JP5196087B2 - 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
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Description
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、電極膜13および(Na,Bi)TiO3−BaTiO3膜15を、この順に具備する。積層されたこれらの膜13および15は互いに接する。当該(Na,Bi)TiO3−BaTiO3膜15は、圧電体層である。当該(Na,Bi)TiO3−BaTiO3膜15は、(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3(0.03≦x≦0.15)の組成を有し、かつ斜方晶構造を有する。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。
(1)白金(Pt)薄膜、パラジウム(Pd)薄膜、イリジウム(Ir)薄膜、金(Au)薄膜のような金属薄膜、および
(2)酸化ニッケル(NiO)薄膜、酸化ルテニウム(RuO2)薄膜、酸化イリジウム(IrO2)薄膜、ルテニウム酸ストロンチウム(SrRuO3)薄膜、およびニッケル酸ランタン(LaNiO3)薄膜のような酸化物導電体薄膜。
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。
(2)振動層111の変位に応じて圧力室102の容積が変化し、かつ、
(3)圧力室102の容積の変化に応じて圧力室102内のインクが吐出し得る限り、振動層111の構成、圧電体薄膜104と振動層111との間の接合の状態、ならびに振動層111と圧力室部材Aとの間の接合の状態は、限定されない。図4Aおよび図4Bでは、振動層111は圧力室102の壁面を構成している。
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得る工程、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の電極を介して電力が得られる。
以下、実施例を用いて、本発明をより詳細に説明する。本発明は、以下の実施例に限定されない。
実施例1では、図1Cに示される圧電体薄膜を作製した。当該圧電体薄膜は、MgO基板11、Pt電極膜13、(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3(x=0.03)膜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。
x=0.15である他は、実施例1と同様に実験を行った。
x=0.09である他は、実施例1と同様に実験を行った。
0.2mol%のMnを加えたこと以外は、実施例3と同様に実験を行った。
x=0.00である他は、実施例1と同様に実験を行った。
x=0.21である他は、実施例1と同様に実験を行った。
12 金属電極膜
13 電極膜
15 (1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜
16a,16c 積層構造
17 導電膜
101 貫通孔
102 圧力室
102a 区画壁
102b 区画壁
103 個別電極層
104 圧電体薄膜
105 共通液室
106 供給口
107 インク流路
108 ノズル孔
111 振動層
112 共通電極層
113 中間層
114 接着剤
120 下地基板
130 基板
200 基板
200a 固定部
200b 振動部
202 第1の電極
205 第2の電極
206 駆動電極
206a 接続端子
207 検出電極
207a 接続端子
208 圧電体薄膜
300 基板
300a 固定部
300b 振動部
302 第1の電極
305 第2の電極
306 錘荷重
308 圧電体薄膜
Claims (14)
- 積層構造を具備する圧電体薄膜であって、
前記積層構造は、電極膜と、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)とを、具備する、圧電体薄膜。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項1に記載の圧電体薄膜。
- インクジェットヘッドであって、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)である、
インクジェットヘッド。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項3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と、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)であり、
前記第1の電極および第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る工程と、
を包含する、方法。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項5に記載の方法。
- 角速度センサであって、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)であり、
前記第1の電極および第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(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項7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と、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)であり、
前記第1および第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および第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、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得る工程と、
を包含する、方法。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項9に記載の方法。
- 圧電発電素子であって、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜(xは0.03以上0.15以下の値を表す)である、
圧電発電素子。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項11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と、
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、
前記圧電体層は、(110)配向のみを有し、かつ斜方晶構造のみを有する(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3圧電体薄膜(15)(xは0.03以上0.15以下の値を表す)であり、
前記振動部に振動を与えることにより、前記第1および第2の電極を介して電力を得る工程と、
を包含する、方法。 - 前記(1−x)(Na,Bi)TiO3−xBaTiO3膜がマンガンを含有する、請求項13に記載の方法。
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