JP4748352B2 - 圧電アクチュエータの製造方法、インクジェットヘッドの製造方法 - Google Patents
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Description
PZTはABO3で表現されるペロブスカイト型結晶構造をとっており、AサイトにPb2+が、BサイトにZr4+およびTi4+が位置している。電界を印加すると、Bサイトのイオンが電界方向に、O2−イオンが電界方向と逆方向に変位して電気分極が生じる。さて、このPZTに例えばFe3+を拡散させると、Bサイトが置換されるとともに酸素欠損が生じる。そして、酸素空孔が形成されることによってドメインウオールがピン止めされてドメインウオールの移動が制限され、その結果として抗電界が上昇する。なお、例えばAサイトをK+に置換しても同様の結果となる。
PZTに例えばNb5+を拡散させると、Bサイトが置換されるとともにAサイトに空孔が形成される。この空孔を介してドメインウォールが移動しやすくなり、抗電界が低下する。なお、例えばAサイトをLa3+に置換しても同様の結果となる。
以下、本発明を具体化した第1実施形態について、図1〜図3を参照しつつ詳細に説明する。
以下、本発明の第2実施形態について図4を参照しつつ説明する。本実施形態と第1実施形態との主たる相違点は、圧電層43の圧電特性を低下させる元素を振動板41から供給するのではなく、振動板41上に設けた拡散材料層42から供給する点である。なお、第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
以下、本発明の第3実施形態について図5を参照しつつ説明する。本実施形態と上記各実施形態との主たる相違点は、圧電層53において圧力室16の開口部16Aに対応する開口領域A1に、この圧電層53の圧電特性を向上させる元素を拡散させる点である。なお、第1実施形態と同様の構成には同一の符号を付して説明を省略する。
基板としてはステンレス(SUS430)板を、材料粒子としては平均粒子径0.3〜1μmのPZTを用いた。成膜装置としては上記実施形態と同様のものを使用した。
ノズル開口0.4mm×10mm、成膜チャンバー内圧力200Pa、エアロゾル室内圧力30000Pa、キャリアガス種類He、ガス流量は2.0リットル/min、ノズル−基板間距離10〜20mmとして、エアロゾルの吹き付けを行い、基板上に圧電膜を形成した。圧電膜の厚さは表面粗さ計による段差測定で概ね8μmであった。
続いて形成した圧電膜のアニール処理を、次の条件で行った(以下、「アニール条件A」と称する)。マッフル炉(ヤマト工業株式会社製 fpシリーズ)の炉内温度を850℃まで昇温した。この炉内に圧電膜を成膜した基板を入れ、0.5分間保持した後、炉外に取り出して自然冷却により室温になるまで冷却した。
圧電膜上に粘着性樹脂テープを用いてマスキングを行い、有効面積3.6mm2以上の上部電極をAu蒸着機を用いて形成し、基板であるステンレス(SUS430)板を下部電極とした圧電アクチュエータを構成した。次いで、印加電界300kV/cmで分極処理を行った。
この圧電アクチュエータについて、強誘電体測定器(TFANALYZER2000;AiXACT社製)により、電圧を印加しながら静電容量を測定し、残留分極(Pr)と抗電界(Ec)とを測定した。
実施例1と同様にして厚さ約8.5μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Aでアニール処理を行った。但し、アニール時間(最高温度(850℃)で保持する時間)を1分間とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。
実施例1と同様にして厚さ約5μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Aでアニール処理を行った。但し、アニール時間を3分間とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
実施例1と同様にして厚さ約5μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Aでアニール処理を行った。但し、アニール温度を750℃とし、アニール時間を3分とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
実施例1と同様にして厚さ8.5μmの圧電膜を成膜した。
この圧電膜について、次のようにしてアニール処理を行った(以下、アニール条件Bと称する)。上記実施例1で使用したのと同じマッフル炉内に圧電膜を形成した基板を入れ、300℃/hにて炉内温度を850℃まで昇温した。850℃で2分間保持した後、炉内を自然冷却により室温まで冷却し、その後基板を取り出した。
アニール処理終了後の圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
実施例1と同様にして厚さ約8μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール時間を5分間とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
実施例1と同様にして厚さ約8μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール時間を30分間とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
実施例1と同様にして厚さ約8.5μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール温度を800℃とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
基板としてはステンレス(SUS304)板を用いた。
この基板上に、実施例1と同様にして厚さ約8μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール温度を700℃とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を400kV/cmとした。
基板としてはステンレス(SUS430)板を用い、この基板上にNi−Crを含む拡散材料層を設けた。
この拡散材料層を設けた基板上に、実施例1と同様にして厚さ約10μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール温度を800℃とした。この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を350kV/cmとした。
基板としてはステンレス(SUS430)板を用い、この基板上にNiを含む拡散材料層を設けた。
この基板上に、実施例1と同様にして厚さ約10μmの圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール温度を800℃とした。
この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。
基板としてはアルミナ基板を用いた。この基板上にAuペースト(田中貴金属工業製;TR1533)を用いて厚さ8μmのペースト層を形成し、850℃で焼き付けることにより下部電極を形成した。
この下部電極を設けた基板上に、実施例1と同様にして圧電膜を成膜し、アニール条件Bでアニール処理を行った。但し、アニール時間を30分間とした。
この圧電膜について、実施例1と同様にして試験を行った。なお、印加電界を286kV/cmとした。
実施例および比較例についての実験結果を表1に示す。
実施例1〜実施例9では、基板であるステンレス板に含まれるFe、Cr元素がアニール処理により圧電層に拡散されていた。アニール条件Aでアニール処理を行った場合(実施例1〜実施例4)では、圧電層へのFe、Cr元素の拡散が少なかったため、抗電界Ecはわずかに増大したものの、角形比Pr/Ecはわずかに減少し、元素を拡散させなかった場合と大きな差異は見られなかった。一方、アニール条件Bでアニール処理を行った場合(実施例5〜実施例9)では、圧電層へのFe、Cr元素の拡散が大きかったため、抗電界Ecの大幅な増大が見られ、角形比Pr/Ecは低下し、圧電特性が大きく低下していることが分かった。
(1)上記各実施形態では、圧電層4、43、53に拡散させる元素を、この圧電層4、43、53を構成する元素とは異なる元素としたが、圧電層に拡散して圧電特性を低下または向上することが可能なものであれば、圧電層を構成する元素と同種の元素であっても構わない。
2、41、51・・・振動板(基板)
3・・・下部電極(拡散防止層)
4、43、53・・・圧電層
5・・・上部電極(個別電極)
10、44、54・・・インクジェットヘッド
11・・・流路ユニット(インク流路形成体)
16・・・圧力室
16A・・・開口部
19・・・インク吐出ノズル
42、52A、52B・・・拡散材料層
A1・・・開口領域
A2・・・非開口領域(中間領域)
M・・・材料粒子(圧電材料の粒子)
Z・・・エアロゾル
Claims (9)
- インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体の前記一面側に、前記開口部を閉じるように設けられるものであって、前記インク流路形成体の前記一面側に複数の前記開口部に跨って設けられた基板と、前記基板上において複数の前記開口部に対応する複数の開口領域に跨って積層された圧電層と、前記圧電層上において前記複数の開口領域に個別に設けられた個別電極とを備えたインクジェットヘッド用圧電アクチュエータを製造する方法であって、
前記基板上において隣り合う前記開口領域の中間に位置する中間領域に、前記圧電層中に拡散して前記圧電層の圧電特性を低下させる元素を存在させた拡散材料領域を形成する拡散材料領域形成工程と、
前記基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層を加熱して前記拡散材料領域に存在する前記元素を前記圧電層に拡散させる拡散工程と、
を含み、
前記圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記圧電特性を低下させる元素が鉄、クロム、コバルト、マンガン、シリカ、アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記拡散材料領域に存在する前記圧電特性を低下させる元素は、前記圧電材料の主成分となる元素とは異種のものであることを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記拡散材料領域に存在する前記圧電特性を低下させる元素は、前記圧電材料の主成分となる元素のうち少なくとも1種を含むことを特徴とする請求項1に記載のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記拡散材料領域形成工程において、前記拡散材料領域を、前記基板上における前記中間領域に前記圧電特性を低下させる元素を含む拡散材料層を形成することにより設けることを特徴とする請求項1〜請求項3のいずれかに記載のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。
- 前記基板として前記圧電特性を低下させる元素を含む基板を用いるとともに、
前記拡散材料領域形成工程において前記基板上における前記開口領域に前記圧電特性を低下させる元素の拡散を防止する拡散防止層を形成することによって、この前記拡散防止層から外れる領域を前記拡散材料領域とし、
その後に、前記圧電層形成工程において前記基板の表面に前記圧電層を形成することを特徴とする請求項1〜請求項3に記載のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。 - インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体の前記一面側に、前記開口部を閉じるように設けられるものであって、前記インク流路形成体の前記一面側に複数の前記開口部に跨って設けられた基板と、前記基板上において複数の前記開口部に対応する複数の開口領域に跨って積層された圧電層と、前記圧電層上において前記複数の開口領域に個別に設けられた個別電極とを備えたインクジェットヘッド用圧電アクチュエータを製造する方法であって、
前記開口領域に、前記圧電層中に拡散して前記圧電層の圧電特性を向上させる元素を存在させた拡散材料領域を形成する拡散材料領域形成工程と、
前記基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層を加熱して前記拡散材料領域に存在する前記元素を前記圧電層に拡散させる拡散工程と、
を含み、
前記圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記圧電特性を向上させる元素がカルシウム、ストロンチウム、マグネシウム、バリウム、カドミウム、ランタン、ネオジム、ニオブ、アンチモン、ビスマス、トリウム、タングステンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。 - 前記拡散材料領域形成工程において、前記拡散材料領域を、前記基板上における前記開口領域に前記圧電特性を向上させる元素を含む拡散材料層を形成することにより設けることを特徴とする請求項6に記載のインクジェットヘッド用圧電アクチュエータの製造方法。
- インクを吐出するためのインク吐出ノズルと、
前記インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、
前記インク吐出ノズルの一面側に前記開口部を閉じるように設けられるものであって、前記インク流路形成体の前記一面側に複数の前記開口部に跨って設けられた基板と、前記基板上において複数の前記開口部に対応する複数の開口領域に跨って積層された圧電層と、前記圧電層上において前記複数の開口領域に個別に設けられた個別電極とを備えた圧電アクチュエータと、
を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、
前記基板上において隣り合う前記開口領域の中間に位置する中間領域に、前記圧電層中に拡散して前記圧電層の圧電特性を低下させる元素を存在させた拡散材料領域を形成する拡散材料領域形成工程と、
前記基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層を加熱して前記拡散材料領域に存在する前記元素を前記圧電層に拡散させる拡散工程と、
を含み、
前記圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記圧電特性を低下させる元素が鉄、クロム、コバルト、マンガン、シリカ、アルミニウムからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。 - インクを吐出するためのインク吐出ノズルと、
前記インク吐出ノズルに連通するとともに一面側に開口する開口部を備えた圧力室が複数設けられたインク流路形成体と、
前記インク吐出ノズルの一面側に前記開口部を閉じるように設けられるものであって、前記インク流路形成体の前記一面側に複数の前記開口部に跨って設けられた基板と、前記基板上において複数の前記開口部に対応する複数の開口領域に跨って積層された圧電層と、前記圧電層上において前記複数の開口領域に個別に設けられた個別電極とを備えた圧電アクチュエータと、
を備えるインクジェットヘッドを製造する方法であって、
前記開口領域に、前記圧電層中に拡散して前記圧電層の圧電特性を向上させる元素を存在させた拡散材料領域を形成する拡散材料領域形成工程と、
前記基板上に圧電材料の粒子を含むエアロゾルを噴き付けて前記圧電層を形成する圧電層形成工程と、
前記圧電層を加熱して前記拡散材料領域に存在する前記元素を前記圧電層に拡散させる拡散工程と、
を含み、
前記圧電材料がチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、マグネシウムニオブ酸鉛(PMN)、ニッケルニオブ酸鉛(PNN)、亜鉛ニオブ酸鉛からなる群より選ばれる少なくとも1種であり、前記圧電特性を向上させる元素がカルシウム、ストロンチウム、マグネシウム、バリウム、カドミウム、ランタン、ネオジム、ニオブ、アンチモン、ビスマス、トリウム、タングステンからなる群より選ばれる少なくとも1種であることを特徴とするインクジェットヘッドの製造方法。
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