JP5958719B2 - 圧電材料の製造方法 - Google Patents
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Description
かかる態様では、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で圧電特性、誘電特性が高く、また、キュリー温度が高い圧電材料が製造できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子が実現できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子を具備する液体噴射ヘッドが実現できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子を具備する液体噴射ヘッドを備えた液体噴射装置が実現できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子を具備する超音波センサーが実現できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子を具備する圧電モーターが実現できる。
これによれば、鉛を含有していないため環境負荷を低減することができ、広い使用環境温度範囲で優れた特性が維持できる圧電素子を具備する発電装置が実現できる。
(圧電材料)
本発明の圧電材料は、単独組成では菱面体晶であり且つキュリー温度がTc1であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる第1成分と、単独組成では菱面体晶以外の結晶であり且つキュリー温度がTc2であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる第2成分と、前記第2成分と同一のペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなり且つキュリー温度がTc3であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる第3成分とを含有し、前記Tc1は前記Tc2より高く、前記Tc3は前記Tc1以上であり、(0.9×Tc1+0.1×Tc2)の値が280℃以下である。
例えば、第1成分がSr、Li及びCaから選択される少なくとも1種を添加した(Bi,Na)TiO3であり、第2成分がBaTiO3であり、第3成分がKNbO3である。
図1には、第1成分がSrを添加した(Bi,Na)TiO3であり、第2成分がBaTiO3である場合の横軸に前記第2成分の、前記第1成分と前記第2成分の合計に対する割合(第2成分/(第1成分+第2成分))を、縦軸に温度を採った相図を示す。この場合、第1成分であるSrを添加した(Bi,Na)TiO3のキュリー温度Tcが268℃、第2成分であるBaTiO3のキュリー温度が123℃であり、MPBラインm1は、第2成分の組成比が0.33〜0.70に亘る範囲で傾斜している。このような系に、第3成分であるKNbO3(キュリー温度Tc3=435℃)を、第2成分と第3成分との合計に対して0.40の割合で混合すると、第2成分及び第3成分の組成のキュリー温度は310℃となる。第2成分及び第3成分の、第1成分と第2成分と第3成分との合計に対する割合を横軸とした相図におけるMPBラインM1は、垂直に近く立って、第2成分と第3成分との和の組成比が0.50〜0.70の範囲で傾斜するだけである。また、MPBラインm1の頂点のキュリー温度が170℃であるのに対し、MPBラインM1の頂点のキュリー温度Tc4は300℃である。これにより、広い使用環境温度範囲で圧電特性、誘電特性が高く、また、キュリー温度が高い圧電材料が実現できる。ここで、相図は菱面体晶で構成される組成範囲(図ではRと表示)と正方晶(図ではTと表示)または斜方晶(図ではOと表示)と立方晶(図ではCと表示)で構成されている。
a,Ca)TiO3である場合の横軸に前記第2成分の、前記第1成分と前記第2成分の合計に対する割合(第2成分/(第1成分+第2成分))を、縦軸に温度を採った相図を示す。この場合、第1成分であるSrを添加した(Bi,Na)TiO3 のキュリー温度Tcが268℃、第2成分である(Ba,Ca)TiO3のキュリー温度が70℃であり、MPBラインm2は、第2成分の組成比が0.47〜0.80に亘る範囲で傾斜している。このような系に、第3成分である(Bi,K)TiO3(キュリー温度Tc3=380℃)を、第2成分と第3成分との合計に対して0.25の割合で混合すると、第2成分及び第3成分の組成のキュリー温度は302℃となり、第2成分及び第3成分の、第1成分と第2成分と第3成分との合計に対する割合を横軸とした相図におけるMPBラインM2は、垂直に近く立って、第2成分と第3成分との和の組成比が0.57〜0.80の範囲で傾斜するだけである。また、MPBラインm2の頂点のキュリー温度が110℃であるのに対し、MPBラインM2の頂点のキュリー温度Tc4は285℃である。これにより、広い使用環境温度範囲で圧電特性、誘電特性が高く、また、キュリー温度が高い圧電材料が実現できる。
a,Ca)TiO3である場合の横軸に前記第2成分の、前記第1成分と前記第2成分と第3成分との合計に対する割合(第2成分/(第1成分+第2成分+第3成分))を、縦軸に温度を採った相図を示す。この場合、第1成分であるSrを添加した(Bi,Na)TiO3のキュリー温度Tcが268℃、第2成分である(Ba,Ca)TiO3のキュリー温度が70℃であり、MPBラインm3は、第2成分の組成比が0.4〜0.6に亘る範囲で傾斜している。このような系に、第3成分であるNaNbO3(キュリー温度Tc3=360℃)を、第2成分と第3成分との合計に対して0.2の割合で混合すると、第2成分及び第3成分の組成のキュリー温度は302℃となり、第2成分及び第3成分の、第1成分と第2成分と第3成分との合計に対する割合を横軸とした相図におけるMPBラインM3は、垂直に近く立って、第2成分と第3成分との和の組成比が0.45〜0.60の範囲で傾斜するだけである。また、MPBラインm3の頂点のキュリー温度が130℃であるのに対し、MPBラインM3の頂点のキュリー温度Tc4は291℃である。これにより、広い使用環境温度範囲で圧電特性、誘電特性が高く、また、キュリー温度が高い圧電材料が実現できる。
図4は、本発明の一実施形態に係る圧電素子を具備す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5は、図4の平面図であり、図6は図5のA−A’線断面図である。図4〜図6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。
まず、シリコンウェハーである流路形成基板用ウェハー110の表面に弾性膜50を構成する二酸化シリコン(SiO2)等からなる二酸化シリコン膜を熱酸化等で形成する。次いで、弾性膜50(二酸化シリコン膜)上に、酸化チタン等からなる密着層56を、反応性スパッター法や熱酸化等で形成する。
次に、流路形成基板用ウェハー上に、マスク膜を新たに形成し、所定形状にパターニングする。
第1成分としてSrを添加した(Bi0.5,Na0.5)TiO3、第2成分としてBaTiO3、第3成分としてKNbO3を選定し、三者のモル比を0.56:0.39:0.26となる組成の圧電材料を以下の通り形成した。
第1成分としてSrを添加した(Bi0.5,Na0.5)TiO3、第2成分として(Ba0.8,Ca0.2)TiO3、第3成分として(Bi0.5,K0.5)TiO3を選定し、三者のモル比を0.53:0.32:0.21となる組成の圧電材料を以下の通り形成した。
第1成分としてSrを添加した(Bi0.5,Na0.5)TiO3、第2成分として(Ba0.8,Ca0.2)TiO3、第3成分としてNaNbO3を選定し、三者のモル比を0.40:0.48:0.12となる組成の圧電材料を以下の通り形成した。
以上、本発明の圧電材料に関する一実施形態を説明したが、本発明の圧電材料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。
表1はペロブスカイト型結晶(ABO3:AとBは金属元素)を構成する組成(AサイトとBサイト)とその結晶系及びそのキュリー温度Tcを記載したものである。MPBは異なる結晶系の組合せで形成することができるので、以下の組合せでも圧電性能の向上とキュリー温度Tcの向上とを獲得することが出来る。
I 正方晶系と斜方晶系
II 正方晶系と単斜晶系
III 斜方晶系と単斜晶系
Mn、Ge、Si、B、Cu、Ag。
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。
本発明の圧電素子は、良好な絶縁性及び圧電特性を示すため、上述したように、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドの圧電素子に適用することができるものであるが、これに限定されるものではない。本発明に係る圧電素子は、優れた変位特性を示すことから、インクジェット式記録ヘッドに代表される液体噴射ヘッドに限られず、液体噴射装置、超音波センサー、圧電モーター、超音波モーター、圧電トランス、振動式ダスト除去装置、圧力−電気変換機、超音波発信機、圧力センサー、加速度センサーなどに搭載して好適に用いることができる。
また、本発明に係る圧電素子は、良好なエネルギー電気変換能力を示すことから、発電装置に搭載して好適に用いることができる。発電装置としては、圧力電気変換効果を使用した発電装置、光による電子励起(光起電力)を使用した発電装置、熱による電子励起(熱起電力)を使用した発電装置、振動を利用した発電装置などが挙げられる。
Claims (7)
- 単独組成では菱面体晶であり且つキュリー温度がTc1であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる非鉛系圧電材料である第1成分と、単独組成では菱面体晶以外の結晶であり且つキュリー温度がTc2であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる非鉛系圧電材料である第2成分と、単独組成では菱面体晶以外の結晶で且つキュリー温度がTc3であるペロブスカイト型構造を有する複合酸化物からなる非鉛系圧電材料である第3成分とであって、前記Tc1は前記Tc2より高く、前記Tc3は前記Tc1以上であり、(0.9×Tc1+0.1×Tc2)の値が280℃以下である前記第1成分、前記第2成分及び前記第3成分を選定し、横軸に前記第2成分及び前記第3成分の、前記第1成分と前記第2成分と前記第3成分との組成比((第2成分+第3成分)/(第1成分+第2成分+第3成分))を、縦軸に温度を採った相図におけるMPBライン近傍の組成を決定し、該組成を有し、キュリー温度Tc4が280℃以上である非鉛系圧電材料を製造することを特徴とする圧電材料の製造方法。
- 前記第1成分、前記第2成分、及び前記第3成分が、KxNa(1−x)NbO3、(Bi,Na)TiO3、BiFeO3、及びBaTiO3からなる群から選択されることを特徴とする請求項1に記載の圧電材料の製造方法。
- (第2成分+第3成分)の(第1成分+第2成分+第3成分)に対するモル比率が0.1以上0.9以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電材料の製造方法。
- 第3成分の(第2成分+第3成分)に対するモル比率が0.05〜0.49であることを特徴とする請求項1〜3の何れか一項に記載の圧電材料の製造方法。
- 前記第1成分がSr、Li及びCaから選択される少なくとも1種を添加した(Bi,Na)TiO3であり、前記第2成分がBaTiO3であり、前記第3成分がKNbO3であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電材料の製造方法。
- 前記第1成分がSr、Li及びCaから選択される少なくとも1種を添加した(Bi,Na)TiO3であり、前記第2成分が(Ba,Ca)TiO3であり、前記第3成分が(Bi,K)TiO3であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電材料の製造方法。
- 前記第1成分がSr、Li及びCaから選択される少なくとも1種を添加した(Bi,Na)TiO3であり、前記第2成分が(Ba,Ca)TiO3であり、前記第3成分がNaNbO3であることを特徴とする請求項1〜4の何れか一項に記載の圧電材料の製造方法。
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