JP5887503B2 - 圧電体膜ならびにその用途 - Google Patents
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Description
本発明は、圧電体膜ならびにその用途に関する。
ペロブスカイト複合酸化物［（Ｎａ，Ｂｉ）1-xＢａx］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は、高い分極消失温度Ｔｄを有するＮＢＴ−ＢＴ膜を開示している。具体的には、特許文献１は、摂氏６５０度の温度下でのＲＦマグネトロンスパッタリングによってＮａxＬａ1-x+yＮｉ1-yＯ3-x層上に形成された（１−α）（Ｎａ，Ｂｉ，Ｂａ）ＴｉＯ3−αＢｉＱＯ3層（Ｑ＝Ｆｅ、Ｃｏ、Ｚｎ0.5Ｔｉ0.5、またはＭｇ0.5Ｔｉ0.5）が、およそ摂氏１８０度〜摂氏２５０度の分極消失温度Ｔｄを有することを開示している。（１−α）（Ｎａ，Ｂｉ，Ｂａ）ＴｉＯ3−αＢｉＱＯ3層は、（００１）配向のみを有する。ＮａxＬａ1-x+yＮｉ1-yＯ3-x層は、摂氏３００度の温度下でのＲＦマグネトロンスパッタリングによって（１１１）配向を有するＰｔ膜上に形成される。
非特許文献１は、分極消失温度Ｔｄを測定する方法を開示している。
Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｅｒａｍｉｃ Ｓｏｃｉｅｔｙ ９３ ［４］ （２０１０） １１０８−１１１３
本発明の目的は、より高い分極消失温度Ｔｄを有する圧電体膜およびその用途を提供することである。
本発明の圧電体膜は、以下を具備する：
（００１）配向のみを有する（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層、および
（００１）配向のみを有する（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層、ここで、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層上に形成されており、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、ニッケルを含有し、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、０．０２以上のＮｉ／Ｔｉモル比を有しており、
かつ、以下の４つの数式（Ｉ）〜（ＩＶ）の全てが充足される。
（００１）配向のみを有する（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層、および
（００１）配向のみを有する（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層、ここで、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層上に形成されており、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、ニッケルを含有し、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、０．０２以上のＮｉ／Ｔｉモル比を有しており、
かつ、以下の４つの数式（Ｉ）〜（ＩＶ）の全てが充足される。
０．２８≦ｘ１≦０．４３ （Ｉ）
０．４９≦ｙ１≦０．６０ （ＩＩ）
０．３０≦ｘ２≦０．４６ （ＩＩＩ）、および
０．５１≦ｙ２≦０．６３ （ＩＶ）。
０．４９≦ｙ１≦０．６０ （ＩＩ）
０．３０≦ｘ２≦０．４６ （ＩＩＩ）、および
０．５１≦ｙ２≦０．６３ （ＩＶ）。
本発明の趣旨は、当該圧電体膜を具備す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包含する。
本発明の趣旨は、また、当該インクジェットヘッドを用いて画像を形成する方法、当該角速度センサを用いて角速度を測定する方法、および当該圧電発電素子を用いて発電する方法をも包含する。
本発明は、より高い分極消失温度Ｔｄを有する圧電体膜およびその用途を提供する。
以下、本発明の実施形態が図面を参照しながら説明される。
（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「線形性」は、印加電界および変位量の間の線形性を意味する。線形性は高いことが望ましい。「線形性が高い」とは、変位量が印加電界に比例することを意味する。
用語「印加電界」とは、圧電体層に印加される電界を意味する。
用語「変位量」とは、印加電界により生じる圧電体層の変位量を意味する。
変位量および印加電界の間の関係が、以下、説明される。
正確な角速度を測定可能な角速度センサ、正確な量のインクを吐出することが可能なインクジェットヘッド、および正圧電効果により発電可能な圧電発電素子のために、変位量は電界に比例することが必要とされる。すなわち、変位量ｂおよび電界ａは以下の等式１を満たすことを必要とされる。
ｂ＝ｃ1ａ ・・・等式１ （ｃ1は定数）
本明細書において用いられる用語「比例」とは、ａおよびｂの値が上記等式１を満たすことを意味する。すなわち、用語「比例」とは、一次関数を意味する。用語「比例」は、二次関数を含まない。
本明細書において用いられる用語「比例」とは、ａおよびｂの値が上記等式１を満たすことを意味する。すなわち、用語「比例」とは、一次関数を意味する。用語「比例」は、二次関数を含まない。
図４Ａは、一般的な圧電体材料の電界−変位量特性のグラフを示す。図４Ｂは、図４Ａの部分拡大図を示す。
図４Ｂに示されるように、点Ａでの接線の傾きは、点Ｂでの接線の傾きと実質的に同一である。「実質的に同一」とは、式：点Ａでの接線の傾き／点Ｂでの接線の傾きにより表される比率が０．８以上１．２以下であることを意味する。これは、変位量ｂは電界ａに比例することを意味する。点Ａおよび点Ｂの印加電界は、例えば、それぞれ０．３Ｖ／μｍおよび１．８Ｖ／μｍである。
変位量ｂおよび電界ａが非一次関数の関係を有する場合、正確な角速度の測定、正確な量のインクの吐出、および正圧電効果による発電が困難となる。正確な角速度を測定可能な角速度センサ、正確な量のインクを吐出することが可能なインクジェットヘッド、および正圧電効果により発電可能な圧電発電素子には、変位量ｂと電界ａの間に非一次関数の関係は望まれない。
用語「分極消失温度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、分極消失温度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、分極消失温度Ｔｄは摂氏１８０度以上であることが望ましく、摂氏３００度以上であることがより望ましく、摂氏３７０度以上であることがさらにより望ましい。
（圧電体膜）
図１Ａは、本実施形態による圧電体膜の断面図を示す。図１Ａに示されるように、本実施形態による圧電体膜１ａは、（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層１４および（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層１５を具備する。
図１Ａは、本実施形態による圧電体膜の断面図を示す。図１Ａに示されるように、本実施形態による圧電体膜１ａは、（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層１４および（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層１５を具備する。
簡潔な記載のために、以下、（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層１４は、「界面層」と呼ばれる。（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層１５は、「圧電体層」と呼ばれる。従って、本実施形態による圧電体膜は、界面層１４および圧電体層１５を具備する。
図１Ｂは、本実施形態による望ましい圧電体膜の断面図を示す。図１Ｂに示されるように、本実施形態による圧電体膜１ａは、基板１１、金属電極層１２、ＬａＮｉＯ3層１３、界面層１４、圧電体層１５、および導電層１７を具備する。
圧電体層１５は、界面層１４上に形成されている。望ましくは、圧電体層１５は、界面層１４上に接する。言い換えれば、圧電体層１５は、界面層１４上に物理的に接することが望ましい。
圧電体層１５は、（００１）配向のみを有している。言い換えれば、圧電体層１５は、（１００）配向、（０１０）配向、（１１０）配向、または（１１１）配向のような、（００１）配向以外の配向を実質的に有していない。このように、圧電体層１５は、強い（００１）配向を有している。
界面層１４もまた、（００１）配向のみを有している。望ましくは、界面層１４は、ＬａＮｉＯ3層１３上に形成される。その理由は、本実施形態による圧電体膜の製法の記述において説明される。
界面層１４は、０．０２以上のＮｉ／Ｔｉモル比を有するように、Ｎｉを含有する。０．０２未満のＮｉ／Ｔｉモル比は、分極消失温度Ｔｄを著しく低下させる。後述される比較例９を参照せよ。Ｎｉ／Ｔｉモル比は、０．０５以下であることが望ましい。０．０５を超えるＮｉ／Ｔｉモル比は、圧電定数ｄ３１および線形性を低下させ得る。実施例１５を参照せよ。
本実施形態による圧電体膜においては、以下の４つの数式（Ｉ）〜（ＩＶ）の全てが充足される。
０．２８≦ｘ１≦０．４３ （Ｉ）
０．４９≦ｙ１≦０．６０ （ＩＩ）
０．３０≦ｘ２≦０．４６ （ＩＩＩ）
０．５１≦ｙ２≦０．６３ （ＩＶ）
数式（Ｉ）に含まれるｘ１の値は、界面層１４におけるナトリウムの組成比を表す。ｘ１の値が０．２８未満である場合、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例１を参照せよ。ｘ１の値が０．４３を超える場合もまた、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例２を参照せよ。
０．４９≦ｙ１≦０．６０ （ＩＩ）
０．３０≦ｘ２≦０．４６ （ＩＩＩ）
０．５１≦ｙ２≦０．６３ （ＩＶ）
数式（Ｉ）に含まれるｘ１の値は、界面層１４におけるナトリウムの組成比を表す。ｘ１の値が０．２８未満である場合、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例１を参照せよ。ｘ１の値が０．４３を超える場合もまた、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例２を参照せよ。
数式（ＩＩ）に含まれるｙ１の値は、界面層１４におけるビスマスの組成比を表す。ｙ１の値が０．４９未満である場合、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例５を参照せよ。ｙ１の値が０．６０を超える場合もまた、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例６を参照せよ。
数式（ＩＩＩ）に含まれるｘ２の値は、圧電体層１５におけるナトリウムの組成比を表す。ｘ２の値が０．３０未満である場合、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例３を参照せよ。ｘ２の値が０．４６を超える場合もまた、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例４を参照せよ。
数式（ＩＶ）に含まれるｙ２の値は、圧電体層１５におけるビスマスの組成比を表す。ｙ２の値が０．５１未満である場合、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例７を参照せよ。ｙ２の値が０．６３を超える場合もまた、分極消失温度Ｔｄは著しく低下する。比較例８を参照せよ。
本実施形態による圧電体膜においては、さらに以下の２つの数式（Ｖ）〜（ＶＩ）のいずれもが充足されることが望ましい。
１．０５≦ｘ２／ｘ１ （Ｖ）
ｙ２／ｙ１≦１．０５ （ＶＩ）
数式（Ｖ）に含まれるｘ２／ｘ１の比は、１．０５以上であることが望ましい。ｘ２／ｘ１の比が１．０５未満である場合には、圧電定数ｄ３１および線形性は低下し得る。実施例１３を参照せよ。ｘ２／ｘ１の比は、１．３９以下であることが望ましい。
ｙ２／ｙ１≦１．０５ （ＶＩ）
数式（Ｖ）に含まれるｘ２／ｘ１の比は、１．０５以上であることが望ましい。ｘ２／ｘ１の比が１．０５未満である場合には、圧電定数ｄ３１および線形性は低下し得る。実施例１３を参照せよ。ｘ２／ｘ１の比は、１．３９以下であることが望ましい。
数式（ＶＩ）に含まれるｙ２／ｙ１の比は、１．０５以下であることが望ましい。ｙ２／ｙ１の比が１．０５を超える場合には、圧電定数ｄ３１および線形性は低下する。実施例１４を参照せよ。ｙ２／ｙ１の比は、０．９３以上であることが望ましい。
後述される実施例を比較例と比較すれば明らかなように、４つの数式（Ｉ）〜数式（ＩＶ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、摂氏３００度以上の分極消失温度Ｔｄを有する。分極消失温度Ｔｄの上限の一例は、摂氏４２０度である。
後述される実施例１〜実施例１２を実施例１３〜実施例１５と比較すれば明らかなように、６つの数式（Ｉ）〜数式（ＶＩ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、摂氏３７０度以上の分極消失温度Ｔｄを有する
６つの数式（Ｉ）〜数式（ＶＩ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、高い分極消失温度Ｔｄだけでなく、高い圧電定数ｄ３１を有する。より詳細には、このような圧電体層１５は、以下の数式（ＶＩＩ）および数式（ＶＩＩＩ）を充足する圧電定数ｄ３１を有する。
６つの数式（Ｉ）〜数式（ＶＩ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、高い分極消失温度Ｔｄだけでなく、高い圧電定数ｄ３１を有する。より詳細には、このような圧電体層１５は、以下の数式（ＶＩＩ）および数式（ＶＩＩＩ）を充足する圧電定数ｄ３１を有する。
｜圧電定数ｄ３１（０．３Ｖ／マイクロメートル）｜≧７１ （ＶＩＩ）
｜圧電定数ｄ３１（１．８Ｖ／マイクロメートル）｜≧７４ （ＶＩＩＩ）
６つの数式（Ｉ）〜数式（ＶＩ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、以下の数式（ＩＸ）を充足する高い線形性を有する。
｜圧電定数ｄ３１（１．８Ｖ／マイクロメートル）｜≧７４ （ＶＩＩＩ）
６つの数式（Ｉ）〜数式（ＶＩ）の全てが満たされる場合には、圧電体層１５は、以下の数式（ＩＸ）を充足する高い線形性を有する。
０．９４≦（圧電定数ｄ３１（０．３Ｖ／マイクロメートル）／圧電定数ｄ３１（１．８Ｖ／マイクロメートル）≦１．００ （ＩＸ）
本実施形態による圧電体層１５は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、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、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、圧電体層１５の結晶性および圧電性能を向上し得る。
本実施形態による圧電体層１５は、微量の不純物を含み得る。当該不純物は、典型的には、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、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、圧電体層１５の結晶性および圧電性能を向上し得る。
図１Ｂに示されるように、本実施形態による圧電体膜は、金属電極層１２を具備し得る。金属電極層１２上に、ＬａＮｉＯ3層１３が形成されている。
金属電極層１２の材料の例は、白金、パラジウム、金のような金属；酸化ニッケル、酸化ルテニウム、酸化イリジウム、ルテニウム酸ストロンチウムのような酸化物導電体である。金属電極層１２は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。金属電極層１２は低い電気抵抗および高い耐熱性を有することが好ましい。そのため、金属電極層１２は白金層であることが好ましい。白金層は、（１１１）配向を有し得る。
言い換えれば、本実施形態の圧電体膜は、白金層をさらに備え得る。ＬａＮｉＯ3層１３が白金層上に形成され得る。
金属電極層１２は、ＬａＮｉＯ3層１３とともに、圧電体層１５に電圧を印加する電極層として機能し得る。言い換えれば、電極層は、ＬａＮｉＯ3層１３および金属電極層１２から構成される積層体である。
図１Ｂに示されるように、本実施形態による圧電体膜は、導電層１７を具備し得る。導電層１７は、圧電体層１５上に形成されている。
圧電体層１５は、ＬａＮｉＯ3層１３および導電層１７の間に挟まれている。ＬａＮｉＯ3層１３および導電層１７は、それぞれ、圧電体層１５に電圧を印加する第１電極層および第２電極層として機能し得る。
導電層１７は、導電性を有する材料により構成される。当該材料の例は、低い電気抵抗を有する金属である。当該材料は、ＮｉＯ、ＲｕＯ2、ＩｒＯ3、ＳｒＲｕＯ3、およびＬａＮｉＯ3のような酸化物導電体であり得る。導電層１７は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。導電層１７と圧電体層１５との間に、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、チタンである。当該材料は、タンタル、鉄、コバルト、ニッケル、またはクロムであり得る。金属層は、２種以上のこれらの材料により構成され得る。金属層は、導電層１７および圧電体層１５の間の密着性に応じて、省略され得る。
導電層１７は、例えば、スパッタリング法、ＰＬＤ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法、およびＡＤ法のような薄膜形成手法により形成され得る。
図１Ｂに示されるように、本実施形態による圧電体膜は、基板１１をさらに備え得る。金属電極層１２は基板１１の上に形成される。
基板１１は、シリコン基板であり得る。シリコン単結晶基板が望ましい。
基板１１および金属電極層１２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。ただし、金属層は導電性を必要とする。金属層の材料の例は、Ｔｉ、Ｔａ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、またはＣｒであり得る。Ｔｉが望ましい。金属層のために２種類以上の材料が用いられ得る。金属層は、基板１１および金属電極層１２の間の密着性に応じて、省略され得る。
（製法）
本実施形態による圧電体層１５を製造する方法が、以下、記述される。
本実施形態による圧電体層１５を製造する方法が、以下、記述される。
まず、基板１１が用意される。金属電極層１２が、スパッタリングにより基板１１上に形成される。次いで、ＬａＮｉＯ3層１３が、スパッタリングにより金属電極層１２上に形成される。
ＬａＮｉＯ3層は、その下の面に接する層の配向性に拘わらず、高い（００１）配向を有することが知られている。そのため、ＬａＮｉＯ3層１３に形成された界面層１４もまた、高い（００１）配向を有する。界面層１４が高い（００１）配向を有するので、圧電体層１５もまた、高い（００１）配向を有する。
界面層１４が、ＲＦスパッタリングによってＬａＮｉＯ3層１３に形成される。続いて、圧電体層１５が、界面層１４上にＲＦスパッタリングにより形成される。最後に、導電層１７が圧電体層１５上に蒸着により形成される。
スパッタリング法に代えて、他の方法も用いられ得る。その例は、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）である。
（実施例）
以下の実施例は、本発明をさらにより詳細に説明する。
以下の実施例は、本発明をさらにより詳細に説明する。
以下の実施例１〜実施例１２および比較例１〜比較例１２では、界面層１４に含有されるＮａおよびＢｉの組成は、スパッタリングのために用いられるターゲットの組成を変化させることによって変更された。圧電体層１５に含有されるＮａおよびＢｉの組成もまた、スパッタリングのために用いられるターゲットの組成を変化させることによって変更された。
（実施例１）
実施例１では、図１Ｂに示される圧電体膜が以下のように作製された。
実施例１では、図１Ｂに示される圧電体膜が以下のように作製された。
（１１１）配向を有する白金層が、（１００）配向を有するシリコン単結晶基板の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより、形成された。白金層は、１００ナノメートルの厚みを有していた。この白金層は、金属電極層１２として機能した。
白金層のスパッタリングの条件が、以下、記述される。
ターゲット：金属白金
雰囲気：アルゴンガス
ＲＦ出力：１５Ｗ
基板温度：３００℃
白金層が形成される前に、２．５ナノメートルの厚みを有するチタン層が、シリコン単結晶基板の表面に形成され、シリコン単結晶基板および白金層の間の密着性を向上させた。チタン層は、金属Ｐｔに代えて金属Ｔｉがターゲットとして用いられた以外は、白金層のスパッタリング条件と同様の条件下で形成された。
雰囲気：アルゴンガス
ＲＦ出力：１５Ｗ
基板温度：３００℃
白金層が形成される前に、２．５ナノメートルの厚みを有するチタン層が、シリコン単結晶基板の表面に形成され、シリコン単結晶基板および白金層の間の密着性を向上させた。チタン層は、金属Ｐｔに代えて金属Ｔｉがターゲットとして用いられた以外は、白金層のスパッタリング条件と同様の条件下で形成された。
次に、（００１）配向のみを有するＬａＮｉＯ3層１３が、白金層の表面に、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成された。ＬａＮｉＯ3層１３は、５００ナノメートルの厚みを有していた。
ＬａＮｉＯ3層１３のスパッタリングの条件が、以下、記述される。
ターゲット：ＬａＮｉＯ3
雰囲気：アルゴンおよび酸素の混合ガス（Ａｒ／Ｏ2の流量比：８０／２０）
ＲＦ出力：１００Ｗ
基板温度：３００℃
次に、ＬａＮｉＯ3層１３の表面に、（００１）配向のみを有する界面層１４が、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成された。界面層１４は、０．３マイクロメートルの厚みを有していた。形成された界面層１４はＸ線回折に供され、その結晶構造を解析した。Ｘ線回折分析は、界面層１４の上からＸ線を入射することにより行なわれた。
雰囲気：アルゴンおよび酸素の混合ガス（Ａｒ／Ｏ2の流量比：８０／２０）
ＲＦ出力：１００Ｗ
基板温度：３００℃
次に、ＬａＮｉＯ3層１３の表面に、（００１）配向のみを有する界面層１４が、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成された。界面層１４は、０．３マイクロメートルの厚みを有していた。形成された界面層１４はＸ線回折に供され、その結晶構造を解析した。Ｘ線回折分析は、界面層１４の上からＸ線を入射することにより行なわれた。
図２は、界面層１４のＸ線回折プロファイルの結果を示す。（００１）配向のみを有する界面層１４に由来する反射ピークのみが観察された。以下の実施例および比較例においても、同様にＸ線回折分析が行われた。その結果、以降の実施例および比較例においても、このＸ線回折法によって全ての膜で極めて高い（００１）配向性が観察された。
界面層１４のスパッタリングの条件が、以下、記述される。
ターゲット：ニッケルを含有する（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3（ｘ１＝０．３７、ｙ１＝０．５８、Ｎｉ／Ｔｉモル比＝０．０２)
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℃
次に、界面層１４の表面に、（００１）配向のみを有する圧電体層１５が、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成された。圧電体層１５は、２．７マイクロメートルの厚みを有していた。形成された圧電体層１５はＸ線回折に供され、その結晶構造を解析した。
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℃
次に、界面層１４の表面に、（００１）配向のみを有する圧電体層１５が、ＲＦマグネトロンスパッタリングにより形成された。圧電体層１５は、２．７マイクロメートルの厚みを有していた。形成された圧電体層１５はＸ線回折に供され、その結晶構造を解析した。
図３は、圧電体層１５のＸ線回折プロファイルの結果を示す。（００１）配向のみを有する圧電体層１５に由来する反射ピークのみが観察された。
圧電体層１５のスパッタリングの条件が、以下、記述される。
ターゲット：（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3（ｘ２＝０．３９かつｙ２＝０．５５）
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℃
形成された界面層１４および圧電体層１５の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）および波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ（ＷＤＳ）によって分析された。組成分析では、酸素のような軽元素を分析する精度が劣るため、軽元素の正確な定量は困難であった。しかし、形成された界面層１４に含有されるＮａ、Ｂｉ、およびＮｉの組成は、界面層１４のターゲットと同一の組成であることが確認された。圧電体層１５に含有されるＮａおよびＢｉの組成もまた、圧電体層１５のターゲットと同一の組成であることが確認された。
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℃
形成された界面層１４および圧電体層１５の組成は、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）および波長分散型Ｘ線マイクロアナライザ（ＷＤＳ）によって分析された。組成分析では、酸素のような軽元素を分析する精度が劣るため、軽元素の正確な定量は困難であった。しかし、形成された界面層１４に含有されるＮａ、Ｂｉ、およびＮｉの組成は、界面層１４のターゲットと同一の組成であることが確認された。圧電体層１５に含有されるＮａおよびＢｉの組成もまた、圧電体層１５のターゲットと同一の組成であることが確認された。
最後に、１００ナノメートルの厚みを有する金層が、圧電体層１５の表面に、蒸着により形成された。金層は、導電層１７に対応する。このようにして、実施例１による圧電体膜が作製された。
圧電体層１５の分極消失温度Ｔｄは、非特許文献１に従って測定された。その結果、実施例１による圧電体層１５の温度Ｔｄは、４２０℃という高い値であった。このことは、圧電体層１５の圧電特性が、摂氏１８０度のはんだリフローの温度下でも維持されたことを意味する。
圧電体層１５の圧電性能は、以下のように評価された。圧電体層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。
次に、測定された変位量が圧電定数ｄ31に変換された。０．３Ｖ／マイクロメートルの低電界が印加された時には、実施例１による圧電体層１５の圧電定数ｄ31（０．３Ｖ／マイクロメートル）は、−８５ｐｍ／Ｖであった。
１．８Ｖ／マイクロメートルの高電界が印加された時には、実施例１による圧電体層１５の圧電定数ｄ31（１．８Ｖ／マイクロメートル）は、−８５ｐｍ／Ｖであった。
実施例１による圧電体層１５の線形性が、圧電定数ｄ31（０．３Ｖ／マイクロメートル）および圧電定数ｄ31（１．８Ｖ／マイクロメートル）の比から見積もられた。実施例１では、この比は１．００であった。これは、印加電界に変位量が完全に比例したことを意味する。
（実施例２）
ｘ１＝０．２８、ｙ１＝０．５１、ｘ２＝０．３３、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．２８、ｙ１＝０．５１、ｘ２＝０．３３、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例３）
ｘ１＝０．４３、ｙ１＝０．５６、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４３、ｙ１＝０．５６、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例４）
ｘ１＝０．２８、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．３０、およびｙ２＝０．５９であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．２８、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．３０、およびｙ２＝０．５９であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例５）
ｘ１＝０．３３、ｙ１＝０．５２、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３３、ｙ１＝０．５２、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例６）
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．４９、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．４９、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例７）
ｘ１＝０．３８、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４１、およびｙ２＝０．６１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３８、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４１、およびｙ２＝０．６１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例８）
ｘ１＝０．４０、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．４４、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４０、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．４４、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例９）
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．５５、ｘ２＝０．４１、およびｙ２＝０．５１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．５５、ｘ２＝０．４１、およびｙ２＝０．５１であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１０）
ｘ１＝０．４０、ｙ１＝０．５０、ｘ２＝０．４２、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４０、ｙ１＝０．５０、ｘ２＝０．４２、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１１）
ｘ１＝０．４１、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４４、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４１、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４４、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１２）
ｘ１＝０．３７、ｙ１＝０．５８、ｘ２＝０．３９、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３７、ｙ１＝０．５８、ｘ２＝０．３９、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１３）
ｘ１＝０．４２、ｙ１＝０．５３、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４２、ｙ１＝０．５３、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１４）
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．３７、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３５、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．３７、およびｙ２＝０．６３であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（実施例１５）
Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０７に等しかったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０７に等しかったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例１）
ｘ１＝０．２５、ｙ１＝０．５５、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．２５、ｙ１＝０．５５、ｘ２＝０．４０、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例２）
ｘ１＝０．４５、ｙ１＝０．５８、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．４５、ｙ１＝０．５８、ｘ２＝０．４６、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例３）
ｘ１＝０．３０、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．２８、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３０、ｙ１＝０．５９、ｘ２＝０．２８、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例４）
ｘ１＝０．３２、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４７、およびｙ２＝０．５６であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３２、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．４７、およびｙ２＝０．５６であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例５）
ｘ１＝０．３３、ｙ１＝０．４５、ｘ２＝０．３５、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３３、ｙ１＝０．４５、ｘ２＝０．３５、およびｙ２＝０．５２であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例６）
ｘ１＝０．３０、ｙ１＝０．６３、ｘ２＝０．３３、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３０、ｙ１＝０．６３、ｘ２＝０．３３、およびｙ２＝０．５５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例７）
ｘ１＝０．３１、ｙ１＝０．５１、ｘ２＝０．３４、およびｙ２＝０．４８であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３１、ｙ１＝０．５１、ｘ２＝０．３４、およびｙ２＝０．４８であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例８）
ｘ１＝０．３２、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．３７、およびｙ２＝０．６５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
ｘ１＝０．３２、ｙ１＝０．６０、ｘ２＝０．３７、およびｙ２＝０．６５であったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
（比較例９）
Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０１に等しかったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０１に等しかったことを除き、実施例１と同様の圧電体膜が作成された。
以下の表１は、実施例および比較例の結果を示す。
表１から明らかなように、４つの数式（Ｉ）〜（ＩＶ）の全てが満たされる場合、圧電体膜１５は、摂氏３００度以上という非常に高い分極消失温度Ｔｄを有する。言い換えれば、摂氏３００度未満の温度でこのような圧電体膜１５が加熱された場合であっても、圧電体膜１５の分極は消失しない。６つの数式（Ｉ）〜（ＶＩ）の全てが満たされる場合、圧電体膜１５は、摂氏３７０度以上という非常に高い分極消失温度Ｔｄを有する。さらに、そのような圧電体膜１５は、高い圧電定数ｄ３１および高い線形性を有する。
比較例１から明らかなように、ｘ１が０．２８未満であれば、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例２から明らかなように、ｘ１が０．４３を超えると、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例３から明らかなように、ｘ２が０．３０未満であれば、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例４から明らかなように、ｘ２が０．４７を超えると、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例５から明らかなように、ｙ１が０．４９未満であれば、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例６から明らかなように、ｙ１が０．６０を超えると、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例７から明らかなように、ｙ２が０．５１未満であれば、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
比較例８から明らかなように、ｙ２が０．６３を超えると、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
実施例１３から明らかなように、ｘ２／ｘ１の比が１．０５未満であると、圧電定数ｄ３１および線形性が低下する。
実施例１４から明らかなように、ｙ２／ｙ１の比が１．０５を超えると、圧電定数ｄ３１および線形性が低下する。
比較例９から明らかなように、Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０２未満であると、分極消失温度Ｔｄは著しく低い。
実施例１５から明らかなように、Ｎｉ／Ｔｉのモル比が０．０５を超えると、圧電定数ｄ３１および線形性が低下する。
本発明による圧電体膜は、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。
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２を参照されたい。特許文献３および特許文献４は、それぞれ、特許文献２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５〜図７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５〜図７を参照しながら説明する。
図５は、本発明のインクジェットヘッドの一形態を示す。図６は、図５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５および図６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６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５および図６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５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５および図６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５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５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５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５に示される。
図６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７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５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７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。
［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８は、本発明の角速度センサの一例を示す。図９は、図８に示される角速度センサ２１ａの断面Ｅ１を示す。図８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８は、本発明の角速度センサの一例を示す。図９は、図８に示される角速度センサ２１ａの断面Ｅ１を示す。図８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８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８ではＹ方向である。基板２００の厚み方向（図８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８および図９に示されるように、当該圧電体膜２０８は、第１電極１３（２０２）、界面層１４、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８におけるＸ方向）である。より具体的には、図８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８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８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８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８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８では、接続端子は固定部２００ａ上に設けられている。
図８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８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８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８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８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１０は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１１は、図１０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１０は、本発明の圧電発電素子の一例を示す。図１１は、図１０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１０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１０および図１１に示されるように、当該圧電体膜３０８は、第１電極１３（３０２）、界面層１４、圧電体層１５、および第２電極１７（３０５）を具備する。
図１０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１０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。
１１ 基板
１２ 金属電極層
１３ ＬａＮｉＯ3層（第１電極）
１４ （Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3界面層
１５ （Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3圧電体層
１７ 導電層（第２電極）
１２ 金属電極層
１３ ＬａＮｉＯ3層（第１電極）
１４ （Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3界面層
１５ （Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3圧電体層
１７ 導電層（第２電極）
Claims (14)
- 圧電体膜であって、以下を具備する：
（００１）配向のみを有する（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層、および
（００１）配向のみを有する（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層、ここで、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層上に形成されており、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、ニッケルを含有し、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、０．０２以上のＮｉ／Ｔｉモル比を有しており、
かつ、以下の４つの数式（Ｉ）〜（ＩＶ）の全てが充足される。
０．２８≦ｘ１≦０．４３ （Ｉ）
０．４９≦ｙ１≦０．６０ （ＩＩ）
０．３０≦ｘ２≦０．４６ （ＩＩＩ）
０．５１≦ｙ２≦０．６３ （ＩＶ） - 請求項１に記載の圧電体膜であって、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層上に接触している。 - 請求項１に記載の圧電体膜であって、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、摂氏３００度以上の分極消失温度Ｔｄを有している。 - 請求項１に記載の圧電体膜であって、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、摂氏４２０度以下の分極消失温度Ｔｄを有している。 - 請求項１に記載の圧電体膜であって、
前記Ｎｉ／Ｔｉモル比は、０．０５以下であり、かつ さらに以下の２つの数式（Ｖ）〜（ＶＩ）のいずれもが充足される。
１．０５≦ｘ２／ｘ１ （Ｖ）
ｙ２／ｙ１≦１．０５ （ＶＩ） - 請求項５に記載の圧電体膜であって、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、以下の数式（ＩＸ）を満たす線形性を有している。
０．９４≦（圧電定数ｄ３１（０．３Ｖ／マイクロメートル）／圧電定数ｄ３１（１．８Ｖ／マイクロメートル））≦１．００ （ＩＸ） - 請求項６に記載の圧電体膜であって、
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、以下の数式（ＶＩＩ）および数式（ＶＩＩＩ）を充足する圧電定数ｄ３１の値を有し、かつ
｜圧電定数ｄ３１（０．３Ｖ／マイクロメートル）｜≧７１ （ＶＩＩ）
｜圧電定数ｄ３１（１．８Ｖ／マイクロメートル）｜≧７４ （ＶＩＩＩ）
前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層は、摂氏３７０度以上の分極消失温度Ｔｄを有している。 - 請求項１に記載の圧電体膜であって、さらにＬａＮｉＯ3層を具備し、
前記（Ｎａx1，Ｂｉy1）ＴｉＯ0.5x1+1.5y1+2−ＢａＴｉＯ3層は、前記（Ｎａx2，Ｂｉy2）ＴｉＯ0.5x2+1.5y2+2−ＢａＴｉＯ3層および前記ＬａＮｉＯ３層の間に挟まれている。 - 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、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜である、
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、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜であり、
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）。 - 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膜と、を備え、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜であり、
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。 - 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膜、ここで、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜であり、
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）、および
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）。 - 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膜、ここで、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜である、
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膜、ここで、
前記圧電体膜は、請求項１に記載の圧電体膜であり、
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）。
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