JP5552842B2 - 圧電素子、液滴吐出ヘッド、および液滴吐出装置 - Google Patents
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本発明にかかる圧電素子の一態様は、
第1電極と、第2電極と、前記第1電極および前記第2電極の間に挟持された圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第1電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有する酸化物を主成分とし、
前記第2電極は、面心立方の結晶構造を有する金属を主成分とし、
前記第1電極、前記圧電体層および前記第2電極は、それぞれ優先配向構造を有し、
前記第1電極、前記圧電体層および前記第2電極の、優先配向軸におけるX線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれf1、f2およびf3(°)としたとき、下記式(1):
f1>f2>f3 ・・・・(1)
の関係を満たすことを特徴とする。
適用例1において、
前記第1電極は、ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、(200)優先配向構造を有する、圧電素子。
適用例1または適用例2において、
前記圧電体層は、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、(200)優先配向構造を有する、圧電素子。
適用例3において、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、1.05倍以上1.15倍以下である、圧電素子。
適用例3または適用例4において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム:チタン=40:60〜55:45の範囲である、圧電素子。
適用例1ないし適用例5のいずれか一例において、
前記第2電極は、PtおよびIrの少なくとも一方を主成分とし、
前記PtおよびIrの少なくとも一方は、面心立方構造の結晶構造を有し、
前記第2電極は、(111)優先配向構造を有する、圧電素子。
適用例1ないし適用例6のいずれか一例において、
前記f1および前記f2は、(200)ピークの半値幅であり、
前記f3は、(111)ピークの半値幅である、圧電素子。
適用例1ないし適用例7のいずれか一例において、
前記優先配向構造は、80%以上の優先配向度である、圧電素子。
適用例1ないし適用例8のいずれか一例において、
f3≦0.26、かつ、0.26<f2≦0.75、かつ、f1<2.00の関係を満たす、圧電素子。
適用例1ないし適用例9のいずれか一例に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
適用例10に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
図1は、本実施形態にかかる圧電素子100の断面の模式図である。図1において、圧電素子100は、基体10の上に形成されている。本実施形態にかかる圧電素子100は、第1電極20と、第2電極40と、圧電体層30と、を含む。
圧電素子100は、例えば、図1に示すような基体10の表面に形成される。基体10は、導体、半導体または絶縁体で形成されることができる。基体10は、例えば平板状の部材とすることができ、この場合、基体10は、単層であっても、複数の層が積層された構造であってもよい。図1の例では、基板1および基板1の主面に形成された導電層2を合わせて基体10となっている。
第1電極20は、第2電極40と対になって、圧電体層30を挟んで設けられる。第1電極20は、層状、薄膜状あるいは平板状の形状を有する。第1電極20の厚みは、例えば、20nm以上60nm以下とすることができる。第1電極20の厚みが20nmよりも小さいと、第1電極20の導電性が不足したり、圧電体層30の材料の結晶性や結晶の配向が所望のものとならない場合がある。また、第1電極20が、60nmよりも大きいと、圧電素子100の変位を拘束してしまう場合がある。また、第1電極20を、平面的に見たときの形状については、第2電極40との間に圧電体層30を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。また、圧電素子100を平面的に見たときに、第1電極20および第2電極40は、オーバーラップする領域を有している。第1電極20の機能の一つとしては、圧電体層30に電界を印加するための一方の電極(例えば、圧電体層30の下方に形成された下部電極)となることが挙げられる。
圧電体層30は、図1に示すように、第1電極20および第2電極40の間に挟持される。圧電体層30と、第1電極20および第2電極40との間には、それぞれ他の層が形成されてもよい。この場合の他の層としては、例えばチタン層などが挙げられる。
第2電極40は、図1に示すように、第1電極20と対になって圧電体層30を挟持する。第2電極40は、全体が第1電極20と対向していてもよいし、一部が第1電極20に対向していてもよい。第2電極40の形状は、第1電極20と対向できるかぎり限定されないが、圧電素子100を薄膜状、層状あるいは板状にする場合には、同様に薄膜状、層状あるいは板状の形状が好ましい。この場合の第2電極40の厚みは、例えば、50nm以上300nm以下とすることができる。また、第2電極40の平面的な形状についても、第1電極20に対向して配置されたときに両者の間に圧電体層30を配置できる形状であれば、特に限定されず、例えば、矩形、円形等とすることができる。第2電極40の機能の一つとしては、圧電体層30に電圧を印加するための一方の電極(例えば、圧電体層30の上に形成された上部電極)となることが挙げられる。
第1電極20、圧電体層30および第2電極40は、上記のようにそれぞれ、構成する材料の特定の面によって優先配向している。したがって第1電極20、圧電体層30および第2電極40は、優先配向の軸においてX線回折強度測定を行うことができる。ここでいうX線回折強度測定は、市販の装置で行うことができ、例えば、2θ/θスキャン、ロッキングカーブ、χ−スキャン、逆格子マップ測定などを行うことができる。
f1>f2>f3 ・・・・(1)
の関係を満たしている。すなわち、第1電極20側から、圧電体層30および第2電極40の順に、構成する材料に由来するピークの半値幅が減少するように形成されている。このことは、構造上の違いとして、第1電極20側から、圧電体層30および第2電極40の順に、結晶の大きさ、結晶の欠陥や歪み、空間的な規則性などの結晶性が向上していることを示している。
次に、本実施形態の圧電素子100を含む圧電アクチュエーターについて説明する。本実施形態の圧電アクチュエーターは、上述の圧電素子100を有し、上述の基板1が振動板となっている。
図3は、液滴吐出ヘッド600を模式的に示す分解斜視図である。液滴吐出ヘッド600は、少なくとも、上述の圧電素子100と、基体10と、ノズル板610と、を有する。液滴吐出ヘッド600の基体10は、振動板621および圧力室基板620を合わせたものに相当する。
図4は、液滴吐出装置700を模式的に示す斜視図である。
以下に実験例および参考例を示し、本発明にかかる圧電素子をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によってなんら限定されるものではない。
実験例および参考例の圧電素子は、次のような基体の上に形成した。まず、シリコン基板を準備し、シリコン基板の表面に1070nmの酸化シリコン層を熱酸化により形成した。次に、酸化シリコン層の上に、酸化ジルコニウムを400nm、酸化チタンを40nm、および金属イリジウムを50nmの順に、スパッタ法により堆積させ、実験例および参考例の共通の基体として用いた。なお、基体の表面には、金属イリジウムが堆積されているが、この金属イリジウムの層は、実施形態で述べた導電層2と見なしてもよい。
実験例および参考例のいずれも、まず、上述の基体の上に、第1導電層として、LaNiO3(LNO)をスパッタ法により40nm堆積し、LNO層を形成した。LNO層を形成するときのCVD装置等の条件としては、基体の温度を250℃とし、チャンバー内の圧力を1.2Pa、RF電力を1kWとした。この条件は、実験例および参考例において共通とした。
Claims (7)
- ランタンおよびニッケルを含む酸化物を主成分とし、(200)優先配向構造を有する第1電極と、
面心立方構造の結晶構造を有するPtおよびIrの少なくとも一方を主成分とし、(111)優先配向構造を有する第2電極と、
前記第1電極および前記第2電極の間に挟持され、少なくとも鉛、ジルコニウム、チタンおよび酸素を含む酸化物を主成分とし、(200)優先配向構造を有する圧電体層と、を含む圧電素子であって、
前記第1電極および前記圧電体層は、ペロブスカイト型の結晶構造を有し、
前記圧電体層の前記酸化物の鉛の含有量は、ジルコニウムおよびチタンの含有量の合計に対して、1.05倍以上1.15倍以下であり、
前記第1電極、前記圧電体層および前記第2電極の、優先配向軸におけるX線回折強度測定のピークの半値幅を、それぞれf1、f2およびf3(°)としたとき、下記式(1):
f1>f2>f3 ・・・・(1)
の関係を満たす、圧電素子。 - 請求項1において、
前記圧電体層の前記酸化物のジルコニウムおよびチタンの含有比率は、ジルコニウム:チタン=40:60〜55:45の範囲である、圧電素子。 - 請求項1または請求項2において、
前記f1は、(111)ピークの半値幅であり、
前記f2および前記f3は、(200)ピークの半値幅である、圧電素子。 - 請求項1ないし請求項3のいずれか一項において、
前記優先配向構造は、80%以上の優先配向度である、圧電素子。 - 請求項1ないし請求項4のいずれか一項において、
f3≦0.26、かつ、0.26<f2≦0.75、かつ、f1<2.00の関係を満たす、圧電素子。 - 請求項1ないし請求項5のいずれか一項に記載された圧電素子を含む、液滴吐出ヘッド。
- 請求項6に記載された液滴吐出ヘッドを含む、液滴吐出装置。
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