JP5950076B2 - 圧電素子、液体噴射ヘッド、液体噴射装置、超音波デバイス及びセンサー - Google Patents
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かかる態様では、鉛の含有量が少なく、且つ従来とは異なる組成で電界誘起相転移による駆動を行うことができ、また、比較的低電圧で比較的大きな歪を得ることができる圧電素子を実現することができる。
かかる態様では、鉛の含有量が少なく、且つ従来とは異なる組成で電界誘起相転移による駆動を行うことができ、また、比較的低電圧で比較的大きな歪を得ることができるため、環境への負荷を低減し且つ信頼性に優れた液体噴射ヘッド、液体噴射装置、超音波デバイス、あるいはセンサーを実現することができる。
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の平面図であり、図3は図2のA−A′線断面図である。図1〜図3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。
(0<x<0.40)
(Bi1−xBax)(Fe1−xTix)O3 (1’)
(0<x<0.40)
(x=0.95、y=0.05)
(Bi1−xBax)((Fe1−yMy)1−xTix)O3 (2’)
(x=0.95、y=0.05)
配線層61を設けた基板上に、LNO前駆体溶液を滴下し、2200rpmで基板を回転させてLNO前駆体膜を形成した(塗布工程1)。次に、180℃のホットプレート上で5分間加熱した後、400℃で5分間加熱した(乾燥及び脱脂工程1)。次に、RTA(Rapid Thermal Annealing)装置を使用し、750℃で5分間焼成した(焼成工程1)。以上の工程により、厚さ40nmの(100)に配向したLNO層62を作製した。
(組成検討)
第一原理電子状態計算を、密度汎関数法に基づきLDA+U法により行った。図9にxBFO−(1−x)BTの各種組成に対する構造安定性を示す。xBFO−(1−x)BTは単斜晶と菱面晶の相境界であり、図9に示すように、BFO−BTは単斜晶と菱面晶のエネルギーが近接しており、特に、BFO比x=0.75及び0.875で近接していることがわかる。
(転移歪) = (電界誘起歪) + (外部歪)
(|転移電圧|)={(転移歪)−(外部歪)}×(膜厚)/(d31)
以下、実験例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。
酢酸ランタン5mmol、及び酢酸ニッケル5mmol、無水酢酸25mL、及び水5mLを混合し、60℃で1時間加熱還流することで、LNO前駆体溶液を作製した。
2−エチルヘキサン酸を配位子に持つビスマス、鉄、マンガン、バリウム、チタンの液体原料を、溶解している金属のモル比でBi:Fe:Mn=100:95:5、且つBa:Ti=100:100、且つBFM:BT=95:5になるよう混合することで、BFM−BT前駆体溶液を合成した。
(110)単結晶シリコン(Si)基板の表面に熱酸化により膜厚1070nmの酸化シリコン(SiO2)膜を形成し、続いて、SiO2膜上にRFマグネトロンスパッター法により膜厚20nmのチタン膜を作製し、700℃で熱酸化することで膜厚40nmの酸化チタン膜を形成し、さらに、酸化チタン膜上にDCスパッター法により、(111)面に配向し膜厚130nmの白金膜(第1電極60)を形成したものを基板とした。
基板上にスピンコート法によりLNO膜、及びBFM−BT膜を形成した。
理学電気社製X線回折測定装置『ATX−G』を使用して、面直方向(out−plane)及び面内方向(in−plane)のX線回折パターンを測定し、結晶系を擬立方晶とみなしたときの(200)ピークから計算した格子定数から、結晶の外部歪を調べた。その結果、面内方向の格子定数は、面直方向の格子定数に対し1%大きいことが明らかとなった。すなわち、作製した圧電体層は、CSD法による体積収縮、及び基板とBFM−BTの線熱膨張係数差により、0.01の外部歪(引張り応力)を受けていることが明らかとなった。
圧電体層について、東陽テクニカ社製「FCE−1A」で、φ=500μm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、分極量と電界の関係(P−E曲線)を求めた。このP−E曲線を図13に示す。
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 (6)
- 少なくともビスマス、バリウム、鉄、及びチタンを含むペロブスカイト型構造の複合酸化物からなる圧電体層と、前記圧電体層に電圧を印加する電極と、を具備する圧電素子であって、
前記圧電体層は、引張り応力により菱面晶から単斜晶へ変化しており、
駆動時において、電圧を印加することにより前記圧電体層が単斜晶から菱面晶へ変化することを特徴とする圧電素子。 - 請求項1に記載の圧電素子において、前記複合酸化物は、マンガンをさらに含むことを特徴とする圧電素子。
- 請求項1又は2に記載の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3に記載の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。
- 請求項1又は2に記載の圧電素子を具備することを特徴とする超音波デバイス。
- 請求項1又は2に記載の圧電素子を具備することを特徴とするセンサー。
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