JP6417549B1

JP6417549B1 - 圧電機能膜、アクチュエータおよびインクジェットヘッド

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Publication number: JP6417549B1
Application number: JP2018519060A
Authority: JP
Inventors: 健介水原; 貴聖張替
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2017-12-11
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2037-12-11
Also published as: JPWO2018110483A1; US10622540B2; US20200052188A1; CN109983592A; CN109983592B; WO2018110483A1

Abstract

圧電機能膜は、下地層と圧電体層からなる。圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛よりなる。下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかよりなる。

Description

本開示は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛からなる圧電体層を備えた圧電機能膜、アクチュエータおよびインクジェットヘッドに関する。

近年、パッケージ、テキスタイル、製品装飾などへの印刷需要が拡大している。インクジェット方式は、有版印刷方式に比べて、小ロット対応が可能でかつリードタイムが短いというメリットを有している。そこでパッケージ、テキスタイル、製品装飾などへの印刷手法として、インクジェット方式が検討されている。

なお、インクジェット方式の印刷機は、インクを吐出するためのアクチュエータを有する。アクチュエータは、駆動手段としてチタン酸ジルコン酸鉛を主成分とした圧電膜の両主面に電極を配置した圧電素子が用いられている。

パッケージ、テキスタイル、製品装飾などの印刷対象は、プリント紙などの印刷対象に比べて、印刷面が平坦でない。また、パッケージ、テキスタイル、製品装飾などの印刷対象では、プリント紙などの印刷対象に比べて、様々な種類のインクが使用される。

したがって、圧電素子には、印刷面が平坦でない印刷対象へ、様々な種類のインクを、高速かつ高精細に印刷するために、より高い圧電性能が要求される。従来、チタン酸ジルコン酸鉛の圧電定数を高める手法として、圧電膜を（００１）優先配向とするとともに、チタン酸ジルコン酸鉛に１０モル％以上４０モル％以下のニオブを添加する手法が知られている。

特許文献１〜６は上記の分野の従来技術を開示している。

特許第４１４２７０５号公報特許第４１４２７０６号公報特許第４２４６２２７号公報特許第５３６７２４２号公報特許第４５０５４９２号公報特許第４４５２７５２号公報

Ｒ．Ｒａｍｅｓｈ，Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．（１９９３）Ｖｏｌ．６３，Ｎｏ．１ｐ．２７−２９

チタン酸ジルコン酸鉛にニオブを添加した場合、圧電素子に内部電界が生じるという課題がある。

通常、駆動手段は、基板と下部電極と圧電膜と上部電極とが順次積み重ねられたアクチュエータの形態で使用される。このアクチュエータの圧電層膜をニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛とした場合、下部電極から上部電極に向かう方向に、内部電界が発生する。例えば、特許文献４の図７で開示された分極−電界曲線（Ｐ−Ｅ曲線）から読み取った内部電界の値は１８ｋｖ／ｃｍである。

なお、非特許文献１では、１０−１５ｋＶ／ｃｍの内部電界を有する試料は、内部電界を持たない試料に比べて、連続駆動時の分極劣化が早期に生じると記載されている。チタン酸ジルコン酸鉛のような強誘電性を有する圧電膜において、分極は、圧電性能と相関がある。したがって、圧電膜をニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛としたアクチュエータは、連続駆動時に、圧電膜の圧電性能の劣化が早期に生じると想定される。

一方で、特許文献４、特許文献５には、鉛イオンをビスマスイオンで置換させることで、圧電膜の内部電界を低減させる手法が開示されている。しかしながら、この手法では、圧電膜における添加物の量が増加することになり、圧電膜の組成制御が複雑となることから、量産の観点で望ましくない。

また、特許文献６には、鉛以外のカチオンに対する鉛のモル比を１．０３以下とした圧電膜が開示されている。しかしながら、強誘電性の低下を同時に招くため、望ましくない。

本開示の圧電機能膜は、下地層と圧電体層とを備え、圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかである構成とした。

本開示の一態様におけるアクチュエータは、基板と、基板の上に配置された下部電極と、下部電極の上に配置された圧電機能膜と、圧電機能膜の上に配置された上部電極と、を備え、圧電体膜圧電機能膜は、下地層と、下地層上に設けられた圧電体層とを備え、圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかである構成とした。

本開示の一態様におけるインクジェットヘッドは、流路と、流路に接続された圧力室と、圧力室に接続されたノズルと、を備え、圧力室は、圧力室内の圧力を制御するアクチュエータを有し、アクチュエータは、基板と、基板の上に配置された下部電極と、下部電極の上に配置された圧電機能膜と、圧電機能膜の上に配置された上部電極と、を備え、圧電機能膜は、下地層と、下地層上に設けられた圧電体層とを備え、圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかである構成とした。

この構成により、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛を用いたことにより生じる圧電素子の内部電界を低減させることができる。

図１は、本開示の一実施の形態における圧電機能膜を備えたアクチュエータの断面図である。図２は、本開示の一実施の形態におけるアクチュエータを用いたインクジェットヘッドの断面図である。図３は、実施例１における圧電素子のＰＥ曲線を示す図である。図４は、実施例２における圧電素子のＰＥ曲線を示す図である。図５は、実施例３における圧電素子のＰＥ曲線を示す図である。図６は、比較例１における圧電素子のＰＥ曲線を示す図である。

以下では、本開示の実施の形態に係る圧電機能膜を備えたアクチュエータについて、図面を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態は、いずれも本開示の好ましい一具体例を示すものである。したがって、以下の実施の形態で示される形状、構成要素、構成要素の配置及び接続形態などは、一例であり、本開示を限定する趣旨ではない。よって、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

また、各図は、模式図であり、必ずしも厳密に図示されたものではない。各図において、実質的に同一の構造については同一の符号を付しており、重複する説明は省略または簡略化している。

以下、本開示の一態様の圧電機能膜について図を用いて説明する。図１は圧電機能膜５を備えたアクチュエータ１００を示す断面図である。このアクチュエータ１００は、振動板１の上に圧電素子４が配置されている。圧電素子４は、下部電極８、圧電機能膜５、上部電極９が順に積層された構造体である。なお、下部電極８が振動板１の上に配置される。

振動板１は、シリコン基板２の表面に二酸化ケイ素からなる絶縁体膜３を有する２層基板で構成することができる。圧電機能膜５は、下部電極８の上に配置された下地層６と、下地層６の上に配置された圧電体層７を備える。下地層６は、ニオブが添加されたチタン酸鉛（ニオブ添加チタン酸鉛またはＮｂ添加ＰＴ）、ニオブとランタンが添加されたチタン酸鉛（（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛またはＮｂ添加ＰＬＴ）、ニオブとランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛（（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛またはＮｂ添加ＰＬＭＴ）のいずれかにより構成することが出来る。圧電体層７は、（００１）優先配向であり、ニオブが添加されたチタン酸ジルコン酸鉛（Ｎｂ添加ＰＺＴ）により構成することが出来る。振動板１と下地層６の間には、下部電極８が配置されている。下部電極８は、プラチナやイリジウムなどの金属からなる。圧電機能膜５の上には、上部電極９が配置されている。上部電極９は、プラチナや金などの金属からなる。

アクチュエータ１００は、上部電極９と下部電極８間に制御電圧を印加することにより、振動板１を振動させることができる。上部電極９と下部電極８に制御電圧を印加すると、圧電体層７の逆圧電効果により、圧電体層７の厚み方向（図中の上下方向）の振動が励起される。

このように、圧電体層７をＮｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７とし、下地層６をＮｂ添加ＰＴ、Ｎｂ添加ＰＬＴ、Ｎｂ添加ＰＬＭＴのいずれかとすることで、圧電機能膜５の内部電界を低減することができる。また、圧電機能膜５の内部電界が低減されることでアクチュエータ１００における連続駆動時の圧電性能の劣化が抑制される。

また、圧電体層７を形成するＮｂ添加ＰＺＴは、ニオブの添加割合が１０モル％以上かつ４０モル％以下の範囲内とすることで、圧電体特性を効率よく高めることができる。なお、ニオブの添加割合とは、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７におけるジルコニウム、チタンおよびニオブの総和に対するニオブのモル比を意味する。

特に、圧電機能膜５を、アクチュエータ１００の駆動手段に用いる場合は、圧電機能膜５に印加される駆動電圧が大きくなるため、内部電界の低減による効果が大きくなる。また、アクチュエータ１００をインクジェットヘッドのインクの吐出手段として用いることで、内部電界の低減による効果をより顕著に得ることができる。

次に、本開示におけるアクチュエータ１００をインクジェットヘッドに用いた際の作用効果について述べる。図２にインクジェットヘッド２００の構成を示す。インクジェットヘッド２００は、インクを吐出するノズル１１と、インクを吐出させるための圧力を制御する圧力室１２と、圧力室１２にインクを導入する流路１３を備える。圧力室１２は本開示におけるアクチュエータ１００を有している。アクチュエータ１００は圧力室１２の天井部分を振動板１として、この振動板１の上に圧電素子４が配置されて構成されている。アクチュエータ１００に駆動信号を印加することで振動板１が変位に応じて圧力室１２内のインクに吐出圧力が付与され、ノズル１１を介してインクが吐出される構造となっている。つまり、アクチュエータ１００は粘性の高いインクに吐出圧力を付与しなければならず、より大きな圧電特性を必要とする。つまり、本開示における内部電界の低減による効果がより顕著に現れるのである。

以下に、本開示の一実施の形態である実施例と、実施例の比較対象となる比較例を挙げて説明する。実施例および比較例は、下部電極８、圧電機能膜５、上部電極９を備えた圧電素子４を備えたアクチュエータ１００である。内部電界については、図３から図６に示す圧電素子４のＰ−Ｅ曲線により判定する。実施例１、実施例２、実施例３は、圧電体層７がＮｂ添加ＰＺＴであり、下地層６がＮｂ添加ＰＬＭＴであり、ニオブの添加割合が異なる。比較例１は、圧電体層７がＮｂ添加ＰＺＴであるが、下地層６は、ランタンとマグネシウムが添加されたチタン酸鉛（ＰＬＭＴ）である。このＰＬＭＴにはニオブは添加されていない。

なお、圧電素子の内部電界が１０ｋＶ／ｃｍ以下であることを効果の判定基準とする（実施例１）。

実施例１のアクチュエータ１００の構造について説明する。振動板１は、シリコン基板２上に２酸化ケイ素からなる絶縁体膜３が配置された２層基板で構成されている。シリコン基板２の厚みは５２５μｍであり、絶縁体膜３の厚みは７０ｎｍである。下部電極８は白金からなり、厚みは０．４μｍである。圧電機能膜５は、Ｎｂ添加ＰＬＭＴからなる下地層６と、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７を有する。下地層６の厚みは６０ｎｍである。圧電体層７の厚みは３．５μｍである。上部電極９は金からなり、厚みは０．３μｍである。

下部電極８は、絶縁体膜３の上にスパッタリングで形成される。

下地層６は、下部電極８の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＬＭＴからなる下地層６におけるニオブの添加割合は、８モル％である。なお、ここでいうニオブの添加割合とは、Ｎｂ添加ＰＬＭＴからなる下地層６におけるニオブとチタンの総和に対するニオブのモル比を意味する。Ｎｂ添加ＰＬＭＴ層の組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）およびエネルギー分散型線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）などにより確認することが出来る。

圧電体層７は、下地層６の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＺＴにおけるニオブの添加割合は、１０モル％である。Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７の組成は、Ｘ線光電子分光法（ＸＰＳ）およびエネルギー分散型線分光法（ＳＥＭ−ＥＤＸ）などにより確認することが出来る。

図３に、実施例１における圧電素子４のＰ−Ｅ曲線を示す。内部電界は７．２ｋＶ／ｃｍである。なお内部電界は、Ｐ−Ｅ曲線において、低電界側の抗電界Ｅｃ１と高電界側の抗電界Ｅｃ２を加えた値を２で除した値である。

（実施例２）
実施例２のアクチュエータ１００について説明する。なお、実施例２のアクチュエータ１００における実施例１のアクチュエータ１００との違いは、下地層６におけるニオブの添加割合を１２％としたＮｂ添加ＰＬＭＴを用いたところと、圧電体層７におけるニオブの添加割合を１５％としたＮｂ添加ＰＺＴを用いたところである。他の条件については実施例１のアクチュエータ１００と同じである。

実施例２のアクチュエータ１００の構造について説明する。振動板１は、シリコン基板２上に２酸化ケイ素層からなる絶縁体膜３が配置された２層基板で構成されている。シリコン基板２の厚みは５２５μｍであり、絶縁体膜３の厚みは７０ｎｍである。下部電極８は白金からなり、厚みは０．４μｍである。圧電機能膜５は、ＰＬＭＴからなる下地層６と、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７を有する。下地層６の厚みは６０ｎｍである。圧電体層７の厚みは３．５μｍである。上部電極９は金からなり、厚みは０．３μｍである。

下部電極８は、絶縁体膜３の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＬＭＴにおけるニオブの添加割合は、１２モル％である。

圧電体層７は、下地層６の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＺＴにおけるニオブの添加割合は、１５モル％である。

図４に、実施例２における圧電素子４のＰ−Ｅ曲線を示す。内部電界は４．７ｋＶ／ｃｍである。

（実施例３）
実施例３のアクチュエータ１００について説明する。なお、実施例３のアクチュエータ１００における実施例１のアクチュエータ１００との違いは、下地層６におけるニオブの添加割合を１６％としたＮｂ添加ＰＬＭＴを用いたところと、圧電体層７におけるニオブの添加割合を２０％としたＮｂ添加ＰＺＴを用いたところである。他の条件については実施例１のアクチュエータ１００と同じである。

実施例３のアクチュエータ１００の構造について説明する。振動板１は、シリコン基板２上に２酸化ケイ素層からなる絶縁体膜３が配置された２層基板で構成されている。シリコン基板２の厚みは５２５μｍであり、絶縁体膜３の厚みは７０ｎｍである。下部電極８は白金からなり、厚みは０．４μｍである。圧電機能膜５は、ＰＬＭＴからなる下地層６と、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７を有する。下地層６の厚みは６０ｎｍである。圧電体層７の厚みは３．５μｍである。上部電極９は金からなり、厚みは０．３μｍである。

下部電極８は、絶縁体膜３の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＬＭＴにおけるニオブの添加割合は、１６モル％である。

圧電体層７は、下地層６の上にスパッタリングで形成される。Ｎｂ添加ＰＺＴにおけるニオブの添加割合は、２０モル％である。

図５に、実施例３における圧電素子４のＰ−Ｅ曲線を示す。内部電界は３．１ｋＶ／ｃｍである。

（比較例１）
比較例１のアクチュエータ１００について説明する。なお、比較例１のアクチュエータ１００における実施例１のアクチュエータ１００との違いは、下地層６にニオブが添加されていないＰＬＭＴを用いたところである。他の条件については実施例１のアクチュエータ１００と同じである。

比較例１のアクチュエータ１００の構造について説明する。振動板１は、シリコン基板２上に２酸化ケイ素層からなる絶縁体膜３が配置された２層基板で構成されている。シリコン基板２の厚みは５２５μｍであり、絶縁体膜３の厚みは７０ｎｍである。下部電極８は白金からなり、厚みは０．４μｍである。圧電機能膜５は、ＰＬＭＴからなる下地層６と、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７を有する。下地層６の厚みは６０ｎｍである。圧電体層７の厚みは３．５μｍである。上部電極９は金からなり、厚みは０．３μｍである。

圧電体層７は、下地層６の上にスパッタリングで形成される。このＮｂ添加ＰＺＴにおけるニオブの添加割合は、１０モル％である。

図６に、比較例１における圧電素子４のＰ−Ｅ曲線を示す。内部電界は２７．８ｋＶ／ｃｍである。

以上、実施例１、実施例２、実施例３と比較例１の結果からも、Ｎｂ添加ＰＺＴの下地層６としてＮｂ添加ＰＬＭＴを用いることで圧電素子４における内部電界が低減することがわかる。

なお、上述した実施の形態では、Ｎｂ添加ＰＺＴからなる圧電体層７の下地層６をＮｂ添加ＰＬＭＴであるとして説明したが、本発明はこの形態に限定されない。実施例１におけるＮｂ添加ＰＬＭＴは、圧電体層７の結晶性向上を目的とした成分である。したがって、圧電体層７の成分であるジルコン酸鉛に比べて結晶化が容易なチタン酸鉛が主成分であればよい。つまり、本開示における下地層６は、チタン酸鉛を主成分とするＮｂ添加ＰＬＴまたはＮｂ添加ＰＴを下地層６としても、上述したＮｂ添加ＰＬＭＴと同様の効果を得ることができる。

また、振動板１は、シリコン基板２と２酸化ケイ素層からなる絶縁体膜３からなる２層構成で説明したが、２酸化ケイ素層の単層構成としてもよい。

また、圧電体層７におけるニオブの添加割合を１０モル％として説明したが、ニオブの添加割合は１０モル％以上かつ４０モル％以下であれば高い圧電性能を得ることができる。ただし、圧電体層７におけるニオブの添加割合が２５モル％以上である場合においては、内部電界が抑制される傾向がある。したがって、ニオブを添加した下地層６を用いる場合、圧電体層７におけるニオブの添加割合が１０モル％以上かつ２５モル％以下の範囲が特に有効となる。

このように、実施例のアクチュエータでは、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛のヒステリシスを改善することができる。

また、下地層６におけるニオブの添加割合は、８モル％以上かつ１６モル％以下の範囲であることが好ましい。ニオブの添加割合が８モル％より小さい場合、内部電界の値が大きくなってしまい、ニオブの添加割合が１６モル％より大きい場合、圧電体層７における（００１）／（１００）優先配向が得ることができない。なお、下地層６におけるニオブの添加割合とは、下地層６におけるチタンとニオブのモル数の合計の中でニオブのモル数の占める割合を示す。実施例１の下地層６（Ｎｂ添加ＰＴ）であれば、Ｎｂ添加ＰＴにおけるチタンのモル数とニオブのモル数の合計の中でニオブのモル数の占める割合を示す。実施例２の下地層６（Ｎｂ添加ＰＬＴ）であれば、Ｎｂ添加ＰＬＴにおけるチタンのモル数とニオブのモル数の合計の中でニオブのモル数の占める割合を示す。実施例３の下地層６（Ｎｂ添加ＰＬＭＴ）であれば、Ｎｂ添加ＰＬＭＴにおけるチタンのモル数とニオブのモル数の合計の中でニオブのモル数の占める割合を示す。

本開示における圧電機能膜は、特に駆動電圧が大きいインクジェットヘッド用途において有効である。

１振動板
５圧電機能膜
６下地層
７圧電体層
８下部電極
９上部電極
１１ノズル
１２圧力室
１３流路
１００アクチュエータ
２００インクジェットヘッド

Claims

下地層と、前記下地層上に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、
前記下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかであり、
前記下地層おける前記チタンのモル数と前記ニオブのモル数の合計の中で前記ニオブのモル数の占める割合が８モル％以上かつ１６モル％以下である、
圧電機能膜。
前記圧電体層におけるチタンのモル数とジルコンのモル数とニオブのモル数の合計の中で前記ニオブのモル数の占める割合が１０モル％以上かつ４０モル％以下である、
請求項１に記載の圧電機能膜。
振動板と、
前記振動板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極の上に配置された圧電機能膜と、
前記圧電機能膜の上に配置された上部電極と、を備え、
前記圧電機能膜は、
下地層と、下地層上に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、
前記下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかであり、
前記下地層おける前記チタンのモル数と前記ニオブのモル数の合計の中で前記ニオブのモル数の占める割合が８モル％以上かつ１６モル％以下である、
アクチュエータ。
流路と、
前記流路に接続された圧力室と、
前記圧力室に接続されたノズルと、を備え、
前記圧力室は、前記圧力室内の圧力を制御するアクチュエータを有し、
前記アクチュエータは、
振動板と、
前記振動板の上に配置された下部電極と、
前記下部電極の上に配置された圧電機能膜と、
前記圧電機能膜の上に配置された上部電極と、を備え、
前記圧電機能膜は、
下地層と、下地層上に設けられた圧電体層とを備え、
前記圧電体層は、ニオブ添加チタン酸ジルコン酸鉛であり、
前記下地層は、ニオブ添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン）添加チタン酸鉛、または（ニオブ、ランタン、マグネシウム）添加チタン酸鉛のいずれかであり、
前記下地層おける前記チタンのモル数と前記ニオブのモル数の合計の中で前記ニオブのモル数の占める割合が８モル％以上かつ１６モル％以下である、
インクジェットヘッド。