JP4588807B1 - 圧電体薄膜とその製造方法、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 - Google Patents
圧電体薄膜とその製造方法、インクジェットヘッド、インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、角速度センサ、角速度センサを用いて角速度を測定する方法、圧電発電素子ならびに圧電発電素子を用いた発電方法 Download PDFInfo
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Abstract
【選択図】図1A
Description
・下地層の組成および結晶構造に拘わらず、当該下地層の上に形成したLaNiO3膜が(001)配向を有すること、および
・当該LaNiO3膜上にNaNbO3により構成される界面層を形成し、さらに、当該界面層上に圧電体層として(Bi,Na,Ba)TiO3膜を形成することによって、高い結晶性、高い(001)配向性、低い誘電損失、および高い圧電性能を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜が得られること、を見出した。本発明者らは、これらの知見に基づいて本発明を完成させた。
図1Aは、本発明による圧電体薄膜の一形態を示す。図1Aに示される圧電体薄膜1aは、積層構造16aを有する。積層構造16aは、(001)配向を有するLaNiO3膜13と、(001)配向を有するNaNbO3膜14と、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜15とをこの順に有する。積層されたこれらの膜13〜15は互いに接する。当該(Bi,Na,Ba)TiO3膜15は、圧電体層である。当該(Bi,Na,Ba)TiO3膜15は、小さいリーク電流とともに、高い結晶性および高い(001)配向性を有する。このため、圧電体薄膜1aは、鉛を含有しないにも拘わらず、低い誘電損失およびPZTと同一の高い圧電性能を有する。
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図2〜図12Bを参照しながら説明する。
本発明の画像を形成する方法は、上述した本発明のインクジェットヘッドにおいて、第1および第2の電極(すなわち、個別電極層および共通電極層)を介して圧電体層に電圧を印加し、圧電効果により振動層を当該層の膜厚方向に変位させて圧力室の容積を変化させる工程、ならびに当該変位により圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程を含有する。
図13A、図13B、図14Aおよび図14Bは、本発明の角速度センサの一例を示す。図14Aは、図13Aに示される角速度センサ21aの断面E1を示す。図14Bは、図13Bに示される角速度センサ21bの断面E2を示す。図13A〜図14Bに示される角速度センサ21a、21bは、いわゆる音叉型角速度センサである。これは車両用ナビゲーション装置およびデジタルスチルカメラの手ぶれ補正センサに使用され得る。
本発明の角速度を測定する方法は、本発明の角速度センサを用いて、駆動電圧を圧電体層に印加して、基板の振動部を発振させる工程、および発振中の振動部に加わった角速度によって振動部に生じた変形を測定することによって当該角速度の値を測定する工程、を有する。第1の電極および第2の電極のうち、駆動電極およびセンス電極として機能しない電極(他方の電極)と、駆動電極との間に駆動電圧が印加され、圧電体層に駆動電圧が印加される。他方の電極およびセンス電極が、角速度によって、発振中の振動部に生じた変形を測定する。
Fc=2mvω
ここで、vは、発振中の振動部200bにおける発振方向の速度である。mは、振動部200bの質量である。この式に示されているように、コリオリ力Fcから角速度ωを算出し得る。
図15A、図15B、図16Aおよび図16Bは、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図16Aは、図15Aに示される圧電発電素子22aの断面F1を示す。図16Bは、図15Bに示される圧電発電素子22bの断面F2を示す。圧電発電素子22a、22bは、外部から与えられた機械的振動を電気エネルギーに変換する素子である。圧電発電素子22a、22bは、車両および機械の動力振動および走行振動、ならびに歩行時に生じる振動、に包含される種々の振動から発電する自立的な電源装置に好適に適用される。
上述した本発明の圧電発電素子に振動を与えることにより、第1の電極および第2の電極の間に電位差が生じ、第1の電極および第2の電極を介して電力が得られる。
実施例では、図1Eに示される圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、基板11、金属電極膜12、LaNiO3膜13、NaNbO3膜(界面層)14、(Bi,Na,Ba)TiO3膜(圧電体層)15および導電膜17を順に具備する。当該圧電体薄膜を、以下のように作製した。
比較例1では、図19に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、NaNbO3膜14を具備しないこと以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。すなわち、当該圧電体薄膜では、基板11、金属電極膜12、LaNiO3膜13、圧電体層である(Bi,Na,Ba)TiO3膜31、および導電膜17が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、NaNbO3膜14を形成しなかったこと以外は実施例と同様の手法により作製した。
比較例2では、図20に示される構造を有する圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、LaNiO3膜13を具備しない以外は、実施例で作製した圧電体薄膜と同一の構造を有する。当該圧電体薄膜では、基板11、金属電極膜12、NaNbO3膜42、圧電体層である(Bi,Na,Ba)TiO3膜41、および導電膜17が、この順に積層されている。当該圧電体薄膜は、LaNiO3膜13を形成しなかったこと以外は、実施例と同様の手法により作製した。
Claims (22)
- (001)配向を有するLaNiO3膜と、(001)配向を有するNaNbO3膜と、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜と、を具備し、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、および前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜がこの順に積層されている圧電体薄膜。 - Pt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項1に記載の圧電体薄膜。 - 導電膜をさらに備え、
前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜が、前記導電膜と前記NaNbO3膜との間に挟まれている、請求項1に記載の圧電体薄膜。 - 基板をさらに備え、
前記LaNiO3膜が前記基板と前記NaNbO3膜との間に挟まれている、請求項1に記載の圧電体薄膜。 - 前記基板がSiからなる請求項4に記載の圧電体薄膜。
- スパッタリング法により、(001)配向を有するLaNiO3膜を形成する工程、
前記LaNiO3膜上に、スパッタリング法により、(001)配向を有するNaNbO3膜を形成する工程、および
前記NaNbO3膜上に、スパッタリング法により、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜を形成して、前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、および前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜がこの順に積層された圧電体薄膜を得る工程、
を包含する、圧電体薄膜を製造する方法。 - 前記LaNiO3膜を、Pt膜上に形成する請求項6に記載の方法。
- 前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜上に導電膜を形成する工程をさらに包含する、請求項6に記載の方法。
- 前記Pt膜を、基板上に形成する請求項7に記載の方法。
- 前記基板がSiからなる請求項9に記載の方法。
- 第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜に接合された振動層と、
インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備え、
前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合され、
前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されている、
インクジェットヘッド。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項11に記載のインクジェットヘッド。 - インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法であって、
前記インクジェットヘッドを準備する工程、および
ここで、前記インクジェットヘッドは、
第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、
前記圧電体薄膜に接合された振動層と、
インクを収容する圧力室を有するとともに、前記振動層における前記圧電体薄膜が接合した面とは反対側の面に接合された圧力室部材と、を備え、
前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体薄膜の変形に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、前記圧電体薄膜に接合され、
前記振動層と前記圧力室部材とは、前記振動層の変位に応じて前記圧力室の容積が変化するとともに、前記圧力室の容積の変化に応じて前記圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されており、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されており、
前記第1の電極および前記第2の電極を介して前記圧電体層に電圧を印加することにより、圧電効果に基づき、前記圧力室の容積が変化するように前記振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により前記圧力室からインクを吐出させて画像を形成する工程、
を包含する、方法。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項13に記載の方法。 - 振動部を有する基板と、
前記振動部に接合されるとともに、第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されており、
前記第1の電極および前記第2の電極から選ばれる一方の電極が、前記振動部を発振させる駆動電圧を前記圧電体層に印加する駆動電極と、発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を測定するためのセンス電極とを含む電極群により構成されている、
角速度センサ。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項15に記載の角速度センサ。 - 角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、
前記角速度センサを準備する工程、
ここで、前記角速度センサは、
振動部を有する基板と、
前記振動部に接合されるとともに、第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されており、
前記第1の電極および前記第2の電極から選ばれる一方の電極が、駆動電極とセンス電極とを含む電極群により構成されており、
駆動電圧を、前記第1の電極および前記第2の電極から選ばれる他方の電極と前記駆動電極とを介して前記圧電体層に印加することにより、前記振動部を発振させる工程、および
発振中の前記振動部に加わった角速度によって前記振動部に生じた変形を、前記他方の電極と前記センス電極とを介して測定することで前記加わった角速度の値を測定する工程
を包含する、方法。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項17に記載の方法。 - 振動部を有する基板と、
前記振動部に接合されるとともに、第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されている、
圧電発電素子。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項19に記載の圧電発電素子。 - 圧電発電素子を用いた発電方法であって、
前記圧電発電素子を準備する工程、および
ここで、前記圧電発電素子は、
振動部を有する基板と、
前記振動部に接合されるとともに、第1の電極および第2の電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体薄膜と、を備え、
前記第1の電極は、(001)配向を有するLaNiO3膜を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向を有する(Bi,Na,Ba)TiO3膜から構成されており、
前記第1の電極および前記圧電体層の間に、(001)配向を有するNaNbO3膜が挟まれており、
前記LaNiO3膜、前記NaNbO3膜、前記(Bi,Na,Ba)TiO3膜、および前記第2の電極がこの順に積層されており、
前記振動部に振動を与えることにより、前記第1の電極および前記第2の電極との間に電位差を生じさせる工程
を包含する、方法。 - 前記圧電体薄膜がPt膜をさらに備え、
前記LaNiO3膜が、前記Pt膜上に形成されている請求項21に記載の方法。
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