JP5538670B2 - 圧電体素子、これを用いた液体吐出ヘッド及び超音波モーター - Google Patents
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Description
前記圧電体が、X(BaTiO3)−(1−X)[Bi(Mg1/2,Ti1/2)O3 ](式中、Xは0<X<1を満たす実数を示す。)で表される組成相境界領域を有するペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする圧電体素子に関する。
前記圧電体が、
Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiAlO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiMnO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiGaO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiYbO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiInO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Sn 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Zr 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Ti 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiAlO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiMnO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiGaO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiYbO 3 ),Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)(BiInO 3 )、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Sn 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Mg 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 ]、Y[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Zr 1/2 )O 3 ]、およびY[Ba(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 ]−(1−Y)[Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Ti 1/2 )O 3 ](式中、Yは0<Y<1を満たす実数を示す。)のいずれかで表されるペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする圧電体素子に関する。
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)BiAlO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)BiMnO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)BiGaO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)BiYbO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)BiInO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Ti 1/2 )O 3
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Sn 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 - (1-Y)Bi(Zn 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Zr 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Nb 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Ti 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)BiAlO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)BiMnO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)BiGaO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)BiYbO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)BiInO 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Sn 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Mg 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/2 ,Zr 1/2 )O 3 、
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Zr 1/2 )O 3 、又は
YBa(Cu 1/3 ,Ta 2/3 )O 3 -(1-Y)Bi(Zn 1/4 ,Mg 1/4 ,Ti 1/2 )O 3 (式中、Yは0<Y<1を満たす実数を示す。)のいずれかで表されるペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする。
本発明の液体吐出ヘッドの実施形態の一例における圧電体素子部の厚さ方向の断面を示す模式的断面図を図1に、模式的斜視図を図2に示す。
(Bi,Ba)(M,Ti)O3 (1)
で表されるペロブスカイト型酸化物からなる。このような圧電体を有すると、圧電体素子において圧電特性に優れたものとなる。
(a)(Bi,Ba)(M(III)+3、Ti)O3系
(Bi,Ba)(Mn,Ti)O3、(Bi,Ba)(Cr,Ti)O3、(Bi,Ba)(Co,Ti)O3。(Bi,Ba)(Sc,Ti)O3、(Bi,Ba)(In,Ti)O3。(Bi,Ba)(Ga,Ti)O3、(Bi,Ba)(Yb,Ti)O3、(Bi,Ba)(Mn,Sc,Ti)O3。(Bi,Ba)(In,Sc,Ti)O3、(Bi,Ba)(Mn,Yb,Ti)O3。
(b)(Bi,Ba){(M(II)+2,M(IV))+4,Ti}O3系
(Bi,Ba){(Mg1/2,Zr1/2),Ti}O3、(Bi,Ba){(Zn1/2,Zr1/2),Ti}O3、(Bi,Ba){(Mg1/2,Ti1/2),Ti}O3。(Bi,Ba){(Zn1/2,Ti1/2),Ti}O3、(Bi,Ba){(Mg1/2,Sn1/2),Ti}O3。(Bi,Ba){(Cu1/2,Sn1/2),Ti}O3、(Bi,Ba){(Mg1/4,Zn1/4,Ti1/2),Ti}O3。(Bi,Ba){(Mg1/4,Co1/2,Ti1/4),Ti}O3、。(Bi,Ba){(Mg1/4,Zn1/4,Zr1/2),Ti}O3 。
(c)(Bi,Ba){(M(II)+2 2/3,M(V)+5 1/3 +5),Ti}O3系
(Bi,Ba){(Mg2/3,Nb1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){(Zn2/3,Nb1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){(Zn2/3,Ta1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){(Cu2/3,Ta1/3),Ti}O3。(Bi,Ba){(Mb2/3,Ta1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){(Co2/3,Nb1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){(Mg1/3,Zn1/3,Nb1/3),Ti}O3。(Bi,Ba){(Mg1/3,Co1/3,Nb1/3),Ti}O3、(Bi,Ba){Mg2/3,Nb1/6,Ta1/6},Ti}O3。
(d)(Bi,Ba){(M(II)+2 3/4,M(VI)+6 1/4),Ti}O3系
(Bi,Ba){(Mg3/4,W1/4),Ti}O3、(Bi,Ba){(Co3/4,W1/4),Ti}O3、(Bi,Ba){(Mg3/8,Co3/8,W1/4),Ti}O3 。
式中、Mは、Mn、Sc、In、Ga、Yb、Al、Mg、Zn、Zr及びSnから選ばれる1種の原子又は2種以上の原子の組合せを示し、Xは0<X<1を満たす実数を示す。Xを適宜選択することにより、MPB領域構造を定めることができ、BaTiO3、BiMO3と比較して最大分極率と残留分極値の差が大きくなり、誘電率が2倍以上に上昇し、圧電特性を向上させることができる。
上記結晶相の構造は、X線回折法やラマン分光法により、存在する結晶相が1種であるのか2種以上の結晶相が混在する混相であるのかを測定することができ、結晶相の配向は、X線回折法により測定することができる。また、原子組成は、蛍光X線分析(XRF)法や誘導結合プラズマ質量分析法(ICP質量分析法)により分析することができる。
BaTiO 3 -Bi(Mg 1/2 ,Ti 1/2 )O 3 。
(Bi,Ba)(M',M",Cu)O3 (3)
で表されるペロブスカイト型酸化物からなるものを挙げることができる。このような圧電体を有すると、圧電体素子において圧電特性に優れたものとなる。
上記MPB領域よりもBaBO3の多い組成域では、結晶相は正方晶であるが、MPB領域よりもBiM"O3の多い組成域では、選択するBiM"O3により、菱面体晶、擬立方晶、斜方晶等の結晶相となる。また、MPB領域中では、単斜晶が現れる場合があり、圧電体中の結晶構造には、単斜晶も含まれることがある。
式中、M'は、Nb、Ta及びWから選ばれる1種の原子を示し、M"は、Mn、Sc、In、Ga、Yb、Al、Mg、Zn、Zr、Fe及びSnから選ばれる1種の原子又は2種以上の原子の組合せを示し、Yは0<Y<1を満たす実数を示す。Yを適宜選択することにより、MPB領域を定めることができる。Yを適宜選択することにより、MPB領域構造を定めることができ、BaBO3、BiM”O3と比較して最大分極率と残留分極値の差が大きくなり、誘電率が2倍以上に上昇し、圧電特性を向上させることができる。特に式(4)で表される酸化物のBaBO3はキューリー温度が高く、キューリー温度のより高い非鉛系圧電体となる。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3-BiAlO3、Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3-BiMnO3。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3-BiGaO 3 、Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3-BiYbO3。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Mg1/2,Sn1/2)O3、Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Mg1/2,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Zn1/2,Ti1/2)O3、Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Zn1/2,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Zn1/4,Mg1/4,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3- Bi(Zn1/4,Mg1/4,Ti1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3-BiAlO3、Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3-BiMnO3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3-BiGaO 3 、Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3-BiYbO3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3-BiInO3、Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Mg1/2,Ti1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Mg1/2,Sn1/2)O3、Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Mg1/2,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Zn1/2,Ti1/2)O3、Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Zn1/2,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Zn1/4,Mg1/4,Zr1/2)O3。
Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3- Bi(Zn1/4,Mg1/4,Ti1/2 )O 3 。
また、振動板15と下部電極膜16の間にバッファ−層19が存在してもよい。バッファ層の膜厚は、通常、5nm以上、300nm以下であり、好ましくは10nm以上、200nm以下である。
[実施例1]
X{BaTiO3}(1−X){Bi(Mg1/3,Ti2/3)O3}薄膜
チタン酸バリウム、酸化ビスマス、酸化マグネシウム、酸化ニオブを混合し、加熱加圧成形し圧粉体のターゲットを作成した。これを用いて、SrRuO3(100)エピタキシャル膜が設けられたSOI(100)基板にスパッタ成膜した。成膜時、基板を750℃に加熱し、Ar/O2=10:1で2Pa雰囲気下、スパッタ成膜した。Ba、BiがAサイトに入り、Mg、TiがBサイトに入った3μmのペロブスカイト{100}エピタキシャルの圧電膜を得た。
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3](1−Y)(BiAlO3)セラミックス
Ba原料として硝酸バリウム、銅原料として硝酸銅、ニオブ原料として酸化ニオブ(Nb2O5)をモル比で3:1.2:1で調整し、酸性水溶液に加熱下、懸濁、溶解させた。その後、アルカリ処理により、析出物をろ過、採取、乾燥し、Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3の原料とした。
[実施例3]
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3](1−Y){Bi(Zn)1/3,Ti2/3}O3}配向セラミックス
Ba原料として硝酸バリウム、銅原料として硝酸銅、ニオブ原料として酸化タンタル(Ta2O5)をモル比で3:1.1:1で調整し、酸性水溶液に加熱下、懸濁、溶解させた。その後、アルカリ処理により、析出物をろ過、採取、乾燥し、Ba 、Cu、Taの原料とした。
7 圧電体
8 第二の電極
10、22、63 圧電体素子
11 吐出口
12 連通孔
13 個別液室
14 共通液室
15 基板、振動板
16 下部電極
18 上部電極
19 バッファ層
24 振動体
25 ローター
40 光導波路
41 基板
44 クラッド層
45 コア層
61 振動子
62 ローター
Claims (8)
- 基板上に、圧電体及び該圧電体に接する一対の電極を有する圧電体素子であって、
前記圧電体が、X(BaTiO3)−(1−X)[Bi(Mg1/2,Ti1/2)O3 ](式中、Xは0<X<1を満たす実数を示す。)で表される組成相境界領域を有するペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする圧電体素子。 - 前記圧電体が、正方晶、菱面体晶、擬立方晶、斜方晶及び単斜晶のうち少なくとも2つの結晶相が混在するものであることを特徴とする請求項1に記載の圧電体素子。
- 前記圧電体が、結晶相の混在割合が厚さ方向に徐々に変化する構造を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電体素子。
- 基板上に、圧電体及び該圧電体に接する一対の電極を有する圧電体素子であって、
前記圧電体が、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)(BiAlO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)(BiMnO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)(BiGaO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)(BiYbO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)(BiInO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Ti1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Sn1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Zr1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/2,Ti1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/2,Zr1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/4,Mg1/4,Zr1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Nb2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/4,Mg1/4,Ti1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)(BiAlO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)(BiMnO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)(BiGaO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)(BiYbO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)(BiInO3)、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Ti1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Sn1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Mg1/2,Zr1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/2,Ti1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/2,Zr1/2)O3]、
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/4,Mg1/4,Zr1/2)O3]、又は
Y[Ba(Cu1/3,Ta2/3)O3]−(1−Y)[Bi(Zn1/4,Mg1/4,Ti1/2)O3](式中、Yは0<Y<1を満たす実数を示す。)のいずれかで表されるペロブスカイト型酸化物からなることを特徴とする圧電体素子。 - 前記圧電体が、正方晶、菱面体晶、擬立方晶、斜方晶及び単斜晶のうち少なくとも2つの結晶相が混在するものであることを特徴とする請求項4に記載の圧電体素子。
- 前記圧電体が、結晶相の混在割合が厚さ方向に徐々に変化する構造を有することを特徴とする請求項4又は5に記載の圧電体素子。
- 請求項1から6のいずれかに記載の圧電体素子を有することを特徴とする液体吐出ヘッド。
- 請求項1から6のいずれかに記載の圧電体素子を有することを特徴とする超音波モーター。
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