WO2014024695A1 - 圧電素子、圧電デバイス、インクジェットヘッドおよびインクジェットプリンタ - Google Patents
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Definitions
- the upper electrode 6 is formed by laminating a Ti layer 6a and a Pt layer 6b.
- the Ti layer 6a is formed to improve the adhesion between the piezoelectric layer 5 and the Pt layer 6b.
- the thickness of the Ti layer 6a is, for example, about 0.02 ⁇ m, and the thickness of the Pt layer 5b is, for example, about 0.1 to 0.2 ⁇ m.
Abstract
Description
図1は、本実施形態に係る圧電素子10の概略の構成を示す断面図である。本実施形態の圧電素子10は、基板1上に、熱酸化膜2、下部電極3、下地層4、圧電体層5および上部電極6をこの順で積層して構成されている。なお、上記の基板1、熱酸化膜2および下部電極3は、下地層4が形成される基体を構成している。
図2は、圧電素子10の主要な層を構成する材料の線膨張係数と格子定数とを示している。同図に示すように、基板1(Si)と、圧電体層5(PZT)とでは、線膨張係数および格子定数のそれぞれにおいて大きな差がある。このような線膨張係数および格子定数の不整合は、基板1と圧電体層5との間に下部電極3が位置することでやや緩和される。つまり、下部電極3と圧電体層5との間での線膨張係数および格子定数の差は、基板1と圧電体層5との間での線膨張係数および格子定数の差よりも小さくなる。しかし、圧電体層5において必要なペロブスカイト構造や結晶相の相境界を実現できるほど、線膨張係数および格子定数の差が小さいとは言えず、所望の圧電特性や耐電圧を得るには不十分である。
次に、本実施形態の圧電素子10の製造方法について、図1を参照しがら図4のフローチャートに基づいて説明する。
図5は、下地層4および圧電体層5を成膜するスパッタ装置の概略の構成を示す断面図である。下地層4および圧電体層5は、1台の高周波マグネトロンスパッタリング装置によって成膜することができる。
図6は、本実施形態で作製した圧電素子10をダイヤフラム(振動板)に応用した圧電デバイス20の構成を示す平面図であり、図7は、図6のA-A’線矢視断面図である。なお、ここでは、圧電体層5のd31変形(電界方向と分極方向とが同一で、変形(伸縮)がそれらに垂直)を利用して圧電デバイス20を駆動するものとする。
以上では、圧電体層5として、PZTやPLZTを用いた例について説明したが、その他にも、PNN-PT(Pb(Ni1/3Nb2/3)O3とPbTiO3との固溶体)、PZN-PT(Pb(Zn1/3Nb2/3)O3とPbTiO3との固溶体)、PMN-PT(Pb(Mg1/3Nb2/3)O3とPbTiO3との固溶体)、KNN(KNbO3とNaNbO3との固溶体)、BFO(BiFeO3とBiKTiO3との固溶体)など、特性の高い圧電体を用いることもできる。例えば、PNN-PT、PZN-PT、PMN-PTについては、それぞれ、NiおよびNbのトータルの組成率((Ni+Nb)/(Ni+Nb+Ti))、ZnおよびNbのトータルの組成率((Zn+Nb)/(Zn+Nb+Ti))、MgおよびNbのトータルの組成率((Mg+Nb)/(Mg+Nb+Ti))を、本実施形態で示したZrの組成率と同様に変化させればよい。
1a 開口部
2 熱酸化膜(基体)
3 下部電極(基体)
4 下地層
5 圧電体層
6 上部電極
10 圧電素子
20 圧電デバイス
30 インクジェットヘッド
40 インクジェットプリンタ
Claims (10)
- 基体上に、圧電体層の結晶性を制御するための下地層と、前記圧電体層とを備えた圧電素子であって、
前記圧電体層は、Aサイトに少なくともPbを含むABO3型の構造を有する結晶により構成され、
前記下地層において、
前記基体との界面側は、Aサイトに少なくともPbと前記圧電体層とは異なる組成率の他の物質とを含み、Bサイトが前記圧電体層とは異なる組成比からなる物質により構成されることにより、前記圧電体層よりも結晶性の良い所定の結晶構造を有し、
前記基体との界面側より上層では、前記基体との界面側から前記圧電体層との界面側に向かって、前記下地層のAサイトに含まれる前記他の物質の組成率が変化してゆく一方、前記Bサイトに含まれる物質の組成比が変化してゆくことで、前記圧電体層の組成に近づくよう構成される圧電素子。 - 前記圧電体層は、PZT、またはPZTに添加物を加えたもので構成されており、
前記下地層において、
前記基体との界面側はAサイトにPbとLaを含むPLTであり、前記PLTより上層では、前記基体との界面側から前記圧電体層との界面側に向かって、前記下地層に含まれるLaの組成率が減少してゆく一方、Zrの組成率が増加してゆくことで、前記圧電体層の組成に近づく、請求項1に記載の圧電素子。 - 前記圧電体層は、PNN-PT、PZN-PT、PMN-PTの何れかであり、
前記下地層において前記基体との界面側より上層では、前記基体との界面側から前記圧電体層との界面側に向かって、前記PNN-PTにあっては前記下地層に含まれるNi及びNbの合計組成率が、前記PZN-PTにあっては前記下地層に含まれるZn及びNbの合計組成率が、前記PMN-PTにあっては前記下地層に含まれるMg及びNbの合計組成率が増加してゆくことで、前記圧電体層の組成比に近づく、請求項1に記載の圧電素子。 - 前記下地層において、前記基体との界面側はAサイトにLaを含むPLTであり、前記PLTより上層では、前記基体との界面側から前記圧電体層との界面側に向かって、前記下地層に含まれるLaの組成率が減少してゆく、請求項3に記載の圧電素子。
- 前記下地層において、前記圧電体層との界面側は、前記圧電体層と同じ組成である、請求項1から4のいずれかに記載の圧電素子。
- 前記圧電体層のTi/Zr比は、組成相境界を構成する比である、請求項1または2に記載の圧電素子。
- 前記基体は、基板と、前記圧電体層に対して前記基板側に位置する下部電極とを含み、
該圧電素子は、前記圧電体層に対して前記下部電極とは反対側に位置する上部電極をさらに備えている、請求項1から6のいずれかに記載の圧電素子。 - 請求項7に記載の圧電素子を備え、
前記圧電素子の前記基板には開口部が形成されており、
前記圧電体層は、少なくとも前記開口部の上方に位置している、圧電デバイス。 - 前記開口部と外部とを連通するノズル開口を備え、請求項8に記載の圧電素子を用いて前記開口部内のインクを前記ノズル開口から吐出するよう構成されている、インクジェットヘッド。
- 請求項9に記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタ。
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