗布液(B1)を得た。
(K、NaドープLaNiO3塗布液の製造例)――B2液
前記B1液にLa/K/Na=1/0.1/0.04の金属組成となるようにカリウムエトキシドとナトリウムエトキシドを加え、常温で2時間撹拌してK、NaドープLNO電極前駆体溶液(B2)を得た。
(K0.5Na0.5NbO3塗布液の製造例)――C液
K/Na/Nb=0.55/0.55/1の金属組成に相当するカリウムエトキシドとナトリウムエトキシドとペンタエトキシニオブをエタノールと2−メトキシエタノールの等重量混合溶媒中で混合した。塗布液に含有するKとNaは、所望する圧電体組成に対して10%過剰となるよう調整した。この溶液を125℃で6時間還流して、K0.5Na0.5NbO3(KNN)圧電体前駆体溶液(C)を得た。
(圧電素子の製造例)
図8は本実施例における圧電素子の製造方法を示す工程図である。図中の前駆体形成とは、前駆体の結晶化温度以下で前駆体膜を積層することを指している。
(圧電素子の製造例)
図9は本実施例における圧電素子の製造方法を示す工程図である。
(圧電素子の製造例)
電極前駆体溶液を全てB1液に変更したことを除いては、実施例1と同様にして本発明の圧電素子D3を得た。
(圧電素子の製造例)
電極前駆体溶液を全てB1液に変更したことを除いては、実施例2と同様にして本発明の圧電素子D4を得た。
(圧電素子の製造例)
下部電極用の電極前駆体溶液をA1、上部電極用の電極前駆体溶液をA2に変更したことを除いては、実施例1と同様にして本発明の圧電素子D5を得た。
(圧電素子の製造例)
電極前駆体溶液を全てB2液に変更したことを除いては、実施例2と同様にして本発明の圧電素子D6を得た。
上記実施例1で得られた圧電素子D1のSiの一部を裏面よりエッチングすることで、図2に示すような構造の圧電アクチュエータE1を作製した(図4および図5参照)。Si層のエッチングは加熱撹拌したテトラメチルアンモニウムヒドロキシドの22%水溶液中で行った。エッチングによってSi層がくり抜かれた箇所は、SiO2/下部電極/圧電体/上部電極の層から構成されており、約3μmの膜厚を有するSiO2層が振動板としての役割を担う。
(比較用圧電アクチュエータの製造例)
本発明による圧電アクチュエータの変位量と耐久性能を従来の圧電アクチュエータと比較するために、実施例1と同様の酸化膜付きシリコン基板のSiO2層(約3μm厚)の表面に、一対の電極と圧電体を積層してなる圧電素子を形成した。
(比較用圧電アクチュエータの製造例)
電極前駆体溶液をB1液に変更したことを除いては、比較例1と同様にして比較用の圧電素子Q2を形成した。
(比較用圧電アクチュエータの製造例)
参照用に金属電極を用いた従来の圧電素子を作製した。
(比較用圧電アクチュエータの製造例)
別の製法で参照用に金属電極を用いた従来の圧電素子を作製した。
実施例1から実施例6、比較例1、2、4により得られた圧電素子の比較評価を行った。各圧電素子の上部電極をφ100μmパターンに加工し、上下電極に電圧を印加した際の微小変位を走査型プローブ顕微鏡(SPM)により測定するd33モードの圧電定数を初期値と108回動作後について測定した。圧電定数とは本来、圧電体に固有の圧電性能を定量化する値であるが、本実施例においては電極や界面も含めた圧電素子全体の性能を表すパラメータとしている。測定結果を表1に示す。表1よりわかるように本発明による圧電素子は圧電定数が大きく、108回の耐久試験後も良好に動作している。一方、圧電素子Q1、Q2、Q4は、当初の圧電定数が相対的に小さく、連続動作後の性能劣化も大きい。
(インクジェット式記録ヘッドの作製例)
上記実施例5、6で得られた圧電アクチュエータE5、E6に図6および7で示す構成を有するノズル10を取り付け、さらにインクを導入するための導入管11、ヘッド基台7を取り付けてインクジェット式記録ヘッドF5、F6を作製した。このインクジェット式記録ヘッドを用いて吐出実験を行った。
2 下部電極
3 圧電体
4 上部電極
5 振動板
6 圧電素子
7 ヘッド基台
8 インク室
9 電源
10 ノズル
11 インク導入管
12 アクチュエータ
Claims (11)
- アルカリ金属を含む圧電体前駆体と該圧電体前駆体を挟持する一対の電極前駆体との積層体を、圧電体の結晶化温度以上で焼成して圧電素子を得る圧電素子の製造方法であって、圧電体前駆体に対して、少なくとも1つの金属酸化物電極前駆体をゾルゲル法により圧電体の結晶化温度以下で積層して積層体を得て、該積層体を焼成することを特徴とする圧電素子の製造方法。
- 前記金属酸化物電極前駆体がアルカリ金属を含有していることを特徴とする請求項1記載の圧電素子の製造方法。
- 前記圧電体が一般式(K1−xNax)NbO3(但し、xは0≦x<1である。)で表される金属酸化物であることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の圧電素子の製造方法。
- 一般式ABO3(但し、Aは少なくともアルカリ金属を含む金属、Bは遷移金属を表す。)で表現されるペロブスカイト構造を持ち、Aサイトにアルカリ金属を含む圧電体と、該圧電体を挟持する一対の金属酸化物電極とを有する圧電素子において、該金属酸化物電極がアルカリ金属を含有していることを特徴とする圧電素子。
- 前記アルカリ金属はカリウムまたはナトリウムである請求項4記載の圧電素子。
- 前記圧電体が一般式(K1−xNax)NbO3(但し、xは0≦x<1である。)で表される金属酸化物であることを特徴とする請求項4または5に記載の圧電素子。
- 前記金属酸化物電極がSrRuO3およびLaNiO3の少なくとも一方とアルカリ金属を含有することを特徴とする請求項4乃至6のいずれかの項に記載の圧電素子。
- 前記圧電体および金属酸化物電極を形成する金属酸化物の結晶が同一の方向に配向していることを特徴とする請求項4乃至7のいずれかの項に記載の圧電素子。
- 前記圧電体が膜状であり、かつ膜厚が1μm以上5μm以下であることを特徴とする請求項4乃至8のいずれかの項に記載の圧電素子。
- 請求項4乃至9のいずれかに記載の圧電素子と振動板を有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- インク吐出口と、該インク吐出口に連通する圧力室と、前記圧力室の外部に設けられた請求項10記載の圧電アクチュエータを有し、前記圧電アクチュエータの振動板の振動により、前記圧力室の内部の体積が変化して前記インク吐出口からインクを吐出することを特徴とするインクジェット式記録ヘッド。
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