JP5459449B1 - 圧電体膜とその製造方法、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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Abstract
本発明の目的は、高い結晶配向性および高い強誘電特性を有するNBT−BT非鉛圧電体膜を提供することである。本発明の圧電体膜は、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層を具備する。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
Description
本発明は、圧電体層を備える圧電体膜とその製造方法に関する。さらに、本発明は、当該圧電体膜を備えるインクジェットヘッドと当該ヘッドを用いて画像を形成する方法、当該圧電体膜を備える角速度センサと当該センサを用いて角速度を測定する方法ならびに当該圧電体膜を備える圧電発電素子と当該素子を用いた発電方法に関する。
ペロブスカイト複合酸化物[(Bi,Na)1−βBaβ]TiO3(以下、「NBT−BT」という)は、非鉛(lead−free)強誘電材料として、現在、研究開発されている。
特許文献1および非特許文献1は、NBT−BT層が、3〜15%のバリウムモル比β(=[Ba/(Bi+Na+Ba)])を有する結晶相境界(Morphotropic Phase Boundary、MPB)近傍組成を有する場合に、NBT−BT層が高い圧電性能を有することを開示している。
特許文献2および非特許文献2は、ペロブスカイト複合酸化物NBT−BTがペロブスカイト酸化物BiFeO3に組み合わせた(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiFeO3を開示している。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiFeO3の圧電性能は、180℃のはんだリフロー温度でも維持される。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiFeO3もまた、PZTに代えて用いられ得る非鉛強誘電材料として期待されている。しかし、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiFeO3は、PZTよりも低い圧電性能を有する。
(Bi,Na,Ba)TiO3もしくはBiFeO3を含有する強誘電材料は、高い誘電損失を有する。誘電損失が高い場合、強誘電性能および圧電性能は著しく低くなる。
T. Takenaka et al., Japanese Journal of Applied Physics, Vol. 30, No. 9B, (1991), pp. 2236−2239
E. V. Ramana et al., Solid State Sciences, Vol. 12, (2010), pp. 956−962
Journal of the American Ceramic Society 93 [4] (2010) 1108-1113
本発明の目的は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、および高い圧電定数を有する非鉛圧電体膜を提供することである。
本発明の他の目的は、上記非鉛圧電体膜を備えるインクジェットヘッド、角速度センサおよび圧電発電素子を提供することである。本発明のさらに他の目的は、上記インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、上記角速度センサを用いて角速度を測定する方法および上記圧電発電素子を用いた発電方法を提供することである。
A1.本発明は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層、および(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層を具備する、圧電体膜である。
ここで、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
A2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、A1に記載の圧電体膜。
A3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、A1に記載の圧電体膜。
A4.インクジェットヘッドであって、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、圧電体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、振動層における圧電体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、を備える。
A2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、A1に記載の圧電体膜。
A3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、A1に記載の圧電体膜。
A4.インクジェットヘッドであって、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、圧電体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、振動層における圧電体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、を備える。
振動層は、圧電効果に基づく圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、圧電体膜に接合され、振動層と圧力室部材とは、振動層の変位に応じて圧力室の容積が変化するとともに、圧力室の容積の変化に応じて圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
A5.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、A4に記載のインクジェットヘッド。
A6.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、A4に記載のインクジェットヘッド。
B1.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、以下の工程(a)、(b)を具備する:
以下を具備するインクジェットヘッドを準備する工程(a):
第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、圧電体膜に接合された振動層、インクを収容する圧力室を有するとともに、振動層における圧電体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。ここで、振動層は、圧電効果に基づく圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、圧電体膜に接合され、振動層と圧力室部材とは、振動層の変位に応じて圧力室の容積が変化するとともに、圧力室の容積の変化に応じて圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。
A5.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、A4に記載のインクジェットヘッド。
A6.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、A4に記載のインクジェットヘッド。
B1.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、以下の工程(a)、(b)を具備する:
以下を具備するインクジェットヘッドを準備する工程(a):
第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、圧電体膜に接合された振動層、インクを収容する圧力室を有するとともに、振動層における圧電体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。ここで、振動層は、圧電効果に基づく圧電体膜の変位に応じて当該振動層の膜厚方向に変位するように、圧電体膜に接合され、振動層と圧力室部材とは、振動層の変位に応じて圧力室の容積が変化するとともに、圧力室の容積の変化に応じて圧力室内のインクが吐出されるように、互いに接合されている。
第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
第1電極および第2電極を介して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、圧力室の容積が変化するように振動層を当該層の膜厚方向に変位させ、当該変位により圧力室からインクを吐出させる工程(b)。
B2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、B1に記載の方法。
B3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、B1に記載の方法。
C1.角速度センサであって、振動部を有する基板と、振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜とを備える。
B2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、B1に記載の方法。
B3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、B1に記載の方法。
C1.角速度センサであって、振動部を有する基板と、振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜とを備える。
第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。第1電極および第2電極から選ばれる一方の電極が、振動部を発振させる駆動電圧を圧電体層に印加する駆動電極と、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位を測定するためのセンス電極とを含む電極群とにより、構成されている、角速度センサ。
C2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、C1に記載の角速度センサ。
C3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、C1に記載の角速度センサ。
D1.角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、以下の工程(a)、(b)、(c)を具備する:
以下を具備する角速度センサを準備する工程(a):
角速度センサは、振動部を有する基板、および振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜を具備する。
C2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、C1に記載の角速度センサ。
C3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、C1に記載の角速度センサ。
D1.角速度センサを用いて角速度を測定する方法であって、以下の工程(a)、(b)、(c)を具備する:
以下を具備する角速度センサを準備する工程(a):
角速度センサは、振動部を有する基板、および振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜を具備する。
第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、 Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
第1電極および第2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いる。
駆動電圧を、第1電極および第2電極から選ばれる他方の電極と駆動電極とを介して圧電体層に印加することにより、振動部を発振させる工程(b)。
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位を、他方の電極とセンス電極とを介して測定することで加わった角速度の値を得る工程(c)。
D2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、D1に記載の方法。
D3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、D1に記載の方法。
E1.振動部を有する基板、振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜を具備する圧電発電素子。
D2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、D1に記載の方法。
D3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、D1に記載の方法。
E1.振動部を有する基板、振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜を具備する圧電発電素子。
第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
E2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、E1に記載の圧電発電素子。
E3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、E1に記載の圧電発電素子。
F1.圧電発電素子を用いて電気を発生する方法であって、以下の工程(a)、(b)を具備する:
以下を具備する圧電発電素子を用意する工程(a)。
E2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、E1に記載の圧電発電素子。
E3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、E1に記載の圧電発電素子。
F1.圧電発電素子を用いて電気を発生する方法であって、以下の工程(a)、(b)を具備する:
以下を具備する圧電発電素子を用意する工程(a)。
振動部を有する基板、および振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜。ここで、第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層上に形成されており、Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。
振動部に振動を与えることにより、第1電極および第2電極を介して電力を得る工程(b)。
F2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、F1に記載の方法。
F3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、F1に記載の方法。
F2.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、NaxM1−x層に接している、F1に記載の方法。
F3.(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、F1に記載の方法。
本発明は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、高い圧電定数を有する非鉛圧電体膜を提供する。
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備するインクジェットヘッドおよびそれを用いて画像を形成する方法を提供する。
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備する角速度センサおよびそれを用いて角速度を測定する方法を提供する。
本発明は、上記非鉛圧電体膜を具備する圧電発電素子およびそれを用いて発電する方法を提供する。
本発明の実施形態が、図面を参照しながら、以下、説明される。以下の説明では、同一の部材に同一の符号が与えられる。これにより、重複する説明が省略され得る。
[用語の定義]
本明細書において用いられる用語が、以下のように定義される。
本明細書において用いられる用語が、以下のように定義される。
用語「温度Td」とは、圧電体層中に含まれる分極が圧電体層を加熱することによって完全に消失する時の温度を意味する。すなわち、圧電体層は、温度Tdよりも高い温度において、分極を完全に失う。分極を有さない圧電体層は、圧電体層として機能しない。はんだリフローの観点から、温度Tdは180℃以上であることが望ましい。
[圧電体膜]
図1Aは、実施形態による圧電体膜を示す。図1Aに示される圧電体膜1aは、積層構造16aを有する。この積層構造16aは、(001)配向のみを有するNaxM1−x層13、および(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15を有する。文字「M」は、Pt、Ir、またはPtIrを表す。文字「Q」は、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表す。NaxM1−x層13は、第1電極層として機能する。積層構造16aは、さらに第2電極層17を具備する。((1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、第1電極層13および第2電極層17の間に挟まれる。第1電極層13および第2電極層17は、((1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15に電圧を印加するために用いられる。
図1Aは、実施形態による圧電体膜を示す。図1Aに示される圧電体膜1aは、積層構造16aを有する。この積層構造16aは、(001)配向のみを有するNaxM1−x層13、および(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15を有する。文字「M」は、Pt、Ir、またはPtIrを表す。文字「Q」は、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表す。NaxM1−x層13は、第1電極層として機能する。積層構造16aは、さらに第2電極層17を具備する。((1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、第1電極層13および第2電極層17の間に挟まれる。第1電極層13および第2電極層17は、((1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15に電圧を印加するために用いられる。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、(001)配向のみを有する。言い換えれば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、(001)面以外の配向を有さない。例えば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、(110)配向を有さない。後述される比較例A1、A2、B1、B2、C1、C2、D1、およびD2も参照せよ。
同様に、NaxM1−x層13も、(001)配向のみを有する。
文字xは、0.002以上0.02以下の値を表す。xの値が0.002未満である場合には、結晶配向性、分極消失温度、および圧電定数が低く、誘電損失が高い。後述される比較例A1、B1、C1、およびD1D2を参照せよ。
xの値が0.02を超えると、結晶配向性、分極消失温度、および圧電定数が低く、誘電損失が高い。後述される比較例A2、B2、C2、およびD2を参照せよ。
αの値は、0.20以上0.50以下である。αの値が0.20未満である場合、分極消失温度が低い。後述される比較例A3、B3、C3、およびD3を参照せよ。
αの値が0.50を超えるである場合、結晶配向性、分極消失温度、および圧電定数が低く、誘電損失が高い。後述される比較例A4、B4、C4、およびD4を参照せよ。
積層されたこれらの層は互いに接することが望ましい。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、圧電体層として機能する。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、小さいリーク電流、高い結晶性、および高い(001)配向性を有する。このため、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、鉛を含有しないにも拘わらず、高い分極消失温度、低い誘電損失、および高い圧電性能を有する。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、PZT層と同じ圧電性能を有する。
NaxM1−x層13は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。NaxM1−x層13は、パルスレーザー堆積法(PLD法)、化学気相成長法(CVD法)、ゾルゲル法、またはエアロゾル堆積法(AD法)のような薄膜形成法によっても形成され得る。
NaxM1−x層13の厚みは限定されない。一例として、NaxM1−x層13は、約2ナノメートル以上の厚みを有する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の厚みも限定されない。厚みは、例えば、0.5マイクロメートル以上10マイクロメートル以下である。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、化学式ABO3により表されるペロブスカイトの結晶構造を有する。サイトAはBi、NaおよびBaである。サイトBはTiおよびQである。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、サイトAにおけるNaを置換するLiおよびKならびにBaを置換するSrおよびCaであり得る。当該不純物は、典型的には、サイトBにおけるTiを置換するZrであり得る。その他の不純物は、例えば、Mn、Co、Al、Ga、NbおよびTaであり得る。いくつかの不純物は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の結晶性および圧電性能を向上し得る。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、典型的にはスパッタリング法により形成され得る。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、例えば、PLD法、CVD法、ゾルゲル法、AD法のような他の薄膜形成手法によっても形成され得る。
第2電極層17の材料の例は、低い電気抵抗を有する金属である。第2電極層17の材料の他の例は、NiO、RuO2、IrO3、SrRuO3、またはLaNiO3のような酸化物導電体である。第2電極層17は、2種以上のこれらの材料により構成され得る。
第2電極層17および(Bi,Na)TiO3−BaTiO3層15の間に金属層が配置され、両者の密着性を向上させ得る。金属層の材料の例は、チタン、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、またはクロムである。2種類以上の金属が用いられ得る。
図1Bは、図1Aに示される圧電体膜の変形例を示す。図1Bに示されるように、積層構造16bは基板11をさらに備える。NaxM1−x層13は基板11の上に形成される。
基板11の例が、以下、記述される:
シリコン基板;
MgO基板のようなNaCl型構造を有する酸化物基板;
SrTiO3基板、LaAlO3基板、またはNdGaO3基板のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板;
Al2O3基板のようなコランダム型構造を有する酸化物基板;
MgAl2O4基板のようなスピネル型構造を有する酸化物基板;
TiO2基板のようなルチル型構造を有する酸化物基板;または、
(La,Sr)(Al,Ta)O3またはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板。
シリコン基板;
MgO基板のようなNaCl型構造を有する酸化物基板;
SrTiO3基板、LaAlO3基板、またはNdGaO3基板のようなペロブスカイト型構造を有する酸化物基板;
Al2O3基板のようなコランダム型構造を有する酸化物基板;
MgAl2O4基板のようなスピネル型構造を有する酸化物基板;
TiO2基板のようなルチル型構造を有する酸化物基板;または、
(La,Sr)(Al,Ta)O3またはイットリア安定化ジルコニア(YSZ)のような立方晶系の結晶構造を有する酸化物基板。
望ましくは、シリコン単結晶基板またはMgO単結晶基板が用いられ得る。
基板11の表面には、エピタキシャル成長法により界面層が形成され得る。界面層の材料の例は、イットリア安定化ジルコニア(YSZ)である。
界面層の材料の他の例が、以下、記述される:
CeO2のようなホタル石型構造を有する材料;
MgO、BaO、SrO、TiN、またはZrNのようなNaCl型構造を有する材料;
SrTiO3、LaAlO3、(La,Sr)MnO3、または(La,Sr)CoO3のようなペロブスカイト型構造を有する材料;または
γ−Al2O3またはMgAl2O4のようなスピネル型構造を有する材料
2種類以上のこれらの材料が用いられる。一例として、基板11は、CeO2/YSZ/Siの積層体であり得る。
CeO2のようなホタル石型構造を有する材料;
MgO、BaO、SrO、TiN、またはZrNのようなNaCl型構造を有する材料;
SrTiO3、LaAlO3、(La,Sr)MnO3、または(La,Sr)CoO3のようなペロブスカイト型構造を有する材料;または
γ−Al2O3またはMgAl2O4のようなスピネル型構造を有する材料
2種類以上のこれらの材料が用いられる。一例として、基板11は、CeO2/YSZ/Siの積層体であり得る。
基板11およびNaxM1−x層13の間に、金属層が配置され、これらの間の密着性を向上させ得る。金属層の材料の例は、Ti、Ta、Fe、Co、Ni、またはCrである。Tiが望ましい。
(実施例)
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。
以下の実施例は、本発明をより詳細に説明する。
以下の実施例は、実施例A、実施例B、実施例C、および実施例Dから構成される。
実施例Aでは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQは、Feである。実施例Aは、実施例A1〜実施例A10および比較例A1〜比較例A4から構成される。
実施例Bでは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQは、Coである。実施例Bは、実施例B1〜実施例B10および比較例B1〜比較例B4から構成される。
実施例Cでは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQは、Zn0.5Ti0.5である。実施例Cは、実施例C1〜実施例C10および比較例C1〜比較例C4から構成される。
実施例Dでは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQは、Mg0.5Ti0.5である。実施例Dは、実施例D1〜実施例D10および比較例D1〜比較例D4から構成される。
(実施例A1)
図1Bに示される圧電体膜が、以下のように作製された。
図1Bに示される圧電体膜が、以下のように作製された。
まず、MgO(100)単結晶基板11上に、スパッタリング法により(001)配向のみを有するNaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13が形成された。NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13は、250ナノメートルの厚みを有していた。スパッタリング法の条件は以下の通りであった。
ターゲット:上記と同じ組成
ガス雰囲気:アルゴン
RFパワー:15W
基板温度:摂氏300度
形成されたNaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13はX線回折分析(XRD)に供された。その結果、NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13は、(001)配向のみを有することが観察された。
ガス雰囲気:アルゴン
RFパワー:15W
基板温度:摂氏300度
形成されたNaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13はX線回折分析(XRD)に供された。その結果、NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13は、(001)配向のみを有することが観察された。
NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13の組成が、エネルギー分散型X線分光法(SEM−EDX)により分析された。NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13に含有されるNaおよびPtの組成は、ターゲットの組成と同一であることが確認された。
NaxM1−x(x=0.01、M=Pt)層13上に、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15が、RFマグネトロンスパッタリングにより形成された。実施例A1では、QはFeであった。実施例A1では、αは0.2であった。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、2.7マイクロメートルの厚みを有していた。この(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、MPB近傍組成を有していた。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のスパッタリング法の条件が、以下、記述される。
ターゲット:上記の組成
雰囲気:アルゴンおよび酸素の混合ガス(Ar/O2の流量比:50/50)
RF出力:170W
基板温度:650℃
形成された(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の結晶構造が、X線回折によって解析された。X線回折は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の上からX線を入射することにより行なわれた。図2は、その結果を示す。以降の比較例Aにおいても、このX線回折法が適用された。
雰囲気:アルゴンおよび酸素の混合ガス(Ar/O2の流量比:50/50)
RF出力:170W
基板温度:650℃
形成された(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の結晶構造が、X線回折によって解析された。X線回折は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の上からX線を入射することにより行なわれた。図2は、その結果を示す。以降の比較例Aにおいても、このX線回折法が適用された。
図2、図3、および図4は、X線回折プロファイルの結果を示す。MgO(100)単結晶基板11およびNaxM1−x層13に由来する反射ピークを除き、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15に由来する反射ピークのみが観察された。(001)反射ピークの強度は、119,154cpsという非常に高い値であった。図2に示されるプロファイルは、実施例A1による(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15が極めて高い(001)配向性を有することを意味する。
次に、金層(厚み:100ナノメートル)が、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の表面に、蒸着により形成された。金層は、導電層17として機能する。このようにして、実施例A1による圧電体膜が作製された。
白金層および金層を用いて、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の強誘電特性および圧電性能が評価された。図5は、実施例A1による(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のP−Eヒステリシス曲線を示す。
図5に示されるように、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15へ印加する電圧が増加すると、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15が良好な強誘電特性を現すことが確認された。インピーダンスアナライザを用いて1kHzにおける誘電損失(以下、「tanδ」という)が測定された。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のtanδは2.8%であった。これは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のリーク電流が小さいことを意味する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の分極消失温度(以下、「温度Td」という)は、以下のように測定された。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15が恒温槽に入れられた。温度が上昇されながら、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のP−Eヒステリシス曲線が測定された。
温度Tdは、非特許文献3に従って測定された。
実施例A1による(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の温度Tdは、188℃という高い値であった。このことは、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の圧電特性が、はんだリフロー温度(180℃)下でも維持されることを意味する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の圧電性能は、以下のように評価された。(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は幅2mmに切り出して、カンチレバー状に加工された。次に、白金層および金層の間に電位差が印加され、これら2層の間に生じる電界によりカンチレバーを変位させた。得られた変位量がレーザー変位計により測定された。
これらの結果は、表1および表2に示される。
(実施例A2)
x=0.002であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行なわれた。結果は、表1および表2に示される。
x=0.002であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行なわれた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A3)
x=0.02であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
x=0.02であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A4)
α=0.3であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
α=0.3であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A5)
α=0.4であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
α=0.4であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A6)
α=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
α=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A7)
x=0.002かつα=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
x=0.002かつα=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A8)
x=0.02かつα=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
x=0.02かつα=0.5であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は、表1および表2に示される。
(実施例A9)
M=Irであったこと以外は、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は表1および表2に示される。
M=Irであったこと以外は、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は表1および表2に示される。
(実施例A10)
M=Ir0.5Pt0.5であったこと以外は、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は表1および表2に示される。
M=Ir0.5Pt0.5であったこと以外は、実施例A1と同様の実験が行われた。結果は表1および表2に示される。
(比較例A1)
x=0であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
x=0であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
比較例A1においても、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15の強誘電特性および圧電性能の評価を試みた。しかし、圧電体膜におけるリーク電流が非常に大きかったため、P−Eヒステリシス曲線を正確に測定することが困難であった(図5参照)。
比較例A1による(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のtanδは36%であった。比較例A1による比較例A1による(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15は、このような大きなリーク電流を有するため、正確な温度Tdおよび正確な圧電定数d31の値を求めることは困難であった。推定される温度Tdはおおよそ152℃であった。
(比較例A2)
x=0.05である他は、実施例A1と同様に実験を行った。
x=0.05である他は、実施例A1と同様に実験を行った。
比較例A2においても、(001)配向を有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15に由来する反射ピークが観察された。しかし、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15に含まれる他の結晶配向(110)に由来する他の反射ピークも観察された。
(比較例A3)
α=0.1であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
α=0.1であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
(比較例A4)
α=0.6であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
α=0.6であったことを除き、実施例A1と同様の実験が行われた。
表1および表2から明らかなように、以下の項目(a)および(b)の両方が充足されれば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15(Q=Fe)は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、および高い圧電定数を有する。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
実施例A2、実施例A7、および比較例A1から明らかなように、xの値は0.002以上であることが必要とされる。
実施例A3、実施例A8,および比較例A2から明らかなように、xの値は0.02以下であることが必要とされる。
実施例A1、実施例A2、実施例A3、および比較例A3から明らかなように、αの値は0.20以上であることが必要とされる。
実施例A6、実施例A7、実施例A8、および比較例A4から明らかなように、αの値は0.50以下であることが必要とされる。
(実施例B)
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてCoが用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表3および表4は、実施例B1〜実施例B10および比較例B1〜比較例B4から構成される実施例Bの実験結果を示す。図13〜図16は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてCoが用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表3および表4は、実施例B1〜実施例B10および比較例B1〜比較例B4から構成される実施例Bの実験結果を示す。図13〜図16は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
実施例Aと同様、表3および表4から明らかなように、以下の項目(a)および(b)の両方が充足されれば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15(Q=Co)は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、および高い圧電定数を有する。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(実施例C)
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてZn0.5Ti0.5が用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表5および表6は、実施例C1〜実施例C10および比較例C1〜比較例C4から構成される実施例Cの実験結果を示す。図17〜図20は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてZn0.5Ti0.5が用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表5および表6は、実施例C1〜実施例C10および比較例C1〜比較例C4から構成される実施例Cの実験結果を示す。図17〜図20は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
実施例Aと同様、表5および表6から明らかなように、以下の項目(a)および(b)の両方が充足されれば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15(Q=Zn0.5Ti0.5)は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、および高い圧電定数を有する。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(実施例D)
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてMg0.5Ti0.5が用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表7および表8は、実施例D1〜実施例D10および比較例D1〜比較例D4から構成される実施例Dの実験結果を示す。図21〜図24は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15のQとして、Feに代えてMg0.5Ti0.5が用いられたこと以外は、実施例Aと同様の実験が行われた。表7および表8は、実施例D1〜実施例D10および比較例D1〜比較例D4から構成される実施例Dの実験結果を示す。図21〜図24は、それぞれ、図2〜図5に対応する。
実施例Aと同様、表7および表8から明らかなように、以下の項目(a)および(b)の両方が充足されれば、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15(Q=Mg0.5Ti0.5)は、高い結晶配向性、低い誘電損失、高い分極消失温度、および高い圧電定数を有する。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
(a)xの値が0.002以上0.02以下である。
(b)αの値が0.2以上0.5以下である。
以下、上述の圧電体膜を具備する本発明のインクジェットヘッド、角速度センサ、および圧電発電素子を説明する。詳細は、特許文献X1を参照されたい。特許文献X2および特許文献X3は、それぞれ、特許文献X1に対応する米国特許公報および中国公開公報である。
[インクジェットヘッド]
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図6〜図8を参照しながら説明する。
以下、本発明のインクジェットヘッドを、図6〜図8を参照しながら説明する。
図6は、本発明のインクジェットヘッドの一形態を示す。図7は、図6に示されるインクジェットヘッド100における、圧力室部材およびアクチュエータ部を含む要部を示す分解図である。
図6および図7における符号Aは、圧力室部材を指し示す。圧力室部材Aは、その厚み方向(図の上下方向)に貫通する貫通孔101を具備する。図7に示される貫通孔101は、圧力室部材Aの厚み方向に切断された当該貫通孔101の一部である。符号Bは、圧電体膜および振動層を具備するアクチュエータ部を指し示す。符号Cは、共通液室105およびインク流路107を具備するインク流路部材Cを指し示す。圧力室部材A、アクチュエータ部B、およびインク流路部材Cは、圧力室部材Aがアクチュエータ部Bおよびインク流路部材Cに挟まれるように、互いに接合している。圧力室部材A、アクチュエータ部Bおよびインク流路部材Cが互いに接合した状態で、貫通孔101は、共通液室105から供給されたインクを収容する圧力室102を形成する。
アクチュエータ部Bが具備する圧電体膜および振動層は、平面視において圧力室102と重複する。図6および図7における符号103は、圧電体膜の一部である個別電極層を指し示す。図6に示されるように、インクジェットヘッド100は、平面視においてジグザグ状に配置された2以上の個別電極層103を、即ち、圧電体膜を、具備する。
インク流路部材Cは、平面視においてストライプ状に配置された2以上の共通液室105を具備する。図6および図7において、各共通液室105は、平面視において2以上の圧力室102と重複する。共通液室105は、インクジェットヘッド100におけるインク供給方向(図6における矢印方向)に伸びている。インク流路部材Cは、共通液室105内のインクを圧力室102に供給する供給口106と、圧力室102内のインクをノズル孔108から吐出するインク流路107とを具備する。通常、1つの供給孔106および1つのノズル孔108が、1つの圧力室102に対応付けられている。ノズル孔108は、ノズル板Dに形成されている。ノズル板Dは、圧力室部材Aとともにインク流路部材Cを挟むように、インク流路部材Cに接合している。
図6における符号EはICチップを指し示す。ICチップEは、アクチュエータ部Bの表面に露出する個別電極層103に、ボンディングワイヤBWを介して電気的に接続されている。図6を明瞭にするために、一部のボンディングワイヤBWのみが図6に示される。
図7は、圧力室部材Aおよびアクチュエータ部Bを含む要部の構成を示す。図8は、圧力室部材Aおよびアクチュエータ部Bにおける、インク供給方向(図6における矢印方向)に直交する断面を示す。アクチュエータ部Bは、第1電極(個別電極層103)および第2電極(共通電極層112)に挟まれた圧電体層15を有する圧電体膜104(104a−104d)を具備する。1つの個別電極層103は、1つの圧電体膜104a〜104dに対応付けられている。共通電極層112は、圧電体膜104a〜104dに共通する電極である。
図8における破線で囲まれているように、上述した圧電体膜104がインクジェットヘッド内部に配置される。当該圧電体膜は、[圧電体膜]と題された項目で説明された圧電体膜である。
[インクジェットヘッドを用いた画像形成方法]
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。
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。
紙のような画像形成対象物とインクジェットヘッドとの間の相対位置を変化させながら、圧電体層に印加する電圧を変化させてインクジェットヘッドからのインクの吐出タイミングおよび吐出量を制御することによって、対象物の表面に画像が形成される。本明細書において用いられる用語「画像」は、文字を含む。換言すれば、本発明の画像を形成する方法により、紙のような印刷対象物に、文字、絵、図形などが印刷される。当該方法では、高い表現力を有する印刷をなし得る。
[角速度センサ]
図9は、本発明の角速度センサの一例を示す。図10は、図9に示される角速度センサ21aの断面E1を示す。図9に示される角速度センサ21a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。
図9は、本発明の角速度センサの一例を示す。図10は、図9に示される角速度センサ21aの断面E1を示す。図9に示される角速度センサ21a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。
図9に示される角速度センサ21aは、振動部200bを有する基板200と、振動部200bに接合された圧電体膜208とを備える。
基板200は、固定部200aと、固定部200aから所定の方向に伸びた一対のアーム(振動部200b)とを具備する。振動部200bが延びる方向は、角速度センサ21が測定する角速度の回転中心軸Lが延びる方向と同一である。具体的には、当該方向は、図9ではY方向である。基板200の厚み方向(図9におけるZ方向)から見て、基板200は2本のアーム(振動部200b)を有する音叉の形状を有している。
基板200を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Si、ガラス、セラミクス、金属である。基板200は、Si単結晶基板であり得る。基板200の厚みは、角速度センサ21aとしての機能が発現できる限り、限定されない。より具体的には、基板200の厚みは0.1mm以上0.8mm以下である。固定部200aの厚みは、振動部200bの厚みと異なり得る。
圧電体膜208は、振動部200bに接合している。当該圧電体膜208は、[圧電体膜]と題された項目で説明された圧電体膜である。図9および図10に示されるように、当該圧電体膜208は、第1電極13(202)、圧電体層15、および第2電極17(205)を具備する。
第2電極205は、駆動電極206およびセンス電極207を含む電極群を具備する。駆動電極206は、振動部200bを発振させる駆動電圧を圧電体層15に印加する。センス電極207は、振動部200bに加わった角速度によって振動部200bに生じた変形を測定する。振動部200bの発振方向は、通常、その幅方向(図9におけるX方向)である。より具体的には、図9に示される角速度センサでは、一対の駆動電極206が、振動部200bの幅方向に対する両端部に、振動部200bの長さ方向(図9のY方向)に沿って設けられている。1本の駆動電極206が、振動部200bの幅方向に対する一方の端部に設けられ得る。図9に示される角速度センサでは、センス電極207は、振動部200bの長さ方向に沿って設けられており、かつ一対の駆動電極206の間に挟まれている。複数のセンス電極207が、振動部200b上に設けられ得る。センス電極207によって測定される振動部200bの変形は、通常、その厚み方向(図9におけるZ方向)の撓みである。
本発明の角速度センサでは、第1電極および第2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得る。図9に示される角速度センサ21aでは、第2電極205が当該電極群により構成される。当該角速度センサとは異なり、第1電極202が当該電極群により構成され得る。
接続端子202a、206aおよび207aが、第1電極202の端部、駆動電極206の端部およびセンス電極207の端部に、それぞれ形成されている。各接続端子の形状および位置は限定されない。図9では、接続端子は固定部200a上に設けられている。
図9に示される角速度センサでは、圧電体膜208は、振動部200bおよび固定部200aの双方に接合している。しかし、圧電体膜208が振動部200bを発振させることができ、かつ振動部200bに生じた変形が圧電体膜208によって測定され得る限り、圧電体膜208の接合の状態は限定されない。例えば、圧電体膜208は、振動部200bのみに接合され得る。
本発明の角速度センサは、一対の振動部200bからなる振動部群を2以上有し得る。そのような角速度センサは、複数の回転中心軸に対する角速度を測定し得、2軸あるいは3軸の角速度センサとして機能し得る。図9に示される角速度センサは、一対の振動部200bからなる1つの振動部群を有する。
[角速度センサによる角速度の測定方法]
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電極および第2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。
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電極および第2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。
以下、図9に示される角速度センサ21aを用いた角速度の測定方法を説明する。振動部200bの固有振動と共振する周波数の駆動電圧が、第1電極202および駆動電極206を介して圧電体層15に印加され、振動部200bを発振させる。駆動電圧は、例えば、第1電極202を接地し、かつ駆動電極206の電位を変化させることで印加され得る(換言すれば、駆動電圧は、第1電極202と駆動電極206との間の電位差である)。角速度センサ21a、音叉の形状に配列された一対の振動部200bを有する。通常、一対の振動部200bのそれぞれが有する各駆動電極206に、正負が互いに逆である電圧をそれぞれ印加する。これにより、各振動部200bを、互いに逆方向に振動するモード(図9に示される回転中心軸Lに対して対称的に振動するモード)で発振させることができる。図9に示される角速度センサ21aでは、振動部200bはその幅方向(X方向)に発振する。一対の振動部200bの一方のみを発振させることによっても角速度の測定は可能である。しかし、高精度の測定のためには、両方の振動部200bを互いに逆方向に振動するモードで発振させることが好ましい。
振動部200bが発振している角速度センサ21aに対して、その回転中心軸Lに対する角速度ωが加わるとき、各振動部200bは、コリオリ力によって厚み方向(Z方向)に撓む。一対の振動部200bが互いに逆方向に振動するモードで発振している場合、各振動部200bは、互いに逆向きに、同じ変化量だけ撓むことになる。この撓みに応じて、振動部200bに接合した圧電体層15も撓み、第1電極202とセンス電極207との間に、圧電体層15の撓みに応じた、即ち、生じたコリオリ力に対応した電位差が生じる。この電位差の大きさを測定することで、角速度センサ21aに加わった角速度ωを測定することができる。
コリオリ力Fcと角速度ωとの間には以下の関係が成立する:
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。
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。
[圧電発電素子]
図11は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図12は、図11に示される圧電発電素子22aの断面F1を示す。圧電発電素子22a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。
図11は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図12は、図11に示される圧電発電素子22aの断面F1を示す。圧電発電素子22a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。
図11に示される圧電発電素子22aは、振動部300bを有する基板300と、振動部300bに接合された圧電体膜308とを具備する。
基板300は、固定部300aと、固定部300aから所定の方向に伸びた梁により構成される振動部300bと、を有する。固定部300aを構成する材料は、振動部300bを構成する材料と同一であり得る。しかし、これらの材料は互いに異なり得る。互いに異なる材料により構成された固定部300aが、振動部300bに接合され得る。
基板300を構成する材料は限定されない。当該材料は、例えば、Si、ガラス、セラミクス、金属である。基板300は、Si単結晶基板であり得る。基板300は、例えば、0.1mm以上0.8mm以下の厚みを有する。固定部300aは振動部300bの厚みと異なる厚みを有し得る。振動部300bの厚みは、振動部300bの共振周波数を変化させて効率的な発電が行えるように調整され得る。
錘荷重306が振動部300bに接合している。錘荷重306は、振動部300bの共振周波数を調整する。錘荷重306は、例えば、Niの蒸着薄膜である。錘荷重306の材料、形状および質量ならびに錘荷重306が接合される位置は、求められる振動部300bの共振周波数に応じて調整され得る。錘荷重306は省略され得る。振動部300bの共振周波数が調整されない場合には、錘荷重306は不要である。
圧電体膜308は、振動部300bに接合している。当該圧電体膜308は、[圧電体膜]と題された項目で説明された圧電体膜である。図11および図12に示されるように、当該圧電体膜308は、第1電極13(302)、圧電体層15、および第2電極17(305)を具備する。
図11に示される圧電発電素子では、第1電極302の一部分が露出している。当該一部分は接続端子302aとして機能し得る。
図11に示される圧電発電素子では、圧電体膜308は、振動部300bおよび固定部300aの双方に接合し得る。圧電体膜308は、振動部300bのみに接合し得る。
本発明の圧電発電素子では、複数の振動部300bを有することで、発生する電力量を増大し得る。各振動部300bが有する共振周波数を変化させることにより、広い周波数成分からなる機械的振動への対応が可能となる。
[圧電発電素子を用いた発電方法]
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電極および第2電極を介して電力が得られる。
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電極および第2電極を介して電力が得られる。
外部から圧電発電素子22aに機械的振動が与えられると、振動部300bが、固定部300aに対して上下に撓む振動を始める。当該振動が、圧電効果による起電力を圧電体層である15に生じる。このようにして、圧電体層15を挟持する第1電極302と第2電極305との間に電位差が発生する。圧電体層15が有する圧電性能が高いほど、第1および第2電極間に発生する電位差は大きくなる。特に、振動部300bの共振周波数が、外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近い場合、振動部300bの振幅が大きくなることで発電特性が向上する。そのため、錘荷重306によって、振動部300bの共振周波数が外部から素子に与えられる機械的振動の周波数に近くなるように調整されることが好ましい。
(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層15を具備する圧電体膜は、インクジェットヘッド、角速度センサ、および圧電発電素子のために用いられ得る。
11 基板
13 NaxM1−x層(第1電極)
15 (1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層
17 導電層(第2電極)
13 NaxM1−x層(第1電極)
15 (1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層
17 導電層(第2電極)
Claims (21)
- 以下を具備する圧電体膜:
(001)配向のみを有するNaxM1−x層、および
(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層、ここで、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項1に記載の圧電体膜。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項1に記載の圧電体膜。 - インクジェットヘッドであって、
第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、
前記圧電体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膜の変位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電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す、
インクジェットヘッド。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項4に記載のインクジェットヘッド。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項4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、以下の工程を具備する:
以下を具備する前記インクジェットヘッドを準備する工程(a)、
第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、
前記圧電体膜に接合された振動層、
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、ここで、
前記振動層は、圧電効果に基づく前記圧電体膜の変位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電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(001)配向のみを有する(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表し、
前記第1電極および第2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(b)。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項7に記載の方法。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項7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電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜と、を備え、
前記第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表し、
前記第1電極および第2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位を測定するためのセンス電極とを含む電極群とにより、構成されている、
角速度センサ。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項10に記載の角速度センサ。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項10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、以下の工程を具備する:
以下を具備する前記角速度センサを準備する工程(a)、ここで
振動部を有する基板、および
前記振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表し、
前記第1電極および第2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電極および第2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(b)、
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位を、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(c)。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項13に記載の方法。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項13に記載の方法。 - 以下を具備する、圧電発電素子:
振動部を有する基板、
前記振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表す。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項16に記載の圧電発電素子。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項16に記載の圧電発電素子。 - 圧電発電素子を用いて電気を発生する方法であって、以下を具備する:
以下を具備する前記圧電発電素子を用意する工程(a)、
振動部を有する基板、および
前記振動部に接合されるとともに、第1電極および第2電極に挟まれた圧電体層を有する圧電体膜、ここで、
前記第1電極は、(001)配向のみを有するNaxM1−x層を具備し、
前記圧電体層は、(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層であり、
前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層上に形成されており、
Mは、Pt、Ir、またはPtIrを表し、
Qは、Fe、Co、Zn0.5Ti0.5、またはMg0.5Ti0.5を表し、
xは0.002以上0.02以下の値を表し、そしてαは0.20以上0.50以下の値を表し、
前記振動部に振動を与えることにより、前記第1電極および第2電極を介して電力を得る工程(b)。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、前記NaxM1−x層に接している、
請求項19に記載の方法。 - 前記(1−α)(Bi,Na,Ba)TiO3―αBiQO3層は、Mnをさらに含有する、
請求項19に記載の方法。
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