JP5725272B2 - 液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子 - Google Patents
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Description
層に電圧を印加する電極を有する圧電素子を具備する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子に関する。
少ない圧電素子を有する液体噴射ヘッド及び液体噴射装置並びに圧電素子を提供することを目的とする。
上記課題を解決する本発明の別の態様は、ノズル開口に連通する圧力発生室と、圧電体層と前記圧電体層に設けられた電極とを備えた圧電素子と、を具備し、前記圧電体層は、ペロブスカイト型構造を有するチタン酸ビスマスナトリウムカリウムを含み、飽和分極Pm及び残留分極Prが25℃において0≦Pr/Pm≦0.25を満たすことを特徴とする液体噴射ヘッドにある。
図1は、本発明の実施形態1に係る液体噴射ヘッドの一例であるインクジェット式記録ヘッドの概略構成を示す分解斜視図であり、図2は、図1の平面図及びそのA−A′断面図である。図1及び図2に示すように、本実施形態の流路形成基板10は、シリコン単結晶基板からなり、その一方の面には二酸化シリコンからなる弾性膜50が形成されている。
{x[(Bia,Na1-a)TiO3]-(1-x)[(Bib,K1-b)TiO3]} (1)
(0.4<a<0.6,0.4<b≦0.6,0.5≦x≦0.85)
{x[(Bia,Na1-a)TiO3]-(1-x)[(Bib,K1-b)TiO3]}-y[BaTiO3] (2)
(0.4<a<0.6,0.4<b≦0.6,0.5≦x≦0.9,0<y≦0.2)
まず、シリコン基板の表面に熱酸化により二酸化シリコン膜を形成した。次に、二酸化シリコン膜上に40nmの二酸化チタンを積層し、その上部に(111)に配向した白金を150nm積層し、第1電極とした。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタンの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、表1に示すx、a及びbの上記一般式(1)で表される複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
前駆体溶液の原料として、ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、表1に示すx、y、及びa、bの上記一般式(2)で表される複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例4に対し20mol%過剰に添加した以外は実施例4と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例5に対し20mol%過剰に添加した以外は実施例5と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例6に対し20mol%過剰に添加した以外は実施例6と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例7に対し20mol%過剰に添加した以外は実施例7と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例8に対し10mol%過剰に添加した以外は実施例8と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
圧電体層を以下のようにして形成し膜厚を変化させた以外は、実施例6と同様の組成比の圧電体層70を有する圧電素子300を形成した。まず、ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液を所定の割合で混合して、前駆体溶液を調製した。そしてこの前駆体溶液を酸化チタン膜及び第1電極が形成された上記基板上に滴下し、2500rpmで基板を回転させて圧電体前駆体膜を形成した(塗布工程)。次に400℃で3分間乾燥・脱脂を行った(乾燥及び脱脂工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に、Rapid Thermal Annealing (RTA)で750℃、3分間焼成を行った(焼成工程)。この塗布工程・乾燥及び脱脂工程を3回繰り返した後に一括して焼成する焼成工程を行う工程を6回繰り返すことで、計18回の塗布により全体で厚さ1080nmの圧電体層70を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタンの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、表1に示すx、a及びbの上記一般式(1)で表される複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
ビスマス、カリウム、ナトリウム、チタン、バリウムの各元素が溶解したブタノール溶液の混合割合を変更し、カリウムを実施例8に対し20mol%過剰に添加した以外は実施例8と同様の組成の複合酸化物を圧電体層70とした以外は、実施例1と同様にして、圧電素子300を形成した。
原料として金属酸化物および金属炭酸塩を用い、固相法により作製した。その手法は以下の通りである。まず、原料として、酸化ビスマス、酸化チタン、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸バリウムの粉末を、モル比でBi:Ti:Na:K:Ba=0.486:1:0.426:0.6:0.028になるよう秤量した。それらを混合し、エタノールを添加した後、遊星ボールミルで混合・粉砕した。その後、乾燥炉で乾燥し、金属酸化物及び金属炭酸塩の混合粉末を得た。この混合粉末にバインダーとしてポリビニルアルコールと水の混合溶液を5wt%添加し、造粒処理を行うことで、造粒粉末を作製した。この造粒粉末を静水圧により加圧形成することで粉末ペレットを作製し、この粉末ペレットを750℃および1200℃で焼成することで、セラミックスペレットを作製した。作製したセラミックスペレットを研磨処理することで、厚さ1mmのセラミックスペレットを作製した。その後、このセラミックスペレットにスクリーン印刷で銀ペーストを塗布し、650℃で焼付け処理をすることで、セラミックスペレットを電極で挟み、これをシリコーンオイル中で3kV、3分間、直流電圧を印加することでポーリング処理を行って、[(Bi,Na)TiO3]-[(Bi,K)TiO3]-[BaTiO3]の圧電素子を形成した。
前駆体溶液として、チタニウムイソプロポキシド、ジルコニウムアセチルアセトナート、酢酸鉛3水和物を2−n−ブトキシエタノールに所定の割合で混合したものを用いPb(Zr,Ti)O3からなる圧電体層とした以外は、実施例1と同様の操作を行い、1320nmの圧電素子300を形成した。
実施例1〜22及び比較例1〜3の各圧電素子について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=400μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波を印加して、分極量と電圧の関係(P−V曲線)を求めた。結果の一例として、実施例1〜22及び比較例1〜2について、順に図23〜図44(実施例1〜22)及び図45〜46(比較例1〜2)に示す。
比較例3の圧電素子について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=400μmの電極パターンを使用し、室温で周波数1kHzの三角波を印加して、分極量と電圧の関係(P−V曲線)を求めた。なお、空気中の放電を防ぐため、シリコーンオイル中で測定をおこなった。結果を図47に示す。図47に示すように、比較例は典型的な強誘電体のヒステリシスループを示しており、PrとPmの比は、Pr/Pm=0.92であり、PrとPmの値が近い、すなわち角型性が良好なヒステリシスであることが分かった。
実施例1〜22及び比較例1〜4の圧電素子について、Bruker AXS社製の「D8 Discover」を用い、X線源にCuKα線を使用し、室温で、圧電体層の粉末X線回折パターンを求めた。その結果、全ての実施例1〜22及び比較例1〜4において、ABO3型構造を形成しており、その他の異相に起因するピークは観測されなかった。
実施例1〜22及び比較例1〜2の各圧電素子300について、アグザクト社製の変位測定装置(DBLI)を用い室温で、φ=500μmの電極パターンを使用し、周波数1kHzの電圧を印加して、電界誘起歪―電界強度の関係を求めた。結果の一例として、実施例1〜16、19〜21及び比較例1〜2ついて、順に図49〜69に示す。この結果、実施例1〜22では低電圧でも変位しており、中間電位を実質的にかけずに駆動させることができることが分かる。
実施例5及び比較例4の圧電体層について、上記試験例1と同様の方法で分極量と電圧の関係(P−V曲線)を求め、Pr、Pmを求めた。この結果実施例5ではPr=4.3μC/cm、Pm=32μC/cm、Pr/Pm=0.14であったのに対し、比較例4ではPr=22μC/cm、Pm=47μC/cm、Pr/Pm=0.47であり、両者はPr/Pmが大きく異なっていた。また、アグザクト社製の変位測定装置(DBLI)を用い室温で、φ=500μmの電極パターンを使用し、周波数1kHzの電圧を印加して、ユニポーラの電界誘起歪―電界強度の関係を求めた。その結果、同一電圧における実施例5の変位量は、比較例4の43%程度であった。
以上、本発明の一実施形態を説明したが、本発明の基本的構成は上述したものに限定されるものではない。例えば、上述した実施形態では、流路形成基板10として、シリコン単結晶基板を例示したが、特にこれに限定されず、例えば、SOI基板、ガラス等の材料を用いるようにしてもよい。
Claims (7)
- 圧電体層と前記圧電体層を挟むように設けられた一対の電極と、を備えた圧電素子であって、
前記圧電体層は、
ペロブスカイト型構造を有するチタン酸ビスマスナトリウムカリウムを含み、
厚さが2μm以下の薄膜であり、
飽和分極Pm及び残留分極Prが25℃において0≦Pr/Pm≦0.25を満たす、
ことを特徴とする圧電素子。 - 前記チタン酸ビスマスナトリウムカリウムは、下記一般式(1)で表されることを特徴とする請求項1に記載する圧電素子。
{x[(Bi a ,Na 1-a )TiO 3 ]-(1-x)[(Bi b ,K 1-b )TiO 3 ]} (1)
(0.4<a<0.6,0.4<b≦0.6,0.5≦x≦0.85) - 前記圧電体層は、さらにペロブスカイト型構造を有するチタン酸バリウムを含むことを特徴とする請求項1に記載する圧電素子。
- 前記チタン酸バリウムを含む前記チタン酸ビスマスナトリウムカリウムは、下記一般式(2)で表されることを特徴とする請求項3に記載する圧電素子。
{x[(Bi a ,Na 1-a )TiO 3 ]-(1-x)[(Bi b ,K 1-b )TiO 3 ]}-y[BaTiO 3 ] (2)
(0.4<a<0.6,0.4<b≦0.6,0.5≦x≦0.9,0<y≦0.2) - 前記圧電体層は、基板上に圧電体前駆体膜を形成した後、前記圧電体前駆体膜を焼成して結晶化させて得られたものであることを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載する圧電素子。
- 請求項1〜5のいずれか一項に記載する圧電素子を具備することを特徴とする液体噴射ヘッド。
- 請求項6に記載する液体噴射ヘッドを具備することを特徴とする液体噴射装置。
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