JP2017108124A - 圧電素子、圧電アクチュエータおよび電子機器 - Google Patents
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Abstract
Description
また、本発明は前記圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置、圧電シャッターおよび電子機器を提供するものである。
また、本発明によれば、前記圧電素子を用いた圧電アクチュエータ、液体吐出ヘッド、液体吐出装置、振動補正機構、可変光学部材、可動光学部材、光学機器、撮像装置、光スイッチ、マイクロミラーデバイス、超音波プローブ、超音波検査装置、音響部品、角速度センサー、振動発電装置、表面弾性波発生装置、圧電シャッター、および電子機器を提供することができる。
本発明に係る第一の形態に係る圧電素子は、基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が設けられた圧電素子であって、前記圧電膜はチタン酸ジルコン酸バリウムと、マンガン、および3価と5価に電荷不均化したビスマスとを含有し、ジルコニウムとチタンの和に対するジルコニウムのモル比であるxの値が、0.02≦x≦0.13であり、前記マンガンの含有量は前記チタン酸ジルコン酸バリウム1モルに対して0.002モル以上0.015モル以下、前記ビスマスの含有量が前記金属酸化物1モルに対して0.00042モル以上0.00850モル以下であることを特徴とする圧電素子である。
さらにより好ましくは、前記圧電膜は下記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型金属酸化物を主成分として含有することを特徴とする。
Ba(Ti1−xZrx)O3 (1)
(式中、0.02≦x≦0.13)
図1は、本発明の圧電素子の第一の形態の一例を示す断面模式図である。本発明の圧電素子の第一の形態は、基板、第一の電極、圧電膜、第二の電極が設けられた構成を有する。図中、101は基板、102は第一の電極、103は圧電膜、104は第二の電極を示す。図1(a)は、第一の電極102、圧電膜103、第二の電極104が互いに同じ面積で、各々の端部が基板101に対して垂直方向に揃っている実施形態を示しているが、本発明の圧電素子の形態は図面に限定されない。図1(b)や図1(c)に例示されるように、圧電素子の用途に応じて各部材の面積や形状は自由に変更できる。また、圧電素子としての機能を損ねない範囲で、各部材の間に別の部材を設けても良い。例えば、図2(a)および(b)に示すように、各部材の密着性を高めるための密着成分106や、図2(c)に示すような結晶性や配向性を高めるためのバッファ成分108を設けてもよい。
基板101の材質は限定されないが、第一の電極102、圧電膜103、第二の電極104を設ける際の加熱工程において変形、溶融しない材質が好ましい。加熱工程の最高温度は通常800℃以下である。例えば、酸化マグネシウム(MgO)やチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)、ランタンアルミネート(LaAlO3)などからなる単結晶基板や、ジルコニア(ZrO2)やアルミナ(Al2O3)、シリカ(SiO2)などのセラミック基板や、シリコン(Si)やタングステン(W)などからなる半導体基板や、耐熱ステンレス(SUS)基板が好ましく用いられる。これらの材料を複数種類組み合わせてもよいし、積層して多層構成として用いても良い。
本発明の圧電素子は、電極を有することで、圧電膜103に電圧を印加して圧電歪みを生じさせたり、圧電膜103の歪みに応じた電気信号を取り出すことが可能となる。電極の材質は特に限定されず、圧電素子に通常用いられているものであればよい。例えば、Ti、Pt、Ta、Ir、Sr、In、Sn、Au、Al、Fe、Cr、Ni、Pd、Ag、Cu、Ruなどの金属およびこれらの化合物を挙げることができる。
特に、Ti、Pt、Au、Ruによる金属電極を用いることが好ましい。
本発明において、圧電膜とは、正圧電効果または逆圧電効果を示す薄膜状の結晶集合体を指す。薄膜とは、平板上の基材(基板)のある片面または両面を覆うように密着して設けられた集合組織である。図1(a)に示すように、基板101と圧電膜103の間に第一の電極102のような電極層や調整層を有していても良い。図15(a)に示すように、基板101の表面を圧電膜103が直接覆っていても良い。薄膜をその設置面に対して垂直方向に計測した厚さ、すなわち膜厚は10μm未満であり、該垂直方向における結晶粒の積み上げ数は20個以内であるものを本発明では薄膜とする。金属酸化物を独立した成形体として焼成した、いわゆる圧電セラミックスは本発明の圧電素子における圧電膜には含まない。
本発明において、ペロブスカイト型金属酸化物とは、岩波理化学辞典 第5版(岩波書店 1998年2月20日発行)に記載されているような、理想的には立方晶構造であるペロブスカイト構造(ペロフスカイト構造とも言う)を持つ金属酸化物を指す。ペロブスカイト構造を持つ金属酸化物は一般にABO3の化学式で表現される。ペロブスカイト型金属酸化物において、元素A、Bは各々イオンの形でAサイト、Bサイトと呼ばれる単位格子の特定の位置を占める。例えば、立方晶系の単位格子であれば、A元素は立方体の頂点、B元素は体心に位置する。O元素は酸素の陰イオンとして立方体の面心位置を占める。
本発明の圧電膜は、前記一般式(1)において、AサイトにおけるBaのモル量と、BサイトにおけるTiとZrのモル量との比をaとすると、0.9960≦a≦1.0300の範囲が好ましい。aが0.9960より小さいと圧電膜を構成する結晶粒に異常粒成長が生じ易くなり、材料の機械的強度が低下する。一方で、aが1.0300より大きくなると粒成長に必要な温度が高くなり過ぎるため、一般的な成膜方法で結晶化ができなくなる。ここで、「結晶化ができない」とは、前記圧電膜内にポアや欠陥が多数存在している状態を指す。
TorおよびTotは試料の温度を変化させながらインピーダンスアナライザ(Agilent Techonologies社製 4194A)で静電容量を測定して求めることができる。同時に誘電正接の温度依存性もインピーダンスアナライザで測定し求めることができる。Torとは、結晶系が斜方晶(直方晶)(orthorhombic)から菱面体晶(rhombohedral)に変化する温度である。試料を25℃から−60℃まで冷却しながら静電容量を測定し、静電容量を試料温度で微分した値が最大となる温度を求めることでTorを決定することができる。Totとは、結晶系が斜方晶(orthorhombic)から正方晶(tetragonal)に変化する温度である。試料を−60℃から200℃まで加熱しながら静電容量を測定し、静電容量を試料温度で微分した値が最大となる温度を求めることでTotを決定することができる。
前記圧電膜はMnを含む第1副成分を有する。Mnの含有量は前記ペロブスカイト型金属酸化物1モルに対して0.002モル以上0.015モル以下である。
第1副成分の含有量は、XRF、ICP−AES、AASなどにより測定することができる。特に好ましい測定手段は、XRFである。前記圧電膜を組成分析して得られた各金属の含有量から、前記一般式(1)で表わされる金属酸化物を構成する元素をモル換算し、その総モルを1とすると、第1副成分のモル量を算出できる。
前記第2副成分は3価および5価に電荷不均化したBiよりなる。同一種の金属イオンは単一の価数を取ることが一般的であるが、電荷不均化状態にあるBiは電子密度の濃淡があって、Bi3+とBi5+に分離して共存した状態を安定にとる。前記金属酸化物1モルに対する前記Biの含有量は、0.00042モル以上0.00850モル以下である。
例えば前記一般式(1)のみからなる圧電膜で場合、Zr量を増加させるとTot、Torが高温側に移動し、Zr量に応じてTorかTotのいずれかが圧電素子使用温度範囲(−25℃から50℃)に入ってしまう。
一方で、Biの含有量が0.00850モルより大きくなると、Biの固溶限界を超えるため残留したBiの影響により圧電特性が充分でなくなるので好ましくない。
前記圧電膜は、Baの市販原料に不可避成分として含まれる程度のCaやSrと、Tiの市販原料に不可避成分として含まれる程度のNbと、Zrの市販原料に不可避成分として含まれる程度のHfを含んでいてもよい。
圧電膜103の第一の電極102と第二の電極104に挟まれた箇所における最大膜厚TPは10μm以下であることが好ましい。膜が平坦ではない場合、基板101の表面を基点に垂直方向に膜厚を計測する。最大膜厚TPのより好ましい上限値は5000nmであり、下限値は、500nmである。圧電膜103の最大膜厚TPを500nm以上5000nm以下とすることで、圧電素子としての機能を得られるとともに、素子化のための圧電膜の加工性を達成できる。
より好ましい圧電膜103の最大膜厚TPは、700nm以上4000nm以下、より好ましくは1000nm以上3500nm以下である。
圧電膜103の最大膜厚TPは接触式段差計や断面の顕微鏡観察により計測可能である。
図1(c)は、パターニングされた圧電膜103を有する本発明の圧電素子について、最大膜厚TPを特定した例である。
第一の電極102および第二の電極104の最大膜厚TE1[nm]と最小膜厚TE2[nm]の平均値(TE1+TE2)/2[nm]は、0.002×TP[nm]≦(TE1+TE2)/2[nm]≦500nmの範囲であることが好ましい。最大膜厚TE1[nm]と最小膜厚TE2[nm]は、圧電膜を挟んで第一の電極102と第二の電極104が対向している領域内で決定する。すなわち、圧電素子としての機能に関与しないダミー部分の電極が存在する場合は、その膜厚は勘案しない。TE1[nm]は、第一の電極102の最大膜厚と第二の電極104の最大膜厚を比較して大きい方を選択することで特定する。TE2[nm]は、第一の電極102の最小膜厚と第二の電極104の最小膜厚を比較して小さい方を選択することで特定する。各電極の最大および最小膜厚は断面の顕微鏡観察により計測可能である。
前記第一の電極と、前記基板との間には、第4族元素および/または第5族元素の金属を含む密着成分が介在していることが好ましい。図2(a)および(b)は、基板101と第一の電極102の間に密着成分106が存在する場合の本発明の圧電素子の断面模式図である。密着成分は、図2(a)の密着成分106のように第一の電極102に埋め込まれるように点状に分散して存在していても良いし、図2(b)の層状の密着成分106のように厚さ1nm以上10nm以下の層状であっても良い。密着成分106の材質としては、密着性の観点から第4族元素では、Ti、Zr、Hfの金属単体や酸化物、窒化物、第5族元素では、V、Nb、Taの金属単体や酸化物、窒化物が好ましい。密着成分106の一部または全部が、基板101や第一の電極102と化学的に結合して合金や複合酸化物を形成していても良い。
本発明において、圧電膜103とは、薄膜状の結晶集合体であるが、その結晶集合体は柱状構造の結晶粒で構成された集合組織を有していることが好ましい。図2(c)は、圧電膜103の内部に柱状構造の結晶粒よりなる集合組織を有している圧電素子の断面模式図である。図中、圧電膜103の斜線部の領域と非斜線部の領域はいずれも柱状構造の結晶粒を示している。結晶粒が柱状結晶であることは、圧電素子の圧電膜部分の断面を顕微鏡観察することで確認することができる。一つの柱状構造の結晶粒と、該結晶粒に隣接する別の結晶粒とは、殆どの場合で結晶方位が異なるため、顕微鏡像の濃淡から粒の境界を判別することができる。集合組織とは、少なくとも2つ以上の結晶粒が隣接している状態であるが、好ましくは、圧電膜103の断面の略全領域が柱状結晶の集合体よりなることがより好ましい。柱状構造の結晶粒とは、理想的には第一の電極102と第二の電極104のいずれとも接触する単一粒であることが好ましい。図15(a)に示されるような圧電素子の第二の形態の場合は、基板101と櫛型電極105のいずれとも接触する単一粒であることが好ましい。
本発明の圧電素子における圧電膜のキュリー温度は、100℃以上であることが好ましい。圧電膜のキュリー温度が100℃以上であると、圧電装置の駆動温度範囲(−25℃〜50℃)から十分離れていると言える。そうすると、キュリー温度近傍での圧電素子の圧電定数と誘電損失の急激な温度変化の影響を、圧電装置の駆動温度範囲において無視することができるようになる。より好ましい、圧電膜のキュリー温度の範囲は、120℃以上180℃以下である。
キュリー温度とは、その温度以上で圧電材料の圧電性が消失する温度である。本明細書においては、強誘電相(正方晶相)と常誘電相(立方晶相)の相転移温度近傍で静電容量が極大となる温度をキュリー温度とする。静電容量は、例えばインピーダンスアナライザを用いて周波数が1kHzの微小交流電界を印加して測定される。
本発明の圧電素子における圧電膜のペロブスカイト構造を構成する結晶は、前記基板の表面に対して垂直方向に選択的に配向していることが好ましい。配向面としては、ペロブススカイト構造の単位格子を擬立方晶とみなした格子面で、(100)面、(110)面、または(111)面に選択的に配向していることが好ましい。
圧電膜103の製造方法は特に限定されない。例えば、CSD法、スパッタ法、水熱合成法、エアロゾルデポジション法、MOCVD(有機金属化合物化学的気相堆積)法などが挙げられる。このうち、好ましい製造方法は、スパッタ法であり、圧電膜のBiの価数制御に優れている。
本発明の圧電アクチュエータは本発明の圧電素子と、該圧電素子に接して設けられた振動板とを有することを特徴とする。
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
本発明に係る液体吐出ヘッドは、前記圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を少なくとも有することを特徴とする。
次に、本発明の液体吐出装置について説明する。本発明の液体吐出装置は、被転写体の載置部と前記液体吐出ヘッドを備えたものである。
次に、本発明の振動補正機構について説明する。本発明の振動補正機構は、前記圧電アクチュエータを2つ以上有しており、かつ電圧印加時の前記圧電アクチュエータの伸縮方向が2方向以上となるように前記圧電アクチュエータが配置されている。
このような構成を備えているため搬送対象物を搬送することで外部振動の影響を軽減することができる。
次に、本発明の可変光学部材について説明する。本発明の可変光学部材は、前記圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材の形状が変化する機構を備える。
次に、本発明の可動光学部材について説明する。本発明の可動光学部材は、上記の圧電アクチュエータおよび圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、圧電アクチュエータの変形によって光学部材が移動および/または回転する機構を備える。
次に、本発明の光学機器について説明する。
本発明の光学機器の第一の形態は、前記振動補正機構および該振動補正機構に保持された光学部材を備える。
本発明の光学機器の一例として、図7(b)に光学機器の構成の一例を概略図として示す。本発明の光学機器601は、可変光学部材6013を少なくとも有する。可変光学部材6013の個数や配置は図7(b)の例に限定されない。光学機器の例として、撮像装置に接続して用いるレンズ鏡筒が挙げられる。この場合、可変光学部材6013は可変レンズである。圧電アクチュエータによって光路を制御できる可変レンズを用いると、レンズ鏡筒に用いるレンズ枚数を削減できる効果がある。図7(b)にあるように、可変光学部材6013は光学機器601への入射光および出射光の光路上に設置されていることが好ましい。
本発明の光学機器の一例として、図7(c)に光学機器の構成の一例を概略図として示す。本発明の光学機器601は、可動光学部材6014を少なくとも有する。可動光学部材6014の個数や配置は図7(c)の例に限定されない。光学機器の例として、撮像装置に接続して用いるレンズ鏡筒が挙げられる。この場合、可動光学部材6014は可動レンズまたは可動ミラーである。圧電アクチュエータによって光路を制御できる可動レンズまたは可動ミラーを用いると、レンズ鏡筒に用いるレンズ枚数を削減できる効果がある。図7(c)にあるように、可動光学部材6014は光学機器601への入射光および出射光の光路上に設置されていることが好ましい。
次に、本発明の撮像装置について説明する。
本発明の撮像装置は、前記振動補正機構および前記振動補正機構に保持された撮像素子ユニットとを備える。
本発明の撮像装置701は、振動補正機構7011および振動補正機構7011の搬送対象物としての撮像素子ユニット7012を有する。撮像素子ユニット7012とは、例えば電子基板上に撮像素子と電気素子を実装したものを指す。撮像素子の例としては、CCD(Charg−Coupled Device)やCMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor)が挙げられる。
次に、本発明の光スイッチについて説明する。
本発明の光スイッチの第一の形態は、前記可変光学部材を備える。
本発明の光スイッチの一例として、図9(b)に光スイッチの構成の一例を概略図として示す。ただし、各部材の個数、形状や配置は図9(b)の例に限定されない。図9(b)では、移動部80141と反射部80142を備えた可動光学部材8014そのものが光スイッチであるが、光スイッチが可動光学部材8014以外の部材、例えば入射光の照射位置を制限するスリット等を有していても良い。移動部80141は、外部コンピュータからの指示によって紙面の左右方向に移動する構造体であり、その入射光側の面に反射部80142が設けられている。反射部80142と移動部80141は結合しているので、一緒に移動する。反射部80142は、例えば鏡面になっていて、入射光に応じた反射光を生じさせる機能を有している。例えば、可動光学部材8014が左右に移動すると、入射光が照射される反射部80142の座標が変化して、反射光の方向を変化させることができる。この反射光の方向の変化を利用して、スイッチとしてのオン/オフ操作が可能となる。
次に、本発明のマイクロミラーデバイスについて説明する。
本発明のマイクロミラーデバイスは、複数のマイクロミラーと各マイクロミラーにそれぞれ力学的に接続された前記圧電アクチュエータを有する。
次に本発明の超音波プローブについて説明する。
本発明の超音波プローブは、前記圧電アクチュエータを備えており、超音波の発振機能と反射波の受信機能を有する。
次に本発明の超音波検査装置について説明する。
本発明の超音波検査装置は、前記超音波プローブと、信号処理手段と、画像生成手段とを備える。
次に本発明の音響部品について説明する。
本発明の音響部品は、前記圧電アクチュエータを備え、その駆動によって音を発信または受信する。
次に本発明の角速度センサーについて説明する。
本発明の角速度センサーは、前記圧電素子を備えており、該圧電素子の形状変化を角速度情報に変換する。
次に本発明の振動発電装置について説明する。
本発明の振動発電装置は、前記圧電素子を備えており、振動エネルギーを電気エネルギーに変換する。
次に本発明の表面弾性波発生装置について説明する。
本発明の表面弾性波発生装置は、本発明の図15(a)に示される第二の形態の圧電素子を備える。
次に本発明の圧電シャッターについて説明する。
本発明の圧電シャッターは、前記表面弾性波発生装置および遮光部品を有し、該表面弾性波発生装置の駆動によって遮光部品を移動させる機能を有する。
本発明の圧電素子および圧電アクチュエータは、上記の用途以外にも圧電機能を用いる圧電装置全般に適用可能である。例えば、各種圧電センサ、強誘電メモリ、周波数フィルタ、圧電発振器が用途として挙げられる。本発明の圧電素子は上述の例に限らず、さまざまな本発明の圧電素子は上述の例に限らず、さまざまな電子機器に搭載可能である。本発明の電子機器は電子部品と、前記圧電素子を備えているため、優れた性能を有する電子機器を提供できる。
以下のように本発明の圧電素子を作製した。
(圧電素子)
本発明の第一の形態の圧電素子を製造した。
スパッタ法のターゲットとして用いる目的で、圧電膜の目的組成に対応した焼結体を製造した。ただし、スパッタ成膜中の蒸発速度の差を考慮して、Ba、BiといったAサイトに入る可能性がある元素がターゲット焼結体中で過剰となるようにした。
以上のようにして、本発明の第一の形態の圧電素子を得た。
実施例1の圧電素子に含まれる圧電膜のキュリー温度は、130℃であった。
実施例1と同様の製造方法で、組成の異なる本発明の圧電素子を得た。圧電膜の組成を表1に示す。圧電素子に含まれる基板、密着層、第一の電極の種類、圧電膜を成膜する手法、成膜プロセスにおける最高温度、第二の電極の種類を表2に示す。
表2における実施例20の「100配向単結晶」とは、成膜面が(100)面となるように切り出したMgO単結晶基板を意味する。同等に実施例22では成膜面が(110)面であるMgO単結晶基板を、実施例23では成膜面が(111)面であるMgO単結晶基板を用いた。
各圧電素子の膜表面における結晶粒径は、表3に示す通りであり、最小で1000nm、最大で3400nmであった。
各実施例の圧電素子におけるキュリー温度、各温度の誘電損失および圧電定数d31の計測結果は表4に示す通りであった。キュリー温度は、最小で101℃、最大で175℃であった。−25℃から50℃の範囲における誘電損失の最大値は、0.0030から0.0055の範囲にあった。
特許文献1の0087段落を参照し、圧電膜の組成を、Ba(Ti0.90Zr0.10)O3の化学式で表わすことができる金属酸化物および、その金属酸化物1モルに対して0.02モルの割合で添加されたMn酸化物となるようにした他は、実施例1と同様にして比較用の圧電素子を製造した。
また、比較例1の圧電変動率を算出したところ28%であった。
実施例1と同様の製造方法で、組成の異なる比較例の圧電素子を得た。圧電膜の組成を表1に示す。実施例同様に成膜条件を表2に、膜の形態及び状態については表3に、圧電膜の物性及び圧電特性については表4に示す通りであった。
図15(a)に図示された構成の本発明の第二の形態の圧電素子を製造した。
具体的には、第一の電極を設けなかったことと、第二の電極を櫛型形状にしたことを除いては、実施例1と同様の製法で圧電素子を製造した。櫛型電極ピッチは25μmとし、電極線幅10μm、空隙15μmの内訳とした。
表2に示した実施例1と実施例2に見られるように本発明の圧電素子の製造方法はCSD法であってもスパッタ法であっても同等の特性が得られることが分かった。その他の実施例についても、成膜法によらず本発明の効果が得られることを確認した。
実施例1の圧電素子におけるMnの量を変化させた場合の影響を調査した。
Mnの含有量を主成分の金属酸化物1モルに対して、0.0020モルから多くすると、0.015モルまでは実施例1と類似の圧電特性が得られた。しかし、Mnの量を0.020モル程度まで大きくすると、比較例10に見られるように圧電定数が実施例1と比較して大幅に低下し、室温(25℃)の誘電正接は0.246すなわち2.46%と大幅に悪化し、1.3%以上となってしまった。
実施例1の圧電素子におけるBiの量を変化させた場合の影響を調査した。
Biは価数をXAFSにより評価した。標準試料としてBiの価数が3価であるBiFeO3とBiの価数が5価であるBa2CaBiO5.5とBiの価数が平均4価であるBaBiO3を用意した。これらの標準試料と前記圧電膜のXAFSのXANESスペクトルのピーク位置を比較することでBiの価数を評価することができる。BaBiO3のピーク位置は、Biの価数が3価であるBiFeO3とBiの価数が5価であるBa2CaBiO5.5との間に位置し、BaBiO3のBiの価数は4価にならないことから、3価と5価がほぼ同量存在する平均4価となることが知られている。
本願発明における各実施例について圧電膜のXANESスペクトルのピーク位置を測定したところ、BaBiO3のそれとほぼ同じ位置であった。よって、本願発明における各実施例の圧電膜のBiの価数は電荷不均化していることが分かった。
また3価と5価のBiがほぼ同量存在していると考えられる。
実施例の圧電素子におけるZrの量を変化させた場合の影響を調査した。
Zrのモル比を示すxを0.020から大きくすると、室温(25℃)の圧電定数が大きくなった。x=0.050とすると、室温(25℃)の圧電定数がx=0.020の実施例3の圧電素子より5%程度大きくなった。しかし、比較例2にみられるようにx=0.014とすると、圧電膜の結晶系が斜方晶である温度幅について、70℃以下となり、圧電素子使用温度範囲(−25℃から50℃)の温度範囲75℃を下回るものであった。従って、圧電変動率も20%以上であった。
一方、Zrのモル比を示すxを、比較例1にみられるようにx=0.01とすると圧電定数が60%程度低下した。
実施例の圧電素子を用いて、図3(a)、(b)に示される構造の圧電アクチュエータを作製したところ、交番電圧の印加に応じて圧電アクチュエータの薄片部の変位が確認された。なお、振動板には5μm厚のSiO2膜を用いた。実施例の圧電素子を用いた圧電アクチュエータの薄片部における変位量は、比較例の圧電素子によるものの2倍以上であった。前記圧電アクチュエータを環境試験箱内で圧電素子使用温度範囲である−25℃から50℃の環境温度下で同様の変位量の測定を行ったところ、各温度でほぼ同等の変位量が確認された。
実施例の圧電素子を用いて、図4(a)に示す構造の液体吐出ヘッドを作製した。
得られた液体吐出ヘッドについて、印可電圧20V、10kHz時の液体吐出ヘッドの液滴の吐出性能を評価したところ、実施例の液体吐出ヘッドの吐出性能は良好であった。
上記の液体吐出ヘッドを用いて、図4(b)に示される液体吐出装置を作製した。入力した電気信号に追随したインクの吐出が確認された。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図5に示される振動補正機構を作製した。輸送対象物にはガラス製のレンズおよびCMOS素子を用いた。入力した電気信号に追随した輸送対象物の回転運動が確認された。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図6(a)に示される可変光学部材を作製した。光学部材にはポリアクリル酸系のプラスチックレンズを用いた。入力した電気信号に追随した光学部材の変形が確認された。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図6(b)に示される可動光学部材を作製した。圧電歪み伝達部にはアルミ製の金属棒を用い、光学部材にはガラス板にアルミを蒸着したミラーを用いた。入力した電気信号に追随した光学部材の可動が確認された。
上記の振動補正機構を用いて、図7(a)に示される光学機器を作製した。外部からの振動による出射光の光路の変化を振動補正機構の機能によって抑制できていることが確認された。
上記の可変光学部材、あるいは上記の可動光学部材を用いて、図7(b)および(c)に示される光学機器を作製した。交番電圧の印加に応じた光路の変化が確認された。
上記の振動補正機構を用いて、図8に示される撮像装置を作製した。外部からの振動に起因する撮像画像の変化が振動補正機構の機能によって抑制できていることが確認された。
上記の圧電アクチュエータと光ファイバーを力学的に接続した可変光学部材を用いて、図9(a)に示される光スイッチを作製した。入力した電気信号に追随した光スイッチの切り替え動作を確認した。
上記の圧電アクチュエータと図9(b)に示される可変光学部材を力学的に接続して、光スイッチを作製した。入力した電気信号に追随した光スイッチの切り替え動作を確認した。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図10に示されるマイクロミラーデバイスを作製した。圧電歪み伝達部にはアルミ製の金属棒を用いた。入力した電気信号に追随したマイクロミラーデバイスの移動および回転動作を確認した。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図11(a)に示される超音波プローブを作製した。入力した電気信号に追随した超音波の発信動作と被検体から反射した超音波の受信動作を確認した。
上記の超音波プローブを用いて、図11(b)に示される超音波検査装置を作製した。出入力した超音波の振動データからノイズの軽減された超音波画像の生成を確認した。
上記の圧電アクチュエータを用いて、図12に示される音響部品を作製した。入力した電気信号に追随した音波の発信または外部からの音波の受信を確認した。
実施例の圧電素子を用いて、図13に示される信号処理部を有する角速度センサーを作製した。センサー本体の移動や回転等の形状変化を処理部で角速度情報に変換していることを確認した。
実施例の圧電素子を用いて、図14に示される振動発電装置を作製した。メカニカルポンプ上に設置し、メカニカルポンプを作動させたところ、振動エネルギーが電気エネルギーに変換される発電動作が行われていることを確認した。
実施例2の表面弾性波発生装置を用いて、図15(c)に示される圧電シャッターを作製した。ただし、圧電膜および櫛型電極は基板の両面に設けた。入力した電気信号に追随した圧電シャッターの開閉動作を確認した。
102 第一の電極
103 圧電膜
104 第二の電極
105 櫛型電極
106 密着成分
107 振動板
108 バッファ領域
201 圧電素子
2011 第一の電極
2012 圧電膜
2013 第二の電極
202 振動板
203 個別液室
204 液室隔壁
205 吐出口
206 連通孔
207 共通液室
301 外装部
302 回復部
303 記録部
304 キャリッジ
305 自動給送部
306 排出部
307 搬送部
401 圧電アクチュエータ
4011 振動板
4012 圧電膜
4013 第二の電極
402 輸送対象物
501 圧電アクチュエータ
502 光学部材
503 圧電歪み伝達部
601 光学機器
6011 振動補正機構
6012 光学部材
6013 可変光学部材
6014 可動光学部材
701 撮像装置
7011 振動補正機構
7012 撮像素子ユニット
801 光スイッチ
8011 可変光学部材
8012 光信号入力端子
8013 光信号出力端子
8014 可動光学部材
80141 移動部
80142 反射部
901 マイクロミラー
902 圧電アクチュエータ
903 圧電歪み伝達部
904 制御部
1001 超音波プローブ
10011 圧電アクチュエータ
1002 信号処理手段
1003 画像形成手段
1101 音響部品
11011 圧電アクチュエータ
1201 角速度センサー
12011 圧電素子
1202 信号処理部
1301 振動発電装置
13011 圧電素子
1401 表面弾性波発生装置
14011 圧電素子
14012 電源
1402 遮光部品
14021 可動突起部
14022 回転軸部
1403 受光部
Claims (29)
- 基板、第一の電極、圧電膜、および第二の電極が設けられた圧電素子であって、
前記圧電膜はチタン酸ジルコン酸バリウムと、マンガンと、3価と5価に電荷不均化したビスマスとを含む金属酸化物を含有し、
前記圧電膜におけるジルコニウムとチタンの和に対するジルコニウムのモル比であるxの値が、0.02≦x≦0.13であり、
前記圧電膜におけるマンガンの含有量が前記チタン酸ジルコン酸バリウム1モルに対して0.002モル以上0.015モル以下であり、
前記圧電膜におけるビスマスの含有量が前記金属酸化物1モルに対して0.00042モル以上0.00850モル以下であることを特徴とする圧電素子。 - 前記圧電膜が下記一般式(1)で表わされるペロブスカイト型金属酸化物よりなる主成分を含有する請求項1に記載の圧電素子。
Ba(Ti1−xZrx)O3 (1)
(式中、0.02≦x≦0.13) - 前記圧電膜の前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた箇所における最大膜厚TPが10μm以下であることを特徴とする請求項1または2に記載の圧電素子。
- 前記圧電膜の前記第一の電極と前記第二の電極に挟まれた箇所における最大膜厚TPに対し、前記第一の電極および前記第二の電極は、それぞれ、その最大膜厚TE1と最小膜厚TE2の平均値(TE1+TE2)/2が、0.002×TP≦(TE1+TE2)/2≦500nmの範囲にあることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 前記第一の電極が前記圧電膜と前記基板との間に設けられており、該第一の電極と前記基板との間に、第4族元素および/または第5族元素の金属を含む密着成分が介在していることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 前記圧電膜が柱状構造の結晶粒で構成された集合組織を有していることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載の圧電素子。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電素子と、該圧電素子が設けられた振動部とを有することを特徴とする圧電アクチュエータ。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電素子を配した振動部を備えた液室と、前記液室と連通する吐出口を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 被転写体の載置部と請求項8に記載の液体吐出ヘッドを備えたことを特徴とする液体吐出装置。
- 請求項7に記載の圧電アクチュエータを2つ以上有しており、かつ電圧印加時の前記圧電アクチュエータの伸縮方向が2方向以上となるように前記圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする振動補正機構。
- 請求項7に記載の圧電アクチュエータおよび前記圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、前記圧電アクチュエータの変形によって前記光学部材の形状が変化する機構を備えたことを特徴とする可変光学部材。
- 請求項7に記載の圧電アクチュエータおよび前記圧電アクチュエータに力学的に接続された光学部材を有し、前記圧電アクチュエータの変形によって前記光学部材が移動および/または回転する機構を備えたことを特徴とする可動光学部材。
- 請求項10に記載の振動補正機構および前記振動補正機構に保持された光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
- 請求項11に記載の可変光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
- 請求項12に記載の可動光学部材を備えたことを特徴とする光学機器。
- 請求項10に記載の振動補正機構および前記振動補正機構に保持された撮像素子ユニットを備えたことを特徴とする撮像装置。
- 請求項11に記載の可変光学部材を備えたことを特徴とする光スイッチ。
- 請求項12に記載の可動光学部材を備えたことを特徴とする光スイッチ。
- 複数のマイクロミラーと各マイクロミラーに力学的に接続された複数の圧電アクチュエータとを有するマイクロミラーデバイスにおいて、前記圧電アクチュエータが請求項7に記載の圧電アクチュエータであることを特徴とするマイクロミラーデバイス。
- 超音波の発振機能と反射波の受信機能を有する超音波プローブであって、請求項7に記載の圧電アクチュエータを備えたことを特徴とする超音波プローブ。
- 請求項20に記載の超音波プローブと、信号処理手段と、画像生成手段とを備えた超音波検査装置。
- 請求項7に記載の圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータの駆動によって音を発信または受信することを特徴とする音響部品。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電素子を備えた角速度センサーであって、前記角速度センサーが前記圧電素子の形状変化を角速度情報に変換することを特徴とする角速度センサー。
- 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電素子を備えた振動発電装置であって、前記振動発電装置が振動エネルギーを電気エネルギーに変換することを特徴とする振動発電装置。
- 基板、圧電膜、および複数の櫛型電極が設けられた圧電素子であって、
前記圧電膜はチタン酸ジルコン酸バリウムと、マンガンと、3価と5価に電荷不均化したビスマスとを含む金属酸化物を含有し、
前記圧電膜におけるジルコニウムとチタンの和に対するジルコニウムのモル比であるxの値が、0.02≦x≦0.13であり、
前記圧電膜におけるマンガンの含有量が前記チタン酸ジルコン酸バリウム1モルに対して0.002モル以上0.015モル以下であり、
前記圧電膜におけるビスマスの含有量が前記金属酸化物1モルに対して0.00042モル以上0.00850モル以下であることを特徴とする圧電素子。 - 請求項25に記載の圧電素子を備え、該圧電素子によって表面弾性波を発生することを特徴とする表面弾性波発生装置。
- 請求項26に記載の表面弾性波発生装置および遮光部品を有する圧電シャッターであって、前記表面弾性波発生装置の駆動によって前記遮光部品を移動させることを特徴とする圧電シャッター。
- 電子部品と、請求項1乃至6のいずれか一項に記載の圧電素子を備えた電子機器。
- 電子部品と、請求項25に記載の圧電素子を備えた電子機器。
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