JP5300184B2 - 圧電体、圧電体素子、圧電体素子を用いた液体吐出ヘッド及び液体吐出装置 - Google Patents
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Description
・Applications of Ferroelectrics, 2002. ISAF 2002. Proceedings of the 13th IEEE International Symposium P133-136
しかしながら、現在のところ、上記のような圧電性の高い材料であっても、それを用いて薄膜成膜法で圧電膜を形成した場合、本来期待されるほど高い圧電性の実現には至っていない。
ABO3で構成され、Aの主成分がPbで、Bの主成分がNb、Mg,Zn,Sc,Cd,Ni,Mn,Co,Yb,In,Feの内の少なくとも2種類の元素と、Tiと、であるペロブスカイト型構造の酸化物からなる圧電体であって、
菱面体晶及び単斜晶の内いずれかと、正方晶と、を有する結晶相を含み、
正方晶のa−ドメインおよびc−ドメインを少なくとも有する1軸配向又は単結晶であり、
前記a−ドメインおよびc−ドメインの少なくとも一部が(N0N)面(Nは整数)を双晶面とする双晶の鏡像関係にあり、
1μm以上10μm以下の範囲にある厚さを有する膜として形成されている
ことを特徴とする。
基板上に、第1の電極膜、圧電膜及び第2の電極膜を有する圧電体素子であって、
前記圧電膜は上記構成の圧電体からなり、前記第1の電極膜及び前記第2の電極膜により前記圧電膜の膜厚方向に電界を印加可能であることを特徴とする。
吐出口と、該吐出口から液体を吐出するための圧電体素子と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧電体素子が上記構成の圧電体素子であることを特徴とする。
(圧電体薄膜素子)
圧電体膜を薄膜とした本発明の圧電体薄膜素子10は少なくとも第1の電極膜、圧電膜、第2の電極膜を含む圧電体薄膜素子であって、詳細を図7で説明する。図7は、圧電体薄膜素子の断面図である。図中で、6は第1の電極、7は圧電膜、8は第2の電極である。圧電体薄膜素子10の断面形状は矩形で表示されているが、台形や逆台形でもよい。図示した圧電体薄膜素子10は基板5上に形成されており、第1の電極膜6が下部電極、第2の電極膜8が上部電極となっている。電極の上下関係はこれに限定されず、第1の電極膜6が上部電極となる構成をとることもできる。この理由はデバイス化の際の製造方法によるものであり、どちらでも本発明の効果を得る事が出来る。また基板5と下部電極膜16の間にバッファー層9があっても良い。
本発明の圧電膜7は、一般式ABO3で構成され、Aの主成分がPbで、Bの主成分がNb、Mg,Zn,Sc,Cd,Ni,Mn,Co,Yb,In,Feの内の少なくとも2種類の元素とTiとを含むペロブスカイト型構造の酸化物材料からなる。好ましい具体例としては、以下の各酸化物材料を挙げることができる。
(1)(Pbk、αl)x(Mgm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.1<m<0.3、0.3<n<0.5、0.2<o<0.4、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素を含み、βがSc、In、Yb、Ni、Ta、Co、W、Fe、およびSnから選択されるいずれか1種の元素を含む。)で表されるマグネシウム酸ニオブ酸チタン酸を主成分とする酸化物材料。
(2)(Pbk、αl)x(Scm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.1<m<0.4、0.1<n<0.4、0.3<o<0.5、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素を含み、βがTa、In、Yb、Mg、Ni、Co、W、Fe、およびSnから選択されるいずれか1種の元素を含む。)で表されるスカンジウム酸ニオブ酸チタン酸を主成分とする酸化物材料。
(3)(Pbk、αl)x(Znm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.2<m<0.4、0.5<n<0.7、0.05<o<0.2、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素を含み、βがSc、In、Yb、Ni、Ta、Co、W、Fe、Sn、およびMgから選択されるいずれか1種の元素を含み。)で表される亜鉛酸ニオブ酸チタン酸を主成分とする酸化物材料。
(1)例えば{110}非対称面の極点測定をした際に、中心から約45°の傾きを表す同じ半径位置に8回対称や12回対称のパターンが得られる結晶。
(2)例えば{110}非対称面の極点測定をした際に、パターンがスポットではなく楕円である結晶。
同様に本発明では、例えば単斜晶と正方晶、単斜晶と菱面体晶、正方晶と菱面体晶、そのすべてなどの複数結晶相が混在(混相)する場合や、双晶や等に起因する結晶が混在する場合や、転位や欠陥等がある場合も、広義に単結晶および1軸配向結晶とみなす。
Qy(004)>Qy(204)、もしくはQy(004)<Qy(204)。
すなわち、(004)逆格子点のy軸方向の大きさ Qy(004)と、(204)逆格子点のx軸方向の大きさ Qx(204)との関係が Qy(004)<2Qx(204)となるような逆格子点が得られる。この際、Qy(004)>Qy(204)、かつ、 Qy(004)<Qy(204)となるような2つの(204)逆格子点が現れても構わない。この2つの逆格子は双晶の関係にあると思われる。
Qy(004)>Qy(204)、もしくはQy(004)<Qy(204)。
すなわち、(004)逆格子点のy軸方向の大きさQy(004)と、(204)のx軸方向の大きさQx(204)との関係が Qy(004)≒2Qx(204)となるような逆格子点が得られる。この際、Qy(004)>Qy(204)、かつ、Qy(004)<Qy(204)となるような2つの(204)逆格子点が現れても構わない。この2つの逆格子は双晶の関係にあると思われる。
本発明における圧電膜の形成方法は特に限定されないが、10μm以下の薄膜では通常、ゾルゲル法、水熱合成法、ガスデポジション法、電気泳動法等の薄膜形成法を用いることができる。さらにはスパッタリング法、化学気相成長法(CVD法)、有機金属気相成長法(MOCVD法)、イオンビームデポジション法、分子線エピタキシー法、レーザーアブレーション法等の薄膜形成法も用いることができる。これらの薄膜形成法では、基板や下部電極からのエピタキシャル成長を用いた圧電膜の形成が可能となる。
本発明の圧電膜素子の第1の電極(電極膜)又は第2の電極(電極膜)は、前述の圧電膜と良好な密着性を有し、かつ導電性の高い材料が好ましい。すなわち、上部電極膜又は下部電極膜の比抵抗を10-7〜10-2Ω・cmとすることのできる材料からなることが好ましい。このような材料は一般的に金属であることが多いが、例えば、Au、Ag、CuやRu、Rh、Pd、Os、Ir、PtなどのPt族の金属を電極材料として用いることが好ましい。また上記材料を含む銀ペーストやはんだなどの合金材料も高い導電性を有し、好ましく用いることができる。また、例えばIrO(酸化イリジウム)、SRO(ルテニウム酸ストロンチウム)、ITO(導電性酸化スズ)、BPO(鉛酸バリウム)などの導電性酸化物材料も電極材料として好ましい。また、電極膜は1層構成でもよく、多層構成でもよい。例えば基板との密着性を上げる為Pt/Tiのような構成としても良いし、基板やバッファー層からエピタキシャル成長をするために、SRO/LNO(ニッケル酸ランタン)のような構成としても良い。
次に、本発明の液体吐出ヘッドについて説明する。
次に本発明の液体吐出ヘッドの製造方法について説明する。本発明の液体吐出ヘッドの製造方法は、少なくとも、次の工程を有する。
(1)吐出口を形成する工程。
(2)吐出口と個別液室を連通する連通孔を形成する工程。
(3)個別液室を形成する工程。
(4)個別液室に連通する共通液室を形成する工程。
(5)個別液室に振動を付与する振動板を形成する工程。
(6)個別液室の外部に設けられた振動板に振動を付与するための本発明の圧電体薄膜素子を製造する工程。
本発明の圧電膜素子の圧電特性の評価はユニモルフ型カンチレバー方式を用いたd31測定法によりおこなった。測定方法・構成概略を図18、図19及び図20に示す。基板5上に下部電極膜16、圧電膜7、上部電極膜18の順で構成された圧電膜素子10は、クランプ冶具502により片側が固定されたユニモルフ型カンチレバーの構成となっている。クランプ冶具502の上側部分502-aは、導電性材料で構成されており、圧電膜7の下部電極膜16と電気的に接触されており、交流電源503の出力端子の一方(不図示)に電気ケーブル504-aに繋がっている。交流電源503の出力端子のもう一方(不図示)は電気ケーブル504-bを通じ上部電極膜18に繋がっており、圧電膜7に交流電圧を印加できる構成となっている。
式1中には、下部電極膜、上部電極膜、その他バッファ層などの物性値項が入っていないが、基板厚さhsがそれらの厚さに対して、充分薄い時それらの層の物性値・膜厚は無視でき、式1は実用上充分な近似式となっている。
実施例1の圧電体薄膜素子の製作手順は以下の通りである。
実施例2の圧電体薄膜素子の製作手順は以下の通りである。
Si{100}基板表面をフッ酸処理した後、バッファー層としてYがドープされたZrO2膜をスパッタリング法で基板温度800℃で100nm成膜し、続いてCeO2膜を基板温度800℃で60nm成膜した。どちらも<100>配向の単結晶膜であった。更にこの上に下部電極膜としてスパッタリング法によりLaNiO3(LNO)膜を100nm厚で基板温度850℃で成膜した。さらにこのLNO膜上にSrRuO3(SRO)膜を基板温度600℃で200nm成膜し下部電極膜等を有する基板を得た。電極膜もSRO膜も<100>配向の単結晶膜であった。
Pb(thd)2:ビス(ヘキサメチルアセチルアセトネート)鉛。
Zn (C5H7H2)2:ビス(アセチルアセトネート)亜鉛。
NbC3H7(C2H5)4:プロピルテトラエチルニオブ。
Ti(C3H7O)4:テトライソプロポキシチタン。
比較例1の圧電体薄膜素子の製作手順は以下の通りである。
比較例1の圧電体薄膜素子の製作手順は以下の通りである。
次に実施例1と比較例1の液体吐出ヘッドを以下の手順で作製した。
6 第1の電極膜
7 圧電膜
8 第2の電極膜
9 バッファー層
10 圧電体薄膜素子
11 吐出口
12 連通孔
13 個別液室
14 共通液室
15 振動板
17 吐出口がある基板表面
19 バッファー層
Claims (10)
- ABO3で構成され、Aの主成分がPbで、Bの主成分がNb、Mg,Zn,Sc,Cd,Ni,Mn,Co,Yb,In,Feの内の少なくとも2種類の元素と、Tiと、であるペロブスカイト型構造の酸化物からなる圧電体であって、
菱面体晶及び単斜晶の内いずれかと、正方晶と、を有する結晶相を含み、
正方晶のa−ドメインおよびc−ドメインを少なくとも有する1軸配向又は単結晶であり、
前記a−ドメインおよびc−ドメインの少なくとも一部が(N0N)面(Nは整数)を双晶面とする双晶の鏡像関係にあり、
1μm以上10μm以下の範囲にある厚さを有する膜として形成されている
ことを特徴とする圧電体。 - 前記酸化物が、
(Pbk、αl)x(Mgm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.1<m<0.3、0.3<n<0.5、0.2<o<0.4、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素であり、βがSc、In、Yb、Ni、Ta、Co、W、Fe、およびSnから選択されるいずれか1種の元素である。)で表される請求項1に記載の圧電体。 - 前記酸化物が、
(Pbk、αl)x(Scm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.1<m<0.4、0.1<n<0.4、0.3<o<0.5、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素であり、βがTa、In、Yb、Mg、Ni、Co、W、Fe、およびSnから選択されるいずれか1種の元素である。)で表される請求項1に記載の圧電体。 - 前記酸化物が、
(Pbk、αl)x(Znm、Nbn、Tio、βp)yO3
(式中、1≦x/y<1.5、k+l=1、0.7≦k≦1、0≦l≦0.3、m+n+o+p=1、0.2<m<0.4、0.5<n<0.7、0.05<o<0.2、0≦p<0.3を満たし、且つαがLa、Ca、Ba、Sr、Bi、およびSbから選択されるいずれかの1種の元素であり、βがSc、In、Yb、Ni、Ta、Co、W、Fe、Sn、およびMgから選択されるいずれか1種の元素である。)で表される請求項1に記載の圧電体。 - 基板上に、第1の電極膜、圧電膜及び第2の電極膜を有する圧電体素子であって、
前記圧電膜は請求項1乃至4のいずれか1項に記載の圧電体からなり、前記第1の電極膜及び前記第2の電極膜により前記圧電膜の膜厚方向に電界を印加可能であることを特徴とする圧電体素子。 - 前記圧電膜が<100>配向である請求項5に記載の圧電体素子。
- 前記第1の電極膜が少なくとも<100>配向したペロブスカイト型構造の酸化物を含む請求項5または6に記載の圧電体素子。
- 前記基板として、表面が(100)面であるSiからなる部分を有し、前記Siからなる部分上にバッファー層を有する基板を用いる請求項5乃至7のいずれか1項に記載の圧電体素子。
- 吐出口と、該吐出口から液体を吐出するための圧電体素子と、を備える液体吐出ヘッドにおいて、
前記圧電体素子が請求項5乃至8のいずれか1項に記載の圧電体素子であることを特徴とする液体吐出ヘッド。 - 請求項9記載の液体吐出ヘッドを有することを特徴とする液体吐出装置。
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