JP5605545B2 - 液滴噴射ヘッド、液滴噴射装置、圧電素子およびセラミックス - Google Patents
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Description
ノズル孔に連通する圧力室と、セラミックスおよび前記セラミックスに設けられた電極を有する圧電素子と、を備えた液滴噴射ヘッドであって、
前記セラミックスは、鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなる。
前記セラミックスは、x[BiFeO3]−(1−x)[(BiaK1-a)TiO3]−y[BiMnO3](但し、0.4≦x≦0.7、0<y≦0.045、0.4<a<0.6)であってもよい。
上記いずれかの液滴噴射ヘッドを備えた液滴噴射装置。
セラミックスおよび前記セラミックスに設けられた電極を有する圧電素子であって、
前記セラミックスは、鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなる。
鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなる。
以下、図面を参照して、本実施形態に係るセラミックスの原料液及びセラミックスの製造方法について説明する。
まず、図1(A)に示すように、本実施形態に係るセラミックスの製造方法の出発原料であるセラミックスの原料液を準備する(S1)。本実施形態におけるセラミックスの原料液は、金属化合物を含む。原料液に含まれる金属化合物は、BF−BKT−BM系セラミックスの原料となる金属元素を含んでいればよい。BF−BKT−BM系セラミックスは、ペロブスカイト結晶構造の一般式ABO3で示されるBF系セラミックス、BKT系セラミックス、およびBM系セラミックスから構成される3相系の混晶セラミックスである。BF系セラミックスである[BiFeO3]は、A元素がBiからなり、B元素がFeからなる。BKT系セラミックスである[(BiaK1-a)TiO3]は、A元素がBiおよびKからなり、B元素がTiからなる。BM系セラミックスである[BiMnO3]は、A元素がBiからなり、B元素がMnからなる。すなわち、本実施形態に係るBF−BKT−BM系セラミックスの原料液は、Bi、Fe、Ti、K、Mnの金属元素を所定のモル比で含んでいればよい。なお、本実施形態に係るBF−BKT−BM系セラミックスの原料液のBi、Fe、Ti、Kの金属元素のモル比の詳細は後述される。
次に、図1(A)に示すように、成膜工程(S2)において、原料液の準備工程(S1)で得られた原料液を用いて、第1の膜を形成することができる。本実施形態に係る成膜工程(S2)に用いられる成膜方法は、所定の膜厚を有する膜を形成することができ得る限り特に限定されるものではなく、公知の成膜技術を用いてもよい。本実施形態に係る原料液を用いて、例えばスピンコート法により第1の膜を形成してもよい。
次に、図1(A)に示すように、乾燥/脱脂工程(S3)において、成膜工程(S2)で得られた第1の膜を熱処理することによって、第1の膜を乾燥および脱脂した第2の膜を得ることができる。本実施形態に係る乾燥工程(S3)に用いられる熱処理方法は、第1の膜を所定の条件で乾燥し得る限り特に限定されるものではなく、公知の加熱機器を用いてもよい。例えば、第1の膜を100℃〜200℃で乾燥した後、350℃〜450℃に設定された乾燥炉において、乾燥処理された第1の膜を脱脂処理することにより、第2の膜を得てもよい。
次に、図1(A)に示すように、積層工程(S4)において、乾燥工程(S3)で得られた第2の膜の上に、本実施形態に係る原料液を用いて、さらに第1の膜を形成し(S2)、該第1の膜を乾燥および脱脂させることによって第2の膜の積層体を得てもよい。また、本工程は、該積層体が所望の膜厚となるまで、成膜工程(S2)と乾燥/脱脂工程(S3)とを複数回繰り返してもよい(S4)。
次に、図1(A)に示すように、焼成工程(S5)において、積層工程(S4)で得られた複数の第2の膜からなる積層体を焼成することによって、BF−BKT−BM系セラミックスを得ることができる。第2の膜からなる積層体を焼成する工程は、積層体を結晶化させることができ得る限り特に限定されるものではない。本実施形態に係る焼成工程は、加熱機器として、例えば公知の電気炉、赤外炉、RTA(Rapid Thermal Annealing)炉等を用いて行うことができる。積層体の加熱器機として、好ましくはRTA炉を用いてもよい。例えば、本実施形態に係る積層体を、600℃以上かつ700℃以下の温度のRTA炉にて熱処理を行い、該積層体を焼成し、BF−BKT−BM系セラミックスを得てもよい。得られるBF−BKT−BM系セラミックスは、所定の膜厚を有したセラミックス薄膜であってもよい。
以下、本実施形態に係るセラミックス、およびその原料液並びに製造方法の実施例および比較例を、図面を参照しながら説明する。
実施例1においては、BF−BKT−BMの組成比が、BF:BKT:BM=60:40:3の組成比となるBF−BKT−BM系セラミックスを本実施形態に係るセラミックスの製造方法を用いて作製し、その特性を評価した。具体的には、x=0.6、y=0.03、a=0.5である場合であって、実施例1に係る原料液に含まれる金属元素のモル比は、Bi:K:Fe:Ti:Mn=0.83:0.2+α:0.6:0.4:0.03(但し、α=0.04)であった。比較例1に係るセラミックスは、BFとBKTのみから成る2相系混晶セラミックスであって、BMを含まないセラミックスであった。本比較例に係る原料液に含まれる金属元素のモル比は、Bi:Fe:K:Ti=0.8:0.6:0.2+α:0.4(但し、α=0.04)となるように調整された。
図2(A)において、比較例1に係るBF−BKT系セラミックスのP−Eヒステリシスを示す。図2(B)において、実施例1に係るBF−BKT−BM系セラミックスのP−Eヒステリシスを示す。
実施例2においては、実施例1に係る原料液に対して更にBiを添加し、Biがその他の金属元素に対し相対的に過剰となるように原料液を調整した。具体的には、x=0.6、y=0.03、α=0.04である場合であって、実施例2に係る原料液に含まれる金属元素のモル比は、[Bi:Fe:K:Ti:Mn=0.83+β:0.24:0.6:0.03](但し、0≦β≦0.08)である。
図3において、実施例2に係るP−Eヒステリシス(β=0.02、0.04、0.08の場合)と実施例1に係るP−Eヒステリシス(β=0の場合)を示す。図3に示すように、実施例1に係るP−Eヒステリシスに比べて、Biを2mol%過剰に添加した場合(β=0.02の場合)の方がヒステリシスの角型性が向上していることが分かる。また、Biを4mol%過剰に添加した場合(β=0.04の場合)およびBiを8mol%過剰に添加した場合(β=0.08の場合)から、よりBiを添加した方がP−Eヒステリシスの角型性が向上していることが分かる。これによれば、原料液に含まれる金属元素のモル比は、[Bi:K:Fe:Ti:Mn=x+(1−x)×a+y+β:1−a+α:x:1−x:y](但し、0.4≦x≦0.7、0<y≦0.045、0.4<a<0.6、0≦α≦0.1、0≦β≦0.1)であって、Biの過剰添加量を示すβの値は、0≦β≦0.1であればよいことが確認された。
実施例3においては、実施例2に係る原料液に対してBMが少なくなるように原料液を調整した。具体的には、x=0.6、y=0.02である場合であって、実施例2に係る原料液に含まれる金属元素のモル比は、[Bi:Fe:K:Ti:Mn=0.82+β:0.2+α:0.6:0.02](但し、α=0.04、β=0.02)である。
図4において、実施例3に係るP−Eヒステリシスを示す。図4に示すように、本実施例においても、Pmの値が低いものの、実施例2と同様のP−Eヒステリシスが得られた。これによれば、少なくともy≧0.02であればよいことが確認された。
実施例4においては、実施例2に係る原料液に対してBMが多くなるように原料液を調整した。具体的には、x=0.6、y=0.045である場合であって、実施例4に係る原料液に含まれる金属元素のモル比は、[Bi:K:Fe:Ti:Mn=0.845+β:0.2+α:0.6:0.4:0.045(但し、α=0.04、β=0.04)]である。
図5において、実施例4に係るP−Eヒステリシスを示す。図5に示すように、本実施例においても、Pmが大きいものの、実施例2と同様のP−Eヒステリシスが得られた。これによれば、少なくともy≦0.045であればよいことが確認された。
実施例5においては、BF−BKT−BMの組成比が、(1)BF:BKT:BM=60:40:1.8、(2)BF:BKT:BM=50:50:1.5、となる場合のBF−BKT−BM系セラミックスであって、原料液にBiおよびKの過剰添加を行わないセラミックスを、本実施形態に係るセラミックスの製造方法を用いて作製し、その特性を評価した。
図4において、実施例5に係るP−Eヒステリシスおよび電界誘起歪−電界特性(x=0.6、0.5の場合)を示す。尚、各グラフにおいて左側の軸が分極量を示し、右側の軸が歪量を示す。図6に示すように、いずれの場合も良好な圧電特性を示していることが分かる。特に、x=0.5の場合、歪率は0.18%であり、良好な歪率が得られた。これによれば、α=0、β=0において、少なくとも0.18%の歪率を示すセラミックスを作製可能であることが確認された。それに加え、y≧0.015で良好な特性を示すことが確認された。
実施例3においては、BF−BKT−BMの組成比が、(1)BF:BKT:BM=70:30:3.5、(2)BF:BKT:BM=60:40:3、(3)BF:BKT:BM=50:50:2.5、(4)BF:BKT:BM=40:60:2となる場合のBF−BKT−BM系セラミックスを本実施形態に係るセラミックスの製造方法を用いて作製し、その特性を評価した。
図7において、実施例6に係るP−Eヒステリシスおよび電界誘起歪−電界特性(x=0.7、0.6、0.5、0.4の場合)を示す。尚、各グラフにおいて左側の軸が分極量を示し、右側の軸が歪量を示す。図7に示すように、いずれの場合も良好な圧電特性を示していることが分かる。特に、x=0.5の場合、歪率は0.27%であり、大きな歪率が得られた。これによれば、原料液に含まれる金属元素のモル比は、[Bi:K:Fe:Ti:Mn=0.5×(x+1)+y+0.04:0.5×(1−x)+α:x:1−x:y](但し、0.4≦x≦0.7、0.03≦α≦0.06)であって、xの値は、0.4≦x≦0.7であればよいことが確認された。それに加え、実施例4と比較して歪率が向上しており、BiおよびKの添加により圧電特性を向上させることができることが確認された。
本実施形態に係るセラミックスの製造方法は、液滴噴射ヘッドに用いられる圧電素子の圧電体層の製造方法として用いることができる。つまりは、本実施形態に係る液滴噴射ヘッドは、本実施形態に係るセラミックスを有する圧電体層を含む圧電素子を備える。以下には、本実施形態に係るセラミックスの製造方法を用いて製造した圧電体層を含む圧電素子100を備えた、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド600について、図面を参照しながら説明する。図8は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド600の要部を模式的に示す断面図である。図9は、本実施形態に係る液滴噴射ヘッド600の分解斜視図であり、通常使用される状態とは上下を逆に示したものである。
次に、本実施形態に係るセラミックスの製造方法によって製造された圧電素子100を含む液滴噴射ヘッドを有した液滴噴射装置について、図面を参照しながら説明する。以下では、液滴噴射装置が上述の液滴噴射ヘッドを有するインクジェットプリンターである場合について説明する。図10は、本実施形態に係る液滴噴射装置700を模式的に示す斜視図である。
材料を溶媒や分散媒によって適当な粘度に調整したものなどを用いることができる。本発明の液滴噴射装置は、例示したプリンター等の画像記録装置以外にも、液晶ディスプレイ等のカラーフィルターの製造に用いられる色材噴射装置、有機ELディスプレイ、FED(面発光ディスプレイ)、電気泳動ディスプレイ等の電極やカラーフィルターの形成に用いられる液体材料噴射装置、バイオチップ製造に用いられる生体有機材料噴射装置としても好適に用いられることができる。
600 液滴噴射ヘッド、610 ノズル板、612 ノズル孔、
620 圧力室基板、622 圧力室、624 リザーバー、626 供給口、
628 貫通孔、630 筐体、700 液滴噴射装置、710 駆動部、
720 装置本体、721 トレイ、722 排出口、730 ヘッドユニット、
731 インクカートリッジ、732 キャリッジ、741 キャリッジモーター、
742 往復動機構、743 タイミングベルト、744 キャリッジガイド軸、
750 給紙部、751 給紙モーター、752 給紙ローラー、
752a 従動ローラー、752b 駆動ローラー、760 制御部、
770 操作パネル
Claims (4)
- ノズル孔に連通する圧力室と、セラミックスおよび前記セラミックスに設けられた電極を有する圧電素子と、を備えた液滴噴射ヘッドであって、
前記セラミックスは、鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなり、かつ、x[BiFeO 3 ]−(1−x)[(Bi a K 1-a )TiO 3 ]−y[BiMnO 3 ](但し、0.4≦x≦0.7、0<y≦0.045、0.4<a<0.6)である、液滴噴射ヘッド。 - 請求項1に記載された液滴噴射ヘッドを備えた、液滴噴射装置。
- セラミックスおよび前記セラミックスに設けられた電極を有する圧電素子であって、
前記セラミックスは、鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなり、かつ、x[BiFeO 3 ]−(1−x)[(Bi a K 1-a )TiO 3 ]−y[BiMnO 3 ](但し、0.4≦x≦0.7、0<y≦0.045、0.4<a<0.6)である、圧電素子。 - 鉄酸ビスマスと、チタン酸ビスマスカリウムと、マンガン酸ビスマスと、を含む固溶体からなり、かつ、x[BiFeO 3 ]−(1−x)[(Bi a K 1-a )TiO 3 ]−y[BiMnO 3 ](但し、0.4≦x≦0.7、0<y≦0.045、0.4<a<0.6)である、セラミックス。
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